Studie van de rol van adulte neurogenese in de bulbus olfactorius met behulp van optogenetische neuromodulatie.

Het is algemeen aanvaard dat stamcellen in de hersenen van alle zoogdieren, waaronder mensen, nieuwe neuronen vormen gedurende het volwassen leven (adulte neurogenese). Dit proces wordt beperkt tot twee hersenregio’s: de subventriculaire zone (SVZ) en de dentate gyrus in de hippocampus. Na de ontdekking van adulte neurogenese onderzochten wetenschappers de mogelijkheid om deze stamcellen te gebruiken als celvervangende therapie in neurodegeneratieve aandoeningen. Echter, na meer dan 50 jaar onderzoek, is het duidelijk dat deze stamcellen niet voldoen voor klinische toepassing. Niettegenstaande, vormt adulte neurogenese in knaagdieren nog steeds een ideaal modelsysteem om migratie, maturatie en integratie van stamcellen in een complex neuronaal netwerk te bestuderen.

Adulte neurogenese in de hersenen van knaagdieren wordt heel sterk gereguleerd. Slechts de helft van de nieuwe neuronen die ontstaan in de SVZ, zijn in staat om te overleven en te integreren in de olfactorische bulbus (OB). De andere helft ondergaat geprogrammeerde celdood in een zogenaamde ‘kritische periode’. Recente studies hebben aangetoond dat de nieuwe neuronen in de OB eerst naar het netwerk luisteren vooraleer ze eraan bijdragen door het vormen van input synapses vooraleer output synapsen functioneel zijn. De eerste hersenregio die de nieuwe neuronen contacteert, is de olfactorische cortex die bestaat uit twee subregio’s genaamd de anterior olfactorische nucleus (AON) en de piriforme cortex (PC). In dit thesiswerk werd de invloed van de AON op de overlevingskansen van de nieuwe neuronen in de OB bestudeerd.

Vooreerst hebben we geprobeerd de ‘top-down’ connectie tussen de pyramidale neuronen in de AON en de nieuwe neuronen in de OB specifiek te visualiseren door gebruik te maken van een trans-synaptische tracer ‘Wheat Germ Agglutinin’ (WGA). Een fusieproteine van WGA en Cre recombinase werd gemaakt en tot expressie gebracht in transgene muizen die een geel fluorescent proteine op een Cre-afhankelijke manier tot expressie brengen. Op die manier konden we in verschillende hersenregio’s zowel de pre- als post-synaptische neuronen visualiseren. Echter, na expressie van het WGA-Cre fusieproteine in de AON door middel van adeno-geassocieerde virale vectoren, konden we geen post-synaptische partners in de OB waarnemen. Na verdere evaluatie van deze techniek doorheen de hersenen werd duidelijk dat deze techniek sterk afhankelijk is van de hersenregio wat de toepasbaarheid van deze techniek voor de huidige onderzoeksvraag belemmert. Om het gebruik van een invasieve optische vezel te vermijden en de actieradius van de stimulatie te vergroten, hebben we voor verdere studie gebruik gemaakt van gemodificeerde receptoren die enkel door een biologisch inert molecule Clozapine-N-Oxide (CNO) geactiveerd kunnen worden (DREADD). Na expressie van de hM3D DREADD en administratie van CNO konden we vaststellen dat de neuronale activiteit werd verhoogd. Echter, na meervoudige CNO administratie leek dit effect te verkleinen. Desalniettemin konden we na chronische stimulatie van de AON, gedurende de kritische periode van een groep BrdU-gelabelde nieuwe neuronen, een daling detecteren in de overleving van deze nieuwe neuronen. In acht genomen dat deze daling sterker was na bilaterale stimulatie van de AON en er geen cross-connectiviteit werd waargenomen tussen de PC en de OB, kunnen we aannemen dat er een directe invloed is van de AON. Onverwacht zagen we echter ook een daling in de overleving wanneer de AON bilateraal geinhibeerd werd. De gelijkenis van dit fenotype op het effect van olfactorische deprivatie doet ons vermoeden dat naast de ‘top-down’ connectie van de AON naar de OB, ook de ‘bottom-up’ pathway van de OB via de AON naar de PC beinvloed werd. Alles samen, ondersteunen onze resultaten de hypothese van een twee-staps model waarin de overleving van nieuwe neuronen gecontroleerd wordt door de ‘top-down’ connectie op basis van de sensorische ervaringen doorgegeven via de ‘bottom-up’ connecties.

Als laatste hebben we een nieuwe neuronale probe gevalideerd, ontwikkeld door Imec, om simultane lichtstimulatie en meting van het neuronale signaal mogelijk te maken in diep gelegen hersengebieden zoals de AON. We hebben bevestigd dat neuronen die het lichtgevoelige kanaal channelrhodopsin(L132C/T159C) tot expressie brengen, gestimuleerd kunnen worden en het neuronale signaal met hoge kwaliteit gemeten kan worden. De kleine dimensie en de flexibileit van de probe zorgen er verder voor dat de hersenschade door insertie beperkt is.

We kunnen besluiten dat dit thesiswerk slechts een tipje van de sluier oplicht omtrent de complexe signaalwegen die de integratie van nieuwe neuronen in het netwerk controleren. Wij hebben aangetoond dat de AON één van deze signaalwegen aanstuurt. Verder duidt dit werk ook op het belang van verdere technologische ontwikkelingen om specifieke neuronale netwerken te kunnen moduleren met minimale neveneffecten.