Evaluation of dopamine signaling in the rat ventromedial striatum for varying reward proximity

Abstract

Dopaminergic neurons play an important role in reward-mediated learning and motor control. In this work, we studied the transient changes in dopamine concentration in the ventromedial striatum (VMS) or nucleus accumbens (NAcc) during movement of a robotic actuator which is visible and brings reward to the rat through different trajectories. The goal of our work was to identify the relationship between the spatial proximity of the reward and the dopamine concentration in the VMS. In order to monitor the changes in dopamine concentration with subsecond temporal resolution, we chronically implanted two Wistar rats with carbonfiber microelectrodes in the ventromedial striatum (VMS) unilaterally and performed recordings using the fast-scan cyclic voltammetry (FSCV) system we developed. Presentation of unexpected reward and instrumental conditioning was used for engaging the rats with the behavioral tasks. Offline analysis was performed on the acquired data using principle component regression (PCR). During presentation of unexpected reward, a phasic increase in dopamine concentration was measured as 20.96 ± 7.0 nM for Rat-1 and 29.46 ±8.1 nM for Rat-2 (n = 15 trials). During instrumental conditioning in which rats performed a nose poke through a hole for delivery of reward, the phasic increase in dopamine concentration was 29.1 ± 9.1 nM for Rat-1 and 58.43 ± 11.9 nM for Rat-2 (n= 15 trials). In experiments with reward carrying robotic actuator movements, an increase in dopamine concentration was observed as robotic actuator approaches toward the reward area. Fluctuations in dopamine concentration were observed during varying trajectories of the robotic actuator. Based on our voltammetric recordings with two rats, the phasic increase in dopamine concentration was significantly larger in instrumental conditioning in a comparison with presentation of unexpected reward (p<0.0005). With different trajectories of the robotic actuator, increase in dopamine concentration occurred only when the actuator, in other words reward cue, reaches the reward area (121.01 ± 13.9 nM for Rat-1 and 61.98 ± 20.01 nM for Rat-2; n= 15 trials). Our results based on the recordings from two rats indicate that the spatial proximity of the reward cue can be identified by monitoring the fluctuations of dopamine concentration in the ventromedial striatum.

Dopaminerjik nöronlar, ödül aracılı öğrenme ve motor kontrolde önemli bir rol oynar. Bu çalışmada, sıçana görünür ve farklı gezinişlerle ödül getiren robotik bir eyleyicinin hareketi sırasında ventromedial striatum veya akkumbens çekirdeğindeki dopamin derişimindeki geçici değişiklikleri inceledik. Çalışmamızın amacı ödülün uzamsal yakınlığı ile ventromedial striatumdaki dopamin konsantrasyonu arasındaki ilişkiyi belirlemekti. Dopamin konsantrasyonundaki değişiklikleri bir saniyeden daha az zamansal çözünürlükle izlemek için iki Wistar sıçanın ventromedial striatumuna tek taraflı ve kronik olarak karbonfiber mikroelektrot implante ettik ve geliştirdiğimiz hızlı tarama döngüsel voltametri sistemini kullanarak kayıtlar gerçekleştirdik. Sıçanların davranışsal görevlere ilgisini çekmek için beklenmedik zamanlarda verilen ödüller ve araçsal koşullardırma yöntemi kullanıldı. Temel bileşen regresyonu kullanılarak elde edilen veriler üzerinde çevrimdışı analiz gerçekleştirildi. Beklenmedik ödülün verilmesi sırasında dopamin konsantrasyonunda anlık bir artış Sıçan-1 için 20.96 ± 7.0 nM ve Sıçan-2 için 29.46 ± 8.1 nM olarak ölçüldü (n = 15 deneme). Sıçanların ödül almak için bir delikten burnunu uzattığı aletsel koşullandırma denemeleri sırasında dopamin konsantrasyonundaki ani artış Sıçan-1 için 29.1 ± 9.1 nM ve Sıçan-2 için 58.43 ± 11.9 nM olarak gerçekleşti (n = 15 deneme). Ödül taşıyan robotik eyleyici hareketleriyle yapılan deneylerde robotik aktüatör ödül alanına yaklaştıkça dopamin derişimi artışı gözlemlendi. Robotik aktüatörün değişen yörüngeleri sırasında dopamin derişiminde dalgalanmalar gözlemlendi. İki sıçanla yaptığımız voltametrik kayıtlarımıza göre dopamin konsantrasyonundaki ani artış beklenmedik ödülün sunumuna kıyasla araçsal koşullandırma sırasında daha yüksekti (p <0.0005). Robotik aktüatörün farklı yörüngeleriyle ödülün verildiği denemelerde dopamin konsantrasyonundaki artış sadece eyleyici, diğer bir deyişle ödül belirteci, ödül alanına ulaştığında meydana geldi (Sıçan-1 için 121.01 ± 13.9 nM ve Sıçan-2 için 61.98 ± 20.01 nM; n = 15 denemeler). İki sıçandan alınan kayıtlara dayanan sonuçlarımız ödül belirtecinin uzamsal yakınlığının ventromedial striatumdaki dopamin konsantrasyonundaki dalgalanmalar izlenerek belirlenebileceğini göstermektedir.