The effect of chemogenetic modulation of the medial prefrontal cortex to the nucleus accumbens circuit on decision-making toward risk preference

Abstract

Decision-making necessitates the estimation of various options’ potential costs and benefits, a process that is notably impaired in individuals with psychiatric conditions such as gambling disorder. This impairment is further exacerbated by the abuse of substances like cocaine, leading to significant disruptions in cognitive functions related to decision-making abilities. These disruptions are believed to be associated with deficiencies in top-down executive control primarily regulated by medial prefrontal cortex (mPFC) and its interconnected fronto-striatal neural network to the nucleus accumbens (NAc). Specifically, the prelimbic (PrL), a sub-region of the mPFC, is more involved in executive functions like estimating the value of rewards and punishments. The NAc core, a subregion of the NAc, which receives glutamatergic input from PrL, plays an essential role in reward related motivation. However, it remains unclear whether directly manipulating the PrL to NAc core neural circuits’ activity can alter risky choices. In the present study, we adopted a sophisticated chemogenetic technique using Designer Receptor Exclusively Activated by Designer Drug (DREADD) to examine the role of this circuit in risky decision-making in rat gambling task (rGT). Viruses encoding Cre-dependent hM4Di or hM3Dq that expresses artificial Gi or Gq protein, and Cre recombinase are injected into the prelimbic cortex (PrL) and the NAc core, respectively. Then, rats were trained in 30-minute daily sessions to freely choose one of the four windows with different probabilities of reward/punishment contingencies until a stable preference pattern was observed. Once they were categorized as risk-averse or risk-seeking, rats were examined their preference shift in two separate environments. One was exposed to cocaine sensitization regime and was examined how their risky decision-making changes under the modulation of neuronal activity with JHU37160, a specific synthetic ligand to DREADD. The other was exposed to DREADD mediated neuronal activity modulation without cocaine administration. As expected, risk-averse rats shifted their preference toward risk-seeking by chronic cocaine. Interestingly, however, this effect was significantly attenuated by Gi activation of PrL-NAc core circuit. These effects were not observed in risk-averse rats with Gq DREADD expression and the risk-seeking. These results indicate that the PrL-NAc core circuit is one of the major target areas exacerbated by chronic cocaine leading to risky decision-making and further suggest that this effect can be controlled by neuronal activity modulation to this circuit. Moreover, through western blot analysis, the study revealed molecular mechanisms underpinning these behavioral changes, particularly focusing on DARPP32 phosphorylation and L-type calcium channel (LTCC) expression, crucial elements in cocaine-induced behavioral alterations. Phosphorylation of DARPP32 at the serine 97 site was found to be closely associated with risky decision-making behaviors, while the CaV1.2 channel identified as a potential molecular target for interventions aimed at mitigating cocaine-induced shifts towards riskier preferences. These results advance our understanding of the neurobiological underpinnings of decision-making toward risky choice in the context of substance use and gambling disorders, suggesting that targeted modulation of specific neural circuits may offer novel therapeutic strategies.의사 결정은 다양한 선택지의 잠재적 비용과 이익을 추정하는 과정을 필요로 하며, 이러한 과정은 도박중독과 같은 정신적인 문제를 가진 사람에게서 현저히 손상되어 있다. 이러한 손상은 코카인과 같은 약물의 남용으로 인해 더욱 악화되어, 의사 결정 능력과 관련된 인지 기능에 상당한 장애를 초래한다. 이러한 장애는 주로 내측전전두 피질(mPFC)과 그것과 연결된 전두-선조 신경회로에 의해 조절되는 상의하달식 집행제어의 결핍과 관련이 있다고 한다. 구체적으로, mPFC의 하위 영역인 전변연피질(PrL)은 보상과 처벌의 가치를 추정하는 것과 같은 집행 기능에 더 많이 관여하며, PrL로부터 글루타메이트 입력을 받는 NAc의 하위 영역인 중격측좌핵 중심측(NAc core)은 보상 관련 동기 형성에 중요한 역할을 한다. 현재까지 밝혀진 바로는 PrL에서 NAc core 로의 신경 회로 활동을 직접 조작하는 것이 위험추구 성향을 바꿀 수 있는지 아직 명확하게 알려지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 위험추구 성향의 의사 결정에 대한 이 회로의 역할을 조사하기 위해 인공적으로 만들어진 약물에 의해서만 활성화되는 수용체(DREADD)를 사용하는 최신의 화학유전학 기술을 사용했다. Cre 의존적인 hM4Di나 hM3Dq를 표현하는 바이러스, 그리고 Cre 재조합효소는 각각 PrL과 NAc core에 주입되었다. 이후, 쥐들은 보상/처벌 확률이 다른 네 개의 선택지 중에서 자유롭게 선택할 수 있도록 하루30분간의 훈련을 받았고, 안정적인 선호도 패턴이 관찰될 때까지 훈련을 지속하였다. 마지막 3일 평균을 기준으로 이들을 위험 회피형이나 위험 추구형으로 분류하고 난 후, 두 개의 별도 환경에서 그들의 선호도 변화를 측정했다. 하나는 코카인 민감화 체제에 노출하여 DREADD에 대한 인공 합성 리간드인 JHU37160을 사용한 신경 활동 조절하에 그들의 의사결정 변화를 관찰하였고, 다른 하나는 코카인 투여 없이 DREADD 매개 신경 활동 조절에 의한 의사결정 변화를 관찰하였다. 예상대로, 위험 회피형 그룹은 만성 코카인에 의해 위험 추구형으로 선택지에 대한 선호도가 바뀌었는데, 흥미롭게도, 이 효과는 PrL-NAc core 회로의 Gi DREADD 활성화에 의해 현저히 완화되었다. 이러한 효과는 Gq DREADD가 발현된 위험 회피형 쥐에선 발견되지 않았고, 위험 추구형 쥐 그룹에서는 두 경우 모두 관찰되지 않았다. 이 결과들은 PrL-NAc core 회로가 만성적인 코카인 사용으로 유도되는 위험추구 의사 결정의 주요 대상 영역 중 하나임을 나타내며, 또한 그 활성을 조절 함으로써 제어할 수 있음을 시사한다. 더해서, 본 연구는 코카인으로 유발된 행동 변화에서 중요한 요소인 DARPP32 인산화와 L-형 칼슘 채널(LTCC) 발현에 중점을 두어 웨스턴블롯 분석을 통해 분자적인 메커니즘을 조사하였다. 그 결과DARPP32의 S97 위치에서의 인산화는 위험추구성향의 의사 결정과 관련되어 있음을 밝혀냈으며, CaV1.2 채널은 코카인으로 유발된 위험추구성향으로의 변화를 완화하는 데 목표로 할 수 있는 잠재적 대상으로 확인할 수 있었다. 위 결과들은 약물중독 또는 도박중독으로 인한 위험추구 성향의 의사 결정에 대해 신경생물학적인 이해를 확장하였으며, 특정 신경 회로를 대상으로 한 활성 조절이 새로운 치료법에 대한 전략을 제공할 수 있음을 제안한다.