The maturational characteristics of the GABA input in the anterior piriform cortex may also contribute to the rapid learning of the maternal odor during the sensitive period

During the first ten postnatal days (P), infant rodents can learn olfactory preferences for novel odors if they are paired with thermo-tactile stimuli that mimic components of maternal care. After P10, the thermo-tactile pairing becomes ineffective for conditioning. The current explanation for this change in associative learning is the alteration in the norepinephrine (NE) inputs from the locus coeruleus (LC) to the olfactory bulb (OB) and the anterior piriform cortex (aPC). By combining patchclamp electrophysiology and computational simulations, we showed in a recent work that a transitory high responsiveness of the OB-aPC circuit to the maternal odor is an alternative mechanism that could also explain early olfactory preference learning and its cessation after P10. That result relied solely on the maturational properties of the aPC pyramidal cells. However, the GABAergic system undergoes important changes during the same period. To address the importance of the maturation of the GABAergic system for early olfactory learning, we incorporated data from the GABA inputs, obtained from in vitro patch-clamp experiment in the aPC of rat pups aged P5–P7 reported here, to the model proposed in our previous publication. In the younger than P10 OB-aPC circuit with GABA synaptic input, the number of responsive aPC pyramidal cells to the conditioned maternal odor was amplified in 30% compared to the circuit without GABAergic input. When compared with the circuit with other younger than P10 OB-aPC circuit with adult GABAergic input profile, this amplification was 88%. Together, our results suggest that during the olfactory preference learning in younger than P10, the GABAergic synaptic input presumably acts by depolarizing the aPC pyramidal neurons in such a way that it leads to the amplification of the pyramidal neurons response to the conditioned maternal odor. Furthermore, our results suggest that during this developmental period, the aPC pyramidal cells themselves seem to resolve the apparent lack of GABAergic synaptic inhibition by a strong firing adaptation in response to increased depolarizing inputs

Maturation of pyramidal cells in anterior piriform cortex may be sufficient to explain the end of early olfactory learning in rats

Studies have shown that neonate rodents exhibit high ability to learn a preference for novel odors associated with thermotactile stimuli that mimics maternal care. Artificial odors paired with vigorous strokes in rat pups younger than 10 postnatal days (P), but not older, rapidly induce an orientation-approximation behavior toward the conditioned odor in a two-choice preference test. The olfactory bulb (OB) and the anterior olfactory cortex (aPC), both modulated by norepinephrine (NE), have been identified as part of a neural circuit supporting this transitory olfactory learning. One possible explanation at the neuronal level for why the odor-stroke pairing induces consistent orientation-approximation behavior in P10, is the coincident activation of prior existent neurons in the aPC mediating this behavior. Specifically, odorstroke conditioning in P10 pups, promoting orientation-approximation behavior in the former but not in the latter. In order to test this hypothesis, we performed in vitro patch-clamp recordings of the aPC pyramidal neurons from rat pups from two age groups (P5–P8 and P14–P17) and built computational models for the OB-aPC neural circuit based on this physiological data. We conditioned the P5–P8 OB-aPC artificial circuit to an odor associated with NE activation (representing the process of maternal odor learning during mother–infant interactions inside the nest) and then evaluated the response of the OB-aPC circuit to the presentation of the conditioned odor. The results show that the number of responsive aPC neurons to the presentation of the conditioned odor in the P14–P17 OB-aPC circuit was lower than in the P5–P8 circuit, suggesting that at P14–P17, the reduced number of responsive neurons to the conditioned (maternal) odor might not be coincident with the responsive neurons for a second conditioned odor

Privação de sono durante a gestação em ratas : efeitos sobre o comportamento maternal e desenvolvimento inicial da prole

