Mechanisms of Neuroadaptation and the Regulation of Cognition

Abstract

Perirhinal cortex plays a key role in processing recognition memory. Evidences that repeated exposure to familiar objects produces a decremental response in perirhinal neurones led to the proposal that recognition memory depends on long-term depression. However, long-term potentiation is also expressed in perirhinal cortex. Long-term potentiation is thought to be involved in many form of synaptic plasticity, especially learning and memory. Nevertheless, not much is known on mechanisms maintaining late-phases of long-term potentiation in perirhinal cortex.

This study shows that LTP in adult perirhinal cortex is maintained by the persistent activity of Protein Kinase M Zeta. The inhibition of PKMZeta, in fact, completely reverts an established potentiation. This work also focuses on mechanisms that could regulate the persistent activation of PKMZeta in perirhinal cortex. The results of the experiments show that synaptic depotentiation appear to down-regulate the activity of PKMZeta. Also, the role of PDK1 in regulating the activity of PKMZeta is studied. The experiments run provide evidences that the inhibition of PDK1 leads to a decrease of the activity of PKMZeta.

This work also explores the mechanisms of synaptic plasticity occurring in perirhinal cortex early in the development. Starting from the observation that it's not possible to induce LTP in P14 animals, and the only form of potentiation obtainable in P14 perirhinal cortex is de-depression, several experiments have been run to investigate the possible mechanisms underlying this "high levels" of basal synaptic transmission at this stage. PKMZeta maintains long-term synaptic potentiation; in P14 perirhinal cortex, the application of the selective PKMZeta inhibitor ZIP decreases basal synaptic transmission, but has no effect once LTD has been induced. Moreover, ZIP decreases synaptic transmission in a previously de-depressed pathway, providing evidences that in P14 perirhinal cortex LTP mechanisms are present but already saturated in a PKMZeta-dependent way. This potentiation of the basal synaptic transmission is lost later during the neurodevelopment (i.e. at PND35); at this stage it is possible to induce LTP in perirhinal cortex, and the inhibition of PKMZeta completely reverts the potentiation.

Mechanisms regulating the sustained activity of PKMZeta in P14 perirhinal cortex are also examined in this work. New PKMZeta is synthesized following the induction of LTP via intracellular mechanisms involving different kinases (i.e. PI3K) and ultimately mTOR-dependent translation. The inhibition of PI3K and mTOR in P14 perirhinal cortex produces a PKMZeta-dependent decrease in the basal synaptic response. Therefore, our results suggest that synaptic transmission in immature connections in perirhinal cortex relies on PI3K-, mTOR- and PKMZeta-dependent mechanisms. Further experiments show that these processes could be regulated by a continuous activity of Group I mGluRs.

Taken together, these results highlight the crucial role of PKMZeta in the synaptic potentiation, and suggest that its sustained activity is required to stabilize young synapses during the neurodevelopment.

La corteccia peririnale svolge un ruolo chiave nella memoria di riconoscimento degli oggetti. Diverse evidenze sperimentali dimostrano che l'esposizione ripetuta a oggetti familiari produce una risposta decrementale nei neuroni della corteccia peririnale. Tali osservazioni hanno portato a formulare l'ipotesi che la memoria di riconoscimento degli oggetti dipende dalla LTD. Tuttavia, in corteccia peririnale e' possibile indurre anche LTP. Il potenziamento a lungo termine e' ritenuto essere coinvolto in molte forme di plasticita' sinaptica, in particolare l'apprendimento e la memoria. Tuttavia, non si sa molto sui meccanismi di mantenimento delle fasi terdive di LTP nella corteccia peririnale.

Questo studio mostra che la LTP in corteccia peririnale di adulto e' mantenuta dalla persistente attivita' della proteina chinasi M Zeta. L'inibizione della PKMzeta, infatti, ripristina completamente un potenziamento stabilito. Questo lavoro si concentra anche sui meccanismi che possono regolare l'attivazione costitutiva di PKMZeta nella corteccia peririnale. I risultati degli esperimenti dimostrano che il depotenziamento sinaptico sembra down-regolare l'attivita' di PKMZeta. Inoltre, e' stato studiato anche il ruolo di PDK1 nella regolazione dell'attivita' di PKMZeta. Gli esperimenti eseguiti forniscono evidenze che l'inibizione di PDK1 porta ad una diminuzione dell'attivita' di PKMZeta.

Questo lavoro esplora anche i meccanismi di plasticita' sinaptica che si verificano nella corteccia peririnale nelle fasi precoci dello sviluppo. Partendo dalla constatazione che non e' possibile indurre LTP in corteccia peririnale di animali di 14 giorni di vita (P14), e che l'unica forma di potenziamento ottenibile e' una de-depression, diversi esperimenti sono stati eseguiti per indagare i possibili meccanismi alla base di questa "alti livelli" basali di trasmissione sinaptica in questa fase del neurosviluppo. PKMZeta mantiene la LTP sinaptica; in corteccia peririnale di P14, l'applicazione di ZIP, un inibitore selettivo di PKMZeta, diminuisce la trasmissione sinaptica basale, ma non ha alcun effetto una volta che LTD e' stata indotta. Inoltre, ZIP diminuisce la trasmissione sinaptica in una pathway precedentemente de-depressa, fornendo evidenze che in corteccia peririnale di P14 meccanismi di LTP sono presenti, ma gia' saturi, in una maniera PKMZeta-dipendente. Questo potenziamento della trasmissione sinaptica basale e' perso progressivamente durante il neurosviluppo. Ad esempio, in ratti di 35 giorni (PND35), e' possibile indurre LTP in corteccia peririnale, e l'inibizione della PKMZeta annulla completamente il potenziamento.

Inoltre, i meccanismi che regolano l'attivita' costante di PKMZeta nella corteccia P14 peririnale sono esaminati in questo lavoro. Nuove molecole di PKMZeta sono sintetizzate in seguito alla induzione di LTP attraverso meccanismi intracellulari che coinvolgono diverse chinasi (come PI3K) e, infine, la traduzione proteica mTOR-dipendente. L'inibizione della PI3K e di mTOR nella corteccia peririnale di P14 produce una diminuzione PKMZeta-dipendente nella risposta basale sinaptica. Pertanto, i nostri risultati suggeriscono che la trasmissione sinaptica nelle sinapsi immature nella corteccia peririnale si basa su meccanismi PI3K-, mTOR e PKMZeta-dipendenti. Ulteriori esperimenti mostrano che questi processi potrebbero essere regolati da una continua attivita' dei recettori metabotropici del glutammato di gruppo I.

Considerati nella loro totalita', questi risultati evidenziano il ruolo cruciale dei PKMZeta nel potenziamento sinaptico, e suggeriscono che la sua attivita' sostenuta e' necessaria per stabilizzare le sinapsi giovani durante il neurosviluppo.