L'objectiu general d'aquesta tesi ha estat el d'aprofundir en la funció de les molècules que fan possible que la migració neuronal es dugui a terme, permetent així un correcte desenvolupament del sistema nerviós central. Per assolir aquesta fita, ens hem centrar en les molècules de guia Reelina i Netrina-1, la proteïna adaptadora Dab1, i l'hormona tiroïdea, els mutants de les quals presenten greus alteraciones en el cervell degudes a migraciones neuronals aberrants en les primeres etapes de desenvolupament.

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Los objetivos principales de esta Tesis doctoral fueron: 1) cuantificar los efectos agudos y crónicos de fármacos opiáceos (mi-, delta- y kappa-selectivos) así como los cambios inducidos durante los estados de abstinencia (procesos de tolerancia y dependencia) sobre la vía de señalización del receptor Fas (formas de expresión de Fas, proteína de acople FADD y caspasas efectoras) en cerebro de rata; 2) identificar el tipo de receptor opioide involucrado en la modulación del complejo de señalización Fas/FADD mediante la utilización de ratones deficientes en receptores opioides (mi-, delta- y kappa-KO), e investigar la posible existencia de un tono opioide endógeno regulando las proteínas de esta vía en el cerebro; 3) averiguar si la modulación del complejo Fas y/o FADD por fármacos opiáceos implica (como mecanismo molecular) la participación de MAPK ERK1/2, analizando la reversión de un efecto opioide tras inhibición selectiva de los enzimas MEK1/2, tanto "in vitro" (PD98059) en células SH-SY5Y, como "in vivo" (SL 327) en cerebro de rata; 4) cuantificar en cerebro humano "postmortem" el estatus de la vía Fas/FADD y caspasas efectoras, así como los componentes de la vía de señalización del AMPc (AC/PKA/CREB) y de las MAPK (Ras/Raf/MEK/ERK) en la corteza prefrontal de adictos a opiáceos, como modelo experimental más directo al problema de la adicción en humanos.Las diversas proteínas de estudio se cuantificaron mediante técnicas inmunológicas cuantitativas (separación electroforética seguida de Western blot) empleando anticuerpos específicos. Los principales resultados y conclusiones mayores de este trabajo de Tesis doctoral son:1. La adicción a opiáceos en cerebro de rata se asocia con incrementos en la densidad del receptor apoptótico Fas y con decrementos de la proteína FADD, transductora de la señal de muerte, sin que además se alteren las caspasas efectoras 8 y 3, lo que sugiere que los procesos de adicción a estos fármacos no están asociados con la inducción de apoptosis cerebral mediados por esta vía.2. La modulación de Fas (receptor nativo) por opiáceos depende mayormente del receptor mi-opioide, y la regulación de sus formas agregadas (trímeros relevantes en el inicio de la señalización) así como la de FADD se asocia con el receptor delta-opioide, lo que demuestra una modulación diferencial de los componentes de esta vía por el sistema opioide que podría tener repercusiones terapéuticas.3. La modulación inhibitoria de FADD por agonistas delta-opiáceos es dependiente, a través de un mecanismo indirecto, de la activación de las quinasas MAPK ERK1/2, vía de señalización que a su vez se ha relacionado con la regulación de varios mecanismos anti-apoptóticos. 4. La adicción a opiáceos en cerebro humano se asocia con una disminución en la densidad de FADD en la corteza prefrontal (efectos a corto y largo plazo) sin que se alteren las diversas formas del receptor Fas y ciertas caspasas efectoras, lo que de nuevo demuestra una probable menor actividad de esta proteína acopladora de Fas en este modelo humano de adicción a opiáceos. 