Effects of orexin-A blockade on memory facilitation by intracranial self-stimulation

Abstract

La autoestimulación eléctrica intracraneal (AEIC) es un potente tratamiento para la facilitación de la memoria explícita e implícita. Los posibles mecanismos implicados en el efecto facilitador de la AEIC podrían ser múltiples. Así, la AEIC promueve mecanismos de plasticidad en el cerebro relacionados con los procesos de aprendizaje y memoria, tales como cambios estructurales o en la expresión de genes relacionados, en el hipocampo y otras estructuras de diferentes sistemas de memoria. Además, la AEIC produce un arousal generalizado en el cerebro a través de la activación de sistemas de neurotransmisión excitatorios involucrados en el aprendizaje y la memoria. Sin embargo, la implicación del sistema orexinérgico en el efecto de la AEIC sobre la memoria no ha sido estudiada. Las orexinas son neuropéptidos excitatorios que participan en procesos homeostáticos, de ingesta y de regulación sueño-vigilia. La orexina-A y su receptor selectivo, el OX1R, participan en procesos que también son modulados por la AEIC. Por ejemplo, la orexina-A participa en los procesos de refuerzo a partir de sus interacciones con el sistema dopaminérgico mesolímbico. La orexina-A también regula los estados de arousal probablemente a través de la modulación de vías noradrenérgicas y colinérgicas. La activación de los receptores OX1R en neuronas colinérgicas parece modular procesos atencionales. Además, la participación de las orexinas en la modulación de los procesos de aprendizaje y memoria está ganando relevancia, ya que se ha demostrado que la activación de los receptores OX1R puede facilitar diferentes tipos de memoria. Por último, las neuronas que sintetizan orexinas se encuentran principalmente en el hipotálamo lateral, precisamente el área cerebral donde la conducta de AEIC presenta una mayor tasa de respuesta. Con el objetivo de estudiar la relación entre el sistema orexinérgico y el efecto facilitador de la AEIC sobre el aprendizaje y la memoria, se han llevado a cabo cuatro experimentos orientados a evaluar si el bloqueo de los OX1R, por administración de SB-334867, afecta a la facilitación de la memoria producida por la AEIC en dos tareas distintas de aprendizaje, una explícita y otra implícita. Específicamente, los efectos de la AEIC y del bloqueo de los OX1R fueron estudiados en una versión espacial estándar de tarea espacial en el laberinto Acuático de Morris (LAM), y en una tarea de discriminación visual simultánea (DVS), una versión implícita adaptada para el mismo laberinto. El Estudio I y Estudio II sirvieron de experimentos preliminarios para 1) determinar el efecto de la AEIC sobre una tarea de DVS en LAM, y 2) caracterizar el protocolo de entrenamiento en el que el SB-334867 deteriorara el aprendizaje. Observamos que la AEIC facilita la adquisición y retención de una tarea de DVS en el LAM, mientras que promueve una memoria inflexible de la tarea; y que el SB-334867 deteriora la tarea espacial solo en un protocolo de bajo entrenamiento. En el Estudio III, usamos el protocolo de bajo entrenamiento para evaluar los efectos del bloqueo de OX1R sobre la facilitación de la AEIC en la memoria espacial y sobre la expresión de c-Fos en regiones tálamo-cortico-hipocampales relacionadas con la memoria. En el Estudio IV, evaluamos los efectos del bloqueo del OX1R sobre la facilitación de una tarea de DVS en el LAM por la AEIC, así como sus efectos sobre los niveles de acetilcolinesterasa (AChE) en dos regiones colinérgicas relevantes. En general, la AEIC facilita ambos tipos de memoria, mientras que el bloqueo de OX1R los deteriora. Además, la AEIC tiene un efecto compensador del deterioro ocasionado por el SB-334867. Por otro lado, la AEIC promueve una memoria espacial flexible, y una memoria de DVS más rígida. Las observaciones histológicas muestran que la AEIC aumenta la activación de áreas de memoria, mientras que el bloqueo de OX1R provoca una disminución de la activación de las mismas, además de reducir los niveles de AChE en regiones colinérgicas. Por último, el SB-334867 parece anular parcialmente los efectos facilitadores de la AEIC sobre la memoria espacial, mientras que los anula totalmente para la tarea de DVS. En resumen, esta tesis aporta nuevos datos acerca de la implicación del sistema orexinérgico en la facilitación de la memoria por AEIC. Más específicamente, destaca la participación de la orexina-A y su receptor OX1R en la consolidación, la retención a largo plazo y la flexibilidad cognitiva en dos tareas de memoria, una explícita y otra implícita. Además, dedica una especial atención a la participación diferencial del OX1R en un aprendizaje de reversal, dependiendo de las características de cada tarea en términos de flexibilidad. En general, el presente trabajo sugiere que el bloqueo de los receptores OX1R impide la facilitación de la memoria por AEIC de forma parcial, pero que este efecto depende del tipo y del proceso de memoria que se evalúe.

