The role of inhibition in behavior and physiology of mouse cerebral cortex
Ο προμετωπιαίος φλοιός συμμετέχει σε ανώτερες γνωσιακές λειτουργίες (λειτουργίες βραχύχρονης και μακρόχρονης μνήμης) αλλά και σε συναισθηματικές λειτουργίες. Αν και η ηλικία φαίνεται να παίζει πολύ σημαντικό ρόλο και στην φυσιολογική λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού αλλά και στην εμφάνιση ασθενειών, λίγα είναι γνωστά για τις ηλικιο-εξαρτώμενες αλλαγές των συμπεριφορών όπου συμμετέχει ο προμετωπιαίος φλοιός αλλά και για τους υποκείμενους κυτταρικούς μηχανισμούς. Προηγούμενες μελέτες, κυρίως βασιζόμενες στην μορφολογία των δενδριτών, έχουν προτείνει ότι αυτή η ανώτερης-τάξης εγκεφαλική περιοχή παρουσιάζει καθυστερημένη ανάπτυξη, συγκρινόμενη με πρωτοταγείς αισθητικές φλοιϊκές περιοχές, η οποία διαρκεί μέχρι και την πρώιμη ενηλικίωση. Η κατανόηση της μεταγεννητικής ανάπτυξης του προμετωπιαίου φλοιού είναι κρίσιμη προκειμένου να βελτιώσουμε ριζικά την κατανόηση της εγκεφαλικής λειτουργίας και της συμπεριφοράς όσο και το υπόστρωμα εκκίνησης ολέθριων νευροψυχιατρικών διαταραχών στης οποίες συμμετέχει ο προμετωπιαίος φλοιός. Ο προμετωπιαίος φλοιός, παρόμοια με άλλες περιοχές του φλοιού, αποτελείται από γλουταματεργικούς διεγερτικούς νευρώνες και GABAεργικούς ανασταλτικούς διάμεσους νευρώνες. Η ισορροπία μεταξύ αυτών των δύο συστημάτων απαιτείται για την ορθή λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού. Πρόσφατα, ο ρόλος του GABAεργικού συστήματος συσχετίστηκε έντονα με πιθανή ανισορροπία μεταξύ των δύο συστημάτων, που τελικά οδηγεί σε παθολογικές καταστάσεις. Ο στόχος μας σε αυτή τη διατριβή ήταν διπλός. Αρχικά, θελήσαμε να κατανοήσουμε καλύτερα την μεταγεννητική ανάπτυξη του προμετωπιαίου φλοιού και δεύτερον, να μελετήσουμε της αλλαγές στην συμπεριφορά του προμετωπιαίου φλοιού και στους υποκείμενους κυτταρικούς μηχανισμούς σε περιπτώσεις μειωμένης GABAεργικής αναστολής. Τα αποτελέσματα μας παρουσιάζονται σε τρία κεφάλαια. Στο κεφάλαιο Ι, χρησιμοποιήσαμε μία διεπιστημονική προσέγγιση που περιελάμβανε κυτταρικές, ηλεκτροφυσιολογικές και συμπεριφορικές τεχνικές σε διαφορετικές ηλικιακές ομάδες μυών για να κατανοήσουμε καλύτερα την ανάπτυξη του προμετωπιαίου φλοιού. Σε πολλές περιπτώσεις, πραγματοποιήθηκε και η σύγκριση με άλλες φλοιϊκές περιοχές. Διαπιστώνουμε μία διαφορετική έκφραση των διάφορων τύπων δενδριτικών ακάνθων σε πυραμιδικούς νευρώνες του προμετωπιαίου φλοιού μεταξύ των μυών που ανήκουν σε διαφορετικές ηλικιακές ομάδες. Συγκεκριμένα, οι «έφηβοι» πυραμιδικοί νευρώνες (ηλικίας 40 ημερών) παρουσιάζουν