Dopamine neurons play a key role in reward-related behaviors. Reward coding theories predict that dopamine neurons will be inhibited by or will not respond to aversive stimuli. Paradoxically, between 3 and 49% of presumed dopamine neurons are excited by aversive stimuli. We found that, in the ventral tegmental area of anesthetized rats, the population of presumed dopamine neurons that are excited by aversive stimuli is actually not dopaminergic. The identified dopamine neurons were inhibited by the aversive stimulus. These findings suggest that dopamine neurons are specifically excited by reward and that a population of nondopamine neurons is excited by aversive stimuli.

Midbrain dopamine neurons in the ventral tegmental area, substantia nigra and retrorubral field play key roles in reward processing, learning and memory, and movement. Within these midbrain regions and admixed with the dopamine neurons, are also substantial populations of GABAergic neurons that regulate dopamine neuron activity and have projection targets similar to those of dopamine neurons. Additionally, there is a small group of putative glutamatergic neurons within the ventral tegmental area whose function remains unclear. Although dopamine neurons have been intensively studied and quantified, there is little quantitative information regarding the GABAergic and glutamatergic neurons. We therefore used unbiased stereological methods to estimate the number of dopaminergic, GABAergic and glutamatergic cells in these regions in the rat. Neurons were identified using a combination of immunohistochemistry (tyrosine hydroxylase) and in situ hybridization (glutamic acid decarboxylase mRNA and vesicular glutamate transporter 2 mRNA). In substantia nigra pars compacta 29% of cells were glutamic acid decarboxylase mRNA-positive, 58% in the retrorubral field and 35% in the ventral tegmental area. There were further differences in the relative sizes of the GABAergic populations in subnuclei of the ventral tegmental area. Thus, glutamic acid decarboxylase mRNA-positive neurons represented 12% of cells in the interfascicular nucleus, 30% in the parabrachial nucleus, and 45% in the parainterfascicular nucleus. Vesicular glutamate transporter 2 mRNA-positive neurons were present in the ventral tegmental area, but not substantia nigra or retrorubral field. They were mainly confined to the rostro-medial region of the ventral tegmental area, and represented approximately 2-3% of the total neurons counted ( approximately 1600 cells). These results demonstrate that GABAergic and glutamatergic neurons represent large proportions of the neurons in what are traditionally considered as dopamine nuclei and that there are considerable heterogeneities in the proportions of cell types in the different dopaminergic midbrain regions.

The modulatory actions of dopamine on the flow of cortical information through the basal ganglia are mediated mainly through two subtypes of receptors, the D1 and D2 receptors. In order to examine the precise cellular and subcellular location of these receptors, immunocytochemistry using subtype specific antibodies was performed on sections of rat basal ganglia at both the light and electron microscopic levels. Both peroxidase and pre-embedding immunogold methods were utilized. Immunoreactivity for both D1 and D2 receptors was most abundant in the neostriatum where it was mainly contained within spiny dendrites and in perikarya. Although some of the immunoreactive perikarya had characteristics of interneurons, most were identified as medium-sized spiny neurons. Immunoreactivity for D1 receptor but not D2 receptor was associated with the axons of the striatonigral pathway and axons and terminals in the substantia nigra pars reticulata and the entopeduncular nucleus. In contrast, D2 immunoreactivity but not D1 immunoreactivity was present in the dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta and ventral pars reticulata. In the globus pallidus, little immunoreactivity for either D1 or D2 receptor was detected. At the subcellular level, D1 and D2 receptor immunoreactivity was found to be mainly associated with the internal surface of cell membranes. In dendrites and spines immunoreactivity was seen in contact with the membranes postsynaptic to terminals forming symmetrical synapses and less commonly, asymmetrical synapses. The morphological features and membrane specializations of the terminals forming symmetrical synapses are similar to those of dopaminergic terminals previously identified by immunocytochemistry for tyrosine hydroxylase. In addition to immunoreactivity associated with synapses, a high proportion of the immunoreactivity was also on membranes at non-synaptic sites. It is concluded that dopamine receptor immunoreactivity is mainly associated with spiny output neurons of the neostriatum and that there is a selective association of D1 receptors with the so-called direct pathway of information flow through the basal ganglia, i.e. the striatoentopeduncular and striatonigral pathways. Although there is an association of receptor immunoreactivity with afferent synaptic inputs a high proportion is located at extrasynaptic sites.

The precise localization of D1 and D2 dopamine receptors within striatal neurons and circuits is crucial information for further understanding dopamine pharmacology. We have used subtype specific polyclonal and monoclonal antibodies against D1 and D2 dopamine receptors to determine their cellular and subcellular distributions, their colocalization, and their differential connectivity with motor cortical afferents labeled either by lesion-induced degeneration or by anterograde transport of biotinylated dextrans. D1 and D2 are primarily expressed in medium-sized neurons and spiny dendrites. Axon terminals containing D1 were rare whereas D2-immunoreactive axon terminals forming symmetrical synapses with dendrites and spines were common. In 2 microns sections, D1 was localized to 53% of neurons, and D2 to 48% of neurons, while mixing D1 and D2 antibodies labeled 78%. By electron microscopy, D1 was localized to 43% of dendrites and 38% of spines while D2 was localized to 38% of dendrites and 48% of spines. Combining D1 and D2 antibodies resulted in the labeling of 88.5% of dendrites and 92.6% of spines. Using different chromogens for D1 and D2, colocalization was not observed. Ipsilateral motor corticostriatal afferents were primarily axospinous and significantly more synapsed with D1 than D2-positive spines (65% vs 47%). Contralateral motor corticostriatal afferents were frequently axodendritic and no difference in their frequency of synapses with D1 and D2 dendrites and spines was observed. These findings demonstrate differential patterns of expression of D1 and D2 receptors in striatal neurons and axon terminals and their differential involvement in motor corticostriatal circuits.

