The role of the hippocampal CA2 area in social memory

Abstract

Declarative memory is a subtype of long-term memory that is expressed by a deliberate and conscious retrieval of our store of knowledge of people, places, objects and events. It is mediated through three distinct phases: memory encoding, consolidation and recall. Due to its complexity, a key approach to understand declarative memory is to study the participation of the different subregions of the hippocampal formation, an essential brain area that mediates this form of memory. Indeed, some studies have revealed specific behavioral roles of various hippocampal subregions, including dentate gyrus, CA3, CA1 and subiculum. However, little is known about the smaller and long-overlooked area CA2, even though it has a unique connectivity and distinct molecular, physiological and morphological characteristics. In mice, long-term inactivation of dorsal CA2 pyramidal neurons impaired social memory without having any impact on sociability or other forms of hippocampus-dependent memory. However, chronic CA2 silencing was recently shown to perturb the hippocampal dynamic excitatory/inhibitory balance, raising the question of whether the sociocognitive deficits found upon chronic dorsal CA2 silencing are indeed due to its direct role in this form of memory or result from indirect long-term reactive changes in brain regions outside of dorsal CA2. Moreover, long-term silencing studies could not determine if dorsal CA2 is necessary for encoding, consolidation or recall of social memory. Finally, as individual brain regions do not act in isolation, how CA2 output enables social memory remains an important question. In addition to CA2, ventral CA3 and the subset of ventral CA1 neurons that project to the nucleus accumbens medial shell, have also been implicated in social memory. However, it is unknown whether dorsal CA2, ventral CA3 and ventral CA1 are integrated into a single hippocampal circuit or if they integrate parallel circuits necessary for social memory. To explore these questions, I carried out a detailed anatomical and electrophysiological analysis of the projections from dorsal CA2 to ventral hippocampus and used pharmacogenetics and optogenetics to acutely and reversibly inactivate dorsal CA2 and its specific projections to ventral hippocampus, during the different stages of social memory. My studies show that dorsal CA2 plays an active role in social memory encoding, consolidation and recall and that it participates in social memory by providing an excitatory input to distal ventral CA1, the same ventral CA1 subregion that projects to the nucleus accumbens medial shell. In addition to its role in normal brain function, CA2 undergoes unique alterations in certain neuropsychiatric diseases associated with cognitive and social dysfunction. Postmortem studies of schizophrenic and bipolar disorder patients revealed a CA2-specific loss of inhibitory parvalbuminexpressing neurons, which was replicated in a mouse model of the 22q11.2 deletion syndrome, which represents the greatest known genetic risk factor for the development of schizophrenia. Additionally, these mice show a less excitable state of CA2 pyramidal neurons, which correlates with the upregulation of the current mediated by TREK-1 channel in CA2, a potassium channel highly expressed in CA2 and known to promote hyperpolarization. In agreement with hypofunctional CA2, presumably resulting from TKEK-1 channel upregulation, male mice of this model show impaired social memory. Therefore, to further characterize these social memory deficits and provide seminal evidence for the potential of a CA2-centered therapeutic approach, I tested both male and female mice of this 22q11.2 deletion syndrome model, in different social memory tasks and, finally, assessed the efficacy of a TREK-1 channel specific blocker in rescuing such phenotype. I found that male mutant mice have more severe social memory deficits than females and that acute systemic administration of a specific blocker of the TREK-1 channel is sufficient to rescue the social memory impairment found in female mutant mice. Altogether, my work reinforces the role of dorsal CA2 in social memory and integrates it into a hippocampal social memory circuit. Additionally, we provide evidence for a promising therapeutic approach to the socio-cognitive deficits of the 22q11.2 deletion syndrome based on the CA2 dysfunction associated with the syndrome.

