L'efficacité de la transmission synaptique GABAergique est influencée par la concentration intracellulaire en ions chlorure. Dans les neurones matures, l'extrusion de ces ions par le transporteur neuronal potassium chlore de type 2 (KCC2) permet l'influx d'ions chlorure lors de l'activation des récepteurs du GABA de type A. Néanmoins, KCC2 est aussi enrichi à proximité des synapses excitatrices portées par les épines dendritiques qui correspondent à des protrusions dendritiques enrichies en actine. Alors que l'effet d'une suppression de KCC2 sur l'homéostasie des ions chlorure et la transmission GABAergique est largement documenté, peu de choses sont connues sur l'impact qu'une telle suppression peut avoir sur la transmission glutamatergique. Lors de ma thèse, j'ai exploré le rôle de KCC2 dans la potentialisation à long terme (LTP) de la transmission glutamatergique à l'origine des phénomènes d'apprentissage et de mémorisation. Ce travail a révélé que la suppression de KCC2 compromet les modifications fonctionnelles et structurales sous-tendant la LTP. Cet effet est associé à une inhibition de la cofilin, protéine responsable de la dépolymérisation de l'actine, qui corrèle avec une augmentation de la quantité d'actine filamenteuse dans les épines dendritiques. En empêchant l'inhibition de la cofilin liée à l'absence de KCC2, il m'a alors été possible de restaurer la LTP suggérant que KCC2 pourrait influencer cette forme de plasticité en régulant la dynamique de polymérisation du cytosquelette d'actine. Mes résultats démontrent que la fonction de KCC2 va au-delà du contrôle de l'homéostasie des ions chlorure et influence les mécanismes de plasticité de la synapse excitatrice. / The polarity and efficacy of GABAergic synaptic transmission are both influenced by the intra-neuronal chloride concentration. In mature neurons, chloride extrusion through the neuronal K/Cl cotransporter KCC2 allows an inhibitory influx of chloride upon activation of GABAA receptors. Nevertheless, KCC2 is enriched in the vicinity of excitatory synapses within the dendritic spines that are actin-rich protrusions emerging from dendritic shafts. While it has become clear that KCC2 suppression alters chloride homeostasis and GABA signaling, little is known on its impact on glutamatergic transmission. In the laboratory, we have previously demonstrated that KCC2 suppression in mature neurons leads to decreased glutamatergic transmission efficacy through an ion-transport independent function of KCC2. During my PhD, I have explored how KCC2 may also impact LTP of glutamatergic synapses. My work reveals that KCC2 suppression compromises both functional and structural LTP at these synapses. This effect is associated with inhibition of the actin-severing protein cofilin and enhanced mobilization of F-actin in dendritic spines. Since LTP can be rescued by preventing cofilin inhibition upon KCC2 suppression, I suggest KCC2 might influence LTP through altered actin cytoskeleton dynamics. My results demonstrate that KCC2 function extends beyond the mere control of neuronal chloride homoeostasis and suggest regulation of KCC2 membrane stability may act as a metaplastic switch to gate long term plasticity at excitatory synapses in cortical neurons.

abstract: Intermittent social defeat stress induces psychostimulant cross-sensitization, as well as long-lasting social avoidance behavior. Previous data reveal heightened expression of AMPA receptor (AMPAR) GluA1 subunits in rat ventral tegmental area (VTA), which occurs concurrently with social stress-induced amphetamine (AMPH) cross-sensitization. These studies described herein examined whether VTA GluA1 AMPARs are important for the behavioral consequences of social stress and investigated the role of the infralimbic (IL) to VTA pathway in the induction of these responses. Functional inactivation of GluA1 in VTA DA neurons prevented stress-induced AMPH sensitization without affecting social avoidance behavior, while GluA1 overexpression in VTA DA neurons mimicked the effects of stress on AMPH sensitization. Female rats were more sensitive to the effects of stress on AMPH administration than males, specifically during proestrus/estrus, which is characterized by higher circulating estradiol. Fluorescent immunohistochemistry revealed that females expressed higher GluA1 in VTA DA neurons as a result of intermittent social defeat stress, independent of estrus stage; by contrast, females during proestrus/estrus displayed higher tyrosine kinase receptor type 2 (TrkB) expression, which is the receptor for brain derived neurotrophic factor (BDNF), in VTA DA neurons, independent of stress exposure. Functional inactivation of GluA1 in VTA DA neurons prevented stress-induced AMPH sensitization and overexpression mimicked the effects of stress on AMPH sensitization. This suggests that BDNF-TrkB signaling may work concomitantly with GluA1 signaling in the VTA to drive sex-dependent differences in stress-induced locomotor sensitization effects. Optogenetic inhibition of the IL-VTA