Comunicación Astrocito-Interneurona y el procesamiento de información en las redes neuronales

Abstract

Under the title ‘INTERNEURON-ASTROCYTE BIDIRECTIONAL COMMUNICATION AND INFORMATION PROCESING IN NEURONAL NETWORKS’ we have collected the work done during the execution of this doctoral thesis, which has studied the GABAergic control and role of astrocytes in the regulation of inhibitory tone and related cognitive processes. Information processing in the brain reflects the relationship between excitatory and inhibitory synaptic events that give rise to relevant physiological responses. The crucial role of GABAergic inhibition in shaping spontaneous and evoked activity in neural circuits, has positioned it in the center of research to reach the understanding of cognitive processes underlying animal behavior. Within the Nervous System, it is important to highlight the presence of glial cells, with diverse functions that are essential in the physiology of the brain, Astrocytes, one of the most numerous types of glial cells, establish a dynamic crosstalk with neurons, term as the Tripartite Synapse. However, the knowledge of the properties that govern this signaling is mainly based on the study of excitatory synapses onto pyramidal neurons, relegating the analysis of the interaction between Gabaergic interneurons and astrocytes, as their functional implications.

The study of astrocyte-neuronal signaling requires the use of new methods together with novel experimental tools and analyses that allow to monitore and to manipulate astrocytes, without indirectly altering neuronal responses, with the porpouse of determine the role of these astrocytic cells in brain circuits.

Therefore, the aim of this doctoral thesis has been first, to develop and characterize optical tools that enable the study of this communication, astrocyte-neuron, from a physiological point of view, based on the use of melanopsin a protein-G photosensitive that allows the specific control of astrocytic activity. Second, to study the properties underlying the signaling between astrocytes-GABAergic neurons and their role in the synaptic events and cortical circuites that are shaped and ruled by these inhibitory cells.

To achieve these goals, we used multidisciplinary methods, including: patch-clamp slices recordings in the whole cell configuration in sections of hippocampus and medial prefrontal cortex (CPFm), in vivo extracellular recordings in CPFm, Ca2+ imaging, optogenetics to control cellular populations by light, histological profiling of cells by specific markers, beha-vioral tasks and computational analysis.

These results are the first evidence of the use of melanopsin, a G-protein photopigment, for manipulating intracellular Ca2+ signals in astrocytes, which manages to recruit Ca2+ increases both at the level of cell soma as in the branched processes of astrocytes. The analysis of these light-induced responses demonstrates that melanopsin recapitulates the intracellular signaling induced by metabotropic G protein coupled receptors that are sensitive to neurotransmitters, indicating it is a valuable tool for astrocytes. Likewise, melanopsin allows to modify the patterns of stimulation by light and generate nonlinear responses in both Ca2+ signals and synaptic responses derived from their activation. Thus,by using melanopsin it is possible to precisely tune their modulation by exogenously manipulation the level of activation of astrocytes and evaluate their impact on the circuits where they are located. Finally, these results demonstrate the viability of melanopsin as a tool to control the astrocitic activity in vitro and in vivo and highlight the essential role of astrocytes in cognitive processes.

Furthermore, our results show signaling properties between interneurons, namely parvalbumin positive interneurons (PV+) and astrocytes, indicating the decisive contribution of this communication in the final synaptic output of principal neurons and during memory retrieval and decision making. Furthermore, we have found that astrocytes respond to different patterns of PV + activity increasing the inhibitory tone of layer 2/3 of the medial prefrontal cortex (mPFC), resulting in a modulation of excitation/inhibition balance in cortical circuits. Pharmacological studies demonstrated that potentiation of inhibition is mediated by GABAB receptor (GABABRs) in astrocytes, and is dependent on Ca2+ signaling by astrocytes. Additionally, the potentiation of inhibition requires activation of metabotropic glutamate receptors type I (mGluRl) in inhibitory presynaptic terminals that increase the efficacy of GABA release. By using melanopsin to activate astrocytes simulating the inputs by PV + interneurons we were able to recapitulate the increased in inhibitory tone on principal neurons of mPFC, while mice expressing melanopsin that were stimulated with light improve the performance of tasks that rely on mPFC and decision-making, or are even able to recover deficits associated models showing the absence of GABABRs in astrocytes.

To conclude, the results shown indicate that astrocytes are involved in the increased tone inhibitory circuits of the prefrontal cortex of mouse, crucial for the proper execution of decisions related tasks. The results of this study highlight the impact of astrocyte-PV units signaling in brain functions, thereby contributing to our understanding of the role of astrocytes in the cortical excitation / inhibition (E / I) balance and its relationship for cognitive processes.

