Metabolic modifications associated with memory deficits

Abstract

Este trabalho foi iniciado partindo da premissa em como, no cérebro, a glucose disponível regula a memória e a cognição em humanos saudáveis e pacientes com demência. Para além disso, a desregulação da glucose cerebral tem sido associada a doenças neuropsiquiátricas e as alterações na captação de glucose em áreas cerebrais específicas são considerados marcadores seletivos no diagnóstico de doenças neuropsiquiátricas. O trabalho experimental apresentado nesta tese de doutoramento teve como objetivo revelar como os neuromoduladores, incluindo a insulina, regulam o metabolismo da glicose no cérebro e quais as consequências dos danos ao nível do metabolismo da glicose cerebral em modelos animais. Para concretizar este objectivo, efetuamos estudos bioquímicos e eletrofisiológicos em estruturas cerebrais que se correlacionam com a cognição e personalidade, que são, o hipocampo e o córtex frontal. Também procedemos a uma bateria de testes comportamentais em roedores. Primeiro, optimizamos vários métodos in vitro para medições espaço-temporais e quantitativas da captação e metabolismo da glucose em fatias de hipocampo, fatias do córtex frontal e em culturas celulares. Depois, exploramos as características básicas da captação de glucose e metabolismo em fatias de hipocampo, incluindo o papel das vias de sinalização da insulina e de duas outras importantes famílias de neuromoduladores. Aqui, reportamos que a administração sistémica de streptozotocina (induzindo diabetes tipo 1) afecta tanto o repouso como a despolarização induzida pela captação e metabolismo da glucose dependente do receptor de canabinóides CB1 no hipocampo. Notavelmente, esta área cerebral é responsável pela formação e evocação da memória, que é regulada pela sinalização da insulina. Usando o mesmo composto diabetogénico mas agora administrado intracerebroventricularmente, obtivemos um modelo animal previamente caracterizado como diabetes cerebral, evitando a interferência de modificações periféricas. Além disso, os resultados apontaram para que a disfunção sináptica observada nas experiências de eletrofisiologia tenham ocorrido antes da perda sináptica e coincidiu com a disfunção metabólica. Em seguida, outro modelo animal foi utilizado, associado com disfunção metabólica, um modelo pré-diabético induzido pelo consumo de uma dieta rica em sacarose (Hsu). Este modelo tem a vantagem de ser menos invasivo do que a injeção cerebral de STZ e melhor mimetizar as doenças associadas ao estilo de vida humano, e para além disso permitir ainda o estudo da fase inicial da doença, a fase anterior à ocorrência da diabetes. De acordo com a análise de hipocampo por espectroscopia de elevada resolução por rotação em ângulo mágico (HRMAS) em tecidos de animais Hsu, a dieta Hsu induziu modificações metabólicas periféricas sem um impacto aparente no metabolismo cerebral, apesar destes animais exibirem danos na memória. Procuramos também modificações nos circuitos da via hipocampal Schaffer-CA1, que está conectada com tarefas dependentes de memória hipocampal e não foram detetadas alterações. Posteriormente, questionamos se a dieta Hsu afectaria outra via mediadora da consolidação da memória espacial e o processo de reconhecimento em ratos, nomeadamente a via temporomónica. Observamos que a dieta Hsu danifica a plasticidade sináptica na via temporomonica-CA1 das sinapses piramidais. Adicionalmente, testamos o papel do receptor adenosinérgico nestas vias e observamos que, no hipocampo, a dieta Hsu regula para cima o receptor A1. Seguidamente, investigamos a hipótese de que a ativação do receptor A2B com baixa afinidade para a adenosina pudesse promover a captação de glucose em neurónios e astrócitos relacionando atividade cerebral com o metabolismo energético. Desenvolvemos um protocolo para a medição fluorescente em tempo real da captação de deoxiglucose em fatias de hipocampo, um complemento ideal das análises quantitativas. Verificamos que a ativação do receptor A2B está associada com o aumento tónico e instantâneo do transporte de glucose para os neurónios e astrócitos no cérebro de ratinho, levantando a possibilidade de em futuras investigações se avaliar o potencial clínico deste novo mecanismo glucoregulador. Em conclusão, este trabalho de tese contribuiu para elucidar os mecanismos pouco definidos que regulam o metabolismo da glucose cerebral. Encontramos novas provas que ligam a deficiência da plasticidade sináptica hipocampal e de memória às doenças metabólicas. Também identificamos o receptor A2B como um possível novo alvo terapêutico para estimular o metabolismo da glucose cerebral com o objectivo de atenuar o aparecimento de doenças cerebrais.

