Mice with chronic GSH deficit display phenotypical anomalies that resemble key aspects of schizophrenia

ABSTRACTSchizophrenia is a major psychiatric disorder occurring with a prevalence of 1% in the worldwide population. It develops progressively with psychosis onset in late adolescence or earlyadulthood. The disorder can take many different facets and has a highly diffuse anddistributed neuropathology including deficits in major neurotransmitter systems,myelination, stress regulation, and metabolism. The delayed onset and the heterogeneouspathology suggest that schizophrenia is a developmental disease that arises from interplayof genetic and environmental factors during sensitive periods. Redox dysregulation due to animbalance between pro-oxidants and antioxidant defence mechanisms is among the riskfactors for schizophrenia. Glutathione (GSH) is the major cellular redox regulator andantioxidant. Levels of GSH are decreased in cerebrospinal fluid, prefrontal cortex and postmortemstriatum of schizophrenia patients. Moreover, polymorphisms of the key GSHsynthesizingenzyme, glutamate-cysteine ligase, modifier (GCLM) subunit, are associatedwith the disease, suggesting that GSH deficit is of genetic origin. Here we used miceknockout (KO) for the GCLM gene, which display chronic GSH deficit (~70 to 80% decrease)to investigate the direct link between redox dysregulation and schizophrenia. Accordingly,we evaluated whether GCLM KO compared to normal wildtype mice display behavioralchanges that relate to schizophrenia symptoms and whether their brains showmorphological, functional or metabolic alterations that resemble those in patients.Moreover, we exposed pubertal GCLM mice to repeated mild stress and measured theirhormonal and behavioral stress reactivity. Our data show that chronic GSH deficit isassociated with altered emotion- and stress-related behaviors, deficient prepulse inhibition,pronounced amphetamine-induced hyperlocomotion but normal spatial learning andworking memory. These changes represent important schizophrenia endophenotypes.Moreover, this particular pattern of change indicates impairment of the ventralhippocampus (VH) and related circuitry as opposed to the dorsal hippocampus (DH), which isimplicated in spatial information processing. This is consistent with a selective deficit ofparvalbumin positive interneurons and gamma oscillation in the VH but not DH. Increasedlevels of circulating stress hormones in KO mice following pubertal stress corroborate VHdysfunction as it is involved in negative feedback control of the stress response. VHstructural and functional deficits are frequently found in the schizophrenic brain. Metabolicevaluation of the developing GCLM KO anterior cortex using in vivo magnetic resonancespectroscopy revealed elevated glutamine (Gln), glutamate (Glu), Gln/Glu and N-acetylaspartate(NAA) during the pre-pubertal period. Similar changes are reported in earlyschizophrenia. Overall, we observe phenotypic anomalies in GSH deficient GCLM KO micethat correspond to major schizophrenia endophenotypes. This supports an important rolefor redox dysregulation in schizophrenia and validates the GCLM KO mouse as model for thedisease. Moreover, our results indicate that puberty may be a sensitive period for redoxsensitivechanges highliting the importance of early intervention. Gln, Gln/Glu, Glu and NAAmay qualify as early metabolic biomarkers to identify young at-risk individuals. Since chronictreatment with NAC normalized most metabolic changes in GCLM KO mice, NAC may be oneadjunct treatment of choice for early intervention in patients.RESUMELa schizophrénie est une maladie psychiatrique majeure avec une prévalence de 1% dans lapopulation. Son développement est progressif, les premières psychoses apparaissant àl'adolescence ou au début de l'âge adulte. La maladie a plusieurs présentations et uneneuropathologie étendue, qui inclut des déficits neurochimiques, métaboliques, de lamyélination et de la régulation du stress. L'émergence tardive et l'hétérogénéité de lapathologie suggèrent que la schizophrénie est une maladie développementale, favorisée pardes facteurs génétiques et environnementaux durant des périodes sensibles. La dérégulationrédox, due à un déséquilibre entre facteurs pro-oxidantes et défenses anti-oxidantes,constitue un facteur de risque. Le glutathion (GSH) est le principal régulateur rédox et antioxidantdes cellules, ses taux sont diminués dans le liquide céphalorachidien, le cortexpréfrontal et le striatum de patients. De plus, des variations du gène codant la sous-unitémodulatrice (GCLM) de la glutamate-cystéine ligase, enzyme de synthèse du GSH, sontassociés la maladie, suggérant que le déficit observé chez les patients est d'originegénétique. Nous avons donc utilisé des souris ayant une délétion du gène GCLM (KO), quiont un déficit chronique en GSH (70-80%), afin d'étudier le lien entre une dérégulation rédoxet la schizophrénie. Nous avons évalué si ces souris présentent des altérationscomportementales analogues aux symptômes de la maladie, et des modificationsstructurelles, fonctionnelles et métaboliques au niveau du cerveau, ressemblant à celles despatients. De plus, nous avons soumis les souris à des stresses modérés durant la puberté,puis mesuré les réponses hormonales et comportementales. Les animaux présentent undéficit pré-attentionnel du traitement des informations moto-sensorielles, un déficit pourcertains apprentissages, une réponse accrue à l'amphétamine, mais leurs mémoires spatialeet de travail sont préservées. Ces atteintes comportementales sont analogues à certainsendophénotypes de la schizophrénie. De plus, ces changements comportementaux sontlargement expliqués par une perturbation morphologique et fonctionnelle de l'hippocampeventral (HV). Ainsi, nous avons observé un déficit sélectif des interneurones immunoréactifsà la parvalbumine et une désynchronisation neuronale dans l'HV. L'hippocampe dorsal,impliqué dans l'orientation spatiale, demeure en revanche intact. L'augmentationd'hormones de stress dans le sang des souris KO suite à un stress prépubertal soutien aussil'hypothèse d'une dysfonction de l'HV, connu pour moduler ce type de réponse. Des déficitsstructurels et fonctionnels dans l'hippocampe antérieur (ventral) ont d'ailleurs été rapportéschez des patients schizophrènes. Par de résonance magnétique, nous avons également suivile profil métabolique du le cortex antérieur au cours du développement postnatal des sourisKO. Ces mesures ont révélé des taux élevés de glutamine (Gln), glutamate (Glu), du ratioGln/Glu, et de N-acétyl-aspartate (NAA) durant la période prépubertale. Des altérationssimilaires sont décrites chez les patients durant la phase précoce. Nous avons donc révélédes anomalies phénotypiques chez les souris GCLM KO qui reflètent certainsendophénotypes de la schizophrénie. Nos résultats appuient donc le rôle d'une dérégulationrédox dans l'émergence de la maladie et le potentiel des souris KO comme modèle. De plus,cette étude met en évidence la puberté comme période particulièrement sensible à unedérégulation rédox, renforçant l'importance d'une intervention thérapeutique précoce. Dansce cadre, Gln, Gln/Glu, Glu and NAA seraient des biomarqueurs clés pour identifier de jeunesindividus à risque. De part son efficacité dans notre modèle, NAC pourrait être unesubstance de choix dans le traitement précoce des patients.

