Neural correlates of memory impairment and rescue in a mouse model of Down syndrome

Abstract

Understanding the neural correlates of intellectual disability is still a central and unresolved problem in neuroscience. Here we have unravelled several candidate neural substrates of memory impairment and rescue using a mouse model of Down syndrome and three pro-cognitive strategies: epigallocatechin-3-galate (EGCG), environmental enrichment (EE) and α5IA. We recorded neural activity simultaneously from the prefrontal cortex (PFC) and hippocampus (HPC) of trisomic Ts65Dn and healthy mice during quiet wakefulness, natural sleep and the novel object recognition task. Trisomic mice showed recognition memory deficits that were accompanied by hypersynchronised neural activity in the PFC and HPC, exaggerated PFC-HPC functional connectivity and ripple alterations that predicted poor memory performance. We also identified in healthy mice that memory acquisition depends on PFC-to-HPC theta connectivity whereas memory retrieval depends on HPC-to-PFC low gamma connectivity. Both memory biomarkers predicted memory performance, were disrupted in trisomic mice and rescued by EGCG and EE. Collectively, we identified unique neurophysiological biomarkers that are candidate cellular mechanisms underlying intellectual disability in DS.

Comprender los sustratos neurales de la discapacidad intelectual sigue siendo un problema central y sin resolver en el campo de las neurociencias. En esta tesis hemos combinado estudios en un modelo murino de síndrome de Down (SD) con tres estrategias procognitivas e identificado varios sustratos neurales que podrían explicar el déficit y la mejora cognitiva en discapacidad intelectual. Hemos registrado actividad neural simultáneamente en la corteza prefrontal (CPF) y el hipocampo (HPC) de ratones trisómicos Ts65Dn y no trisómicos durante vigilia y sueño y durante una tarea de reconocimiento de objetos. Los ratones trisómicos mostraron déficits de memoria que correlacionaron con una hipersincronización de actividad neural, un exceso de conectividad CPF-HPC y alteraciones en los eventos “ripples” hipocampales que predijeron los déficits de memoria y se corrigieron con EGCG y EA. Además, hemos identificado que la adquisición de memoria depende de conectividad CPF-a-HPC a frecuencias theta mientras que la recuperación de memoria depende de conectividad HPC-a-CPF a frecuencias gamma. Ambos biomarcadores predijeron los índices de memoria, estaban alterados en ratones trisómicos y se normalizaron con epigallocatechin-3-galato y enriquecimiento ambiental. En conclusión, hemos identificado biomarcadores neurofisiológicos únicos en el circuito CPF-HPC de ratones TS durante diferentes estados cerebrales que podrían subyacer las alteraciones en la adquisición y recuperación de memoria en el SD.