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https://hdl.handle.net/1822/55020
Título: | The influence of gliotransmission on higher cognitive functions |
Outro(s) título(s): | A influência da gliotransmissão sobre as funções cognitivas superiores |
Autor(es): | Sardinha, Vanessa Alexandra Morais |
Orientador(es): | Oliveira, João F. Sousa, Nuno |
Data: | 1-Fev-2018 |
Resumo(s): | In recent years, the understanding of synaptic modulation by neuron-astrocyte interactions has
evolved considerably, contributing to build up the concept of the “tripartite synapse”. This concept
is based on the dynamic dialogue between astrocytes and neurons that complements and
modulates the communication between pre- and post-synaptic structures. However, it remains
elusive how this interaction between neurons and astrocytes translates into network computation
of behavior. Astrocytes were described to release gliotransmitters (such as glutamate, GABA, ATP
or D-Serine) by means of several mechanisms, being exocytosis the more extensively studied. This
process is mediated by the vesicular machinery and SNARE complex formation between vesicles
and the target membrane, ultimately resulting in the release of the vesicular content. Transmitter
release is essential for astrocyte signaling and a disruption of this phenomenon is expected to
impact on the function of neuronal networks, with consequences for the computation of higher
brain functions. In this thesis, our main goal was to evaluate the influence of transmitter release
by astrocytes on brain circuits responsible for cognitive functions, such as learning and memory.
Throughout this work, we studied the transgenic dnSNARE mouse model that displays a conditional
blockade of transmitter release by exocytosis, selectively in astrocytes. This was achieved by
allowing the conditional expression of the dominant negative domain of vesicular SNARE protein
synaptobrevin II (dnSNARE), which interferes with the SNARE complex formation, impairing
vesicular release. Four weeks after the induction of transgene transcription, the levels of transgenic
protein reached its maximum. The dnSNARE transgenes are expressed exclusively by astrocytes
and display inter-subject variability. The quantification of dnSNARE transgene expression levels
allowed to discriminate high “expressor” subjects to be analyzed throughout.
Mice were first evaluated by performing in vivo electrophysiological recordings of local field
potentials from neuronal populations of cognitive related brain regions: dorsal hippocampus and
prefrontal cortex. This functional network evaluation was followed by a thorough assessment of
cognitive ability of these mice, by performing a battery of behavioral tests. These tests addressed
different cognitive tasks mainly dependent from the performance of the hippocampus-prefrontal
network. This functional assessment was complemented by a morphological characterization of
neurons and astrocytes to address structural correlates of network function. Our findings demonstrated a specific neural desynchronization in the theta rhythm between the
dorsal hippocampus and prefrontal cortex in the dnSNARE mice, without any alteration of levels of
neuronal activity. Moreover, the blockade of gliotransmitter release in astrocytes triggers a critical
cognitive impairment in tasks classically attributed to neuronal circuits of the hippocampusprefrontal
cortex network. More specifically, dnSNARE mice faced an increased difficulty when
performing in reference memory tasks of Morris water maze (MWM) and hole-board test (HB), and
revealed a clear deficit in tasks involving spatial recognition and long-term memory, such as the
novel object recognition (NOR) and two-trial place recognition (2TPR) tests. Further analysis of
electrophysiological recordings showed a direct correlation between the loss of theta coherence in
dorsal hippocampus-prefrontal link and poor consolidation of reference memory. The structure
evaluation of the dorsal hippocampus and prefrontal cortex revealed that the neuronal dendritic
trees appear to be intact in dnSNARE mice. However, astrocytes undergo drastic process atrophy,
specifically in GFAP+ cells that also express dnSNARE transgenes.
Interestingly, the intraperitoneal supplementation with the NMDAR co-agonist D-serine — that is
known to be released by exocytosis in astrocytes and to be significantly decreased in the brains of
dnSNARE mice — completely restored theta synchronization and rescued the learning and memory
deficits in transgenic mice.
