Μελέτη των κρίσιμων περιόδων μεταγεννητικής ανάπτυξης που εξαρτώνται από τους NMDA υποδοχείς και επηρεάζουν τη λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού και του ιππόκαμπου

Abstract

A critical period is defined as a very specific period of time during which environmental stimuli regulate the development of the neural networks of the brain and result in permanent changes. The critical period for visual system development, which has been extensively studied, is during postnatal days (p)19 to 32. During that developmental window, exogenous visual stimuli are necessary to generate the ocular dominance columns in the visual cortex. To date, however, no studies have examined specific postnatal periods of development that influence different cognitive functions in adulthood. The aim of this study is to investigate the existence of critical periods for the development of different cognitive functions that depend on proper functioning of the prefrontal cortex and hippocampus. The study focuses on the second postnatal week, during which profound changes occur in both the prefrontal cortex and the hippocampus, including changes in the expression levels of NMDA-receptor subunits known to support plasticity mechanisms in the brain. The neonatal MK-801 administration model was used to inhibit NMDA-receptor function at distinct time periods during the second postnatal week: a) at the end of the 2nd postnatal week (p11-p15), b) throughout the 2nd postnatal week (p7-p14), and c) at the beginning of the 2nd postnatal week (p7-p11). Neonatal MK-801 administration towards the end of the second postnatal week (p11-p15) results in deficits in the temporal order object recognition test, the fear extinction test, the sociability test and the sociability memory test. No differences were observed in performance of novel object recognition, object-to-place recognition and contextual fear memory tests. At the same time, this model is characterized by reduced spontaneous activity in the prefrontal cortex and hippocampus. In terms of the synchronization of neuronal circuits, there is a decrease in high gamma oscillations in the prefrontal cortex and an increase in gamma oscillations in the hippocampus. No changes in NMDA receptor subunit or synaptic protein expression were observed in adulthood. Therefore, blockade of NMDA-receptors at the end of the 2nd postnatal week mainly affects the cognitive functions that are mainly based on the function of the prefrontal cortex, although neuronal activity changes are observed both the in the prefrontal cortex and the hippocampus.The neonatal model of MK-801 administration throughout the second postnatal week (p7-p14) shows impairments in the temporal order, novel object, and to place object recognition tests. He also shows deficits in the fear memory extinction test and the sociability test. In the sociability memory test only the female muscles show a deficit. The above deficits are accompanied by a reduced number of parvalbumin-expressing cells in the prefrontal cortex, but not in the hippocampus, while this model is characterized by reduced spontaneous activity in the prefrontal cortex and hippocampus. Regarding neuronal synchronization, an increase in theta, delta and gamma rhythms while a decrease in high gamma rhythms is observed in the prefrontal cortex. On the contrary, an increase is observed in all rhythms in the hippocampus. Therefore, blockade of NMDA-receptors throughout the 2nd postnatal week seems to affect cognitive functions that depend on proper functioning of both the prefrontal cortex and the hippocampus. Finally, the neonatal MK-801 model in which NMDA-receptors are blocked at the beginning of the second postnatal week (p7-p11) is characterized by deficits in the temporal order object and novel object recognition test as well as in the sociability test. In the novel object recognition test, only male mice show a deficit. Spontaneous activity in this model is reduced only in the prefrontal cortex, where the synchronization of neuronal circuits is also affected, as a reduction in gamma and high gamma rates is observed. Therefore, blocking NMDA-receptors at this time appears to affect cognitive functions and neurophysiological mechanisms primarily of the prefrontal cortex. The above results lead to the conclusion that there are different critical periods of development for the prefrontal cortex and the hippocampus, which may even overlap, as intervention in limited time windows during the second postnatal week leads to the appearance of dysfunctions of the prefrontal cortex and the hippocampus in a way depending on the time period of exposure. Future elucidation of the mechanism will lead to potential effective therapeutic targets for neurodevelopmental disorders such as Schizophrenia.