5. La adicción a opiáceos en cerebro humano (efectos a largo plazo) también se asocia con una aparente normalización de los componentes de la vía de señalización del AMPc (AC I, PKA, CREB y pCREB) y con una marcada inhibición de la vía de las MAPK (formas fosforiladas de MEK y de ERK1/2), lo que sugiere la inducción de alteraciones de plasticidad neuronal en estos cerebros humanos.En su conjunto, los resultados de esta Tesis demuestran la clara participación del complejo Fas/FADD en la adicción a opiáceos, tanto en los procesos de tolerancia como de dependencia física, lo que añade un nuevo nivel de complejidad a la señalización de los receptores opioides, probablemente mediatizando efectos no-apoptóticos relacionados con fenómenos de plasticidad neuronal. / The aim of this PhD work was to investigate the interactions between opioids receptors and the signaling pathway of the Fas/FADD (Fas Associated-Death Domain) receptor, involved in the regulation of apoptosis and neuronal plasticity. The main results and conclusions are: 1) opiate addiction in rat brain is associated with a strong up-regulation of the pro-apoptotic Fas receptor and a moderate down-regulation of the anti-apoptotic Bcl-2 oncoprotein, without altering the content of caspases-8/3, suggesting that possible apoptotic signals engaged by Fas activation would be offset by decreased signal transduction through FADD and effector caspases-8/3; 2) the mi-opioid receptors appears to be associated with a tonic stimulation of monomeric Fas receptor, whereas the delta-opioid receptors tonically inhibits the basal density of trimeric Fas as well as that of FADD. This suggests posible homeostatic interactions between mi- and delta-opioid receptors in the control of Fas receptor machinery, being a major task of the delta-receptor to restrain the activation of Fas signalling; 3) the direct involvement of the two MAP kinases (sequential activation of MEK and ERK) in the in vivo regulation of FADD by the opiate; 4) opiate addiction in human brain is associated with a down-regulation of the inmunodensity of FADD in the prefrontal cortex (short-term and long-term abuse) without altering Fas receptor and effector caspases-8/3; 5) opiate addiction in human brain (long-term abuse) is associated with a normal regulation of the components of the cyclic AMP pathway components (AC I, PKA, CREB, pCREB) and with an important down-regulation of the MAPK (specially pMEK and pERK) pathway components in the prefrontal cortex, suggesting alterations in the neuronal plasticity in those human brains. In summary, the results of this PhD work demonstrated a clear participation of the complex Fas/FADD in opiate addiction, suggesting a new level of complexity in the signaling mediated through the activation of opioids receptors, probably mediating non-apoptotic effects related with neuronal plasticity.

La información disponible acerca de los transportadores de nucleósidos concentrativos en cerebro es muy limitada, mientras que existen varios estudios acerca de los transportadores equilibrativos. La primera parte de esta tesis se centra en la localización del transportador de nucleósidos concentrativo preferente por adenosina CNT2 en cerebro y su posible regulación transcripcional, ya que su afinidad por este neuromodulador es mayor que el resto de transportadores. Se ha visto que el transcrito de CNT2 se localiza en un gran número de regiones del sistema nervioso central, principalmente en poblaciones neuronales. En concreto, se han detectado niveles moderados del transcrito en hipocampo, amígdala, capas profundas de la corteza cerebral, corteza retrosplenial y piriforme, así como en la capa molecular del cerebelo. Estudios de regulación indican que el transcrito de esta proteína varía en situaciones donde la adenosina interviene vía el receptor de adenosina A1, por ejemplo, se han realizado estudos de privación de sueño prolongado donde los niveles de adenosina son muy elevados. Así mediante muestras de cortezas cerebrales de rata a las que se les tuvo en vigilia durante 24 horas, se valoraron los niveles de transcrito de CNT2, observando una disminución de hasta un 25% respecto al control. Tras ocho horas de recuperación los niveles iniciales sólo se recuperaban de forma parcial. También mediante modelos animales a los que se les había tratado con ácido kaínico para la inducción de convulsiones, los niveles del transportador aumentan a medida que pasa el tiempo tras el tratamiento. Esto sería consistente con el hecho de que la adenosina incrementa sus niveles en situaciones patológicas vía el receptor A1 en su función de neuroprotección.La segunda parte de esta tesis consiste en el estudio de la expresión de los transportadores de nucleósidos en tejidos tumorales. Para esto se han generado y desarrollado anticuerpos específicos