Hippocampal alterations after spinal cord injury

Abstract

Luego de las lesiones de la médula espinal los pacientes experimentan déficits cognitivos relacionados con funciones hipocampales. En este sentido, el objetivo general de esta Tesis es estudiar las bases neurobiológicas responsables de dichos déficits. Para cumplirlo desarrollamos un modelo de lesión espinal parcial por compresión en ratas y ratones que permite evaluar el estado cognitivo de los animales lesionados, ya que estos tienen la misma actividad locomotora que los animales Sham pero severos problemas en la coordinación de sus pasos.Los resultados demostraron que luego de 60 días de la injuria espinal los animales presentaron déficits en la memoria de reconocimiento y en la memoria de trabajo espacial. Estos déficits coinciden con una disminución del número de neuronas del hileo, de CA1 y de la capa granular. También se observó una disminución de la neurogénesis tanto en la etapa aguda como en la crónica. En la fase aguda encontramos una disminución del número de progenitoras neurales amplificadas (ANP) mientras que en la etapa crónica se observó una disminución de la taza de proliferación de las células madres neurales (RGL) y de los ANP. Las alteraciones neuronales observadas en la etapa crónica coincidieron con alteraciones en la respuesta de las poblaciones de células gliales. De hecho en la etapa crónica, aumentó el número de astrocitos reactivos en ratas y ratones.Además, se produjo en ratas un incremento de las células microgliales activas, aumentando la expresión del ARNm de TNFα e IL-1β y disminuyendo el porcentaje de células microgliales del fenotipo M2 (anti-inflamatorio). En la etapa aguda, si bien el número de astrocitos reactivos y células de la microglía aumentaron, no se incrementaron los niveles del ARNm para TNFα e IL-1β.Con respecto a los mecanismos por los cuales la lesión espinal genera estas alteraciones hipocampales exploramos el rol de los glucocorticoides (GC) y de la degeneración9transneuronal de los axones seccionados. En cuanto a los GC describimos que los animales sólo tuvieron altos niveles plasmáticos en la etapa aguda alcanzando valores similares a animales intactos en la etapa crónica. Mediante dos abordajes experimentales diferentes se bloqueó la acción de los GC en la etapa aguda y se estudió en la etapa crónica el proceso de neurogénesis y el desempeño cognitivo. Los resultados mostraron que la neurogénesis fue parcialmente restaurada, sin embargo los déficits cognitivos persistieron. Por otro lado, realizamos una hemisección de la médula espinal mediante la cual sólo los haces del funículo ventrolateral, que en su mayoría decusan, fueron dañados y medimos la neurogénesis 60 días después en el hipocampo ipsilateral y contralateral a la lesión. Observamos que la neurogénesis del lado contralateral a la lesión disminuyó con respecto al lado ipsilateral, involucrando a la degeneración transneuronal en esta disminución. El desarrollo de este trabajo sugiere que las alteraciones hipocampales descriptas en las neuronas maduras, en la neurogénesis y en el ambiente glial podrían explicar los déficits cognitivos observados en los roedores y en los pacientes. Los resultados sugieren que la lesión espinal podría generar un ambiente inflamatorio en la etapa crónica que conduzca eventualmente a la neurodegeneración hipocampal. Con respecto a los mecanismos subyacentes comenzamos estudiando la disminución de la neurogénesis y demostramos que los GC generados en la etapa aguda en parte fueron responsables de la disminución del proceso en la etapa crónica. También observamos que otro factor involucrado en la disminución de la neurogénesis en la etapa crónica fue la degeneración transneuronal. Este trabajo es pionero en el estudio de la encefalopatía luego de la lesión espinal y abre nuevas perspectivas que permiten la comprensión integral de la fisiopatología del paciente con lesión medular.Patients experience cognitive deficits related to hippocampal functions after spinal cord injury. In this regard, the general objective of this Thesis is to study the neurobiological bases responsible for these deficits. To achieve this goal a model of spinal cord compression injury was developed, which allows assessing the cognitive status of injured rodents, since they have the same locomotor activity as Sham animals but severe coordination problems. The results showed that after 60 days of spinal cord injury the animals showed deficits in recognition memory and spatial working memory. These deficits coincide with a decrease in the number of neurons in the hilus, CA1 and the granular cell layer. Neurogenesis decrease was also observed in both the acute and chronic phases. However, the number of amplified neural progenitors (ANP) decreased in the acute phase while a down regulation in the activation of both the neural stem cells (RGL) and the ANP was observed in the chronic phase. These neuronal alterations coincided with alterations in glial cell population. Regarding astrocytes, there was an increase in the number of reactive astrocytes in both rats and mice. Regarding microglial cells, their number was upregulated in rats during the chronic phase, increasing the expression of TNFα and IL-1β mRNAs and decreasing the percentage of M2 microglial cells (anti-inflammatory phenotype). During the acute phase, despite that the number of reactive astrocytes and microglial cells increased, mRNA levels for TNFα and IL-1β did not increase. Concerning the mechanisms by which spinal injury generated these hippocampal alterations, the role of GC and transneuronal degeneration of severed axons was explored. With regard to GC, plasma levels were high in the acute phase reaching Sham values in the chronic phase. Using two different experimental approaches, GC action was blocked in the acute phase and neurogenesis and cognitive performance was studied in the chronic phase. The results showed that neurogenesis was partially restored, yet cognitive deficits persisted. On the other hand, a spinal cord hemisection was performed in order to lacerate axons of only one side and neurogenesis 60 days after injury was measured in the ipsilateral and contralateral hippocampus. Neurogenesis only in the contralateral side decreased with respect to the ipsilateral side, involving transneuronal degeneration in this downregulation. The development of this work suggests that the hippocampal alterations described in mature neurons, neurogenesis and glial cells could explain the cognitive deficits observed in rodents and patients. The results suggest that spinal cord injury could generate an inflammatory environment that eventually leads to hippocampal neurodegeneration. Regarding the underlying mechanisms, our results demonstrated that GC generated in the acute phase were partly responsible for neurogenesis reduction in the chronic phase. Transneuronal degeneration turned out to be another factor that downregulated neurogenesis after chronic spinal cord injury. This work has pioneered the study of spinal cord injury encephalopathy and opens new perspectives to comprehensively understand the pathophysiology of spinal cord injured patients.Fil: Jure, Ignacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Biología y Medicina Experimental. Fundación de Instituto de Biología y Medicina Experimental. Instituto de Biología y Medicina Experimental; Argentin