Genomic and non genomic effects of elevated concentration of anabolic steroids in human neuronal cells

Nandrolone and other anabolic androgenic steroids (AAS) at elevated concentration can alter the expression and function of neurotransmitter systems and contribute to neuronal cell death. This effect can explain the behavioural changes, drug dependence and neuro degeneration observed in steroid abuser. Nandrolone treatment (10-8M–10-5M) caused a time- and concentration-dependent downregulation of mu opioid receptor (MOPr) transcripts in SH-SY5Y human neuroblastoma cells. This effect was prevented by the androgen receptor (AR) antagonist hydroxyflutamide. Receptor binding assays confirmed a decrease in MOPr of approximately 40% in nandrolonetreated cells. Treatment with actinomycin D (10-5M), a transcription inhibitor, revealed that nandrolone may regulate MOPr mRNA stability. In SH-SY5Y cells transfected with a human MOPr luciferase promoter/reporter construct, nandrolone did not alter the rate of gene transcription. These results suggest that nandrolone may regulate MOPr expression through post-transcriptional mechanisms requiring the AR. Cito-toxicity assays demonstrated a time- and concentration dependent decrease of cells viability in SH-SY5Y cells exposed to steroids (10-6M–10-4M). This toxic effects is independent of activation of AR and sigma-2 receptor. An increased of caspase-3 activity was observed in cells treated with Nandrolone 10-6M for 48h. Collectively, these data support the existence of two cellular mechanisms that might explain the neurological syndromes observed in steroids abuser.

Role of BDNF secretion and signaling in the activity-dependent refinement of synaptic connections

Neuronal networks exhibit diverse types of plasticity, including the activity-dependent regulation of synaptic functions and refinement of synaptic connections. In addition, continuous generation of new neurons in the “adult” brain (adult neurogenesis) represents a powerful form of structural plasticity establishing new connections and possibly implementing pre-existing neuronal circuits (Kempermann et al, 2000; Ming and Song, 2005). Neurotrophins, a family of neuronal growth factors, are crucially involved in the modulation of activity-dependent neuronal plasticity. The first evidence for the physiological importance of this role evolved from the observations that the local administration of neurotrophins has dramatic effects on the activity-dependent refinement of synaptic connections in the visual cortex (McAllister et al, 1999; Berardi et al, 2000; Thoenen, 1995). Moreover, the local availability of critical amounts of neurotrophins appears to be relevant for the ability of hippocampal neurons to undergo long-term potentiation (LTP) of the synaptic transmission (Lu, 2004; Aicardi et al, 2004). To achieve a comprehensive understanding of the modulatory role of neurotrophins in integrated neuronal systems, informations on the mechanisms about local neurotrophins synthesis and secretion as well as ditribution of their cognate receptors are of crucial importance. In the first part of this doctoral thesis I have used electrophysiological approaches and real-time imaging tecniques to investigate additional features about the regulation of neurotrophins secretion, namely the capability of the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF) to undergo synaptic recycling. In cortical and hippocampal slices as well as in dissociated cell cultures, neuronal activity rapidly enhances the neuronal expression and secretion of BDNF which is subsequently taken up by neurons themselves but also by perineuronal astrocytes, through the selective activation of BDNF receptors. Moreover, internalized BDNF becomes part of the releasable source of the neurotrophin, which is promptly recruited for activity-dependent recycling. Thus, we described for the first time that neurons and astrocytes contain an endocytic compartment competent for BDNF recycling, suggesting a specialized form of bidirectional communication between neurons and glia. The mechanism of BDNF recycling is reminiscent of that for neurotransmitters and identifies BDNF as a new modulator implicated in neuro- and glio-transmission. In the second part of this doctoral thesis I addressed the role of BDNF signaling in adult hippocampal neurogenesis. I have generated a transgenic mouse model to specifically investigate the influence of BDNF signaling on the generation, differentiation, survival and connectivity of newborn neurons into the adult hippocampal network. I demonstrated that the survival of newborn neurons critically depends on the activation of the BDNF receptor TrkB. The TrkB-dependent decision regarding life or death in these newborn neurons takes place right at the transition point of their morphological and functional maturation Before newborn neurons start to die, they exhibit a drastic reduction in dendritic complexity and spine density compared to wild-type newborn neurons, indicating that this receptor is required for the connectivity of newborn neurons. Both the failure to become integrated and subsequent dying lead to impaired LTP. Finally, mice lacking a functional TrkB in the restricted population of newborn neurons show behavioral deficits, namely increased anxiety-like behavior. These data suggest that the integration and establishment of proper connections by newly generated neurons into the pre-existing network are relevant features for regulating the emotional state of the animal.

