La microglía prefrontal actúa sobre el desarrollo cognitivo durante la adolescencia

Eficacia, transitoriedad y selectividad del agotamiento de la microglía inducida por CDS en el PFC de ratones adolescentes. (A) Imágenes representativas de Iba1+ microglia (verde) en el PFC medial de ratones adolescentes que recibieron cirugía simulada o inyección intra-PFC bilateral de PBS o CDS. Las imágenes se tomaron 1, 5, 10 y 20 días después de la inyección (dpi). Los gráficos de barras muestran el número de Iba1+ microglia en el PFC medial en diferentes intervalos de dpi. *P < 0,05, **P < 0,01 y ***P < 0,001 [pruebas post hoc siguiendo ANOVA a 1 dpi: F(2,12) = 12,7, P < 0,01; a 5 ppp: F(2,12) = 140,5, P < 0,001]; N = 5 ratones por grupo y dpi. (B) Superposiciones codificadas por colores de secciones coronales de PFC tomadas de cinco ratones por grupo (PBS o CDS), en las que cada punto representa una célula microglial Iba1+. Tenga en cuenta la reducción de la densidad de células microgliales en la porción medial de PFC de ratones CDS, como se indica con el símbolo (*). (C) Expresión de genes [log2 fold change (FC)] que definen microglía, astrocitos, neuronas, oligodendrocitos y células endoteliales en CDS en relación con ratones PBS a 5 ppp; los genes significativamente alterados se indican con el símbolo (*), en función de FDR q < 0,05, como se indica en la fig. S6 y tabla S1; N = 5 ratones por grupo. Crédito: Avances científicos (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abi6672

La corteza prefrontal (PFC) es una región del cerebro que regula las funciones cognitivas, y una característica distintiva de la región es la maduración adolescente prolongada, para adquirir habilidades cognitivas maduras en la edad adulta. En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances, Sina M. Schalbetter y un equipo de investigación en farmacología, neurología e inmunología de Suiza, Alemania, EE. Los resultados indicaron cómo la deficiencia transitoria y específica de la célula de la microglía prefrontal en la adolescencia indujo suficientemente la aparición en la edad adulta de alteraciones de la PFC en las funciones cognitivas, la complejidad dendrítica y las estructuras sinápticas. Si bien los defectos en la microglía prefrontal en la adolescencia podrían alterar el equilibrio excitatorio-inhibitorio en los circuitos prefrontales adultos, el equipo no observó secuelas cognitivas cuando la microglía prefrontal se agotaba en la edad adulta. Por lo tanto, los hallazgos identificaron la adolescencia como un período de tiempo sensible para que la microglía prefrontal impacte en el desarrollo cognitivo.

Maduración del PFC

El PFC forma el polo anterior del cerebro de los mamíferos y proporciona un control ejecutivo «de arriba hacia abajo» en relación con una variedad de procesos cognitivos, incluida la toma de decisiones, el comportamiento dirigido a objetivos, atención, flexibilidad cognitiva y memoria de trabajo. Como característica distintiva, el PFC mantiene una maduración prolongada que se mantiene a lo largo de la adolescencia hasta la edad adulta temprana para adquirir habilidades cognitivas maduras. Por lo tanto, el PFC es la última región del cerebro en alcanzar la madurez completa en humanos y roedores. Después del nacimiento, el PFC experimenta un refinamiento sustancial del circuito neuronal y conexiones sinápticas para adaptar los circuitos prefrontales para responder de manera óptima a las demandas cambiantes, que ocurren durante la transición de la adolescencia a la edad adulta. Las alteraciones en las estructuras y funciones de la PFC suelen estar fuertemente asociadas con trastornos psiquiátricos importantes, como la esquizofrenia y el trastorno bipolar. El refinamiento sináptico está cada vez más involucrado en las acciones dinámicas de la microglía, las células inmunitarias residentes del parénquima cerebral. Durante la neurogénesis y el desarrollo del cerebro, las células microgliales surgen de las células progenitoras eritromieloides en el saco vitelino para luego colonizar el cerebro durante el desarrollo fetal temprano y retener la capacidad de autorrenovación en el cerebro adulto. La microglía contribuye a remodelar los circuitos cerebrales y las conexiones sinápticas a través de mecanismos fagocíticos y no fagocíticos y puede mediar en el refinamiento sináptico en diversas regiones del cerebro, incluido el PFC. Sin embargo, queda por conocerse el desarrollo de la cognición madura en relación con la funcionalidad de la PFC adulta. Para lograr esto, Schalbetter et al. estableció un sistema modelo para estudiar la concentración de microglía en la estructura y maduración funcional de PFC en ratones.

