Adult hippocampal neural plasticity: insights into its functional relevance in the stressed and depressed brain

Abstract

A fundamental hallmark of modern neuroscience lies on the realization that, similarly to what happens in other tissues of our body, the adult mammalian central nervous system is endowed with considerable regenerative potential. This regenerative capacity is reflected in cellular processes defining the so-called neural plasticity, which include rapid and dynamic axo-dendritic remodelling of post-mitotic cells, as well as the ability of restricted brain regions to persistently generate new neuronal and glial cells, a process known as neuroand gliogenesis, respectively. Together, neural plasticity confers to the mammalian brain a wide adaptive capability to redefine neuro-glial circuits, in response to every-day-life experiences and challenges. Reflecting the plastic nature of the adult brain, the hippocampus harbors different forms of neural plasticity, which have been implicated in different cognitive and emotional functions. Indeed, besides exhibiting forms of functional and structural dendritic plasticity, the hippocampus constitutes one of the two adult brain regions in which neurons are continuously generated throughout life. The importance of hippocampal neural plasticity extends beyond basal physiological contexts, as it serves as a pathological target in different neurological and psychiatric diseases. In particular, the hippocampus is considered a major gateway for the translation of the systemic stress-response into deleterious effects on neural plasticity, that are also included in the pathophysiology of diseases in which stress has a major etiological role, such as depression. In fact, not only has depression been linked to impoverished neuronal dendritic arborization and reduced cytogenesis within the hippocampus, but, also, antidepressant therapeutical efficacy has been suggested to be associated with the ability to reverse the aforementioned plastic alterations. Even so, the specific contribution of different forms of hippocampal plasticity in the onset and recovery from depression remains highly controversial. Following the initial reports claiming that hippocampal cytogenesis was fundamental to the antidepressant action, we and others have reported that the short-term improving actions of antidepressants depended on dendritic remodeling, rather than on cytogenesis. However, the longitudinal course of depression, as well as the full extent of the cytogenic process have often been neglected, since several studies have focused their analysis shortly after cytogenesis ablation, when newborn cells were yet to be fully differentiated and integrated in pre-existing circuits. In the work comprised in this thesis, we have arrested adult cytogenesis in naïve animals through the administration of the cytostatic agent methylazoxymethanol (MAM) and analyzed the long-term behavioral consequences four weeks after. Cytogenesis ablation was sufficient to induce core symptoms of depression, such as anhedonic behavior, as well as other behavioral traits known to be highly comorbid in depressive patients, namely heightened anxiety and cognitive impairments. Moreover, work with a genetic model of cytogenesis ablation, the glial acidic fibrillary protein (GFAP) - tyrosine kinase (Tk) rat, revealed a time-dependent manifestation of behavioral impairments following cytogenesis ablation. Analysis conducted immediately after ablation in GFAP-Tk animals showed that while cytogenesis suppression can elicit short-term anxiety-like behavior, no alterations were produced in hedonic behavior or cognitive performance. Contrastingly, when conducting behavioral analysis 4 weeks post-ablation, the already present anxiety traits were accompanied with anhedonic behavior, as well as cognitive deficits related with spatial reference memory, behavioral flexibility, contextual fear memory and pattern separation. Interestingly, animals with ablated cytogenesis displayed impaired electrophysiological communication between the hippocampus and the prefrontal cortex, possibly contributing to the described behavioral alterations. Besides exploring the effects of cytogenesis ablation on the precipitation of depressive-like phenotype, we sought to analyze the importance of adult cytogenesis to the long-term spontaneous and antidepressant-induced behavioral recovery. Hence, we have submitted young-adult rats to an unpredictable chronic mild stress (uCMS) protocol to induce core symptom of depressive-like behavior. During the last two weeks of uCMS, animals were treated with the antidepressants fluoxetine and imipramine, either alone or coadministered with MAM, and allowed to recover during the four subsequent weeks. The long-term behavioral profile of rats suggests that ongoing cytogenesis is essential for long-term recovery from some emotional deficits (anhedonia and anxiety-like signs) and cognitive impairments (working memory and behavioral flexibility). Furthermore, fluoxetine and imipramine antidepressants promoted the generation of new hippocampal cells that, are able to survive and successfully integrate the pre-existing circuits, counteracting the deleterious effects induced by cytogenesis arrest. Finally, and in light of evidence linking epigenetic DNA methylation with the pathophysiology of depression, we sought to explore whether the recently described pathway of DNA demethylation could be modulated by stress and antidepressant therapy and therefore participate in the pathology of the disease. We have detected decreased levels of DNA hydroxymethylation in the dorsal, but not in the ventral, hippocampus, which was correlated with decreased expression of tet3 in the same region. Strikingly, monoaminergic antidepressants were able to revert these alterations. The dichotomy dorsal vs ventral is also evident in the pattern of genomic locci differentially hydroxymethylated by stress and antidepressants that differs between the dorsal and ventral hippocampal poles.