Acute Effects of Lysergic Acid Diethylamide in Healthy Subjects.

BACKGROUND: After no research in humans for >40 years, there is renewed interest in using lysergic acid diethylamide (LSD) in clinical psychiatric research and practice. There are no modern studies on the subjective and autonomic effects of LSD, and its endocrine effects are unknown. In animals, LSD disrupts prepulse inhibition (PPI) of the acoustic startle response, and patients with schizophrenia exhibit similar impairments in PPI. However, no data are available on the effects of LSD on PPI in humans. METHODS: In a double-blind, randomized, placebo-controlled, crossover study, LSD (200 μg) and placebo were administered to 16 healthy subjects (8 women, 8 men). Outcome measures included psychometric scales; investigator ratings; PPI of the acoustic startle response; and autonomic, endocrine, and adverse effects. RESULTS: Administration of LSD to healthy subjects produced pronounced alterations in waking consciousness that lasted 12 hours. The predominant effects induced by LSD included visual hallucinations, audiovisual synesthesia, and positively experienced derealization and depersonalization phenomena. Subjective well-being, happiness, closeness to others, openness, and trust were increased by LSD. Compared with placebo, LSD decreased PPI. LSD significantly increased blood pressure, heart rate, body temperature, pupil size, plasma cortisol, prolactin, oxytocin, and epinephrine. Adverse effects produced by LSD completely subsided within 72 hours. No severe acute adverse effects were observed. CONCLUSIONS: In addition to marked hallucinogenic effects, LSD exerts methylenedioxymethamphetamine-like empathogenic mood effects that may be useful in psychotherapy. LSD altered sensorimotor gating in a human model of psychosis, supporting the use of LSD in translational psychiatric research. In a controlled clinical setting, LSD can be used safely, but it produces significant sympathomimetic stimulation.

