Effetti di un ambiente arricchito sul sistema dopaminergico mesolimbico e sull’auto-somministrazione di alcol in ratti Sardinian alcohol-preferring

Abstract

Numerosi studi preclinici hanno dimostrato come l’alloggiamento di ratti e topi all’interno di gabbie cosiddette “arricchite” (ovvero dotate di ruote, scale e labirinti e con piccole colonie di animali, così da garantire stimolazioni sensoriali, motorie e sociali) abbia un grande impatto sulla funzionalità cerebrale e sul comportamento animale. Ciò è dimostrato anche per i comportamenti motivati dalle sostanze d'abuso. Tale quadro risulta però essere meno chiaro per i comportamenti alcol- correlati, rendendo pertanto necessario lo svolgimento di ulteriori indagini sperimentali. A questo scopo, il presente studio ha impiegato una linea di ratti selezionati geneticamente per l’elevato consumo di alcol (Sardinian alcohol- preferring, sP), indagando l'effetto dell’arricchimento ambientale (i) sull’attività del sistema dopaminergico mesolimbico e (ii) sull'auto-somministrazione di alcol. A partire dal 21° giorno d’età, i ratti sono stati alloggiati in tre diverse condizioni ambientali: ambiente impoverito (impoverished environment, IE; alloggiamento singolo in piccole gabbie prive di arricchimento ambientale); ambiente intermedio (standard environment, SE; alloggiamento in piccole colonie di tre ratti senza arricchimento ambientale); ambiente arricchito (enriched environment, EE; alloggiamento in grandi gabbie con colonie di sei ratti e molteplici elementi di arricchimento ambientale). Lo studio si compone di due diversi esperimenti (uno di elettrofisiologia, l’altro comportamentale), che hanno utilizzato due gruppi indipendenti di ratti, suddivisi in tre sottogruppi in base al tipo di alloggiamento. Il primo esperimento ha utilizzato ratti di 60 giorni d’età e, tramite registrazioni dell’elettrofisiologiche in vivo nell’area ventrale del tegmento, ha indagato l’effetto delle tre condizioni ambientali sui seguenti parametri: numero di neuroni dopaminergici spontaneamente attivi; frequenza di scarica basale dei neuroni dopaminergici; percentuale dei potenziali d’azione organizzati in treni. I risultati ottenuti indicano la presenza di differenze significative nel numero di neuroni dopaminergici spontaneamente attivi; specificatamente, esso è maggiore nei ratti EE, intermedio nei ratti SE e inferiore nei ratti IE. Questi risultati dimostrano come le condizioni ambientali di alloggiamento possano determinare significativi cambiamenti nell’attività neuronale dopaminergica nel sistema mesolimbico. Nel secondo esperimento, e a partire dall’età di 60 giorni, i ratti sono stati esposti al protocollo dell'auto-somministrazione orale e operante inizialmente di acqua (shaping) e successivamente di alcol (training e testing). L'acquisizione del comportamento basale (pressione della leva per l’ottenimento di acqua in ratti acqua-deprivati) è stata più lenta (ovvero ha richiesto un numero superiore di sessioni giornaliere di auto-somministrazione) nei ratti EE rispetto a quelli IE e SE, come probabile conseguenza di una minore salienza degli stimoli forniti dalla gabbia per il comportamento operante rispetto a quelli a cui i ratti EE sono abitualmente esposti nella loro homecage. Inoltre, la fase di training di auto-somministrazione di alcol (senza più alcuna deprivazione) è stata più lunga nei ratti EE rispetto a quelli IE, mentre i ratti SE hanno mostrato valori intermedi. Un ordine simile (IE > SE > EE) è stato osservato anche nelle successive fasi di testing ed esplicitato da un numero inferiore di pressioni sulla leva per l'alcol, una ridotta quantità di alcol auto- somministrato e da un più basso valore di breakpoint per l'alcol nei ratti EE rispetto agli altri due gruppi. Questi dati suggeriscono che l’arricchimento ambientale riduce le proprietà di rinforzo e motivazionali dell'alcol nei ratti sP; essi sono interpretabili ipotizzando che le proprietà di rinforzo e motivazionali delle principali componenti dell’arricchimento ambientale possono sostituire, almeno in parte, quelle dell'alcol.

Preclinical studies have shown that living in an enriched environment (i.e. large cages in which animals live in colonies and have access to burrow-like shelters, running wheels, ladders and maze, to guarantee sensory, motor and social stimulation) greatly impacts brain function and animal behavior. This is also true for behaviors motivated by drugs of abuse. However, this picture is less clear when referring to alcohol-motivated behaviors. Therefore it is necessary to develop further experimental investigations. With this purpose, the present study used a line of rats genetically selected for high alcohol consumption (Sardinian alcohol-preferring, sP) and investigated the effect of environmental enrichment (i) on the activity of the dopaminergic mesolimbic system and (ii) on operant oral alcohol self-administration. Starting from postnatal day (PND) 21, rats were kept under three different housing conditions: impoverished environment (IE; single housing in small cages with no environmental enrichment); standard environment (SE; small colonies of three rats and no environmental enrichment); enriched environment (EE; housing in large cages with colonies of six rats and multiple elements of environmental enrichment). The present study includes two different experiments (one electrophysiological and one behavioral), which used two independent groups of rats, divided into three sub-groups based on the type of housing. The first experiment used rats at the PND 60 and, through in vivo electrophysiology in the ventral tegmental area, investigated the effect of the three environmental conditions on the following parameters: number of dopaminergic neurons spontaneously active; basal firing rate of dopaminergic neurons; percentage of action potentials organized in barst. The results indicate significant differences in the number of dopaminergic neurons spontaneously active; specifically, it is higher in EE rats, intermediate in SE rats and lower in IE rats. These results demonstrate how the environmental housing conditions can cause significant changes in dopaminergic activity in the mesolimbic system. In the second experiment, rats were exposed, from PND 60, to oral and operating self-administration, initially with water (shaping) and subsequently with alcohol (training and testing). Acquisition of the lever-responding task (lever pressure to obtain water in water-deprived rats) was slower (i.e. required a higher number of daily self-administration sessions) in EE rats than in IE and SE rats, as the likely consequence of a “devaluation” of the novel stimuli provided by the operant chamber in comparison to those to which EE rats were continuously exposed in their homecage. Furthermore, the training phase of self-administration of alcohol (without any deprivation) was longer in the EE rats than in the IE rats, while the SE rats showed intermediate values. A similar ranking order (IE > SE > EE) was also observed in the testing phases, shown by a lower number of lever pressures for alcohol, a reduced amount of self-administered alcohol and a lower breakpoint value for alcohol in EE rats than in the other two groups. These data suggest that environmental enrichment reduces the reinforcing and motivational properties of alcohol in sP rats. These results can be interpreted by assuming that the reinforcing and motivational properties of the main components of environmental enrichment can replace, at least in part, those of alcohol.