Stategie di trattamento elettrico nei pazienti con insufficienza cardiaca: valutazione dei risultati a distanza

Lo scompenso cardiaco è una sindrome clinica complessa di notevole prevalenza ed incidenza nella popolazione generale, con elevata mortalità e morbidità. Le numerose alterazioni strutturali e funzionali che lo caratterizzano sono in grado di generare contemporaneamente diversi tipi di alterazioni del ritmo: dalle tachiaritmie ventricolari/sopraventricolari alle turbe della conduzione dell’impulso con bradi-aritmie e dissincronie di contrazione. La cardioversione della fibrillazione atriale e la resincronizzazione cardiaca rappresentano due terapie elettriche molto importanti in tale contesto. Le modificazioni emodinamiche, funzionali e neuro-ormonali indotte da tali trattamenti, tanto in acuto che a medio/lungo termine, possono generare numerose informazioni sulla fisio-patologia di questa sindrome. Il progetto scientifico alla base del presente manoscritto è costituito da due studi volti ad affrontare separatamente le tematiche accennate. Il primo studio è stato focalizzato sulle modificazioni indotte in 38 pazienti dalla terapia di resincronizzazione cardiaca sui parametri di circolazione periferica. I risultati ottenuti evidenziano come il trattamento consenta un incremento del flusso muscolare, soprattutto in chi presenterà un rimodellamento ventricolare inverso. La diversa eziologia sottostante (ischemica vs. non ischemica) appare influenzare i parametri relativi alla circolazione periferica tanto in acuto, quanto in cronico. Il diverso comportamento in merito alle variabili della circolazione periferica nelle valutazioni seriate suggerisce che la terapia di resincronizzazione cardiaca abbia, principalmente nei pazienti responders, effetti non solo “centrali”, e che essi non siano puramente meccanici ma mediati da fattori probabilmente di natura neuro-ormonale. Il secondo studio si è occupato della cardioversione elettrica esterna di fibrillazione atriale, un’aritmia che presenta strette relazioni con l’insufficienza cardiaca. 242 pazienti sono stati sottoposti a cardioversione elettrica esterna con onda bifasica, utilizzando due 1 diverse configurazioni di erogazione dell’energia: antero-posteriore con patch adesivi e antero-apicale con piastre standard. Il ripristino del ritmo sinusale è stato ottenuto in oltre l’80% dei pazienti già col primo shock a 120J. Sebbene fra le due metodiche non si evidenzi una significatività in termini di efficacia, i risultati ottenuti suggeriscono che la scelta della specifica configurazione di shock dovrebbe prendere in considerazione anche alcune variabili biometriche: peso, altezza e superficie corporea del paziente. Il ripristino ed il mantenimento del ritmo sinusale inducono un’importante modificazione della concentrazione di NT-pro-BNP. Un’elevata attivazione neuro-ormonale pre-procedura predispone alle recidive a medio-lungo termine, mentre le recidive nel breve-medio periodo appaiono influenzate da tale fattore solo in corso di profilassi anti-aritmica per il mantenimento del ritmo sinusale. In conclusione i risultati del progetto di ricerca sottolineano come trattamenti mirati a parametri strettamente cardiaci (ritmo e conduzione dell’impulso) siano in grado di determinare importanti modificazioni sugli equilibri emodinamici e neuro-ormonali dell’intero organismo, confermando la stretta relazione tra questi parametri e l’evoluzione del quadro clinico.

