Potenciació de l’aprenentatge i la memòria amb agonistes del glutamat en models animals de dèficits cognitius

Abstract

L’envelliment progressiu de la població pot implicar una major incidència de malalties neurodegeneratives, el que suposa un problema social important que requereix d’investigació. Les regions cerebrals especialment sensibles als efectes de l’envelliment són l’escorça prefrontal (CPF) i l’hipocamp (HPC), amb especial implicació dels seus receptors d’àcid N-metil-D-aspartat (NMDAr) i α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropionic (AMPAr). Donada la implicació d’aquests receptors glutamatèrgics en els processos cognitius, diversos estudis els han utilitzat com a diana per a tractaments destinats a la millora cognitiva. Així doncs, creiem que l’administració d’agonistes glutamatèrgics podrien revertir dèficits cognitius associats a l’envelliment, o induïts per fàrmacs.

En la present tesi hem estudiat en rates l’administració intracerebral al còrtex prelímbic (CPL), d’una banda, de l’ampaquina S18986 per reduir els dèficits de memòria produïts per: a) la hipofunció colinèrgica deguda a l’administració d’escopolamina (SCOP) al CPL (Experiment 1) i b) la inactivació amb muscimol (agonista GABAèrgic) del nucli parafascicular del tàlem (PFn) (Experiment 2). S’han avaluat els efectes dels tractaments en paradigmes conductuals de memòria implícita (Discriminació Simple d’Olors, DSO) i relacional (Transmissió Social de Preferència d’Aliment, TSPA). D’altra banda, també hem estudiat la capacitat del tractament amb d-cicloserina (DCS), un agonista parcial dels NMDAr, per a potenciar en rates envellides la memòria de treball (MT) i la flexibilitat cognitiva,dues funcions cognitives clarament minvadesdurant l’envelliment. Els efectes de l’administració intracerebral de DCS al CPL en aquestes funcions i en la memòria a curt i llarg termini, s’han avaluat utilitzant el paradigmes de DelayedMatching / Non-Matching to Position (DMTP/DNMTP),en un laberint en Y i en una tasca operant de respostes alternes(Experiment 3).

Els resultats dels experiments 1 i 2 indiquen que l’SCOP al CPL produeix un efecte bloquejadorde la memòria de la DSO en el record a les 24 hores i que la inactivació del PFn impedeix l’adquisició d’aquesta tasca associativa olfactiva. La hipofunció colinèrgica i l‘alteració de la influència talàmica sobre el CPF podrien explicar aquests resultats. L’S18986 va reduir els errors comesos durant l’adquisició de la tascaDSO, respecte el grup control i el grup tractat amb SCOP. Però, en canvi, aquests efectes facilitadors no van observar-se ni en les sessions de retenció, ni en d’altres models conductuals com la TSPA. Diferents aspectes metodològics, com les dosis administrades o el mitjà de dilució del fàrmac, podrien explicar les divergències observades respecte d’altres antecedents experimentals. Els efectes procognitiusmés destacables els hem observat en l’experiment 3, on l’administració intracerebral de DCS ha revertitles alteracions deMT associades a l’envelliment natural. L’administració pre-entrenament de DCS al CPL ha igualat l’execució de les rates velles tractades a la de les rates joves, amb o sense tractament amb DCS. Aquests resultats concorden amb d’altres estudis que mostren com l’efecte beneficiós de la DCS sembla estarassociat a l’existència d’algun tipus de dèficit cognitiu. En general, l’efecte de la DCS ha estat més evident en la MT (DMTP) que en la flexibilitat cognitiva (DNMTP) o en la memòria a curt termini (laberint en Y). Aquestes divergènciespodrien ser conseqüència d’un efecte de sensibilització dels receptors degut a l’administració crònica del tractament ode la finestra temporal d’aplicació. En canvi, en el test de memòria als set dies de l’aprenentatge de la tasca de respostes alternes, el tractament de DCS en els animals vells va facilitar l’execució, igualant-la a la dels grups d’animals joves. L’administraciódels diferents tractaments aplicats en aquesta tesino va tenir cap efecte significatiu en altres variables que podrien haver intervingut en els resultats, com la capacitat olfactòria, la l’activitat motora ola motivació per menjar.

