Impact of normal ageing and cerebral hypoperfusion on myelinated axons and its relation to the development of Alzheimer’s disease

Abstract

Cerebral hypoperfusion can occur in normal ageing and is proposed to underlie white matter disturbances observed in the ageing brain. Moreover, cerebral hypoperfusion and white matter attenuation are early events in the progression of Alzheimer’s disease (AD). White matter mostly consists of myelinated axons which have distinct protein architecture, segregated into defined regions; the axon initial segment (AIS), the node of Ranvier, paranode, juxtaparanode, and internode. These sites are essential for action potential initiation and/or propagation and subsequently effective brain function. At the outset of the studies in the thesis there was evidence that the different regions within the myelinated axons are vulnerable to injury and disease. Thus it is hypothesised that in response to normal ageing and cerebral hypoperfusion these structures are altered and associated with cognitive impairment and that these effects are exacerbated in a transgenic mouse model (APPSw,Ind, J9 line) which develops age-dependent amyloid-β (Αβ) pathology. The first study aims to investigate the effect of normal ageing and Aβ deposition on myelinated axons and on learning and memory. To address this, the effects of normal ageing on the integrity of the AIS, nodes of Ranvier, myelin, axons, synapses and spatial working memory are examined in young and aged wild-type and TgAPPSw,Ind mice. A significant reduction in the length of nodes of Ranvier is demonstrated in aged wild-type and TgAPPSw,Ind mice. In addition, the length of AIS, is significantly reduced in the aged wild-type animals while the young TgAPPSw,Ind have significantly shorter AIS than the young wild-type mice. These effects are not influenced by the presence of Aβ. Myelin integrity is affected by age but this is more prominent in the wild-type animals whilst axonal integrity is intact. Moreover, there is an age-related decrease of presynaptic boutons only in the TgAPPSw,Ind mice. Contrary to the original hypothesis, working memory performance is not altered with age or influenced by increasing Aβ levels. The second study aims to examine the effects of cerebral hypoperfusion in combination with Αβ pathology and/or ageing on cognitive performance and the structure of myelinated axons. To address this, the effects of surgically induced cerebral hypoperfusion on the integrity of the nodes of Ranvier, paranodes, myelin, axons and spatial working memory performance are investigated in young and aged wild-type and TgAPPSw,Ind mice. A decrease in nodal length is observed in response to hypoperfusion in young and aged animals. This effect is shown to be exacerbated in the young TgAPPSw,Ind animals. Moreover, the disruption of the nodal domain is shown to occur without any gross alterations in myelin and axonal integrity. It is also demonstrated that in response to hypoperfusion, spatial working memory performance is defected in young and aged animals of both genotypes. This deficit is exacerbated in the young TgAPPSw,Ind. The observed changes in the nodal structure are associated with poor working memory performance indicating functional implication for the nodal changes. These data highlight that structures within myelinated axons are vulnerable to ageing and cerebral hypoperfusion. Therefore, the development of strategies that minimize injury or drive repair to these regions is necessary together with therapeutic approaches against the vascular insults that induce hypoperfusion and lead to white matter attenuation and cognitive decline. In the future, it would be interesting to investigate how alterations at the AIS and the nodes of Ranvier affect neuronal excitability.