In conclusion, this PhD thesis provides the evidence of a mechanism by which astrocytic signaling
is required for entrainment of distant cortico-limbic circuits, being mandatory for cognitive
performance. Moreover, our findings suggest that D-serine may be the gliotransmitter maintaining
the synchronization of the theta rhythm between these circuits required for learning and memory
consolidation. Further studies should be performed to unravel the astrocytic contribution to
different cognitive tasks, as well as the therapeutic potential of astrocyte signaling to the
development of new approaches to treat disorders of the central nervous system, characterized by
cognitive decline. Nos últimos anos, a compreensão da modulação sináptica através de interações neurónio-astrócito tem evoluído consideravelmente, contribuindo para o aparecimento do conceito da "sinapse tripartida". Este conceito é baseado no diálogo dinâmico entre astrócitos e neurónios que complementa e modula a comunicação entre as estruturas pré e pós-sinápticas. No entanto, continua por esclarecer de que forma essa interação entre neurónios e astrócitos se traduz na produção de comportamentos pelo cérebro. Os astrócitos libertam gliotransmissores (tais como glutamato, GABA, ATP ou D-serina) através de diversos mecanismos, sendo a exocitose o mais amplamente estudado. Este processo é mediado pela maquinaria vesicular e pela formação do complexo SNARE entre vesículas e a membrana alvo, resultando, em última instância, na libertação do conteúdo vesicular para o exterior. A libertação de transmissores é essencial para a sinalização dos astrócitos e seria de esperar que a interrupção desse fenómeno afectasse a função das redes neuronais, com consequências para a computação de funções cerebrais superiores. Assim, o principal objetivo deste trabalho foi avaliar a influência da libertação de transmissores pelos astrócitos nos circuitos cerebrais responsáveis pelas funções cognitivas, como a aprendizagem e o processamento de memória. Ao longo deste trabalho utilizámos o modelo de murganho transgénico dnSNARE que apresenta um bloqueio condicional da libertação de transmissores por exocitose, selectivamente em astrócitos. A ocorrência deste bloqueio é devida à expressão condicional do domínio negativo dominante da sinaptobrevina vesicular II (dnSNARE), que interfere com a formação do complexo SNARE e, consequentemente, com a libertação vesicular. O transgene atinge o seu pico de expressão quatro semanas após a indução da sua expressão. A mesma é exclusiva dos astrócitos e apresenta variabilidade entre indivíduos. A quantificação da expressão do transgene dnSNARE permitiu identificar os animais com níveis elevados de expressão transgénica, que foram utilizados ao longo do trabalho para comparação com os respectivos controlos. Os murganhos dnSNARE, e respectivos controlos, foram primeiramente avaliados através da realização de registos electrofisiológicos de potenciais de campo locais, in vivo, de populações neuronais de regiões do cérebro implicadas na função cognitiva: o hipocampo e o córtex préfrontal. Esta análise funcional da integridade da rede foi complementada com uma avaliação completa da capacidade cognitiva destes animais, procedendo-se para esse fim, à realização de uma bateria de testes comportamentais. Os testes utilizados abrangiam diferentes funções, principalmente dependentes do desempenho da rede hipocampo–cortex pré-frontal. Além desta caracterização funcional, procedeu-se ainda a uma caracterização morfológica de neurónios e astrócitos, com o intuito de avaliar possíveis correlatos estruturais das funções da rede. Os resultados principais desta tese demonstram uma desincronização neuronal específica no ritmo teta, entre o hipocampo dorsal e o córtex pré-frontal em murganhos dnSNARE, sem qualquer alteração dos níveis basais de atividade neuronal. Além disso, o bloqueio da libertação de gliotransmissores em astrócitos desencadeia um défice cognitivo severo em tarefas classicamente atribuídas aos circuitos neuronais do hipocampo dorsal e do córtex pré-frontal. Mais especificamente, os murganhos dnSNARE enfrentaram uma maior dificuldade na realização de tarefas de memória de referência no teste da pisicna de Morris (MWM) e no teste do Hole-Board (HB). Estes animais revelaram ainda um claro défice em tarefas que envolviam o reconhecimento espacial e memória de longo prazo nos testes de reconhecimento de novos objectos (NOR) e espaços (2TPR). Análises adicionais de registros electrofisiológicos mostraram a existência de uma correlação significativa entre a perda de coerência teta na ligação hipocampo dorsal-cortex préfrontal e a consolidação de memória de referência. A análise estrutural do hipocampo dorsal e do córtex pré-frontal revelou que a estrutura neuronal permance intacta nos murganhos dnSNARE. No entanto, os astrócitos GFAP-positivos que também expressam transgenes dnSNARE parecem sofrer uma drástica atrofia. Curiosamente, a suplementação intraperitoneal com D-serina – um co-agonista dos receptores NMDA, libertado por exocitose nos astrócitos e significativamente diminuído nos cérebros de murganhos dnSNARE – restaurou completamente a sincronização em teta e, recuperou os défices de aprendizagem e memória nos mesmos animais. Em conclusão, esta tese de doutoramento apresenta resultados relativos à evidência de um mecanismo pelo qual a sinalização astrocítica é necessária para o estabelecimento da comunicação entre circuitos cortico-límbicos distantes, revelando a sua importância para o desempenho cognitivo. Estes resultados sugerem que a D-serina pode ser o gliotransmissor responsável pela sincronização do ritmo teta entre os circuitos necessários para os processos de aprendizagem e consolidação de memória. Estudos adicionais deverão ser realizados para dissecar a contribuição astrocítica para outras tarefas cognitivas e, para avaliar o potencial terapêutico da sinalização de astrócitos para o desenvolvimento de novas abordagens, capazes de tratar distúrbios do sistema nervoso central caracterizados pelo declínio cognitivo. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Tese de Doutoramento em Ciências da Saúde |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/55020 |
Acesso: | Acesso aberto |
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