Autism spectrum disorder (ASD) is a set of complex neurodevelopmental conditions whose occurrence has increased progressively over the past decades. Considering its pervasiveness and negative impact on the autistic subjects, their families, and the society as whole, deepened investigations on ASD pathogenesis have become crucial. Despite many studies have been conducted, little is known about the altered physiological mechanisms in the main brain areas involved in ASD. Animal models represent a useful strategy to investigate impaired events in the brain underlying autistic phenotypes. Recently, the IB2 knock-out (KO) mouse has been proposed as an interesting model of ASD, since the human IB2 orthologous gene is virtually co-deleted with the SHANK3 gene in all Phelan-McDermid syndrome cases and in some ASD cases as well. Important aspects have been highlighted studying the cerebellar cortex granular layer of mice that lack the IB2 gene. Particularly, evidences showed an aberrant increase of the NMDA receptor mediated current with an increment of the E/I ratio, an enhanced LTP at mossy fiber -granule cell synapses and, eventually, dysfunctions in the center-surround configuration. Starting from all these evidences and considering the connections between cerebellum and prefrontal cortex (PFC), this project was focused on identifying dysfunctions in the PFC layer 5 (L5) of IB2 KO mice, which can be considered as downstream consequences of cerebellar cortex alterations. The experimental design was based on a single-cell approach, and all the investigations were specifically performed on the soma of L5 pyramidal cells of both wild-type (WT) and IB2 KO mice through the whole-cell patch-clamp technique. In the current-clamp mode, intrinsic membrane properties and spiking activity of L5 pyramidal neurons have been deeply investigated and compared between the WT and IB2 KO groups. Definitively, two altered aspects have been highlighted in IB2 KO L5 pyramidal cells: the increased spiking ability and the slow spike frequency adaptation ratio. Both are involved in supporting an enhanced intrinsic excitability in these pyramidal cells. Since the excitability is similarly altered in IB2 KO granule cells, and because direct projections from the cerebellar cortex to the PFC exist, dysregulations of the neuronal intrinsic excitability in the PFC may be effectively the downstream consequence of impairments in the cerebellar cortex of IB2 KO mice. Further investigations will be needed to also explore changes in synaptic transmission and plasticity, but also to evaluate dysfunctions in the entire IB2 KO PFC microcircuitry. Eventually, validating impairments in the IB2 KO PFC, through a multi-level approach, will lead to consider a wider scenario in which both cerebellum and PFC, directly interconnected, take a crucial part in the ASD pathogenesis.
Il disturbo dello spettro autistico (DSA) è un insieme di condizioni complesse del neurosviluppo la cui insorgenza è aumentata progressivamente negli ultimi decenni. Considerando la sua pervasività e l'impatto negativo sui soggetti autistici, sulle loro famiglie e sulla società nel suo insieme, le indagini approfondite sulla patogenesi del DSA sono diventate cruciali. Nonostante molti studi siano stati condotti, poco si sa riguardo ai meccanismi fisiologici alterati nelle principali aree cerebrali coinvolte in questo disturbo. I modelli animali rappresentano un'utile strategia per indagare gli eventi alterati nel cervello che sono alla base di fenotipi autistici. Recentemente, il topo knock-out (KO) IB2 è stato proposto come un modello interessante di DSA, poiché il gene ortologo IB2 umano è virtualmente deleto insieme al gene SHANK3 in tutti i casi di sindrome di Phelan-McDermid e anche in alcuni casi di DSA. Aspetti importanti sono stati evidenziati studiando lo strato granulare della corteccia cerebellare di topi privati del gene IB2. In particolare, le evidenze hanno rilevato un aumento aberrante della corrente mediata dal recettore NMDA con un incremento del rapporto E/I, un potenziamento della plasticità a lungo termine a livello delle sinapsi tra le fibre muscoidi e le cellule granulari, ed infine, disfunzioni nella configurazione center-surround. A seguito di tutte queste evidenze e considerando le connessioni dirette tra cervelletto e corteccia prefrontale (prefrontal cortex, PFC), questo progetto si è concentrato sull'identificazione di disfunzioni nello strato 5 della corteccia prefrontale di topi IB2 KO, le quali possono essere considerate come conseguenze a valle di alterazioni della corteccia cerebellare. Il disegno sperimentale si è basato su un approccio a singola cellula e, precisamente, tutte le