Optogenetica als weg naar celtype specifieke neuromodulatie in hersenplasticiteit.

Neuroplasticiteit is wat de hersenen ertoe in staat stelt zichzelf structureel en functioneel te organiseren en te reorganiseren op basis van sensorische informatie. De visuele cortex van zoogdieren is uitermate geschikt om dit fenomeen te onderzoeken. Onze onderzoeksgroep heeft vooraf reeds aangetoond, aan de hand van de neurale activiteitsmerker \textit{zif268}, dat de visuele cortex van adulte muizen volledig reactiveert over een periode van zeven weken na compleet unilateraal gezichtsverlies door monoculaire enucleatie (7wME). In het binoculaire gebied drijft voornamelijk potentiatie van het resterende oog dit herstel aan, maar in het monoculaire gebied bestaat dit herstel grotendeels uit multimodale rekrutering door andere, intacte sensorische modaliteiten. We weten intussen dat de balans tussen excitatorische en inhibitorische neurotransmissie een sleutelrol speelt in de regulatie van deze ervaringsafhankelijke plasticiteit. Inhibitorische neuronen vormen in de cortex echter een zeer heterogene populatie, wat het onderzoek naar de celtype-specifieke moleculaire regulatie van corticale plasticiteit bemoeilijkt. Dit doctoraatsonderzoek had als doel, door middel van celtype-specifieke neuromodulatie technieken, te onderzoeken of, en hoe, een bepaald inhibitorisch celtype adulte, ME-geïnduceerde corticale plasticiteit aanstuurt. We richtten ons op somatostatine (SST)-interneuronen gezien hun centrale positie binnen het corticale circuit waarin zij op een specifieke manier de integratie van signalen reguleren die samenkomen op dendritische uitlopers van excitatorische piramidale neuronen.

Om celtype-specifieke expressie van neuromodulatorische transgenen in bepaalde corticale gebieden te verkrijgen, valideerden we eerst een recombinante, adeno-geassocieerde virale (rAAV) vector techniek. We transduceerden neuronen binnen de primaire visuele cortex, V1, in C57BL//6J muizen. We testten hierbij verschillende rAAV serotypes met elk een verschillende transductie-efficiëntie en tropisme, in combinatie met drie verschillende promotorsequenties waarmee celtype-specificiteit werd onderzocht: de cytomegalovirus (CMV) promotor, en twee versies (0.4 kb and 1.3 kb) van de Ca2+/Calmoduline afhankelijk kinase II a (CaMKIIa) promotor. Hieruit bleek dat rAAV 2/7 resulteerde in een reproduceerbaar, uitgesproken expressiepatroon dat toch beperkt bleef binnen de visuele cortex. CMV resulteerde in zowel excitatorische als inhibitorische expressie, terwijl CaMKIIa voornamelijk expressie veroorzaakte in excitatorische neuronen, waarbij de korte 0.4 kb versie resulteerde in een hogere excitatorische specificiteit in vergelijking met de 1.3 kb versie.

Vervolgens onderzochten we of SST-interneuron activiteit specifiek bijdraagt tot de regulatie van corticale plasticiteit met behulp van een rAAV2/7-CMV construct, met een gefloxt transgen, om celtype-specifieke neuromodulatie in SST-Cre transgene muizen te bekomen. Stabiele-stap functie opsines (SSFOs) resulteerden in optogenetische activatie na intracraniale licht-stimulatie. De mutante G-proteïne gekoppelde receptor hM4Di, een designer receptor exclusief geactiveerd door designer drugs (DREADD), diende om chemogenetische deactivatie van SST-interneuronen te verkrijgen na intraperitoneale injectie van de designer drug clozapine N-oxide (CNO). De kortstondige activatie danwel deactivatie van SST-interneuronen net voor ME resulteerde in een respectievelijke daling danwel stijging van de reactivatie in de visuele cortex na 7wME, gemeten aan de hand van zif268-mRNA. We combineerden deze neuromodulatie daarnaast met donkeradaptatie (DE), een strategie die multimodale plasticiteit belemmert door de balans tussen excitatie en inhibitie te beïnvloeden. DE gecombineerd met SST-interneuron activatie resulteerde in een drastische daling in reactivatie, terwijl DE gevolgd door SST-interneuron deactivatie resulteerde in een reactivatiepatroon dat sterk lijkt op de niet-gemanipuleerde controle 7wME muizen. Deze resultaten suggereren dat SST-interneuron activiteit en DE elk via een verschillend mechanisme multimodaal herstel tegengaan. Anderzijds overschreef SST-interneuron deactivatie het effect van DE, wat suggereert dat het direct manipuleren van interneuron activiteit een krachtigere manier is om hersenplasticiteit te reguleren dan minder invasieve methoden zoals DE.

Deze resultaten duiden aan dat SST-interneuronen een centrale rol vervullen in de regulatie van corticale plasticiteit na compleet unilateraal sensorisch verlies dat gekarakteriseerd wordt door multimodale rekrutering vanuit intacte sensorische modaliteiten. Een meer diepgaand onderzoek naar hoe het corticale neuronale circuit multimidale plasticiteit kan aan- of uitschakelen, noopt tot functionele studies die specifiek de multimodale component van herstel onderzoeken, alsook studies die neuronen onderzoeken die in het corticale netwerk stroomopwaarts liggen van SST-interneuronen. Verdere technologische vorderingen in celtype-specifieke neuromodulatie technieken bieden bovendien nieuwe mogelijkheden zowel voor fundamenteel onderzoek als voor klinische toepassingen om beschadigde of sensorisch gedepriveerde hersenen functioneel, en levenslang, te herstellen. Dit alles biedt een krachtig potentieel om een brede waaier van plasticiteitsgerelateerde neurologische aandoeningen te begrijpen, en te behandelen.