Features of the involvement of the dopamine and serotonin brain systems in positive and negative emotional states in rats

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The aim was to study the effect of rewarding and aversive stimulation of lateral hypothalamus on the turnover of monoamines in the terminal structures of the mesocorticolimbic and nigrostriatal systems: the nucleus accumbens (NAc) and striatum (St). The Wistar male rats were implanted electrodes in the lateral hypothalamus and further trained in self-stimulation test. Animals were also selected on aversive emotional reactions were observed after pressing the pedal for self-stimulation. Subsequently, forced stimulation was performed for 5 minutes and the animals were decapitated. The content of norepinephrine, dopamine (DA) and its metabolites 3,4-dioxiphenylacetic acid (DOPАС) and homovanilinic acid, serotonin (5-HT) and 5-hydroxyindoleacetic acid (5-HIAA) in the nucleus accumbens and striatum were determined by high performance liquid chromatography with electrochemical detection. Positive and aversive stimulation of lateral hypothalamus decreased the level of DA in the NAc, however, only stimulation of the positive emotiogenic zone increased the DA and 5-HT turnover in the NAc, as evidenced by an increase in the DOPАС/DA and 5-HIAA/SER ratios, respectively. Rewarding and aversive stimulation decreased the level of 5-HT in St, however, only rewarding stimulation decreased the St level of 5-HIAA compared to control and animals with aversive stimulation. Rewarding stimulation increased the turnover of serotonin in St, as evidenced by the increase of 5-HIAA/5-HT ratios. The activity of the noradrenergic system did not change after rewarding and aversive stimulation. Thus, both rewarding and aversive electrical stimulation increases the turnover of DA and 5-HT in NAc and St. However, these changes are more significant after rewarding stimulation. DA turnover increases more in NAc, and 5-HT turnover – in St. The data obtained indicate the specificity of the dopaminergic and serotonergic involvement for the formation of a modality of emotional reactions. Data may provide guidance for developing treatment strategies for neuropsychiatric diseases related to the malfunction of the reward system.

About the authors

Eugenii R. Bychkov

Institute of Experimental Medicine

Author for correspondence.
Email: bychkov@mail.ru

PhD (Pathophysiology), Head of the Laboratory of Chemistry and Pharmacology of Medicinal Compounds, Dept. of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Andrei A. Lebedev

Institute of Experimental Medicine

Email: aalebedev-iem@rambler.ru

Dr. Biol. Sci. (Pharmacology), Head of the Laboratory of General Pharmacology, Dept. of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Nikolai S. Efimov

Institute of Experimental Medicine

Email: aalebedev-iem@rambler.ru

Post-graduate Student, Dept. of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Artyem S. Kryukov

Institute of Experimental Medicine

Email: aalebedev-iem@rambler.ru

Post-graduate Student, Dept. of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Inessa V. Karpova

Institute of Experimental Medicine

Email: inessa.karpova@mail.ru

PhD (Physiology), Senior Researcher, Dept. of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Sarng S. Pyurveev

Institute of Experimental Medicine

Email: aalebedev-iem@rambler.ru

Post-graduate Student, Dept. of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Andrei V. Droblenkov

Institute of Experimental Medicine

Email: droblenkov_a@mail.ru

Dr. Med. Sci. (Anatomy and Histology), Professor, Leading Researcher, Dept of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

