The endocannabinoid system is an endogenous neuromodulatory system that regulates a plethora of physiological functions, including the modulation of memory, anxiety, pain, synaptic plasticity and neuronal excitability, among others. The activation of this system through exogenous or endogenous cannabinoid agonists has been proposed as a therapeutic strategy in different pathological states, although an important caveat to their use is the possible central adverse effects, such as memory impairment, anxiety and tolerance. The activity of the endocannabinoid system has been recently found involved in the pathophysiological conditions leading to obesity and fragile X syndrome, and the blockade of this system has also been investigated as a possible therapeutic approach. This thesis mainly focuses on the behavioral, paying more attention on the cognitive effects, cellular and molecular effects of exogenous and endogenous cannabinoids in order to identify potential therapeutic effects minimizing the negative consequences associated to the cannabinoid activation. This experimental research has been centered on the modulation of the positive and negative effects of Δ9-tetrahydrocannabinol, the main psychoactive component of the Cannabis sativa plant, the possibility to enhance the endogenous tone of specific endocannabinoids to improve certain therapeutic applications of cannabinoids, and the effects of inhibiting the endocannabinoid system in the amelioration of different traits associated to fragile X syndrome. The combination of behavioral, cellular and molecular approaches allowed the elucidation of different important aspects of the endocannabinoid system as an interesting therapeutic target. / El sistema endocannabinoid és un sistema neuromodulador endogen que regula diferents funcions fisiològiques com la memòria, l’ansietat, el dolor i l’excitabilitat neuronal entre altres. L’activació d’aquest sistema per agonistes exògens o endògens ha estat usada com a estratègica terapèutica en diferents estats patològics tot i que els efectes adversos, com la pèrdua de memòria, l’ansietat o la tolerància, són el principal problema pel seu ús. El sistema endocannabinoid també s’ha trobat alterat en malalties com la obesitat o la síndrome del cromosoma X fràgil i, per tant, el bloqueig d’aquest sistema també s’ha emprat com a aproximació terapèutica. Aquesta tesis es centra en els efectes comportamentals i moleculars de l’administració exògena del Δ9-Tetrahydrocannabinol, el component principal de la planta Cannabis sativa, i en la modulació endògena del sitema endocannabinoid per tal de potenciar els efectes terapèutics minimitzant els efectes adversos dels cannabinoids. A més, en aquesta tesis també hem estudiat els posibles efectes terapèutics del bloqueig dels receptors cannabinoides en la síndrome del cromosoma X fràgil. La combinació d’aproximacions moleculars, farmacològiques, electrofisiològiques i comportamentals han permès el descobriment de diferents aspectes importants que permeten demostrar que el sistema endocannabinoid és una diana terapèutica molt interessant.

This work is focused in the study of the pathophysiology of neuropathic pain, particularly in the role of the endogenous opioid and cannabinoid systems. Neuropathic pain is a chronic illness with a high prevalence in the population and is characterized by the presence of spontaneous pain and abnormal stimulus-evoked pain responses, among other symptoms. It is a clinical pain manifestation that has shown to be poorly treated with the available pharmacological treatment. Even with the existence of many therapeutic approaches, there is not an adequate effective treatment for palliating all symptoms of neuropathic pain. This situation leads us to study the specific involvement of the endogenous opioid and cannabinoid systems in the pathophysiology of the development and maintenance of neuropathic pain. In the present study, we have evaluated the role of delta opioid receptor (DOR) in the central nervous system (CNS) and peripheral nociceptive neurons, as well as the participation of cannabinoid receptor type 2 (CB2) in the activated microglia at the spinal cord. The results show that DOR and CB2 may be pharmacological targets for the development of new drugs with analgesic activity, but devoid of the psychotropic side effects of traditional opioids and cannabinoid agonists. / Aquest treball es centra en l’estudi de la fisiopatologia del dolor neuropàtic, en particular en el paper dels sistemes endògens opioide i cannabinoide. El dolor neuropàtic és una malaltia crònica amb una alta prevalença en la població i es caracteritza per la presència de dolor espontani i percepció anormal del dolor, entre d’altres símptomes. És una manifestació clínica del dolor que ha demostrat ser mal tractada amb el tractament farmacològic disponible. Malgrat l’existència de molts enfocs terapèutics, no hi ha un tractament eficaç adequat per pal•liar els símptomes del dolor neuropàtic. Aquesta situació ens porta a estudiar la participació específica dels sistemes endògens opioide i cannabinoide en la fisiopatologia del desenvolupament i manteniment del dolor neuropàtic. En el present estudi, hem avaluat el paper del receptor opioide delta (DOR) en el sistema nerviós central (SNC) i perifèric en neurones nociceptives, així com la participació dels receptors cannabinoides tipus 2 (CB2) a la micròglia activada a la medul•la espinal. Els resultats mostren que DOR i CB2 poden ser dianes farmacològiques per al desenvolupament de nous fàrmacs amb activitat analgèsica, però amb menys efectes psicotròpics secundaris dels opioides tradicionals i els agonistes cannabinoides.

