Le proiezioni dal Nucleo Soprachiasmatico alla Zona Subparaventricolare: ruolo funzionale del Peptide Vasoattivo Intestinale nel sistema circadiano

Several biological functions display a circadian rhythm, which is the result of the evolutive adaption to the Earth rotation around its axis and thus it is well preserved in almost all the living beings. This adaption implies the presence of a molecular mechanism that works as a clock. In mammals such role is played by the Suprachiasmatic Nucleus (SCN), a small structure in the central nervous system, in the hypothalamus. Its neurons have a molecular gear that determines oscillations with a period of almost 24 hours in the genic expression profile and therefore in the physiology of these cells. In this way, the SCN works as a pacemaker that coordinates and regulates all those biological functions that show circadian variations (e.g.: sleep-wake cycle, body temperature regulation, hormone secretion). In turn this biological clock is synchronized with and entrained to the light-dark cycle thanks to the retinal inputs, via the retino-hypothalamic tract, that convey light information. In particular, these input fibers target the ventral SCN, also called “core”, that is contraposed to the dorsal part or “shell”. These two subdivisions differ both for the input and output projections and for the expression of different neuropeptides. The core neurons express the vasoactive intestinal peptide (VIP), while the shell ones are characterized by the presence of arginine vasopressin (AVP). Above these differences, histochemical results show that SCN neurons co-express also the gamma-amino butirric acid (GABA). It is not clear how the information elaborated by the SCN can influence several biological processes. However, from anatomical and histological works it is known that the main SCN target is the subparaventricular zone (SPZ), a small area that extends dorsally and caudally to the SCN. This thesis’ work focuses on the functional characterization of such projections, in particular on those from the VIP-expressing neurons in the core SCN to the SPZ. Thanks to the optogenetic stimulation, it has been demonstrated that the connection SCN/VIP+ -> SPZ involves the release of GABA, inhibiting the targeted neurons. That it has been elettrophysiologically investigated, thanks to the patch-clamp technique, the effect that the VIP release exert on the SPZ neurons. In particular, it has been evaluated the modulatory action of the VIP in the firing frequency, on the kinetic properties of the spontaneous inhibitory postsynaptic current (sIPSCs) and on their amplitude and frequency. The potential VIP modulation of the probability of GABA release on SPZ neurons has also been evaluated thanks the quantitative analysis of the miniature inhibitory postsynaptic currents (mIPSCs).

Molte funzioni dell'organismo mostrano un ritmo circadiano, che è il risultato dell’adattamento evolutivo alla rotazione terrestre attorno al proprio asse ed è, perciò, ben conservato in tutti gli organismi. Tale adattamento presuppone la presenza di un meccanismo biologico che funga da “orologio”. Nei mammiferi tale ruolo è ricoperto dal Nucleo Soprachiasmatico (SCN), una piccola struttura presente nel sistema nervoso centrale, a livello dell'ipotalamo. I neuroni di quest’area presentano un meccanismo molecolare che determina oscillazioni con un periodo di circa 24 ore nel profilo di espressione genica e, in ultima analisi, nella fisiologia di queste cellule. In questo modo, il SCN funge da pacemaker, coordinando e regolando tutte quelle funzioni biologiche che mostrano variazioni circadiane (es: ciclo sonno-veglia, regolazione delle temperatura corporea, secrezione di ormoni). A sua volta questo orologio biologico viene sincronizzato e ancorato al ciclo luce-buio grazie agli input luminosi provenienti dalla retina, attraverso il tratto retino-ipotalamico. In particolare, queste proiezioni giungono alla zona ventrale del SCN, altrimenti definito “core”, che si contrappone alla zona più dorsale, definita “shell”. Queste due subdivisioni si differenziano, in parte, per le proiezioni in entrata e in uscita, ma soprattutto per l’espressione di diversi neuropeptidi. In particolare, il neuroni del core esprimono il Peptide Vasoattivo Intestinale (VIP), mentre quelli più dorsali si caratterizzano per la presenza di Vasopressina (AVP). Al di là di queste differenze, dai risultati di tecniche di istochimica, i neuroni del SCN co-esprimono anche l’acido gamma ammino butirrico (GABA). Non è ancora ben chiaro come le informazioni elaborate dal SCN vengano utilizzate per influenzare i diversi processi biologici. Da lavori di anatomia e istologia è noto che il principale target su cui convergono le proiezioni del SCN è la Zona Subparaventricolare (SPZ), una piccola area che si estende dorsalmente e caudalmente al SCN. Il lavoro di questa tesi si focalizza sulla caratterizzazione funzionale di queste proiezioni, in particolare di quelle che i neuroni VIPergici del “core” mandano alla SPZ. Grazie alla stimolazione optogenetica è stato verificato che la connessione SCN/VIP+ -> SPZ induce il rilascio di GABA inibendo i neuroni di quest’area. È stato poi indagato, da un punto di vista elettrofisiologico, grazie alla tecnica del patch-clamp, l’effetto che il rilascio di VIP ha sui neuroni della SPZ e sulla modulazione degli input sinaptici che convergono su quest’area. In particolare è stata valutata l’azione modulatoria del VIP sulla frequenza di scarica dei potenziali d’azione, sulle proprietà cinetiche delle correnti sinaptiche spontanee (sPSCs), sulla loro ampiezza e frequenza. La possibile modulazione, sempre ad opera del VIP, della probabilità di rilascio del neurotrasmettitore GABA sulle stesse sinapsi formate dalle proiezioni che dal SCN convergono sulla regione SPZ è stata inoltre valutata mediante l’analisi delle correnti sinaptiche inibitorie in miniatura (mIPSC).