Bajo el título ‘COMUNICACIÓN ASTROCITO-INTERNEURONA Y EL PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN EN LAS REDES NEURONALES’ se recoge el trabajo realizado durante la ejecución de esta tesis doctoral, en la que se ha estudiado el control GABAérgico y el papel de los astrocitos en la regulación del tono inhibitorio y los procesos cognitivos. El procesamiento de la información en el cerebro refleja la relación entre eventos sinápticos excitatorios e inhibitorios que dan lugar a respuestas fisiológicas relevantes. El papel crucial de la inhibición GABAérgica en la modulación la actividad espontánea e inducida en los circuitos neuronales, la posiciona en el centro de estudio para un mejor entendimiento de los procesos cognitivos que subyacen el comportamiento animal. En el Sistema Nervioso destaca la presencia de las células de glía, con funciones diversas y, al mismo tiempo, esenciales en su fisiología. Los astrocitos, las células gliales más numerosas, establecen una comunicación dinámica con los elementos neuronales, conocida como Sinapsis Tripartita. Sin embargo, el conocimiento de las propiedades que rigen esta señalización proviene fundamentalmente del estudio de sinapsis excitadoras sobre neuronas piramidales, relegando a un segundo plano el análisis de la interacción entre interneuronas GABAérgicas y astrocitos, así como las implicaciones funcionales de esta interacción.

El estudio de la señalización astrocito-neurona requiere del uso de nuevos métodos y herramientas experimentales y de análisis, que permitan la monitorización y manipulación de los astrocitos sin alterar de forma directa la respuesta neuronal, con el fin de determinar el papel que juegan estas células en los circuitos cerebrales.

Por tanto, el objetivo de esta tesis doctoral ha sido en primer lugar, desarrollar y caracterizar herramientas ópticas que faciliten el estudio de la comunicación astrocito-neurona desde un punto de vista fisiológico, basándose en el uso de melanopsin, una proteína-G fotosensible, que permite controlar la actividad astrocitaria. Y en segundo lugar, estudiar las propiedades que subyacen la señalización entre astrocitos y neuronas GABAérgicas, y su participación en los eventos sinápticos y los circuitos corticales gobernados por estas células inhibitorias.

Para el abordaje de tales objetivos se emplearon: registros de patch-clamp en la configuración célula entera in vitro en secciones de hipocampo y corteza prefrontal medial (CPFm), registros extracelulares in vivo en la CPFm, imagen de Ca2+, empleo de opsinas para control optogénetico de la actividad celular, identificación histológica de poblaciones celulares y marcadores de membrana, estudios de comportamiento de los sujetos de experimentación y análisis computacional.

Los resultados obtenidos muestran por primera vez el uso de melanopsin, un fotopigmento sensible a luz visible y acoplado a proteínas G, para la manipulación de las señales intracelulares de Ca2+ en astrocitos, tanto a nivel del soma celular como de los procesos ramificados de los astrocitos. El análisis de las respuestas inducidas por luz demuestra que melanopsin recapitula la señalización intracelular inducida por receptores metabotrópicos acoplados a proteínas Gq sensibles a neurotransmisores, indicando que se trata de una herramienta optogenética idónea para inducir respuestas astrocitarias similares a las producidas por la actividad neuronal. Asimismo, modificar el patrón de estimulación por luz de melanopsin permite generar respuestas no lineales, tanto en las señales de Ca2+ astrocitarias como en las respuestas sinápticas derivadas de su activación; con lo que se consigue controlar de forma exógena el grado de activación de los astrocitos y evaluar su impacto tanto en los circuitos donde están localizados como en el comportamiento animal. Por tanto, estos resultados muestran la viabilidad de melanopsin como herramienta de control de la actividad astrocitaria in vitro e in vivo y ponen en relieve el papel central que juegan los astrocitos en los procesos cognitivos.

Adicionalmente, los resultados derivados de esta tesis doctoral revelan las propiedades de la señalización entre neuronas GABAérgicas, en concreto de las interneuronas parvoalbúmina positivas (PV+), y astrocitos indicando la contribución decisiva de esta comunicación en la respuesta final de las neuronas principales, y durante los procesos de memoria y la toma de decisiones. Así, hemos encontrado que los astrocitos responden a diferentes patrones de actividad de las interneuronas PV+ aumentando el tono inhibitorio en las capas 2/3 de la corteza prefrontal medial (CPFm), que resulta en una alteración del balance excitación/inhibición en los circuitos corticales. El estudio farmacológico demostró que la potenciación de la inhibición está mediada por receptores de GABAB (GABABRs) en los astrocitos, y es dependiente de la señalación por Ca2+ en los astrocitos. Asimismo, la potenciación de la inhibición requiere de la activación de receptores metabotrópicos de glutamato de tipo I (mGluRI) en los terminales presinápticos inhibitorios que aumentan la eficacia en la liberación de GABA. El uso de melanopsin para activar de forma específica astrocitos imitando la actividad de las interneuronas PV+ induce un aumento del tono inhibitorio sobre las neuronas principales de CPFm, al mismo tiempo que ratones que expresan melanopsin en astrocitos y son estimulados con luz presentan una mejora en la ejecución de tareas cognitivas y la toma de decisiones que requieren la participación directa de la CPFm, recuperando incluso los déficits cognitivos encontrados en modelos que presentan ausencia de GABABRs específica en astrocitos.

En conclusión, estos resultados indican que los astrocitos participan en la regulación del tono inhibitorio de los circuitos de la corteza prefrontal de ratón, crucial para la correcta ejecución de tareas relacionadas con la toma de decisiones. Los resultados de este estudio evidencian el impacto de la unidad de señalización astrocito-PV+ en las funciones cerebrales, contribuyendo así a nuestro conocimiento del papel que tienen los astrocitos en el balance excitación/inhibición (E/I) cortical y su relación con los procesos cognitivos.