Reconsolidation of appetitive memory and sleep: functional connectomics and plasticity

Introduction: Food addiction is a behavioural disorder in which individuals develop maladaptive patterns of food consumption. Particularly, food containing processed sugars, salt, fat etc. can be addictive, and refined food consumption behaviours may meet the criteria for substance use disorders. For these characteristics, food addiction can also be considered a memory disorder. Memories in the brain are processed as follows: new information is encoded and then long-term consolidated through a process allowing its integration into already existing knowledge networks. After a memory has been consolidated, it can be destabilized and brought back to a labile state, requiring a new re-stabilization process called reconsolidation. Memory consolidation is known to require sleep. In fact, sleep allows new memory traces to long-term stabilize. Sleep also seems to influence memory reconsolidation; however, its involvement in this process is not yet clear. Aim: Given these premises, the goals of the project were: to evaluate how basolateral amygdala (BLA) and hippocampus interact in terms of local field potentials (LFPs) when appetitive instrumental memory is retrieved either during active or inactive phase of rats circadian rhythm; to evaluate how retrieving the memory in the activity vs inactivity phase influences following memory reconsolidation; and to find an in vivo electrophysiological marker of appetitive memory retrieval. In fact, it has been shown that BLA and dorsal hippocampus interaction is crucial for appetitive memory reconsolidation. Methods: Thirty-two male Sprague Dawley rats were implanted with in-depth electrodes for LFPs recordings in BLA and dorsal hippocampal CA1 and subject to a behavioural protocol apt to induce appetitive memory retrieval. The behavioural procedure consisted of four stages: training (i), in which animals learned lever pressing – sucrose reward association; abstinence (ii), during which subjects were not exposed to the training context; memory retrieval or no retrieval (iii): instrumental memory reactivation or no reactivation, performed either during active or inactive phase; and relapse test (iv), during which sucrose-seeking behaviour was analysed. Theta and gamma oscillations powers were analysed during stage (iii). In fact, they are known to be involved in memory processes. Memory retrieval has been shown to correlate with theta (4-12 Hz) synchronization between BLA and other brain areas (such as hippocampal CA1) and with low gamma (30-60 Hz) in hippocampus. Particularly, theta-gamma cross-frequency coupling has been shown to be used as a mean of communication between hippocampal sub-areas during memory processing. Results: Results showed an inverse correlation between hippocampal CA1 low gamma power and reactivation rate of responding (either when rats were lever pressing or not) when reactivation was performed during the active phase. This suggests that low gamma may be a correlational marker of instrumental sucrose memory retrieval, independent of whether rats were lever-pressing or not. Moreover, hippocampal CA1 gamma bands increased when lever pressing during instrumental memory reactivation while in the inactive phase, suggesting that both low and high gamma bands may be correlational markers to actual instrumental responding retrieval during the inactive phase. Conclusions and limitations: In conclusion, results showed that low gamma is relevant in sucrose appetitive memory retrieval. However, no difference was observed in the theta frequency band, nor at the level of BLA. Therefore, the current protocol did not have the sensitivity to detect predicted changes in LFPs. Further experiments would help investigating if and how the two areas interact, by determining connectomics measures such as coherence and coupling within and between areas.

