Fast-scan cyclic voltammetry for measurement of extracellular dopamine release in response to self-stimulation

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Background: The regulation of extracellular dopamine levels in the nucleus accumbens is a critical component of the brain reward system. The development of fast-scan cyclic voltammetry facilitated the measurement of variations in dopamine release over time, correlating with behavioral responses. However, the available data on extracellular dopamine levels in response to self-stimulation are somewhat conflicting.

Aim: To analyze the patterns of dopamine release in the nucleus accumbens that occur in response to the ventral tegmental self-stimulation, as measured by fast-scan cyclic voltammetry.

Methods: Electrodes were implanted into male Wistar rats to induce self-stimulation and monitor extracellular dopamine levels. The release of dopamine was measured telemetrically, while rats were allowed to move freely. Dopamine levels were measured by monitoring its extracellular concentrations in the nucleus accumbens in vivo using fast-scan cyclic voltammetry. The ventral tegmental irritation was maintained on a fixed-ratio one schedule using a rectangular pulse train with a 38° head elevation.

Results: The first head elevation, and consequently the activation of reward stimulation, induced an increase in the signal of fast-scan cyclic voltammetry, which decreased over time. The release of dopamine in response to self-stimulation demonstrated a consistent increase compared to the baseline levels prior to the initiation of the reaction training. A definitive correlation between the amplitude/time of dopamine release and the intensity of the self-stimulation response was not observed. The maximum dopamine concentration in response to the electrical stimulus increased and remained at a higher level for at least 20 subsequent head elevations. However, the hallmarks of exploratory behavior persisted, despite variations in dopamine levels. The release of dopamine in the initial five minutes of the experiment gradually decreased every two minutes. Following a period of prolonged self-stimulation, the release of dopamine decreased at an interval of 0.5 min.

Conclusion: The study findings are consistent with the hypothesis of fluctuations in the emotional continuum that activates the brain reward mechanisms. Dopamine levels have been demonstrated to reflect the regulatory mechanisms underlying approach and avoidance behaviors in response to self-stimulation and may result from the synthesis of an antedating reward (motivational excitement) followed satisfaction after motor activity.

About the authors

N. S. Pestereva

Institute of Experimental Medicine

Author for correspondence.
Email: pesterevans@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3104-8790
SPIN-code: 1088-6479

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, Saint Petersburg

D. S. Traktirov

Institute of Experimental Medicine

Email: ds.traktirov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0424-6545
SPIN-code: 3221-1316
Russian Federation, Saint Petersburg

Andrei А. Lebedev

Institute of Experimental Medicine

Email: aalebedev-iem@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-0297-0425
SPIN-code: 4998-5204

Dr. Sci. (Biology), Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

S. S. Pyurveev

Institute of Experimental Medicine; Saint Petersburg State Pediatric Medical University

Email: dr.purveev@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4467-2269
SPIN-code: 5915-9767

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

R. D. Cherkassova

Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University

Email: regina.cherkassova@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-1811-7563
SPIN-code: 8138-8642
Russian Federation, Saint Petersburg

P. D. Shabanov

Institute of Experimental Medicine

Email: pdshabanov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1464-1127
SPIN-code: 8974-7477