Modulation du réflexe acoustique de sursaut et de l’inhibition par le prépulse : une comparaison entre les jeunes adultes et les âgés

Une des théories actuellement prépondérante pour expliquer le déclin cognitif observé chez les personnes âgées est une perte généralisée de la fonction inhibitrice. En revanche, de plus en plus d’études révèlent un maintien et même un gain sur le plan émotionnel chez les âgés. Afin de caractériser l’effet de l’âge sur la fonction inhibitrice et sur les émotions, nous avons utilisé le paradigme bien connu du réflexe acoustique de sursaut et de son inhibition par le prépulse, un phénomène reconnu comme reflétant le filtrage sensorimoteur, soit une mesure pré-attentionnelle d’inhibition. Le réflexe acoustique de sursaut est une réponse du corps tout entier à un bruit fort et inattendu et a été mesuré via la magnitude et la latence du clignement des yeux. La présentation d’un son faible (prépulse) quelques millisecondes avant le bruit de sursaut réduit la réponse de sursaut. Deux groupes de participants (jeunes adultes et âgés) ont visionné des images plaisantes, neutres et déplaisantes issues du International Affective Picture System (IAPS), lesquelles étaient associées à des stimuli auditifs évaluant le réflexe acoustique de sursaut et son inhibition par le prépulse. Les résultats démontrent que le réflexe de sursaut est modulé différemment par les émotions chez les jeunes adultes et les âgés. Plus particulièrement, les adultes âgés ont un plus grand réflexe de sursaut que les jeunes adultes lorsqu’ils visionnent des images plaisantes et neutres. Le processus d’inhibition par le prépulse est également modulé différemment par les émotions chez les âgés et les jeunes adultes: les âgés ont une plus grande inhibition du réflexe de sursaut que les jeunes adultes lorsqu’ils visionnent des images plaisantes et déplaisantes, mais ils ne diffèrent pas des jeunes adultes pour les images neutres. Dans l’ensemble, les résultats obtenus ne sont pas compatibles avec une perte d’inhibition chez les adultes âgés, et supportent plutôt un biais émotionnel positif.