contra las isoformas humanas de estas proteínas que se han utilizado en el análisis de un gran número de pacientes de tumores ginecológicos y de mama. Los resultados obtenidos nos indican que la pérdida de expresión de hCNT1 es más común que la de los transportadores equilibrativos en tumores ginecológicos y esta disminución se asocia a subtipos histológicos de peor pronóstico como pueden ser tumores de célula clara o adenocarcionomas. En tumores de mama, la expresión citoplasmática y sobre todo nuclear de hCNT1 se encuentra asociada a un por pronóstico, además de encontrar correlaciones positivas entre el número de células positivas para el transportador de nucleósidos hCNT1 y algunos marcadores del metabolismo de nucleótidos como DPD y TS, y correlaciones negativas con marcadores de baja proliferación celular como bcl2 y MIB. Si tenemos en cuenta el estado del nódulo linfático y lo asociamos al número de células positivas para hCNT1 observamos que estos dos factores combinados son indicativos de un mayor riesgo de recaída. / In this study, we analysed the concentrative transporter CNT2 in the rat brain and compared it with that of ENT1. Furthermore, we evaluated their changes in a situation of increased extracellular levels of adenosine, such as sleep deprivation. CNT2 mRNA was most prevalent in the amygdala, the hippocampus, specific neocortical regions and the cerebellum. Total sleep deprivation dramatically diminished the amounts of CNT2 mRNA, whereas ENT1 mRNA remained unchanged. This decrease in CNT2 transcript suggests a new physiological role for the transporter in the modulation of extracellular adenosine levels.In this part of the study we report the characterization of 2 new antibodies raised against hENT1 and hENT2. These 2 antisera, along with a previously characterized antibody against hCNT1 have been used to analyze NT expression in gynecologic cancers: hCNT1 was by far the isoform whose expression was most frequently reduced or lost in the types of gynecologic tumors analyzed. NT expression is related to the type of gynecologic tumor and its specific subtype, hCNT1 protein loss being highly correlated with poor prognosis histotypes. We also studied ninety breast cancer patients who were treated with CMF after surgery. hCNT1 and enzymes associated with nucleotide metabolism were assessed immunohistochemically. CNT1 expression was mostly cytoplasmic, with some nuclear staining.. Nuclear staining correlated negatively with decreased disease-free survival, whereas the percentage of hCNT1-positive cells correlated positively with reduced long term survival, the hCNT1-positive index being indicative of poor prognosis. A relative risk of relapse was associated with high hCNT1-positive indexes, whereas when this parameter was combined with the nodal status (positive) a high risk of relapse was found, suggesting that both parameters may reflect a poor prognosis.

A cinc rates se’ls va realitzar una polisomnografia convencional durant 48 hores. Els EEG dels animals es van agrupar d'acord amb l'hemisferi preferit envers el no preferit. Una vegada analitzat els EEG es va trobar una diferència significativa entre els resultats de llum / foscor. Els canvis en la dominància hemisfèrica es troben en el període de son NREM, a la banda delta; en les bandes theta i beta durant el son REM; durant la vigília en les bandes alfa-1, alfa-2, i theta. Els canvis han estat interpretats com una resposta a les variacions dels reptes mediambientals. Els pacients amb apnea del son també mostren variacions temporals en la dominància interhemisfèrica. La magnitud de la coherència quadrada, i l’índex d'interdependència interhemisfèrica de fase, troben un augment de l'amplitud de la fase delta de l’EEG durant els episodis d'apnea, mentre que l'índex de retard de fase, es redueix a zero. L'índex de L, que mesura la sincronització interhemisfèrica generalitzada no lineal de l'EEG, augmenta durant els episodis d'apnea. Per tant, els tres índexs mostren canvis significatius i congruents en la simetria interhemisfèrica en funció de l'estat de les vies respiratòries. En conclusió, els pacients apneics durant la respiració tenen un canvi petit però significatiu en el domini interhemisfèric.