Petr D. Shabanov

Institute of Experimental Medicine

Email: pdshabanov@mail.ru

Dr. Med. Sci. (Pharmacology), Professor and Head, Dept. of Neuropharmacology

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Айрапетов М.И., Ереско С.О., Сексте Э.А. и др. Отмена хронической алкоголизации приводит к увеличению количества мРНК CRFR2 в вентральной тегментальной области мозга у крыс // Биомедицинская химия. – 2019. – Т. 65. – № 5. – С. 385–387. [Airapetov MI, Eresko SO, Sekste EA, et al. Ethanol withdrawal leads to an increase in the CRFR2 mRNA level in the ventricular tegmental region of the rat brain. Biomed. khimiya. 2019;65(5):385-387. (In Russ.)]. https://doi.org/10.18097/PBMC20196505385.
  2. Айрапетов М.И., Сексте Э.А., Ереско С.О., и др. Хроническая алкоголизация приводит к изменению уровня мРНК рецептора орексина первого типа (OX1R) в эмоциогенных структурах мозга крыс // Биомедицинская химия. – 2018. – Т. 64. – № 5. – С. 451–454. [Airapetov MI, Sekste EA, Eresko SO, et al. Chronic alcoholism influences the mRNA level of the orexin receptor type 1 (OX1R) in emotiogenic structures of the rat brain. Biomed. khimiya. 2018;64(5):451-454. (In Russ.)]. https://doi.org/10.18097/PBMC20186405451.
  3. Айрапетов М.И., Сексте Э.А., Ереско С.О., и др. Уровень мРНК рецепторов орексина первого типа (OX1R) в эмоциогенных структурах мозга крыс при их хронической алкоголизации // Вопросы наркологии. – 2018. – № 8. – С. 18–25. [Airapetov MI, Sekste EA, Eresko SO, et al. Orexin receptor type 1 (OX1R) mRNA level in emotiogenic structures of the brain under chronic alcoholization. Voprosy narkologii. 2018;(8):18-25. (In Russ.)]
  4. Бессолова Ю.Н., Ефимов Н.С., Лебедев А.А., и др. Моделирование элементов компульсивного переедания при электрической стимуляции латерального гипоталамуса у крыс // Вопросы наркологии. – 2018. – № 10–11. – С. 14–26. [Bessolova YuN, Efimov NS, Lebedev AA, et al. Modelling binge eating disorder components by electrical stimulation of the lateral hypothalamus in rats. Voprosy narkologii. 2018;(10-11):14-26. (In Russ.)]
  5. Карпова И.В., Бычков Е.Р., Лебедев А.А., Шабанов П.Д. Блокада орексиновых рецепторов ядра ложа конечной полоски повышает уровень серотонина только в левом гипоталамусе // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. – 2018. – Т. 16. – № 2. – С. 33–36. [Karpova IV, Bychkov ER, Lebedev AA, Shabanov PD. Blockade of orexin receptors in the bed nucleus of stria terminalis increases serotonin level only in the left hypothalamus. Reviews on clinical pharmacology and drug therapy. 2018;16(2):33-36. (In Russ.)]. https://doi.org/10.17816/RCF16233-36.
  6. Лебедев А.А., Дробленков А.В., Шабанов П.Д. Структурные изменения в мезокортиколимбической дофаминергической системе мозга при длительной алкоголизации крыс // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. – 2008. – Т. 146. – № 12. – С. 698–700. [Lebedev AA, Droblenkov AV, Shabanov PD. Strukturnyye izmeneniya v mezokortikolimbicheskoy dofaminergicheskoy sisteme mozga pri dlitel’noy alkogolizatsii krys. Bulletin of experimental biology and medicine. 2008;146(12):698-700. (In Russ.)]
  7. Лебедев А.А., Шабанов П.Д. Сопоставление реакции самостимуляции и условного предпочтения места при введении фенамина у крыс // Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова. – 1992. – Т. 42. – № 4. – С. 692–698. [Lebedev AA, Shabanov PD. Sopostavleniye reaktsii samostimulyatsii i uslovnogo predpochteniya mesta pri vvedenii fenamina u krys. I.P. Pavlov Journal of Higher Nervous Activity. 1992;42(4):692–698. (In Russ.)]
  8. Цикунов С.Г. Эмоциогенный принцип подкрепления в формировании поведения // Вестник Российской военно-медицинской академии. – 2000. – № 1. – С. 26–32. [Tsikunov SG. Emotsiogennyy printsip podkrepleniya v formirovanii povedeniya. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2000;(1):26-32. (In Russ.)]
