Schizophrenia-like sensorimotor gating deficits in intact inbred and outbred rats: From behavior to brain mechanisms and back

Abstract

L’esquizofrènia és una malaltia mental incapacitant que involucra diversos símptomes cognitius, com un filtratge sensoriomotor deteriorat. El filtratge sensoriomotor es pot mesurar mitjançant la inhibició prepols (IPP) de la resposta d’ensurt. Les investigacions en rosegadors sobre l’impacte d’alteracions cerebrals específiques sobre la IPP han estat molt útils per augmentar el coneixement d’aquesta deficiència bàsica de l’esquizofrènia. Aquests estudis mostren que els dèficits en IPP apareixen conjuntament amb altres símptomes, com l’agitació psicomotora, així com alteracions en el circuit cortico-estriato-pallido-talàmic (CEPT). Específicament, tractaments que alteren l’activitat del còrtex prefrontal medial (CPFm), l’hipocamp (HPC) o el nucli accumbens (NAc) redueixen la IPP. És important destacar que la desregulació cortical del balanç excitació-inhibició (E-I) s’ha proposat com el principal substrat subjacent als símptomes cognitius de l’esquizofrènia. A més, aquests estudis mostren que diversos fàrmacs milloren la IPP, com el neuropèptid oxitocina, el qual s’ha proposat com un antipsicòtic natural alternatiu. D’altra banda, els estudis en humans avaluen l’associació entre diferències naturals en la conducta i canvis neurals. En aquesta Tesi Doctoral, amb la idea d’establir un pont entre els estudis en humans i rosegadors, vam explorar si els dèficits naturals en IPP en rates consanguínies i no consanguínies intactes (i) s’associaven amb diferències en altres conductes relacionades amb l’esquizofrènia; (ii) es relacionaven amb diferències funcionals i estructurals en el circuit CEPT; (iii) s’atenuaven per l’administració d’oxitocina. Els nostres subjectes d’estudi van ser les rates consanguínies Romanes d’alta i baixa evitació (RHA i RLA), i les rates no consanguínies HS. Les RHA mostren menor IPP que les RLA, mentre que les HS es van estratificar en subgrups segons els seus nivells d’IPP. Els experiments plantejats també pretenien augmentar la validesa aparent, de constructe i predictiva dels nostres models animals de característiques rellevants per a l’esquizofrènia (RHA i HS-baixa-PPI). Els nostres resultats mostren que l’exploració incrementada en resposta a la novetat s’associa amb dèficits en IPP en rates HS i Romanes. Per estudiar les associacions cerebrals estructurals i funcionals amb la IPP, vam combinar l’ús de ressonància magnètica estructural i expressió de c-Fos després de la IPP. Vam trobar que la baixa IPP s’associa amb baixa activitat del CPFm en rates Romanes i HS i amb un augment d’activitat en el NAc en rates HS. La baixa IPP s’associa també amb una disminució del volum cerebral del CPFm i l’HPC en rates Romanes i HS. A més, emprant immunofluorescència després de la IPP, vam observar un menor percentatge d’activitat d’interneurones inhibitòries GABAèrgiques (parvalbúmina) al CPFm en rates RHA que en RLA. En relació amb l’administració d’oxitocina, vam trobar que l’oxitocina augmentava la IPP en rates HS i RHA, mentre que no afectava la IPP en les RLA. Els valors constitutius d’expressió del gen CD38 (regulador de l’alliberament d’oxitocina) al CPFm eren més baixos en les RHA que en les RLA, mentre que l’administració d’oxitocina va incrementar l’expressió del gen del receptor de oxitocina (OXTR) en ambdues soques. Aquesta Tesi Doctoral mostra un patró consistent d’alteracions conductuals i neurobiològiques en rates HS-baixa-IPP i RHA que incrementa la seva validesa aparent, de constructe i predictiva com a models animals de característiques relacionades amb l’esquizofrènia. És important destacar que els nostres resultats donen suport a la idea que el filtratge sensoriomotor està modulat per estructures cerebrals superiors (CPFm) i el balanç cortical E-I.