La finalidad de este estudio fue entender la función de la actividad aromatasa (AA) en el eje cerebro-gónada de los peces, empleando la lubina (Dicentrachus labrax L.) como modelo. Se utilizó el ensayo del agua tritiada para medir la AA utilizando 1ß-3H-androstenediona como sustrato. Este método fue optimizado para temperatura y tiempo de incubación, fuerza iónica y pH del tampón, cantidad de sustrato, tejido y cofactores. Se usaron diferentes tipos de controles, incluyendo muestras sin sustrato o cofactor, con exceso de producto, desnaturalizadas, así como inhibidores específicos de la aromatasa (Fadrozole y 4-hidroxiandrostenediona; 4-OH-delta-[4]), y también agua tritiada auténtica para calcular recuperaciones. Las incubaciones se llevaron a cabo con 10 mg de tejido fresco en un volumen final de 0.4 ml. Las condiciones óptimas para medir la AA fueron: tampón fosfato a 50 mM, pH 7.4 y temperatura de incubación de 30°C. Al emplear homogenados, se requirió la presencia de cofactores en las incubaciones. Por ello, se incorporó un sistema generador de NADPH, con una concentración de NADP de 1 mM. La concentración de sustrato fue normalmente 150 nM, después de determinar que concentraciones de 100 nM y superiores eran saturantes. Para completar la validación el método del agua tritiada se utilizó el método directo de medida de estrona, con 7-[3]H-androstenediona como sustrato. Los metabolitos formados se identificaron por cromatografía de capa fina (TLC). Con incubaciones hasta 30 min ambos métodos dieron idénticos resultados. Por ello, 30 min fue el tiempo de incubación en las subsiguientes determinaciones. Se usó el método descrito para determinar si existía AA diferentes en cerebro vs ovario. Se encontró que la aromatasa en homogenados de cerebro de lubina posee una K[sub m] de 7,3 ± 0,6 nM y una V[sub max] de 7,9 ± 0,1 pmol/mg proteína/h, mientras que la del ovario posee una K[sub m]de 4,6 ± 1,3 nM y una V[sub max] de 2,1 ± 0,6 pmol/mg proteína/h. También se estudió la distribución de la mencionada actividad en diferentes órganos y encontró que la mayoría de la AA por unidad de proteína se localizaba en el cerebro, como era de esperar, seguida del ovario, la grasa visceral, el hígado y el riñón anterior, mientras que era despreciable en el resto de tejidos analizados, incluyendo los testículos. En el cerebro, la AA estaba concentrada en la parte anterior (hipotálamo, bulbo olfatorio y telencéfalo), así como en la hipófisis, pero se detectó muy poca AA en el bulbo óptico, cerebelo y médula. Para investigar la relación entre la aromatasa y el ciclo reproductor, la AA se analizó durante un año entero y se correlacionó con la actividad gonadal, indicada por los cambios en el índice gonadosomático (GSI) por los niveles circulantes de esteroides sexuales (testosterona y estradiol). Los resultados mostraron que la máxima AA del cerebro coincidía con la época de puesta, precedida por niveles máximos de testosterona, observados dos meses antes. En lubinas juveniles que estaban completando la diferenciación sexual, la AA en el cerebro era ya detectable, aunque a niveles significativamente menores que los observados en adultos. Por ello, se decidió medir la AA a lo largo del primer año de vida encontrando un máximo a 200 DPH y otro a 300 DPH en el cerebro de ambos sexos, sin embargo en gónadas el máximo se observó a 250 DPH en ambos sexos con mayores valores en hembras que en machos y una brusca caída en machos a 300 DPH. Esto sugiere un requerimiento de estrógenos para el desarrollo de las gónadas independientemente del sexo fenotípico final seguido de una síntesis continuada de estrógeno durante más tiempo para el desarrollo específico del ovario. El método directo de medida de estrona mostró que la mayoría de la androstenediona (38%) permanecía sin transformar y que los principales metabolitos identificados (testosterona>>estradiol>estrona), juntos sumaban un 40% de la actividad inicial. Aprovechando que esta actividad es excepcionalmente alta en el cerebro de la lubina, igual que sucede en otros peces se planteó entonces la hipótesis de que la actividad de la 11ß-hidroxilasa podía estar transformando el 22% de sustrato restante en 11-ß-hidroxiandrostenediona. Experimentos diseñados para tal fin mostraron que la 11ß-hidroxiandrostenediona (11ß-OH-delta [4]), y no la estrechamente relacionada 11ß-hidroxitestosterona (11ß-OHT), actuaba como un inhibidor de la AA de forma dosis-dependiente, reversible, competitiva, y total con una IC[sub 50] (30 microM) sólo de uno y dos ordenes de magnitud más que los de los potentes inhibidores de la aromatasa 4-OH y Fadrozole, respectivamente. Se demuestra por primera vez en vertebrados inferiores o anamniotas que un neuroandrógeno, el 11ß-OH-delta [4], actúa como regulador de la síntesis de neuroestrógeno.