O sono das mulheres é continuamente alterado por mudanças fisiológicas durante o seu desenvolvimento. O incremento de atividade laboral da mulher na sociedade atual aumenta a propensão para sofrer alterações no seu padrão de sono. A alteração do sono é mais comum durante a gravidez, principalmente devido a mudanças neuroendócrinas características desta etapa. A interrupção ou perda parcial ou total do sono durante a gravidez é considerado um fator de risco para as complicações no trabalho de parto e o desenvolvimento emocional materno no pós-parto, influenciando respectivamente a sobrevivência do neonato e a relação mãe-filho. Por outro lado, a perda de sono durante a gravidez em roedores tem efeitos negativos sobre aspectos morfológicos, fisiológicos e comportamentais da prole. Considerando que os fatores ambientais podem ser mais bem controlados em modelos experimentais, realizamos um estudo de privação de sono paradoxal durante a última semana da gravidez. Ratas Wistar foram submetidas a privação de sono paradoxal durante vinte horas diárias com quatro horas de recuperação de sono por seis dias consecutivos, entre o dia 14 e 20 da gravidez, utilizando a técnica de plataformas múltiplas. Foram implementados dois grupos controles. Um grupo controle caixa que não foi submetido a nenhum tipo de manipulação e outro grupo controle plataforma foi sometido a um ambiente semelhante ao grupo privado de sono com exceção da água circundante das plataformas. Ambos os grupos controles permaneceram na sala de privação de sono durante as sessões o tempo que durou o experimento. Desde o inicio da gravidez o peso corporal e a ingesta alimentar foram diariamente registrados nos tres grupos. O ultimo dia da privação de sono (dia 20 da gestação) seis animais de cada grupo foram sacrificados para estudos de parâmetros metabólicos e hormonais maternos e fetais. O resto dos animais foi colocado em caixas transparentes individuais, onde pariram e permaneceram até o dia sete do pós-parto. Um dia depois do parto todas as ninhadas foram padronizadas a oito filhotes (4 machos e 4 fêmeas). Durante os seis primeiros dias do pós-parto foi registrado o comportamento materno em quatro sessões diárias. Pela manhã do sétimo dia pós-parto as mães foram sacrificadas e os filhotes, após serem submetidos no teste de preferencia olfatória, foram também sacrificados. Nossos resultados mostraram que a privação de sono paradoxal na última semana de gravidez em ratas não afetou os níveis plasmáticos de corticosterona e o peso relativo das glândulas adrenais maternos, mas inibiu de maneira importante o ganho de peso corporal e incrementou as concentrações de prolactina e ocitocina maternos. Além disso, o desenvolvimento da gestação resultou em abortos e complicações no parto espontâneo e afetou o desenvolvimento do sistema nervoso fetal resultando no incremento da concentração de fator neurotrofico derivado do cérebro (BDNF) hipocampal, mas não da concentração de espécies reativas de oxigênio (ROS). Estes efeitos foram observados, de modo mais leve, no grupo controle plataforma, indicando que estes resultados refletem tanto os efeitos da falta de sono quanto os efeitos do ambiente do protocolo de privação de sono. Por outro lado, no pós-parto o peso corporal e o perfil hormonal materno se mostraram sem alterações; da mesma maneira o desempenho do comportamento materno e a preferencia olfatória dos filhotes pelo odor da mãe não foram afetados. Concluímos que a falta de sono no final da gravidez afeta dramaticamente os processos fisiológicos relacionados ao metabolismo ao ganho de peso corporal e os sistemas da prolactina e ocitocina maternos, assim como o desenvolvimento e sucesso da gravidez, que afetam o desenvolvimento do hipocampo fetal. Entanto, no pós-parto, a privação de sono paradoxal, não afetou o desempenho do cuidado materno nem o aprendizado olfatório dos filhotes ao odor da mãe, indicando que a relação mãe-filhote não foi alterada.The sleep of women is continuously altered by physiological changes during their development. The increase of labor activity of women in modern society increases the propensity of suffer alterations in their sleep pattern. The sleep disturbance is more common during pregnancy, mainly due to neuroendocrine changes characteristic of this phase. Interruption or total or partial lost sleep during pregnancy is considered a risk factor for complications during labor and maternal emotional development in postpartum, respectively influencing the survival of the newborn and the mother-child relationship. Moreover, sleep loss in rodents during pregnancy has negative effects on morphological, physiological and behavioral aspects of the offspring. Whereas environmental factors can be better controlled in experimental models, we conducted a study of deprivation of paradoxical sleep during the last week of pregnancy. Wistar rats were subjected to deprivation of paradoxical sleep for twenty hours a day with four hours of recovery sleep for six consecutive days, between the 14th and 20 of pregnancy, using the technique of multiple platforms. Two control groups were implemented. A control group box that was not subjected to any manipulation and another control group was subject a platform similar to sleep-deprived group with the exception of the platforms surrounding water environment. Both control groups remained in the room of sleep deprivation during the sessions until the experiment lasted. Since the beginning of pregnancy body weight and food intake were recorded daily in the three groups. The last day of sleep deprivation (day 20 of gestation) six animals from each group were sacrificed for studies of parameter metabolic and hormonal maternal, and fetal. The rest of the animals were placed in individual transparent boxes where calved and stayed until seven days postpartum. One day after birth all litters were standardized to eight pups (4 males and 4 females). During the first six