Major depressive disorder (MDD) is a growing health problem. Current treatment options are not always effective and take several weeks of regular administration before an improvement can be seen in symptoms. Sub-anaesthetic doses of ketamine have been found to have antidepressant effects in previously treatment-resistant MDD after just one dose. However, ketamine also produces short term psychosis-like side effects which are undesirable for MDD patients. Ketamine is known to be an NMDA receptor antagonist, binding within the channel pore to block ion flow, however the molecular mechanism(s) underlying its antidepressant and psychosis-like effects are still unclear. In this thesis several genetically modified mouse lines were used to probe the molecular events involved in ketamine's actions. Firstly, a mouse line in which the c-terminal domain (CTD) of the NMDAR subtype GluN2B had been replaced with that of GluN2A, and a second line in which the opposite replacement had taken place, were used to investigate the role of the CTD in the NMDAR response to ketamine. It was found that the GluN2B CTD is required for the short-term psychosis-like response to a sub-anaesthetic dose of ketamine. This is interesting as the channel pore region, containing the binding site for ketamine, is unaltered in these mutants. Therefore, this finding implicates GluN2B CTD specific intracellular signalling molecules in this action of ketamine and raises the question of whether the CTD itself is able to respond to ketamine binding within the pore to induce signalling changes, perhaps via a conformational change. Secondly, a mouse line, in which the activity-regulated synaptic protein Arc has been tagged with a fluorescent marker, was used to investigate the response of synapses to both anaesthetic and sub-anaesthetic doses of ketamine. In this experiment tagged Arc protein was visible as punctate accumulations at synapses. A novel method termed 'synaptome mapping' was used to image these accumulations across entire coronal sections and to quantify their number, size and intensity. Using this method alterations to the Arc synaptome map were detected 1h, 6h and 24h following ketamine administration. The two doses used produced different changes to this map, with the sub-anaesthetic antidepressant dose inducing increases in Arc puncta number across many brain regions, whereas the anaesthetic dose induced short term (1h) increases followed by longer term decreases in Arc puncta number. This finding links long-term increases in Arc at the synapse with an antidepressant response to ketamine.

O transtorno do espectro autista atinge uma em cada 150 crianças. Sua etiologia ainda é desconhecida, apesar de fortes evidências de fatores genéticos e recentes achados de interferências ambientais, particularmente a ativação imune materna durante a gestação. Em nossos estudos prévios expusemos ratas Wistar no início da gestação ao lipopolissacarídeo (LPS), que mimetiza uma infecção bacteriana (100 µg/kg, intraperitoneal [i.p.], no dia gestacional [GD] 9,5) e observamos prejuízos no comportamento de brincar da prole masculina. Sabendo que esse teste é classicamente usado para avaliação de modelos animais de autismo e da ligação do autismo com fatores ambientais, propusemos que nosso modelo seria um modelo animal de autismo. Para avaliar essa possibilidade, foi objetivo do presente trabalho estudar se nosso modelo de LPS pré-natal (100 µg/kg, i.p., no GD 9,5) causaria os outros sintomas típicos de autistas: anormalidades na comunicação (avaliado pelo teste da vocalização ultrassônica), comportamentos repetitivos e inflexibilidade cognitiva (teste de alternação espontânea no labirinto em T), ausência de demonstração de medo em situações potencialmente perigosas (estímulo olfativo aversivo do odor de gato) e hiperatividade (atividade geral em campo aberto). Visto que alguns autistas apresentam níveis elevados de citocinas pró-inflamatórias e cortisol, bem como neuroinflamação, foram quantificados os níveis de IL-1β, TNF-α e corticosterona séricos, e estudado os astrócitos e micróglia do estriado e bulbo olfatório. Outro objetivo deste trabalho foi estudar os mecanismos centrais associados ao LPS pré-natal, especialmente o sistema dopaminérgico (expressão gênica e proteica de tirosina hidroxilase e receptores dopaminérgicos D1a e D2) do estriado e bulbo olfatório, baseado nos nossos achados prévios de redução de dopamina nessas regiões cerebrais. Também foram avaliados os níveis séricos de corticosterona, o desempenho reprodutivo e o tecido placentário nas mães expostas ao LPS durante a gestação. Por fim, sabendo que o autismo é mais prevalente