A memória declarativa é um subtipo de memória de longo-prazo que é expressa pela recordação deliberada e consciente do nosso conhecimento de pessoas, lugares, objetos e eventos. Esta contempla três fases distintas: codificação, consolidação e recuperação/recordação. Devido à sua complexidade, uma abordagem utilizada para perceber a memória declarativa tem sido o estudo da participação das diferentes sub-regiões do hipocampo, uma estrutura cerebral essencial para mediar esta forma de memória. De facto, alguns estudos têm revelado funções comportamentais específicas de várias sub-regiões do hipocampo, incluindo do giro denteado, CA3, CA1 e subículo. Contudo, CA2, área de menores dimensões, tem sido menos estudada, apesar da sua conetividade única e caraterísticas moleculares, fisiológicas e morfológicas distintas. Em ratinhos, a inativação permanente de neurónios piramidais de CA2 dorsal diminui a memória social, não tendo qualquer impacto na sociabilidade ou noutras formas de memória dependentes do hipocampo. No entanto, um estudo recente demonstrou que o silenciamento crónico de CA2 perturba o balanço excitatório/inibitório dinâmico do hipocampo. Assim, ficou por definir se os défices socio-cognitivos resultantes do silenciamento crónico de CA2 são uma consequência do papel desta região na memória social ou são secundários a alterações reativas noutras regiões cerebrais. Além disso, estudos com silenciamento de longa duração de CA2 não permitiram determinar se CA2 dorsal é necessário para a codificação, consolidação ou recordação da memória social. Finalmente, permanece ainda por esclarecer a forma como o output de CA2 permite o processamento de memória social, uma vez que as regiões cerebrais não atuam de forma isolada. Para além de CA2, CA3 ventral e um conjunto de neurónios de CA1 ventral que projetam para a camada externa medial (“shell”) do nucleus accumbens têm sido implicados na memória social. Contudo, desconhece-se se CA2 dorsal, CA3 ventral e CA1 ventral estão integrados num mesmo circuito neurológico ou se integram circuitos paralelos necessários para a memória social. Para explorar estas questões, realizei um estudo anatómico e eletrofisiológico detalhado das projeções de CA2 dorsal para o hipocampo ventral e usei farmacogenética e optogenética para inativar CA2 dorsal e as suas projeções ventrais, durante as diferentes fases de memória social. O meu trabalho demonstra que CA2 dorsal desempenha um papel ativo na codificação, consolidação e recuperação de memória social e que participa na memória social através de uma conexão excitatória que estabelece com CA1 ventral distal, a mesma sub-região que projeta para a camada externa medial do nucleus accumbens. Para além do papel de CA2 no cérebro sem patologia, CA2 sofre alterações únicas em determinadas doenças neuropsiquiátricas associadas a disfunção cognitiva e social. Estudos postmortem de pacientes de esquizofrenia e doença bipolar revelaram uma redução do número de neurónios inibitórios que expressam parvalbumina, resultado replicado num modelo de ratinho da síndrome de deleção 22q11.2, que representa o maior risco genético conhecido para o desenvolvimento de esquizofrenia. Adicionalmente, neurónios piramidais de CA2 de ratinhos deste modelo demonstram um estado menos excitável, correlacionado com a sobre-expressão de corrente mediada pelo canal TREK-1 em CA2, canal de potássio altamente expresso em CA2 e promotor de hiperpolarização. De acordo com o estado hipofuncional de CA2, possivelmente por sobre-expressão da corrente do canal TREK-1, ratinhos macho deste modelo apresentam défices de memória social. Para explorar estes défices de memória social e propor uma potencial abordagem terapêutica centrada em CA2, testei ratinhos macho e fêmea deste mesmo modelo da síndrome de deleção 22q11.2 em diferentes tarefas de memória social, avaliando a eficácia de um inibidor especifico do canal TREK-1 na reversão de tal fenótipo. Descobrimos que os ratinhos macho com a respetiva mutação têm défices de memória social mais pronunciados do que ratinhos fêmea e que a administração sistémica aguda de um inibidor específico do canal TREK-1 é suficiente para reverter o défice de memória social de ratinhos fêmea. Em suma, o meu trabalho reforça o papel de CA2 dorsal na memória social e integra esta região num circuito de memória social. Além disso, apresento evidência para uma abordagem terapêutica promissora dirigida aos défices socio-cognitivos da síndrome de deleção 22q11.2, baseada na disfunção de CA2 associada.