La deficiencia de microglía prefrontal en la adolescencia altera las funciones cognitivas del adulto. (A) Fase 1 (D, objeto ficticio; M, ratón desconocido) y fase 2 (F, ratón familiar; N, ratón novedoso) de la prueba de interacción social. Los gráficos de barras muestran el índice de preferencia social (fase 1) y el índice de memoria social (fase 2), mientras que los gráficos de líneas representan tiempos de exploración absolutos en cualquiera de las fases. P < 0,001 [efecto principal general del objeto: F(1,18) = 20,7]; *P < 0,05 [t(18) = 2,84]; +P < 0,01 [efecto principal del objeto en ratones PBS: F(1,9) = 16,7]. (B) Las gráficas de porcentaje representan la cantidad de tiempo porcentual que explora el objeto izquierdo (L) o derecho (R) en las fases de muestra 1 y 2 de la prueba de memoria de orden temporal. El gráfico de barras muestra el índice de memoria de orden temporal durante la fase de prueba. **P < 0,01 [t(18) = 2,98]. (C) Porcentaje de tiempo de congelación durante las fases de habituación, adquisición y expresión (gráficos de línea izquierda y media) y tasa de extinción (% de cambio de los niveles de congelación medidos durante la fase de expresión; gráfico de línea derecha) durante la prueba de miedo contextual. Las flechas indican la presentación del shock del pie. **P < 0,01, basado en pruebas post hoc después de ANOVA [interacción de días de tratamiento: F(3,54) = 2,9, P < 0,05]. N = 10 ratones en cada grupo y prueba. Crédito: Avances científicos (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abi6672 Los experimentos PFC y modelos de ratón

Mientras que los neurocientíficos ya han desarrollado varios modelos genéticos y farmacológicos para la manipulación de microglía específica de células. Schalbetter et al. optó por regular la microglía selectivamente en la PFC durante un período de tiempo restringido, sin inducir efectos inespecíficos en las células inmunitarias periféricas u otras células del sistema nervioso central. Los científicos utilizaron la inyección estereotáxica de sal disódica de clodronato (CDS) para inducir la apoptosis selectiva de la microglía mediante la inhibición de la translocasa mitocondrial de adenosina 5-difosfato/adenosina 5-trifosfato (ATP) para la modulación mitocondrial. Este fue el método más adecuado para agotar la microglía de forma selectiva y experimental del PFC durante la adolescencia en un modelo animal. El enfoque experimental de pérdida de función transitoria mostró cómo el agotamiento de la microglia prefrontal durante la adolescencia indujo cambios duraderos en la cognición asociada a PFC y las estructuras sinápticas. El equipo realizó los experimentos con ratones de seis semanas de edad y eligió este período de tiempo como una ventana crítica de refinamiento sináptico y remodelación dendrítica dentro del PFC en maduración. El período de tiempo coincidió con una mayor expresión prefrontal de los genes que definen la microglía y el componente 3 del complemento, el último de los cuales es relevante para la remodelación sináptica a través de la microglía. Los científicos utilizaron una cohorte de ratones de control que se sometieron a una cirugía simulada y una cohorte de ratones de control que recibieron inyecciones de solución salina tamponada con fosfato, además de los ratones inyectados con CDS. La cohorte de ratones CDS mostró una reducción transitoria en el número de células microgliales positivas de la molécula 1 del adaptador de unión al calcio ionizado en el PFC que abarca las cortezas cingulada anterior, prelímbica e infralímbica. Los cambios comenzaron a surgir un día después de la inyección (dpi) y alcanzaron su punto máximo cinco días después y se normalizaron 10 días después de la inyección.

La deficiencia de microglía prefrontal en la adolescencia conduce a cambios dinámicos en la captación microglial de partículas sinápticas. (A) La fotomicrografía muestra una imagen Z-stack representativa de una tinción de doble IF usando Iba1 (verde) como marcador microglial y Bassoon (rojo) como marcador presináptico antes (arriba) y después (abajo) de la representación y reconstrucción de la superficie con la imagen de Imaris programa de analisis Los puntos presinápticos Bassoon+ que se colocalizan con microglia Iba1+ aparecen en amarillo en la tinción IF sin procesar, mientras que los puntos presinápticos Bassoon+ que residen dentro de la microglia aparecen como puntos rojos en la imagen reconstruida. (B) Cuantificación de los puntos presinápticos de Bassoon+ que residen dentro de la microglía en diferentes días después de la inyección. Tenga en cuenta que el número de puntos sinápticos Bassoon+ disminuyó en la microglía prefrontal de ratones inyectados con CDS a 10 dpi [*P < 0,05, t(8) = 2,72], mientras que aumentó en ratones CDS a 20 dpi [**P < 0,01, t(8) = 4,28]. No hubo diferencias significativas entre los grupos a 40 ppp. Todos los datos son medios SEM con valores individuales superpuestos; N = 5 ratones por grupo y dpi. Crédito: Avances científicos (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abi6672