την μικρότερη πυκνότητα ακάνθων, με αυξημένο ποσοστό κοντόχοντρων (stubby) ακάνθων, ενώ στις ομάδες των «νεαρών» (ηλικίας 35 ημερών) και «πρώιμων ενήλικων» (ηλικίας 60 ημερών) πυραμιδικών νευρώνων παρουσιάζεται αυξημένος αριθμός δενδριτικών ακάνθων και συγκεκριμένα μανιταροειδών ακάνθων. Αυτό το αναπτυξιακό πρότυπο παρατηρήθηκε επίσης και στις ηλεκτροφυσιολογικές μας μελέτες, στις οποίες οι ηλικιακές ομάδες των «νεαρών» και «πρώιμων ενηλίκων» παρουσιάζουν αυξημένη μακρόχρονη ενδυνάμωση (long-term potentiation (LTP)) της συναπτικής διαβίβασης σε απόκριση τετανικού ερεθισμού, ενώ η ομάδα των «εφήβων» παρουσιάζει μειωμένη μακρόχρονη ενδυνάμωση. Τέλος, οι «έφηβοι» μύες έχουν μικρότερη απόδοση σε δοκιμές που εξαρτώνται από τον προμετωπιαίο φλοιό, όπως είναι η εναλλαγή βραχιόνων με καθυστέρηση στο λαβύρινθο τύπου Τ (T-maze) και στη συμπεριφορική δοκιμή αναγνώρισης αντικειμένων με χρονική σειρά, χωρίς να παρουσιάζουν αντίστοιχες διαφορές σε δοκιμές που δεν εξαρτώνται από τον προμετωπιαίο φλοιό, όπως είναι η δοκιμή αναγνώρισης νέου αντικειμένου (novel object recognition task) και νέας θέσης αντικειμένου (object-to-place recognition task). Στο κεφάλαιο ΙΙ, μελετήσαμε τον ρόλο της μειωμένης αναστολής στην φυσιολογία του προμετωπιαίου φλοιού και στην συμπεριφορά μυών, χρησιμοποιώντας τo διαγονιδιακό ποντίκι Rac1 conditional knockout (Rac1 cKO) που διαθέτει ~50% λιγότερους φλοιϊκούς διάμεσους νευρώνες εξαιτίας της απώλειας της πρωτεΐνης Rac1 από κύτταρα που εκφράζουν τον μεταγραφικό παράγονται Nkx2.1. Βρίσκουμε ότι τα ενήλικά Rac1 cKO παρουσιάζουν αυξημένη ευπάθεια σε φαρμακολογικά επαγόμενες επιληπτικές κρίσεις αλλά και αυξημένο άγχος. Σε κυτταρικό επίπεδο, τα Rac1 cKO παρουσιάζουν διαταραγμένη βραχύχρονη και μακρόχρονη πλαστικότητα (LTP) στον προμετωπιαίο φλοιό. Αλλαγές στην δενδριτική μορφολογία, όπως η μείωση των μανιταροειδών δενδριτικών ακάνθων και το μειωμένο μήκος των δενδριτών, θα μπορούσαν να υπόκεινται στη μείωση του LTP των Rac1 cKO. Σε τομές εγκεφάλου από Rac1 cKO, η ενίσχυση της GABAεργικής νευροδιαβίβασης με τη χρήση ήπιας δόσης διαζεπάμης ήταν επαρκής για την διάσωση του διαταραγμένου LTP. Τα παραπάνω ευρήματα μας οδήγησαν στην υπόθεση ότι το δίκτυο του προμετωπιαίου φλοιού των Rac1 cKO μυών παρουσιάζει μία ανισορροπία διέγερσης και αναστολής, που προκαλείται από την απορύθμιση του γλουταματεργικού συστήματος σε απόκριση της λειτουργικής μείωσης του GABAεργικού συστήματος, που τελικά έχουν ως αποτέλεσμα το αυξημένο άγχος και την ευαισθησία σε επιληπτικές κρίσεις. Μελετήσαμε επίσης και τους νεαρούς Rac1 