Imaging the functional networks influenced by VTA stimulation

Abstract

The anatomical structure of the mesolimbic dopamine system has received considerable attention in the past and is therefore well known. It is largely unclear, however, to what degree activity in the system can be imaged with blood-flow based imaging modalities like fMRI and SPECT. Here we investigated how different types of VTA stimulation, differing in specificity for dopaminergic cells, cause functional network activity throughout the brain. To investigate the impact of non-selective stimulation of VTA neurons on BOLD response, we performed electrical VTA stimulation in rats during fMRI. We observed broad activations in reward-related areas, such as the PFC/ACC, VTA and NAcc. Surprisingly, the application of a D1,5 receptor blocker did not suppress these signals, indicating that they might not be caused by dopamine release. To further examine the involvement of dopamine in mesolimbic neurovascular signals, we used two variants of optogenetic VTA stimulation, differing in dopamine specificity. In a lessspecific stimulation condition we transduced neurons in in wild type (WT) rats with an opsin under the CaMKIIα promoter. In a dopamine-specific condition, Th-Cre rats were transduced with floxed opsin, resulting in selective opsin expression in dopaminergic cells. All animals underwent optogenetic intracranial self-stimulation (ICSS) training and the acquisition of conditioned behavior was similar between the groups. Following training, we performed optogenetic stimulation during fMRI measurements in both groups. Less-specific optogenetic stimulation in the fMRI resulted in activation in many cortical and subcortical areas, whereas the effects of specific stimulation were much weaker. Again, a D1,5 receptor blocker applied during less-specific stimulation did not suppress the BOLD signal. To exclude the effect of sedation during fMRI on neurovascular responses, the same animals were used in an awake SPECT study. SPECT data mostly supported fMRI results, revealing higher rCBF in NAcc and VTA in less-specific group, but not in the specific group. In summary, our findings demonstrate that the effect of dopamine release on neurovascular signals is weak. It cannot explain canonical BOLD signals as they are commonly observed in human participants during rewarding experiences. Rather, the magnitude of the found dopamine-related signals might be better explained by a direct vascular effect of dopamine. Canonical BOLD signals might instead be elicited by glutamatergic activity which is correlated to mesolimbic dopamine release.

Die anatomischen Strukturen des mesolimbischen Dopaminsystems, wie die VTA, wurden bereits ausgiebig erforscht. Trotzdem ist wenig darüber bekannt, in welchem Umfang neuronale Aktivität in diesem Areal mittels bildgebenden Verfahren der neurovaskulären Kopplung, wie zum Beispiel fMRT und SPECT, visualisiert werden kann. Deshalb möchten wir untersuchen, ob unterschiedliche Varianten der VTA-Stimulation funktionelle Netzwerkaktivitäten im Gehirn auslösen. Die verwendeten Stimulationen unterscheiden sich dabei in Ihrer Zellspezifität für Dopamin. Um den Einfluss nicht-selektiver Stimulation auf VTA Neurone mittels BOLD-Kontrast zu untersuchen, nutzten wir elektrische VTA-Stimulation während fMRT Bildgebung. Dabei beobachteten wir eine weiträumige Aktivierung in Belohnungsarealen wie PFC/ACC, VTA und NAcc. Überraschenderweise hat die Gabe eines D1,5 Rezeptorblockers diese Signale nicht inhibiert. Daraus schlussfolgern wir, dass diese Aktivierung nicht durch Dopaminausschüttung ausgelöst wurde. Um den spezifischen Einfluss Dopamins auf mesolimbische neurovaskuläre Signale genauer zu erforschen, nutzten wir zwei unterschiedliche Varianten der optogenetischen VTAStimulation. Diese unterscheiden sich durch ihre Dopamin-Spezifität. In der weniger spezifischen Variante transduzierten wir Neurone in Wildtyp-Ratten mit einem Opsin (CaMKIIα Promotor). In der Dopamin-spezifischen Variante wurden Th-Cre Ratten mit gefloxten Opsinen transduziert. Dadurch konnte eine selektive Opsin-Expression in den Dopaminzellen erreicht werden. Alle Tiere wurden einem intrakraniellen Selbststimulationstraining (ICSS) unterzogen. Beide Gruppen zeigten vergleichbares Lernen des konditionierten Verhaltens. Nach dem Training wurde die optogenetische Stimulation während der fMRT Messungen in beiden Gruppen durchgeführt. Dabei zeigte die wenig spezifischere optogenetische Stimulation während des fMRT eine Aktivierung in vielen kortikalen und subkortikalen Arealen. Die Effekte der spezifischen Stimulationen waren hingegen wesentlich schwächer. Die Gabe eines D1,5 Rezeptorblockers während der weniger spezifischen Stimulation inhibierte den BOLDKontrast nicht. Während einer wachen SPECT-Messung wurde untersucht, ob die Sedierung während des fMRT einen Effekt auf die neurovaskuläre Antwort hatte. Die SPECT Daten bestätigen die Erkenntnisse aus dem fMRT. Der regionale zerebrale Blutfluss (rCBF) war höher im NAcc und der VTA in der weniger spezifischen stimulierten Gruppe, jedoch nicht in der spezifischen Gruppe. Zusammenfassend zeigen unsere Daten, dass der Effekt von Dopamin auf die neurovaskuläre Antwort nur gering ist. Allgemein anerkannte BOLD-Kontraste, die bei menschlichen Probanden während einer Belohnungserfahrung auftreten, können damit nicht erklärt werden. Vielmehr könnte ein direkter vaskulärer Effekt den Umfang der Dopamin-abhängigen Signale erklären. Die gemessenen BOLD Kontraste könnten stattdessen durch eine glutamaterge Aktivität, welche mit mesolimbischer Dopaminfreisetzung korreliert, hervorgerufen werden.