Intracranial self-stimulation (ICSS) has been shown to facilitate implicit and explicit memory. In order to explain the facilitating effects of ICSS on learning and memory, several mechanisms have been proposed. Firstly, ICSS promotes structural plasticity and the expression of plasticity-related genes in the hippocampus and other memory-related structures. In addition, ICSS boosts general arousal states through the activation of many excitatory neurotransmission systems involved in learning and memory. However, research exploring the implication of the excitatory orexinergic system in the facilitative effects of ICSS on memory has yet to be carried out. The orexinergic system plays a role in homeostatic regulation, food intake and the regulation of the sleep-wake cycle. Orexin-A and its selective receptor OX1R are involved in processes that overlap with those affected by ICSS. For instance, orexin-A participates in reward processing through interactions with the dopaminergic system in several reward-related regions. Moreover, orexin-A is implicated in the regulation of arousal states through the stimulation of the noradrenergic and cholinergic systems. In addition, OX1R action within the cholinergic system also modulates attentional processing. Finally, orexin-A and OX1R have been gaining relevance with regard to learning and memory processes, in that orexin-A administration facilitates the acquisition of several types of memory. Interestingly, the orexinergic neurons are located in the lateral hypothalamus, which is also where the highest rates of ICSS behavior are recorded. In order to study the relationship between the orexinergic system and the facilitating effect of ICSS on learning and memory, this dissertation presents four studies which set out to explore whether or not blocking OX1R, using SB-334867, affects said facilitating effects on two different memory tasks. Specifically, the effects of ICSS and OX1R blockade were studied in a standard spatial version of the Morris Water Maze (MWM) and an adapted version of a simultaneous visual discrimination (SVD) implicit task using the same apparatus. Study I and Study II served as preparatory experiments to 1) examine the effects of ICSS on a SVD task, and 2) characterize the training protocol in which the SB-334867 would result in impaired spatial learning and memory. We found that ICSS facilitates the acquisition and retention of an SVD task, while promoting an inflexible discrimination memory; and that SB-334867 deteriorates spatial learning only in a weak training condition. In Study III, we used the previously characterized training protocol to assess the effects of OX1R blockade on the facilitating effects of ICSS on a spatial memory task in the MWM. The level of c-Fos expression in memory-related areas of the thalamo-cortico-hippocampal system was also measured. Study IV evaluated the effects of OX1R blockade on the facilitation of an SVD task in the MWM caused by ICSS, as well as the acetycholinesterase (AChE) activity in cholinergic areas. Overall, ICSS was shown to be capable of facilitating both types of memory, while the blockade of OX1R had a detrimental effect. Moreover, ICSS seems to compensate for the impairment caused by SB-334867. Furthermore, ICSS promotes flexible spatial memory, but an inflexible SVD memory. In addition, histological observations revealed that ICSS increased c-Fos expression in memory-related areas, while OX1R blockade decreased activation in most of said areas, as well as AChE levels in cholinergic regions. Finally, SB-334867 administration seemed to partially negate ICSS facilitation of the spatial memory task, while it completely negated the facilitative effect of the treatment for the SVD task in the MWM. This dissertation sheds further light on the implication of the orexinergic system in the facilitation of memory by ICSS. More specifically, it highlights the extensive involvement of orexin-A and its selective receptor OX1R in aspects such as consolidation, long-term retention and cognitive flexibility in both implicit and explicit memory. In addition, it provides insight into the differential participation of OX1R in the reversal of each task, depending on how flexible that type of memory is. Overall, we concluded that blocking OX1R partially impedes the facilitation of memory by ICSS, but that this effect varies depending on the type of memory task and specific aspects of memory.