Cocaine functions as indirect dopamine and serotonin (5-hydroxytryptamine, 5HT) agonists and induces genomic and behavioral alterations in the striatum. Previously we demonstrated that ritanserin, a 5HT2/1C receptor antagonist, is not responsible for cocaine-induced behavioral alterations and zif268 mRNA gene expression in the striatum (see the previous paper in this issue). In this study, it was hypothesized that dopamine and 5HT2/1C receptors are required for cocaine-induced behavioral alterations and c-fos and zif268 mRNA expression. This hypothesis was addressed by infusing amperozide which antagonizes both 5HT2/1C and dopamine receptors and was analyzed using the quantitative in situ hybridization histochemistry in vivo. Systemic injection of amperozide (5 mg/kg, s.c.) significantly blocked increase in behavior, c-fos and zif268 mRNA expression induced by 15 mg/kg cocaine, i.p., in the dorsal striatum. These data suggest that dopamine and 5HT2/1C receptors are necessary for cocaine-induced behavioral alterations and immediate early gene expression in the dorsal striatum.
Extrinsic connections between the cortex of the superior temporal sulcus (STS) and the ventral striatum in pigtail macaque monkeys (Macacca nemestrina) were studied by injection of retrograde tracers into the ventromedial caudate nucleus, the ventral and central shells of the nucleus accumbens (NA), the dorsal core of the NA, and the ventrolateral putamen. In the present study, we demonstrate that the projections from the unimodal (area TAa, IPa, TEa, and TEm) and the multimodal (area TPO and PGa) sensory association areas in the STS mainly terminate in the ventromedial caudate nucleus as well as in the ventral and central shells of the NA. However, there are only few projections to the dorsal core of the NA and the ventrolateral putamen from the sensory association cortex in the STS. Based on these differential neural connections between the subterritories of the ventral striatum and the sensory association areas, the ventromedial caudate nucleus and the shells of NA appear to be major integration sites for sensory input from the STS and functionally different from the dorsal core of NA and the ventrolateral putamen.
Activation of D1-like dopamine receptors by psychostimulants, such as amphetamine, upregulates the expression of immediate early gene and opioid peptide gene in the striatum. The genomic changes are regulated by phosphorylated transcription factors via complicated intracellular events. To evaluate temporal expression of the transcription factors by dopaminergic stimulation, the D1-like dopamine agonist, amphetamine or SKF82958, was systematically delivered. As intracellular markers in response to the agonist, phosphorylated cAMP response element-binding protein (pCREB), Fos-related antigens (FRA) and FosB immunoreactivity (IR) was compared at 20 and 120 min time points in the selected areas of the striatum. Semi-quantitative immunocytochemistry showed that amphetamine (5 mg/kg, i.p.) significantly increased pCREB-IR at 20 min, sustained up to 60 min and decreased at 120 min after the infusion. Like amphetamine, the full D1 agonist, SKF82958 (0.5 mg/kg, s.c.), also increased pCREB-IR at 20 min, but not at 120 min after the infusion in the dorsal striatum (caudoputaman, CPu) and shell of ventral striatum (nucleus accumbens, NAc). In contrast, FRA- and FosB-IR induced by SKF82958 was significantly increased at 120 min, but not at 20 min after the administration. These data indicate that SKF82958 mimics induction of CREB phosphorylation by amphetamine and differentially regulates temporal induction of pCREB, and FRA and FosB expression in the striatum.
Corticostriatal connections of auditory areas within the rostral and caudal portions of the superior temporal gyrus (STG) and in the supratemporal plane(STP) of pigtail macaque (Macacca nemestrina) were studied with particular emphasis on specific projections to the ventral striatum. Retrograde tracers were Injected into five different regions of the ventral striatum such as the ventromedial caudate nucleus, ventral shell, central shell, dorsal core of the nucleus accumbens (NA), and ventrolateral putamen to Identify the cells of origin. There were only few projections from the auditory areas in the STP to the ventral striatum. However, the association (or belt) areas of the STG collectively had widespread corticostriatal projections characterized by differential topographic distributions. The rostral parts of the STG strongly projected to the ventromedial caudate nucleus. The midportion of the STG also projected to the same ventral striatal regions, but the connections were relatively less extensive. Interestingly, the caudal portion of the STG had no connection to all subregions of the ventral striatum. These differential patterns of corticostriatal connectivity suggest that the ventromedial caudate nucleus would be a major auditory convergence area and mainly involved in sound recognition rather than spatial localization of sound sources.
Cocaine induces immediate early gene expression and behavioral changes by blocking dopamine transporters in the terminals of nigrostriatal neurons in the striatum. The pharmacological role of serotonin 2/1C (5HT2/1C) receptors in cocaine-induced expression of zif268 (NGFI-A, egr1 and Krox-24) mRNA, a member of the zinc finger, was investigated using quantitative in situ hybridization histochemistry in vivo. Behavioral alterations induced by cocaine were also monitored in relation with blockade of the receptors. Systemic injection of ritanserin (1 mg/kg, s.c.), a 5HT2/1C receptor antagonist, did not reverse behavioral alterations and zif268 mRNA gene expression induced by 15 mg/kg cocaine, i.p., in the dorsal and ventral striatum. These data indicate that ritanserin-sensitive 5HT2/1C receptors are not necessary for cocaine-induced behavioral alterations and zif268 mRNA gene expression in the striatum.