Nowadays, most popular therapies for cerebral aneurysms are clipping and coiling. Nonetheless, it is not easy to elucidate which therapeutic option is the most suitable and reliable for a patient-specific aneurysm. To face this challenge, computational modeling arises as a powerful helpful tool, thanks to their predictive capability. In the case of aneurysms and endovascular treatments, these techniques can help by understanding how inserted coils behave and alter the intra-aneurysmal hemodynamics. In this line, this thesis has contributed in the following aspects: (1) To understand endovascular coil distribution for both clinical applications and validation of computational techniques, (2) To develop and to validate a virtual coiling technique for image-based aneurysm models and (3) To investigate intra-aneurysmal hemodynamic alterations induced by coils using computational fluid dynamics simulations. / Hoy en día, los tratamientos más populares para aneurismas cerebrales son clipping y coiling. Sin embargo, no es fácil aclarar qué opción terapéutica es la más adecuada y confiable para un aneurisma especifico. Para enfrentar este reto, los modelados computacionales surgen como una poderosa herramienta de ayuda, gracias a su capacidad de predicción. En el caso de aneurismas y tratamientos endovasculares, estas técnicas pueden ayudar a entender cómo se comportan los coils y como modificar la hemodinámica intra-aneurismática. En este ámbito, esta tesis ha contribuido en los siguientes aspectos: (1) Entender la distribución de los coils, tanto para aplicaciones clínicas, como para validación de técnicas de computacionales, (2) Desarrollar y validar una técnica de coiling virtual para modelos de aneurismas basados en imágenes y (3) Investigar las alteraciones hemodinámicas producidas por los coils utilizando simulaciones computacionales de dinámica de fluidos.

In the present thesis, and in the context of the Sigma-1 receptor (σ1R) research project running at the pharmaceutical company ESTEVE, we addressed, at the preclinical level, the role played by selective σ1R antagonism/blockade in nociception in order to ascertain the therapeutic interest of σ1R antagonists in pain treatment. Taking advantage of using selective σ1R pharmacological tools and the in vivo microdialysis technique, the mechanism and the site of action of selective antagonism of σ1R were investigated in pain conditions involving sensitization (formalin model) as well as in acute thermal pain (tail-flick test) to look at the modulation of opioid-induced efficacy and safety-related outcomes. The results of this thesis provide new knowledge about σ1R as a pain target suitable for therapeutic intervention to get analgesia and support the use of σ1R antagonists as opioid adjuvants to treat pain conditions / En aquesta tesi, i en context amb el projecte de recerca sobre el receptor Sigma-1 (σ1R) que té lloc a l’empresa farmacèutica ESTEVE, hem estudiat, a nivell preclínic, el paper de l’antagonisme/bloqueig selectiu del σ1R en nocicepció, per tal de determinar l’interès terapèutic dels antagonistes del σ1R per al tractament del dolor. Mitjançant l’ús d’eines farmacològiques selectives per al σ1R i de la tècnica de microdiàlisi in vivo, el mecanisme i el lloc d’acció de l’antagonisme selectiu del σ1R van ser estudiats en condicions de dolor que impliquen sensibilització (model de la formalina) així com en dolor agut (test del tail-flick) on vam analitzar la modulació de l’eficàcia produïda pels opioides i paràmetres de seguretat. Els resultats d’aquesta tesi aporten nou coneixement sobre el σ1R com a diana terapèutica idònia per obtenir analgèsia i reafirmen l’ús d’antagonistes del σ1R com a adjuvants als opioides per al tractament del dolor.

