In vivo characterization of prefrontal cortical neurons involved in social hierarchies

Abstract

As hierarquias sociais são uma forma de organização social com grande prevalência na natureza, que estruturam o acesso à alimentação, parceiros sexuais e locais de descanso, enquanto reduzem a violência entre grupos de animais. No entanto, este tipo de organização está também associado a stress crónico com consequências a nível da saúde, afetando maioritariamente os indivíduos que ocupam uma posição mais baixa na hierarquia social. Nos humanos, este gradiente social é influenciado pelo estatuto socioeconómico, que é em si, considerado um dos mais fortes preditores de saúde mental, risco de doença e esperança de vida. Contudo, pouco se sabe sobre os substratos neuronais que regulam as hierarquias sociais e determinam comportamentos dominantes. Estudos anteriores têm sugerido que o córtex pré-frontal está envolvido nas hierarquias sociais, exercendo um papel central na determinação do estatuto social e nos comportamentos de dominância. No entanto, não se sabe como os neurónios nesta região são modulados durante as interações sociais entre animais que ocupam diferentes posições sociais, ou como as projeções estabelecidas com o pré-frontal (incluindo aquelas vindas do hipocampo) são recrutadas durante estes comportamentos. O objetivo central deste projeto foi a implementação de um sistema para registos eletrofisiológicos in vivo, durante um paradigma social em que o animal se move livremente. Um objetivo foi também caraterizar a função das projeções entre o pré-frontal e o hipocampo nas hierarquias sociais. Seguindo-se vários passos de otimização, foi possível registar a atividade neuronal no córtex pré-frontal durante um nosso paradigma comportamental: o T-maze social. Durante este projecto foi também efetuada uma caraterização comportamental, molecular e eletrofisiológica após as interações sociais entre animais com diferentes posições sociais na hierarquia. Embora os murganhos tenham manifestado preferência social no T-maze, durante este teste os animais não mostraram preferência face a um dominante ou subordinado coespecífico. Contudo, conseguirmos identificar neurónios do pré-frontal que mostraram uma tendência para um aumento da atividade neuronal (aumento da expressão de c-Fos) causado pelas interações entre animais de posições superiores e inferiores da hierarquia. Através dos registos in vivo, foi possível determinar que existem unidades (neurónios) modulados pelos contactos sociais e também um sub-grupo de células que apresentou uma resposta putativa em função do rank social do animal-estímulo. Em estudos futuros, temos por objetivo registar a atividade neuronal também no hipocampo, de forma a perceber como as projeções entre o pré-frontal e o hipocampo estão envolvidas nas interações sociais entre animais de diferentes posições nas hierarquias.

Social hierarchies are a form of organization highly prevalent in nature, that is thought to increase group fitness by structuring access to food, mates, resting spots, while reducing in-group fighting. However, such organization is also associated with chronic stress and health consequences to those in lower ranks. In humans, this gradient is largely determined by the socioeconomic status (SES), one of the strongest predictors of mental health, risk for disease and life expectancy.Despite the importance of social hierarchies, little is known on the neuronal subtracts that regulate social hierarchies and determine dominant behaviors. Previous studies suggest that the prefrontal cortex (PFC) is involved in social hierarchies, playing a central role in establishing social rank and in the expression of dominance behaviors. However, little is known on the neurons modulated during social interactions between animals of different social ranks or how PFC projections (including those form the hippocampus) are recruited during these behaviors. The main aim of this project was to implement an in vivo electrophysiology recording system in freely moving animals during a social behavior paradigm. Another aim was to characterize the role of the prefrontal-hippocampal projections in social hierarchies. This was achieved by multiple optimization steps that finalized with successful recording of neuronal activity in PFC during a novel behavior paradigm: the social T-maze. This project further assessed the behavioral, molecular and electrophysiology characterization in animals undergoing social interactions with conspecifics of different social rank.Our results indicate that although mice display social preference in the social t-maze, there was no preference towards dominant or subordinate conspecifics. Additionally, PFC neurons showed a tendency for increased neuronal activity (as assessed by increased c-Fos expression) caused by social interactions between mice of superior and inferior rank. Modulation of PFC neurons was assessed using in vivo recordings, which allowed the identification of units (neurons) modulated by social contact and a subset of cells putatively modulated by social rank. In futures studies, we intend to scale these results while simultaneously recording neuronal activity in the hippocampus, in order to understand how PFC-HIPP projections are involved in social interactions between animals of different social ranks.