Monitoreo de los déficits cognitivos en adultos después de la deficiencia de microglía prefrontal en la adolescencia

Schalbetter et al. examinó cómo la deficiencia de microglía prefrontal podría influir en el desarrollo conductual y cognitivo durante la adolescencia. Para ello, sometieron a las cohortes de ratones a inyecciones de CDS (sal disódica de clodronato) o PBS (control de tampón) y les permitieron crecer hasta la edad adulta. A las 12 semanas, el equipo comenzó a realizar pruebas de comportamiento en adultos, incluido el comportamiento de acercamiento social, la memoria de reconocimiento social, la memoria de orden temporal y la extinción del miedo contextual. Los resultados destacaron un comportamiento social intacto en ambos grupos, aunque los ratones CDS no pudieron discriminar entre un ratón nuevo y uno familiar, lo que demostró una memoria de reconocimiento social deteriorada. De manera similar, los ratones CDS adultos mostraron una memoria de orden temporal deteriorada para los objetos, para mostrar el impacto a largo plazo de los déficits cognitivos que surgen de la adolescencia. Los resultados mostraron cómo los ratones con agotamiento transitorio de microglia prefrontal en la adolescencia desarrollaron déficits cognitivos relacionados con PFC en la edad adulta.

La deficiencia de microglía prefrontal en la adolescencia induce cambios sinápticos estructurales en las neuronas piramidales del PFC adulto. (A) Tinción IF representativa de una neurona piramidal llena de biocitina reconstruida con el software de análisis de imágenes Imaris (izquierda), con esferas concéntricas aplicadas digitalmente (espaciado de 20 m) desde el centro del soma (derecha). El gráfico de líneas representa el número de intersecciones dendríticas frente a la distancia radial desde el soma. *P < 0,05, basado en pruebas post hoc siguiendo ANOVA [interacción de distancia de tratamiento: F(15,180) = 2,7, P < 0,01]; N = 7 ratones por grupo. (B) Tinción representativa de doble IF usando VGLUT1 (rojo) como presináptico y PSD-95 (verde) como marcadores postsinápticos de neuronas excitatorias. Las sinapsis colocalizantes VGLUT1+/PSD-95+ se resaltan mediante círculos blancos en secciones ampliadas. El diagrama de dispersión muestra la densidad (números por milímetro cuadrado) de sinapsis VGLUT1+/PSD-95+ en el PFC medial de ratones PBS (N = 9) y CDS (N = 10). **P < 0,01, t(17) = 2,97. (C) Tinción representativa de doble IF usando VGAT (rojo) como presináptico y gefirina (verde) como marcadores postsinápticos de neuronas inhibidoras. Las sinapsis colocalizantes de VGAT+/Gephyrin+ se destacan mediante círculos blancos en secciones ampliadas. El diagrama de dispersión muestra la densidad (números por milímetro cuadrado) de sinapsis VGAT+/Gephyrin+ en el PFC de ratones PBS (N = 9) y CDS (N = 10). **P < 0,01, t(17) = 2,88. (D) La fotomicrografía muestra una tinción IF representativa de una sección dendrítica piramidal llena de biocitina antes (arriba) y después (abajo) de la representación de la superficie con Imaris. Las diferentes clases de espinas (1, filopodia; 2, largas y delgadas; 3, hongo; y 4, espinas rechonchas) se resaltan en diferentes colores en la imagen renderizada en la superficie. Los diagramas de dispersión muestran el número de espinas diferentes. *P < 0,05, t(12) = 3,22; N = 7 ratones por grupo. Crédito: Avances científicos (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abi6672

Déficits sinápticos en adultos después de una deficiencia transitoria de microglía prefrontal en la adolescencia