cKO μύες που παρουσιάζουν μειωμένο άγχος και αυξημένη επαγωγή LTP μετά από τετανικό ερεθισμό, με μία υποκείμενη αύξηση του αριθμού των δενδριτικών ακάνθων σε σύγκριση με τα Rac1 Het (ετερόζυγα) ποντίκια, τα οποία χρησιμοποιούνται ως ομάδα ελέγχου. Τέλος, η οξεία ή χρόνια αναστολή του GABAεργικού συστήματος στα Rac1 Het ποντίκια με πικροτοξίνη επίσης διατάραξε το LTP στον προμετωπιαίο φλοιό. Τα αποτελέσματα μας προτείνουν ότι η κατάλληλη και επαρκής αναστολή κατά τη διάρκεια της παιδικής ηλικίας είναι κρίσιμη για την φυσιολογική ανάπτυξη των συναπτικών ιδιοτήτων αλλά και της πλαστικότητας κατά μήκος της στιβάδας ΙΙ του προμετωπιαίου φλοιού, όπως και την ανάπτυξη της φυσιολογικής συμπεριφοράς και των γνωσιακών λειτουργιών. Στο κεφάλαιο ΙΙΙ, προσεγγίσαμε υπολογιστικά, με τη χρήση ενός μοντέλου μικροκυκλώματος του προμετωπιαίου φλοιού, την επίδρασης της μειωμένης GABAεργικής αναστολής στις ιδιότητες της παραμένουσας δραστηριότητας, που θεωρείται το κυτταρικό υπόβαθρο της μνήμης εργασίας στον προμετωπιαίο φλοιό. Γι’ αυτό, κατασκευάσαμε ένα μικροκύκλωμα του προμετωπιαίου φλοιού, που αποτελείται από μοντέλα πυραμιδικών νευρώνων και τα τρία διαφορετικά είδη διάμεσων νευρώνων: γρήγορης πυροδότησης (fast-spiking (FS)), κανονικής πυροδότησης (regular-spiking (RS)), και ακανόνιστης πυροδότησης (irregular-spiking (IS)). Έγινε επαγωγή της παραμένουσας δραστηριότητας στο μοντέλο-μικροκύκλωμα και αναλύθηκαν οι ιδιότητές της. Αφαίρεση ή μείωση των εισόδων από το μοντέλο FS στους πυραμιδικούς νευρώνες-μοντέλα μείωσαν σημαντικά την βιοφυσική τροποποίηση της επαγωγής της παραμένουσας δραστηριότητας, μείωσαν τα χρονικά διαστήματα μεταξύ των δυναμικών ενεργείας (interspike intervals (ISIs)), τον νευρωνικό συγχρονισμό και τις ταλαντώσεις γάμμα ρυθμού κατά τη διάρκεια της παραμένουσας δραστηριότητας. Η επίδραση στον συγχρονισμό και στις ταλαντώσεις μπορούσε να αντιστραφεί με την προσθήκη άλλων ανασταλτικών εισόδων στο σώμα των πυραμιδικών κυττάρων, αλλά σε βαθμό πέραν των επιπέδων του κυκλώματος ελέγχου. Συνεπώς, γενικά η σωματική αναστολή δρα ως βηματοδότης της παραμένουσας δραστηριότητας και συγκεκριμένα η αναστολή από FS διάμεσους νευρώνες τροποποιεί το σήμα εξόδου αυτού του βηματοδότη. Συνολικά, τα αποτελέσματα μας συνεισέφεραν στην αναπτυσσόμενη γνώση στις λειτουργίες του προμετωπιαίου φλοιού κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και στους υποκείμενους μηχανισμούς που καθιστούν τον προμετωπιαίο φλοιό «την περιοχή που οι άνθρωποι αξιώνουν για την ικανότητά της να ρυθμίζει τις σκέψεις μας και τις συμπεριφορές μας».