Reversió dels dèficits de memòria associats a dany cerebral traumàtic mitjançant exercici físic: mecanismes neuroprotectors i neuroreparadors, i influència de les pautes temporals de tractament

Abstract

El dany cerebral traumàtic (traumatic brain injury, TBI) és un dany cerebral adquirit que constitueix una important causa d’incapacitat, a causa de l’elevada freqüència de seqüeles cròniques en múltiples àmbits. Donada l’alta prevalença que presenta, els costos personals, familiars, socials i laborals que comporta, i la limitada efectivitat dels tractaments disponibles, es considera un dels principals problemes de salut pública. En els darrers anys diversos estudis han posat de manifest que l’exercici físic podria constituir una teràpia eficaç per reduir algunes de les seqüeles cognitives del TBI, però es desconeix quines són les pautes temporals més apropiades (moment d’inici, durada, etc) per a la seva aplicació. En aquesta tesi doctoral s’han examinat els efectes de tres pautes temporals diferents d’exercici físic voluntari en una roda d’activitat en rates sobre els dèficits de memòria associats a fases cròniques del TBI, i s’han determinat alguns dels mecanismes neuroprotectors i neuroreparadors involucrats. El model de TBI utilitzat va ser el d’impacte cortical controlat, i la funció cognitiva es va avaluar mitjançant una tasca de memòria de reconeixement d’objectes (MRO), que presenta elements de memòria episòdica, tot sovint afectada en pacients amb TBI. Amb aquesta finalitat es van dissenyar dos experiments. El primer tenia per objectius: 1) determinar si els dèficits de MRO trobats en un treball previ 3 setmanes després del TBI es mantenien de manera crònica; i 2) examinar els efectes del nostre model de TBI sobre la reactivitat emocional, l’exploració i l’activitat locomotora. En el segon experiment es van comparar els efectes de tres pautes temporals diferents d’exercici sobre: 1) els dèficits de MRO produïts pel TBI; i 2) diversos mecanismes neuroprotectors i neuroreparadors, analitzats mitjançant mesures macroscòpiques de la lesió, el número de neurones madures (cèl·lules NeuN+) en l’hilus del gir dentat i l’escorça perirhinal, la neuroinflamació (cèl·lules Iba1+) en l’hipocamp dorsal, i la neurogènesi (cèl·lules DCX+) en la capa granular del gir dentat. Les pautes d’exercici examinades van ser: 1) exercici interromput (3 setmanes d’accés a la roda d’activitat seguides per 4 setmanes en condició sedentària); 2) exercici demorat (4 setmanes en condició sedentària des de la inducció de TBI més 3 setmanes d’exercici); i 3) exercici continuat (7 setmanes d’exercici mantingut fins al moment de les proves conductuals).

Els resultats indicaren que el TBI induïa dèficits en la MRO quan era avaluada 3 setmanes després del TBI i aquest deteriorament es mantenia a llarg termini (fins a 7 setmanes post-TBI). En canvi, el TBI no induïa canvis significatius en la reactivitat emocional, l’exploració i l’activitat locomotora. Les tres pautes temporals d’exercici van mostrar efectivitat per reduir el dèficit de memòria, però cada pauta mostrà diferents efectes a nivell histològic. Així, els animals que iniciaven l’exercici durant la fase subaguda (pautes interrompuda i continuada) van beneficiar-se dels mecanismes neuroprotectors del tractament, mitjançant una disminució de la resposta neuroinflamatòria, que es va acompanyar, en el cas del grup amb exercici interromput, d’una reducció de la pèrdua de neurones en l’hilus. En canvi, els mecanismes neuroreparadors només eren presents en els animals que realitzaven exercici al final de l’experiment (pautes demorada i continuada). Addicionalment es va trobar que els nivells moderats d’exercici resultaven més beneficiosos que els nivells baixos i alts per reduir els dèficits de memòria i per incrementar la neurogènesi. Els resultats suggereixen que l’exercici físic incorporat de manera regular a la vida dels pacients amb TBI podria constituir una intervenció eficaç per reduir els dèficits mnèsics, fins i tot si s’inicia durant la fase crònica. També avalen la necessitat de continuar investigant en el nivell o “dosi” d’exercici més apropiat.

Traumatic brain injury (TBI) is an acquired brain damage that constitutes an important cause of disability, as it often results in chronic sequelae in multiple domains. It is considered one of the main public health problems due to its high prevalence, the personal, familiar, social and occupational burden it causes, and the limited effectiveness of the current treatments that are available. In recent years, several studies have shown that physical exercise could be an effective therapy to reduce some of the cognitive sequelae of TBI, but little is known about the most appropriate temporal patterns of administration (starting time, duration, etc). In the present doctoral thesis, the effects of three temporal schedules of voluntary physical exercise (wheel running) on the memory deficits associated to TBI, were examined in rats, and the neuroprotective and neuroreparative mechanisms involved in these effects were analyzed. The experimental model used to induce TBI was controlled cortical impact model and memory function was assessed by means of an object recognition memory task (ORM) which presents components of episodic memory, often impaired in TBI patients. For this purpose, two experiments were designed. The aims of the first experiment were: 1) To determine whether the ORM impairment reported in a prior study 3 weeks post-TBI were maintained at longer post-TBI times; 2) To examine the effects of our TBI model on anxiety-like behavior, exploration and locomotor activity. The aim of the second experiment was to compare the effects of three temporal treatment schedules on 1) ORM deficits induced by TBI; and 2) the associated neuroprotective and neuroreparative mechanisms, which were analyzed by means of measures of macroscopic damage, number of mature neurons (NeuN+ cells) in the hilus of the dentate gyrus, neuroinflammation (Iba1+ cells) in the dorsal hippocampus and neurogenesis (DCX+ cells) in the granular layer of the dentate gyrus. The temporal schedules of exercise were: 1) discontinued exercise (3 weeks of voluntary wheel running followed by 4 weeks of sedentary condition); 2) delayed exercise (4 weeks of sedentary condition followed by 3 weeks of voluntary wheel running); 3) continued exercise (7 weeks of voluntary wheel running maintained until the behavioral tests). The results demonstrated that TBI induced ORM deficits when tested 3 weeks post-TBI and the memory impairment was maintained in the long-term (7 weeks post-TBI). In contrast, the TBI model did not induce any significant change in anxiety-like behavior, exploration and locomotor activity. The three temporal treatment schedules were effective in improving ORM impairment, but each schedule showed a different histological profile. The animals that started exercise during the subacute phase (discontinued and continued treatments) benefited from neuroprotective mechanisms consisting in reduced neuroinflammation and a decreased loss of the number of mature neurons in the hilus that was only present in the discontinued exercise group. However, the neuroreparative mechanism was only found in the animals that were exercising at the end of the experiment (delayed and continued treatments). Additionally, moderate levels of exercise were associated to a higher degree of improvement in ORM and to higher neurogenesis levels compared to either low or high exercise levels. The results suggest that physical exercise could be an effective intervention to reduce memory impairments in TBI patients, provided that it is incorporated into the patients’ lives in a regular basis, and even when initiated in the chronic phase. The results also support the need to further investigate about the most appropriate level or “dose” of exercise.