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Análisis de los mecanismos y factores implicados en el desarrollo, especificidad y maduración de la conexión septohipocámpica. Implicaciones en la enfermedad de Alzheimer

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Universitat de Barcelona. Departament de Biologia Cel·lular

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[spa] La conexión GABAérgica septohipocámpica es un elemento crucial para el correcto funcionamiento del hipocampo y, en concreto, para determinados procesos de aprendizaje y memoria. La exquisita especificidad de contacto de este componente es la piedra angular que determina su función, pero los datos existentes sobre los mecanismos que rigen la selección de diana y sinaptogénesis de estos axones son escasos. Aunque esta conexión desempeña un papel elemental en procesos cognitivos que están afectados durante el envejecimiento y en la enfermedad de Alzheimer, en el momento en que iniciamos este proyecto había un sorprendente vacío en la literatura sobre el estado de la vía GABAérgica septohipocámpica en estas situaciones. 

Hemos establecido el modelo in vitro del desarrollo de la conexión septohipocámpica, mediante cultivos organotípicos que constan de septum, hipocampo y corteza entorrinal obtenidos de animales neonatales. La conexión septohipocámpica se forma en nuestro modelo in vitro manteniendo la exquisita especificidad de contacto de su componente GABAérgico. Hemos comprobado, mediante el uso de tejido proveniente de ratones knock-out para Semaforina 3C y mediante la aplicación de ectodominios bloqueantes de los receptores de Semaforina 3C, que esta molécula es prescindible para el proceso de sinaptogénesis específica de los axones GABAérgicos septohipocámpicos in vitro. Utilizando el cultivo puesto a punto también hemos demostrado que las aferencias de corteza entorrinal a hipocampo no son necesarias para que la conexión se forme de manera específica.

Se ha llevado a cabo un análisis exhaustivo de la inervación y complejidad de las sinapsis de la conexión GABAérgica septohipocámpica sobre diferentes tipos de interneuronas del hipocampo de ratones wild-type a diferentes edades (2, 8 y 18 meses), así como de ratones de la cepa transgénica J20 (modelo murino de enfermedad de Alzheimer) a 2 y 8 meses de edad. Los resultados de estos experimentos muestran que durante el envejecimiento normal, en ratones wild-type de 18 meses, se produce una disminución tanto en el número de fibras GABAérgicas septohipocámpicas como en la complejidad de sus contactos sinápticos. Estos déficits de la conexión GABAérgica septohipocámpica se producen de manera acelerada en ratones J20, modelo de enfermedad de Alzheimer. En esta cepa transgénica, los déficits histológicos observados van acompañados de alteraciones funcionales: disminución en la potencia de los ritmos theta y gamma hipocámpicos. 

El análisis del estado funcional del hipocampo de ratones J20 demuestra que la sinapsis CA3-CA1 funciona normalmente en los animales transgénicos J20, aunque con alteraciones sutiles en la facilitación sináptica a corto plazo. Los procesos de potenciación a largo plazo (LTP) de esta sinapsis están aumentados en el modelo de EA. En un paradigma de condicionamiento operante de autoestimulación, en que los animales pueden autoadministrarse estímulos eléctricos reforzantes en el septum medial, los animales J20 presentan peor aprendizaje y ejecución de la tarea. Hemos demostrado que, en animales WT, este refuerzo operante se correlaciona con una disminución de la respuesta obtenida en la sinapsis CA3-CA1. Los transgénicos J20 no presentan tal disminución, especialmente durante los primeros días del test, y por tanto muestran peor aprendizaje y ejecución del paradigma de refuerzo operante, como se observa en nuestros resultados. En estos mismos animales, además, la inducción de LTP afecta negativamente la ejecución de la tarea reforzante ya adquirida, seguramente porque la excesiva respuesta de la sinapsis una vez potenciada cancela esa disminución de la respuesta en CA3-CA1 que es necesaria para que tenga lugar el refuerzo operante.

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[eng] The septohippocampal connection is a crucial element for some learning and memory processes which are affected during aging and in Alzheimer’s disease. The GABAergic component of this pathway displays an exquisite target selection, contacting only the interneurons of the hippocampus, but the mechanisms responsible for this target selection are poorly known.

In this work we have created an organotypic in vitro model of the septohippocampal connection, which has allowed us to demonstrate that neither Semaphorin 3C nor the entorhinal input to the hippocampus are factors needed for the establishment of proper contacts of the GABAergic septohippocampal pathway. The in vitro model created here also serves as a tool for studying developmental and degenerative processes of the nervous system.

We have carried out an exhaustive analysis of the innervation and synapse complexity of the GABAergic septohippocampal pathway in wild-type mice during the aging process and in a mouse model of Alzheimer’s disease (J20 line). Our results show that both the number and complexity of the GABAergic septohippocampal contacts decrease during aging, and this process is accelerated in the J20 Alzheimer’s mouse model. In this transgenic strain, the histological deficits are accompanied by functional alterations: a diminution in the theta and gamma rhythms of the hippocampus.

The function of the CA3-CA1 synapse of the hippocampus is normal in the J20 mice, except for subtle alterations in the short-term synaptic plasticity. The long-term potentiation processes (LTP) of this synapse are increased in the Alzheimer model. In an operant conditioning paradigm in which mice can self-stimulate the septohippocampal connection, transgenic mice of the J20 line show poorer learning and performance of the task than do wild-type mice. In nontransgenic mice, the reward in this task correlates with an increase in the CA3-CA1 response which J20 transgenic mice lack, possibly explaining their poorer performance.

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Tesis Doctorals - Departament - Biologia Cel·lular

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Análisis de los mecanismos y factores implicados en el desarrollo, especificidad y maduración de la conexión septohipocámpica. Implicaciones en la enfermedad de Alzheimer