Amb els resultats obtinguts en la present tesi aportem coneixement sobre potencials tractaments dirigits a la modulació glutamatèrgica per a revertir dèficits cognitius resultants de l’envelliment, o d’altres patologies associades a disfuncions cerebrals. Tant l’administració de l’S18986 com de la DCS promouen mecanismes de plasticitat sinàptica, com la potenciació a llarg termini,la qual a mésde facilitar la memòria a llarg termini també podria estar implicada en la memòria a curt termini,prodouint una facilitació de tasques amb un component atencional rellevant. Addicionalment, el fet que l’ús d’agonistes parcials redueixi la possibilitat de toxicitat, i que aquests fàrmacs promoguin mecanismes neuroprotectors, converteix a aquests dos fàrmacs en potencials substàncies nootròpiques, les quals podrien servir com a tractament de dèficits cognitius, tenint en compte que es requereix investigació addicional sobre els possibles efectes dosi-dependents, el perfil agonista i d’altres aspectes.

The progressive aging of the population may involve a high incidence of neurodegenerative diseases, which is an important social problem that requires research. The cerebral regions especially sensitive to the effects of aging are the prefrontal cortex (PFC) and the hippocampus (HPC), with special involvement of its receptors N-methyl-D-aspartate (NMDAr) and α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionic (AMPARr). Given the involvement of these glutamatergic receptors in the cognitive processes, several studies have used them as targets for treatments aimed at cognitive improvement. Therefore, we believe that the administration of glutamatergic agonists could reverse cognitive deficits associated with aging, or induced by drugs.

In the present thesis we have studied in rats the intracerebral administration in the prelimbic cortex (CPL), on the one hand, of the ampakine S18986 to reduce the memory deficits produced by: a) cholinergic hypofunction due to the administration of scopolamine (SCOP) into the CPL (Experiment 1) and b) inactivation of the parafascicular nucleus of the thalamus (PFn) by muscimol (GABAergic agonist) (Experiment 2). The effects of these treatments have been evaluated in behavioural paradigms of implicit memory (Odour Discrimination Task, ODT) and relational memory (Social Transmission of Food Preference, STPF). On the other hand, we have studied the capacity of the treatment with d-cycloserine (DCS), a partial agonist of the NMDAr, to enhance working memory (WM) and cognitive flexibility in aged rats, two cognitive functions clearly depleted during the aging process. The effects of intracerebral administration of DCS in the CPL on these functions and on short- and long-term memory have been evaluated using the paradigms of Delayed Matching / Non-Matching to Position (DMTP / DNMTP), in a Y-maze and in an operant alternate response task (Experiment 3).

The results of experiments 1 and 2 indicate that SCOP into the CPL produces a memory-blocking effect on the DSO in the 24-h recall test and the PFn inactivation prevents the acquisition of this associative olfactory task. The cholinergic hypofunction and the alteration of the thalamic influence on the PFC could explain these results. Moreover, S18986 reduced the number of errors committed in the DSO acquisition, respect to the control group and the group treated with SCOP. However, these facilitating effects are not observed, neither in the retention sessions nor in other behavioural models such as the TSPA. Different methodological aspects, such as the administered doses or the dilution medium of the drug, could explain the divergences observed with respect to other experiments. The most remarkable procognitive effects have been observed in the Experiment 3, where the intracerebral administration of DCS has reversed the WM alterations associated with natural aging. The pre-training administration of DCS to the CPL has matched the performance of the treated old rats to the young rats. These results agree with other studies showing that the beneficial effect of DCS seems to be associated with the existence of some kind of cognitive deficit. In general, the effect of DCS has been more evident in WM (DMTP) than in cognitive flexibility (DNMTP) or in short-term memory (Y-maze). These divergences could be a consequence of a sensitization effect of the receptors due to the chronic administration of the treatment or the temporal administrationwindow. On the other hand, in the 7-d memory test of the alternate response task, the DCS treatment in aged animals facilitated itsperformance, equalling it to the young animals. The administration of the different treatments applied in this thesis did not have any significant effect in other variables that could have influenced the results, such as the olfactory capacity, the motor activity or the motivation to eat.

With the results obtained in this thesis we provide knowledge about potential treatments aimed at glutamatergic modulation to reverse cognitive deficits resulting from aging, or other pathologies associated with brain dysfunction. Both the administration of S18986 and the DCS promote mechanisms of synaptic plasticity, such as long-term potentiation, which facilitate long-term memory and also short-term memory, providing facilitation of tasks with a relevant attentional component. Additionally, the fact that the use of partial agonists reduces the possibility of toxicity and that these drugs promote neuroprotective mechanisms, turns these two drugs into potential nootropic substances, which could be used as treatment of cognitive deficits, taking into account that additional research is required on the possible dose-dependent effects, the agonist profile and other issues.