  9. Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Морозов В.И., Азаренко С.В. Активирующие эффекты фенциклидина на самостимуляцию мозга блокируются антагонистами OX1R рецепторов орексина при введении в структуры расширенной миндалины // Наркология. – 2017. – Т. 16. – № 2. – С. 14–23. [Shabanov PD, Lebedev AA, Morozov VI, Azarenko SV. Activating effects of phencyclidine on self-stimulation of the brain is blocked by OXR1 orexin receptor antagonists administered into the extended amygdala structures. Narcology. 2017;16(2):14-23. (In Russ.)]
  10. Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Воеводин Е.Е., Стрельцов В.Ф. Блокада рецепторов кортиколиберина в миндалине астрессином устраняет подкрепляющие эффекты фенамина, морфина и лей-энкефалина на самостимуляцию мозга // Экспериментальная и клиническая фармакология. – 2006. – Т. 69. – № 3. – С. 14–18. [Shabanov PD, Lebedev AA, Voevodin EE, Strel’tsov VF. Astressin blockade of amygdaloid corticoliberin receptors eliminates the stimulating effects of amphetamine, morphine and leu-enkephalin on brain self-stimulation. Experimental and clinical pharmacology. 2006;69(3):14-18. (In Russ.)]
  11. Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Ноздрачев А.Д. Экстрагипоталамические рецепторы кортиколиберина регулируют подкрепляющие эффекты самостимуляции // Доклады академии наук. – 2006. – Т. 406. – № 3. – С. 411–415. [Shabanov PD, Lebedev AA, Nozdrachev AD. Extrahypothalamic corticoliberin receptors regulate the reinforcing effects of self-stimulation. Doklady Biological Sciences. 2006;406(3):411-415. (In Russ.)]
  12. Шабанов П.Д., Лебедев А.А. Структурно-функциональная организация системы расширенной миндалины и ее роль в подкреплении // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. – 2007. – Т. 5. – № 1. – С. 2–16. [Shabanov PD, Lebedev AA. Strukturno-funktsional’naya organizatsiya sistemy rasshirennoy mindaliny i eye rol’ v podkreplenii. Reviews on clinical pharmacology and drug therapy. 2007;5(1):2-16. (In Russ.)]
  13. Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Стрельцов В.Ф. Гормональные механизмы подкрепления. – СПб.: Н-Л, 2008. – 278 с. [Shabanov PD, Lebedev AA, Strel’tsov VF. Gormonal’nyye mekhanizmy podkrepleniya. Saint Petersburg: N-L; 2008. 278 р. (In Russ.)]
  14. Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Шевелева М.В., др. Участие прилежащего ядра в механизмах условного подкрепления у крыс // Наркология. – 2014. – Т. 13. – № 7. – С. 52–59. [Shabanov PD, Lebedev AA, Sheveleva MV, et al. Uchastiye prilezhashchego yadra v mekhanizmakh uslovnogo podkrepleniya u krys. Narcology. 2014;13(7):52-59. (In Russ.)]
  15. Шабанов П.Д., Лебедев А.А. Дофаминергический и серотонинергический компоненты реакции самостимуляции латерального гипоталамуса крыс с разрушением медиальной префронтальной коры // Физиологический журнал им. И.М. Сеченова. – 1994. – Т. 80. – № 1. – С. 19–25. [Shabanov PD, Lebedev AA. Dofaminergicheskiy i serotoninergicheskiy komponenty reaktsii samostimulyatsii lateral’nogo gipotalamusa krys s razrusheniyem medial’noy prefrontal’noy kory. Sechenov physiological journal. 1994;80(1):19-25 (In Russ.)]
  16. Шабанов П.Д., Лебедев А.А. Нейрохимические механизмы прилежащего ядра, реализующие подкрепляющие эффекты самостимуляции латерального гипоталамуса // Медицинский академический журнал. – 2012. – Т. 12. – № 2. – С. 68–76. [Shabanov PD, Lebedev AA. Neurochemical mechanisms of the nucleus accumbens realizing the reinforcing effects of self-stimulation of the lateral hypothalamus. Medical academic journal. 2012;12(2):68-76. (In Russ.)]
