Circuit-specific alterations of N-methyl-D-aspartate receptor subunit 1 in the dentate gyrus of aged monkeys.

Age-associated memory impairment occurs frequently in primates. Based on the established importance of both the perforant path and N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors in memory formation, we investigated the glutamate receptor distribution and immunofluorescence intensity within the dentate gyrus of juvenile, adult, and aged macaque monkeys with the combined use of subunit-specific antibodies and quantitative confocal laser scanning microscopy. Here we demonstrate that aged monkeys, compared to adult monkeys, exhibit a 30.6% decrease in the ratio of NMDA receptor subunit 1 (NMDAR1) immunofluorescence intensity within the distal dendrites of the dentate gyrus granule cells, which receive the perforant path input from the entorhinal cortex, relative to the proximal dendrites, which receive an intrinsic excitatory input from the dentate hilus. The intradendritic alteration in NMDAR1 immunofluorescence occurs without a similar alteration of non-NMDA receptor subunits. Further analyses using synaptophysin as a reflection of total synaptic density and microtubule-associated protein 2 as a dendritic structural marker demonstrated no significant difference in staining intensity or area across the molecular layer in aged animals compared to the younger animals. These findings suggest that, in aged monkeys, a circuit-specific alteration in the intradendritic concentration of NMDAR1 occurs without concomitant gross structural changes in dendritic morphology or a significant change in the total synaptic density across the molecular layer. This alteration in the NMDA receptor-mediated input to the hippocampus from the entorhinal cortex may represent a molecular/cellular substrate for age-associated memory impairments.

Presynaptic Anchoring of PKA by AKAP7 is Required for Pattern Separation by Dentate Gyrus

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Clustering of Pick bodies in the dentate gyrus in Pick's disease

In patients with Pick's disease (PD), high densities of tau positive Pick bodies (PB) have been observed within the granule cell layer of the dentate gyrus. This study investigated the spatial patterns of PB along the granule cell layer in coronal sections of the hippocampus in eight patients with PD. In all patients, there was evidence of clustering of PB within the granule cell layer; however, there was considerable variation in the pattern of clustering. In five patients, the clusters of PB were regularly distributed along the dentate gyms, and in two of these patients, the smaller clusters were aggregated into larger superclusters. In three patients, a single large cluster of PB, more than 1200 μm in diameter, was present. Clustering of PB may reflect a primary degenerative process within the granule cells or the degeneration of pathways that project to the dentate gyrus.

Variations in dentate gyrus pathology in neurodegenerative disease

The dentate gyrus (DG) is an important part of the hippocampal formation and is believed to be involved in a variety of brain functions including episodic and spatial memory and the exploration of novel environments. In several neurodegenerative disorders, significant pathology occurs in the DG which may be involved in the development of clinical dementia. Based on the abundance of pathological change, neurodegenerative disorders could be divided into three groups: (1) those in which high densities of neuronal cytoplasmic inclusions (NCI) were present in DG granule cells, e.g., Pick’s disease (PiD), frontotemporal lobar degeneration with TDP-43-immunoreactive inclusions (FTLD-TDP), and neuronal intermediate filament inclusion disease (NIFID), (2) those in which aggregated protein deposits were distributed throughout the hippocampal formation including the molecular layer of the DG, e.g., Alzheimer’s disease (AD), Down’s syndrome (DS), and variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD), and (3) those in which in there was significantly less pathology in the DG, e.g., Parkinson’s disease dementia (PD-Dem), dementia with Lewy bodies (DLB), progressive supranuclear palsy (PSP), corticobasal degeneration (CBD), multiple system atrophy (MSA), and sporadic CJD (sCJD). Hence, DG pathology varied significantly among disorders which could contribute to differences in clinical dementia. Pathological differences among disorders could reflect either differential vulnerability of the DG to specific molecular pathologies or variation in the degree of spread of pathological proteins into the hippocampal formation from adjacent regions.