em homens do que em mulheres, foram avaliadas também as fêmeas expostas pré-natalmente ao LPS: comportamento de brincar, interação social adulta e níveis séricos de corticosterona. A exposição pré-natal ao LPS prejudicou a comunicação, a cognição, a demonstração de medo em situações potencialmente perigosas, além de induzir comportamentos repetitivos/restritos e elevação dos níveis de IL-1β na prole masculina de ratas; as fêmeas não apresentaram os prejuízos observados nos machos. Esses achados sugerem fortemente que nosso modelo de LPS pré-natal induziu comportamentos do tipo autismo em ratos, corroborando com a hipótese dos fatores ambientais no autismo. Acrescenta de maneira inédita um modelo que mimetiza uma infecção bacteriana no início da gestação como indutor do autismo. Mais ainda, a redução da expressão proteica de tirosina hidroxilase estriatal causada pelo LPS pré-natal inclui a hipoatividade do sistema dopaminérgico estriatal como um possível aspecto para explicar o autismo. A elevação nos níveis de corticosterona, prejuízo no desempenho reprodutivo e danos no tecido placentário das ratas ajudaram no entendimento da gênese dos prejuízos na prole. O estabelecimento do modelo experimental de autismo com o LPS pré-natal significa um passo importante para o entendimento dessa desordem e pode auxiliar também na busca por eventuais tratamentos, baseados nas alterações neuroimunes encontradas. / One child in about 150 children has autism spectrum disorder. Despite strong evidence of genetic factors and recent findings of environmental interferences, particularly maternal immune activation during pregnancy, autism etiology is still unknown. In our previous study, we exposed Wistar rats in the beginning of the gestation to lipopolysaccharide (LPS, 100 µg/kg, intraperitoneally [i.p.], on gestational day [GD] 9.5), which mimics a bacterial infection and observed impairments in the play behavior of male offspring. Knowing that play behavior is classically used to evaluate autism animal models and the link between autism and environmental factors, we proposed that our model would be an autism animal model. To evaluate this possibility, the aim of this study was to know whether our prenatal LPS model (100 µg/kg, i.p., on GD 9.5) causes other autism typical symptoms: communication abnormalities (evaluated by the ultrasonic vocalization test), repetitive behavior and cognitive inflexibility (T-maze spontaneous alternation test), absence of fear demonstration in potentially dangerous situations (aversive exposure to cat odor test) and hyperactivity (open field general activity). Because some autistic patients presents high levels of proinflammatory cytokines and cortisol as well as neuroinflammation, we quantified IL-1β, TNF-α and corticosterone serum levels, and studied astrocytes and microglia of striatum and olfactory bulb. Another objective was to study the central mechanisms associated with prenatal LPS, particularly the dopaminergic system (gene and protein expression of tyrosine hydroxylase and dopamine D1a and D2 receptors) of striatum and olfactory bulb, based on our previous findings of reduced dopamine in these brain regions. We also evaluated the corticosterone serum levels, the reproductive performance and the placental tissue of mothers exposed to LPS during pregnancy. Finally, because autism is more prevalent in men than in women, we also evaluated females prenatally exposed to LPS: play behavior, social interaction and adult corticosterone serum levels. Prenatal LPS exposure impaired communication, cognition, fear demonstration of potentially dangerous situations, induced repetitive/restricted behaviors and elevated IL-1β levels of male offspring; females did not present the impairments observed in males. These findings strongly suggest that our model of prenatal LPS induced autism like behaviors in rats, corroborating the hypothesis of environmental factors in autism. It adds an unprecedented way a model that mimics a bacterial infection in early pregnancy as an inducer of autism. Moreover, the striatal tyrosine hydroxylase protein expression reduction caused by prenatal LPS includes hypoactivity of the striatal dopaminergic system as a possible aspect to explain autism. The increase in the corticosterone levels, impairment of reproductive performance and placental tissue injuries of dams helped in understanding the genesis of the offspring impairments. The importance of establishing an experimental model of autism with prenatal LPS is an extra step to better understand this disorder and may also help in the search for possible treatments, based on the observed neuroimmune changes.

