Investigating the structural and physiological properties of ventromedial hypothalamic neurons across the estrous cycle of female mice

Abstract

As interações sociais podem tomar diferentes rumos consoante o estado interno dos participantes. Por exemplo, um murganho fêmea pode ter comportamentos opostos em resposta à tentativa de copulação do macho, dependendo da concentração de hormonas sexuais, ao longo do ciclo estral: se se encontrar sexualmente recetiva (alta concentração de hormonas sexuais), é mais provável que a fêmea permita que o macho a monte. No entanto, se não estiver recetiva (baixa concentração de hormonas sexuais), a fêmea irá lutar e tentar fugir. A região ventrolateral do hipotálamo ventromedial (VMHvl) é necessária para a recetividade sexual. Para além disso, os neurónios do VMHvl expressão níveis elevados de recetores de hormonas sexuais, que se demonstraram ser cruciais para a mudança de recetividade sexual observada nas fêmeas ao longo do seu ciclo estral natural. Contudo, o preciso mecanismo celular através do qual as hormonas sexuais modulam a atividade dos neurónios do VMHvl e o comportamento é pouco compreendido. Desta forma, este projeto pretende investigar alterações nas propriedades estruturais e fisiológicas dos neurónios do VMHvl ao longo do ciclo reprodutivo natural dos murganhos fêmea. Para tal, realizámos medições de eletrofisiologia em neurónios do VMHvl que expressam recetores de progesterona (PR+) e que não expressam este recetor (PR-), em fatias de cérebro vivas de fêmeas com um ciclo estral natural que se encontrassem na fase recetiva versus não recetiva, para avaliar alterações no seu input sináptico e na sua excitabilidade neuronal. Neste estudo, mostramos uma diminuição na razão de input sináptico espontâneo excitatório sobre inibitório em neurónios PR+ de fêmeas recetivas, comparando com fêmeas não recetivas. Curiosamente, esta alteração segue um gradiente antero-posterior, sendo mais pronunciado na parte anterior do VMHvl, e é específica para os neurónios PR+. A excitabilidade intrínseca dos neurónios PR+ também varia, tanto ao longo do ciclo estral, como do eixo antero-posterior. A deteção imunohistoquímica da gefirina, marcador das sinapses inibitórias, mostrou não haver uma diferente expressão deste marcador ao longo do ciclo estral, sugerindo uma modulação pré-sináptica dos neurónios. Por fim, a análise das propriedades morfológicas dos neurónios PR+ do VMHvl indica que os neurónios PR+ mediais têm menor ramificação proximal na fase recetiva do que na fase não recetiva, sendo o oposto observado nos neurónios PR+ posteriores. Para além disto, a densidade das espículas dendríticas é reduzida nas dendrites primárias longas dos neurónios PR+ posteriores. Curiosamente, as propriedades morfológicas e fisiológicas não parecem estar linearmente correlacionadas ao longo do ciclo. Os nossos resultados sugerem que existem alterações nas propriedades estruturais e fisiológicas nos neurónios PR+ ao longo do ciclo estral, possivelmente induzidas por hormonas sexuais e que poderão ser a base das alterações na recetividade sexual das fêmeas.

Social interactions can take different courses depending on the internal state of the participants. For instance, a female mouse can produce opposite responses to a male’s attempt to copulate depending on the concentration of sex hormones across the female estrous cycle: if sexually receptive (high concentration of sex hormones), the female is likely to allow the male to mount her, however if non-sexually receptive (low concentration of sex hormones) the female will fight and/or escape in response to the very same male. The ventrolateral region of the ventromedial hypothalamus (VMHvl) is necessary for sexual receptivity. In addition, neurons in the VMHvl express high levels of sex hormone receptors that are crucial to produce the switch in sexual receptivity observed in females across the natural cycle. However, the precise cellular mechanisms by which sexual hormones can modulate the activity of VMHvl neurons and behavior are poorly understood. In order to change this picture, my Master thesis project aimed at investigating changes in structural and physiological properties of VMHvl neurons across the natural reproductive cycle of female mice. To do so, we performed electrophysiological recordings of progesterone receptor expressing (PR+) and non-expressing (PR-) neurons of the VMHvl in acute slices of naturally cycling females in the receptive versus non-receptive phase to assess changes in their synaptic input and neuronal excitability. We show a decreased ratio of excitatory over inhibitory spontaneous synaptic input in PR+ neurons of receptive females in comparison to non-receptive females. Interestingly, this change follows an antero-posterior gradient, being more pronounced in the anterior part of the VMHvl and specific for PR+ neurons when compared to PR- neurons. The intrinsic excitability of PR+ neurons also varies both across the estrous cycle and the anteroposterior axis. Immunohistochemical detection of the inhibitory synapse marker gephyrin showed no differential expression across the cycle, suggesting a presynaptic modulation. Finally, the analysis of the morphological properties of the VMHvl PR+ neurons indicated that medial PR+ neurons have lower proximal branching in receptive compared to non-receptive females and in the posterior PR+ neurons the opposite is observed. Moreover, spine density is reduced in the long primary dendrites of the posterior PR+ neurons. Interestingly, the physiological and morphological properties do not seem to be linearly correlated across the cycle. Our study strongly suggests that there are alterations in structural and physiological properties in the PR+ neurons across the estrous cycle, possibly induced by sex hormones, that could be underlying changes in female sexual receptivity.