Caratterizzazione Funzionale della Dinamica dei Circuiti Corticali Cerebellari nel Lobulo VI in un Modello Murino con Delezione 22q11.2: Approfondimenti dalla Tecnologia HD-MEA

Schizophrenia (SZ) is a complex neurodevelopmental disorder characterized by widespread alterations in brain structure and network dynamics. Dysregulation of neurotransmitter systems, particularly dopamine signaling, remains a central pathophysiological hypothesis. Increasingly, the disorder is conceptualized as a circuit-level dysfunction emerging during critical periods of brain maturation. Although cerebellar abnormalities are consistently reported in SZ, it remains unclear whether cerebellar microcircuit function is already disrupted at early developmental stages corresponding to disease onset. The 22q11.2 deletion represents one of the strongest genetic risk factors for SZ, and corresponding mouse models provide a translational platform to determine whether defined genetic vulnerability leads to early microcircuit dysfunction in the cerebellum. Here, we investigated cerebellar network function in early age (P18-23) heterozygous Del(16Dgcr2–Hira)1Tac mice (Df(16)/+) using High-Density Multielectrode Array recordings in acute ex vivo parasagittal slices of lobule VI (a region highly involved in cognitive processing). Spontaneous Purkinje cell activity, mossy fiber–evoked local field potentials (LFPs), and long-term synaptic plasticity were examined. Additional pharmacological manipulations in wild-type tissue were performed to define dopaminergic regulation of cerebellar microcircuit function and to establish a mechanistic framework for future evaluation in the disease model. This includes assessment of D1/D2 receptor antagonists and Clozapine. Preliminary data showed increased Purkinje cell firing in Df(16)/+ mice compared with wild-type, suggesting hyperexcitability of cerebellar cortical output. Mossy fiber-granule cell transmission (LFPs: including N2A and N2B components) was altered in the Df(16)+ model. High-frequency stimulation was found to induce a marked change in long term plasticity, with wild-type slices showing heterogeneous LTP/LTD responses and Df(16)/+ slices showing predominantly LTD-like plasticity with no LTP-like responses. To establish the endogenous neuromodulatory architecture of this circuit, dopaminergic regulation was characterised in wild-type tissue. D1 but not D2 receptor–dependent signaling robustly modulated Purkinje cell excitability, and dopamine bidirectionally influenced granule layer synaptic responses. Similarly, Clozapine perfusate exerts a modulatory impact on the cerebellar cortical output signals and input plasticity. Immunofluorescence analysis confirmed D1 and D2 receptor immunoreactivity within Purkinje and granule cell layers, providing anatomical support for the functional findings. Collectively, these results identify early cerebellar microcircuit dysfunction in the 22q11.2 model at a stage corresponding to SZ onset. The delineation of dopaminergic control in wild-type tissue establishes the circuit’s modulatory architecture and defines a mechanistic platform for subsequent disease-focused studies.Keywords: 22q11.2 deletion; cerebellum; schizophrenia; high-density microelectrode array; Purkinje cells; dopamine; synaptic plasticity; clozapine

La schizofrenia (SZ) è un complesso disturbo del neurosviluppo caratterizzato da alterazioni diffuse della struttura cerebrale e della dinamica delle reti neurali. La disregolazione dei sistemi di neurotrasmissione, in particolare della segnalazione dopaminergica, rappresenta tuttora una delle principali ipotesi fisiopatologiche. Sempre più frequentemente, il disturbo viene concettualizzato come una disfunzione a livello di circuito che emerge durante periodi critici della maturazione cerebrale. Sebbene anomalie cerebellari siano riportate in modo consistente nella SZ, non è ancora chiaro se la funzione dei microcircuiti cerebellari sia già compromessa nelle fasi precoci dello sviluppo corrispondenti all’esordio della malattia. La delezione 22q11.2 rappresenta uno dei più forti fattori genetici di rischio per la SZ, e i corrispondenti modelli murini forniscono una piattaforma traslazionale per determinare se una vulnerabilità genetica definita conduca a una disfunzione precoce dei microcircuiti cerebellari. In questo studio, abbiamo indagato la funzione della rete cerebellare in topi eterozigoti Del(16Dgcr2–Hira)1Tac di giovane età (P18–23) (Df(16)/+), mediante registrazioni con array multielettrodici ad alta densità (HD-MEA) in sezioni parasagittali acute ex vivo del lobulo VI (una regione fortemente coinvolta nei processi cognitivi). Sono state esaminate l’attività spontanea delle cellule di Purkinje, i potenziali di campo locale (LFP) evocati da stimolazione delle fibre muscoidi e la plasticità sinaptica a lungo termine. Ulteriori manipolazioni farmacologiche in tessuto wild-type sono state effettuate per definire la regolazione dopaminergica della funzione dei microcircuiti cerebellari e per stabilire un quadro meccanicistico per future valutazioni nel modello di malattia, includendo la valutazione di antagonisti dei recettori D1/D2 e della clozapina. I dati preliminari hanno mostrato un aumento della frequenza di scarica delle cellule di Purkinje nei topi Df(16)/+ rispetto ai wild-type, suggerendo una condizione di ipereccitabilità dell’output corticale cerebellare. La trasmissione fibra muscoide–cellula del granulo (LFP, inclusi i componenti N2A e N2B) risultava alterata nel modello Df(16)/+. La stimolazione ad alta frequenza ha indotto una marcata modifica della plasticità a lungo termine: le sezioni wild-type mostravano risposte eterogenee di LTP/LTD, mentre le sezioni Df(16)/+ presentavano prevalentemente plasticità di tipo LTD, in assenza di risposte di tipo LTP. Per definire l’architettura neuromodulatoria endogena di questo circuito, la regolazione dopaminergica è stata caratterizzata in tessuto wild-type. La segnalazione dipendente dai recettori D1, ma non da quelli D2, modulava in modo robusto l’eccitabilità delle cellule di Purkinje, e la dopamina influenzava in maniera bidirezionale le risposte sinaptiche dello strato granulare. Analogamente, la perfusione di clozapina esercitava un effetto modulatore sui segnali di output della corteccia cerebellare e sulla plasticità degli input. L’analisi in immunofluorescenza ha confermato immunoreattività per i recettori D1 e D2 negli strati delle cellule di Purkinje e delle cellule del granulo, fornendo supporto anatomico ai risultati funzionali. Nel complesso, questi risultati identificano una disfunzione precoce dei microcircuiti cerebellari nel modello 22q11.2 in una fase corrispondente all’esordio della SZ. La caratterizzazione del controllo dopaminergico nel tessuto wild-type definisce l’architettura modulatoria del circuito e stabilisce una piattaforma meccanicistica per successivi studi focalizzati sul modello di malattia. Parole chiave: delezione 22q11.2; cervelletto; schizofrenia; array multielettrodico ad alta densità; cellule di Purkinje; dopamina; plasticità sinaptica; clozapina