Dopamine control of pyramidal neuron activity in the primary motor cortex via D2 receptors

Abstract

The primary motor cortex (M1) is involved in fine voluntary movements control. Previous studies have shown the existence of a dopamine (DA) innervation in M1 of rats and monkeys that could directly modulate M1 neuronal activity. However, none of these studies have described the precise distribution of DA terminals within M1 functional region nor have quantified the density of this innervation. Moreover, the precise role of DA on pyramidal neuron activity still remains unclear due to conflicting results from previous studies regarding D2 effects on M1 pyramidal neurons. In this study we assessed in mice the neuroanatomical characteristics of DA innervation in M1 using unbiased stereological quantification of DA transporter-immunostained fibers. We demonstrated for the first time in mice that DA innervates the deep layers of M1 targeting preferentially the forelimb representation area of M1. To address the functional role of the DA innervation on M1 neuronal activity, we performed electrophysiological recordings of single neurons activity in vivo and pharmacologically modulated D2 receptor activity. Local D2 receptor activation by quinpirole enhanced pyramidal neuron spike firing rate without changes in spike firing pattern. Altogether, these results indicate that DA innervation in M1 can increase neuronal activity through D2 receptor activation and suggest a potential contribution to the modulation of fine forelimb movement. Given the demonstrated role for DA in fine motor skill learning in M1, our results suggest that altered D2 modulation of M1 activity may be involved in the pathophysiology of movement disorders associated with disturbed DA homeostasis.

Topography and collateralization of dopaminergic projections to primary motor cortex in rats

“…There, DA affects the activity of layer V motorneurons and the cortico-spinal tract (Awenowicz and Porter 2002;Vitrac et al 2014). Thus, besides supporting plasticity, dopaminergic projections to M1 are ideally suited to control the cortico-fugal output of the primary motor cortex.…”

Activation of V2 vasopressin receptors induces recovery of motor function in patients with stroke, Parkinson’s disease and parkinsonism of different nature

“…При этом показана возможность нейрогенеза не только в классических нейрогенных зонах (субвентрикулярной зоне боковых желудоч-ков и зубчатой извилине гиппокампа), но и в черной субстанции зрелого мозга у крыс, приматов и чело-века [55,59]. Учитывая то, что дофамин является не только нейротрансмиттером, участвующим в регу-ляции двигательной функции [32,48,53], но и эн-догенным регулятором нейрогенеза в зрелом мозге млекопитающих [28], а АВП предположительно ак-тивирует нейрогенез [23], редукция двигательных расстройств у больныx с синдромом паркинсонизма была, вероятно, обусловлена тем, что АВП, повышая обмен дофамина в базальных ганглиях, оптимизиру-ет нейрогенез.…”

“…Произвольные движения связаны с активностью первичной моторной, дополнительной моторной, премоторной коры лобной доли, частично сенсомо-торной корой теменной доли [20,21,53]. Рефлек-торно-автоматизированный компонент двигатель-ной функции обеспечивается базальными ганглиями и их связями с таламусом, ретикулярной формаци-ей, корой головного мозга, мозжечком [20,21,27].…”

“…Произвольные движения осуществляют-ся при сокращении мышц-агонистов и расслабле-нии мышц-антагонистов и обеспечиваются пере-крещенным кортикоспинальным путем [20,21,43]. С нейрохимической точки зрения двигательная функция реализуется при участии нейромедиаторов: ацетилхолина, дофамина, глутамата, ГАМК, в извест-ной степени норадреналина и серотонина [27,32,43,48,53]. Поддержание определенного соотношения уровней медиаторов в структурах мозга, связанных с двигательной активностью, обес печивает высокую пластичность ее организации.…”

Neuromagnetic investigations of mechanisms and effects of STN-DBS and medication in Parkinson's disease

“…Apart from the projection systems, dopamine is known to act on interactions between local neural circuits, such as interneuron circuitry, which in turn affects the activity of pyramidal neuron circuitry (Gao and GoldmanRakic, 2003;. It has been shown in primates and in rats that motor cortex has dopaminergic innervation (Gaspar et al, 1991;Hosp et al, 2011;Vitrac et al, 2014) and such dopaminergic projections can control pyramidal neuron activity in the cortex (Vitrac et al, 2014).…”