Caractérisation et objectivation de l’acouphène subjectif chronique idiopathique

Objectif: Cette thèse avait pour objectif principal la mise en oeuvre et la validation de la faisabilité, chez l'humain, du paradigme de modulation du réflexe acoustique de sursaut par un court silence (GPIAS) afin de l'utiliser comme mesure objective de l'acouphène. Pour ce faire, trois expériences ont été réalisées. L'expérience 1 avait pour objectif de valider l'inhibition du réflexe de sursaut par un court silence chez des participants humains normo-entendants (sans acouphène) lors de la présentation d'un bruit de fond centré en hautes et en basses fréquences afin de déterminer les paramètres optimaux du paradigme. L'expérience 2 avait pour objectif de valider la précision et la fidélité d'une méthode de caractérisation psychoacoustique de l'acouphène (appariement en intensité et en fréquence). Finalement, l'expérience 3 avait pour objectif d'appliquer le paradigme d'objectivation de l'acouphène par le réflexe de sursaut à des participants atteints d'acouphènes chroniques en utilisant les techniques développées lors des expériences 1 et 2. Méthodologie : L'expérience 1 incluait 157 participants testés dans l'une des conditions de durée du court silence (5, 25, 50, 100, 200 ms) et dans l'un des deux paradigmes (court silence à l'intérieur du bruit de fond ou suivant celui-ci) à l'aide de bruits de fond en hautes et en basses fréquences. L'expérience 2 incluait deux groupes de participants avec acouphène, l'un musicien (n=16) et l'autre sans expérience musicale (n=16) ainsi qu'un groupe de simulateur sans acouphène (n=18). Ils tous ont été évalués sur leur capacité d'appariement en fréquence et en intensité de leur acouphène. Les mesures ont été reprises chez un sous-groupe de participants plusieurs semaines plus tard. L'expérience 3 incluait 15 participants avec acouphène et 17 contrôles évalués à l'aide du paradigme d'inhibition du réflexe de sursaut à l'aide d'un court silence (GPIAS). Les paramètres psychoacoustiques de l'acouphène ont également été mesurés. Toutes les mesures ont été reprises plusieurs mois plus tard chez un sous-groupe de participants. Résultats : Expérience 1 : le paradigme d'inhibition du réflexe acoustique de sursaut par un court silence est applicable chez l'humain normo-entendant. Expérience 2 : les mesures psychoacoustiques informatisées de l'acouphène incluant l'appariement en fréquence et en intensité sont des mesures précises et fidèles du percept de l'acouphène. Expérience 3 : un déficit d'inhibition au paradigme du GPIAS a été retrouvé chez le groupe de participants avec acouphène pour les bruits de fond en hautes et en basses fréquences au test et au retest. Les mesures d'appariement en fréquence ont révélé un acouphène dont la fréquence prédominante était d'environ 16 000 Hz chez la plupart des participants. Discussion : Il est possible d'appliquer le paradigme d'inhibition du réflexe acoustique de sursaut par un court silence à des participants humains atteints d'acouphène, tel qu'il est utilisé en recherche animale pour « objectiver » la présence d'acouphène. Toutefois, le déficit d'inhibition mesuré n'est pas spécifique à la fréquence de l'acouphène lorsque validé à partir des données d'appariement psychoacoustique. Nos résultats soulèvent des questions quant à l'interprétation originale du paradigme pour détecter la présence d'un acouphène chez les animaux.

A fast cholinergic modulation of the primary acoustic startle circuit in rats

Cochlear root neurons (CRNs) are the first brainstem neurons which initiate and participate in the full expression of the acoustic startle reflex. Although it has been suggested that a cholinergic pathway from the ventral nucleus of the trapezoid body (VNTB) conveys auditory prepulses to the CRNs, the neuronal origin of the VNTB-CRNs projection and the role it may play in the cochlear root nucleus remain uncertain. To determine the VNTB neuronal type which projects to CRNs, we performed tract-tracing experiments combined with mechanical lesions, and morphometric analyses. Our results indicate that a subpopulation of non-olivocochlear neurons projects directly and bilaterally to CRNs via the trapezoid body. We also performed a gene expression analysis of muscarinic and nicotinic receptors which indicates that CRNs contain a cholinergic receptor profile sufficient to mediate the modulation of CRN responses. Consequently, we investigated the effects of auditory prepulses on the neuronal activity of CRNs using extracellular recordings in vivo. Our results show that CRN responses are strongly inhibited by auditory prepulses. Unlike other neurons of the cochlear nucleus, the CRNs exhibited inhibition that depended on parameters of the auditory prepulse such as intensity and interstimulus interval, showing their strongest inhibition at short interstimulus intervals. In sum, our study supports the idea that CRNs are involved in the auditory prepulse inhibition of the acoustic startle reflex, and confirms the existence of multiple cholinergic pathways that modulate the primary acoustic startle circuit. © 2013 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Analysis of the chronic intake of and withdrawal from diazepam on emotional reactivity and sensory information processing in rats

