Neuron-astrocyte interactions in complex cognitive functions

Abstract

Since the arousal of the “glia” concept, 150 years ago, the knowledge on the features of glial cells, especially astrocytes, has been dramatically evolving. These star-shaped cells that lack axons not only participate in brain metabolism, supporting neuronal activity, but also can modulate the neurotransmission by modulating synapses. From taking part in the “tripartite synapse” to the astrocytic excitability - based on intracellular Ca2+ increases - and gliotransmission, astrocytes have been given the relevance that raises the idea that such glial modulation at cellular level should have greater implications in higher brain functions. However, these remarkable astrocytic features, as well as its influence in modulation of behaviour outputs, are still under-explored. In the attempt to contribute to the progress of our knowledge on these cells purpose in the brain, we decided to investigate the astrocytic component of the neuron-astrocyte interactions in complex cognitive processes that rely on the prefrontal cortex, analysing the behavioural performance of two animal models of astrocytic pathology. For that purpose, we implemented a rat model of pharmacological astrocytic ablation in the medial prefrontal cortex, through bilateral intracranial injections of the gliotoxin L-α-aminoadipate, and the transgenic dnSNARE mouse model, that displays conditional blockade of gliotransmitters vesicular release in astrocytes. From the behaviour assessment of the rats subjected to the bilateral intracranial injections of L-α-aminoadipate we could conclude that the astrocytic ablation in the medial prefrontal cortex affects the attentional set-shifting, the working memory and the reversal learning. Microscope analysis of brain sections of the gliotoxin-injected animals revealed that astrocyte depleted regions were confined to the prelimbic and cingulate cortex, where the neuronal population was not affected. The genetic mouse model of conditional blockade of vesicular release in astrocytes was characterised in a more extensive way. We show here that these animals do not display anxious phenotype or have locomotor difficulties. Most importantly dnSNARE animals have shown impaired spatial reference memory (hippocampusdependent) and improved working memory, but normal reversal learning (prefrontal cortexdependent functions). Both astrocytes and gliotransmission seem to be crucial for cognitive computation and may represent a new window of understanding of brain function that urges to be clarified in terms of cellular pathways and biochemical mechanisms. The successful implementation of both animal models of differential astrocytic pathology, at the ICVS will allow further studies in our lab. Despite our interesting results additional studies are required to help the elucidation of the mechanisms involved, such as using electrophysiological and neurochemical techniques to understand how brain dynamic is altered, either in healthy or in pathological states.

Desde há 150 anos, quando surgiu o conceito de “glia”, que o conhecimento das funções das células da glia, especialmente dos astrócitos, tem vindo a evoluir drasticamente. Estas células em forma de estrela e sem axónios, não só participam no metabolismo de cérebro como também contribuem para uma boa actividade neuronal, modelando até a actividade sináptica e o fluxo de neurotransmissores. Por fazerem parte da “sinapse tripartida”, exibirem uma forma de excitabilidade - baseada em elevações de Ca2+ intracelulares - e realizarem gliotransmissão, os astrócitos têm recebido a relevância que levanta a questão de que tais células poderão ter maiores implicações nas funções cerebrais. Contudo, estas características notáveis bem como a sua influência na modulação do comportamento não estão ainda clarificadas. Por isso, na tentativa de contribuir para o progresso do nosso conhecimento acerca da função destas células no cérebro, decidimos investigar a componente astrocítica nas interacções neurónio-astrócito no contexto das funções cognitivas complexas dependentes do córtex pré-frontal, analisando a performance comportamental de dois modelos animais de patologia astrocítica: um modelo de rato na qual provocámos a ablação de astrócitos no córtex pré-frontal medial, através de injecções bilaterais intracranianas da gliotoxina L-α-aminoadipato; e um modelo genético em ratinho, dnSNARE, que exibe um bloqueio condicional da libertação vesicular de gliotransmissores nos astrócitos. Da análise comportamental do modelo de rato, concluímos que a ablação de astrócitos no córtex pré-frontal medial afecta o attentional set-shifting, a memória de trabalho e a aprendizagem reversa. A análise microscópica de secções de cérebro dos ratos injectados com a gliotoxina revelou que as regiões de ablação astrocítica estavam confinadas ao córtex prélímbico e córtex cingulado, onde a população neuronal não estava afectada. Uma caracterização mais extensiva do modelo de ratinhos dnSNARE revelou que estes animais não exibem fenótipo ansioso nem défices de locomoção, mas demostram défices na memória de referência espacial (dependente do hipocampo), memória de trabalho melhorada e aprendizagem reversa normal (funções dependentes do córtex pré-frontal). Tanto os astrócitos como apenas a gliotransmissão aparentam ser cruciais para a computação cognitiva e representam uma nova janela de conhecimento que urge ser clarificada em termos de vias celulares e mecanismos bioquímicos. Apesar dos resultados interessantes já obtidos com a implementação já bem sucedida destes modelos animais no ICVS, são necessários estudos mais aprofundados para ajudar na elucidação dos mecanismos envolvidos. Acreditamos que o recurso a técnicas de electrofisiologia e neuroquímica permitirá uma melhor compreensão de como o cérebro está alterado, quer em condição de saúde ou doença.