Synaptic plasticity in cerebellar-dependent learning : the role of endocannabinoids

Abstract

O cerebelo é essencial para a coordenação e aprendizagem motora, no entanto ainda não se compreende totalmente como estas funções são reguladas. Os endocanabinóides são reguladores importantes da atividade sináptica em todo o cérebro. Estes são libertados de neurónios pós-sinápticos e atuam retrogradamente em receptores canabinóides pré-sinápticos tipo 1 (CB1Rs) para suprimir a neurotransmissão. Recentemente, foi observado que estes mensageiros são necessários para a modulação de várias formas de plasticidade a curto- e a longo-prazo no cerebelo. De acordo com isto, ratinhos com deleção global de CB1Rs foram vistos como tendo de ciente aprendizagem motora dependente do cerebelo, sugerindo que os endocanabinóides são importantes para a aprendizagem e para a memória sensorial-motora. Contudo, nestas experiências os CB1Rs foram eliminados de todas os tipos de células. Neste projeto tivemos como objetivo perceber em que tipos celulares e através de que mecanismos os endocanabinóides atuam para regular a aprendizagem motora. Para tal, ferramentas genéticas de ratinho foram combinadas com um comportamento animal dependente do cerebelo e foi avaliada a aprendizagem motora de diferentes linhas de ratinho com deleções em diferentes tipos celulares especí cos. Assim, para além de ratinhos com deleção global de CB1Rs, três linhas de ratinhos com deleções condicionais, sem expressão de CB1Rs 1) nas granule cells, cujos axónios formam as par- allel bers e possivelmente nas mossy bers, 2) nas granule cells ou 3) nos inhibitory interneurons foram testadas em delay eyelid conditioning. Surpreendentemente, nas nossas condições experimentais, os resultados obtidos indicam que os ratinhos com deleção global de CB1Rs são muito menos debilitados em delay eyelid conditioning do que observado anteriormente. De facto, a nível geral a aprendizagem parece normal. De acordo com isto, as diferentes linhas de ratinhos sem CB1Rs em tipos celulares especí cos, testadas pela primeira vez em delay eyelid conditioning, também não apresentam defeitos na aprendizagem a nível geral. Mesmo aspetos mais subtis da aprendizagem, como a amplitude e o tempo das respostas, não parecem ser afetados nem pela deleção global nem pela deleção condicional de CB1Rs. Através da análise teste-a-teste, foi possível observar que a experiência em testes prévios afeta a aprendizagem em testes seguintes, independentemente do genótipo. Ou seja, ratinhos com deleção global de CB1Rs não foram afetados de forma diferente dos controlos pela experiência em testes prévios. No entanto, eles aparentaram ser mais afetados pelo intervalo de tempo entre testes (escala de tempo de segundos). O mesmo efeito foi observado em ratinhos sem expressão de CB1Rs nas granule cells e nas mossy bers. Os nossos resultados sugerem que os endocanabinóides presentes no cerebelo podem estar a atuar no sentido de suster a memória entre testes. Análises preliminares também revelaram que o sistema endocanabinóide pode ser importante para a consolidação da memória motora (escala de tempo de horas/dias), porque tanto os ratinhos com deleção global como os ratinhos com deleção de CB1Rs nas mossy bers/granule cells aparentam lembrar menos após um longo período de tempo sem treino. Curiosamente, a atividade locomotora também parece estar relacionada com a aprendizagem em delay eyelid conditioning. No geral, os nossos resultados sugerem que a modulação mediada por CB1Rs nas sinápses entre as parallel ber-Purkinje cell ou mossy ber-deep cere- bellar nuclei pode estar envolvida em fenómenos a curto- e a longo-prazo em delay eyelid conditioning, especi camente na memória a curto-prazo e na consolidação a longo-prazo da memória motora

The cerebellum is crucial for motor control, timing and learning, but exactly how these functions are regulated is still not fully understood. Endocannabinoids are powerful regulators of synaptic function throughout the brain. They are released from postsynaptic neurons and act retrogradely onto pre-synaptic type 1-cannabinoid receptors (CB1Rs) to suppress neurotransmission. Recently, these messengers were observed to be required in the modulation of various forms of short- and long-term plasticity within the cerebellum. In line with this, global CB1Rs knockout mice were shown to have impaired cerebellum-dependent motor learning, suggesting the importance of endocannabinoids function for sensorimotor learning and memory. However, in these experiments CB1Rs were eliminated from all cell types. In this project we aimed to understand in which cell types and through what mechanisms endocannabinoids act to regulate motor learning. For that, mouse genetic tools were combined with a cerebellum-dependent behavioral assay and motor learning of di erent cell-speci c CB1Rs knockouts was evaluated. Thus, apart from the global CB1R KO mice, three di erent conditional KO lines with mice lacking CB1Rs at 1) granule cells and possibly mossy bers, 2) granule cells or 3) inhibitory interneurons were tested in delay eyelid conditioning. Surprisingly, under our experimental conditions, the results obtained indicate that global CB1R KO mice are far less impaired in delay eyelid conditioning than what described previously. In fact, gross features of learning appear normal. Accordingly, the di erent cell-speci c CB1R KO mice tested for the rst time in delay eyelid conditioning also do not present major impairments. Even more subtle aspects of the response, like amplitude and timing, do not seem to be a ected in both global and conditional CB1R KO mice. By performing trial-to-trial analysis, it was possible to observe that previous trial experience a ects learning on the following trial, regardless of genotype. Global CB1R KO mice were not di erentially a ected by previous trial experience. Nonetheless, they appeared to be more a ected by the interval between trials (timescale of seconds). The same e ect was seen in mice lacking CB1Rs at the granule cells and mossy bers. Our results suggest that endocannabinoids within the cerebellum might be acting to sustain memory between trials. Preliminary analysis also revealed that the endocannabinoid system might be important for the consolidation of motor memory (timescale of hours/days), as both global and mossy ber/granule cell-speci c CB1R KO mice appear to remember less after a long period of time without training. Interestingly, running activity also appears to be related with learning in delay eyelid conditioning. Overall, our results suggest that CB1R-mediated modulation at the parallel ber-Purkinje cell or mossy ber-deep cerebellar nuclei might be involved in both short- and long-term phenomena in delay eyelid conditioning, speci - cally in working memory and consolidation of motor memory