The subthalamic nucleus–globus pallidus network plays a central role in basal ganglia function and dysfunction. To determine whether the relationship between activity in this network and the principal afferent of the basal ganglia, the cortex, is altered in a model of Parkinson's disease, we recorded unit activity in the subthalamic nucleus–globus pallidus network together with cortical electroencephalogram in control and 6-hydroxydopamine-lesioned rats under urethane anaesthesia. Subthalamic nucleus neurones in control and 6-hydroxydopamine-lesioned animals exhibited low-frequency oscillatory activity, which was tightly correlated with cortical slow-wave activity (∼1 Hz). The principal effect of dopamine depletion was that subthalamic nucleus neurones discharged more intensely (233% of control) and globus pallidus neurones developed low-frequency oscillatory firing patterns, without changes in mean firing rate. Ipsilateral cortical ablation largely abolished low-frequency oscillatory activity in the subthalamic nucleus and globus pallidus. These data suggest that abnormal low-frequency oscillatory activity in the subthalamic nucleus–globus pallidus network in the dopamine-depleted state is generated by the inappropriate processing of rhythmic cortical input. A component (15–20%) of the network still oscillated following cortical ablation in 6-hydroxydopamine-lesioned animals, implying that intrinsic properties may also pattern activity when dopamine levels are reduced. The response of the network to global activation was altered by 6-hydroxydopamine lesions. Subthalamic nucleus neurones were excited to a greater extent than in control animals and the majority of globus pallidus neurones were inhibited, in contrast to the excitation elicited in control animals. Inhibitory responses of globus pallidus neurones were abolished by cortical ablation, suggesting that the indirect pathway is augmented abnormally during activation of the dopamine-depleted brain. Taken together, these results demonstrate that both the rate and pattern of activity of subthalamic nucleus and globus pallidus neurones are altered profoundly by chronic dopamine depletion. Furthermore, the relative contribution of rate and pattern to aberrant information coding is intimately related to the state of activation of the cerebral cortex.

Immunocytochemistry with a monoclonal antibody against choline acetyltransferase has been used to characterise cholinergic neurons in the rat neostriatum. The light microscopic morphology, ultrastructure and synaptic input of these neurons was compared to that of the three types of large neuron found in Golgi preparations of the striatum. The cholinergic neurons are large and have long infrequently branching dendrites. Two of the immunoreactive neurons were also Golgi-impregnated and showed characteristics of the "classical" large neurons of the striatum. Examination in the electron microscope revealed that the synaptic input to perikarya and proximal dendrites is sparse, thus distinguishing them from another large type of neuron, found in the ventral regions of the striatum, whose dendrites and perikarya are ensheathed in synaptic boutons. It is concluded that one of the three morphologically distinguishable classes of large neuron in the striatum is a cholinergic neuron.

Abstract Following the injection of horseradish peroxidase into the ipsilaeral substantia nigra, 36 retrogradely labelled neurons in the striatum were characterized (in three rats) by Golgi staining and gold toning: each neuron was of the medium‐size, densely spinous type. Prior to the injection of horseradish peroxidase, two of the rats had had lesions placed in the ipsilateral motor cortex, the third rat had had a lesion placed in the ipsilateral frontal and prefrontal cortex. In the electron microscope, degenerating boutons of cortical neurons were found in asymmetrical synaptic contact with the spines of proximal and distal dendrites of all six of the identified striatonigral neurons that were studied. Some of the degenerating boutons were small (diameter 0.1–0.3 μ), while others were larger (1–2 μ). An individual dendrite of a striatonigral neuron was in synaptic contact with very few degenerating boutons Local axon collaterals im the striatum could be traced from two of the identified striatonigral neurons that received degenerating cortical boutons. These were studied in the electron microscope; their boutons formed symmetrical synapses with spines or dendritic shafts of other striatal neurons. The synaptic boutons contained large, clear, round and pleomorphic vesicles. The postsynaptic targets of these boutons morphologically resemble the dendrites of medium‐size spiny neurons It is concluded that afferents from the cortex make monosynaptic contact with the dendritic spines of medium‐size spiny striatonigral neurons and that such neurons have local axon collaterals in the striatum that form synapses with other spiny neurons.

