Anais Notario Reinoso

De neocortex geeft zoogdieren het vermogen om informatie uit de omgeving waar te nemen, te verwerken en te integreren, functies die essentieel zijn voor aanpassingsvermogen en overleving. Dit aanpassingsvermogen is afhankelijk van snelle synaptische signalering, een functie die voornamelijk wordt ondersteund door AMPA-receptoren (AMPARen), de belangrijkste mediatoren van snelle glutamaterge transmissie. AMPARen zijn tetramere receptoren die bestaan uit vier subeenheden, GluA1–GluA4, die in verband worden gebracht met essentiële cognitieve functies. Met name de GluA1-bevattende AMPARen zijn uitgebreid bestudeerd en staan bekend om hun bijdrage aan corticale en hippocampale synaptische plasticiteit, evenals leren, geheugen en sociaal gedrag. Daarentegen is er vooralsnog weinig bekend over de rol van GluA3-bevattende AMPARen in synaptische transmissie in sensorische en associatieve cortices, of over hun interactie met neuromodulaire systemen.

In het eerste deel van dit proefschrift onderzochten we de bijdrage van GluA3-bevattende AMPARen aan synaptische transmissie en plasticiteit in de visuele cortex en prefrontale cortex (PFC), evenals hun modulatie door β-adrenerge signalering. Gezien de langdurige groei van de PFC hebben we ook het aspect van ontwikkeling meegenomen in onze analyse. Om de ontwikkeling van de PFC beter te begrijpen, lag de focus van het tweede deel van dit proefschrift op de rol van cannabinoïde receptoren (CBRen), die een cruciaal onderdeel zijn van corticale groei. Ook werden mogelijke interacties tussen endocannabinoïde signalering en GluA3-bevattende AMPARen onderzocht, zowel op de korte als lange termijn.

In Hoofdstuk 1 introduceren we het conceptuele en historische kader dat dit proefschrift heeft gevormd. We beginnen met een kort overzicht van de fundamentele mijlpalen binnen de neurowetenschap, van de formulering van de neurondoctrine door Santiago Ramón y Cajal tot de identificatie van AMPARen en de erkenning van de PFC als een centrale speler in executieve functies en persoonlijkheid. Vervolgens beschrijven we de organisatie, functie en ontwikkeling van de twee corticale gebieden die in dit werk worden onderzocht: de primaire visuele cortex en de PFC. Daarna introduceren we de belangrijkste synaptische en neuromodulaire systemen die in dit proefschrift zijn onderzocht, waaronder AMPARen, CBRen en adrenerge signaaltransductieketens, gezien hun relevantie voor synaptische fysiologie. Tot slot bespreken we het belang van het meenemen van sekse als biologische variabele, met name gezien de seksuele dimorfe aard van de PFC en de sekse-afhankelijke effecten die in de experimentele hoofdstukken van dit werk zijn waargenomen.

In Hoofdstuk 2 onderzochten we de synaptische transmissie in een primair sensorisch gebied, de visuele cortex, en beoordeelden we de bijdrage van GluA1- en GluA3-bevattende AMPARen aan basale synaptische transmissie en plasticiteit. Met behulp van patch-clamptechnieken toonden we aan dat beide subeenheden bijdragen aan exciterende transmissie naar laag 2/3-piramidale neuronen, waarbij de GluA3-bevattende AMPARen een prominentere rol speelden dan de GluA1-bevattende receptoren. Om subeenheidspecifieke plasticiteitsmechanismen verder te bestuderen, onderzochten we hoe activatie van β-adrenerge receptoren de synaptische activiteit van AMPARen moduleert. We ontdekten dat β-adrenerge potentiëring onafhankelijk was van zowel de subeenheidssamenstelling als van proteïnekinase A (PKA)-activiteit, ondanks dat PKA al actief was in deze neuronen onder basale omstandigheden. Tot slot onderzochten we de synaptische transmissie in somatostatine-positieve interneuronen. We lieten zien dat GluA3 niet bijdraagt aan basale exciterende transmissie in deze cellen, noch wordt hun transmissie gepotentieerd door β-adrenerge signalering.