Le funzioni metaboliche ed endocrinologiche nella narcolessia con cataplessia

Poco più di dieci anni fa, nel 1998, è stata scoperta l’ipocretina (ovvero orexina), un neuropeptide ipotalamico fondamentale nella regolazione del ciclo sonno-veglia, dell’appetito e della locomozione (de Lecea 1998; Sakurai, 1998; Willie, 2001). La dimostrazione, pochi mesi dopo, di bassi livelli di ipocretina circolanti nel liquido cefalo-rachidiano di pazienti affetti da narcolessia con cataplessia (Mignot 2002) ha definitivamente rilanciato lo studio di questa rara malattia del Sistema Nervoso Centrale, e le pubblicazioni a riguardo si sono moltiplicate. In realtà le prime descrizioni della narcolessia risalgono alla fine del XIX secolo (Westphal 1877; Gélineau 1880) e da allora la ricerca clinica è stata volta soprattutto a cercare di definire il più accuratamente possibile il fenotipo del paziente narcolettico. Accanto all’alterazione del meccanismo di sonno e di veglia, e dell’alternanza tra le fasi di sonno REM (Rapid Eye Movement) e di sonno non REM, sui quali l’ipocretina agisce come un interruttore che stimola la veglia e inibisce la fase REM, sono apparse evidenti anche alterazioni del peso e del metabolismo glucidico, dello sviluppo sessuale e del metabolismo energetico (Willie 2001). I pazienti narcolettici presentano infatti, in media, un indice di massa corporea aumentato (Dauvilliers 2007), la tendenza a sviluppare diabete mellito di tipo II (Honda 1986), un’aumentata prevalenza di pubertà precoce (Plazzi 2006) e alterazioni del metabolismo energetico, rispetto alla popolazione generale (Dauvilliers 2007). L’idea che, quindi, la narcolessia abbia delle caratteristiche fenotipiche intrinseche altre, rispetto a quelle più eclatanti che riguardano il sonno, si è fatta strada nel corso del tempo; la scoperta della ipocretina, e della fitta rete di proiezioni dei neuroni ipocretinergici, diffuse in tutto l’encefalo fino al ponte e al bulbo, ha offerto poi il substrato neuro-anatomico a questa idea. Tuttavia molta strada separa l’intuizione di un possibile legame dall’individuazione dei reali meccanismi patogenetici che rendano conto dell’ampio spettro di manifestazioni cliniche che si osserva associato alla narcolessia. Lo studio svolto in questi tre anni si colloca in questa scia, e si è proposto di esplorare il fenotipo narcolettico rispetto alle funzioni dell’asse ipotalamo-ipofisi-periferia, attraverso un protocollo pensato in stretta collaborazione fra il Dipartimento di Scienze Neurologiche di Bologna e l’Unità Operativa di Endocrinologia e di Malattie del Metabolismo dell’Ospedale Sant’Orsola-Malpighi di Bologna. L’ipotalamo è infatti una ghiandola complessa e l’approccio multidisciplinare è sembrato essere quello più adatto. I risultati ottenuti, e che qui vengono presentati, hanno confermato le aspettative di poter dare ulteriori contributi alla caratterizzazione della malattia; un altro aspetto non trascurabile, e che però verrà qui omesso, sono le ricadute cliniche in termini di inquadramento e di terapia precoce di quelle alterazioni, non strettamente ipnologiche, e però associate alla narcolessia.

Sviluppo cognitivo, motorio e comunicativo-linguistico: traiettorie evolutive nei primi 18 mesi di vita in bambini nati pretermine e a termine