Parkinson’s disease (PD) is currently the second most common neurodegenerative disorder after Alzheimer’s disease (AD), affecting 100.000 people in Spain and more than 4 million people worldwide. Being a movement disorder, impairment of motor functions is considered to be the hallmark symptom of PD. However, cognitive dysfunction is now recognized as a common feature, being present since early disease stages and affecting the majority of patients as the disease progresses. In line with this, one of the most common cognitive deficits found in PD patients are verbal semantic and phonemic fluency deficits. Although there are still no established biomarkers for PD, neuroimaging methods offer the possibility of mapping the neurobiological substrates of motor and cognitive impairment in these patients. Amongst the available neuroimaging techniques, structural and functional magnetic resonance imaging (MRI, fMRI) produces images of the brain that provide quantitative values of cerebral atrophy and brain dysfunction, respectively. These techniques are relevant because they shed light into neurodegeneration processes occurring in PD compared to normal aging as well as those pathological processes that specifically underlie cognitive decline in these patients. In addition to neuroimaging, another method that allows studying brain networks and their disruption in PD is transcranial direct current stimulation (tDCS), which, in addition to modulating functional connectivity, provides a tool for cognitive and motor rehabilitation. This thesis comprises three different studies that had two main goals. On one hand, it was aimed at characterizing the brain’s structural and functional correlates of semantic and phonemic fluency cognitive deficits in patients with PD using MRI, fMRI and tDCS methods. On the other hand, given the lack of a comparison of the relative contribution of different existing MRI-based techniques to characterize cortical degeneration in PD, specific changes in different characteristics of the cortical gray matter (GM) layer were assessed to determine whether brain atrophy in PD can be attributed to changes in cortical thickness, cortical folding or GM volume. The first study of this thesis showed that semantic fluency is associated with GM density in cortical frontal and temporal areas in PD patients, suggesting this function relies both on executive functions and semantic memory processes. The second study showed that by stimulating the left dorsolateral prefrontal cortex with tDCS, significant enhancement of functional connectivity occurs in both semantic and phonemic fluency networks in PD, in addition to a significant improvement of phonemic fluency functions. The third and final study showed that amongst the most widely used neuroimaging analysis techniques to assess cortical changes in PD, cortical thickness seems to be the most sensitive, followed by cortical folding and finally GM volume as assessed by voxel-based morphometry. To conclude, the results that were found in this thesis shaded light into previously unstudied issues related to PD, increasing the knowledge on some of the cerebral pathological changes that affect patients with this disorder. In addition they encourage the use of tDCS to explore brain networks in PD and suggest that surface-based techniques such as cortical thickness are useful to assess GM changes occurring in these patients. / Actualmente, la enfermedad de Parkinson (EP) es el segundo trastorno neurodegenerativo más frecuente después de la enfermedad de Alzheimer. Al ser un trastorno del movimiento, el síntoma principal de la EP es el deterioro de las funciones motoras. Sin embargo, la disfunción cognitiva actualmente se reconoce como una característica más de la EP, que está presente desde las fases iniciales de la enfermedad y que afecta a la mayoría de los pacientes a medida que la enfermedad va avanzando. Entre los déficits cognitivos más comunes en la EP se encuentra el deterioro de la fluidez semántica y fonológica que normalmente se atribuye al deterioro de las funciones ejecutivas. Aunque todavía no se han establecido biomarcadores definitivos para la EP, los métodos de neuroimagen como la resonancia magnética estructural y funcional (RM, RMf) y los métodos de estimulación cerebral no invasiva como la estimulación por corriente directa (ECT) ofrecen la posibilidad de estudiar los sustratos neurobiológicos del deterioro cognitivo en estos pacientes. Esta tesis está formada por tres estudios. El primer estudio de esta tesis demostró que la fluidez semántica está asociada con la densidad de sustancia gris en áreas corticales frontales y temporales en los pacientes con EP, lo que sugiere que esta función se basa tanto en las funciones ejecutivas como en la memoria semántica. El segundo estudio mostró que la ECT sobre la corteza prefrontal dorsolateral izquierda, da lugar a un aumento significativo de la conectividad funcional en las redes neuronales de la fluidez semántica y fonológica, además de una mejora significativa de las funciones de fluidez fonológica en la EP. El tercer y último estudio mostró que entre las técnicas de análisis de neuroimagen más utilizadas para evaluar los cambios corticales en la EP, el grosor cortical parece ser el más sensible, seguido por el plegado cortical y el volumen de sustancia gris. Para concluir, los resultados que se encontraron proporcionan información relevante sobre temas que previamente no se habían estudiado en la EP, aumentando el conocimiento sobre algunos de los cambios cerebrales patológicos que afectan a los pacientes con este trastorno

