Riassunto analitico
Il giro dentato dell’ippocampo è una delle due regione del cervello di mammifero in cui avviene neurogenesi durante la vita adulta. E’stato dimostrato in precedenza che i topi knockout omozigoti per il gene Emx2 (un gene omeotico omologo di Drosphila empty spiracle, coinvolto nello sviluppo embrionale di corteccia cerebrale, ippocampo e di alcuni organi periferici come gonadi, reni e scapola) presentano un’ablazione selettiva e totale del giro dentato e muoiono poche ore dopo la nascita. In questo lavoro dimostriamo che l’animale Emx2 +/- adulto non ha grossolane alterazioni neuroanatomiche eccetto un’ipotrofia del giro dentato. Usando tecniche istologiche e immunoistochimche abbiamo dimostrato nel topo adulto Emx2 +/- una riduzione di circa il 40% del numero di precursori neurogenici, di cellule proliferanti a diversi stadi di maturazione e di corpi cellulari di granuli maturi, dendriti apicali e mossy fibers . Abbiamo poi scoperto diverse alterazioni strutturali e funzionali nel sistema di input e output del DG, che includono: un’alterazione quantitativa e qualitativa nelle spine dendritiche delle cellule granulari; una ipotrofia dei neuroni del secondo strato della corteccia entorinale ed una diminuita LTP della via perforante. Inoltre dimostriamo un’aumentata apoptosi nello strato piramidale di CA3, una diminuzione della generazione di terminali nervosi nelle mossy fiber, con però LTP normale. Abbiamo poi condotto diversi test in modo da studiare il risultato comportamentale che deriva da queste alterazioni del circuito ippocampale dovute ad una ridotta neurogenesi. Abbiamo dimostrato che il topo Emx2 +/- ha una ridotta performance in diversi compiti di apprendimento e memoria spaziale legati al funzionamento dell’ippocampo, come il Morris water maze, il novel object recognition, il contextual fear conditioning e il pattern completion. Non abbiamo però trovato nessun deficit in un compito di pattern separation, una funzione che si conosce essere fortemente dipendente dall’inserzione di granuli immaturi nei circuiti del giro dentato, suggerendo che potrebbe essere necessaria una più completa ablazione della neurogenesi per osservare questo tipo di deficit, o che questa particolare caratteristica non dipenda esclusivamente dal numero di nuovi neuroni generati, ma da un rapporto tra nuovi e vecchi granuli, rapporto che è mantenuto nel topo Emx2 +/-. Questa ricerca è di particolare interesse perché mostra il complesso riarrangiamento di circuiti e, conseguentemente, di funzioni ippocampali quando è presente a lungo termine una parziale ablazione della neurogenesi adulta, una condizione che si ritrova in molte patologie neuropsichiatriche croniche come il morbo di Alzheimer o la depressione maggiore. Inoltre questo studio supporta l’ipotesi che polimorfismi o mutazioni che riducono il funzionamento di Emx2 possano causare deficit cognitivi durante lo sviluppo o aumentare la suscettibilità a sviluppare malattie neuropsichiatriche caratterizzate da ridotta neurogenesi e circuiti ippocampali anormali.
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Abstract
The hippocampal dentate gyrus is one of the two mammalian brain regions where neurogenesis takes place throughout the entire life. It was previously shown that knockout mice lacking Emx2, an homeobox gene homologous to Drosphila empty spiracle gene involved in the development of cerebral cortex, hippocampus and peripheral organs like gonads, kidneys and scapula, have a selective total ablation of dentate gyrus, and die at birth. In this work we show that adult Emx2+/- mice have no gross neuroanatomical alterations except a hypotrophy of DG. Using histological and immunohistochemical techniques we discovered that there is roughly a 40% decrease in the number of neurogenetic precursors and proliferating cells at different stages of maturation, and mature granule cell (GC) somata, apical dendrites and mossy fibres in adult Emx2+/- mice. In addition, we saw a number of structural and functional alterations in DG input and output, that include quantitative and qualitative alterations in GC dendritic spines, hypotrophy of entorhinal cortex layer II neurons, and decreased perforant path long term potentiation (LTP) as well as increased apoptosis in CA3 pyramidal cell layer, decrease in mossy fibres but sprouting of mossy fibre nerve terminals and maintained mossy fibre LTP. We then carried out many tests on these mice in order to study the behavioural output of this alteration in hippocampal circuits deriving from reduced hippocampal neurogenesis throughout life. We saw that Emx2+/- mice show impairments in the performance of a number of hippocampus-dependent spatial learning and memory tasks like Morris water maze, novel object recognition, contextual fear conditioning and pattern completion. However, we did not find any impairment in pattern separation, that is known to strongly depend on immature GC insertion in DG circuits, suggesting that a more complete ablation of neurogenesis could be needed to see this kind of deficit or, more interestingly, that this particular feature could depend not just on the number of newly born granule cells, but more on the ratio between old and new neuron, an aspect that is maintained in the Emx2 +/- mice. This research could be of particular interest because it shows the complex rearrangements in hippocampal circuits and functions that take place when a long-term partial ablation of adult neurogenesis occurs, a situation known to happen in many chronic neuropsychiatric diseases, like Alzheimer’s disease and major depression. Moreover, this study supports the hypothesis that polymorphisms or mutations that reduce Emx2 function may cause developmental cognitive impairments or confer increased susceptibility to develop neuropsychiatric diseases characterized by impaired neurogenesis and abnormal hippocampal circuits.
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