Nella presente ricerca si ipotizza che la nascita pretemine con elevata immaturità, in assenza di danni neurologici permanenti, comporti un differente sviluppo neuro-evolutivo e diverse traiettorie nei primi 18 mesi di vita con una più alta frequenza di ritardi rispetto ai bambini nati a termine. Metodo. E’ stato esaminato lo sviluppo psicomotorio di 17 bambini pretermine con età gestazionale estremamente bassa (ELGA) e di 51 bambini pretermine con età gestazionale molto bassa (VLGA, 29-31) confrontati con 11 bambini nati a termine (FT), comparabili per caratteristiche socio-culturali, mediante le Scale Griffiths a 3, 6, 9, 12 e 18 mesi di vita (età corretta per ELGA e VLGA). E’ stato inoltre esaminato lo sviluppo cognitivo, motorio e linguistico dei 17 pretermine ELGA e degli 11 bambini FT mediante le Scale Bayely-III a 12 e 18 mesi di vita. Infine per la valutazione delle competenze comunicative-linguistiche, è stato somministrato il questionario “Primo Vocabolario del Bambino” -PVB somministrato ai genitori dei bambini ELGA e FT dagli 8 ai 18 mesi. Risultati. L’analisi multilivello ha mostrato che i nati ELGA e VLGA hanno traiettorie evolutive differenti rispetto ai nati FT nello sviluppo psicomotorio e in quello comunicativo-linguistico con punteggi significativamente più bassi e con una percentuale più elevata di ritardi lievi e moderati che si evidenziano già a partire dal primo anno di vita e aumentano tra i 12 e i 18 mesi. Conclusioni. La nascita pretermine con elevata immaturità comporta un rischio per lo sviluppo delle funzioni di base nei primi 18 mesi di vita anche in assenza di danno neurologico. Le ripetute valutazioni e l’uso di strumenti diretti e indiretti hanno permesso di effettuare un’accurata valutazione delle specifiche competenze esaminate. Questi risultati dimostrano l’importanza di condurre follow-up continuativi per monitorare lo sviluppo delle funzioni di base, individuare precocemente i bambini con ritardo e avviare interventi abilitativi precoci.

Modulazione del differenziamento osteogenico di precursori mesenchimali umani per applicazioni di ingegneria tissutale

Lo scheletro è un tessuto dinamico, capace di adattarsi alle richieste funzionali grazie a fenomeni di rimodellamento ed alla peculiare proprietà rigenerativa. Tali processi avvengono attraverso l’azione coordinata di osteoclasti ed osteoblasti. Queste popolazioni cellulari cooperano allo scopo di mantenere l’ equilibrio indispensabile per garantire l’omeostasi dello scheletro. La perdita di tale equilibrio può portare ad una diminuzione della massa ossea e, ad una maggiore suscettibilità alle fratture, come avviene nel caso dell’osteoporosi. E’ noto che, nella fisiopatologia dell’osso, un ruolo cruciale è svolto da fattori endocrini e paracrini. Dati recenti suggeriscono che il rimodellamento osseo potrebbe essere influenzato dal sistema nervoso. L’ipotesi è supportata dalla presenza, nelle vicinanze dell’osso, di fibre nervose sensoriali responsabili del rilascio di alcuni neuro peptidi, tra i quali ricordiamo la sostanza P. Inoltre in modelli animali è stato dimostrato il diretto coinvolgimento del sistema nervoso nel mantenimento dell’omeostasi ossea, infatti ratti sottoposti a denervazione hanno mostrato una perdita dell’equilibrio esistente tra osteoblasti ed osteoclasti. Per tali ragioni negli ultimi anni si è andata intensificando la ricerca in questo campo cercando di comprendere il ruolo dei neuropeptidi nel processo di differenziamento dei precursori mesenchimali in senso osteogenico. Le cellule stromali mesenchimali adulte sono indifferenziate multipotenti che risiedono in maniera predominante nel midollo osseo, ma che possono anche essere isolate da tessuto adiposo, cordone ombelicale e polpa dentale. In questi distretti le MSC sono in uno stato non proliferativo fino a quando non sono richieste per processi locali di riparo e rigenerazione tessutale. MSC, opportunamente stimolate, possono differenziare in diversi tipi di tessuto connettivo quali, tessuto osseo, cartilagineo ed adiposo. L’attività di ricerca è stata finalizzata all’ottimizzazione di un protocollo di espansione ex vivo ed alla valutazione dell’influenza della sostanza P, neuropeptide presente a livello delle terminazioni sensoriali nelle vicinanze dell’osso, nel processo di commissionamento osteogenico.