Ως κρίσιμη περίοδο ορίζουμε μια πολύ συγκεκριμένη χρονική περίοδο κατά την οποία ερεθίσματα από το περιβάλλον ρυθμίζουν την ανάπτυξη των νευρωνικών δικτύων του εγκεφάλου και δημιουργούν μόνιμες αλλαγές. Μια κρίσιμη περίοδος στο οπτικό σύστημα που έχει μελετηθεί εκτενώς αφορά στις μεταγεννητικές ημέρες 19 έως 32 κατά τις οποίες εξωγενή οπτικά ερεθίσματα είναι απαραίτητα για τη δημιουργία οφθαλμικών στηλών στο φλοιό για τον κάθε οφθαλμό. Έως τώρα όμως, καμία μελέτη δεν έχει εξετάσει συγκεκριμένες μεταγεννητικές περιόδους ανάπτυξης που να επηρεάζουν συγκεκριμένες γνωστικές λειτουργίες κατά την ενηλικίωση. Στόχος αυτής της μελέτης είναι να διερευνηθεί η ύπαρξη κρίσιμων περιόδων για την ανάπτυξη διαφορετικών γνωστικών λειτουργιών οι οποίες βασίζονται στη λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού και του ιπποκάμπου. Η μελέτη εστιάζει στη δεύτερη μεταγεννητική εβδομάδα, κατά τη διάρκεια της οποίας συμβαίνουν έντονες αλλαγές τόσο στον προμετωπιαίο φλοιό όσο και στον ιππόκαμπο, συμπεριλαμβανομένων και αλλαγών στα επίπεδα έκφρασης των υπομονάδων των NMDA-υποδοχέων του γλουταμινικού οξέος που υποστηρίζουν μηχανισμούς πλαστικότητας στον εγκέφαλο. Χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο νεογνικής χορήγησης MK-801 ώστε να προκληθεί αναστολή της λειτουργίας των NMDA-υποδοχέων σε διακριτές χρονικές περιόδους κατά τη διάρκεια της δεύτερης μεταγεννητικής εβδομάδας: α) στο τέλος της 2ης μεταγεννητικής εβδομάδας, β) σε όλη τη διάρκεια της 2ης μεταγεννητικής εβδομάδας και γ) στην αρχή 2ης μεταγεννητικής εβδομάδας. Το νεογνικό μοντέλο ΜΚ-801 όπου αποκλείονται οι NMDA-υποδοχείς προς το τέλος της δεύτερης μεταγεννητικής εβδομάδας (p11-p15) παρουσιάζει ελλείμματα στη δοκιμασία αναγνώρισης χρονικής σειράς αντικειμένου, στη δοκιμασία απόσβεσης μνήμης φόβου, στη δοκιμασία κοινωνικότητας και στη δοκιμασία μνήμης κοινωνικότητας. Παράλληλα αυτό το μοντέλο χαρακτηρίζεται από μειωμένη αυθόρμητη δραστηριότητα σε προμετωπιαίο φλοιό και ιππόκαμπο. Ως προς το συγχρονισμό των νευρωνικών κυκλωμάτων, παρουσιάζεται μείωση των υψηλών γάμμα ταλαντώσεων στον προμετωπιαίο φλοιό και αύξηση των γάμμα ταλαντώσεων στον ιππόκαμπο. Ο αποκλεισμός των NMDA-υποδοχέων λοιπόν στο τέλος της 2ης μεταγεννητικής εβδομάδας επηρεάζει κατά κύριο λόγο τις γνωστικές λειτουργίες που βασίζονται κυρίως στη λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού. Όσον αφορά στο νεογνικό μοντέλο χορήγησης ΜΚ-801 σε όλη τη δεύτερη μεταγεννητική