Pathology of the dentate gyrus in neurodegenerative disease

The dentate gyrus (DG) is an important part of the hippocampal formation and is believed to be involved in a variety of brain functions including episodic and spatial memory and the exploration of novel environments. In several neurodegenerative disorders, significant pathology occurs in the DG which may be involved in the development of clinical dementia. Based on the abundance of pathological change, neurodegenerative disorders can be divided into three groups: (1) those in which high densities of neuronal cytoplasmic inclusions (NCI) are present in DG granule cells, e.g., Pick’s disease (PiD), frontotemporal lobar degeneration with TDP-43-immunoreactive inclusions (FTLD-TDP), and neuronal intermediate filament inclusion disease (NIFID), (2) those in which aggregated protein deposits are distributed throughout the hippocampal formation including the molecular layer of the DG, e.g., Alzheimer’s disease (AD), Down’s syndrome (DS), and variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD), and (3) those in which in there is significantly less pathology in the DG, e.g., Parkinson’s disease dementia (PD-Dem), dementia with Lewy bodies (DLB), progressive supranuclear palsy (PSP), corticobasal degeneration (CBD), multiple system atrophy (MSA), and sporadic CJD (sCJD). Hence, DG pathology varies significantly among disorders which could contribute to differences in clinical dementia. Pathological differences among disorders could reflect either differential vulnerability of the DG to specific molecular pathologies or variation in the degree of spread of pathological proteins into the hippocampal formation from adjacent regions.

Galanin interacts with Neuropeptide Y Y1 receptor in the dentate gyrus of the hippocampus through GALR2/NPYY1R heterodimers

We have shown Galanin(GAL) and Neuropeptide Y Y1(NPYY1) interactions at behavioural, cellular and receptor levels through GALR2/NPYY1R heterodimers in the amygdala. The aim of this work was to analyze GAL/NPYY1R interactions in the Dentate Gyrus(DG) of the Hippocampus, using autoradiographic, in situ hybridization and in situ proximity ligation assay(PLA). Rats(n=6) were sacrificed 15 minutes or 5 hours after icv injections of GAL(3nmol) and DG sections were incubated with NPYY1R agonist [I125]-[Leu31,Pro34]PYY(25 pM) or NPYY1R-33PdATP specific probe, for autoradiography and in situ hybridization respectively. Autoradiograms were analyzed using NIH image analysis system and Student’s unpaired t-test was used. For PLA, DG sections were incubated with anti-GALR2 Rabbit(1:100) and anti-NPYY1R Goat(1:200). PLA signals were detected with PLA PLUS or MINUS probes for rabbit or goat/mouse antibodies. PLA signals were visualized by using a confocal microscope Leica TCS-SL confocal microscope(Leica). We observed that GAL significant increased the NPYY1R agonist [I125]-[Leu31,Pro34]PYY binding in the DG by 20% (p<0,05) and the NPYY1R mRNA expression in the granular layer of DG by 31% (p<0,001). Moreover, PLA-positive red clusters were found specifically in the polymorphic layer and subgranular zone of the DG. No PLA clusters were observed neither in the molecular layer of the DG nor in the corpus callosum, an area that seems to lack of GALR2 receptor. These results demonstrate a novel mechanism of interaction between GAL and NPY1R in the DG at receptor level, probably involving the formation of GALR2/NPYY1R heteroreceptor complexes. Study supported by Junta de Andalucia CVI6476.

Neurogenesis in dentate subgranular zone and rostral subventricular zone after focal cerebral ischemia in the rat

Because neurogenesis persists in the adult mammalian brain and can be regulated by physiological and pathological events, we investigated its possible involvement in the brain's response to focal cerebral ischemia. Ischemia was induced by occlusion of the middle cerebral artery in the rat for 90 min, and proliferating cells were labeled with 5-bromo-2′-deoxyuridine-5′-monophosphate (BrdUrd) over 2-day periods before sacrificing animals 1, 2 or 3 weeks after ischemia. Ischemia increased the incorporation of BrdUrd into cells in two neuroproliferative regions—the subgranular zone of the dentate gyrus and the rostral subventricular zone. Both effects were bilateral, but that in the subgranular zone was more prominent on the ischemic side. Cells labeled with BrdUrd coexpressed the immature neuronal markers doublecortin and proliferating cell nuclear antigen but did not express the more mature cell markers NeuN and Hu, suggesting that they were nascent neurons. These results support a role for ischemia-induced neurogenesis in what may be adaptive processes that contribute to recovery after stroke.