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Pavlov IP. Complete Collection of Works. Vol. 2. Book 1. Moscow: Nauka; 1951. 57 p. (In Russ.)
  2. Shabanov PD, Lebedev AA, Meshcherov ShK. Dopamine and reinforcing systems of the brain. Saint Petersburg: Scientific Book; 2002. 216 p. (In Russ.) EDN: VWCLGH.
  3. Salamone JD, Correa M. Insulin and ventral tegmental dopamine: what’s impaired and what’s intact? Cell Metab. 2013;17(4):469–470. doi: 10.1016/j.cmet.2013.03.011
  4. Covey DP, Cheer JF. Accumbal dopamine release tracks the expectation of dopamine neuron-mediated reinforcement. Cell Rep. 2019;27(2):481–490.e3. doi: 10.1016/j.celrep.2019.03.055
  5. Sharpe MJ, Chang CY, Liu MA, et al. Dopamine transients are sufficient and necessary for acquisition of model-based associations. Nat Neurosci. 2017;20(5):735–742. doi: 10.1038/nn.4538
  6. Carlezon WA Jr, Chartoff EH. Intracranial self-stimulation (ICSS) in rodents to study the neurobiology of motivation. Nat Protoc. 2007;2(11):2987–2995. doi: 10.1038/nprot.2007.441 EDN: XUUMSB
  7. Steinberg EE, Boivin JR, Saunders BT, et al. Positive reinforcement mediated by midbrain dopamine neurons requires D1 and D2 receptor activation in the nucleus accumbens. PLoS One. 2014;9(4): e94771. doi: 10.1371/journal.pone.0094771
  8. Gallistel CR, Shizgal P, Yeomans JS. A portrait of the substrate for self-stimulation. Psychol Rev. 1981;88(3):228–273. doi: 10.1037/0033-295X.88.3.228
  9. Bielajew C, Shizgal P. Evidence implicating descending fibers in self-stimulation of the medial forebrain bundle. J Neurosci. 1986;6(4):919–929. doi: 10.1523/JNEUROSCI.06-04-00919.1986
  10. Sombers LA, Beyene M, Carelli RM, Wightman RM. Synaptic overflow of dopamine in the nucleus accumbens arises from neuronal activity in the ventral tegmental area. J Neurosci. 2009;29(6): 1735–1742. doi: 10.1523/JNEUROSCI.5562-08.2009
  11. Berrios J, Stamatakis AM, Kantak PA, et al. Loss of UBE3A from TH-expressing neurons suppresses GABA co-release and enhances VTA-NAc optical self-stimulation. Nat Commun. 2016;7:10702. doi: 10.1038/ncomms10702
  12. Hernandez G, Hamdani S, Rajabi H, et al. Prolonged rewarding stimulation of the rat medial forebrain bundle: neurochemical and behavioral consequences. Behav Neurosci. 2006;120(4):888–904. doi: 10.1037/0735-7044.120.4.888
  13. Sizov VV, Lebedev AA, Pyurveev SS, et al. A method for training rats to electrical self-stimulation in response to raising the head using a telemetry apparatus to record extracellular dopamine levels. Neurosci Behav Physiol. 2024;54(1):52–60. doi: 10.1007/s11055-024-01568-z EDN: LVFWOC
  14. Pyurveev SS, Lebedev AA, Sizov VV, et al. Social isolation induces addictive behavior and increases release of dopamine in the Nucleus accumbens in response to stimulation of the positive reinforcing zone. I.P. Pavlov Journal of Higher Nervous Activity. 2024;74(4):471–485. doi: 10.31857/S0044467724040083 EDN: HMWGGQ
  15. Pyurveev SS, Sizov VV, Lebedev AA, et al. Registration of changes in the level of extracellular dopamine in the Nucleus accumbens by fast-scan cyclic voltammetry during stimulation of the ventral tegmental area zone, which also caused self-stimulation. J Evol Biochem Physiol. 2022;58(5):1613–1622. doi: 10.1134/s0022093022050295 EDN: FWBURZ
  16. Kita JM, Parker LE, Phillips PE, et al. Paradoxical modulation of short-term facilitation of dopamine release by dopamine autoreceptors. J Neurochem. 2007;102(4):1115–1124. doi: 10.1111/j.1471-4159.2007.04621.x
  17. Calipari ES, Bagot RC, Purushothaman I, et al. In vivo imaging identifies temporal signature of D1 and D2 medium spiny neurons in cocaine reward. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016;113(10):2726–2731. doi: 10.1073/pnas.1521238113
  18. Owesson-White CA, Cheer JF, Beyene M, et al. Dynamic changes in accumbens dopamine correlate with learning during intracranial self-stimulation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(33): 11957–11962. doi: 10.1073/pnas.0803896105
  19. Kilpatrick MR, Rooney MB, Michael DJ, Wightman RM. Extracellular dopamine dynamics in rat caudate-putamen during experimenter-delivered and intracranial self-stimulation. Neuroscience. 2000;96(4):697–706. doi: 10.1016/S0306-4522(99)00578-3 EDN: AEHNPW
  20. Witten IB, Steinberg EE, Lee SY, et al. Recombinase-driver rat lines: tools, techniques, and optogenetic application to dopamine-mediated reinforcement. Neuron. 2011;72(5):721–733. doi: 10.1016/j.neuron.2011.10.028
  21. Vartanyan GA, Petrov ES. The reinforcing function of the emotions. Neuroscience and Behavioral Physiology. 1993;23(5):439–448. doi: 10.1007/BF01183005 EDN: XPSIFE
  22. Petrov ES, Lebedev AA. Dopamine and the reinforcing system of the brain. Neurosci Behav Physiol. 1997;27(3):309–311. doi: 10.1007/BF02462900 EDN: LEBBJX
  23. Tsikunov SG. Emociogenic principle of reinforcement in the formation of behavior. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2000;(1):26. (In Russ.)
  24. Posner J, Russell JA, Peterson BS. The circumplex model of affect: An integrative approach to affective neuroscience, cognitive development, and psychopathology. Development and Psychopathology. 2005;17(3):715–734. doi: 10.1017/S0954579405050340 EDN: HPNMBL

Copyright (c) 2025 Eco-Vector



 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».