εβδομάδα (p7-p14), αυτό παρουσιάζει ελλείμματα στις δοκιμασίες αναγνώρισης χρονικής σειράς αντικειμένου, νέας θέσης αντικειμένου και νέου αντικειμένου. Επίσης παρουσιάζει ελλείμματα στη δοκιμασία απόσβεσης μνήμης φόβου και στη δοκιμασία κοινωνικότητας. Στη δοκιμασία μνήμης κοινωνικότητας έλλειμμα παρουσιάζουν μόνο οι θηλυκοί μύες. Τα παραπάνω ελλείμματα συνοδεύονται από μειωμένο αριθμό κυττάρων που εκφράζουν παρβαλβουμίνη στον προμετωπιαίο φλοιό, αλλά όχι στον ιππόκαμπο, ενώ παράλληλα το εν λόγω μοντέλο χαρακτηρίζεται από μειωμένη αυθόρμητη δραστηριότητα στον προμετωπιαίο φλοιό και στον ιππόκαμπο. Στο συγχρονισμό των νευρωνικών κυκλωμάτων στον προμετωπιαίο φλοιό παρουσιάζεται αύξηση των ρυθμών θήτα, δέλτα και γάμμα ενώ παρατηρείται μείωση των υψηλών γάμμα ρυθμών. Αντιθέτως στον ιππόκαμπο παρατηρείται αύξηση σε όλους τους ρυθμούς. Ο αποκλεισμός των NMDA-υποδοχέων λοιπόν καθ’όλη τη διάρκεια της 2ης μεταγεννητικής εβδομάδας φαίνεται να επηρεάζει περισσότερο τις γνωστικές λειτουργίες που βασίζονται στη λειτουργία του προμετωπιαίου φλοιού και του ιπποκάμπου. Τέλος, το νεογνικό μοντέλο ΜΚ-801 στο οποίο γίνεται αποκλεισμός των NMDA-υποδοχέων στην αρχή της δεύτερης μεταγεννητικής εβδομάδας (p7-p11) χαρακτηρίζεται από ελλείματα στη δοκιμασία αναγνώρισης χρονικής σειράς αντικειμένου και νέου αντικειμένου καθώς και στη δοκιμασία κοινωνικότητας. Στη δοκιμασία αναγνώρισης νέας θέσης αντικειμένου, μόνο οι αρσενικοί μύες της ομάδας p7-p11 ΜΚ-801 παρουσιάζουν έλλειμμα. Επομένως, ο αποκλεισμός των NMDA-υποδοχέων αυτήν την περίοδο φαίνεται να επηρεάζει γνωστικές λειτουργίες που βασίζονται στη λειτουργία τόσο του προμετωπιαίου φλοιού όσο και του ιπποκάμπου. Η αυθόρμητη δραστηριότητα σε αυτό το μοντέλο μειώνεται μόνο στον προμετωπιαίο φλοιό, όπου φαίνεται να επηρεάζεται και ο συγχρονισμός των νευρωνικών κυκλωμάτων καθώς παρατηρείται μείωση των γάμμα και των υψηλών γαμμα ρυθμών. Τα παραπάνω αποτελέσματα οδηγούν στο συμπέρασμα πως υπάρχουν διαφορετικές κρίσιμες περίοδοι ανάπτυξης για τον προμετωπιαίο φλοιό και τον ιππόκαμπο, οι οποίες πιθανόν και να αλληλεπικαλύπτονται, καθώς επέμβαση σε περιορισμένα χρονικά παράθυρα κατά τη δεύτερη μεταγεννητική εβδομάδα οδηγεί στην εμφάνιση δυσλειτουργιών του προμετωπιαίου φλοιού και του ιπποκάμπου με τρόπο εξαρτώμενο από τη χρονική περίοδο της έκθεσης. Μελλοντική διαλεύκανση του μηχανισμού θα οδηγήσει σε πιθανούς αποτελεσματικούς θεραπευτικούς στόχους νευροαναπτυξιακών διαταραχών όπως η Σχιζοφρένεια.