Introduzione: La dipendenza da cibo è un disturbo comportamentale caratterizzato da modelli maladattativi di consumo alimentare, in cui alimenti ricchi in zuccheri, sale e/o grassi possono indurre una dipendenza tale da essere paragonata ai disturbi relativi all’abuso di sostanze. Alla base di questo processo vi è l’associazione tra questi cibi altamente palatabili e la sensazione piacevole e rinforzante indotta dal loro consumo, che può essere codificata in una nuova memoria maladattativa sottostante il disturbo di dipendenza. Infatti, le nuove informazioni che riceviamo quotidianamente dall’esterno vengono processate dal nostro cervello tramite un primo stadio di codifica e un secondo stadio di consolidamento, durante il quale vengono stabilizzate in una nuova memoria e integrate nella rete cerebrale di conoscenze preesistenti. Tuttavia, dopo il suo consolidamento, una memoria può essere destabilizzata e riportata ad uno stato di labilità che ne permette la modifica e l’eventuale integrazione con nuove informazioni. Infine, un nuovo processo di stabilizzazione chiamato riconsolidamento è necessario affinché la traccia mnemonica aggiornata sia nuovamente stabilizzata. Da recenti studi, è noto come il sonno sia rilevante sia per il consolidamento che per il riconsolidamento della memoria. Tuttavia, mentre è chiaro come il consolidamento che avviene durante il sonno permetta la stabilizzazione a lungo termine delle tracce mnemoniche, non è ancora stato del tutto chiarito il ruolo del sonno nel processo di riconsolidamento. Scopo: Date queste premesse, e nota l’importanza dell’interazione tra amigdala basolaterale (BLA) e ippocampo nel riconsolidamento delle memorie appetitive, gli obiettivi della presente tesi erano: i) valutare come l’amigdala BLA e ippocampo interagiscono in termini di potenziali locali durante la riattivazione della memoria strumentale effettuata o durante la fase di attività o durante la fase di inattività del ciclo circadiano dei roditori; ii) valutare come il richiamo della memoria effettuato durante la fase attiva o quella inattiva possa influenzare il successivo processo di riconsolidamento, e iii) trovare, in-vivo, un marker di riattivazione della memoria appetitiva. Metodi: Sono stati utilizzati 32 ratti maschi, ceppo Sprague Dawley, a cui sono stati impiantati due elettrodi profondi: uno in BLA e uno in ippocampo, per la registrazione dei potenziali locali. I ratti sono stati sottoposti ad un protocollo comportamentale in gabbia operante di auto-somministrazione di saccarosio, composto da quattro stadi: addestramento (i), in cui i ratti imparavano l’associazione tra la pressione di una leva e l’emissione di un pellet di saccarosio; astinenza (ii), durante la quale i soggetti non venivano esposti al contesto di addestramento; riattivazione o non riattivazione (iii) della memoria strumentale in gabbia operante, svolta o durante la fase di attività, o durante la fase di inattività; test di ricaduta (iv). I potenziali locali sono stati analizzati per lo stadio (iii) in modo da ottenere la potenza delle oscillazioni theta e gamma per i due elettrodi profondi; tali frequenze sono state scelte in quanto rilevanti per i processi mnemonici. Infatti, il richiamo della memoria è correlato alla sincronizzazione delle onde theta (4-12 Hz) tra BLA e altre aree cerebrali quali l’area CA1 dell’ippocampo, ed è inoltre correlato alle basse gamma (30-60 Hz) nell’ippocampo. Infine, l’accoppiamento tra le onde theta e gamma nell’ippocampo è un noto metodo di comunicazione tra sotto-aree ippocampali nel corso dei processi di memoria. Risultati: I risultati hanno mostrato la presenza di una correlazione inversa tra la potenza delle basse gamma nell’area CA1 ippocampale e il tasso di risposta durante lo stadio di richiamo della memoria nella fase di attività, indipendentemente dal fatto che i soggetti stessero o meno premendo la leva. Le basse gamma potrebbero quindi rappresentare un marker di correlazione per il richiamo della memoria appetitiva. Inoltre, la potenza di basse e alte gamma ippocampali aumenta durante le epoche di pressione di leva quando il richiamo della memoria viene effettuato nella fase di inattività, suggerendo che le onde gamma potrebbero essere dei marker correlazionali specifici per la componente strumentale del richiamo della memoria effettuato durante la fase di inattività. Conclusioni e limitazioni: Per concludere, i risultati hanno mostrato l’importanza delle frequenze basse gamma nel richiamo delle memorie appetitive, tuttavia non hanno mostrato alcuna differenza a livello delle onde theta, né a livello della BLA. Di conseguenza, si conclude che il protocollo utilizzato nella presente tesi non ha mostrato una sensibilità sufficientemente elevata nell’evidenziare i cambiamenti ipotizzati a livello dei potenziali locali. Lo svolgimento di ulteriori esperimenti che andranno a determinare misure di connettomica quali coerenza e accoppiamento, sia intra- che inter- area, aiuterà a determinare se e come le due aree comunicano tra di loro.