Uma característica fundamental que timbra aquilo que é a neurociência moderna relaciona-se com facto de reconhecermos que, à semelhança do que acontece noutros tecidos do nosso corpo, o sistema nervoso central é dotado de um considerável potencial regenerativo. Esta capacidade regenerativa reflete-se em processos celulares que definem a chamada plasticidade neural, dentro da qual se incluem a rápida remodelação axo-dendrítica de células pós-mitóticas, assim como a capacidade de áreas restritas do cérebro gerarem continuamente novas células neuronais e gliais, processo este conhecido por neuro- ou gliogénese, respectivamente. Em conjunto, os fenómenos neuroplásticos conferem ao cérebro mamífero uma vasta capacidade adaptativa na redefinição de circuitos neuro-gliais, em resposta às experiências e desafios do nosso quotidiano. Em particular, o hipocampo assume um papel preponderante na translação da resposta sistémica ao stress em efeitos deletérios ao nível da plasticidade neural. Assim, este comprometimento de diferentes formas de plasticidade neural integra, pois, a patofisiologia de doenças nas quais o stress é um importante factor etiológico, como é o caso da depressão. De facto, a doença depressiva não só foi associada a defeitos atróficos na estrutura dendrítica e a citogénese diminuída no hipocampo, como também a eficácia dos fármacos antidepressivos foi relacionada com a capacidade destes de reverterem aqueles défices neuroplásticos. Contudo, a contribuição específica de diferentes formas de plasticidade hippocampal para o desenvolvimento e recuperação da doença depressiva permanece altamente controversa. Após estudos pioneiros que reportaram que a citogénese hipocampal seria fundamental para a acção dos fármacos antidepressivos, nós demonstrámos que os efeitos terapêuticos a curto-prazo destas drogas dependia antes da remodelação dendrítica, em detrimento do processo citogénico. No entanto, o curso longitudinal da depressão, assim como a completa extensão do processo citogénico têm vindo a ser largamente negligenciados, uma vez que vários estudos focaram a sua análise pouco tempo após a conclusão do tratamento cito-ablativo, numa altura em que as células que seriam formadas teriam ainda que completar o seu processo de maturação e integração nos circuitos pré-existentes. No trabalho que constitui a presente tese, promovemos a ablação da citogénese adulta em animais naíve mediante a administração do agente citostático metilazoximetanol (MAM) e analisámos as consequências a longo-prazo no perfil comportamental dos animais. A ablação da citogénese revelou-se suficiente para induzir sintomas cardinais da doença depressiva, como é o caso de comportamento anedónico, assim como outros traços comportamentais descritos como comorbilidades frequentes em doentes depressivos, nomeadamente manifestações de ansiedade e défices cognitivos. A utilização de um segundo modelo genético de ablação de citogénese, ratos glial acidic fibrillary protein (GFAP)-tyrosine kinase (Tk), revelou o desenvolvimento tempo-dependente de défices comportamentais após ablação. Análises efectuadas imediatamente após ablação em animais GFAP-Tk, revelaram que a supressão da citogénese induz a exacerbação de comportamento ansioso a curto-prazo, não se tendo verificado alterações hedónicas ou na performance cognitiva. Em contraste, quando realizada a análise 4 semanas após a ablação citogénica, ao comportamento ansioso associavam-se também anedonia e défices ao nível da memória espacial, flexibilidade comportamental, memória emocional e em tarefas de pattern separation. Animais com citogénese suprimida revelaram défices na comunicação electrofisiológica entre o hipocampo e o córtex prefrontal, o que poderá contribuir para as alterações comportamentais identificadas. Para além do estudo dos efeitos da ablação da citogénese na precipitação do fenótipo depressivo, procurámos ainda analisar a importância da citogénese adulta na recuperação deste fenótipo a longo-prazo, quer espontânea, quer induzida por fármacos antidepressivos. Submetemos ratos adultos ao protocolo de stress crónico imprevisível (uCMS) afim de induzirmos sintomas cardinais da doença depressiva. Durante as últimas 2 semanas de uCMS, os animais foram tratados com os antidepressivos fluoxetina e imipramina, quer isoladamente quer em co-tratamento com metilazoximetanol (MAM) e foram deixados a recuperar durante 4 semanas. O perfil comportamental dos animais sugere que a citogénese adulta é essencial para a recuperação a longo-prazo de défices emocionais (anedonia e comportamento ansioso) e cognitivos (memória de trabalho e flexibilidade comportamental). O tratamento com fluoxetina e imipramina promoveu a geração de novas células hipocampais que se revelaram capazes de sobreviver e integrar nos circuitos pré-existentes, revertendo os efeitos deletérios provocados pela supressão citogénica. Finalmente, à luz da evidência existente que estabelece uma associação entre a metilação do DNA e patofisiologia da depressão, explorámos se a recém descrita via de desmetilação do DNA poderia ser modelada pelo stress e tratamento antidepressivo e assim participar na patologia da doença depressiva. Detectámos um decréscimo nos níveis de hidroximetilação do DNA no hipocampo dorsal, mas não no ventral, que se correlacionava com uma diminuição na expressão de tet3 na mesma região. Importa notar que antidepressivos monoaminérgicos se revelaram capazes de reverter as alterações mencionadas. A dicotomia dorsal vs ventral parece ser também aqui evidente, uma vez que o padrão de locci genómicos que se detectaram ser diferencialmente hidroximetilados pelo stress e tratamento antidepressivo diferiam entre os pólos dorsal e ventral do hipocampo.