Recent evidence on behaviors in macaque monkeys indicate that the medial temporal cortical areas such as the entorhinal cortex (EC), perirhinal cortex, and parahippocampal cortex (PHC) are importantly involved in limbic and sensory memory function. Neuroanatomical studies also have demonstrated that the medial temporal cortical areas are connected with the ventral striatum, although comparatively little is known about the precise topography of these connections. We investigated the topographic organization of connections between the medial temporal cortical areas and the ventral striatum by placing retrograde tracers into five different regions of the ventral striatum: the ventromedial caudate nucleus, ventral shell, central shell, dorsal core of the nucleus accumbens (NA), and ventrolateral putamen. We found that the shell of the NA was the main projection site from the medial temporal cortical areas. Within the shell of the NA, there were also differential connections: EC diffusely innervates shell of the NA, while the projections from the perirhinal cortex and PHC concentrate on the ventral shell of the NA. Taken together, it is possible that the ventral shell of the NA is the main integration site of the limbic and sensory memory coming from the EC, perirhinal cortex, and PHC.
The striatum receives glutamatergic afferents from the cortex and thalamus, and these synaptic transmissions are mediated by ${\alpha}$-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate (AMPA) and N-methyl D-aspartate (NMDA) receptors. The purpose of this study was to characterize glutamate receptors by analyzing NMDA/AMPA ratio and rectification of AMPA and NMDA excitatory postsynaptic currents (EPSCs) using a whole-cell voltage-clamp method in the dorsal striatum. Receptor antagonists were used to isolate receptor or subunit specific EPSC, such as (DL)-2-amino-5-phosphonovaleric acid (APV), an NMDA receptor antagonist, ifenprodil, an NR2B antagonist, CNQX, an AMPA receptor antagonist and IEM-1460, a GluR2-lacking AMPA receptor blocker. AMPA and NMDA EPSCs were recorded at - 70 and + 40 mV, respectively. Rectification index was calculated by current ratio of EPSCs between + 50 and - 50 mV. NMDA/AMPA ratio was 0.20${\pm}$0.05, AMPA receptor ratio of GluR2-lacking/GluR2-containing subunit was 0.26${\pm}$0.05 and NMDA receptor ratio of NR2B/NR2A subunit was 0.32${\pm}$0.03. The rectification index (control 2.39${\pm}$0.27) was decreased in the presence of both APV and combination of APV and IEM-1460 (1.02${\pm}$0.11 and 0.93${\pm}$0.09, respectively). These results suggest that the major components of the striatal glutamate receptors are GluR2-containing AMPA receptors and NR2A-containing NMDA receptors. Our results may provide useful information for corticostriatal synaptic transmission and plasticity studies.
Striatum has important roles in motor control, habitual learning and memory. It receives glutamatergic inputs from neocortex and thalamus, and dopaminergic inputs from substantia nigra. We examined effects of dopamine (DA) on the corticostriatal synaptic transmission using in vitro extracellular recording technique in rat brain corticostriatal slices. Synaptic responses were elicited by stimulation of cortical glutamatergic inputs on the corpus callosum and recorded in the dorsal striatum. Corticostriatal population spike (PS) amplitudes were decreased ($39.4{\pm}7.9$%) by the application of $100{\mu}M$ DA. We applied receptor subtype specific agonists and antagonists and characterized the modulation of corticostriatal synaptic transmission by different DA receptor subtypes. $D_2$ receptor agonist (quinpirole), antagonist (sulpiride), and $D_1$ receptor antagonist (SKF 83566), but not $D_1$ receptor agonist (SKF 38393), induced significantly the reduction of striatal PS. Pretreatment neither with SKF 83566 nor sulpiride significantly affected corticostriatal synaptic inhibition by DA. However, the inhibition of DA was completely blocked by pretreatment with mixed solution of both SKF 83566 and sulpiride. These results suggest that DA inhibits corticostriatal synaptic transmission through both $D_1$ and $D_2$ receptors in concert with each other.
Striatum plays a crucial role in the movement control and habitual learning. It receives an information from wide area of cerebral cortex as well as an extensive serotonergic (5-hydroxytryptamine, 5-HT) input from raphe nuclei. In the present study, the effects of 5-HT to modulate synaptic transmission were studied in the rat corticostriatal brain slice using in vitro extracellular recording technique. Synaptic responses were evoked by stimulation of cortical glutamatergic inputs on the corpus callosum and recorded in the dorsal striatum. 5-HT reversibly inhibited coticostriatal glutamatergic synaptic transmission in a dose-dependent fashion (5, 10, 50, and $10{\mu}M$), maximally reducing in the corticostriatal population spike (PS) amplitude to $40.1{\pm}5.0$% at a concentration of $50{\mu}M$ 5-HT. PSs mediated by non-NMDA glutamate receptors, which were isolated by bath application of the NMDA receptor antagonist, d,l-2-amino-5-phospohonovaleric acid (AP-V), were decreased by application of $50{\mu}M$ 5-HT. However, PSs mediated by NMDA receptors, that were activated by application of zero $Mg^{2+}$ aCSF, were not significantly affected by $50{\mu}M$ 5-HT. To test whether the corticostriatal synaptic inhibitions by 5-HT might involve a change in the probability of neurotransmitter release from presynaptic nerve terminals, we measured the paired-pulse ratio (PPR) evoked by 2 identical pulses (50 ms interpulse interval), and found that PPR was increased ($33.4{\pm}5.2$%) by 5-HT, reflecting decreased neurotransmitter releasing probability. These results suggest that 5-HT may decrease neurotransmitter release probability of glutamatergic corticostriatal synapse and may be able to selectively decrease non-NMDA glutamate receptor-mediated synaptic transmission.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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