days of postpartum maternal behavior was recorded in four daily sessions. In the morning of the postpartum seventh day, the mothers were sacrificed and, after being subjected to the olfactory preference test, the pups were also killed.Our results showed that paradoxical sleep deprivation in the last week of pregnancy in rats did not affect the plasma levels of corticosterone and the relative weight of the maternal adrenal glands, but inhibited considerably the body weight gain and increased concentrations of prolactin and maternal oxytocin. Furthermore, the development of pregnancy resulted in miscarriages and complications in delivery and affected the development of the fetal nervous system resulting in increased concentration of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) hippocampal, but not the concentration of reactive oxygen species (ROS ).These effects were observed in lighter mode in the platform control group, indicating that these results reflect both the effects of lack of sleep as the environmental effects of sleep deprivation protocol.On the other hand, the postpartum body weight and the maternal hormonal profile is shown without change; just as the performance of maternal behavior and the olfactory preference of pups for the odor mother´s were not affected. We concluded that lack of sleep in late pregnancy dramatically affects the physiological processes related to metabolism to gain weight and the systems of maternal prolactin and oxytocin, as well as the development and success of pregnancy, affecting the development of the fetal hippocampus.However, the paradoxical sleep deprivation in postpartum, did not affect the performance of maternal care, nor olfactory learning of pups for the odor of the mother, indicating that the mother-cub relationship has not altered.El sueño de las mujeres es alterado continuamente por cambios fisiológicos durante todo su desarrollo. El incremento de la actividad laboral de la mujer en la sociedad actual la hace más propensa a sufrir alteraciones en su patrón de sueño. La alteración del sueño es más común durante el embarazo, principalmente debido a cambios neuroendocrinos característicos de esta etapa. La interrupción o pérdida parcial o total del sueño durante el embarazo es considerado un factor de riesgo para complicaciones del trabajo de parto y el estado emocional materno en el posparto, influenciando de esta manera en la sobrevivencia del neonato y la relación madre-hijo, respectivamente. Por otro lado, la pérdida de sueño durante la gravidez en roedores tiene efectos negativos sobre aspectos morfológicos, fisiológicos y comportamentales de la descendencia. Considerando que los factores ambientales pueden ser mejor controlados en modelos experimentales, realizamos un estudio de privación de sueño paradoxal durante la última semana de la gravidez. Ratas Wistar fueron sometidas a privación de sueño paradójico por veinte horas diarias con cuatro horas de recuperación por seis días consecutivos, entre el día 14 y 20 de la gravidez, utilizando la técnica de plataformas múltiples. Fueron implementados dos grupos controles. Un grupo control caja que no fue sometido a ningún tipo de manipulación y un grupo control plataforma fue sometido a un ambiente similar al del grupo privado de sono con excepción del agua circundante a las plataformas. Ambos grupos controles permanecieron en la sala de privación de sueño durante las sesiones que duró el experimento. Desde el inicio de la gravidez el peso corporal y la ingesta de alimentos fueron diariamente registrados en los tres grupos. El último día de la privación de sueño (día 20 de la gestación) seis animales de cada grupo fueron sacrificados para estudios de parámetros metabólicos y hormonales maternos y fetales. El resto de los animales fueron colocados en cajas transparentes individuales, donde parieron y permanecieron hasta el día siete del posparto. Un día después del parto todas las camadas fueron uniformizadas a ocho crías (4 machos e 4 hembras). Durante los primeros seis días posparto fue registrado el comportamiento materno en cuatro sesiones diarias. Por la mañana del séptimo día posparto las madres fueron sacrificadas y las crías, luego de ser sometidas al test de preferencia olfatoria, también fueron sacrificadas. Nuestros resultados mostraron que la privación de sueño paradójico durante la última semana de gravidez en ratas no afectó los niveles plasmáticos de corticosterona y el peso relativo de las glándulas adrenales maternas, pero inhibió de manera importante la ganancia de peso corporal e incrementó las concentraciones plasmáticas de prolactina y oxitocina maternas. Además, el desarrollo de la gestación resultó en abortos y complicaciones del parto espontáneo e afectó el desarrollo del sistema nervioso fetal resultando en incremento de la concentración del factor de crecimiento cerebral trófico (BDNF) hipocampal, pero no de la concentración de especies reactivas de oxígeno (ROS). Estos efectos también fueron observados, de modo más leve en el grupo control plataforma, indicando que estos resultados reflejan tanto los efectos de la falta de sueño como los efectos del ambiente de privación de sueño. Por otro lado, en el postparto el peso corporal y el perfil hormonal maternos se mostraron sin alteraciones; de la misma forma, el desempeño del comportamiento materno, la preferencia olfatoria de las crías por el olor de la madre no fueron afectados. Concluimos que la falta de sueño el final de la gestación afecta dramáticamente los procesos fisiológicos relacionados al metabolismo y los sistemas de la prolactina y oxitocina maternas, así como el desarrollo del éxito de la gestación, que afecta el desarrollo del hipocampo fetal. Entre tanto, en el postparto, la privación de sueño paradójico no afectó el desempeño del cuidado materno y el aprendizaje inicial de las crías del olor de la madre, indicando también que la relación madre-cría no fue alterada

