The impact of astrocyte calcium signaling in cortico-limbic function and behavior

Abstract

Os astrócitos desempenham múltiplas funções desde a homeostasia cerebral ao controlo e processamento da atividade sináptica. Eles integram sinais neuronais por elevações complexas de cálcio (Ca2+) com impacto na comunicação neurónio-astrócito. As elevações de Ca2+ nos astrócitos podem ser divididas em dois tipos: globais (presentes no soma e principais processos) e/ou focais (presentes nos microdomínios). Apesar de estar descrito que as elevações globais de Ca2+ nos astrócitos podem modular a comunicação sináptica, continuam por esclarecer quais os mecanismos moleculares envolvidos. Desta forma, urge uma caracterização comportamental, estrutural e molecular detalhada para compreender esses mecanismos. Nesta tese, utilizámos o modelo de murganho que apresenta a deleção constitutiva do receptor 2 do inositol 1,4,5-trifosfato (IP3R2 KO), no qual as elevações globais de Ca2+ nos astrócitos estão ausentes. Na primeira parte deste trabalho (Capítulo 2) demonstramos que os murganhos IP3R2 KO têm um desenvolvimento somático e neurológico normal. Em seguida, a caracterização comportamental deste modelo transgénico (Capítulo 3) revelou que os murganhos IP3R2 KO apresentam uma melhoria do desempenho cognitivo em tarefas dependentes do hipocampo. Identificámos o factor de transcrição Foxo1 como modulador da expressão de genes específicos de astrócitos, responsáveis pela regulação do citoesqueleto e de espinhas dendríticas. A sobre-expressão do FOXO1 em astrócitos do hipocampo de murganho C57BL/6J foi suficiente para mimetizar a melhoria cognitiva verificada no modelo IP3R2 KO. Este resultado levou-nos a avaliar o papel da sinalização global de Ca2+ no contexto da depressão, uma doença que afeta comportamento dependente das regiões cortico-límbicas (Capítulo 4). Os murganhos IP3R2 KO apresentam uma surpreendente resiliência ao efeito ansiogénico do stress crónico. Por fim, explorámos o papel da sinalização de Ca2+ nos astrócitos no envelhecimento cognitivo (Capítulo 5). Os nossos resultados demonstram uma preservação do desempenho cognitivo em murganhos IP3R2 KO envelhecidos, caracterizado por alteração do rácio neurónio/astrócito e por refinamento dendrítico dos neurónios da camada V do córtex pré-frontal. Em suma, este trabalho contribuiu para uma melhor compreensão do papel da sinalização global de Ca2+ nos astrócitos desde o desenvolvimento até ao envelhecimento, num contexto de saúde e doença. Os resultados revelaram um alvo terapêutico específico em astrócitos com potencial aplicação em contextos de depressão e envelhecimento cognitivo.

Astrocytes are responsible for distinct functions ranging from brain homeostasis to the modulation of synaptic functioning. They integrate neuronal signals by complex calcium (Ca2+) elevations that control intracellular mechanisms that in turn drive the neuron-astrocyte dialogue, modulating the activity of cells and networks. It is now recognized that Ca2+ elevations in astrocytes appear spatially distributed in global (soma and main processes) and/or focal regions (microdomains). Although it is observed that global astrocytic Ca2+ signaling contributes to synaptic communication, its role in circuit computation and behavioral performance is still poorly understood. A detailed behavioral, structural and molecular characterization should provide us with putative mechanisms underlying the roles of astrocytic Ca2+. In this thesis, we took advantage of the inositol 1,4,5-trisphosphate receptor type 2 knockout (IP3R2 KO) mouse model, which lacks global Ca2+ signaling in astrocytes. In the first part of this work (Chapter 2), we demonstrate that IP3R2 KO mice retain a normal developmental maturation, as compared with WT littermates. Next, a detailed behavioral characterization of this mouse model (Chapter 3) showed that IP3R2 KO mice display enhanced cognitive performance in hippocampal-dependent tasks. We found Foxo1 as the most active transcription factor controlling the increased expression of astrocyte-specific genes related with fine cytoskeleton modulation and spinogenesis, which could underlie the cognitive enhancement observed. Moreover, specific overexpression of FOXO1 in hippocampal astrocytes of C57BL/6J mice was enough to recapitulate the enhanced fear memory observed in IP3R2 KO mice. This striking observation prompted us to test the role of global Ca2+ signaling in the context of depression, which affects cortico-limbic regions (Chapter 4). IP3R2 KO mice present an unexpected resilience to the installation of stress effects, namely translated into an increased self-care and a reduced anxious-like phenotype. Finally, we explored the role of astrocytic Ca2+ signaling in cortico-limbic performance in aged mice that display cognitive decline (Chapter 5). We observed a preserved cognitive performance in aged IP3R2 KO mice, an altered neuron/astrocyte ratio and a dendritic refinement of mPFC neurons. Overall, this work contributed to a better understanding on the role of global astrocytic Ca2+ signaling from development to aging, both in a health and disease context. We found a putative astrocyte-specific therapeutic target that could be used to prevent depression- and aging-related deficits.