Dissertação de Mestrado Investigação Biomédica 2023 Faculdade de Ciências Médicas, Universidade NOVA de Lisboa

Feeding behaviour encompasses any action an animal performs to obtain and consume food. This complex process is affected by pre and postingestive (PI) signals. The former occurs prior and during food consumption, while the latter are related to the mechanisms that occur once food is swallowed. Both these signals shape food-seeking behaviour and convey important information to the central nervous system (CNS). Currently, it is known that both homeostatic and non-homeostatic circuits, within the CNS, respond to PI stimuli. Homeostatic circuits are controlled by several hypothalamic nuclei. Non-homeostatic circuits are mostly related to the rewarding properties of food and involve dopamine activation and consequent release in the striatum. In fact, several authors have shown that dopamine release in the nucleus accumbens (NAc), a nucleus from the ventral striatum, increases upon PI carbohydrate detection. Additionally, there is robust evidence that PI stimuli from carbohydrates increases neuronal dopaminergic activity in the ventral tegmental area (VTA). Recently, it was described that gut infusions of fat increased dopamine release in the dorsal striatum, However, much less is known about central nervous responses to PI stimuli from other nutrients, such as fat or proteins. On the other hand, the usage of different nutrients to understand PI feedback in feeding behaviour has been extensively studied using classical associative learning. There is clear evidence that animals prefer flavours paired with calories, carbohydrates, fat or proteins, to flavours paired with non-nutritive solutions. This indicates that the reinforcing properties of PI stimuli could be associated, mostly, to the caloric content of food. Therefore, the hypothesis for this work is that dopaminergic neurons increase their activity when caloric solutions are infused directly into the stomach. More specifically, it is postulated that ventral areas of dopaminergic neurons will increase their activity when carbohydrates are infused, while intragastric (IG) lipids infusion will activate a more dorsal area of dopaminergic neurons activating substantia nigra dopaminergic neurons and dopamine release in dorsal striatum. To test this hypothesis, this work focused on how dopaminergic neurons respond to different IG nutrient infusions and how PI feedback affects dopamine response in ventral and dorsal striatal and dopaminergic regions. Thus, calcium imaging and fibre photometry experiments were carried out in dopaminergic regions - VTA and substantia nigra pars compacta (SNc) - and striatal regions - NAc and dorsal-lateral striatum (DLS) -, respectively, while isocaloric solutions of fat and sucrose were infused directly into the stomach. Additionally, how PI stimuli impacts a reinforcement learning (RL) probabilistic behavioural task was also studied. For this, a novel two-action probabilistic instrumental task was developed to better asses how PI feedback modulates learning based on IG infusions of sucrose (caloric carbohydrate) or sucralose (non-caloric artificial sweetener) and how different reward probabilities can affect this type of behaviour. Calcium imaging recordings revealed that the VTA responds specifically to sucrose, when compared to corn oil or a non-caloric artificial sweetener - sucralose. SNc responses were not nutrient-specific, since dopaminergic activity in this nucleus showed similar patterns of response for all the reinforcers tested. Evaluation of dopamine release in ventral and the dorsal striatum, simultaneously and in the same animal, corroborated previous evidence that dopamine release in the NAc increases when sucrose is infused. In opposition, DLS did not respond to any of the reinforcers administered. Additionally, preliminary data showed that dopaminergic SNc responses did not depend on the lipid administered since response to isocaloric SMOF lipid solution, composed of several types of fatty acids, was similar to corn oil response. Interestingly, NAc response to SMOF lipid was similar to sucrose response, which could mean that ventral response depends on lipid constitution. The development of the instrumental two-action probabilistic task showed that, when given the choice, between a lever associated to IG infusion of a caloric solution and a lever associated to IG infusion of a non caloric solution, mice develop a clear preference for the lever associated with caloric content. This preference was independent of the probability of delivering the reward associated with each lever. Altogether, results from this work shed light on the postulated asymmetry of dopaminergic responses between mesolimbic (VTA to ventral striatum) and nigrostriatal (SNc to dorsal striatum) neuronal pathways, according to the type of postingestive stimuli. Results from the development of the two-action task inferred important parameters in decision making and RL based on PI stimuli.

