Novelty preference behavior is controlled by the neural system based on the adenylyl cyclase type-5 signaling in the dorsal striatum

Abstract

Decision making is a conscious selection of a particular option among alternatives to obtain values, and is expressed as behavioral preference. Behavioral choice of an alternative in habits and innate behaviors is produced automatically and often in a compulsive manner in various mental illnesses including drug addiction, obsessive compulsive disorder, schizophrenia, and autism. Such behaviors are not easily modified by learning, and underlying mechanisms remain unknown. To unravel the neuronal and molecular substrates mediating decision making and resulting behavioral preference, the present study utilized genetic models. Mice lacking the type 5 adenylyl cyclase (AC5 KO), which is preferentially expressed in the dorsal striatum, were found to gain a novel neural trait to express behavioral preference for food pellets containing olfactory cues that had been left by AC5 KO mice during food-intake (KO-food) and food pellets with the rough surface, both of which wild type mice normally ignored. When whiskers were trimmed, AC5 KO mice and wild type mice, respectively, lost and gained behavioral preference for KO-food, while whisker regrowth set back to express their initial traits. Moreover, suppression of AC5 in the dorsal striatum by infusion of Lenti-AC5-shRNA and AC5-siRNA was sufficient to recapitulate behavioral preference for KO-food and rough food. The extraordinary food-choice behaviors of AC5 knockout (KO) mice were due to the gain of involuntary compulsive preferences for food pellets containing an olfactory cue which was produced by the saliva of AC5 KO mice. AC5 KO mice had aversive behaviors to quinine a bitter substance, but they chose KO-food pellets coated with quinine over fresh pellets. Both the genetic deficit of AC5 and whisker trimming itself increased the activity of the corticostriatal glutaminergic input into the dorsal striatum as indicated by an increase in phospho-CaMKII level in the dorsal striatum. Inhibition of the mGluR3 and mGluR1 glutamate receptors in the dorsal striatum, respectively, induced compulsive food-choice behaviors. These results indicate that AC5 and mGluR systems in the dorsal striatum serve as a molecular on/off switch in the generation of preference behaviors. Novelty preference is expressed as behavioral attraction to new and unfamiliar objects or people more than familiar ones. This behavior increases the probability to gain enhanced values of behavioral outcomes and is adapted in the animal kingdom. In certain psychiatric illnesses, such as autism, novelty preference is abnormally suppressed, whereas in other conditions, such as obsessive compulsive disorders, it is expressed too easily even at a high risk. However, the mechanisms underlying novelty preference are not clearly understood. As a second part of the present study, I investigated the neural mechanism regulating novelty preference using AC5 KO mice and related molecular tools. AC5 KO mice had behavioral bluntness in preference of non-mate and novel object. Pharmacological or siRNA-mediated suppression of mGluR5 but not mGluR1 in the dorsal striatum of AC5 KO mice restored novelty preference, whereas siRNA-mediated selective knockdown of mGluR3 or AC5 within the dorsal striatum in WT mice was sufficient to abolish preference of non-mate and novel object, suggesting that the glutamate receptor system in the dorsal striatum is associated with the on-and-off of novelty preference. In the dorsal striatum of AC5 KO mice, phosphorylation of ERK1/2 and CaMKIIα signaling were increased. The suppression of ERK1/2 signaling using siRNA-ERK1/2 restored novelty preference in AC5 KO mice, but not suppression of CaMKIIα using siRNA-CaMKIIα in the dorsal striatum of WT mice and AC5 KO