Neuroinflammation and the role of glia: relevance for neurodegenerative and neurosupportive roles

Inflammation is thought to contribute to the pathogenesis of neurodegenerative diseases. Among the resident population of cells in the brain, astroglia have been suggested to actively participate in the induction and regulation of neuroinflammation by controlling the secretion of local mediators. However, the initial cellular mechanisms by which astrocytes react to pro-inflammatory molecules are still unclear. Our study identified mitochondria as highly sensitive organelles that rapidly respond to inflammatory stimuli. Time-lapse video microscopy revealed that mitochondrial morphology, dynamics and motility are drastically altered upon inflammation, resulting in perinuclear clustering of mitochondria. These mitochondrial rearrangements are accompanied by an increased formation of reactive oxygen species and a recruitment of autophagic vacuoles. 24 to 48 hours after the acute inflammatory stimulus, however, the mitochondrial network is re-established. Strikingly, the recovery of a tubular mitochondrial network is abolished in astrocytes with a defective autophagic response, indicating that activation of autophagy is required to restore mitochondrial dynamics. By employing co-cultivation assays we observed that primary cortical neurons undergo degeneration in the presence of inflamed astrocytes. However, this effect was not observed when the primary neurons were grown in conditioned medium derived from inflamed astrocytes, suggesting that a direct contact between astrocytes and neurons mediates neuronal dysfunction upon inflammation. Our results suggest that astrocytes react to inflammatory stimuli by transiently rearranging their mitochondria, a process that involves the autophagic machinery.

Lo spazio senso-motorio come rappresentazione dei comportamenti intersoggettivi. Una nuova ipotesi sperimentale dalla filosofia alle neuroscienze

La ricerca ha preso le mosse da tre ipotesi fondamentali: 1) Esiste un legame tra processi cognitivi di basso ed alto livello; 2) Lo spazio senso-motorio è una percezione soggettiva; 3) Lo spazio senso-motorio varia in funzione delle diverse modalità di interazione sociale. La tesi sostiene che lo spazio senso-motorio si lascia modulare dalla semplice co-presenza di un altro agente umano e da interazioni cooperative e non cooperative. I capitoli I, II, III, hanno lo scopo di scomporre e spiegare il significato della prima, seconda e terza ipotesi; giungendo a formulare la tesi centrale che sarà poi dimostrata sperimentalmente nel capitolo IV. Il capitolo V introduce future linee di ricerca nell’ambito dell’etica proponendo una nuova ipotesi sul legame che potrebbe sussistere tra la percezione dello spazio durante l’interazione sociale e i giudizi morali. Il lavoro svolto chiama ad operare insieme diverse discipline che concorrono a formare le scienze cognitive: la storia della filosofia, la filosofia della mente contemporanea, la neuropsicologia sperimentale ed alcuni temi della psicologia sociale.

Development, degeneration and neural network of the bodily self

The question addressed by this dissertation is how the human brain builds a coherent representation of the body, and how this representation is used to recognize its own body. Recent approaches by neuroimaging and TMS revealed hints for a distinct brain representation of human body, as compared with other stimulus categories. Neuropsychological studies demonstrated that body-parts and self body-parts recognition are separate processes sub-served by two different, even if possibly overlapping, networks within the brain. Bodily self-recognition is one aspect of our ability to distinguish between self and others and the self/other distinction is a crucial aspect of social behaviour. This is the reason why I have conducted a series of experiment on subjects with everyday difficulties in social and emotional behaviour, such as patients with autism spectrum disorders (ASD) and patients with Parkinson’s disease (PD). More specifically, I studied the implicit self body/face recognition (Chapter 6) and the influence of emotional body postures on bodily self-processing in TD children as well as in ASD children (Chapter 7). I found that the bodily self-recognition is present in TD and in ASD children and that emotional body postures modulate self and others’ body processing. Subsequently, I compared implicit and explicit bodily self-recognition in a neuro-degenerative pathology, such as in PD patients, and I found a selective deficit in implicit but not in explicit self-recognition (Chapter 8). This finding suggests that implicit and explicit bodily self-recognition are separate processes subtended by different mechanisms that can be selectively impaired. If the bodily self is crucial for self/other distinction, the space around the body (personal space) represents the space of interaction and communication with others. When, I studied this space in autism, I found that personal space regulation is impaired in ASD children (Chapter 9).

Spatio-temporal models of the functional architecture of the visual cortex

In this work I tried to explore many aspects of cognitive visual science, each one based on different academic fields, proposing mathematical models capable to reproduce both neuro-physiological and phenomenological results that were described in the recent literature. The structure of my thesis is mainly composed of three chapters, corresponding to the three main areas of research on which I focused my work. The results of each work put the basis for the following, and their ensemble form an homogeneous and large-scale survey on the spatio-temporal properties of the architecture of the visual cortex of mammals.