O comportamento alimentar engloba qualquer ação que um animal realiza para obter e consumir comida. Este processo complexo é afetado por sinais pré e pós-ingestivos. Os primeiros ocorrem antes e durante o consumo de comida enquanto os segundos estão relacionados com todos os mecanismos que ocorrem após o consumo da comida. Ambos influenciam o comportamento alimentar e transmitem informações relevantes ao sistema nervoso central (SNC). Atualmente, sabe-se que existem, no SNC, circuitos homeostáticos e não homeostáticos que respondem a estímulos pós-ingestivos. Os circuitos homeostáticos são maioritariamente controlados por núcleos do hipotálamo. Os circuitos não homeostáticos estão maioritariamente relacionados com as propriedades recompensadoras da comida e envolvem ativação e consequente libertação de dopamina no estriado. De facto, vários autores mostraram que a concentração de dopamina no núcleo accumbens (NAc), um núcleo do estriado ventral, aumenta em resposta à deteção pós-ingestiva de carbohidratos. Também há evidência de que estímulos pós-ingestivos derivados da deteção de carbohidratos levam a um aumento de atividade dopaminérgica neuronal na área ventral tegmental (AVT). Recentemente, foi ainda descrito que infusões de lípidos no intestino levaram ao aumento de dopamina no estriado dorsal. Contudo, a resposta dopaminérgica a estímulos pós-ingestivos com o mesmo conteúdo calórico, mas de proveniência nutricional diferente continua por explorar. Por outro lado, mecanismos pós-ingestivos com diferentes tipos de nutrientes foi extensivamente explorado através de paradigmas clássicos de aprendizagem de associação. Há várias evidências de que animais preferem sabores associados a infusão de substâncias calorias quando comparado com sabores associados a soluções não-nutritivas, o que parece indicar que estímulos pós-ingestivos dependentes do conteúdo calórico parecem ativar regiões neuronais de recompensa que explicam as preferências comportamentais. Assim a hipótese para o trabalho descrito é de que neurónios dopaminérgicos aumentam a sua atividade quando soluções calóricas são administradas diretamente no estômago. Mais especificamente, foi postulado que neurónios dopaminérgicos de áreas centrais ventrais aumentam a sua atividade quando carbohidratos são administrados, enquanto lípidos devem ativar neurónios dopaminérgicos de áreas mais dorsais, levando a ativação da substância negra pars compacta e estriado dorsal. Tendo em conta o descrito, este trabalho focou-se em perceber como neurónios dopaminérgicos respondem a infusões gástricas de diferentes nutrientes e como os estímulos pós-ingestivos afetam a resposta nas regiões dopaminérgicas ventral e dorsal, e das suas projeções axonais no estriado. Deste modo, experiências de microscopia de cálcio de e fotometria de fibra ótica foram executadas em regiões dopaminérgicas – AVT e porção compacta da substância negra (SNc) – e regiões do estriado – NAc e estriado dorsal-lateral (EDL) -, respetivamente, enquanto soluções isocalóricas de gordura e sucrose eram infundidas diretamente no estômago. Adicionalmente, procurou-se ainda perceber a forma como estímulos pós ingestivos afetavam a aprendizagem de reforço no contexto de uma tarefa instrumental. Para isso, uma tarefa probabilística instrumental de duas ações foi desenvolvida de modo a avaliar como estímulos pós-ingestivos modulavam a aprendizagem com base em diferentes probabilidades de obtenção de recompensa que poderiam resultar na administração de soluções de sacarose (calórica) e sucralose (adoçante artificial sem conteúdo calórico) diretamente no estômago e simultaneamente uma recompensa oral sem conteúdo calórico. Experiências de microscopia de cálcio revelaram que a AVT tem uma resposta mais aumentada para injeções intragástricas de sacarose, quando comparadas com injeções intragástrica de óleo de milho ou sucralose. A resposta da SNc não depende do nutriente infundido uma vez que todos os estímulos utilizados resultaram em perfis de atividade dopaminérgica similares. Medição de níveis de dopamina no estriado ventral e dorsal, simultaneamente no mesmo animal, vão de encontro aos resultados previamente reportados que confirmam maior libertação de dopamina no NAc com a administração intragástrica de sacarose. Em oposição, e em conformidade com os resultados obtidos na SNc, o EDL não respondeu a nenhum dos estímulos administrados. Dados preliminares também revelaram que a resposta de neurónios dopaminérgicos da SNc não depende da constituição lipídica da solução administrada, visto que a resposta intragástrica de óleo de milho é semelhante à resposta intragástrica isocalórica de uma solução calórica - SMOF, composto por vários tipos de ácidos gordos. Interessantemente, a resposta do NAc a esta solução lipídica parece mais similar à resposta observada quando da administração intragástrica de sacarose, o que pode significar que a constituição lipídica da solução administrada pode influenciar vias ventrais dopaminérgicas. O desenvolvimento da tarefa probabilística instrumental de duas ações mostrou que os animais, quando dada a opção de escolha, desenvolvem uma preferência clara para a alavanca associada a infusões gástricas de sacarose quando comparada a alavanca associada com infusões gástricas de sucralose. Curiosamente, esta preferência é independente da probabilidade que cada alavanca tem de entregar recompensa. Os resultados deste trabalho permitiram clarificar a hipótese de que a resposta dopaminérgica entre a via mesolímbica (VTA e estriado ventral) e a via nigroestriatal (SNc e estriado dorsal) em resposta a diferentes tipos de estímulos pós-ingestivos é assimétrica. Os resultados do desenvolvimento da tarefa probabilística instrumental de duas ações permitiram inferir parâmetros importantes no contexto de aprendizagem de reforço e decisão baseada em estímulos pós-ingestivos.