The present dissertation, which can be framed in the fields of behavioural and psychiatric genetics, was aimed to study how early environmental factors such as parental negativity and childhood adversity, directly or in interaction with genetic factors account for psychopathological variation (subclinical and clinical psychiatric symptoms) in general populatiol including childhood behavioural problems, adult psychotic, depressive and anxious symptoms and their neuroimaging correlates. Furthermore, from the different studies included in this dissertation, additional research questions were also explored. The studies included in the thesis were based in singletons and twins samples. We found evidence indicating that child behaviour problems, anxious and depressive symptoms and psychotic experiences (PEs) were present in our samples drawn from the general population which is in agreement with a dimensional approach to psychopathology. Furthermore, using neuroimaging techniques, we were able to find structural brain correlates of vulnerability for anxiety and depression in a MZ twin sample from the general population. Also, psychotic experiences were associated with brain activation to facial emotion in this MZ twin sample. In regard to the specific environmental factors studied (parental negativity and childhood maltreatment), experiences occurring early in life showed to be associated to adolescent behaviour problems and adult psychotic experiences highlighting the enduring effects of exposure to childhood adversity. These results highlight the relevance of early adversity in the understanding of psychopathological features. Finally, our findings provide evidence of different ways through genes, environment and their interplay can modulate the final expression of the phenotype. Thus, while there is no doubt regarding that genes and environmental factors can have a direct influence in the phenotype, there is a gene-environment interdependence that must be considered when studying the etiology of complex characters. / Esta tesis doctoral, que se puede enmarcar en las áreas de la genética de la conducta y psiquiatría genética, se centró en el estudio del papel que desarrollan los factores ambientales, tales como la negatividad parental y la adversidad infantil, de manera directa o en interacción con factores genéticos, en la expresión de características psicopatológicas subclínicas en población general. La variación psicopatológica subclínica estudiada incluyó problemas de conducta en la infancia y el desarrollo de experiencias psicóticas y síntomas ansiosos y depresivos en la etapa adulta. Además se exploraron posibles correlatos de neuroimagen de estos fenotipos subclínicos. En cuanto a los resultados, se hallaron evidencias que indicaban que los problemas de conducta infantil, los síntomas ansiosos y depresivos y las experiencias psicóticas se distribuyen de forma continua en la población general. Estos hallazgos están de acuerdo con el enfoque dimensional a la psicopatología. Por otra parte, mediante el uso de técnicas de neuroimagen, se encontraron correlatos cerebrales estructurales para la vulnerabilidad para el desarrollo de síntomas ansiosos y depresivos en una muestra de gemelos monozigóticos (MZ) de la población general. Además, las experiencias psicóticas se asociaron con la activación del cerebro en respuesta a la emoción facial en esta muestra de gemelos MZ. En referencia a los factores ambientales específicos estudiados (negatividad parental y maltrato en la infancia), las experiencias que acontecen durante los primeros años de vida se asociaron con el desarrollo de problemas de conducta adolescentes y el riesgo a desarrollar experiencias psicóticas en la etapa adulta. Estos hallazgos ponen de relevancia los efectos a largo de la exposición a la adversidad durante la infancia. Por último, nuestros resultados ponen de manifiesto la compleja interacción y diferentes tipos de efectos mediantes los cuales los factores genéticos y ambientales ejercen sus influencias en la variabilidad fenotípica. En este sentido, variación en algunas variantes genéticas como el gen del BDNF o el gen de la COMT proporcionaban mayor vulnerabilidad neurobiológica a algunos individuos que habían estado expuestos a maltrato infantil y/o consumo de cannabis, factores de riesgo ampliamente reconocidos en psicosis.

