Επίδραση του συστημικού και κυτταρικού στρες στη συναπτική πλαστικότητα και τη μνήμη

Abstract

Stress -or even potential stressors- is a common condition influencing the lives of all individuals and organisms. It is known that exposure to stress can affect emotional and cognitive functions in several ways as well as physiological processes even on a cellular level. The prefrontal cortex (PFC) is evolutionarily the most developed brain region, and it is related to an organism’s higher functions. In other words, it is the main brain region controlling higher cognitive and emotional functions. The functions of the PFC are differentiated in females and males in many cases. The sexual dimorphism of several of these functions can be observed either in normal conditions or in mental disorders The aim of this doctoral thesis was to investigate the effect of systemic and cellular stress on PFC functions.In the first part, the study focuses on the effects of stress response on the PFC of both males and females. In the second part, an attempt was made to investigate the sexual differences observed during the stress response and in the third part, the interaction of systemic and cellular stress in the PFC was studied. The results of the first part of the study showed that acute restraint stress increased stress behavior in female but not in male mice, while negatively affecting PFC-mediated cognitive functions in male mice only. The latter effect can last for at least 24 hours, while the negative effects of stress can be improved by the administration of the GRs antagonist, mifepristone. Furthermore, we showed that stress conditions cause reduced neuronal activation of the PFC in males compared to females, and in this case too the administration of mifepristone leads to improvement. Concurrently, 24 hours after the restraint stress, a relatively reduced density of dendritic spines was observed in the secondary dendrites in the PFC of male mice. Subsequently, it was shown that the activation of the CRF system through restraint stress and through the effect of CRF and corticosterone (CORT), along with the inhibition of the system through CRFRs antagonism, have a negative effect on the induction of long-term synaptic potentiation (LTP) only in the PFC of male mice. In contrast, activation of the CRF system through the effect of CORT causes reduced GABAergic inhibition in the PFC of female mice.Since the above-mentioned results depict a strong sexual dimorphism in the effect of stress on the PFC, we proceeded to investigate possible mechanisms of this dimorphism. Initially, we ensured that the phase of the estrous cycle does not affect the studied functions of the PFC, even in correlation to stress conditions. Next, we checked the possibility that LTP induction in the PFC is mediated by different mechanisms, in female and male mice. Specifically, we propose that LTP induction is NMDA-dependent in females and non-NMDA-dependent in males, where GABAA appears to have a crucial role.Finally, in the third part, we examined the interaction of systemic and oxidative stress in the PFC. No effect of restraint stress was observed on the expression of an oxidative stress marker in PFC cells, but in the presence of the antagonist mifepristone, we detected a significant increase in the marker’s expression in females undergoing stress. In addition, increased cellular stress appears to reduce synaptic plasticity in the PFC of female, but not male mice.In conclusion, sex strongly determines the outcomes of both systemic and cellular stress on the functions of the PFC. The main hypothesis that emerges from this study is that there seems to be some protective mechanism in females in terms of the effects of systemic stress on the PFC functions, while at the same time it is hypothesized that the female PFC is more susceptible to oxidative stress.

