N-Methyl-D-Aspartate receptors control in vivo striatal calcium and the updating of action policy

Sintesi Tecnica: I recettori N-Metil-D-Aspartato controllano il calcio in vivo nello striato e l'aggiornamento della policy d'azione

Problema
Gli animali devono eseguire comportamenti appresi e aggiornarli quando le contingenze ambientali cambiano. Questo processo si basa su una "policy d'azione" interna, che richiede sia l'esecuzione che l'aggiornamento. Sebbene lo striato dorsomediale (DMS) sia critico per l'apprendimento guidato dall'obiettivo e per la plasticità corticostriatale, e i recettori N-Metil-D-Aspartato (NMDAR) nel DMS siano noti per essere necessari per l'acquisizione di nuovi comportamenti guidati dall'obiettivo, rimane poco chiaro se gli NMDAR del DMS siano specificamente richiesti per l'aggiornamento di una policy d'azione già acquisita rispetto alla sua mera esecuzione. Inoltre, il substrato fisiologico che lega l'attività degli NMDAR alla dinamica del calcio non è pienamente compreso, in particolare riguardo alla relazione tra l'attività degli NMDAR e il firing dei potenziali d'azione in vivo.

Metodologia
Lo studio ha utilizzato una combinazione di farmacologia comportamentale, fotometria a fibra e elettrofisiologia in vivo in topi.

• Soggetti: Topi wild-type C57BL6, nonché linee driver Drd1-Cre e A2A-Cre per la registrazione specifica per tipo cellulare.
• Compiti comportamentali:
  • Compito Fixed Ratio 1 (FR1): Un compito stabile, precedentemente appreso, in cui un particolare nose-poke produceva costantemente una ricompensa. Questo testava l'esecuzione di una policy nota.
  • Compito Two-Armed Bandit: Un compito probabilistico in cui le probabilità di ricompensa (80% vs 20%) per i porti sinistro e destro si invertivano ogni 30 pellet. Ciò richiedeva un continuo aggiornamento della policy d'azione.
• Manipolazione farmacologica: L'antagonista non competitivo degli NMDAR, MK-801, è stato somministrato o per via sistemica (intraperitoneale) o tramite microiniezione locale nel DMS. Un antagonista competitivo (AP5) è stato utilizzato per infusioni locali.
• Registrazioni neurali:
  • Fotometria a fibra: GCaMP8f è stato espresso nei neuroni del DMS (bulk, D1-SPN e D2-SPN) per registrare la dinamica del calcio della popolazione.
  • Elettrofisiologia: Sono state eseguite registrazioni simultanee in vivo di calcio bulk e bursting di potenziali d'azione utilizzando un array di elettrodi personalizzato combinato con una fibra ottica.
• Analisi: Le metriche comportamentali includevano accuratezza, "win-stay" (ripetere un'azione premiata), "lose-shift" (cambiare dopo un'azione non premiata) e modellazione di regressione logistica della storia delle scelte. L'analisi neurale consisteva nel calcolo dei tassi transitori, della potenza del segnale e degli istogrammi peri-evento allineati agli eventi comportamentali.

Risultati Chiave

1. Dissociazione tra Esecuzione e Aggiornamento:

   • Il blocco degli NMDAR del DMS (tramite MK-801 intra-DMS) non ha compromesso l'esecuzione di un compito FR1 precedentemente appreso. I topi hanno mantenuto un'alta accuratezza e un comportamento "win-stay", ottenendo un numero di pellet simile o leggermente superiore rispetto ai controlli con soluzione salina.
   • Al contrario, nel compito Two-Armed Bandit, il blocco degli NMDAR del DMS ha compromesso significativamente l'aggiornamento della policy d'azione. I topi trattati con MK-801 hanno mostrato una riduzione del ~20% dell'accuratezza immediatamente dopo le inversioni dei porti.
   • L'analisi comportamentale ha rivelato che il MK-801 ha interrotto specificamente l'apprendimento da azioni precedentemente premiate (riducendo il comportamento "win-stay di circa il 15% e diminuendo l'influenza delle prove precedenti premiate sulla scelta attuale di circa il 38%). Non ha influenzato l'apprendimento dalle azioni non premiate ("lose-shift" è rimasto intatto).

2. Gli NMDAR controllano la dinamica del calcio striatale:

   • Il blocco degli NMDAR, sia sistemico che locale, ha quasi completamente abolito i transitori di calcio spontanei nel DMS (>80–90% di riduzione sia in D1 che in D2 SPN).
   • Anche i segnali di calcio evocati dal comportamento (rampicanti prima del recupero della ricompensa e inibizione post-recupero) sono stati quasi del tutto aboliti da MK-801.
   • Le microiniezioni locali hanno dimostrato una riduzione dose-dipendente della potenza del segnale di calcio e della frequenza dei transitori, confermando che gli NMDAR striatali sono necessari per mantenere queste dinamiche di calcio.

3. Dissociazione del Calcio dai Potenziali d'Azione:

   • Registrazioni simultanee hanno rivelato che, mentre il MK-801 riduceva i transitori di calcio di >90%, ha ridotto i burst di firing solo di circa il 53%.
   • Fondamentalmente, quando sono stati identificati burst di potenziali d'azione di magnitudo corrispondente post-MK-801, l'aumento di calcio associato era significativamente minore (~60% di riduzione) rispetto al baseline.
   • Ciò indica che l'attività del calcio guidata dagli NMDAR può essere dissociata dal firing dei potenziali d'azione; la riduzione del calcio non è semplicemente un effetto secondario della riduzione dello spiking, ma riflette una specifica perdita di afflusso di calcio dendritico mediato dagli NMDAR.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che gli NMDAR del DMS sono critici per l'aggiornamento della policy d'azione ma dispensabili per la sua esecuzione. Propongono che la funzione unica degli NMDAR in questo contesto sia quella di guidare la dinamica del calcio striatale, che funge da substrato fisiologico per l'apprendimento e la plasticità.

Il lavoro suggerisce che le registrazioni del calcio bulk striatale, spesso interpretate come un proxy dell'attività neurale generale o dei potenziali d'azione, riflettano principalmente l'afflusso di calcio dendritico dipendente dagli NMDAR. Questo afflusso può essere regolato indipendentemente dal firing dei potenziali d'azione somatici. Gli autori ipotizzano che queste dinamiche del calcio mediate dagli NMDAR possano funzionare come una "traccia di eligibilità" all'interno di una regola di apprendimento a tre fattori, collegando gli eventi di plasticità all'aggiornamento delle policy d'azione.

Lo studio riconosce i limiti, tra cui la mancanza di un collegamento diretto trial-per-trial tra i livelli di calcio e l'aggiornamento della policy, i limiti di risoluzione spaziale della fotometria a fibra riguardo l'eterogeneità del calcio locale e la difficoltà nel fitting di modelli di reinforcement learning a causa del numero limitato di trial nei paradigmi in movimento libero. Nonostante tali avvertenze, il lavoro fa progredire la comprensione del ruolo in vivo degli NMDAR nella segnalazione del calcio e nell'apprendimento, rafforzando il ruolo dello striato come hub per il reinforcement learning.