La esquizofrenia es una enfermedad mental incapacitante que involucra varios síntomas cognitivos, como un filtraje sensoriomotor deteriorado. El filtraje sensoriomotor se puede medir mediante la inhibición prepulso (IPP) de la respuesta de sobresalto. Los estudios en roedores que analizan el impacto de alteraciones cerebrales específicas sobre la IPP han sido muy útiles para aumentar el conocimiento sobre esta deficiencia básica de la esquizofrenia. Estos estudios muestran que los déficits en IPP aparecen junto a otros síntomas, como agitación psicomotora, y alteraciones en el circuito cortico-estriato-pallido-talámico (CEPT). Específicamente, tratamientos que aumentan o disminuyen la actividad del córtex prefrontal medial (CPFm), el hipocampo (HPC) o el núcleo accumbens (NAc) reducen la IPP. Es importante destacar que la desregulación cortical en el balance excitación-inhibición (E-I) se ha propuesto como el principal sustrato subyacente a los síntomas cognitivos de la esquizofrenia. Además, estos estudios muestran que la IPP mejora con varios fármacos antipsicóticos, como el neuropéptido oxitocina, el cual se ha propuesto como antipsicótico natural alternativo. A diferencia de los estudios en roedores, los estudios en humanos evalúan la asociación entre diferencias comportamentales naturales (diagnóstico, síntomas) y cambios neurales. En esta Tesis Doctoral, nos propusimos contribuir a establecer un puente entre los estudios en humanos y roedores y, para ello, exploramos si los déficits naturales en IPP en ratas consanguíneas y no-consanguíneas intactas (i) se asociaban con diferencias en otras conductas relacionadas con la esquizofrenia; (ii) se relacionaban con diferencias funcionales y estructurales en el circuito CEPT; (iii) se atenuaban por la administración de oxitocina. Usamos las ratas consanguíneas Romanas de alta y baja evitación (RHA y RLA), y las ratas no consanguíneas del stock heterogéneo HS. Las RHA muestran menor IPP que las RLA, mientras que las HS se estratificaron en subgrupos según su IPP. Los experimentos planteados también pretendían aumentar la validez aparente, de constructo y predictiva de nuestros animales modelo de características relevantes para la esquizofrenia (RHA y HS-baja-IPP). En relación con las asociaciones conductuales, nuestros resultados muestran que la exploración incrementada en respuesta a la novedad se asocia con déficits en IPP en ratas HS y Romanas. Para estudiar las asociaciones cerebrales estructurales y funcionales con la IPP, combinamos el uso de resonancia magnética estructural y expresión de c-Fos después de la IPP. Encontramos que la baja IPP se asocia con baja actividad del CPFm en ratas Romanas y HS y con un aumento de actividad en el NAc en ratas HS. La baja IPP se asocia también con una disminución del volumen cerebral del CPFm e HPC en ratas Romanas y HS. Además, mediante el uso de inmunofluorescencia después de la IPP, encontramos un menor porcentaje de actividad de interneuronas inhibitorias GABAérgicas de tipo parvalbúmina en el CPFm en ratas RHA que en RLA. Respecto a la administración de oxitocina, ésta aumentó la IPP en ratas HS y RHA, mientras que no afectó la IPP en las RLA. De acuerdo con el efecto diferencial de la oxitocina sobre la IPP (RHA>RLA), los valores constitutivos de expresión del gen CD38 (regulador de la liberación de oxitocina) en el CPFm fueron más bajos en ratas RHA que en las RLA, mientras que la administración de oxitocina incrementó la expresión del gen del receptor de oxitocina (OXTR) en ambas cepas. Esta Tesis Doctoral muestra un patrón consistente de alteraciones conductuales y neurobiológicas en ratas HS-baja-IPP y RHA que incrementa su validez aparente, de constructo y predictiva como animales modelo de características relacionadas con la esquizofrenia. Nuestros resultados apoyan la idea de que el filtraje sensoriomotor está modulado por estructuras cerebrales superiores (CPFm) y el balance cortical E-I.