  17. Шабанов П.Д., Лебедев А.А. Участие ГАМК- и дофаминергических механизмов ядра ложа конечной полоски в подкрепляющих эффектах психотропных средств, реализуемых через латеральный гипоталамус // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. – 2011. – Т. 97. – № 8. – С. 804–813. [Shabanov PD, Lebedev AA. Participation of gaba- and dopaminergic mechanisms of the bed nucleus of stria terminalis in reinforcing effects of psychotropic drugs mediated via the lateral hypothalamus. Rossiyskiy fiziologicheskiy zhurnal im. I.M. Sechenova. 2011;97(8):804-813. (In Russ.)]
  18. Шабанов П.Д., Морозов В.И., Лебедев А.А. Влияние грелина и его антагониста [D-LYS3]-GHRP-6 на условную реакцию предпочтения места этанола у хронически алкоголизированных крыс // Вопросы наркологии. – 2017. – № 7. – С. 22–31. [Shabanov PD, Morozov VI, Lebedev AA. The effects of ghrelin and its antagonist [D-LYS3]-GHRP-6 on the conditioned place preference in chronically alcoholized rats. Voprosy narkologii. 2017;(7):22-31. (In Russ.)]
  19. Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Морозов В.И., Роик Р.О. Подкрепляющие свойства психоактивных веществ модулируются системой пептидов орексина головного мозга // Наркология. – 2016. – Т. 15. – № 4. – С. 27–33. [Shabanov PD, Lebedev AA, Morozov VI, Roik RO. The reinforcing properties of psychoactive drugs are modulated by the brain orexin peptides system. Narcology. 2016;15(4):27-33. (In Russ.)]
  20. Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Морозов В.И., Азаренко С.В. Возможное взаимодействие рецепторов орексина и опиоидов в структурах расширенной миндалины при оценке подкрепляющих эффектов спонтанной и активированной самостимуляции латерального гипоталамуса // Вопросы наркологии. – 2017. – № 2–3. – С. 155–168. [Shabanov PD, Lebedev AA, Morozov VI, Azarenko SV. A possible interaction of orexin and opioid receptors of the extended amygdala structures in the reinforcing effects of spontaneous and activated self-stimulation of the lateral hypothalamus. Voprosy narkologii. 2017;(2–3):155-168. (In Russ.)]
  21. Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Павленко В.П. Влияние пептидов, вводимых в центральное ядро миндалины, на самостимуляцию латерального гипоталамуса у крыс при хронической алкоголизации // Экспериментальная и клиническая фармакология. – 2006. – Т. 69. – № 5. – С. 44–49. [Shabanov PD, Lebedev AA, Pavlenko VP. Effect of peptides introduced into the central nucleus of amygdala on the hypothalamic self-stimulation in chronically alcoholized rats. Experimental and clinical pharmacology. 2006;69(5):44-49. (In Russ.)]
  22. Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Русановский В.В. и др. Модуляция пептидами самостимуляции латерального гипоталамуса у крыс при хронической алкоголизации // Наркология. – 2006. – Т. 5. – № 3. – С. 36–41. [Shabanov PD, Lebedev AA, Rusanovskiy VV, et al. Neuropeptides modulate hypothalamic self-stimulation in chronically alcoholized rats. Narcology. 2006;5(3):36-41. (In Russ.)]
  23. Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Русановский В.В., Стрельцов В.Ф. Поведенческие эффекты кортиколиберина и его аналогов, вводимых в желудочки мозга крыс // Медицинский академический журнал. – 2005. – Т. 5. – № 3. – С. 59–67. [Shabanov PD, Lebedev AA, Rusanovskiy VV, Strel’tsov VF. Povedencheskiye effekty kortikoliberina i ego analogov, vvodimykh v zheludochki mozga krys. Medical academic journal. 2005;5(3):59-67. (In Russ.)]
  24. Шабанов П.Д., Лебедев А.А., Мещеров Ш.К. Дофамин и подкрепляющие системы мозга. – СПб., 2002. – 208 c. [Shabanov PD, Lebedev AA, Meshcherov ShK. Dofamin i podkreplyayushchiye sistemy mozga. Saint Petersburg; 2002. 208 р. (In Russ.)]
