Pharmacological Rescue of Dendritic Pathology in the Ts65Dn Mouse Model of Down Syndrome

Down syndrome (DS) is a genetic pathology characterized by brain hypotrophy and severe cognitive disability. Although defective neurogenesis is an important determinant of cognitive impairment, a severe dendritic pathology appears to be an equally important factor. It is well established that serotonin plays a pivotal role both on neurogenesis and dendritic maturation. Since the serotonergic system is profoundly altered in the DS brain, we wondered whether defects in the hippocampal development can be rescued by treatment with fluoxetine, a selective serotonin reuptake inhibitor and a widely used antidepressant drug. A previous study of our group showed that fluoxetine fully restores neurogenesis in the Ts65Dn mouse model of DS and that this effect is accompanied by a recovery of memory functions. The goal of the current study was to establish whether fluoxetine also restores dendritic development and maturation. In mice aged 45 days, treated with fluoxetine in the postnatal period P3-P15, we examined the dendritic arbor of newborn and mature granule cells of the dentate gyrus (DG). The granule cells of trisomic mice had a severely hypotrophic dendritic arbor, fewer spines and a reduced innervation than euploid mice. Treatment with fluoxetine fully restored all these defects. Moreover the impairment of excitatory and inhibitory inputs to CA3 pyramidal neurons was fully normalized in treated trisomic mice, indicating that fluoxetine can rescue functional connectivity between the DG and CA3. The widespread beneficial effects of fluoxetine on the hippocampal formation suggest that early treatment with fluoxetine can be a suitable therapy, possibly usable in humans, to restore the physiology of the hippocampal networks and, hence, memory functions. These findings may open the way for future clinical trials in children and adolescents with DS.

Studio elettrofisiologico di modificazioni a lungo termine della forza della trasmissione sinaptica nel sistema nervoso centrale

Il nucleo accumbens (NAc), il maggior componente del sistema mesocorticolimbico, è coinvolto nella mediazione delle proprietà di rinforzo e nella dipendenza da diverse sostanze d’abuso. Le sinapsi glutammatergiche del NAc possono esprimere plasticità, tra cui una forma di depressione a lungo termine (LTD) dipendente dagli endocannabinoidi (eCB). Recenti studi hanno dimostrato un’interazione tra le vie di segnalazione del sistema eCB e quelle di altri sistemi recettoriali, compreso quello serotoninergico (5-HT); la vasta colocalizzazione di recettori serotoninergici e CB1 nel NAc suggerisce la possibilità di un’interazione tra questi due sistemi. In questo studio abbiamo riscontrato che una stimolazione a 4 Hz per 20 minuti (LFS-4Hz) delle afferenze glutammatergiche in fettine cerebrali di ratto, induce una nuova forma di eCB-LTD nel core del NAc, che richiede l’attivazione dei recettori CB1 e 5-HT2 e l’apertura dei canali del Ca2+ voltaggio-dipendenti di tipo L. Inoltre abbiamo valutato che l’applicazione esogena di 5-HT (5 M, 20 min) induce una LTD analoga (5-HT-LTD) a livello delle stesse sinapsi, che richiede l’attivazione dei medesimi recettori e l’apertura degli stessi canali del Ca2+; LFS-4Hz-LTD e 5-HT-LTD sono reciprocamente saturanti. Questi risultati suggeriscono che la LFS-4Hz induce il rilascio di 5-HT, che si lega ai recettori 5-HT2 a livello postsinaptico incrementando l’influsso di Ca2+ attraverso i canali voltaggio-dipendenti di tipo L e la produzione e il rilascio di 2-arachidonoilglicerolo; l’eCB viaggia a ritroso e si lega al recettore CB1 a livello presinaptico, causando una diminuzione duratura del rilascio di glutammato, che risulta in una LTD. Queste osservazioni possono essere utili per comprendere i meccanismi neurofisiologici che sono alla base della dipendenza da sostanze d’abuso, della depressione maggiore e di altre malattie psichiatriche caratterizzate dalla disfunzione della neurotrasmissione di 5-HT nel NAc.