Involvement of a ventral tegmental area-Amygdala pathway in anxiety and fear

Description

Mental disorders are the leading cause of disability-adjusted life years worldwide. Traumatic experiences and social stress promote the onset of mental disorders including post-traumatic stress disorders (PTSD) and anxiety disorders. A lack of understanding in the etiology of these disorders have led current therapies to aim at treating symptoms rather than the underlying dysfunctions. Hence, a major clinical challenge is to unravel how individuals control their emotions and cope with stressful events. My PhD project addresses the fundamental mechanisms that underpin mental disorders where individuals cannot cope with stressful events leading to excessive fear and anxiety. While the ventral tegmental area (VTA) is a heterogeneous brain structure well-studied for its function in reward processing, this brain region also plays a role in signaling negative valence. Indeed, subpopulations of VTA neurons respond to aversive stimuli. This functional divergence could arise from the unique properties in distinct target-specific cell populations within the VTA. However, our understanding of the inputs and outputs of the VTA that could contribute to the onset of exacerbated anxiety and fear responses is currently very limited.The central hypothesis of my PhD project is that VTA projection neurons are significant modulators of the main center of anxiety and fear: the amygdala. My project is designed to model and study these defensive behaviors in mice. Hence, my thesis addresses two distinct but overlapping aims:(i) Dissecting VTA glutamatergic projections to the amygdala and their contribution to adaptative and pathological anxiety.(ii) Assessing the inputs and outputs of VTA projection neurons regulating fear responses.For my first aim, I studied the distribution pattern of VTA glutamatergic neurons and their axonal innervation of the amygdala through histological studies. My results are consistent with a growing body of evidence depicting the VTA as a structure comprised of well-compartmentalized cell populations with different functional roles. Secondly, relying upon electrophysiological tools and the use of the chronic social defeat (CSD) paradigm to induce anxiety disorders, I found alterations of both presynaptic and post-synaptic plasticity in VTA glutamatergic neurons projecting to the amygdala. This suggests a potentiation of the neuronal transmission for these efferences to the amygdala paralleled with the appearance of anxiety following CSD. Causality was shown using optogenetic tools to chronically activate these projecting neurons. Indeed, this modulation was sufficient to increase anxiety levels and induce similar change in synaptic plasticity as in CSD. Hence, this first aim strongly suggests a role of this neuronal projection in anxiety disorders.My second aim was based upon the discovery that the laterodorsal tegmentum contribute to fear responses, namely freezing, through efferences to the VTA. I focused on unravelling the connectivity of the VTA with fear centers, and dissecting the contribution of individual cell-types to this newly discovered role. Using chemogenetic tools, I showed that activation of VTA-amygdala pathway is necessary for the manifestation of unconditionned freezing upon electric foot shock exposure. In contrast to my first aim, I showed in this second axis that VTA GABAergic projecting neurons to the amygdala, but not glutamatergic neither dopaminergic cells, are responsible for this fear response.Overall, my thesis work brings new insights into the interconnectivity of two salience centers in the brain, namely the VTA and the amygdala. Moreover, my results suggest that stress challenges on this brain connections contribute to maladaptive anxiety. I propose that future circuit-based therapies could be targeted at the VTA-amygdala pathway to alleviates anxiety symptoms.

Abstract (French)

Les troubles mentaux sont la principale cause d'handicap au monde (OMS). Les expériences traumatiques et le stress social favorisent le développement des troubles mentaux tels que les troubles du stress post-traumatique et les troubles anxieux. Le manque de connaissance sur l'étiologie de ces troubles a conduit à ce que les thérapies ciblent les symptômes plutôt que les causes sous-jacentes de ces troubles. Ainsi, un enjeu clinique majeur est de comprendre comment les individus contrôlent leurs émotions et gèrent les situations stressantes.Mon projet de thèse vise à étudier les mécanismes fondamentaux régulant les troubles mentaux où les individus sont submergés par le stress, tel que les désordres de l'anxiété et de la peur. L'ATV est une structure hétérogène connue pour son rôle dans la sensation de plaisir mais aussi pour son implication dans la valence négative où certaines de ses sous-populations neuronales sont activées par des stimuli aversifs. Cette diversité fonctionnelle pourrait être liée aux différentes sous-populations neuronales de l'ATV ainsi qu'à leurs différentes connections afférentes et efférentes. Néanmoins, l'interaction entre l'ATV et les structures régulant les comportementaux défensifs associés à l'anxiété et la peur reste mal compris.L'hypothèse de ma thèse place l'ATV comme un important modulateur de l'activité de l'amygdale pouvant ainsi réguler l'anxiété et la peur. Mon projet est organisé sur l'utilisation d'un modèle de souris d'anxiété et de peur pour répondre à des objectifs distincts mais entrecroisé :-Disséquer les projections glutamatergiques de l'ATV vers l'amygdale ainsi que leur contribution dans l'anxiété adaptative et pathologique-Déterminer les afférences et efférences neuronales de l'ATV régulant la réponse de peur J 'ai complété mon premier objectif par des approches histologiques en cartographiant la distribution des neurones glutamatergiques de l'ATV et leurs innervations de l'amygdale. Ces résultats sont en accord avec une accumulation de preuves indiquant que l'ATV est une structure composée de populations neuronales compartimentalisées selon leurs fonctions.A l'aide de techniques d'électrophysiologie et du modèle de défaite sociale chronique (DSC) afin d'induire des troubles anxieux de longue durée, nous avons trouvé des altérations de la plasticité pré- et post-synaptique suggérant une potentialisation de la transmission neuronale glutamatergique entre l'ATV et l'amygdale suite à un DSC. Par la suite, j'ai induit une activation chronique des projections glutamatergique de l'ATV allant à l'amygdale via des techniques d'optogénétiques in vivo. Cette modulation est suffisante pour augmenter l'anxiété et causer des changements de plasticité synaptique similaires à ceux retrouvés durant le DSC. Ainsi, cet axe de ma thèse suggère fortement un rôle de cette projections neuronale dans l'induction des troubles anxieux.Mon second objectif est basé sur la découverte d'une régulation de la peur par des efférences du tegmentum latérodorsal allant à l'ATV. J'ai étudié ici la connectivité de l'ATV avec plusieurs centres de la peur où j'ai déterminé le type cellulaire et les connections responsables de cette régulation. Une modulation des projections de l'ATV allant à l'amygdale a été suffisantes pour altérer l'induction contextuelle de la peur. De plus, l'inhibition des projections GABAergiques de l'ATV vers l'amygdale ont réduit la réponse contextuelle de peur. Ainsi, le second axe de ma thèse a révélé le rôle des neurones GABAergiques de l'ATV projetant à l'amygdale dans l'induction de la peur.En conclusion, mes travaux mettent en évidence la connectivité entre deux centres cérébraux de la saillance émotionnelle, l'ATV et l'amygdale. De plus, mon étude suggère que les effets du stress sur ces connections pourrait contribuer aux troubles anxieux. De future thérapies pourraient cibler le réseau neuronal ATV-Amygdale afin de soulager les symptômes des troubles anxieux.

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