The dopaminergic innervation of the macaque - ETH E

DISS. ETH NO 20632
The dopaminergic innervation of the
macaque prefrontal cortex
A combined experimental and simulation study of
Brodmann’s Area 10
A dissertation submitted to
ETH Zurich
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
Isabelle Ayumi Spühler
Master of Science ETH in Biology
born September 22, 1983
citizen of Wasterkingen (ZH)
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Kevan A. C. Martin
Prof. Dr. Isabelle Mansuy
Dr. Graham Knott
2012
SUMMARY
It is a fundamental endeavour of neuroscience to study how single neurons and
neuronal populations communicate with each other in order to process sensory
information and to bring forth perceptions, decisions and behaviours. For various
brain functions dopamine plays a highly influential role, particularly in motor control
and for cognitive functions like working memory and reinforcement learning.
Dopaminergic neurons of the midbrain project their axons principally to the striatum
and to specific cortical areas, where they form vesicle-filled boutons but few
synapses. This structural observation led with some controversies to the hypothesis of
‘volume transmission’, whereby dopamine is released from boutons and diffuses
through the extracellular space to distant receptors. Here the volume transmission
hypothesis was tested in area 10 (frontopolar cortex) of macaque monkey.
Chapter 3 describes light and electron microscope observations of dopaminergic
axons identified immunohistochemically by antibodies directed against tyrosine
hydroxylase (TH), the synthetic enzyme for dopamine. Consistent with the
hypothesis, 94% of the TH-positive boutons lacked a synaptic specialisation (n=52).
TH-positive boutons were more in contact with dendritic shafts than spines and the
density of synapses near TH-positive boutons was no different from regions with no
TH-positive boutons (0.84 synapses/µm3 vs. 0.82 synapses/µm3). The experiments
described in Chapter 4 determined that the density of TH-positive boutons, which was
low (0.0002 boutons/µm3) compared to striatum (0.1 boutons/µm3) and that the
boutons were randomly distributed. Chapter 5 presents a detailed simulation study of
dopamine diffusion using these quantified data and published parameters. The
simulations showed that the concentration of dopamine is high enough during tonic
release to activate high-affinity D1 dopamine receptors anywhere in the neuropil.
Changes in dopamine concentration due to phasic activity might be decoded by the
degree of receptor occupancy, thus by the number of activated receptors. Chapter 6
describes a primate model of Parkinson’s disease, in which dopamine depletion is
profound.
Macaques
treated
with
MPTP
(1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6tetrahydropyridin) had motor and cognitive deficits, and the density of dopaminergic
boutons in area 10 fell to values below what could be measured by our counting
techniques. However the density of all synapses in the neuropil of area 10 in MPTP
treated monkeys was no different to the healthy animals.
The new insights provided by these experiments and simulations are critically
assessed in the general discussion. Our study supports the view that dopamine is a
global teaching signal provided by a non-synaptic release. Dopamine appears to
modulate the synaptic weights of the network according to the current state of activity
and the number of available dopamine receptors, and so ensures specificity of action
in the recipient neurons.
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ZUSAMMENFASSUNG
Es ist ein grundlegendes Bestreben der Neurowissenschaft zu erforschen, wie
Neuronen und Populationen von Neuronen miteinander kommunizieren um
Sinnesreize zu verarbeiten und Wahrnehmung, Entscheidungen sowie Verhalten
hervorzubringen. Für verschiedene Hirnfunktionen spielt Dopamin eine sehr
einflussreiche Rolle, insbesondere für Bewegungskontrolle und kognitive Funktionen,
wie das Arbeitsgedächtnis und verstärkendes Lernen. Dopaminerge Neuronen des
Mittelhirns projizieren ihre Axone hauptsächlich ins Striatum und in gewisse Areale
der Grosshirnrinde, wo sie Vesikel gefüllte Boutons, aber kaum Synapsen bilden.
Diese Beobachtungen haben trotz gewissen Kontroversen zur Hypothese der Volume
Transmission geführt, der zufolge Dopamin von Boutons ausgeschüttet wird und im
extrazellulären Raum zu entfernten Rezeptoren diffundiert. Diese Studie prüft die
Hypothese der Volume Transmission im präfrontalen Areal 10 (frontopolare
Grosshirnrinde) von Makaken.
Kapitel 3 beschreibt Beobachtungen am Licht und Elektronen Mikroskop von
dopaminergen Axonen, die zunächst immunohistochemisch mit Antikörpern gegen
Tyrosin Hydroxlase (TH) dem synthetischen Enzym von Dopamin identifiziert
wurden. In Übereinstimmung mit der Hypothese hatten 94% der TH-positiven
Boutons keine synaptische Spezialisierung (n= 52). TH-positive Boutons waren mehr
in Kontakt mit dendritischen Schäften als mit dendritische Dornfortsätzen und die
Synapsendichte in der Nähe von TH-positiven Boutons war nicht von Gebieten ohne
TH-positiven Bouton zu unterscheiden (0.84 Synapsen/µm3 vs 0.82 Synapsen/µm3).
Die Experimente, die in Kapitel 4 beschrieben werden, erfasssten die Dichte von THpositiven Boutons, welche sehr niedrig war (0.0002 Boutons/µm2) im Vergleich zum
Stiatum (0.1 Boutons/µm3) und dass die Boutons zufällig verteilt waren. Kapitel 5
zeigt eine detaillierte Simulationsstudie der Dopamindiffusion, in welche die
quantifizierten Daten wie auch veröffentlichte Parameter eingegangen sind. Die
Simulationen zeigten, dass die Dopaminkonzentration während tonischer Aktivität im
gesamten Neuropil hoch genug ist um an D1 Dopaminrezeptoren in ihrer hohen
Affinität zu binden. Eine rasche Änderung der Dopaminkonzentration durch
phasische Aktivität könnte durch den Bindungsgrad der Rezeptoren dekodiert werden,
also durch die Anzahl aktivierter Rezeptoren. Kapitel 6 beschreibt ein Tiermodell der
Parkinsonkrankheit, welche durch Dopaminmangel gekennzeichnet ist. Makaken, die
mit MPTP (1-Methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridin) behandelt wurden, wiesen
motorische sowie kognitive Defizite auf und die Dichte dopaminerger Boutons im
Areal 10 war tiefer als was wir messen konnten mit unserer Auszählungstechnik. Die
Synapsendichte im Neuropil des Areal 10 im MPTP behandelten Tieren war jedoch
dieselbe wie bei gesunden Tieren.
Die neuen Erkenntnisse aus diesen Experimenten und Simulationen werden in der
Diskussion kritisch beurteilt. Unsere Studie bekräftigt die Idee, dass Dopamin ein
globales Lernsignal ist, das nicht synaptisch ausgeschüttet wird. Dopamin scheint die
Stärke von Synapsen gemäß ihrer gegenwärtigen Aktivität und der Anzahl
vorhandenen Dopaminrezeptoren zu modulieren, was eine spezifische Wirkung auf
die betroffenen Neuronen ermöglicht.
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