pathway in male rats prevented stress-induced AMPH sensitization compared to control animals. In addition, fluorescent immunohistochemistry displayed less Fos labeling in the nucleus accumbens (NAc) of rats with IL-VTA light inhibition compared to control animals. This suggests that the IL-VTA pathway plays a critical role in the induction of stress-induced sensitivity to AMPH, and blocking this pathway prevents mesolimbic DA signaling to the NAc. We conclude that IL glutamate projections onto GluA1-homomeric AMPA receptors in VTA DA neurons play a critical role in driving the stress-induced sensitization response in males and females. Therefore, GluA1 VTA DA neurons could potentially be a therapeutic target to prevent stress-induced drug susceptibility in the future. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Neuroscience 2020

A dependência de drogas é um transtorno multifatorial complexo que se desenvolve em uma minoria de indivíduos que fazem uso dessas substâncias. Memórias associativas entre a droga e o contexto funcionam como gatilho para disparar comportamentos não adaptativos de busca e consumo, além de recaídas após períodos de abstinência. Subjacentes a essas mudanças comportamentais, existem modificações nas subunidades de receptores glutamatérgicos do tipo AMPA em estruturas envolvidas com memória (Hipocampo) e recompensa (Núcleo Accumbens). Por isso, estratégias que enfraqueçam a associação do contexto com a droga e que aprofundem o conhecimento dos circuitos envolvidos nesses comportamentos são de extrema relevância terapêutica. A memória quando evocada pode passar por dois processos pós-evocação: a extinção, em que uma nova memória é formada inibindo uma prévia associação, e a reconsolidação, em que a memória original entra em um estado lábil e suscetível a modificações, em que é possível enfraquecê-la através da inibição de sua reconsolidação. A reconsolidação da memória mostra-se uma estratégica mais eficaz e duradoura em relação à extinção, já que a memória original é modificada. Como modelo animal para o estudo da memória na dependência de drogas, o condicionamento de preferência por local (CPL) é bastante utilizado e sabe-se que é possível enfraquecer a preferência através do bloqueio da reconsolidação. Porém, são escassos os estudos que investigaram a existência da reconsolidação no modelo de sensibilização locomotora, que parece ocorrer, na maioria dos casos, em condição dependente do contexto de aquisição do comportamento, embora existam exemplos que demonstrem sua independência. As questões a serem respondidas neste trabalho são (a) se é possível reverter conjuntamente a preferência por local e a sensibilização locomotora à morfina (5 mg/kg) em ratos Wistar adultos machos, inibindo-se a síntese proteica com cicloheximida (CHX) i.p. logo após uma sessão de reativação contextual da memória no CPL, (b) se a reversão dos comportamentos reflete alterações (já descritas por outros autores) em GluA1, GluA1p (Ser845) e GluA2, no Hipocampo dorsal (HPCd) e no Núcleo Accumbens (NAc), e (c) se o mesmo tratamento em ambas estruturas reverte os dois parâmetros avaliados – comportamental e neuroquímico – de forma diferente ou igual. Nossos resultados mostraram ser possível reverter a preferência por local e a sensibilização locomotora por inibição sistêmica de síntese proteica, e que o condicionamento com exposição à morfina induz alterações nas subunidades analisadas de AMPA, conforme verificado no HPCd e NAc, embora a CHX não tenha produzido um efeito tão bem definido. Os animais que receberam infusões centrais no HPCd e NAc (central) não exibiram preferência por local, nem sensibilização. Em conjunto, nossos resultados mostraram, pela primeira vez em um mesmo desenho experimental, que é possível reverter diferentes aspectos da memória de recompensa (preferência e sensibilização) por meio do bloqueio da reconsolidação. / Drug addiction is a complex and multifactorial disorder that develops in a few people who use these substances. Associative memories between the drug and context of use act as a trigger for maladaptive behavior such as drug seeking and drug use, in addition to relapse after an extended period of withdrawal. Underlying these behavioral changes are modifications in glutamatergic reception (AMPA) in structures involved with memory (Hippocampus) and reward (Nucleus Accumbens). Therefore, strategies that weaken the drug and context association and deepen knowledge of circuits involved in these behaviors are extremely relevant therapeutically. When retrieved, a memory can undergo two distinct processes post-retrieval: extinction, in which a new memory inhibiting a previous association is generated, and reconsolidation, in which the original memory can enter a labile state and is susceptible to modifications, when it can be weakened by inhibition of its reconsolidation. Reconsolidation of memory has been shown to be a more effective and long lasting strategy in relation to extinction, since the original memory is modified. An animal