mice did not change their behavioral feature in novelty preference. Because glutamatergic afferents from the prefrontal cortex are important synaptic inputs in the dorsal striatum, the role of the prelimbic cortico-striatal afferents in novelty preference behavior was examined using an optogenetics method. Optogenetical activation of the prelimbic cortico-striatal afferents at the dorsal striatum in WT mice abolished preference of non-mate and novel object. Conversely, optogenetical inhibition of the prelimbic cortico-striatal afferents at the dorsal striatum in AC5 KO mice restored deficits in preference of non-mate and novel object. Administration of D1R agonist in WT mice led to depletion of non-mate preference and novel object preference. Furthermore, administration of D1R antagonist in AC5 KO mice led to restoration of non-mate preference and novel object preference. D2R KO mice also showed behavioral bluntness to non-mate and novel object. These results suggest that both of dopamine and glutamate signaling in the dorsal striatum are important in the regulation of novelty preference behavior. It was demonstrated that the interplay of glutamatergic and dopaminergic inputs in the dorsal striatum important in the regulation of novelty preference. ;특정 물건이나 사람에 대한 행동적 선호도 (behavioral preference) 은 다양한 가치 평가를 수반하는 의사 결정 과정이다. 이러한 특정 자극에 대한 선택 과정은 습관적, 선천적으로 형성되며 이러한 성격의 선호도는 무의식적으로 일어난다. 또 약물 중독, 강박증, 조현증, 자폐증과 같은 정신질환에서도 나타날 수 있다. 이러한 특성의 의사결정은 학습에 의해서도 잘 교정되지 않을 뿐 아니라 그에 대한 기전도 잘 알려져 있지 않다. 본 연구는 이러한 특성의 의사결정에 대한 신경학적, 분자적인 기전을 연구하기 위해 유전자 변형 모델을 사용하였다. 타입 5 아데닐릴 싸이클레이즈는 뇌의 선조체에 특이적으로 많이 발현 되며 그 하위 신호 전달 과정에 다양한 분자적 기전을 가지고 있다. 타입 5 아데닐릴 싸이클레이즈 돌연변이 마우스는 일반 마우스와 다르게 돌연변이 마우스가 먹었던 먹이 (KO-food) 와 표면이 거친 먹이를 강박적으로 선호하는 행동을 보였다. 이것은 돌연 변이 마우스가 일반 마우스는 무시하는 후각 (마우스의 침), 촉각을 예민하게 받아들인다는 것을 시사한다. 타입 5 아데닐릴 싸이클레이즈가 선조체에 많이 발현되는 점을 고려 하여 일반 마우스의 선조체에 siRNA와 shRNA를 사용하여 선조체에서의 유전자 발현을 낮춰주었더니 AC5 KO 마우스의 행동이 대부분 재현되었다. 이러한 결과는 먹이 행동으로 나타나는 강박행동이 선조체와 관련이 있다는 사실을 시사한다. 이러한 먹이 행동은 일반 마우스의 수염을 자른 마우스에서도 나타났다. AC5 KO 마우스와 수염을 자른 정상 마우스는 쓴 맛을 내는 퀴닌에 대해서도 민감하게 반응하여 혐오반응이 나타나지만 특이하게도 퀴닌을 바른 KO-food에 대해 선호도가 부분적으로 유지되는 것이 관찰되었다. 이와 같은 결과는 AC5 KO 마우스의 특이한 먹이 행동이 강박적 특징을 가지고 있다는 것을 시사한다. 이것에 대한 뇌 안에서 분자적 기전을 알아보기 위해 AC5 KO 마우스와 수염을 자른 일반 마우스의 선조체에서 CaMKIIα의 인산화를 조사한 결과 인산화가 증가되어 있었고 후속 연구를 통해 수염의 감각 정보가 투사되는 대뇌피질-선조체를 연결하는 글루타메이트의 유입이 일반 마우스보다 증가되어 있음을 규명하였다. 글루타메이트의 유입의 증가를 근거로 선조체 내에서의 대사성 글루타메이트 수용체의 발현을 siRNA로 조절한 결과 대사성 글루타메이트 1 수용체와 대사성 글루타메이트 3 수용체의 발현 조절로 먹이 행동이 일반 마우스와 AC5 KO 마우스에서 조절되었다. 이것을 통하여 선조체 내에서의 타입 5 아데닐 싸이클레이즈와 대사성 글루타 메이트 수용체가 선호행동을 유도하는데 분자적 스위치 역할을 한다는 결론을 낼 수 있다. 일반적으로 사람이나 마우스는 새로운 것에 대한 선호행동을 나타낸다. 이러한 특징은 새로운 환경에 적응하는데 있어 작은 위험을 감수해야 하지만 탐색적 행동을 함으로써 얻을 수 있는 행동학적인 이점들이 있다. 자폐증이나 강박증과 같은 정신적인 질환에서는 새로운 것에 대한 선호도가 비 정상 적으로 억제되어 있으나 이에 대한 신경생물학적인 기전이 알려져 있지 않다. 이 논문에서는 타입 5 아데닐릴 싸이클레이즈 돌연변이 마우스를 가지고 이 행동에 대한 신경학적인 기전을 연구하였다. 녹아웃 마우스는 일반 마우스들과는 달리 새로운 사회적 대상 (마우스)와 물체에 대한 선호도를 보이지 않는 것이 관찰되었다. 이것을 먹이 행동과 마찬가지로 siRNA를 이용하여 선조체에서의 타입 5 아데닐릴 싸이클레이즈의 발현을 줄이자 녹아웃 마우스들의 행동이 유도되었다. 약물학적으로 siRNA를 통해 일반 마우스와 녹아웃 마우스의 뇌 안에서의 대사성 글루타메이트 수용체의 발현을 조절하자 새로운 것에 대한 선호도의 조절이 가능했다. 대사성 글루타메이트 3 수용체와 5수용체가 선호도를 조절하였으며 하위 신호로는 ERK1/2가 중요하게 작용하는 것을 확인하였다. 선조체로 들어오는 다양한 유입경로 중 전두엽의 prelimbic 지역과 선조체의 연결성을 알아보기 위해 이 신경 연결을 표지하고, 광유전학 방법으로 선조체의 활성화를 조절하였다. 일반 마우스의 선조체를 활성화시키니 AC5 KO 마우스처럼 새로운 것에 대한 선호도가 사라졌으며, 반대로 AC5 KO 마우스의 선조체로 향하는 prelimbic 신경세포의 활성을 억제하니 AC5 KO 마우스는 일반 마우스처럼 새로운 것에 대한 선호도가 회복되었다. 선조체 내에는 글루타메이트 뿐만 아니라 도파민도 중요한 역할을 하는데, 일반 마우스에 도파민 1 수용체의 기능을 약물학적으로 활성화하거나 AC5 KO 마우스에 도파민 1 수용체 길항제를 처치하면 새로운 사회적 대상과 물체에 대한 선호도가 없어지거나 새로 생성되었다. 도파민 2 수용체 돌연변이 마우스도 타입 5 아데닐릴 싸이클레이즈 돌연변이 마우스와 같이 새로운 사회적 대상과 물체에 대한 선호도가 사라졌다. 도파민 2 수용체 돌연변이 마우스에 대사성 글루타메이트 5 수용체의 활성을 약물로 억제시키거나 siRNA로 감소시키자 다시 일반 마우스처럼 새로운 것을 찾는 행동 특성이 회복되었다. 이러한 결과들은 선조체 내에서 타입 아데닐릴 싸이클레이즈와 대사성 글루타메이트 수용체, 도파민 수용체의 체계가 선천적으로 가지고 있는 선호도 (먹이, 새로운 대상)에 대한 중요한 신경 조절 인자임을 시사한다.