Blood Oxygenated Level Dependent functional Magnetic Resonance Imaging (BOLD fMRI) and Local Field Potentials in the hippocampus of mice lacking IP3-dependent calcium signalling in astrocytes

Abstract

Técnicas de imagen cerebral no invasivas, como la resonancia magnética funcional (fMRI), nos permiten estudiar las funciones cognitivas en los seres humanos, pero al mismo tiempo, están surgiendo como potentes herramientas de diagnóstico para los trastornos neurológicos y psiquiátricos. A pesar de su importancia, los mecanismos fisiológicos y celulares que subyacen a la generación de señales de resonancia magnética funcional no se conocen bien. Los astrocitos son bien conocidos desde la obra de Santiago Ramón y Cajal. Se encuentran en estrecho contacto entre las neuronas y los vasos sanguíneos del cerebro y debido a su posición estratégica se consideran como transductores putativos de la actividad neuronal en las respuestas vasculares. Con el concepto de la sinapsis tripartita al final de la década de los 90, un renovado interés surgido en la comprensión de la contribución de los astrocitos con la neurotransmisión y la plasticidad sináptica (Araque et al., 1999). Proporcionalmente menos atención ha recibido su papel en la regulación de las respuestas vasculares a la actividad neuronal, llamado “acoplamiento neurovascular”. En 2003, Zonta et al., mostró in vitro que después de la activación sináptica los astrocitos captaban el glutamato extracelular iniciando cascada de señalización de calcio que finalmente se tradujo en la dilatación de las arteriolas. En 2006, Metea y Newman mostraron que una inyección de inositol-1,4,5- trifosfato (IP3) la en los astrocitos , que moviliza las reservas de calcio intracelular, es suficiente para dilatar los vasos artificialmente estrechados en secciones de retina. Estos hallazgos, junto con la evidencia previa que demuestra el importante papel de las olas de calcio IP3-dependientes en los astrocitos para la transmisión neuronal y la plasticidad, apoyaron la hipótesis de que los astrocitos, de hecho, estaban jugando un papel clave en el acoplamiento neurovascular. Una advertencia importante de estos estudios, sin embargo, es que se llevaron a cabo principalmente in vitro, las condiciones experimentales en las que los sustratos metabólicos de energía se proporcionaron ad libitum en el líquido cefalorraquídeo artificial y el sistema vascular es desprovisto de la presión. Por tanto, parece necesario estudiar el acoplamiento neuro-glio-vascular in vivo. Para este fin, ratones modificado genéticamente para el subtipo 2 del receptor de IP3 (específico para astrocitos) han sido creados. Se utilizó fMRI y la sangre oxigenada Nivel de señal dependiente (BOLD), que permite visualizar la activación neuronal a través de la hiperemia local durante la estimulación eléctrica de la Vía Perforante. En paralelo, se mide Potenciales Campos Locales en el 16 hipocampo durante el mismo estímulo. Se encontró que el IP3 ondas de calcio dependientes en los astrocitos no son necesarios para el acoplamiento neurovascular , ni para iniciar la vasodilatación ni para mantenerla. Más sorprendentemente, se encontró que la transmisión sináptica en el hipocampo ratones KO IP3R2 se debilita ligeramente durante un largo estimulación. Estos resultados sugieren que el acoplamiento neurovascular está mediada por un mecanismo independiente de astrocitos tiendas de calcio interno in vivo. Estas mismas reservas de calcio probablemente juegan un papel en la fuerza sináptica, tal vez por la disminución de la absorción y / o liberación de neuro o gliotransmisores . Palabras clave: acoplamiento neurovascular, astrocitos, fMRI, inositol trifosfato, Potenciales de campo locales

Non-invasive brain imaging techniques, as functional magnetic resonance imaging (fMRI), allow us to study cognitive functions in humans, but at the same time, they are emerging as powerful diagnostic tools for neurological and psychiatric disorders. Despite their importance, the physiological and cellular mechanisms underlying fMRI signal generation are not well understood. Astrocytes are well known since Santiago Ramón y Cajal's work to be located in tight contact between neurons and brain blood vessels and due to its strategic positioning they were consider as putative transductors of neuronal activity into vascular responses. With the concept of the tripartite synapse at the end of the 90's a renewed interest emerged on understanding the contribution of astrocytes to neurotransmission and synaptic plasticity (Araque et al.,1999). Proportionally less attention has received its role in regulating vascular responses to neuronal activity, the so called neuro-vascular coupling. In 2003, Zonta et al., showed in vitro that after synaptic activation astrocytes uptake extracellular glutamate initiating calcium signaling cascade that finally translated into arteriole dilation. In 2006, Metea and Newman showed that an inositol-1,4,5-triphosphate (IP3) injection into astrocytes, that mobilize calcium from intracellular stores, is enough to dilate artificially constricted vessels in retina slices. These findings, together with previous evidence demonstrating the important role of IP3-dependent calcium signaling in astrocytes for neuronal transmission and plasticity, supported the hypothesis that astrocytes, indeed, were playing a key role in neurovascular coupling. An important caveat of these studies, however, is that they were mainly performed in vitro, experimental conditions in which the energy metabolic substrates are provided ad libitum in the artificial cerebrospinal fluid and the vascular system is devoid of pressure and function. Consequently, it appears necessary to study neuro-glio-vascular coupling in vivo. To this end, genetically modified mice for the subtype 2 of the IP3 receptor (specific for astrocytes) have been created. We used fMRI and Blood Oxygenated Level Dependent (BOLD) signal, which permits to visualize neuronal activation through local hyperemia, during electrical Perforant Path stimulation. In parallel, we measure Local Field Potential within the hippocampus during the very same stimulation. We found that IP3 dependent calcium waves in astrocytes are not necessary to neurovascular coupling, nor to initiate the vasodilation neither to maintain it. More surprisingly, we found that synaptic transmission in IP3R2 KO mice hippocampus is slightly weaken during a long stimulation. These results suggest that neurovascular coupling 14 is mediated by a mechanism independent of astrocyte internal calcium stores in vivo. These same calcium stores probably play a role in synaptic strength, maybe by decreasing uptake and/or release of neuro or gliotransmitters. Key words: neurovascular coupling, astrocytes, fMRI, Inositol triphosphate, Local Field Potentials