Estudo dos mecanismos neurobiológicos do apego em diferentes períodos do desenvolvimento pós-natal

O córtex piriforme anterior (aPC) modulado pela ação da noradrenalina (NA) está envolvido no circuito neural que suporta o aprendizado do apego do roedor infante com sua mãe em um período específico do desenvolvimento anterior ao dia pós-natal (P) 10. O aPC está envolvido no processamento e discriminação de odores e durante o primeiro mês de vida pós-natal sofre mudanças morfológicas e funcionais. Estudos de imunohistoquímica e registros de potencial de campo sugerem uma progressiva maturação na inibição cortical no aPC, a qual está envolvida na integração e afinamento da atividade cortical para o input olfatório entrante e representação do odor. O propósito da presente tese foi contribuir para o entendimento dos mecanismos neurobiológicos envolvidos no apego do rato infante para sua mãe mediado por odor, por meio da análise do papel da transmissão sináptica GABAérgica no aPC. Assim, o estudo da tese foi realizado para: 1) descrever as características da transmissão sináptica GABAérgica no aPC durante o período sensível (P5-P8) e pós-sensível (P14-P17) para o aprendizado do apego e para, 2) explorar a contribuição das características da transmissão sináptica GABAérgica no aPC em um circuito neural artificial integrado para o processamento do odor nesses períodos. O desenho experimental incluiu estudos combinados de eletrofisiologia celular in vitro e de modelagem computacional. Os resultados eletrofisiológicos demonstraram que a transmissão sináptica GABAérgica e as propriedades intrínsecas passivas e ativas das células piramidais da camada 2/3 do aPC são substancialmente diferentes em P5-P8 e P14-P17. Esses dados experimentais foram integrados em um circuito neural artificial onde foi simulado o processamento de odor em condições etológicas (odor de baixa intensidade e odor de alta intensidade com ação da NA). A análise das simulações sugere que o input GABAérgico nas células piramidais parece contribuir com um efeito despolarizante nos dois períodos de idade. Além disso, o perfil de rápida adaptação na frequência de disparo de potenciais de ação para o input despolarizante é maior nas células piramidais em P5-P8 que em P14-P17. Assim, o nosso estudo sugere que essas duas condições maduracionais no aPC garantem em P5-P8 um perfil de processamento de odor, que quando reforçado pela ação da NA, leva a um rápido melhoramento na eficácia sináptica, contribuindo assim para uma rápido aprendizado do apego que caracteriza o período sensível; enquanto esse mecanismo parece ocorrer em menor grau para aPC no período P14-P17.The anterior pyriform cortex (aPC) modulated by the action of noradrenaline (NA) is involved in the neural circuitry that supports the early attachment learning in infant rodents within a specific period of development before the postnatal day (P) 10. The aPC is involved in the processing and discrimination of odors and during the first month of postnatal life goes through morphological and functional changes. Field potential recording and immunohistochemical studies suggest a progressive maturation of cortical inhibition in aPC, which is involved in the integration and tuning of cortical activity for the incoming olfactory input and odor representation. The purpose of this thesis was to contribute to the understanding of the neurobiological mechanisms involved in the rodent infant attachment by analyzing the role of GABAergic synaptic transmission in aPC. Thus, the study of the thesis was performed 1) to describe the characteristics of GABAergic synaptic transmission in the aPC during the sensitive (P5-P8) and post-sensitive (P14-P17) periods for infant attachment learning, and 2) to explore the contribution of the characteristics of GABAergic synaptic transmission in aPC in an integrated artificial neural circuit for odor processing. The experimental design included combined studies of in vitro cellular electrophysiology and computational modeling. Electrophysiological results demonstrate that GABAergic synaptic transmission and the passive and active intrinsic properties of 2/3 layer aPC pyramidal cells are substantially different in P5-P8 and P14-P17. These experimental data were integrated into an artificial neural circuit where the odor processing was simulated under ethological conditions (low-intensity odor and high-intensity odor with NA action). The analysis of the output of the simulations suggests that the GABAergic input in the pyramidal cells appears to contribute with a depolarizing effect on pyramidal cells in both periods. Moreover, the profile of rapid spike frequency adaptation is greater in P5-P8 pyramidal cells than in P14-P17 pyramidal cells. Thus, our study suggests that these two maturational conditions in aPC guarantee in P5-P8 an odor processing profile, which when reinforced by the action of NA leads to a rapid improvement in synaptic efficacy, contributing to a rapid attachment learning that characterizes the sensitive period. This mechanism seems to occur in lesser extent manner for aPC in the post-sensitive period