model for studying drug addiction, conditioned place preference (CPP) is largely used and it is well known that it is possible to weaken preference by disrupting reconsolidation. However, there are few studies that investigate the existence of reconsolidation in a locomotor sensitization paradigm, which seems to occur in a condition dependent on context of acquisition, although some works report its independence. The questions answered in this work were (a) if it is possible to reverse both, context preference and locomotor sensitization to morphine (5mg/kg) by protein synthesis inhibition (CHX) after a contextual memory reactivation session in CPP, (b) if the disruption of behaviors reflects a reversal of changes of GluA1, GluA1p (Ser845) e GluA2 in dorsal Hippocampus (dHPC) and Nucleus Accumbens (NAc) and (c) if the same treatment in these structures differentially reverts the two parameters assessed. Our results indicate that it is possible to revert context preference and locomotor sensitization via systemic disruption of protein synthesis and that morphine conditioning induces changes in AMPA subunits in dHPC and NAc, although CHX did not have an evident effect on molecular reversal. Animals cannulated in dHPC and NAc core did not induce preference or sensitization. Taken together, our results demonstrated, for the first time, using the same experimental design that is possible to revert different aspects of reward memory (preference and sensitization) by disrupting the reconsolidation process.

A dependência de drogas é um transtorno multifatorial complexo que se desenvolve em uma minoria de indivíduos que fazem uso dessas substâncias. Memórias associativas entre a droga e o contexto funcionam como gatilho para disparar comportamentos não adaptativos de busca e consumo, além de recaídas após períodos de abstinência. Subjacentes a essas mudanças comportamentais, existem modificações nas subunidades de receptores glutamatérgicos do tipo AMPA em estruturas envolvidas com memória (Hipocampo) e recompensa (Núcleo Accumbens). Por isso, estratégias que enfraqueçam a associação do contexto com a droga e que aprofundem o conhecimento dos circuitos envolvidos nesses comportamentos são de extrema relevância terapêutica. A memória quando evocada pode passar por dois processos pós-evocação: a extinção, em que uma nova memória é formada inibindo uma prévia associação, e a reconsolidação, em que a memória original entra em um estado lábil e suscetível a modificações, em que é possível enfraquecê-la através da inibição de sua reconsolidação. A reconsolidação da memória mostra-se uma estratégica mais eficaz e duradoura em relação à extinção, já que a memória original é modificada. Como modelo animal para o estudo da memória na dependência de drogas, o condicionamento de preferência por local (CPL) é bastante utilizado e sabe-se que é possível enfraquecer a preferência através do bloqueio da reconsolidação. Porém, são escassos os estudos que investigaram a existência da reconsolidação no modelo de sensibilização locomotora, que parece ocorrer, na maioria dos casos, em condição dependente do contexto de aquisição do comportamento, embora existam exemplos que demonstrem sua independência. As questões a serem respondidas neste trabalho são (a) se é possível reverter conjuntamente a preferência por local e a sensibilização locomotora à morfina (5 mg/kg) em ratos Wistar adultos machos, inibindo-se a síntese proteica com cicloheximida (CHX) i.p. logo após uma sessão de reativação contextual da memória no CPL, (b) se a reversão dos comportamentos reflete alterações (já descritas por outros autores) em GluA1, GluA1p (Ser845) e GluA2, no Hipocampo dorsal (HPCd) e no Núcleo Accumbens (NAc), e (c) se o mesmo tratamento em ambas estruturas reverte os dois parâmetros avaliados – comportamental e neuroquímico – de forma diferente ou igual. Nossos resultados mostraram ser possível reverter a preferência por local e a sensibilização locomotora por inibição sistêmica de síntese proteica, e que o condicionamento com exposição à morfina induz alterações nas subunidades analisadas de AMPA, conforme verificado no HPCd e NAc, embora a CHX não tenha produzido um efeito tão bem definido. Os animais que receberam infusões centrais no HPCd e NAc (central) não exibiram preferência por local, nem sensibilização. Em conjunto, nossos resultados mostraram, pela primeira vez em um mesmo desenho experimental, que é possível reverter diferentes aspectos da memória de recompensa (preferência e sensibilização) por meio do bloqueio da reconsolidação. / Drug addiction is a complex and multifactorial disorder that develops in a few people who use these substances. Associative memories between the drug and context of use act as a trigger for maladaptive behavior such as drug seeking and drug use, in addition to relapse after an extended period of withdrawal. Underlying these behavioral changes are modifications in glutamatergic reception (AMPA) in structures involved with memory (Hippocampus) and reward (Nucleus