Cell-type specific programs regulate the assembly and dynamics of cortical circuits

Abstract

El extraordinario repertorio de comportamientos animales se basa en el preciso ensamblaje y refinamiento de conexiones sinápticas entre diferentes subtipos neuronales. Dicha especificidad, implica tanto la diversidad celular como la sináptica que, a su vez, están determinadas por programas de genes específicamente expresados en dichas células y estrictamente regulados durante el desarrollo. En virtud de la notable diversidad de tipos y patrones de conectividad, las neuronas inhibidoras son particularmente adecuadas para desempeñar papeles específicos y funcionalmente relevantes en los circuitos neuronales y, por lo tanto, configuran de forma crítica la función cortical. De acuerdo con esto, la disfunción GABAérgica está implicada en varios trastornos neurológicos y psiquiátricos. Aunque se han hecho algunos progresos hacia la comprensión de los componentes moleculares y estructurales que distinguen ampliamente las sinapsis inhibitorias y su ensamblaje, los mecanismos moleculares subyacentes a la conectividad específica de los subtipos de interneuronas son en gran parte desconocidos. En la primera parte de este trabajo se combinaron técnicas de “FACS sorting” de células y “RNA-sequencing” para investigar los cambios dinámicos en el transcriptoma de subtipos específicos de interneuronas durante etapas tempranas del desarrollo. El perfil transcripcional de dichas interneuronas reveló la existencia de programas moleculares altamente selectivos para cada tipo de interneurona cortical durante el desarrollo. A continuación, se complementaron los perfiles de expresión génica con experimentos de pérdida de función utilizando un sistema de virus y la estrategia de “protein knockdown”. Estos experimentos mostraron que, durante el desarrollo de las conexiones sinápticas, diferentes interneuronas presentan “improntas moleculares” específicas que determinan los patrones de conectividad. Comprender la relación entre el comportamiento y la función (así como la disfunción) de los circuitos inhibitorios implica descubrir no sólo los principios de organización sino también la lógica específica de la dinámica de dichos circuitos. La plasticidad neuronal dependiente de la actividad es un mecanismo fundamental a través del cual el sistema nervioso se adapta a la experiencia sensorial. Varias líneas de investigacion sugieren que las interneuronas que expresan parvalbúmina (PV+) son esenciales en este proceso, pero los mecanismos moleculares subyacentes a la influencia de la experiencia en la plasticidad de las interneuronas siguen siendo poco conocidos. Las redes perineuronales (PNN) que envuelven las células PV+ vienen siendo las candidatas para desempeñar ese papel, pero su contribución precisa ha permanecido difícil de aclarar. En la segunda parte de la tesis, mostramos que la proteína PNN Brevican regula críticamente la plasticidad interneuronal. Encontramos que Brevican controla simultáneamente las formas celulares y sinápticas de plasticidad en interneuronas PV+ regulando, respectivamente, la localización de canales de potasio y de receptores AMPA. Al modular los niveles de Brevican, la experiencia introduce modificaciones moleculares y celulares precisas en células PV + que son necesarias para el aprendizaje y la memoria. Estos descubrimientos revelan un programa molecular a través del cual una proteína PNN facilita respuestas conductuales apropiadas a la experiencia mediante la activación dinámica de la función de interneuronas PV+.