Thalamic control of cortical plasticity following input deprivation

Abstract

Understanding how the brain adapts to the sensory lost might help us to better decipher the role of intrinsic and extrinsic mechanisms involved in cortical development. A paradigm extensively used to unravel the role of the afferent input in the development of the cortex, is the deprivation of one sensory modality. The deprivation of one sensory modality leads to an adaptive reorganization of the deprived and non-deprived sensory circuits. In this Thesis I used different animal models in which visual or auditory input is impaired during embryonic stages. A recent publication from our laboratory, and the core of this Thesis, has shown that when visual input is removed embryonically, the thalamus triggers a profound reorganization of the somatosensory cortex through changes in thalamic gene expression and thalamocortical axonal branching (Moreno-Juan et al, 2017). We have demonstrated the existence of a prenatal subcortical mechanism that regulates cortical areas size in mice. This mechanism is mediated by the presence of thalamic spontaneous calcium waves that provides a means of communication between different sensory systems. Thus, changes in thalamic calcium waves lead to changes in the genetic profile of thalamic neurons, more specifically the upregulation of Rorβ in VPM neurons that predates the enlargement of the barrel-field. We have elucidated that common mechanisms are present in visual and auditory deprived animals as the upregulation of Rorβ takes place in the VPM neurons of the embryonic auditory cochleated animals preluding the enlargement of the barrel-field. Moreover, we have found a previously unknown role of thalamic spontaneous activity in disrupting the shape of the corticothalamic axons development. These findings reveal that embryonic thalamic calcium waves coordinate the development and shape of the cortex and the plasticity prior to sensory information processing. Our results will help to better understand how the brain adapts to sensory injury and to investigate possible therapeutic targets promoting behavioural gains and eliminating those connections that may be maladaptive.

Una de las cuestiones más interesantes del campo de la neurobiología es intentar descifrar el rol de los mecanismos intrínsecos y extrínsecos implicados en el desarrollo de la corteza cerebral. La privación de una modalidad sensorial se ha utilizado durante mucho tiempo para desvelar el rol de los inputs aferentes en el desarrollo de la corteza cerebral. La privación de una modalidad sensorial provoca adaptaciones en la reorganización de los circuitos afectados y en los intactos. En la memoria de Tesis doctoral aquí presentada se han utilizado diferentes modelos animales en los que se han dañado los inputs visuales o auditivos en estadios embrionarios. Recientemente hemos mostrado en una publicación de nuestro laboratorio, y el tema central de esta Tesis, que al abolir la entrada de información visual durante estadios embrionarios, el tálamo coordina reorganizaciones en la corteza somatosensorial mediante cambios en la expresión genes en el tálamo y cambios en en las ramificaciones de los axones talamocorticales (Moreno-Juan et al., 2017). Hemos demostrado la existencia de un mecanismo subcortical que regula el tamaño de las áreas corticales en ratones. Este mecanismo está mediado por la presencia de ondas de actividad espontánea de calcio lo que proporciona un método de comunicación entre diferentes sistemas sensoriales. Por lo tanto, cambios en las ondas de calcio conlleva a cambios en el perfil genético de las neuronas talámicas, específicamente el incremento de ondas en el núcleo talámico somatosensorial provoca una sobreexpresión de Rorβ en las neuronas de este núcleo lo que promueve un aumento en el tamaño de la corteza de barriles. Además, hemos encontrado un rol previamente desconocido de la actividad espontánea talámica en el correcto desarrollo de los axones corticotalámicos. Estos resultados revelan que las ondas de calcio talámicas embrionarias coordinan el desarrollo y la forma de la corteza cerebral y la plasticidad antes de que la información sensorial sea procesada. Nuestros resultados ayudarán a entender mejor cómo el cerebro se adapta tras sufrir daños sensoriales y a investigar posibles dianas terapéuticas que promuevan beneficios y poder eliminar las conexiones que podrían no ser producentes.