Accumbens). Therefore, strategies that weaken the drug and context association and deepen knowledge of circuits involved in these behaviors are extremely relevant therapeutically. When retrieved, a memory can undergo two distinct processes post-retrieval: extinction, in which a new memory inhibiting a previous association is generated, and reconsolidation, in which the original memory can enter a labile state and is susceptible to modifications, when it can be weakened by inhibition of its reconsolidation. Reconsolidation of memory has been shown to be a more effective and long lasting strategy in relation to extinction, since the original memory is modified. An animal model for studying drug addiction, conditioned place preference (CPP) is largely used and it is well known that it is possible to weaken preference by disrupting reconsolidation. However, there are few studies that investigate the existence of reconsolidation in a locomotor sensitization paradigm, which seems to occur in a condition dependent on context of acquisition, although some works report its independence. The questions answered in this work were (a) if it is possible to reverse both, context preference and locomotor sensitization to morphine (5mg/kg) by protein synthesis inhibition (CHX) after a contextual memory reactivation session in CPP, (b) if the disruption of behaviors reflects a reversal of changes of GluA1, GluA1p (Ser845) e GluA2 in dorsal Hippocampus (dHPC) and Nucleus Accumbens (NAc) and (c) if the same treatment in these structures differentially reverts the two parameters assessed. Our results indicate that it is possible to revert context preference and locomotor sensitization via systemic disruption of protein synthesis and that morphine conditioning induces changes in AMPA subunits in dHPC and NAc, although CHX did not have an evident effect on molecular reversal. Animals cannulated in dHPC and NAc core did not induce preference or sensitization. Taken together, our results demonstrated, for the first time, using the same experimental design that is possible to revert different aspects of reward memory (preference and sensitization) by disrupting the reconsolidation process.

A dependência de drogas é um transtorno multifatorial complexo que se desenvolve em uma minoria de indivíduos que fazem uso dessas substâncias. Memórias associativas entre a droga e o contexto funcionam como gatilho para disparar comportamentos não adaptativos de busca e consumo, além de recaídas após períodos de abstinência. Subjacentes a essas mudanças comportamentais, existem modificações nas subunidades de receptores glutamatérgicos do tipo AMPA em estruturas envolvidas com memória (Hipocampo) e recompensa (Núcleo Accumbens). Por isso, estratégias que enfraqueçam a associação do contexto com a droga e que aprofundem o conhecimento dos circuitos envolvidos nesses comportamentos são de extrema relevância terapêutica. A memória quando evocada pode passar por dois processos pós-evocação: a extinção, em que uma nova memória é formada inibindo uma prévia associação, e a reconsolidação, em que a memória original entra em um estado lábil e suscetível a modificações, em que é possível enfraquecê-la através da inibição de sua reconsolidação. A reconsolidação da memória mostra-se uma estratégica mais eficaz e duradoura em relação à extinção, já que a memória original é modificada. Como modelo animal para o estudo da memória na dependência de drogas, o condicionamento de preferência por local (CPL) é bastante utilizado e sabe-se que é possível enfraquecer a preferência através do bloqueio da reconsolidação. Porém, são escassos os estudos que investigaram a existência da reconsolidação no modelo de sensibilização locomotora, que parece ocorrer, na maioria dos casos, em condição dependente do contexto de aquisição do comportamento, embora existam exemplos que demonstrem sua independência. As questões a serem respondidas neste trabalho são (a) se é possível reverter conjuntamente a preferência por local e a sensibilização locomotora à morfina (5 mg/kg) em ratos Wistar adultos machos, inibindo-se a síntese proteica com cicloheximida (CHX) i.p. logo após uma sessão de reativação contextual da memória no CPL, (b) se a reversão dos comportamentos reflete alterações (já descritas por outros autores) em GluA1, GluA1p (Ser845) e GluA2, no Hipocampo dorsal (HPCd) e no Núcleo Accumbens (NAc), e (c) se o mesmo tratamento em ambas estruturas reverte os dois parâmetros avaliados – comportamental e neuroquímico – de forma diferente ou igual. Nossos resultados mostraram ser possível reverter a preferência por local e a sensibilização locomotora por inibição sistêmica de síntese proteica, e que o condicionamento com exposição à morfina induz alterações nas subunidades analisadas de AMPA, conforme verificado no HPCd e NAc, embora a CHX não tenha produzido um efeito tão bem definido. Os animais que receberam infusões centrais no HPCd e NAc (central) não exibiram preferência por local, nem sensibilização. Em conjunto, nossos resultados mostraram, pela