Prenatal glucocorticoids and physical exercise in adolescence: effects on behaviour and hypothalamic microglia

Abstract

A exposição pré-natal ao stress, ou a mediadores de stress, como os glucocorticoides (GC), temsido associada ao desenvolvimento de distúrbios neuropsiquiátricos na vida adulta. As célulasda microglia, células imunes residentes do sistema nervoso central, foram implicadas na génesedestes distúrbios, nomeadamente a ansiedade. De facto, estudos prévios realizados no nossogrupo, demonstraram que a exposição pré-natal à dexametasona (DEX) (GC sintético) induz umcomportamento do tipo ansioso, em ratos, na idade adulta, associado a um rearranjomorfológico da microglia no córtex pré-frontal e no hipocampo, que é específico do sexo. Aexposição pré-natal a mediadores de stress interfere fortemente na função normal do eixohipotálamo-hipófise-adrenal, responsável pela resposta ao stress, mediada por CG; no entanto,a influência da DEX na diferenciação morfológica da microglia no hipotálamo não é aindaconhecida. Assim sendo, na presente tese, tivemos como objetivo identificar diferençasespecíficas de sexo no alcance de marcos do neuro-desenvolvimento, comportamento emorfologia da microglia no núcleo paraventricular (PVN) do hipotálamo, envolvidos na respostaao stress.Considerando que as alterações referidas, originadas no período embrionário, predispõem aodesenvolvimento de patologias do foro psiquiátrico na idade adulta, seria interessanteidentificar abordagens não farmacológicas (alterações no estilo de vida, como o exercício físico)capazes de minimizar o risco de desenvolvimento de doenças mentais. Estudos recentessurgiram em investigação básica e clínica sobre os efeitos da atividade física na função cerebral,que incluem aumento da cognição e resiliência ao stress. Além disso, o exercício físico podealterar a morfologia e função da microglia, levando a respostas anti-inflamatórias. Outroobjetivo do presente trabalho é esclarecer o impacto do exercício físico durante a adolescênciano comportamento e morfologia da microglia no PVN.Combinando testes comportamentais, reconstrução tridimensional (3D) da microglia eabordagens celulares e moleculares, foram observadas diferenças de sexo no neurodesenvolvimentoinicial. Além disso, os presentes resultados mostram que a exposição in uteroà DEX leva a alterações no desenvolvimento dos sistemas sensorial e motor, específicos do sexo.A reconstrução 3D de microglia no PVN também revela diferenças entre machos e fêmeas, comum padrão temporal específico do sexo: enquanto que em fêmeas, na adolescência, observa-seum aumento nos processos celulares, que não são mais observados na idade adulta, no sexomasculino, a DEX induz uma remodelação morfológica apenas na idade adulta, caracterizada poruma hiper-ramificação (aumento do número e comprimento dos processos celulares). Oexercício físico foi capaz de modular a morfologia da microglia e reverter as alterações induzidaspela DEX na microglia dos machos e exacerbar o efeito da DEX nas fêmeas.

Prenatal exposure to stress, or stress mediators, such as glucocorticoids (GC), have beenassociated with the development of neuropsychiatric disorders in adulthood. Microglia, theresident immune cells of the central nervous system have been implicated in the genesis ofthese disorders, namely anxiety. Indeed, previous studies in our group have demonstratedthat prenatal exposure to dexamethasone (DEX) (synthetic GC) induces anxious-likebehaviour in rats at adulthood, associated with a sex-specific morphological rearrangementof microglia in the prefrontal cortex and hippocampus. The prenatal exposure to stressorsstrongly interferes with the normal function of the hypothalamus-pituitary-adrenal axis,that is responsible for the response to stress, mediated by GC; however, the influence ofDEX in the morphological differentiation of microglia in the hypothalamus is not known.Hereupon, in the present thesis we aimed to identify sex-specific differences in theachievement of neurodevelopmental milestones, behaviour and microglia morphology inthe paraventricular nucleus (PVN) of the hypothalamus, involved in the response to stress.Considering that the referred alterations, originated in the embryonic period, predispose topsychiatric pathology in adulthood, it would be of interest to identify non-pharmacologicalapproaches (namely lifestyle changes, such as physical exercise) able to minimize the risk ofdeveloping mental diseases. Recent studies have surged in basic and clinical research on theeffects of physical activity on brain function, which include enhanced cognition and stressresilience. Moreover, physical exercise can alter microglia morphology and function, leadingto anti-inflammatory responses. Another goal of the present work is to clarify the impact ofphysical exercise during adolescence upon behaviour and microglia morphology in the PVN.Combining behavioural tests, three-dimensional (3D) reconstruction of microglia andcellular and molecular approaches, sex-differences in early neurodevelopment wereobserved. Moreover, the present results show that the in utero exposure to DEX leads tosex-specific impairments in the development of the sensory and motor systems. The 3Dreconstruction of microglia in PVN also reveals differences between males and females, witha sex-specific temporal pattern: whereas in females, at adolescence, it is observed anincrease in cellular processes, no longer observed at adulthood, in males, DEX inducedmorphologic remodelling only at adulthood, typified by a hyper-ramification (increasednumber and length of cellular processes). Physical exercise was capable to modulatemicroglia morphology and reverse DEX-induced alterations in males’ microglia andexacerbate the effect of DEX in females.