O transtorno do espectro autista atinge uma em cada 150 crianças. Sua etiologia ainda é desconhecida, apesar de fortes evidências de fatores genéticos e recentes achados de interferências ambientais, particularmente a ativação imune materna durante a gestação. Em nossos estudos prévios expusemos ratas Wistar no início da gestação ao lipopolissacarídeo (LPS), que mimetiza uma infecção bacteriana (100 µg/kg, intraperitoneal [i.p.], no dia gestacional [GD] 9,5) e observamos prejuízos no comportamento de brincar da prole masculina. Sabendo que esse teste é classicamente usado para avaliação de modelos animais de autismo e da ligação do autismo com fatores ambientais, propusemos que nosso modelo seria um modelo animal de autismo. Para avaliar essa possibilidade, foi objetivo do presente trabalho estudar se nosso modelo de LPS pré-natal (100 µg/kg, i.p., no GD 9,5) causaria os outros sintomas típicos de autistas: anormalidades na comunicação (avaliado pelo teste da vocalização ultrassônica), comportamentos repetitivos e inflexibilidade cognitiva (teste de alternação espontânea no labirinto em T), ausência de demonstração de medo em situações potencialmente perigosas (estímulo olfativo aversivo do odor de gato) e hiperatividade (atividade geral em campo aberto). Visto que alguns autistas apresentam níveis elevados de citocinas pró-inflamatórias e cortisol, bem como neuroinflamação, foram quantificados os níveis de IL-1β, TNF-α e corticosterona séricos, e estudado os astrócitos e micróglia do estriado e bulbo olfatório. Outro objetivo deste trabalho foi estudar os mecanismos centrais associados ao LPS pré-natal, especialmente o sistema dopaminérgico (expressão gênica e proteica de tirosina hidroxilase e receptores dopaminérgicos D1a e D2) do estriado e bulbo olfatório, baseado nos nossos achados prévios de redução de dopamina nessas regiões cerebrais. Também foram avaliados os níveis séricos de corticosterona, o desempenho reprodutivo e o tecido placentário nas mães expostas ao LPS durante a gestação. Por fim, sabendo que o autismo é mais prevalente em homens do que em mulheres, foram avaliadas também as fêmeas expostas pré-natalmente ao LPS: comportamento de brincar, interação social adulta e níveis séricos de corticosterona. A exposição pré-natal ao LPS prejudicou a comunicação, a cognição, a demonstração de medo em situações potencialmente perigosas, além de induzir comportamentos repetitivos/restritos e elevação dos níveis de IL-1β na prole masculina de ratas; as fêmeas não apresentaram os prejuízos observados nos machos. Esses achados sugerem fortemente que nosso modelo de LPS pré-natal induziu comportamentos do tipo autismo em ratos, corroborando com a hipótese dos fatores ambientais no autismo. Acrescenta de maneira inédita um modelo que mimetiza uma infecção bacteriana no início da gestação como indutor do autismo. Mais ainda, a redução da expressão proteica de tirosina hidroxilase estriatal causada pelo LPS pré-natal inclui a hipoatividade do sistema dopaminérgico estriatal como um possível aspecto para explicar o autismo. A elevação nos níveis de corticosterona, prejuízo no desempenho reprodutivo e danos no tecido placentário das ratas ajudaram no entendimento da gênese dos prejuízos na prole. O estabelecimento do modelo experimental de autismo com o LPS pré-natal significa um passo importante para o entendimento dessa desordem e pode auxiliar também na busca por eventuais tratamentos, baseados nas alterações neuroimunes encontradas. / One child in about 150 children has autism spectrum disorder. Despite strong evidence of genetic factors and recent findings of environmental interferences, particularly maternal immune activation during pregnancy, autism etiology is still unknown. In our previous study, we exposed Wistar rats in the beginning of the gestation to lipopolysaccharide (LPS, 100 µg/kg, intraperitoneally [i.p.], on gestational day [GD] 9.5), which mimics a bacterial infection and observed impairments in the play behavior of male offspring. Knowing that play behavior is classically used to evaluate autism animal models and the link between autism and environmental factors, we proposed that our model would be an autism animal model. To evaluate this possibility, the aim of this study was to know whether our prenatal LPS model (100 µg/kg, i.p., on GD 9.5) causes other autism typical symptoms: communication abnormalities (evaluated by the ultrasonic vocalization test), repetitive behavior and cognitive inflexibility (T-maze spontaneous alternation test), absence of fear demonstration in potentially dangerous situations (aversive exposure to cat odor test) and hyperactivity (open field general activity). Because some autistic patients presents high levels of proinflammatory cytokines and cortisol as well as neuroinflammation, we quantified IL-1β, TNF-α and corticosterone serum levels, and studied astrocytes and microglia of striatum and olfactory bulb. Another objective was to study the central mechanisms associated with prenatal LPS, particularly the dopaminergic system (gene and protein expression of tyrosine hydroxylase and dopamine D1a and D2 receptors) of striatum and olfactory bulb, based on our previous findings of reduced dopamine in these brain regions. We also evaluated the corticosterone serum levels, the reproductive performance and the placental tissue of mothers exposed to LPS during pregnancy. Finally, because autism is more prevalent in men than in women, we also evaluated females prenatally exposed to LPS: play behavior, social interaction and adult corticosterone serum levels. Prenatal LPS exposure impaired communication, cognition, fear demonstration of potentially dangerous situations, induced repetitive/restricted behaviors and elevated IL-1β levels of male offspring; females did not present the impairments observed in males. These findings strongly suggest that our model of prenatal LPS induced autism like behaviors in rats, corroborating the hypothesis of environmental factors in autism. It adds an unprecedented way a model that mimics a bacterial infection in early pregnancy as an inducer of autism. Moreover, the striatal tyrosine hydroxylase protein expression reduction caused by prenatal LPS includes hypoactivity of the striatal dopaminergic system as a possible aspect to explain autism. The increase in the corticosterone levels, impairment of reproductive performance and placental tissue injuries of dams helped in understanding the genesis of the offspring impairments. The importance of establishing an experimental model of autism with prenatal LPS is an extra step to better understand this disorder and may also help in the search for possible treatments, based on the observed neuroimmune changes.