The present research is aimed at analyzing how human’s brain jointly computes cognitive and social interactions in presence of implicit social stimuli and/or in presence of socially neutral stimuli. First we analyzed the electrophysiological and neuroanatomical substrates involved in recognizing of explicit hierarchical stimuli. We observed that an early recognition of the social hierarchy that it is mediated by the morphology of a network of brain areas involved in automatic processing of social stimuli. Second we showed that social context modulates the early stages of processing of socially neutral stimulus including a visual discrimination task and a sentence comprehension task. Finally, we explored the impact of the social context in patients with recognized social sensitivity, as is the case of Obsessive Compulsive Disorder (OCD) patients. Crucially, we observed selective modulations of social context on the core cognitive processes involved in physiopathology of the OCD. Taken together, the studies presented in this dissertation provide new insights on how cognitive processes and social information interact. / En la presente investigación analizamos la manera en la que el cerebro humano procesa la interacción entre procesos cognitivos y sociales, bien sea en presencia de estímulos socialmente implícitos y/o en presencia de estímulos socialmente neutros. Primero, hemos estudiado los sustratos electrofisiológicos, y neuroanatómicos implicados en el reconocimiento de estímulos socialmente implícitos. Mostramos un reconocimiento temprano de la jerarquía social, mediado por la morfología de una red de áreas cerebrales implicadas en el procesamiento automático de los estímulos sociales. Segundo, mostramos que el contexto social modula los estados tempranos del procesamiento de estímulos neutros, incluyendo en una tarea de discriminación visual, y una tarea de comprensión de oraciones. Finalmente, hemos explorado el impacto del contexto social en pacientes con una reconocida sensibilidad social, como es el caso de los pacientes con Trastorno Obsesivo Compulsivo. De forma crucial, encontramos que el contexto social modula selectivamente los procesos implicados en la fisiopatología del TOC. En conjunto, los estudios que presentamos en esta tesis aportan nuevos conocimientos en el estudio de cómo interactúan los procesos cognitivos con la información social

The endocannabinoid system is an endogenous neuromodulatory system widely expressed in the central nervous system. It modulates synaptic plasticity and neuronal excitability, and fine-tunes several physiological functions such as, motor coordination, learning and memory, anxiety and nociception, among others. Exogenous or endogenous cannabinoid agonists exert their effects acting on specific cannabinoid receptors heavily expressed in the brain. Cannabinoids agonists are widely used and abused for recreational purposes, but more recently their therapeutic potential in different pathological states has been explored. Important limitations to their use are the possible central adverse effects on cognitive performance or motor coordination. This thesis mainly focuses on the effects of Δ9-tetrahydrocannabinol, the main psychoactive compound of marijuana plant, in the cerebellar functionality, paying special attention to the role of the microglial cells in the regulation of the fine motor coordination functions. The use of biochemical, pharmacological, genetic, and behavioral approaches allowed us to determine the sensitivity of the neuronal/glial circuitry in the regulation of the cerebellar functions and the molecular mechanisms they involved in it. / El sistema endocannabinoid és un sistema endogen neuromodulador àmpliament expressat en el sistema nerviós central. Aquest sistema modula la plasticitat sinàptica i l’excitabilitat neuronal, regulant de manera fina funcions fisiològiques com la coordinació motora, l’aprenentatge, la memòria, l’ansietat i el dolor, entre d’altres. Agonistes cannabinoids exògens o endògens duen a terme els seus efectes actuant específicament sobre els receptors cannabinoids àmpliament expressats en el cervell. Els compostos cannabinoids són extensament utilitzats pel seu ús recreatiu com a drogues d’abús, encara que en els últims anys el seu potencial terapèutic està sent cada cop més estudiat. Una de les principals limitacions del seu ús són els possibles efectes adversos sobre el sistema nerviós central, a nivell cognitiu i sobre la coordinació motora. Aquesta tesis es centra principalment en els efectes del Δ9-tetrahidrocannabinol, el principal component psicoactiu de la planta de la marihuana, sobre la coordinació motora fina. La combinació d’aproximacions bioquímiques, farmacològiques, genètiques i comportamentals ha permès determinar la sensibilitat del circuit glial/neuronal en el control de les funcions cerebelars i els mecanismes i molècules involucrades en aquesta regulació