primeira vez em um mesmo desenho experimental, que é possível reverter diferentes aspectos da memória de recompensa (preferência e sensibilização) por meio do bloqueio da reconsolidação. / Drug addiction is a complex and multifactorial disorder that develops in a few people who use these substances. Associative memories between the drug and context of use act as a trigger for maladaptive behavior such as drug seeking and drug use, in addition to relapse after an extended period of withdrawal. Underlying these behavioral changes are modifications in glutamatergic reception (AMPA) in structures involved with memory (Hippocampus) and reward (Nucleus Accumbens). Therefore, strategies that weaken the drug and context association and deepen knowledge of circuits involved in these behaviors are extremely relevant therapeutically. When retrieved, a memory can undergo two distinct processes post-retrieval: extinction, in which a new memory inhibiting a previous association is generated, and reconsolidation, in which the original memory can enter a labile state and is susceptible to modifications, when it can be weakened by inhibition of its reconsolidation. Reconsolidation of memory has been shown to be a more effective and long lasting strategy in relation to extinction, since the original memory is modified. An animal model for studying drug addiction, conditioned place preference (CPP) is largely used and it is well known that it is possible to weaken preference by disrupting reconsolidation. However, there are few studies that investigate the existence of reconsolidation in a locomotor sensitization paradigm, which seems to occur in a condition dependent on context of acquisition, although some works report its independence. The questions answered in this work were (a) if it is possible to reverse both, context preference and locomotor sensitization to morphine (5mg/kg) by protein synthesis inhibition (CHX) after a contextual memory reactivation session in CPP, (b) if the disruption of behaviors reflects a reversal of changes of GluA1, GluA1p (Ser845) e GluA2 in dorsal Hippocampus (dHPC) and Nucleus Accumbens (NAc) and (c) if the same treatment in these structures differentially reverts the two parameters assessed. Our results indicate that it is possible to revert context preference and locomotor sensitization via systemic disruption of protein synthesis and that morphine conditioning induces changes in AMPA subunits in dHPC and NAc, although CHX did not have an evident effect on molecular reversal. Animals cannulated in dHPC and NAc core did not induce preference or sensitization. Taken together, our results demonstrated, for the first time, using the same experimental design that is possible to revert different aspects of reward memory (preference and sensitization) by disrupting the reconsolidation process.

Ionotropic glutamate AMPA-type receptors mediate fast excitatory neurotransmission in the central nervous system and are essential for synaptic plasticity. Expression of the receptor subunits varies with cell type, stage of development and brain region. Subunit composition determines functional properties of the receptor, including gating kinetics and synaptic trafficking. The research aimed to selectively disrupt the GluA1 subunit abundantly expressed in the hippocampus of the wild-type mouse, so as to examine its role in learning and memory. Site-directed monoclonal antibodies were engineered to target the extracellular amino-terminal domain of GluA1 for subunit-selective manipulation. The antibody-binding region was selected for heterogeneity and accessibility based on the amino acid sequences and crystal structures solved for the AMPA receptor subunits. Immunisations of peptide antigen in mice generated serum antibodies that recognise the equivalent epitope on the fully folded GluA1 subunit. The antigen-binding Fab fragment of the monoclonal anti-GluA1 antibody was cloned from hydridoma mRNA and purified from large-scale transient expression in mammalian cells. Biophysical characterisations of anti-GluA1 Fab immunoglobulin showed high specificity and affinity for the target subunit. Acute bilateral intrahippocampal administration of anti-GluA1 Fab protein into awake, behaving wild-type mice produced dissociations in spatial memory performance that resembled GluA1-/- knockout mice. Impaired short-term spatial working memory but intact long-term spatial reference memory observed with anti-GluA1 Fab infusions suggested that the immunoglobulin reagent exerted an acute, reversible, localised, GluA1-specific antagonism in the brain. The findings argue for a critical involvement of the hippocampal GluA1 subunit in certain short-term memory processes, but not in other distinct long-term memory processes. Temporal resolution of the antibody-mediated disruption revealed novel fractionations of short-term memory performance never before observed in the GluA1-/- knockout mice, demonstrating the strength of the monoclonal anti-GluA1 antibodies as an investigative tool.