Revealing the Role of Neocortical Circuit Defects in Cognitive Alteration in Autism Spectrum Disorder

Abstract

O transtorno do espectro do autismo (ASD) é um conjunto de distúrbios do neurodesenvolvimento caracterizados por aterações sociais, comportamentais e cognitivas precoces. A existência de alterações na conectividade neuronal apresenta-se como uma das teorias mais consistentes para explicar a base neurobiológica do ASD. Evidências crescentes que sugerem a prevalência de uma conectividade de longo alcance disfuncional no córtex pré-frontal (PFC), colocam esta região do cérebro no centro desta teoria. O PFC é um centro fundamental de conectividade cerebral, e estudos sobre ASD, quer sejam clínicos ou pré-clínicos, têm correlacionado alterações na estrutura do PFC com uma série de sintomas associados à sua função, incluindo deficiências nos processos executivos, emocionais e cognitivos, tais como a memória de trabalho, a capacidade de tomar decisões, o controlo inibitório, a comunicação social e a atenção. Estudos anteriores apontam para a necessidade de atenção, mediada em parte pelo córtex do cíngulo anterior (ACC; uma parte do PFC) durante trace fear conditioning (TFC), tanto em modelos animais como em seres humanos. O ratinho Fmr1 knock-out (Fmr1KO) – usado no estudo da síndrome do X-Frágil, amplamente descrita como sendo a causa genética mais comum do ASD – apresenta defeitos em TFC, associados a uma diminuição da potenciação de longa duração ao nível do ACC. Até à data, nenhum estudo relativo ao ASD relacionou diretamente os défices cognitivos com alterações nos circuitos neuronais do ACC. O principal objetivo deste estudo foi identificar e quantificar as alterações estruturais e funcionais específicas da conectividade do ACC nos ratinhos Fmr1KO. Para isso, foi aplicada uma nova estratégia que combina rabies virus-mediated mono-trans-synaptic tracing e c-fos-based tet-tagging para identificar os eferentes dos neurónios do ACC implicados no TFC. Estas conexões neurais foram mapeadas para identificar alterações no circuito neuronal do ACC do Fmr1KO. As consequências funcionais que estas alterações podem ter no fenótipo do Fmr1KO foram exploradas através da manipulação (dependente da expressão DREADDs) de circuitos específicos que representam inputs nos neurónios do ACC ativados durante TFC. Os resultados sugerem, tanto um aumento, como uma diminuição nas projeções neuronais que partem de núcleos talâmicos específicos. Contudo, a análise efetuada sobre a implicação desta alteração do circuito neuronal do Fmr1KO no seu comportamento é preliminar e inconclusiva. Outros estudos devem ser levados a cabo.

Autism spectrum disorder is a complex neurodevelopmental disorder associated with a range of early-onset social, behavioural and cognitive impairments. Atypical neuronal connectivity underlies one of the most consistent theories to explain the neurobiological basis of ASD. Increasing evidence of dysfunctional long-range connectivity of the prefrontal cortex (PFC) places this brain region at the core of this theory. The PFC is a major hub for connectivity, and both clinical and preclinical studies on ASD have correlated alterations in PFC structure with a range of symptoms related to its function, including deficits in executive, emotional and cognitive features such as working memory, decision-making, inhibitory control, social communication and attention. Accumulating evidence point to a requirement for attention, mediated in part by the anterior cingulate cortex (ACC; a part of the PFC) during trace fear conditioning (TFC) in mice, as well as in humans. Notably, Fmr1 knock-out (KO) mice, a model for studying fragile X syndrome, which is the most common and best characterized genetic cause of ASD, exhibits defects in TFC, coupled to a decrease in long-term potentiation within the ACC. To date, no study has directly related cognitive deficits to changes in ACC circuits in ASD. Thus, the main goal of this study was to identify and quantify the specific structural and functional alterations of ACC connectivity in the Fmr1KO mouse model. To address this question, we employed a novel strategy using rabies virus-mediated mono-trans-synaptic tracing, combined with c-fos-based tet-tagging to label the inputs into ACC neurons implicated in TFC. Using rapid acquisition scanning microscopy and custom-made quantification approaches, these neural connections were mapped to identify alterations in the input maps of ACC neurons in Fmr1KO mice. Functional consequences of altered connectivity on behavioural outcome were explored by DREADD-dependent manipulation of specific pathways providing input into ACC neurons. Our findings suggest both an increase and a reduction in inputs from specific thalamic nuclei. Yet, our analysis regarding the implication of this specific input disruption on Fmr1KO phenotype is preliminary and nonconclusive. Further experiments should be carried out.