Tesi realitzada a l'Equip de Neurociència de Sistemes - IDIBAPS / The generation of cognitive maps is influenced by different senses such as vision, audition or smell. However, the tactile information system -a highly developed system in the rat- and its influence on spatial processing, has hardly been studied. The availability of precise tactile information in the hippocampus (Pereira et al., 2007) is highly suggestive of a possible influence of tactile information on spatial processing. In this study we aimed to test if somatosensory information contributes to the cognitive map creation and spatial representation. The deprivation of the tactile sense without the possibility of using other senses (total darkness, homogeneous odour and uniform white noise), should then affect the coding of spatial information and could be detected as an alteration in place cell properties such as firing rate, location and/or extension of the firing fields. These types of changes would demonstrate that somatosensory inputs are involved in the cognitive map creation. To carry out this study we developed three kinds of experiments. First, we developed a paradigm (Gener et al., 2009) to temporarily deprive the tactile input using locally applied local anaesthesia (lidocaine). In a second part, we demonstrate that this deprivation was effective in the awake animal, altering the behaviour during tactile discrimination protocols and reducing successful trials from 88% to chance (48%). Finally, we applied the deprivation technique to characterise the cognitive map creation. With that purpose, we first demonstrated that place cells recorded in a controlled environment were sensitive to tactile cues, such that the rotation of the cues induce the rotation of the firing fields. Next, when tactile information was deprived, the place cells’ fields showed changes in their compactness and size. The results of this study suggest that somatosensory input information transduced by the whiskers contributes to the cognitive map creation. Those findings respond to some of the questions about hippocampus integration’s of sensory information.

Tesi realitzada a l'Equip de Neurociència de Sistemes - IDIBAPS / Since the discovery of the place cells in 1971 by John O’Keefe and colleagues an extensive work over the hippocampus has been developed as the mammal model of spatial navigation. Place cells are rodents’ hippocampal neurons whose firing is associated to certain locations of the environment. A majority of studies have focused on how the place fields (the area where the firing of a neuron is restricted) are generated in relation to the static cues of the environment (O'Keefe and Conway, 1978; Muller et al., 1987; Gothard et al., 1996). The present work assessed a similar question but regarding the dynamic cues surrounding the subject, and with the hypothesis that the hippocampus is also representing the position of other moving objects. In order to demonstrate if that was the case, we developed a behavioural protocol in which rats learnt to discriminate the movements of a robot in order to obtain reward, an Operant Position Discrimination Task (OPDT). Once the protocol was validated, the subjects were chronically implanted with tetrodes in the CA1 region of the hippocampus. In this way the activity of single hippocampal cells could be isolated off-line and the LFP of the area stored during the recordings. Using this method, the relationship between the firing of the cells and the field activity with the spatial parameters of the robot could be evaluated. The results showed a modulation by the dynamic cue of the theta oscillation. While the locomotor activity of the subjects is directly related to the power of theta in natural conditions (Vanderwolf, 1969), during the movement of the robot such relationship was disrupted and the band power between 4-12 Hz showed a trough at this time. The analysis of the single cells’ activity showed neurons locked to several spatial features of the dynamic cue. First, the position of the rat and the robot where analysed by information content parameters. Skaggs Index and Positional information (Markus et al., 1994; Olypher et al., 2003) showed neurons locked to the position of the subject as expected in CA1 and also other neurons locked to the positions of the robot. Second, moving from the spatial analysis to the temporal one, we found responses to the movement of the robot like OFF/ON variations of the basal activity of the neurons. Such changes in the firing patterns where quantified by the Mutual Information index (Nelken and Chechik, 2007) demonstrating that a large fraction of the neurons have a significant differential pattern of activity during the movement of the robot towards one side or the other. The use of the same index, MI, for the evaluation of the static or dynamic condition of the robot, also resulted in a set of neurons spiking with significant disparity during such epochs. In conclusion, the present work has demonstrated the existence