It has been demonstrated that, on abrupt withdrawal, patients with chronic exposure can experience a number of symptoms indicative of a dependent state. In clinical patients, the earliest to arise and most persistent signal of withdrawal from chronic benzodiazepine (Bzp) treatment is anxiety. In laboratory animals, anxiety-like effects following abrupt interruption of chronic Bzp treatment can also be reproduced. In fact, signs that oscillate from irritability to extreme fear behaviours and seizures have been described already. As anxiety remains one of the most important symptoms of Bzp withdrawal, in this study we evaluated the anxiety levels of rats withdrawn from diazepam. Also studied were the effects on the motor performance and preattentive sensory gating process of rats under diazepam chronic treatment and upon 48-h withdrawal on three animal models of anxiety, the elevated plus-maze (EPM), ultrasonic vocalizations (USV) and startle + prepulse inhibition tests. Data obtained showed an anxiolytic- and anxiogenic-like profile of the chronic intake of and withdrawal from diazepam regimen in the EPM test, 22-KHz USV and startle reflex. Diazepam chronic effects or its withdrawal were ineffective in promoting any alteration in the prepulse inhibition (PPI). However, an increase of PPI was achieved in both sucrose and diazepam pretreated rats on 48-h withdrawal, suggesting a procedural rather than a specific effect of withdrawal on sensory gating processes. It is also possible that the prepulse can function as a conditioned stimulus to informing the delivery of an aversive event, as the auditory startling-eliciting stimulus. All these findings are indicative of a sensitization of the neural substrates of aversion in diazepam withdrawn animals without concomitant changes on the processing of sensory information

Estudo hodológico e neuroquímico das aferências da região noradrenérgica A5 aos neurônios da raiz coclear

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Mucoadhesive Amphiphilic Methacrylic Copolymer-Functionalized Poly(epsilon-caprolactone) Nanocapsules for Nose-to-Brain Delivery of Olanzapine

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Estudo comportamental das aferências do núcleo ventral do corpo trapezóide ao primeiro núcleo do circuito neural do reflexo auditivo de sobressalto: núcleo da raiz coclear

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Influência de gênero e do ciclo estral no reflexo auditivo de sobressalto em ratos Wistar

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Iptakalim: A Potential Antipsychotic Drug with Novel Mechanisms?

Iptakalim is a novel putative adenosine triphosphate (ATP)-sensitive potassium (KATP) channel opener. In the brain, iptakalim is thought to act on the neuronal and astrocytic plasma membrane and/or mitochondrial KATP channels. Because iptakalim demonstrates an action on the regulation of dopamine and glutamate release in the forebrain regions, we examined its potential antipsychotic efficacy in several preclinical tests. First, we show that iptakalim is effective in reducing amphetamine- and phencyclidine-induced hyperlocomotion as well as selectively disrupting conditioned avoidance responding. Next, we show that combined iptakalim and amphetamine treatment produces a reduction on prepulse inhibition of acoustic startle and this combined drug effect is also found with haloperidol, but not with clozapine. Finally, we show that iptakalim and clozapine preferentially increase c-Fos expression in the medial prefrontal cortex, nucleus accumbens and lateral septal nucleus, whereas haloperidol induces a greater increase in the nucleus accumbens, the dorsolateral striatum and lateral septal nucleus. Collectively, our findings indicate that iptakalim is likely to be a potential antipsychotic drug with distinct mechanisms of action. This study also suggests that neuronal and astrocytic plasma membrane and/or mitochondrial KATP channels may be a novel target that deserves attention for antipsychotic drug development. Future research using other sensitive tests is needed to confirm this property of iptakalim.