En relación con el rol emergente de la microglía durante el refinamiento sináptico, Schalbetter et al. estudió cómo el agotamiento transitorio de la microglía prefrontal en la adolescencia alteraba el desarrollo y las funciones sinápticas. Durante los experimentos, el equipo utilizó el análisis de vías de ingenio para la predicción de redes funcionales de genes que se expresaron diferencialmente en el PFC en el pico del agotamiento de la microglía inducida por CDS. Con la disminución de la densidad de células microgliales, los ratones CDS mostraron una expresión génica alterada para sugerir cómo la deficiencia aguda de microglia en el PFC adolescente podría afectar los procesos transcripcionales relacionados con la remodelación del circuito neuronal. La interferencia tuvo un impacto a largo plazo, causando la desregulación de las redes funcionales para inducir cambios persistentes en los circuitos neuronales y las estructuras sinápticas en la edad adulta después del tratamiento con CDS en la adolescencia. Atribuyen el resultado a una probable interferencia del proceso de maduración en el PFC durante la transición de la adolescencia a la edad adulta. Luego proporcionaron una ventana de vulnerabilidad para las secuelas cognitivas y sinápticas posteriores a la deficiencia microglial prefrontal para mostrar cómo el agotamiento de la microglía prefrontal en la preadolescencia condujo a un espectro de anomalías sinápticas adultas.

La deficiencia de la microglía prefrontal en la preadolescencia provoca comportamientos selectivos y cambios cognitivos en la edad adulta. (A) Fase 1 (D, objeto ficticio; M, ratón desconocido) y fase 2 (F, ratón familiar; N, ratón novedoso) de la prueba de interacción social. Los gráficos de barras muestran el índice de preferencia social en la fase 1 (los valores > 0 representan una preferencia hacia M) y el índice de memoria social en la fase 2 (los valores > 0 representan una preferencia hacia N), mientras que los gráficos de líneas representan tiempos de exploración absolutos en cualquier fase. . *P < 0,05 [t(34) = 2,6]; P < 0,001 [F(1,34) = 46,7], lo que refleja el efecto principal general del objeto en la fase 1; +P < 0,05, lo que refleja la diferencia entre los ratones PBS y CDS en términos del tiempo dedicado a explorar el ratón vivo, según las pruebas post hoc después de ANOVA [interacción del objeto de tratamiento: F(1,34) = 3,8, P < 0,05]; #P 0 representan una preferencia hacia el objeto temporalmente más remoto presentado en la fase de muestra 1). (C) Porcentaje de tiempo de congelación durante las fases de habituación, adquisición y expresión (gráficos de línea izquierda y media) y tasa de extinción (% de cambio de los niveles de congelación medidos durante la fase de expresión; gráfico de línea derecha) durante la prueba de miedo contextual. Las flechas indican la presentación del shock del pie. *P < 0,05 y **P < 0,01, basados en pruebas post hoc después de ANOVA de medidas repetidas [interacción de días de tratamiento: F(3,102) = 3,2, P < 0,05]. Todos los datos son medios SEM con valores individuales superpuestos; N = 18 ratones macho en cada grupo y prueba. Crédito: Avances científicos (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abi6672 Outlook

De esta manera, Sina M. Schalbetter y sus colegas demostraron cómo la maduración prolongada del PFC es vital para adquirir habilidades cognitivas maduras en la edad adulta. Usando un modelo animal, mostraron cómo la microglía regulaba el proceso de maduración, para la deficiencia específica de células de la microglía prefrontal con deficiencias sinápticas/cognitivas duraderas hasta la edad adulta. Los científicos identificaron cambios dinámicos en el engullimiento sináptico mediado por microglía después de inducir la deficiencia de microglía en PFC adolescentes, en apoyo de esta noción. El equipo identificó ventanas críticas de vulnerabilidad para las secuelas cognitivas posteriores a la interferencia experimental y también destacó los límites del estudio. El trabajo mostró la adolescencia como un período crítico para influir en la microglía prefrontal durante el desarrollo cognitivo. El modelo experimental ofrece la oportunidad de investigar la fisiopatología de las funciones microgliales deterioradas en los trastornos del desarrollo neurológico para comprender la etiología de los trastornos cerebrales que tienen un inicio típico en la adolescencia tardía y la edad adulta temprana.

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Las redes de astrocitos en el cerebro del ratón controlan el aprendizaje espacial y la memoria Más información: Sina M. Schalbetter et al, La adolescencia es un período sensible para que la microglía prefrontal actúe sobre el desarrollo cognitivo , Avances científicos (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abi6672

Etienne Koechlin et al, The Architecture of Cognitive Control in the Human Prefrontal Cortex, Science (2003).DOI: 10.1126/science.1088545 Información del diario: Avances científicos , Ciencia