Hypocretin-1 and hypocretin-2, also known as orexin-A and orexin-B, are 2 neuropeptides that are exclusively expressed by a small subset of neurons of the lateral hypothalamic area. Despite their restricted expression pattern, hypocretin-containing axons project widely throughout the brain and exert their physiological functions acting on 2 G protein coupled receptors, hypocretin/orexin receptor-1 and hypocretin/orexin receptor-2. Initially, the hypocretin system was related to the regulation of sleep/wake cycles and feeding behavior. Nevertheless, a growing body of evidence has accumulated over the last decade indicating a role for these neuropeptides in drug addiction. In the present thesis, we have evaluated the involvement of hypocretin transmission in the addictive properties of nicotine, the main psychoactive component that sustains tobacco addiction, by using behavioral and biochemical approaches. Our results indicate that hypocretin peptides, mainly through their actions upon hypocretin receptor-1, influence the severity of nicotine withdrawal and modulate the relapse to nicotine-seeking after prolonged periods of abstinence. Given the importance of withdrawal and relapse on the pathophysiology of nicotine addiction, we propose hypocretin receptor-1 as a promising therapeutic target for the development of novel smoking cessation therapies.

Synaptic connections in the brain respond throughout their lives to the activity of incoming neurons, adjusting their biological properties to increment activity-dependent changes. Hippocampal neuronal plasticity disruptions have been suggested as mechanisms underlying cognitive impairments in Down syndrome (DS). However, it remains unknown whether specific candidate genes are implicated in these phenotypes in the multifactorial context of trisomy 21. DYRK1A is a serine/threonine kinase, which overexpression is sufficient to recapitulate hippocampal learning and memory deficits characteristic of DS individuals and trisomic mouse models. In this Thesis we have studied the effects of DYRK1A overexpression on activity-dependent plasticity in the hippocampus. We found that transgenic mice overexpressing Dyrk1A (TgDyrk1A) present hippocampal morphological alterations in CA1 and CA3 that may constrain network connectivity, and therefore are relevant to the structure-function relationship. We also found reduced LTP that may derive from the changes in connectivity and in dendritic occupancy. Dendritic excitability and neuronal morphology are determinants of synaptic efficacy and thus may contribute to the hippocampal learning and memory deficits detected. In addition, we demonstrated important defects in adult neurogenesis in the dentate gyrus including reduced cell proliferation rate, altered cell cycle progression and reduced cell cycle exit leading to premature migration, altered differentiation and reduced survival of newly born cells. Moreover, less proportion of newborn hippocampal TgDyrk1A neurons are activated upon learning, suggesting reduced integration in learning circuits. Some of these alterations were rescued by normalizing DYRK1A kinase using a DYRK1A inhibitor, epigallocatechin-3-gallate. Interestingly, environmental stimulation also normalized DYRK1A kinase overdosage in the hippocampus, and rescued hippocampal morphology, synaptic plasticity and adult neurogenesis alterations in TgDyrk1A mice. We conclude that Dyrk1A is a good candidate gene to explain neuronal plasticity deficits in DS and that targeting DYRK1A kinase activity excess either pharmacologically or using environmental stimulation in the adult could correct these defects in DS. / Les connexions sinàptiques tenen la capacitat de respondre a l’activitat de neurones ajustant les seves propietats biològiques per incrementar els canvis activitat-depenents. Alteracions en la plasticitat neuronal de l’hipocamp s'han suggerit com a mecanismes subjacents als deterioraments cognitius característics en la síndrome de Down (SD). No obstant, es desconeix quins gens específics estan implicats en aquests fenotips en el context de la trisomia del cromosoma 21. DYRK1A és una serina / treonina