Spatial memory deficits in maternal iron deficiency paradigms are associated with altered glucocorticoid levels

``The goal of this study was to examine the effect of maternal iron deficiency on the developing hippocampus in order to define a developmental window for this effect, and to see whether iron deficiency causes changes in glucocorticoid levels. The study was carried out using pre-natal, post-natal, and pre + post-natal iron deficiency paradigm. Iron deficient pregnant dams and their pups displayed elevated corticosterone which, in turn, differentially affected glucocorticoid receptor (GR) expression in the CA1 and the dentate gyrus. Brain Derived Neurotrophic Factor (BDNF) was reduced in the hippocampi of pups following elevated corticosterone levels. Reduced neurogenesis at P7 was seen in pups born to iron deficient mothers, and these pups had reduced numbers of hippocampal pyramidal and granule cells as adults. Hippocampal subdivision volumes also were altered. The structural and molecular defects in the pups were correlated with radial arm maze performance; reference memory function was especially affected. Pups from dams that were iron deficient throughout pregnancy and lactation displayed the complete spectrum of defects, while pups from dams that were iron deficient only during pregnancy or during lactation displayed subsets of defects. These findings show that maternal iron deficiency is associated with altered levels of corticosterone and GR expression, and with spatial memory deficits in their pups.'' (C) 2013 Elsevier Inc. All rights reserved.

Age-dependent decrease in glutamine synthetase expression in the hippocampal astroglia of the triple transgenic Alzheimer's disease mouse model : mechanism for deficient glutamatergic transmission?

Astrocytes are fundamental for brain homeostasis and the progression and outcome of many neuropathologies including Alzheimer's disease (AD). In the triple transgenic mouse model of AD (3xTg-AD) generalised hippocampal astroglia atrophy precedes a restricted and specific beta-amyloid (A beta) plaque-related astrogliosis. Astrocytes are critical for CNS glutamatergic transmission being the principal elements of glutamate homeostasis through maintaining its synthesis, uptake and turnover via glutamate-glutamine shuttle. Glutamine synthetase (GS), which is specifically expressed in astrocytes, forms glutamine by an ATP-dependent amination of glutamate. Here, we report changes in GS astrocytic expression in two major cognitive areas of the hippocampus (the dentate gyrus, DG and the CA1) in 3xTg-AD animals aged between 9 and 18 months. We found a significant reduction in Nv (number of cell/mm(3)) of GS immunoreactive (GS-IR) astrocytes starting from 12 months (28.59%) of age in the DG, and sustained at 18 months (31.65%). CA1 decrease of GS-positive astrocytes Nv (33.26%) occurs at 18 months. This Nv reduction of GSIR astrocytes is paralleled by a decrease in overall GS expression (determined by its optical density) that becomes significant at 18 months (21.61% and 19.68% in DG and CA1, respectively). GS-IR Nv changes are directly associated with the presence of A beta deposits showing a decrease of 47.92% as opposed to 23.47% in areas free of A beta. These changes in GS containing astrocytes and GS-immunoreactivity indicate AD-related impairments of glutamate homeostatic system, at the advanced and late stages of the disease, which may affect the efficacy of glutamatergic transmission in the diseased brain that may contribute to the cognitive deficiency.

GABA release by hippocampal astrocytes

10 p.

Malnutrição protéica e desenvolvimento hipocampal: estudo das implicações sobre memória/aprendizado e avaliação da distribuição da Óxido Nítrico Sintase