This work started from the known premise that, in the brain, glucose availability regulates memory and cognition in both healthy humans and dementia patients. Furthermore, cerebral glucose deregulation has been associated with neuropsychiatric disorders, and alterations in glucose uptake in specific brain areas are selective hallmarks for the diagnosis of neuropsychiatric diseases. The experimental work presented in this doctoral thesis aimed at unveiling how neuromodulators including insulin regulate glucose metabolism in the brain and what are the consequences of impaired brain glucose metabolism in animal models. To this aim, biochemical and electrophysiological studies were performed in brain structures that correlate with cognition and personality, that is, the hippocampus and the frontal cortex. Also a battery of behavioural studies was carried out in laboratory rodents. To begin with, various in vitro methods for both the spatiotemporal and the quantitative measurement of glucose uptake and metabolism in acute hippocampal and frontocortical slices and cell cultures were optimized. Then the basic characteristics of glucose uptake and metabolism in the hippocampal slice were explored, including the role of the insulin signalling pathway and the role of two other important neuromodulator families. We found and report for the first time that systemic streptozotocin-induced untreated type-1 diabetes affects both the resting and depolarization-induced glucose uptake and metabolism in a fashion dependent on the cannabinoid CB1 receptor in the hippocampus. Notably, this brain area is responsible for the formation and recall of memory, which is regulated by insulin signalling. Using the same diabetogenic compound but now intracerebroventricularly administered, we achieved a previously characterized animal model of cerebral diabetes, thus avoiding confounding peripheral changes. This procedure led to the impairment of hippocampusdependent memory. Furthermore, the results pointed out that synaptic dysfunction observed in the electrophysiological experiments occurred before the loss of synapses and coincided with metabolic dysfunction. Next, we moved to another animal model associated with metabolic dysfunction, a prediabetic model induced through the consumption of a high sucrose diet (HSu). This model has the advantage of being less invasive than cerebral STZ-injection, and mimics better human lifestyle-dependent disorders; furthermore it enables the study of the initial phase of the disease, prior to the occurrence of diabetes. According to the highresolution magic angle spinning spectroscopic analysis of the hippocampal tissue, HSuinduced peripheric metabolic modifications did not cause an apparent impact on cerebral metabolism, albeit these HSu animals exhibited memory impairment. We looked for circuitry modifications in the hippocampal Schaffer-CA1 pathway, which is connected to hippocampal-dependent memory task, but none was found. Subsequently, we asked if HSu affected another pathway mediating spatial memory consolidation and recognition process of rats, namely, the temporoammonic branch of the perforant path. We observed that high sucrose consumption impairs synaptic plasticity at the temporoammonic pathway-CA1 pyramidal synapses. Additionally, we tested the role of adenosine receptors in those pathways and observed that high sucrose consumption upregulates adenosine A1R in the hippocampus. Next we investigated the hypothesis that the activation of the low-affinity adenosine A2B receptor (A2BR) could promote glucose uptake in neurons and astrocytes, thereby possibly linking brain activity with energy metabolism. We developed a protocol for real-time fluorescent measurement of deoxyglucose uptake in hippocampal slices, ideal to complement quantitative analyses. We found that A2BR activation is associated with an instant and tonic increase of glucose transport into neurons and astrocytes in the mouse brain. These prompt further investigations to evaluate the clinical potential of this novel glucoregulator mechanism. In conclusion, the present thesis work has contributed to the elucidation the illdefined mechanisms that regulate brain glucose metabolism. We have found additional proofs linking impaired hippocampal synaptic plasticity and memory with metabolic disorders. We also identified the A2BR as a possible novel therapeutic target to boost brain glucose metabolism with the objective of mitigating the outcome of brain disorders.