Postnatal development of inhibitory synaptic transmission in the anterior piriform cortex

The morphological and functional development of inhibitory circuit in the anterior piriform cortex (aPC) during the first three postnatal weeks may be crucial for the development of odor preference learning in infant rodents. As first step toward testing this hypothesis, we examined the normal development of GABAergic synaptic transmission in the aPC of rat pups during the postnatal days (P) 5–8 and 14-17. Whole cell patch-clamp recordings of layer 2/3 (L2/3) aPC pyramidal cells revealed a significant increase in spontaneous (sIPSC) and miniature (mIPSC) inhibitory postsynaptic current frequencies and a decrease in mIPSC rise and decay-time constant at P14-P17. Moreover, as the development of neocortical inhibitory circuit can be driven by sensory experience, we recorded sIPSC and mIPSC onto L2/3 aPC pyramidal cells from unilateral naris-occluded animals. Early partial olfactory deprivation caused by naris occlusion do not affected the course of age-dependent increase IPSC frequency onto L2/3 aPC pyramidal cell. However, this age-dependent increase of sIPSC and mIPSC frequencies were lower on aPC pyramidal cells ipsilateral to the occlusion side. In addition, the age-dependent increase in sIPSC frequency and amplitude were more pronounced on aPC pyramidal cells contralateral to the occlusion. While mIPSC kinetics were not affected by age or olfactory deprivation, at P5-P8, the sIPSC decay-time constant on aPC pyramidal cells of both hemispheres of naris-occluded animals were significantly higher when compared to sham. These results demonstrated that the GABAergic synaptic transmission on the aPC changed during postnatal development by increasing inhibitory inputs on L2/3 pyramidal cells, with increment in frequency of both sIPSC and mIPSC and faster kinetics of mIPSC. Our data suggested that the maturation of GABAergic synaptic transmission was little affected by early partial olfactory deprivation. These results could contribute to unravel the mechanisms underlying the development of odor processing and olfactory preference learning