A nutrição inadequada é um dos principais fatores não-genéticos que afetam o desenvolvimento do encéfalo. O hipocampo é uma estrutura bastante sensível a alterações no aporte nutricional durante o desenvolvimento. No hipocampo a óxido nítrico sintase (ONS) é uma enzima altamente expressa e o óxido nítrico (ON) já foi apontado como tendo papel fundamental na potenciação de longa duração (LTP) e depressão de longa duração (LTD), responsáveis pelo processo de memória e aprendizado. Neste trabalho estudamos o efeito da malnutrição no comportamento associado à memória e aprendizado e na distribuição da ONS, através da técnica da nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato diaforase (NADPH-d). O presente trabalho foi aprovado pelo COMITÊ DE ÉTICA (CEA/055/2009). Foram utilizados ratos Wistar machos, divididos em dois grupos: grupo controle (GC) e grupo malnutrido (GM). A malnutrição se deu através da administração, para a mãe, de uma ração com 0% de proteína durante os 10 primeiros dias de lactação, iniciando-se no dia do nascimento dos filhotes. O GC recebeu ração comercial (22% de proteína). Os encéfalos foram processados histologicamente nas idades de P10, P20, P30, P45 e P90 (n=5 para cada idade e grupo estudado), sendo então realizada a histoquímica da NADPH-d para avaliar a distribuição da ONS. A avaliação dos comportamentos associados à ansiedade foi realizada através do labirinto em cruz elevado (LCE), o comportamento associados à busca por novos estímulos foi medida através do campo vazado (CV) e a memória/aprendizado foi avaliada através do labirinto aquático radial de 8 braços (LAROB) em animais P40 (n=10 para cada grupo) e P90 (n=11 para cada grupo). No GM em P10 observamos maior densidade de células NADPHd+ no giro denteado. Em P20, a marcação para NADPH-d no GM foi menor e esse padrão foi mantido em P30 e P45. No GM em P90 não observamos efeitos da dieta. Em P10, no GM observamos menor número de corpos marcados no stratum pyramidale (SPy). Em P20 o SPy encontrava-se intensamente marcado em ambos os grupos. Em P30 GM observamos maior número de células marcadas no SPy. Entretanto em P45, ambos os grupos apresentaram poucos corpos marcados. Em P90, o GM apresentou mais células marcadas no SPy. Não foram observadas diferenças significativas nas variáveis analisadas para o LCE. O GM em P90 explora maior número de orifícios, tanto na periferia (F=8,1; gl=1; P=0,014) quanto no número total (F=7,5; gl=1; P=0,017). Não foram observadas diferenças significativas para as variáveis analisadas no CV em P40. No teste de memória/aprendizagem foram observadas diferenças significativas entre o GM e o GC na latência de escape no 1 dia de testes em P90 (F=5,2; gl=1; P=0,033), com o GM apresentando melhor desempenho quando comparado ao GC. Esses valores podem ser explicados pela redução da latência para encontrar a plataforma de escape no GM. Não foram observadas diferenças significativas no LAROB em P40. Nossos resultados demonstram que a malnutrição protéica restrita aos 10 primeiros dias da lactação altera a distribuição da NADPH-d no hipocampo. A malnutrição afetou o comportamento dos animais em P40. Por outro lado, em P90 os primeiro dia de teste, sugerindo que o efeito observado está mais associado à novidade do ambiente de teste.

Efeitos da hipóxia-isquemia perinatal sobre o comportamento motor, distribuição da Tirosina Hidroxilase na substância negra e da NADPH diaforase no hipocampo durante o desenvolvimento em ratos

