Putative Role of Microglia Dimorphism in Schizophrenia Gender Differences

Abstract

A imunidade inata envolve vários elementos celulares, incluindo a microglia, que coloniza o cérebro precocemente durante as fases iniciais do desenvolvimento. Estas células, equipadas com elementos moleculares específicos, têm a capacidade de monitorizar o parênquima cerebral e rececionar sinais emitidos pelos neurónios. Desde fases precoces no desenvolvimento do cérebro, que a microglia tem a capacidade de regular não apenas a densidade neuronal, mas também os contactos sinápticos, contribuindo assim para a organização e refinamento dos circuitos neuronais e, consequentemente, para o desempenho comportamental, e a saúde em geral. As hormonas sexuais, sintetizadas pelas gónadas e glândulas adrenais, mas também pelo cérebro, atuam em todos os seus elementos celulares deste órgão, regulando inclusivamente a diferenciação e função da microglia que expressa recetores para estas hormonas. Devido à relevância destas células no desenvolvimento e refinamento dos circuitos neuronais, a microglia tem vindo a ser identificada como um elemento chave no dimorfismo sexual observado em processos fisiológicos do cérebro, influenciando inclusivamente a diferente suscetibilidade de homens e mulheres para desenvolverem determinadas doenças psiquiátricas. De facto, o envolvimento das células da microglia na génese de doenças do neurodesenvolvimento, incluindo a esquizofrenia, tem vindo a ser descrito, devido a uma eliminação sináptica exacerbada desempenhada por estas células, o que parece justificar a perda de sinapses na região cortical reportada na doença.Na esquizofrenia, os doentes apresentam uma dualidade na função dos neurónios dopaminérgicos, que se caracterizam por ser hipofuncionais, nomeadamente os que projetam para o córtex pré-frontal (via mesocortical), e hiperfuncionais, os que projetam para as estruturas límbicas, incluindo o núcleo accumbens (via(s) mesolímbicas) contribuindo biologicamente, de forma distinta, para os sintomas típicos da doença (défices sociais e cognitivos – hipofunção; sintomas psicóticos – hiperfunção). A esquizofrenia é frequentemente diagnosticada durante a adolescência, razão pela qual este estudo da diferenciação morfológica da microglia foi realizado em fases iniciais do desenvolvimento (período pós-natal e adolescência), com a premissa de que alterações na estrutura destas células podem interferir no modo como estas células regulam as conexões sinápticas, levando a alterações nos circuitos neuronais (como se sabe estarem descritos na doença).Neste trabalho, começámos por investigar como decorre o processo de diferenciação morfológica da microglia, em condições fisiológicas, no córtex pré-frontal de machos e fêmeas, desde o nascimento até à idade adulta. Na microglia, o dimorfismo sexual surge durante a adolescência, paralelamente com traços comportamentais dimórficos (dados não incluídos no âmbito desta tese). Quando as fêmeas são sujeitas a uma injeção de testosterona no dia do nascimento (mimetizando o pico de testosterona que ocorre naturalmente nos machos), o dimorfismo sexual observado tanto na citoarquitetura da microglia como no comportamento animal anulam-se. Esta observação demonstra a relevância fisiológica do pico de testosterona tanto na masculinização da microglia como no comportamento (Capítulo 1). Dadas estas evidências, no capítulo seguinte prosseguimos com o estudo da diferenciação morfológica da microglia num modelo animal que mimetiza alguns traços comportamentais tipicamente observados na esquizofrenia. Começando no período pós-natal, investigámos, em machos e fêmeas, separadamente, o processo de diferenciação morfológica da microglia, assim como alguns comportamentos típicos associados à doença (défices cognitivos e sociais). Inicialmente, validámos o modelo animal em idade adulta, caracterizando comportamentos típicos e propriedades eletrofisiológicas de células localizadas em regiões do cérebro implicadas na doença. Com o foco de perceber melhor a patologia em fases iniciais do desenvolvimento, foi efetuada uma análise de alguns traços comportamentais durante o período pós-natal e adolescência, em paralelo com a análise do processo de diferenciação da microglia em regiões afetadas na doença (córtex pré-frontal e núcleo accumbens). No período pós-natal observámos défices sociais transitórios, concomitantes com uma remodelação da microglia, semelhante, no córtex pré-frontal e no núcleo accumbens. Na adolescência, um período de extrema relevância para o diagnóstico da doença, e também de plasticidade cerebral, observámos uma adaptação distinta da microglia nas regiões afetadas na doença, paralelamente com a manifestação de problemas sociais (Capítulo 2). Em suma, os resultados apresentados nesta tese demonstram que o processo fisiológico de diferenciação morfológica da microglia ocorre ao longo da vida de forma dinâmica e é influenciado pelo sexo biológico, sendo dotado de determinada plasticidade que quando resulta numa resposta maladaptativa ...