In the subthalamic nucleus (STN) of Parkinson's disease (PD) patients, a pronounced synchronization of oscillatory activity at beta frequencies (15-30 Hz) accompanies movement difficulties. Abnormal beta oscillations and motor symptoms are concomitantly and acutely suppressed by dopaminergic therapies, suggesting that these inappropriate rhythms might also emerge acutely from disrupted dopamine transmission. The neural basis of these abnormal beta oscillations is unclear, and how they might compromise information processing, or how they arise, is unknown. Using a 6-hydroxydopamine-lesioned rodent model of PD, we demonstrate that beta oscillations are inappropriately exaggerated, compared with controls, in a brain-state-dependent manner after chronic dopamine loss. Exaggerated beta oscillations are expressed at the levels of single neurons and small neuronal ensembles, and are focally present and spatially distributed within STN. They are also expressed in synchronous population activities, as evinced by oscillatory local field potentials, in STN and cortex. Excessively synchronized beta oscillations reduce the information coding capacity of STN neuronal ensembles, which may contribute to parkinsonian motor impairment. Acute disruption of dopamine transmission in control animals with antagonists of D(1)/D(2) receptors did not exaggerate STN or cortical beta oscillations. Moreover, beta oscillations were not exaggerated until several days after 6-hydroxydopamine injections. Thus, contrary to predictions, abnormally amplified beta oscillations in cortico-STN circuits do not result simply from an acute absence of dopamine receptor stimulation, but are instead delayed sequelae of chronic dopamine depletion. Targeting the plastic processes underlying the delayed emergence of pathological beta oscillations after continuing dopaminergic dysfunction may offer considerable therapeutic promise.

Evidence derived from many experimental approaches indicates that cholinergic neurons in the dorsal striatum (caudate-putamen) are responsive to excitatory amino acids. Furthermore, evidence from physiological experiments indicate that the excitatory input is derived from the cortex and/or the thalamus. The object of the present experiment was to anatomically test whether cholinergic neurons receive cortical and/or thalamic input in the dorsal striatum using a combined anterograde tracing and immunocytochemical approach at both the light- and electron-microscopic levels. Rats received injections of the anterograde tracers Phaseolus vulgaris-leucoagglutinin or biocytin at multiple sites in the frontal cortex or parafascicular nucleus of the thalamus. Sections of the striatum were stained to reveal the anterogradely transported markers and then immunostained to reveal choline acetyltransferase immunoreactivity. The striata of these animals contained dense networks of anterogradely labelled fibres that were dispersed throughout the neuropil and interspersed with the choline acetyltransferase-immunoreactive (i.e. cholinergic) perikarya and dendrites. The anterogradely labelled fibres were often closely apposed to the choline acetyltransferase-immunoreactive neurons. Examination of electron-microscopic sections failed to demonstrate cortical terminals in synaptic contact with the cholinergic neurons even when choline acetyltransferase-immunoreactive structures were examined that had first been identified in the light microscope as having cortical terminals closely apposed to them. In these cases it was often observed that the cortical terminal, although apposed to the membrane of the labelled neurone, made synaptic contact with an unlabelled spine that was in the vicinity. In contrast to the cortical input, analysis of material that was double-stained to reveal thalamostriatal terminals and choline acetyltransferase-immunoreactive structures, revealed that the thalamostriatal terminals were often in asymmetrical synaptic contact with the perikarya and dendrites of cholinergic neurons. It is concluded that the cholinergic neurons of the dorsal striatum, like those of the ventral striatum or nucleus accumbens [Meredith and Wouterlood (1990) J. comp. Neurol. 296, 204–221] receive very little or no input from the cortex but are under a prominent synaptic control by the thalamostriatal system. Those pharmacological effects of excitatory amino acids on the cholinergic systems of the striatum are therefore presumably related to the thalamostriatal and not the corticostriatal system.

Inappropriately synchronized beta (beta) oscillations (15-30 Hz) in the subthalamic nucleus (STN) accompany movement difficulties in idiopathic Parkinson's disease (PD). The cellular and network substrates underlying these exaggerated beta oscillations are unknown but activity in the external globus pallidus (GP), which forms a candidate pacemaker network with STN, might be of particular importance. Using a clinically relevant rat model of PD, we demonstrate that oscillatory activity in GP neuronal networks becomes excessively and selectively synchronized at beta frequencies in a spatially widespread and brain state-dependent manner after lesion of dopamine neurons. Although synchronization of GP unit activity increased by almost 100-fold during beta oscillations, the mean firing rate of GP neurons decreased compared with controls. Importantly, in parkinsonian animals, two main types of GP neuron were identified according to their distinct and inversely related firing rates and patterns. Moreover, neurons of the same type tended to fire together, with small phase differences, whereas different types of neuron tended not to do so. This functional dichotomy in temporal coupling persisted across extreme brain states, suggesting that maladaptive interactions are dominated by hardwiring. Finally, the precisely timed discharges of GP and STN neurons indicated that rhythmic sequences of recurrent excitation and inhibition in the STN-GP network, and lateral inhibition between GP neurons, could actively support abnormal beta oscillations. We propose that GP neurons, by virtue of their spatiotemporal synchronization, widespread axon collaterals and feed-back/feed-forward mechanisms, are well placed to orchestrate and propagate exaggerated beta oscillations throughout the entire basal ganglia in PD.