A hipóxia isquemia (HI) pré-natal é uma das principais causas de mortalidade e doenças neurológicas crônicas em neonatos, que podem apresentar déficits remanentes como: retardamento, paralisia cerebral, dificuldade de aprendizado ou epilepsia. Estes prejuízos, provavelmente, estão relacionados com o atraso no desenvolvimento neural, astrogliose e com a perda de neurônios e oligodendrócitos. Déficits funcionais e cognitivos estão associados à degeneração de vias dopaminérgicas e de estruturas hipocampais. A enzima tirosina hidroxilase (TH) é a enzima limitante na síntese de dopamina e seus níveis são alterados em eventos de HI. O óxido nítrico (NO) é um gás difusível que atua modulando diferentes sistemas, participando de eventos como plasticidade sináptica e neuromodulação no sistema nervoso central e é produzido em grandes quantidades em eventos de injúria e inflamação, como é o caso da HI. O presente estudo teve por objetivos avaliar, utilizando o modelo criado por Robinson e colaboradores em 2005, os efeitos da HI sobre o comportamento motor e avaliar o desenvolvimento de estruturas encefálicas relacionadas a este comportamento como a substância negra (SN) e o complexo hipocampal. A HI foi induzida a partir do clampeamento das artérias uterinas da rata grávida, por 45 minutos no décimo oitavo dia de gestação (grupo HI). Em um grupo de fêmeas a cirurgia foi realizada, mas não houve clampeamento das artérias (grupo SHAM). A avaliação do comportamento motor foi realizada com os testes ROTAROD e de campo aberto em animais de 45 dias. Os encéfalos foram processados histologicamente nas idades de P9, P16, P23 e P90, sendo então realizada imunohistoquímica para TH e histoquímica para NADPH diaforase (NADPH-d), para avaliação do NO. Nossos resultados demonstraram redução da imunorreatividade para a TH em corpos celulares na SN aos 16 dias no grupo HI e aumento na imunorreatividade das fibras na parte reticulada aos 23 dias, com a presença de corpos celulares imunorreativos nesta região no grupo HI. Demonstramos também aumento do número de células marcadas para NADPH-d no giro dentado nos animais HI, nas idades analisadas, assim como aumento na intensidade de reação no corno de Ammon (CA1 e CA3) aos 9 dias no grupo HI, e posterior redução nesta marcação aos 23 e 90dias neste mesmo grupo. Nos testes comportamentais, observamos diminuição da atividade motora no grupo HI com uma melhora do desempenho ao longo dos testes no ROTAROD, sem entretanto atingir o mesmo nível do grupo SHAM. Os animais HI não apresentaram maior nível de ansiedade em relação ao grupo SHAM, descartando a hipótese das alterações observadas nos testes de motricidade estarem relacionadas a fatores ansiogênicos. O modelo de clampeamento das artérias uterinas da fêmea se mostrou uma ferramenta importante no estudo das alterações decorrentes do evento de HI pré-natal, por produzir diversos resultados que são similares aos ocorridos em neonatos que passam por este evento.

Efeito da privação de sono paradoxal na expressão de receptores para glicocorticoides no hipocampo e no aprendizado e memória

Vários trabalhos têm demonstrado uma relação entre sono e memória. Desta forma, tem sido descrito um papel importante do sono na consolidação da memória e um efeito negativo pela privação do mesmo. O hipocampo é uma região importante para a formação e consolidação da memória espacial, e contém uma alta expressão de receptores para corticosteróides. As ações dos corticosteróides no hipocampo são fundamentais para a aquisição de memória e dependem de um balanço adequado entre receptores de Glicocorticóides (RGc) e Mineralocorticóides (RMn). Assim é descrito na literatura que um aumento na expressão de RMn é promotor de aquisição de memória, enquanto que um aumento na expressão de RGc produz um efeito negativo. Apesar dos níveis circulantes de glicocorticóides na privação de sono paradoxal (PSP), não serem responsáveis pelo enfraquecimento de memória, não existem dados sobre a expressão dos receptores para corticosteróides no hipocampo, após PSP. Neste trabalho tivemos como objetivo investigar a expressão de receptores de Glicocorticóides no hipocampo, bem como avaliar aprendizado e memória em ratos privados de sono paradoxal. Ratos Wistar machos (250- 350g) foram submetidos à PSP, utilizando-se o método de múltiplas plataformas por um período de 96 horas. Após 96h de privação os animais foram anestesiados e perfundidos. Secções de 25 μm na área do hipocampo foram obtidas e reagidas com anticorpos para receptores de Glicocortidóides. Avaliamos as áreas CA1, CA3 e Giro Denteado. O aprendizado e memória espacial foram avaliados através do teste do labirinto aquático de oito braços, antes e após o período de privação de sono. Avaliou-se a latência de escape e o número de erros obtidos. O grupo PSP apresentou um aumento na expressão de RGc nas regiões: CA1 e Giro Denteado, não se observando diferença significativa na região CA3. A PSP prévia aos testes de aprendizado e memória não provocou alterações significativas. A privação de sono pós-aprendizado também não produziu diferenças estatisticamente significativas, mas um aumento no tempo de latência de escape e número de erros sugere um enfraquecimento na consolidação da memória. O aumento na expressão de RGc nas áreas estudadas, pode ser consequente a uma alteração no balanço entre os receptores para corticosteróides no hipocampo e ser responsável por alterações no aprendizado e memória em ratos PSP.