Μια συνθήκη κοινή για όλα τα άτομα και τους οργανισμούς αποτελεί αυτή της έκθεσης σε στρεσσογόνους ή δυνητικά στρεσσογόνους παράγοντες. Όπως είναι γνωστό, η συνθήκη της έκθεσης σε στρεσσογόνες καταστάσεις μπορεί να επηρεάσει με διάφορους τρόπους, τόσο συναισθηματικές και γνωστικές λειτουργίες, όσο και φυσιολογικές λειτουργίες ακόμα και σε κυτταρικό επίπεδο.Ο προμετωπιαίος φλοιός (PFC) είναι η εξελικτικά πιο ανεπτυγμένη περιοχή και σχετίζεται με τις ανώτερες λειτουργίες του οργανισμού. Αυτό σημαίνει πως είναι αυτή η περιοχή που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό ανώτερες γνωστικές και συναισθηματικές λειτουργίες. Οι λειτουργίες του PFC διαφοροποιούνται σε θηλυκά και αρσενικά άτομα σε πολλές περιπτώσεις. Ο φυλετικός διμορφισμός που χαρακτηρίζει κάποιες από αυτές τις λειτουργίες μπορεί να παρατηρείται είτε κατά τη φυσιολογική συνθήκη, είτε κατά την έκφραση των χαρακτηριστικών κάποιας διαταραχής.Στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν να διερευνηθεί η επίδραση του συστημικού, αλλά και του κυτταρικού στρες στη λειτουργία του PFC.Στο πρώτο μέρος, η μελέτη εστίασε στις επιπτώσεις της αντίδρασης του στρες στον PFC τόσο αρσενικών, όσο και θηλυκών ατόμων. Στο δεύτερο μέρος, έγινε μια προσπάθεια προσέγγισης των φυλετικών διαφοροποιήσεων που παρατηρήθηκαν κατά την απόκριση του στρες και στο τρίτο μέρος, μελετήθηκε η αλληλεπίδραση του συστημικού στρες με το κυτταρικό στρες στον PFC.Στο πρώτο μέρος της μελέτης, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το οξύ στρες περιορισμού επέδρασσε αυξάνοντας την αγχώδη συμπεριφορά στους θηλυκούς μύες, αλλά όχι στους αρσενικούς, ενώ επηρέασε αρνητικά τις γνωστικές λειτουργίες που διαμεσολαβούνται από τον PFC μόνο στους αρσενικούς μύες. Η τελευταία επίδραση μπορεί να διαρκέσει για τουλάχιστον 24 ώρες, ενώ οι αρνητικές επιπτώσεις λόγω του στρες μπορούν να βελτιωθούν με τη χορήγηση του ανταγωνιστή των GRs, μιφεπριστόνη. Επιπροσθέτως, είδαμε ότι η συνθήκη του στρες προκαλεί μειωμένη νευρωνική ενεργοποίηση του PFC στα αρσενικά άτομα σε σύγκριση με τα θηλυκά, ενώ και σε αυτή την περίπτωση αυτή η συνθήκη βελτιώνεται με τη χορήγηση μιφεπριστόνης. Ταυτόχρονα, 24 ώρες μετά το στρες περιορισμού παρατηρήθηκε σχετικά μειωμένη πυκνότητα δενδριτικών ακανθών στους δευτεροταγείς δενδρίτες στον PFC των αρσενικών μυών. Στη συνέχεια δείξαμε ότι τόσο η ενεργοποίηση του CRF συστήματος, μέσω του στρες περιορισμού, της επίδρασης του παράγοντα CRF και της κορτικοστερόνης (CORT), αλλά όσο και το μπλοκάρισμα του συστήματος, μέσω του ανταγωνισμού των CRFRs, επιδρά αρνητικά στην επαγωγή μακρόχρονης συναπτικής ενδυνάμωσης (LTP) μόνο στον PFC των αρσενικών μυών. Αντίθετα, είδαμε ότι η ενεργοποίηση του CRF συστήματος, μέσω της επίδρασης της CORT, προκαλεί μειωμένη GABAεργική αναστολή στον PFC των θηλυκών μυών.Καθώς τα παραπάνω αποτελέσματα χαρακτηριζόταν από έντονο φυλετικό διμορφισμό, όσον αφορά την επίδραση του στρες στον PFC, προχωρήσαμε στη διερεύνηση πιθανόν μηχανισμών αυτού του διμορφισμού. Αρχικά, δείξαμε ότι η φάση του οιστρικού κύκλου δεν επηρεάζει τις λειτουργίες του PFC που μελετήσαμε, ακόμα και σε συνάρτηση με τη συνθήκη του στρες. Στη συνέχεια, δείξαμε ότι είναι πιθανό η επαγωγή LTP στον PFC να διαμεσολαβείται από διαφορετικό μηχανισμό, σε θηλυκούς και αρσενικούς μύες. Συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε την υπόθεση ότι η επαγωγή LTP να είναι NMDA- εξαρτώμενη στα θηλυκά και μη NMDA-εξαρτώμενη στα αρσενικά, καθώς φαίνεται ότι έχει σημαντικό ρόλο ο GABAA.Τέλος, στο τρίτο μέρος, διερευνήσαμε την αλληλεπίδραση του συστημικού στρες και του οξειδωτικού στρες στον PFC. Αρχικά, είδαμε ότι το στρες περιορισμού δεν επηρεάζει την έκφραση ενός δείκτη του οξειδωτικού στρες στα κύτταρα του PFC, αλλά παρουσία του ανταγωνιστή μιφεπριστόνη, παρατηρείται μια σημαντική αύξηση του δείκτη στα θηλυκά άτομα που υπεβλήθησαν στη συνθήκη του στρες. Επιπλέον, φαίνεται ότι η αύξηση του κυτταρικού στρες μειώνει τη συναπτική πλαστικότητα στον PFC θηλυκών μυών, αλλά όχι αρσενικών.Συμπερασματικά, παρατηρείται η πολύ έντονη επίδραση του παράγοντα του φύλου στις επιπτώσεις της συνθήκης του στρες, τόσο του συστημικού, όσο και του κυτταρικού, στις λειτουργίες του PFC. Η βασική υπόθεση που προκύπτει από αυτή τη μελέτη είναι πως φαίνεται να υπάρχει κάποιος προστατευτικός μηχανισμός των θηλυκών ατόμων σε ότι αφορά στις επιπτώσεις του συστημικού στρες στις λειτουργίες του PFC, ενώ παράλληλα προκύπτει η υπόθεση ότι ο PFC των θηλυκών μυών είναι πιο ευαίσθητος απέναντι στο οξειδωτικό στρες.