  25. Шевелева М.В., Лебедев А.А., Роик Р.О., Шабанов П.Д. Нейробиологические механизмы систем награды и наказания в головном мозге при активации прилежащего ядра // Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. – 2013. – Т. 11. – № 3. – С. 3–19. [Sheveleva MV, Lebedev AA, Roik RO, Shabanov PD. Neurobiological mechanisms of the rewars and punishment systems in the brain afteractivation of nucleus accumbens. Reviews on clinical pharmacology and drug therapy. 2013;11(3):3-19. (In Russ.)]
  26. Carlezon WA, Duman RS, Nestler EJ. The many faces of CREB. Trends Neurosci. 2005;28(8):36-45. https://doi.org/10.1016/j.tins.2005.06.005.
  27. Deakin JF, King AJ. Self-stimulation in the rat is not mediated by 5-HT neurons J Physiol. 1980;85:1-13.
  28. Hurley SW, West EA, Carelli RM. Opposing roles of rapid dopamine signaling across the rostral-caudal axis of the nucleus accumbens shell in drug-induced negative affect. Biol Psychiatry. 2017;82(11):839-846. https://doi.org/10.1016/j.biopsych.2017.05.009.
  29. Klein AK, Brito MA, Akhavan S, et al. Attenuation of the anxiogenic effects of cocaine by 5-HT1B autoreceptor stimulation in the bed nucleus of the stria terminalis of rats. Psychopharmacology (Berl). 2017;234(3):485-495. https://doi.org/10.1007/s00213-016-4479-3.
  30. Fletcher PJ, Azampanah A, Korth KM. Activation of 5-HT1B receptors in the NAc reduses self-administration of amphetamine on a progressive ratio schedule. Pharmacol Biochem Behav. 2002;71(4):717-725. https://doi.org/10.1016/s0091-3057(01)00717-1.
  31. Kőnig KP, Klippel AA. A stereotaxic atlas of the forebrain and lower parts of the brain stem. Baltimore; 1963. 214 р.
  32. Liu ZH, Shin R, Ikemoto S. Dual role of medial a10 dopamine neurons in affective encoding. Neuropsychopharmacol. 2008;33(12):3010-3020. https://doi.org/10.1038/npp.2008.4.
  33. Missale С, Nash SR, Robinson SW, et al. Dopamine receptors: from structure to function. Physiol Rev. 1998;78(1): 189-225. https://doi.org/10.1152/physrev.1998.78.1.189.
  34. Phillips AG, Le Piane G. Disruption of conditioned taste aversion in the rat by stimulation of amygdale: a conditioning effect, not amnesia. J Comp Physiol Psychol. 1980;94(4):664-674. https://doi.org/10.1037/h0077701.
  35. Poschel B, Ninteman F. Intercranial reward and the forbrain’s serotoninergic mechanism: Studies employing para-chlorophenylalanine and para-chloroamphetamine. Physiol Behav. 1971;7(1):39-46. https://doi.org/ 10.1016/0031-9384(71)90233-2.
  36. Rodd-Henricks ZA, McKinzie DL, Melendez RI et al. Effects of serotonin-3 receptor antagonists on the intracranial self-administration of ethanol within the VTA of rats. Psychopharmacology (Berl). 2003;165(3):252-259. https://doi.org/10.1007/s00213-002-1300-2.
  37. Roik RO, Lebedev AA, Shabanov PD. The value of extended amygdala structures in emotive effects of narcogenic with diverse chemical structure. Res Results Pharmacol. 2019;5(3):11-19. https://doi.org/10.3897/rrpharmacology.5.38389.
  38. Sellers EM, Higgins GA, Sobell MB. 5-HT and alcohol abuse. Trends Pharmacol Sci. 1992;13(2):69-72. https://doi.org/10.1016/0165-6147(92)90026-3.
  39. Schultz W. Dopamine signals for reward value and risk: basic and recent data. Behav Brain Funct. 2010;(6):24. https://doi.org/10.1186/1744-9081-6-24.
  40. Stark P, Boyd ES, Fuller RW. A possible role of serotonin by hypothalamic self-stimulation in dogs. J Pharmacol Exp Ther. 1964;146:147-153.
  41. Tran-Nguyen TL, Baker DA, Grote КA. et al. Serotonin depletion attenuates cocaine-seeking behavior in rats. Psychopharmacology (Berl). 1999;146(1):60-66. https://doi.org/10.1007/s002130051088.

Copyright (c) 2020 Bychkov E.R., Lebedev A.A., Efimov N.S., Kryukov A.S., Karpova I.V., Pyurveev S.S., Droblenkov A.V., Shabanov P.D.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».