In Hoofdstuk 3 breidden we dit onderzoek verder uit naar een associatieve cortex, de mediale PFC (mPFC). Hier onderzochten we de bijdrage van GluA3-bevattende AMPARen aan basale synaptische transmissie in laag 2/3-piramidale neuronen en de modulatie van deze receptoren door β-adrenerge signalering. Ook onderzochten we de rol van GluA3-bevattende AMPARen in het ‘omkeerleren’. Gezien de langdurige ontwikkeling van dit hersengebied hebben we ook het aspect van ontwikkeling meegenomen. We vonden dat GluA3-bevattende AMPARen een significante, leeftijdsafhankelijke rol speelden in synaptische transmissie in laag 2/3 van de mPFC. Daarnaast zorgde β-adrenerge signalering voor een potentiëring via een mechanisme dat waarschijnlijk een presynaptisch component bevatte en niet specifiek was voor GluA3. Op gedragsniveau vertoonden muizen zonder GluA3 een intact vermogen tot ‘discriminatieleren’, maar lieten ze wel veranderingen in basaal gedrag zien, evenals gebreken in het omkeerleren, een bekende PFC-afhankelijke functie.

In Hoofdstuk 4 verkenden we de ontwikkeling van de PFC verder door de langetermijngevolgen van adolescente CBR-activatie op de volwassen mPFC fysiologie en gedrag te onderzoeken. We ontdekten dat herhaalde activatie van CBRen tijdens de adolescentie aanhoudende, sekse-afhankelijke veranderingen veroorzaakte in laag 5-piramidale neuronen van de mPFC. Vrouwelijke muizen vertoonden veranderingen in synaptische transmissie, terwijl bij mannetjes voornamelijk de intrinsieke exciteerbaarheid was veranderd. Ondanks deze neurofysiologische veranderingen had adolescente CBR-activatie geen effect op de sociale hiërarchie of het omkeerleren in de volwassenheid, twee gedragingen die vaak geassocieerd worden met de functie van de PFC.

Tot slot hebben we in Hoofdstuk 5 de conceptuele lijnen van de vorige hoofdstukken geïntegreerd in een pilotstudie die de mogelijke interacties tussen GluA3-bevattende AMPARen en CBRen onderzocht. Aangezien beide systemen geassocieerd worden met schizofrenie, hebben we een tweeledig model voor de vatbaarheid voor deze aandoening voorgesteld, gebaseerd op de interactie tussen genetische kwetsbaarheid en blootstelling aan omgevingsfactoren. Daartoe hebben we de langetermijngevolgen van adolescente CBR-activatie beoordeeld in een GluA3-deficiënte achtergrond. Op synaptisch niveau verminderde acute blootstelling aan WIN de inhiberende synaptische transmissie naar laag 2/3-piramidale neuronen, een effect dat ook werd waargenomen bij volwassen GluA3KO mannetjes na adolescente CBR-activatie. Gedragsmatig vertoonden GluA3KO muizen geen duidelijke gebreken in discriminatie of omkeerleren, hoewel voorlopige resultaten een mogelijk verhoogde kwetsbaarheid bij mannelijke GluA3KO muizen suggereerden, die namelijk een neiging tot verminderde omkeerleerprestaties vertoonden.

Ten slotte integreren we in Hoofdstuk 6 de bevindingen van dit proefschrift en plaatsen we deze in context binnen de huidige literatuur. We beginnen met het onderzoeken van de elektrofysiologische principes van corticale synaptische transmissie, waarbij we onze resultaten over de rol van AMPARen in meerdere corticale gebieden en hun modulatie en interactie met β-adrenerge en CBRen samenvoegen. Vervolgens overbruggen we de kloof tussen synapsen en gedrag door te evalueren hoe veranderingen in synaptische receptoren zich verhouden tot gedragsuitkomsten. Het tweede deel van dit hoofdstuk behandelt de bredere conceptuele thema's die dit werk hebben gevormd en beïnvloed, waaronder de beschouwing van sekse als biologische variabele, evenals de operationele definities van sleutelconcepten zoals de mPFC, adolescentie en diermodellen. Tot slot schetsen we toekomstige richtingen die kunnen helpen om de onderzoeksvragen die in dit proefschrift zijn opgeworpen te verfijnen en uit te breiden.

Samenvattend had dit proefschrift als doel een samenhangend kader te bieden voor het begrijpen van corticale synaptische fysiologie in sensorische en associatieve cortices, waarbij zowel geconserveerde principes als regio-specifieke mechanismen worden benadrukt. Door de nadruk te leggen op de onderbelichte GluA3-subeenheid, sekse als biologische variabele te integreren en interacties tussen glutamaterge, adrenerge en endocannabinoïde systemen te verkennen, beoogde dit proefschrift nieuwe perspectieven te bieden en de basis te leggen voor toekomstig onderzoek naar de complexiteit van corticale functies.