Impact of early-life stress on microglia: Neuron dynamics in the medial prefrontal cortex

Abstract

O ser humano, tal como outras espécies altriciais, é altamente depende de cuidados parentais durante a fase inicial do seu desenvolvimento. A qualidade destes cuidados não só é capaz de reduzir o desconforto dos recémnascidos, como também atua como um tampão aos efeitos do stress. Para além disso, é também imprescindível para proporcionar estímulos importantes que irão modular todas as futuras interações sociais. Não obstante, o envolvimento num ambiente de carinho e segurança influencia de forma positiva as dinâmicas de aprendizagem e leva ao desenvolvimento de melhores competências cognitivas e emocionais. Em contraste com este cenário, fortes evidências epidemiológicas correlacionam a exposição precoce a situações de stress, na forma de pobreza, negligência ou abuso, com uma maturação aberrante do cérebro e com um elevado risco no desenvolvimento de diversos sintomas de foro psiquiátrico, atrasos cognitivos e problemas de memória mais tarde na vida. Vários estudos mostram que a exposição a formas intensas de stress durante os primeiros anos de vida pode não só afetar a trajetória de desenvolvimento do córtex pré-frontal médio, mas também a sua atividade neuronal e os processos de plasticidade sináptica, uma vez que esta é uma das últimas estruturas do cérebro a atingir a maturidade, tanto em humanos como em ratinhos. Neste cenário, os mecanismos responsáveis pela proteção do cérebro contra a elevação prejudicial de glucocorticoides, induzida pela exposição ao stress, incluindo o período hipo-responsivo, não são suficientemente eficazes para prevenir alterações permanentes na funcionalidade do cérebro. De facto, através do uso de protocolos de stress contínuo durante as primeiras semanas de vida em ratinhos, já foi possível detetar alterações na densidade de interneurónios inibitórios positivos para a parvalbumina no córtex pré-frontal médio, o que contribui para o desequilíbrio excitatório/inibitório previamente descrito em doenças neuropsiquiátricas, como autismo e esquizofrenia. Adicionalmente, acredita-se que elevados níveis de stress podem desencadear processos de neuroinflamação, processos estes que foram já estabelecidos como fatores de risco para o desenvolvimento de doenças de cariz psicológico. Neste contexto, a nossa hipótese de trabalho é que a elevação, mesmo que apenas transiente, dos níveis sistémicos e locais de citocinas pró-inflamatórias e outros mediadores inflamatórios, pode desencadear fenótipos de ativação anormais da microglia que afetam diretamente o neurodesenvolvimento e a formação dos circuitos durante o período pós-natal.No presente estudo empregámos o paradigma de separação maternal e stress imprevisível (MSUS), um modelo animal de stress precoce, de forma a perceber como é que as interações entre a mãe e os crias podem ser moduladas pela exposição a este paradigma e como este tipo de stress pode interferir no comportamento e desenvolvimento das crias durante as primeiras semanas de vida. De igual modo, pretendeu-se investigar o impacto da exposição contínua ao stress no sistema neuro imune e, de que forma é que estas alterações podem influenciar a formação dos circuitos e a atividade neuronal no córtex pré-frontal médio. Finalmente, é importante mencionar que todo este estudo teve especial foco nas diferenças entre géneros. A realização deste trabalho revelou a existência de diferenças basais entre o estado de desenvolvimento de ratinhos macho e fêmea durante as primeiras semanas de vida, sendo que as fêmeas apresentam um estado de maturação mais avançado do que os machos, evidenciado tanto pelos testes de desenvolvimento e capacidade comunicativa, como pela morfologia e atividade fagocítica da microglia. Para além disso, as fêmeas apresentam também uma conexão mais forte com a mãe, ao passo que os machos tendem a ser mais independentes. Aditivamente, foi demonstrado que o protocolo de separação maternal usado leva à disrupção do processo normal de maturação do cérebro em ratinhos MSUS, o que é suportado pela aceleração do desenvolvimento motor e dos reflexos observada nestes animais, bem como pelas alterações no perfil genético da microglia e na sua função de fagocitose. Também foi observado um impacto do protocolo de MSUS no comportamento maternal, bem como uma rutura na ligação entre as fêmeas com as suas mães, juntamente com uma acrescida atividade exploratória destes animais. Apesar de ser ainda necessário aprofundar a investigação nesta área, este trabalho sugere que o stress durante o período pós-natal leva a uma aceleração adaptativa no desenvolvimento, caracterizada pela mudança precoce nas funções da microglia durante o período em que estas células auxiliam o desenvolvimento dos circuitos neuronais. Esta ocorrência impede a concretização de uma maturação correta destes circuitos.