of neural correlates locked to a dynamic cue in the hippocampus. Both the field activity at the theta range, LFP between 4 and 12 Hz, and the activity of the hippocampal neurons were found to reflect and/or encode the spatial features of a dynamic cue. The present work has in this way enlarged the limited evidence present in the prior literature about the role of the hippocampus in the tracking and localization of dynamic cues with the use of a behavioural protocol where both the spatial and temporal dynamics could be assessed. / La correcta localización y seguimiento de las pistas dinámicas que se encuentran en el ambiente es una tarea crucial para el individuo. Comportamientos fundamentales como la caza, el apareamiento o el escape necesitan una correcta identificación de la posición de presas, congéneres y depredadores para su correcta realización. El sistema cerebral encargado de localizar al propio sujeto en el ambiente se sabe que se encuentra en la formación hipocampal después de que diversos estudios hayan demostrado la necesidad del mismo para una correcta orientación (Morris et al., 1982) y, aún más importante, tras el descubrimiento en roedores de neuronas que disparan únicamente en espacios restringidos del entorno, las células de lugar (O'Keefe and Dostrovsky, 1971). Si bien se conoce que estos procesos están fundados en una correcta representación de la posición de las pistas estáticas del ambiente (O'Keefe and Conway, 1978; Muller et al., 1987; Gothard et al., 1996), que sirven de referencia para la propia localización, poco se sabe acerca de cómo se integra la información relativa a los objetos y/o sujetos móviles que se encuentran en el mismo ambiente. Este trabajo tiene como objetivo principal intentar responder a esta pregunta, es decir, ¿en qué modo el hipocampo procesa la información relativa a las pistas dinámicas? Para el desarrollo del estudio, primero, se diseñó una tarea comportamental que asegurara el hecho de que la pista dinámica resultase relevante para los sujetos de forma que los mismos prestaran atención a sus movimientos. Con este fin elegimos utilizar un robot cuyos desplazamientos pueden ser finamente controlados y asociar una recompensa a determinados patrones de navegación del robot. Después de probar con diferentes tareas de discriminación se llegó a una configuración (Operant Position Discrimination Task, OPDT) que permitía a los animales seguir los movimientos del robot desde un espacio separado en el cual recibían la recompensa en caso de discernir correctamente los desplazamientos de la pista. Una vez validada la tarea comportamental, a los sujetos que alcanzaron altas tasas de rendimiento se les implantaron tetrodos en la zona CA1 del hipocampo, lugar en el que se encuentran las células de lugar más estables. Una vez hecho el implante se procedió a registrar la actividad cerebral durante la ejecución de la tarea. Por una parte se aislaron los potenciales de acción pertenecientes a neuronas únicas y el potencial de campo de la zona, LFP. Respecto a la actividad de campo, LFP, se observó una disminución significativa de la potencia en la banda theta, 4-12 Hz, relacionada generalmente con la actividad locomotora del sujeto (Vanderwolf, 1969) durante el movimiento del robot. Durante el resto del registro la relación entre velocidad y potencia de theta se mantuvo y sólo en el periodo de discriminación del movimiento del robot esta relación se vio alterada con un mínimo de potencia observado en diferentes sujetos y registros. La actividad de las neuronas se analizó en función de los parámetros espaciales y dinámicos de la rata y el robot. Mirando la especificidad espacial del disparo de las neuronas a través de los parámetros Skaggs Index y Positional information (Markus et al., 1994; Olypher et al., 2003) se encontraron células significativamente ligadas en su actividad a la posición del sujeto o del robot. La actividad de las neuronas también se analizó de forma temporal, tomando como referencia el inicio de los estímulos, es decir el movimiento del robot hacia un lado u otro. Utilizando como índice la Mutual Information (Nelken and Chechik, 2007) se encontró que una larga proporción de las neuronas tienen respuestas diferenciales durante el movimiento del robot hacia uno de los lados. A su vez, el mismo análisis, pero en esta ocasión comparando los periodos en los que la pista se encuentra inmóvil con los que está en movimiento, determinó que otra fracción de las neuronas tiene patrones de disparo diferenciales según sea la condición dinámica de la pista. El conjunto de los resultados obtenidos indica claramente que el hipocampo se encuentra involucrado activamente en la localización y el seguimiento de las pistas dinámicas, siendo esto reflejado tanto en la actividad de sus neuronas como en la actividad de campo global. Los parámetros espaciales de la pista que resultaron modulados durante la tarea fueron su posición, la dirección de su movimiento y el hecho en sí de permanecer inmóvil o en desplazamiento.