Estimulação optogenética do septo medial no rato anestesiado e em livre comportamento

Theta rhythm consists of an electrophysiological hippocampal oscillation present in mammalian species (4-12 Hz with variations across species). This oscillation is present during active waking and is also prevalent in local field potentials (LFP) during rapid eye movement sleep (REM sleep). Several studies have shown that theta rhythm is important in cognitive tasks and that the medial septum is a key region for its occurrence. The septum sends cholinergic, GABAergic and glutamatergic projections to the hippocampus, which in turn projects axons to the septum. Besides the septum, other regions are involved in regulating theta rhythm, forming a complex network of interactions among brain areas that result in theta rhythm. Optogenetics is a recently developed method that has been widely used in various research areas. It allows us to manipulate the electrical activity of neurons through light stimulation. One of the existing techniques consists in using a viral vector to induce the neuronal expression of ion channels associated with the light-sensitive molecule rhodopsin (e.g. ChR2). Once infected, the neurons become sensitive to light of a particular wavelength. The present M. Sc. research aimed to perform luminous stimulation of the brain in anesthetized and freely behaving animals using chronically implanted electrodes and optical fibers in animals infected with a viral vector for ChR2 expression. Surgical viral injections were performed in the medial septum; histological results confirmed the expression of ChR2 by way of the presence of the eYFP reporter protein in the septum and also in hippocampal processes. Moreover, we performed acute experiments with luminous stimulation of the medial septum and LFP recordings of the septum and hippocampus of anesthetized animals. Action potentials were recorded in the septum. In these experiments we observed a significant increase in the firing rates of septal neurons during luminous stimulation (n = 300 trials). Furthermore, we found an early light-evoked response in the hippocampal LFP. Chronic experiments with luminous stimulation of the medial septum and hippocampus in freely behaving animals were also performed in combination with LFP recordings. We found that the luminous stimulation of the septum is able to induce theta rhythm in the hippocampus. Together, the results demonstrate that the luminous stimulation of the medial septum in optogenetically-modified animals causes relevant electrophysiological changes in the septum and the hippocampus.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

O ritmo teta consiste em uma oscilação eletrofisiológica hipocampal presente em várias espécies de mamíferos (4-12 Hz, com variações entre espécies). Essa oscilação está presente durante a vigília ativa de ratos e também é predominante no PCL desta espécie durante o sono de movimento rápido dos olhos (sono REM). Vários trabalhos demonstraram que o ritmo teta é importante em tarefas cognitivas. O septo medial é uma região importante na geração do ritmo teta hipocampal. Possui projeções colinérgicas, GABAérgicas e glutamatérgicas para o hipocampo, que por sua vez, possui projeções de feedback para o septo. Além do septo, outras regiões estão envolvidas na regulação do teta, formando uma rede complexa de interação e coordenação entre áreas que resultam no ritmo. A optogenética é uma ferramenta desenvolvida recentemente que tem sido amplamente utilizada em pesquisas de diversas áreas. Ela nos permite manipular a atividade elétrica de neurônios através de estimulação luminosa. A técnica consiste em, através de um vetor viral, induzir a expressão neuronal de canais iônicos associados a opsinas (ex.: ChR2), que uma vez infectados passam a ser sensíveis a luz de determinado comprimento de onda. O presente trabalho de pesquisa de mestrado teve como objetivo implantar a optogenética em animais em livre comportamento pioneiramente no Brasil, através de experimentos com implantes crônicos de eletrodos e fibras óptica em animais infectados com vetor viral para expressão de ChR2. Foram realizadas cirurgias de injeções de vírus no septo medial; resultados histológicos confirmaram a expressão de ChR2 através da marcação da proteína repórter eYFP no septo e também em processos hipocampais. Além disso, foram realizados experimentos agudos com estimulação luminosa do septo medial e registro de potenciais de campo local (PCL) no próprio septo e hipocampo em animais anestesiados. Ainda nesses experimentos foi possível registrar potenciais de ação no septo. Nesses experimentos observamos aumento da taxa de disparo dos neurônios septais durante estimulação luminosa (n=300 estímulos). Além disso, encontramos uma resposta evocada no PCL do hipocampo no início do pulso luminoso. Também foram realizados experimentos crônicos com estimulação luminosa do septo medial e registro de PCL do hipocampo em animais em livre comportamento. Através de análise do PCL, verificamos se a estimulação luminosa do septo é capaz de induzir ritmo teta no hipocampo.