Humans and other altricial species are highly dependent on parental care during early development. High quality care not only reduces infants’ distress and buffers their stress physiology, but also provides important cues that set the tone for all future social interactions. In addition, a nurturing environment positively influences learning dynamics and improves both emotional and cognitive outcomes. In contrast to this scenario, there is now strong epidemiological evidence that correlates exposure to early life stress (ELS), in the form of poverty, neglect or abuse, with aberrant brain maturation and a higher risk of developing a variety of psychiatric symptoms, cognitive deficits and memory problems later in life. Numerous reports have shown that ELS affects not only the developmental trajectory of the medial prefrontal cortex (mPFC), but also its neuronal activity and synaptic plasticity, since this is one of the last structures of the brain to fully mature. In this scenario, the mechanisms that protect the developing brain from the harmful stress-induced elevation of glucocorticoids,including the stress hyporesponsive period (SHRP), are not sufficient to prevent ELS to potentially induce permanent alterations in brain function. ELS has been shown to change the density of inhibitory parvalbumin positive interneurons of the mPFC, contributing to the excitatory/inhibitory imbalance previously reported in neuropsychiatric diseases, such as autism and schizophrenia. Additionally, it is believed that ELS can also trigger neuroinflammation, which has been implicated as a risk-factor for the onset of these diseases. In this regard,our working hypothesis is that an increase, even if transient, in the systemic and local levels of proinflammatory cytokines and other immune mediators can lead to abnormal microglia activation phenotypes that will directly impact neurodevelopment and circuit wiring during the post-natal period.In the present study, we employed the maternal separation and unpredictable stress (MSUS) paradigm, an animal model of early-life stress, to explore how mother-pup interactions are shaped by ELS exposure and how this type of event can interfere with pup development and behaviour throughout the first weeks of life. Using this paradigm, we also sought to understand the impact of a chronic stress exposure on the neuroimmune system and, ultimately, how neuroimmune alterations could influence circuit wiring and neuronal activity in the mPFC. It is important to mention that this whole study had a special focus on gender differences.Our results revealed basal differences in the developmental state between male and female mice, with females presenting a more advanced state of maturation, evidenced both in the developmental tests and communication skills, as well as in microglia’s morphology and phagocytic activity. Moreover, we observed a stronger mother-pup bond in females and a more independent behaviour in males. Our work also demonstrates that ELS disrupts normal brain maturation in MSUS mice, triggering an acceleration of motor and reflex development, as well as changes in microglia’s genetic profile and phagocytic function, that differ between males and females. In addition, we report that MSUS impacts maternal behaviours and disrupts the maternal bond, particularly in females, leading to an increase in foraging and exploratory behaviours in female pups.Although further investigation in this subject is still warranted, we hypothesize that ELS leads to an adaptive acceleration in development characterized by a precocious shift in microglia’s functions that interferes with the assistance they provide during the critical period of post-natal neuronal development. This occurrence prevents the correct maturation and wiring of neuronal circuits that, in spite of providing short-term advantages, carries important consequences for long-term brain functionality, contributing to an increased risk to developmaladaptive behaviours later in life.