Η εγκεφαλική υποαιμάτωση εμφανίζεται στη φυσιολογική γήρανση και προτείνεται ότι προκαλεί διαταραχές στη λευκή ουσία οι οποίες παρατηρούνται στους γερασμένους εγκεφάλους. Επιπλέον, η εγκεφαλική υποαιμάτωση και οι αλλοιώσεις της λευκής ουσίας είναι πρώιμα συμβάντα στην εξέλιξη της νόσου του Αλτσχάιμερ (AD). Η λευκή ουσία αποτελείται κυρίως από μυελινωμένους άξονες που έχουν μία ιδιαίτερη πρωτεϊνική αρχιτεκτονική καθώς διαχωρίζονται σε συγκεκριμένες περιοχές οι οποίες είναι το αρχικό τμήμα του άξονα (AIS), ο κόμβος του Ranvier, ο paranode, ο juxtaparanode, και ο internode. Αυτές οι διαφορετικές περιοχές είναι απαραίτητες για την έναρξη και τη διάδοση του δυναμικού δράσης και κατά συνέπεια για την αποτελεσματική λειτουργία του εγκεφάλου. Ένα εύρος δεδομένων συνηγορούν ότι οι διαφορετικές περιοχές εντός των εμμύελων αξόνων είναι ευάλωτες σε περιπτώσεις τραυματισμού ή ασθένειας. Για αυτό υποθέτουμε ότι ως απόκριση στη φυσιολογική γήρανση και στην εγκεφαλική υποαιμάτωση αυτές οι περιοχές θα αλλοιώνονται οδηγώντας σε γνωστική εξασθένηση και ότι αυτές οι επιδράσεις θα επιδεινώνονται σε ένα διαγονιδιακό μοντέλο ποντικού (σειρά APPSw, Ind, J9) που αναπτύσσει παθολογία β-αμυλοειδoύς (Αβ) εξαρτώμενη από την ηλικία. Η πρώτη μελέτη στοχεύει στη διερεύνηση της επίδρασης της φυσιολογικής γήρανσης και της εναπόθεσης του Αβ στους μυελινωμένους άξονες καθώς και στη μνήμη και τη μάθηση. Για αυτό, οι επιδράσεις της φυσιολογικής γήρανσης στην ακεραιότητα του AIS, των κόμβων του Ranvier, της μυελίνης, των αξόνων, των συνάψεων και της χωρικής μνήμης εργασίας εξετάστηκαν σε νεαρα και ηλικιωμένα wild-type και TgAPPSw,Ind ποντίκια. Παρατηρήθηκε σημαντική μείωση του μήκους των κόμβων του Ranvier στα ηλικιωμένα wild-type και TgAPPSw,Ind ποντίκια. Επιπλέον, το μήκος του AIS μειώνεται σημαντικά στα ηλικιωμένα wild-type ζώα, ενώ τα νεαρά TgAPPSw,Ind έχουν σημαντικά μικρότερο AIS από τα νεαρά wild-type ποντίκια. Αυτές οι επιδράσεις δεν επηρεάζονται από την παρουσία του Αβ. Η ακεραιότητα της μυελίνης επηρεάζεται από την ηλικία, αλλά αυτό είναι πιο εμφανές στα wild-type ζώα, ενώ η ακεραιότητα των νευραξόνων είναι ανέπαφη. Επιπλέον, υπάρχει μια σχετιζόμενη με την ηλικία μείωση των προσυναπτικών buttons μόνο στα TgAPPSw,Ind ποντίκια. Σε αντίθεση με την αρχική υπόθεση, η μνήμη εργασία δεν μεταβάλλεται με την ηλικία ούτε επηρεάζεται από την αύξηση των επιπέδων Αβ. Η δεύτερη μελέτη στοχεύει να εξετάσει τις επιδράσεις της εγκεφαλικής υποαιμάτωσης σε συνδυασμό με την παθολογία του Αβ και τη γήρανση στις γνωστικές λειτουργίες και στη δομή των μυελινωμένων αξόνων. Για αυτό, διερευνήθηκαν τα αποτελέσματα της χειρουργικά επαγόμενης εγκεφαλικής υποαιμάτωσης στην ακεραιότητα των κόμβων του Ranvier, των paranodes, της μυελίνης, των αξόνων και στη χωρική μνήμη εργασίας σε νεαρά και ηλικιωμένα wild-type και TgAPPSw,Ind ποντίκια. Παρατηρείται μείωση του μήκους των κόμβων του Ranvier ως απόκριση στην υποαιμάτωση σε νεαρά και ηλικιωμένα ζώα. Αυτή η επίδραση φαίνεται να επιδεινώνεται στα νεαρά TgAPPSw,Ind ζώα. Επιπλέον, η διαταραχή της περιοχής του κόμβου φαίνεται να συμβαίνει χωρίς μεγάλες αλλαγές στη μυελίνη ή στην ακεραιότητα του νευράξονα. Αποδεικνύεται επίσης ότι ως απόκριση στην υποαιμάτωση, η χωρική μνήμη εργασίας είναι ελαττωματική τόσο στα νεαρά όσο και στα ηλικιωμένα ζώα και των δύο γονότυπων. Αυτό η βλάβη επιδεινώνεται στα νεαρά TgAPPSw,Ind ζώα. Οι παρατηρούμενες αλλαγές στη δομή του κόμβου του Ranvier συσχετίζονται με την μείωση της μνήμης εργασίας, υποδεικνύοντας τις λειτουργικές επιπτώσεις στις αλλαγές της δομής του κόμβου του Ranvier. Αυτά τα δεδομένα υπογραμμίζουν ότι οι δομές εντός των μυελινωμένων αξόνων είναι ευάλωτες στη γήρανση και στην εγκεφαλική υποαιμάτωση. Επομένως, η ανάπτυξη στρατηγικών που ελαχιστοποιούν τον τραυματισμό ή οδηγούν στην αποκατάσταση αυτών των περιοχών είναι απαραίτητη μαζί με θεραπευτικές προσεγγίσεις κατά των αγγειακών προσβολών που προκαλούν υποαιμάτωση και οδηγούν σε αλλοίωση της λευκής ουσίας και γνωστική έκπτωση. Στο μέλλον, θα ήταν ενδιαφέρον να διερευνηθεί πώς οι αλλαγές στο AIS και τους κόμβους του Ranvier επηρεάζουν τη νευρωνική διεγερσιμότητα.