quinasa, que quan es troba sobreexpressada recapitula el dèficit d'aprenentatge i de memòria depenent de l'hipocamp característic de la SD. En aquesta tesi, s’han estudiat els efectes de la sobreexpressió de DYRK1A en la plasticitat activitat-dependent de l’hipocamp. Hem descobert que ratolins transgènics amb sobreexpressió de Dyrk1A (TgDyrk1A) presenten alteracions morfològiques en les regions CA1 i CA3 de l'hipocamp, una limitació estructural en les connexions neuronals que és rellevant per entendre la relació entre estructura i funció. A més, hem trobat una reducció en la LTP possiblement deguda als canvis en la connectivitat i ocupació dendrítica. L’excitabilitat de les dendrites i la morfologia neuronal són factors determinants de l'eficàcia sinàptica i per tant poden contribuir als dèficits d'aprenentatge i la memòria de l'hipocamp detectats. Hem demostrat defectes importants en la neurogènesi adulta en el gir dentat incloent una reduïda taxa de proliferació cel·lular, alteracions en el cicle cel·lular i reducció de cèl·lules que surten del cicle cel·lular que condueix a una migració precoç de les noves cèl·lules generades i una reducció de la supervivència. D'altra banda, en ratolins TgDyrk1A hi ha menys proporció de neurones generades de novo que s'activen amb l'aprenentatge, indicant una menor integració d’aquestes en els circuits implicats en l'aprenentatge. Algunes d'aquestes alteracions han estat rescatades per la normalització de DYRK1A quinasa utilitzant un inhibidor de DYRK1A, epigallocatechin-3-gallate. L'estimulació del medi ambient també normalitza la sobreexpressió de DYRK1A quinasa en l'hipocamp, i rescata la morfologia, la plasticitat sinàptica i les alteracions en la neurogènesi adulta en ratolins TgDyrk1A. Arribem a la conclusió que Dyrk1A és un bon gen candidat per explicar els dèficits de plasticitat neuronal en la SD i que tractant l’excés d'activitat de la quinasa DYRK1A farmacològicament o mitjançant l'estimulació ambiental en l'adult podria corregir aquests defectes en la SD.

Estudios genéticos en pacientes sugieren que el gen del receptor tirosina quinasa de la neurotrofina de tipo 3 (NTRK3) podría contribuir en la patología del trastorno de pánico (PAND), un trastorno de ansiedad caracterizado por alteración y exageración del miedo. En esta tesis, proponemos que PAND podría estar relacionado con procesos anormales de aprendizaje asociativo, subyacentes a una alteración en la regulación del funcionamiento del circuito del miedo hipocampo - amígdala – corteza prefrontal media. Hemos estudiado esta hipótesis utilizando el único modelo genético de ratón validado de PAND, el TgNTRK3, que sobreexpresa el gen humano NTRK3 codificante para el receptor TrkC. Hemos demostrado que la sobreexpresión de NTRK3 en ratones produce: i) un incremento en la memoria de miedo dependiente de hipocampo que es además resistente a extinción; ii) la activación alterada del circuito del miedo durante el aprendizaje y almacenamiento de experiencias emocionales intensas negativas. Nuestros resultados sugieren que los mecanismos responsables están relacionados con una sobre excitabilidad en el hipocampo. Nuestro estudio confirma el papel del gen NTRK3 en la memoria de miedo patológico y sugiere posibles estrategias terapéuticas para bloquear el miedo exagerado en PAND dirigidas al sistema de excitación / inhibición y a la vía de señalización NT3-TrkC. / The neurotrophin tyrosine kinase receptor type 3 (NTRK3) gene has been proposed to contribute to the pathological phenotype of panic disorder (PAND), an anxiety disorder characterized by perturbed and exaggerated fear. In this thesis we hypothesized that PAND could be related to abnormal associative fear learning processes, underlined by a deregulated functioning of the hippocampus – amygdala – medial prefrontal cortex fear circuit. We addressed this hypothesis, by using the unique validated genetic mouse model of PAND, the TgNTRK3, overexpressing the human NTRK3 gene, encoding for TrkC. We found that overexpression of NTRK3 in mice leads to: i) enhanced and extinction resistant hippocampal-dependent fear memories; ii) an aberrant activation of the fear circuit during learning and storage of fear-related information. The underlying mechanisms are possibly related to hippocampal overexcitability. Our study confirmed the role of the NTRK3 gene on pathological fear memories and suggests potential effective therapeutical strategies targeting the excitatory/ inhibitory system and the NT3-TrkC pathway to block exaggerated fear in PAND.