indagini sono state eseguite dal soma di cellule piramidali dello strato 5 di topi di controllo e topi IB2 KO attraverso la tecnica del whole-cell patch-clamp. Nella modalità di current-clamp, le proprietà intrinseche di membrana e l'attività di scarica dei neuroni piramidali dello strato 5 sono state studiate a fondo e confrontate tra i gruppi WT e IB2 KO. In definitiva, sono stati evidenziati due aspetti alterati nelle cellule piramidali IB2 KO dello strato 5: una maggiore capacità di scarica e un lento adattamento della frequenza di scarica. Entrambi questi aspetti prendono parte nel promuovere una maggiore eccitabilità intrinseca in queste cellule piramidali. Dato che tale eccitabilità è similmente alterata nei granuli IB2 KO e poiché esistono proiezioni dirette dalla corteccia cerebellare alla corteccia prefrontale, disfunzioni dell’eccitabilità intrinseca neuronale individuate nella corteccia prefrontale potrebbero effettivamente essere la conseguenza a valle di disturbi riscontrati nella corteccia cerebellare di topi IB2 KO. Ulteriori indagini saranno necessarie per esplorare anche i cambiamenti nella trasmissione sinaptica e nella plasticità, ma anche per valutare disfunzioni nell'intero microcircuito della corteccia prefrontale di topi IB2 KO. Alla fine, la convalida di anomalie nella corteccia prefrontale di topi IB2 KO, attraverso un approccio multilivello, porterà a considerare uno scenario più ampio in cui sia il cervelletto che la corteccia prefrontale, direttamente interconnessi, assumono un ruolo cruciale nella patogenesi del DSA.
The contribution of prefrontal cortex and cerebellum in the IB2 KO mouse model of autism. (Il contributo della corteccia prefrontale e del cervelletto nel modello autistico murino IB2 KO)
PALI, ELEONORA
2019/2020
Abstract
Autism spectrum disorder (ASD) is a set of complex neurodevelopmental conditions whose occurrence has increased progressively over the past decades. Considering its pervasiveness and negative impact on the autistic subjects, their families, and the society as whole, deepened investigations on ASD pathogenesis have become crucial. Despite many studies have been conducted, little is known about the altered physiological mechanisms in the main brain areas involved in ASD. Animal models represent a useful strategy to investigate impaired events in the brain underlying autistic phenotypes. Recently, the IB2 knock-out (KO) mouse has been proposed as an interesting model of ASD, since the human IB2 orthologous gene is virtually co-deleted with the SHANK3 gene in all Phelan-McDermid syndrome cases and in some ASD cases as well. Important aspects have been highlighted studying the cerebellar cortex granular layer of mice that lack the IB2 gene. Particularly, evidences showed an aberrant increase of the NMDA receptor mediated current with an increment of the E/I ratio, an enhanced LTP at mossy fiber -granule cell synapses and, eventually, dysfunctions in the center-surround configuration. Starting from all these evidences and considering the connections between cerebellum and prefrontal cortex (PFC), this project was focused on identifying dysfunctions in the PFC layer 5 (L5) of IB2 KO mice, which can be considered as downstream consequences of cerebellar cortex alterations. The experimental design was based on a single-cell approach, and all the investigations were specifically performed on the soma of L5 pyramidal cells of both wild-type (WT) and IB2 KO mice through the whole-cell patch-clamp technique. In the current-clamp mode, intrinsic membrane properties and spiking activity of L5 pyramidal neurons have been deeply investigated and compared between the WT and IB2 KO groups. Definitively, two altered aspects have been highlighted in IB2 KO L5 pyramidal cells: the increased spiking ability and the slow spike frequency adaptation ratio. Both are involved in supporting an enhanced intrinsic excitability in these pyramidal cells. Since the excitability is similarly altered in IB2 KO granule cells, and because direct projections from the cerebellar cortex to the PFC exist, dysregulations of the neuronal intrinsic excitability in the PFC may be effectively the downstream consequence of impairments in the cerebellar cortex of IB2 KO mice. Further investigations will be needed to also explore changes in synaptic transmission and plasticity, but also to evaluate dysfunctions in the entire IB2 KO PFC microcircuitry. Eventually, validating impairments in the IB2 KO PFC, through a multi-level approach, will lead to consider a wider scenario in which both cerebellum and PFC, directly interconnected, take a crucial part in the ASD pathogenesis.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/12630