Schizophrenia is a debilitating mental disorder that involves several cognitive symptoms, including sensorimotor gating impairments. Sensorimotor gating can be measured via prepulse inhibition (PPI) of the startle response, in which the magnitude of a startle stimulus is attenuated by the presence of a pre-stimulus of lower intensity. Rodent studies evaluating the impact of brain-site specific manipulations on PPI have been very useful to provide insights into this basic schizophrenia-like deficiency. These studies show that PPI deficits are frequently accompanied by other symptoms, including psychomotor agitation, as well as alterations in the cortico-striatal-pallido-thalamic (CSPT) circuit. In particular, treatments that increase or decrease the activity of the medial prefrontal cortex (mPFC), hippocampus (HPC), or nucleus accumbens (NAc) reduce PPI. In this context, a dysfunctional cortical excitatory-inhibitory balance has been proposed as the main neural substrate for cognitive dysfunction in schizophrenia. Moreover, these studies show that PPI deficits can be improved by several antipsychotic drugs, including the neuropeptide oxytocin, which has been suggested as an alternative natural antipsychotic. In contrast to these rodent studies, human studies evaluate the association between natural behavioral differences (diagnosis, symptoms) and neural changes. Thus, in this Doctoral Dissertation, we aimed to contribute to bridge the gap between human and rodent studies by exploring whether spontaneous deficits in PPI in intact inbred and outbred rats are (i) associated with divergences in other schizophrenia-related behaviors, (ii) related to functional and structural differences in the CSPT circuit, and (iii) attenuated by oxytocin. Our subjects of study were the inbred Roman high-avoidance (RHA) and Low-avoidance (RLA) rats, and the outbred heterogeneous stock (HS) rats. RHA rats show lower PPI than RLAs, while HS rats were stratified in sub-groups according to their PPI levels. The present experiments also aimed to provide further face, construct, and predictive validity to our animal models of schizophrenia-relevant symptoms (RHA and HS Low-PPI rats). Regarding behavioral associations, our results show that increased exploration in response to novelty is associated with deficient PPI in HS and Roman rats. Moreover, a high anxious profile was found in rats with increased PPI, while no associations were seen with compulsive-like behavior. In relation to brain structural and functional associations with PPI, we combined structural magnetic resonance imaging and c-Fos expression after PPI in both HS and Roman rats. Our results indicate that lower PPI is associated with decreased mPFC activity in both Roman and HS rats and with increased NAc shell activity in HS rats. Reduced PPI is also associated with decreased mPFC and HPC volumes in Roman and HS rats. Additionally, using immunofluorescence after PPI, we observed a lower percentage of active inhibitory GABAergic parvalbumin interneurons in RHA than RLA rats. Regarding oxytocin administration, we found that oxytocin increased PPI in HS rats, attenuated PPI deficits in RHA rats, and did not affect PPI in RLAs. Consistent with the differential oxytocin effects on PPI (RHA>RLA), constitutive CD38 gen expression (regulator of oxytocin release) was reduced in the mPFC of RHA rats compared to the RLAs, while oxytocin administration increased oxytocin receptor (OXTR) gen expression in both strains. This Doctoral Dissertation shows a consistent pattern of behavioral and neurobiological abnormalities in the HS-Low-PPI rats and RHA rats that increases the face, construct, and predictive validity of these rats as models of schizophrenia-related features. Importantly, our results support the idea that sensorimotor gating is modulated by forebrain structures and highlight the relevance of the mPFC and the cortical excitatory-inhibitory balance in its regulation.