The aim of the thesis was to identify biomarkers for multiple sclerosis (MS) prognosis, in particular disease activity biomarkers and interferon-β (IFNβ) treatment response biomarkers. The results presented in this thesis show an increase in the expression of sialic acid binding Ig-like lectins 1 (SIGLEC1) in progressive phases of MS (particularly during primary progressive MS - PPMS). Detailed analysis has demonstrated that both inflammatory and resident monocytes contributed to increased SIGLEC1 expression in PPMS. We also reported that SIGLEC7 expression was elevated in relapsing-remitting MS (RRMS) patients during relapses. Our results also indicate deficient expression of ubiquitin specific peptidase 18 (USP18) in RRMS patients as compared to controls. Further investigation revealed that haplotype CG carriers showed lower USP18 gene expression levels and higher clinical disease activity compared to CG non-carriers. Moreover, AA homozygosis for an intronic polymorphism of USP18 was associated with the responder phenotype. In conclusion, our results suggest the implication of SIGLEC1 in chronic progressive phases of MS and of SIGLEC7 in acute disease activity. We also demonstrated the implication of USP18 in MS pathogenesis and the therapeutic response to IFNβ. Based on these results, we propose SIGLEC1, SIGLEC7 and USP18 as potential disease activity biomarkers of MS, and USP18 as response biomarker to IFNβ. / El objetivo de esta tesis ha sido la identificación de biomarcadores pronósticos en la esclerosis múltiple (EM), principalmente biomarcadores de actividad de la enfermedad y biomarcadores de respuesta al tratamiento con interferón beta (IFNβ). Los resultados expuestos en esta tesis muestran un incremento en la expresión del gen “sialic acid binding Ig-like lectins 1” (SIGLEC1) en fases progresivas de la EM (principalmente en pacientes con EM primariamente progresiva - EMPP). Un análisis más detallado demostró que tanto los monocitos residentes como los inflamatorios contribuyeron al incremento de la expresión de SIGLEC1 en pacientes con EMPP. También observamos que la expresión de SIGLEC7 se encuentró aumentada en la EM recurrente-remitente (EMRR) durante el brote. Nuestros resultados también mostraron una expresión deficiente del gen “ubiquitin specific peptidase 18” (USP18) en pacientes con EMRR comparado con controles. Experimentos adicionales mostraron que los pacientes portadores del haplotipo CG presentaron niveles de expresión del gen USP18 disminuidos y un incremento en la actividad clínica de la enfermedad en comparación con los no portadores del haplotipo CG. Además, los pacientes homocigotos AA para un polimorfismo intrónico del gen USP18 presentaron una buena respuesta al tratamiento con IFNβ. En conclusión, nuestros resultados sugieren la implicación de SIGLEC1 en la fase crónica progresiva de la EM, y un papel de SIGLEC7 en la actividad aguda de la enfermedad. También sugieren la implicación de USP18 en la patogenia de la EM y la respuesta terapéutica al IFNβ. En base a estos resultados, proponemos SIGLEC1, SIGLEC7 y USP18 como biomarcadores de actividad de la enfermedad, y USP18 como biomarcador de respuesta al IFNβ.