Avaliação morfofuncional do complexo hipocampal em ratos submetidos a um modelo de hipóxia-isquemia pré-natal

A diminuição do aporte de oxigênio e nutrientes na vida perinatal resulta em danos, como astrogliose, morte de neurônios e de células proliferativas. Déficits cognitivos podem estar relacionados a danos no hipocampo. Neste trabalho avaliamos a citoarquitetura do giro dentado (DG) durante o desenvolvimento e a memória de ratos submetidos à HI. Para tal, utilizamos a técnica de imunohistoquímica para marcador de proliferação celular (KI67), neurônio jovem (DCX), de astrócitos (GFAP) e de óxido nítrico sintase neuronal (NOSn). Para avaliar a memória de curta e de longa duração foi utilizado o teste de reconhecimento de objetos (RO). Ratas Wistar grávidas em E18 foram anestesiadas (tribromoetanol) e as quatro artérias uterinas foram ocluídas com grampos de aneurisma (Grupo HI). Após 45 minutos, os grampos foram removidos e foi feita a sutura por planos anatômicos. Os animais do grupo controle (SHAM) sofreram o mesmo procedimento, excetuando a oclusão das artérias. Os animais nasceram a termo. Animais com idades de 7 a 90 dias pós-natal (P7 a P90), foram anestesiados e perfundido-fixados com paraformaldeído a 4%, e os encéfalos submetidos ao processamento histológico. Cortes coronais do hipocampo (20m) foram submetidos à imunohistoquímica para KI67, DCX, GFAP e NOSn. Animais P90 foram submetidos ao RO. Os procedimentos foram aprovados pelo comitê de ética (CEA/019/2010). Observamos menor imunomarcação para KI67 no giro dentado de animais HI em P7. Para a marcação de DCX nesta idade não foi observada diferença entre os grupos. Animais HI em P15, P20 e P45 tiveram menor imunomarcação para DCX e Ki67 na camada granular. Animais P90 de ambos os grupos não apresentaram marcação para KI67 e DCX. Vimos aumento da imunomarcação para GFAP nos animais HI em todas as idades. A imunomarcação para NOSn nos animais HI foi menor em todas as idades. O maior número de células NOSn positivas foi visto em animais P7 em ambos os grupos na camada polimórfica. Em P15, animais HI apresentam células NOSn+ em todo o DG. Em P30 animais HI apresentam células NOSn+ nas camadas polimórfica e sub-granular. Animais adultos (P90) de ambos os grupos apresentam células NOSn positivas apenas nas camadas granular e sub-granular. Embora animais HI P90 não apresentaram déficits de memória, estes apresentaram menor tempo de exploração do objeto. Comportamento correspondente a déficits de atenção em humanos. Nossos resultados sugerem que HI perinatal diminui a população de células proliferativas, de neurônios jovens, de neurônios NOSn+, além de causar astrogliose e possivelmente déficits de atenção. O modelo demonstrou ser útil para a compreensão dos mecanismos celulares das lesões hipóxico-isquêmicas e pode ser usado para testar estratégias terapêuticas.

Space, Time and Learning in the Hippocampus: How Fine Spatial and Temporal Scales Are Expanded into Population Codes for Behavioral Control

The hippocampus participates in multiple functions, including spatial navigation, adaptive timing, and declarative (notably, episodic) memory. How does it carry out these particular functions? The present article proposes that hippocampal spatial and temporal processing are carried out by parallel circuits within entorhinal cortex, dentate gyrus, and CA3 that are variations of the same circuit design. In particular, interactions between these brain regions transform fine spatial and temporal scales into population codes that are capable of representing the much larger spatial and temporal scales that are needed to control adaptive behaviors. Previous models of adaptively timed learning propose how a spectrum of cells tuned to brief but different delays are combined and modulated by learning to create a population code for controlling goal-oriented behaviors that span hundreds of milliseconds or even seconds. Here it is proposed how projections from entorhinal grid cells can undergo a similar learning process to create hippocampal place cells that can cover a space of many meters that are needed to control navigational behaviors. The suggested homology between spatial and temporal processing may clarify how spatial and temporal information may be integrated into an episodic memory.