Innate immunity includes cellular elements, typified by microglia, that colonize the brain during early development. Microglia are equipped with molecular machinery that allows sensing the local environment, including neuronal signals. From early development, microglia are engaged in the regulation of neurons, in general, and synapses, in particular, actively contributing to the shaping of neural circuitries and, consequently, behavior and health.Sex hormones, synthesized not only by the gonads and adrenal glands, but also in the brain, affect all cellular components of this organ, including the differentiation and function of microglia, that express sex hormones receptors. Considering the relevance of microglia in brain development and refinement, they have been identified as cellular elements that may account for the sex dimorphism reported in brain physiological processes, and for the sex-specific vulnerability of men and women to develop certain psychiatric disorders. In fact, microglia have been implicated in several psychiatric disorders with neurodevelopmental genesis, including schizophrenia, in which the exacerbated synaptic elimination (overpruning) has been pointed as a relevant mechanism underlying synaptic loss reported in the cortical region.Patients with schizophrenia show a dysregulation in dopaminergic neurotransmission, presenting a hypofunction of the mesocortical pathway (that projects to the prefrontal cortex) and a hyperfunction of the mesolimbic pathways (that projects to the limbic structures, such the nucleus accumbens), with this duality being associated to distinct biological symptoms (social, cognitive deficits - hypofunction; psychotic symptoms - hyperfunction). Considering that most schizophrenia diagnosis arise during adolescence, in this thesis, we focused this study on microglia morphological differentiation in an early time window (postnatal period and adolescence), with the premise that morphological changes of these cells may interfere with the proper wiring of brain circuits affected in this disease.We start this thesis by investigating how the morphological differentiation of microglia in the prefrontal cortex of males and females occurs physiologically, from birth to adulthood. We observe sex-specific microglia morphological characteristics that emerge during adolescence, which, although outside the scope of this thesis, correlate with sex-specific behavioral phenotype. When females, at the day of birth, are injected with testosterone, microglia morphology and female behavior became similar to males (at adolescence), thus, pointing the testosterone peak as a determinant biological event for microglia and behavioral masculinization (Chapter 1). Then, considering the sex dimorphism observed in the previous chapter, we pursued the study by using an animal model of schizophrenia, in which we investigated male and female separately, from the postnatal period onwards, in terms of microglia morphological differentiation and behaviors typically affected in this disease (social withdrawal and cognitive deficits). Firstly, we characterized the animal model at adulthood by analyzing typical behaviors and the electrophysiological properties of the cells residing in key brain regions implicated in the disease. Then, with the objective of going deeper into the early stages of the disease development, we tracked for postnatal and adolescent behavioral deficits, in parallel with microglia morphological alterations in the two regions known to be oppositely targeted by dopamine neurons in the human disease (prefrontal cortex and nucleus accumbens). Although transient, in the postnatal period we could already observe social deficits accompanied by similar microglia remodeling both in the prefrontal cortex and nucleus accumbens. It is during adolescence, a period of high brain plasticity and of high relevance for the diagnosis of schizophrenia, that we observed a different morphological adaptation of microglia in these efferent regions, coinciding with the manifestation of social deficits (Chapter 2).Taken together, the results presented in this thesis demonstrate that the morphological remodeling of microglia occurs throughout life as a physiological dynamic process that is sex-dependent, endowed with certain plasticity that when triggers a maladaptative response may contribute for the emergency of pathological behaviors. Our findings, together with previous evidence for microglia-mediated overpruning in the prefrontal cortex, helped us building a more robust theory of microglial involvement in the pathophysiology of schizophrenia. We postulate that the absence of morphological changes in the prefrontal cortex may be permissive for microglia to perform their phagocytic function, already reported to be exacerbated in the disease, and associated with social deficits, while the atrophy of microglia in the nucleus accumbens may be hampering their sensing morphology, hypothetically ...