Lipopolysaccharide-Induced Sickness Behaviour Evaluated in Different Models of Anxiety and Innate Fear in Rats

The fact that there is a complex and bidirectional communication between the immune and nervous systems has been well demonstrated. Lipopolysaccharide (LPS), a component of gram-negative bacteria, is widely used to systematically stimulate the immune system and generate profound physiological and behavioural changes, also known as sickness behaviour (e.g. anhedonia, lethargy, loss of appetite, anxiety, sleepiness). Different ethological tools have been used to analyse the behavioural modifications induced by LPS; however, many researchers analysed only individual tests, a single LPS dose or a unique ethological parameter, thus leading to disagreements regarding the data. In the present study, we investigated the effects of different doses of LPS (10, 50, 200 and 500 mu g/kg, i.p.) in young male Wistar rats (weighing 180200 g; 89 weeks old) on the ethological and spatiotemporal parameters of the elevated plus maze, light-dark box, elevated T maze, open-field tests and emission of ultrasound vocalizations. There was a dose-dependent increase in anxiety-like behaviours caused by LPS, forming an inverted U curve peaked at LPS 200 mu g/kg dose. However, these anxiety-like behaviours were detected only by complementary ethological analysis (stretching, grooming, immobility responses and alarm calls), and these reactions seem to be a very sensitive tool in assessing the first signs of sickness behaviour. In summary, the present work clearly showed that there are resting and alertness reactions induced by opposite neuroimmune mechanisms (neuroimmune bias) that could lead to anxiety behaviours, suggesting that misunderstanding data could occur when only few ethological variables or single doses of LPS are analysed. Finally, it is hypothesized that this bias is an evolutionary tool that increases animals security while the body recovers from a systemic infection.

The effects of noise exposure and genetic background on auditory-evoked behaviors in larval zebrafish

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

Transient prenatal vitamin D deficiency is associated with hyperlocomotion in adult rats

Rat experiments have shown that prenatal Vitamin D deficiency leads to altered neonatal brain morphology, cell density and neurotrophin expression. In the current study we examined the hypothesis that Vitamin D deficiency during early development alters adult behaviour even when there is an intervening period in which the animal receives normal Vitamin D in later development. Rats were conceived and born to Vitamin D deficient dams (Birth); conceived, born and weaned from Vitamin D deficient dams (Weaning); or deficient in Vitamin D from conception to 10 weeks of age (Life). Litters were standardized to three males and three females per litter. All rat offspring were rendered normocalcaemic with calcium supplemented water (2 mM) after weaning. Control animals were born to mothers fed a normal diet but subject to similar litter size and calcium supplementation. At 10 weeks all animals were tested on the holeboard test, elevated plus maze test, social interaction observation, acoustic startle response test, prepulse inhibition of the acoustic startle response and a forced swim test. Early Vitamin D deficiency (Birth group) enhanced locomotion in the holeboard test and increased activity in the elevated plus maze. Thus, transient prenatal Vitamin D deficiency induces hyperlocomotion in adulthood, without severe motor abnormalities. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Behavioural characterization of Vitamin D receptor knockout mice

Vitamin D (calcitriol) is a nuclear transcription regulator acting via a nuclear hormone receptor (VDR). In addition to its role in the regulation of calcium and phosphate horneostasis and in bone formation, Vitamin D is also thought to be involved in brain function. The aim of this study was to behaviourally phenotype VDR knockout mice. We characterized the behaviour of VDR null mutant mice and wildtype littermate controls by subjecting them to a range of tests including a primary behavioural screen (using the SHIRPA protocol), rotarod, gait analysis, Y-maze, marble burying test, bedding test, holeboard test, elevated plus maze, open field test and prepulse inhibition of the acoustic startle response. There were no effects of genotype on most of the scores from the SHIRPA protocol except that VDR -/- mice had alopecia, were shorter and weighed less than VDR +/+ mice. VDR -/- mice had a shorter gait as well as impairments on the rotarod, in the bedding test and impaired habituation in both the open field and on the acoustic startle response. The VDR -/- mice had normal acoustic startle responses but had impaired PPI at long (256 ms) but not short (64 ms) prepulse to pulse intervals. The VDR -/- mice were less active in the open field and buried fewer marbles in the marble burying test. However, there were no differences in the time spent on the open arms of the elevated plus maze or in working memory as assessed by repeat arm entries on the Y-maze. Therefore, it appears that VDR -/- mice have muscular and motor impairments that significantly affects locomotor behaviour but seemingly no impairments in cognition as indicated by exploration, working memory or anxiety. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.