Rol del cerebro basal anterior en la discriminación olfatoria de mezclas complejas de odorantes en ratones

Abstract

Todos los organismos requieren integrar información proveniente del ambiente para ejecutar acciones coherentes en su entorno, como huir de depredadores o localizar alimento. La percepción de estas señales y la capacidad de responder a estímulos relevantes ocurre mediante un proceso dinámico que se modifica a través de la experiencia y en el que participan circuitos neuromodulatorios. El cerebro basal anterior (BF) es uno de los conjuntos de núcleos neuromoduladores más importante en mamíferos, proyectando a gran parte de la corteza y al sistema olfatorio. Está involucrado en variados procesos cognitivos como la atención, el aprendizaje, la memoria y la discriminación sensorial. El BF está compuesto por tres poblaciones neuronales principales: colinérgicas, GABAérgicas y glutamatérgicas. En todos los vertebrados, el sistema olfatorio participa en comportamientos fundamentales como la identificación de depredadores, la reproducción y la paternidad. Cuando las moléculas de odorante ingresan por la nariz, son reconocidas por receptores en las neuronas sensoriales olfatorias, permitiendo la activación de éstas y la transmisión sináptica de esta señal hacia el bulbo olfatorio en el sistema nervioso central. En el cerebro, las neuronas de esta estructura proyectan axones hacia la corteza piriforme, donde se codifican las señales generadas por odorantes y que finalmente permiten generar perceptos olfatorios. En la codificación olfatoria no sólo está involucrada la transmisión sináptica producida por señales del medio externo o “Bottom up”, sino que también la transmisión sináptica “Top down” desde núcleos modulatorios cerebrales. Un ejemplo de esto son las fibras colinérgicas y GABAérgicas del BF que proyectan sus axones al bulbo olfatorio y la corteza piriforme, específicamente desde el subnúcleo

horizontal de la banda diagonal de Broca (HDB). Sin embargo, se desconoce el rol in vivo de la activación neuronal del BF en la discriminación de mezclas complejas de odorantes de composición similar. Para evaluar el rol del HDB en la discriminación olfatoria, se llevó a cabo la activación neuronal por fotoestimulación de esta región cerebral de manera simultánea con pruebas conductuales. Específicamente, se expresó canalrodopsina-2 a través de inyecciones estereotáxicas virales en neuronas del HDB de ratones y se implantó una fibra óptica en esta zona del cerebro para controlar espacial y temporalmente, mediante optogenética in vivo, la activación de neuronas de esta área durante una prueba de discriminación go/no-go de mezclas complejas de odorantes. Los resultados obtenidos sugerirían que el 85% de ratones implantados aprende a discriminar entre isoamilacetato y aceite mineral en tres sesiones de la prueba go/no-go. Al activar neuronas del HDB, el total de los animales implantados que expresan ChR-2 aprenderían a discriminar los mismos estímulos en dos sesiones de entrenamiento y aprenderían a discriminar entre fenilacetato y 2-butanona en dos sesiones de entrenamiento. Finalmente, en el único sujeto experimental en el cual se activaron neuronas del HDB durante la prueba de discriminación de mezclas complejas de odorantes, se observó un aumento de la sensibilidad olfativa. Más experimentos son necesarios para comprobar esta hipótesis.

All organisms need to integrate information from the external world to make coherent actions in a constantly changing environment, such as fleeing from predators or food localization. Signal perception and the ability to respond to relevant stimuli occurs through a dynamic process that is modified by experience in part by the activation of the neuromodulatory circuits. The basal forebrain (BF) is one of the most important sets of neuromodulatory nuclei in mammals, projecting a large part of the cortex and the olfactory system. It is involved in various cognitive processes such as attention, learning, memory and sensory discrimination. The BF is composed of three main neuronal populations: cholinergic, GABAergic, and glutamatergic. In all vertebrates, the olfactory system participates in fundamental behaviors such as the predator identification, mating and parenting. When the odorant molecules enter the nose, they are recognized by receptors in the olfactory sensory neurons, allowing the activation of them and the synaptic transmission of this signal to the olfactory bulb in the central nervous system. In the brain, the neurons of this structure projects their axons towards the piriform cortex, where the signals generated by odorants are encoded generating the olfactory perception. In olfactory coding, not only is the synaptic transmission produced by signals from the external environment or "Bottom up" is involved, but also synaptic transmission "Top down" from brain modulatory nuclei. An example of this are the cholinergic and GABAergic fibers of the BF that projects their axons to the olfactory bulb and the piriform cortex, specifically from the horizontal limb of the diagonal band of Broca (HDB). However, the role of in vivo neuronal activation of BF in the discrimination between complex mixtures of odorants of similar composition is unknown. Here, to evaluate the role of HDB in olfactory discrimination we carried neuronal activation by photostimulation of this brain region simultaneously with a behavioral task. Specifically, we carried the expression of channelrhodopsin-2 through viral stereotaxic injections in HDB neurons of mice and performed an implanted an optical fiber in the area to be able to control spatially and temporally, through in vivo optogenetics, the activation of neurons in this region. The activation of neurons of HDB was performed during a go/no-go discrimination task of complex mixtures of odorants. Our results would suggest that 85% of total mice implanted with an optical fiber learn to discriminate between isoamylacetate and mineral oil mostly in three training sessions of go/no-go task. By activating HDB neurons, all implanted animals expressing ChR-2 would learn to discriminate the same stimuli in two training sessions and would learn to discriminate between phenylacetate and 2-butanone in two training sessions. Finally, in the only experimental subject in whom HDB neurons were activated during the discrimination task of complex mixtures of odorants, an increase in olfactory sensitivity was observed. More experiments are necessary to prove this hypothesis.