Cellular and molecular mechanisms that govern the maturation of the MGE-derived mammalian cortical interneurons and the impact of cortical activity levels

Abstract

Brain function is inextricably linked with the activity of cortical γ-aminobutyric acid-producing (GABAergic) interneurons (INs), which participate in the formation of inhibitory circuits and control the activity of excitatory glutamatergic pyramidal neurons (PNs). The main cortical INs (cINs), which contribute to around 60% of the total cIN population, include two cardinal IN types, defined by the expression of the calcium binding protein Parvalbumin (PV) and the neuropeptide Somatostatin (SST). The timeframe and mechanisms that underlie the maturation process of PV- and SST-expressing cINs, and their subtypes, remain mostly elusive. In the current thesis, we performed bulk RNA-seq, at critical developmental stages, to identify how the transcriptomic landscape of SST+ cINs evolves during the first postnatal month. Our findings indicate that SST+ cINs undergo substantial molecular changes throughout the first month after birth, until they acquire their final mature characteristics and physiological properties. The above results were also in agreement with more subtle changes in the electrophysiological profile of SST+ cINs, that were determined at the same developmental period. In addition, neuronal activity, during early postnatal stages, has been proposed to play a fundamental role in certain aspects of cIN maturation, especially programmed cell death. To elucidate further the impact of neuronal activity in other processes of SST+ cIN maturation, we manipulated network activity in vivo, primarily during the second postnatal week. Our findings provide compelling evidence, that while attenuated activity levels, during this critical time window, are dispensable for SST+ cIN proper maturation, increased levels of either sensory or intra-cortical activity, are key contributors to this process, as determined by analysis of the morphology and molecular profile of SST-expressing cINs. In summary, our results show that the maturation of SST-expressing cINs, during the critical period of the first month after birth, is a dynamic and plastic process. In addition, our work provides significant information on the mechanistic understanding of this process, which can be used to produce SST+ cINS, apt for cell therapies, and for elucidating the pathogenesis of interneuropathies.

Η εγκεφαλική λειτουργία είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με τη δράση των διάμεσων νευρώνων (ΔΝ) του φλοιού, που παράγουν τον νευροδιαβιβαστή γ-αμινοβουτυρικό οξύ (GABA). Οι ΔΝ συμμετέχουν στη δημιουργία κατασταλτικών νευρικών δικτύων και ελέγχουν τη δραστηριότητα των διεγερτικών γλουταματεργικών πυραμιδικών νευρώνων (ΠΝ). Οι δύο κύριοι τύποι ΔΝ είναι εκείνοι που χαρακτηρίζονται από την έκφραση της πρωτεΐνης δέσμευσης ασβεστίου, Παρβαλβουμίνη (PV) και το νευροπεπτίδιο της Σωματοστατίνης (SST) και αντιπροσωπεύουν περίπου το 60% του συνολικού πληθυσμού των ΔΝ του φλοιού. Τόσο το χρονικό πλαίσιο, όσο και οι μηχανισμοί που διέπουν τη διαδικασία της ωρίμανσης των συγκεκριμένων ΔΝ, παραμένουν ως επί το πλείστον άγνωστοι. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης Διατριβής, πραγματοποιήσαμε RNA αλληλούχιση (RNA-seq) σε κρίσιμα αναπτυξιακά στάδια, προκειμένου να προσδιορίσουμε πώς το μεταγραφικό προφίλ των SST+ ΔΝ του φλοιού των θηλαστικών, διαφοροποιείται κατά τη διάρκεια του πρώτου μήνα μετά τη γέννηση. Τα ευρήματά μας δείχνουν ότι οι SST+ ΔΝ του φλοιού των μυών, υφίστανται σημαντικές μοριακές αλλαγές καθ’ όλη τη διάρκεια του πρώτου μήνα μετά τη γέννηση, έως ότου τελικά να αποκτήσουν τα ώριμα χαρακτηριστικά τους και τις φυσιολογικές τους ιδιότητες. Τα παραπάνω αποτελέσματα βρίσκονται επίσης σε συμφωνία με μικρότερες αλλαγές που καταγράφηκαν στο ηλεκτροφυσιολογικό προφίλ των SST+ ΔΝ, οι οποίες προσδιορίστηκαν επίσης κατά την ίδια αναπτυξιακή περίοδο. Επιπλέον, έχει προταθεί ότι η νευρική δραστηριότητα, κατά τα πρώιμα μεταγεννητικά στάδια, διαδραματίζει θεμελιώδη ρόλο σε ορισμένους κυτταρικούς μηχανισμούς που καθορίζουν την ωρίμανση των ΔΝ, ιδίως στον προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο. Προκειμένου να διερευνήσουμε περαιτέρω την επίδραση της νευρικής δραστηριότητας σε άλλες διαδικασίες ωρίμανσης των SST+ ΔΝ, τροποποιήσαμε τα επίπεδα δραστηριότητας του δικτύου μυών in vivo, κυρίως κατά τη διάρκεια της δεύτερης εβδομάδας μετά τη γέννηση. Τα ευρήματά μας καταδεικνύουν ότι, ενώ τα μειωμένα επίπεδα δραστηριότητας κατά τη διάρκεια αυτής της κρίσιμης χρονικής περιόδου δεν επηρεάζουν σημαντικά την εξέλιξη της διαδικασίας της ωρίμανση των SST+ ΔΝ, η αύξηση των επιπέδων τόσο της αισθητηριακής/σωματοαισθητικής, όσο και της ενδοφλοιϊκής δραστηριότητας συμβάλλει καθοριστικά σε αυτή τη διαδικασία, όπως προσδιορίστηκε από την ανάλυση της μορφολογίας και του μοριακού προφίλ των SST+ ΔΝ. Συνοπτικά, τα αποτελέσματά μας αποκαλύπτουν ότι η ωρίμανση των SST+ ΔΝ του φλοιού, κατά την κρίσιμη περίοδο του πρώτου μήνα μετά τη γέννηση, είναι μια δυναμική διαδικασία, που χαρακτηρίζεται από σημαντική πλαστικότητα, δηλαδή μπορεί να επηρεαστεί σημαντικά από εξωγενή ερεθίσματα. Επιπλέον, η παρούσα μελέτη παρέχει σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την κατανόηση των μηχανισμών που διέπουν τη διαδικασία της ωρίμανσης των ΔΝ, η οποία μπορεί στο μέλλον να χρησιμοποιηθεί, τόσο για την τροποποίηση SST+ ΔΝ, κατάλληλων για κυτταρικές θεραπείες, όσο και για τη διαλεύκανση της παθογένειας ενός φάσματος νευροαναπτυξιακών ασθενειών που σχετίζονται με τη δυσλειτουργία των ΔΝ.