Neurogénesis adulta y regeneración neuronal en peces teleósteos

Abstract

Si bien durante muchos años se consideró al sistema nervioso como una estructura fija sin ningún tipo de plasticidad, hoy en día se sabe que el cerebro posee numerosos mecanismos de plasticidad, incluyendo la neurogénesis adulta. Este proceso consiste en la generación e incorporación de nuevas neuronas en circuitos cerebrales de organismos adultos, a partir de células madre neurales. En particular los peces poseen amplios reservorios de células madre neurales, distribuidos a lo largo de todo su sistema nervioso. Esta abundante neurogénesis adulta, junto con una respuesta inmune no cicatrizante posibilita a estos organismos regenerar tejido nervioso dañado. No obstante, poco se conoce sobre los factores que pueden actuar como moduladores de ambos procesos. En esta tesis se analizó de qué manera, los cambios en el entorno (ambiental y social) de los peces impactan en el proceso de neurogénesis adulta, tanto en condiciones normales como en respuesta a un daño, utilizando como modelos de investigación dos especies de peces teleósteos, Oncorhynchus mykiss (trucha arcoíris) y Danio rerio (pez cebra). Para estudiar si la neurogénesis adulta en el telencéfalo de los peces es susceptible a modulaciones de la actividad circuital, se utilizó como modelo de estudio a Oncorhynchus mykiss (trucha arcoíris). Inicialmente, buscamos establecer una relación estructura-función entrenando a los peces en un paradigma cognitivo de evitación activa (EA). El 50% de los individuos mostró una buena performance para aprender la consigna mientras que la otra mitad tuvo un mal desempeño. Utilizando la expresión de c-fos para evaluar la activación neuronal, pudimos establecer las regiones telencefálicas implicadas en este proceso de aprendizaje. Encontramos que la región Dorso-medial (Dm) del telencéfalo fue una de las regiones más activadas por este desafío. Dado que la región Dm del telencéfalo esta implicada en procesamiento de información emocional, decidimos explorar la hipótesis de que el aislamiento social inducirá una disminución de actividad cerebral en Dm, y consecuentemente una disminución de la neurogénesis adulta. Luego de 4 semanas en aislamiento social se observó una marcada disminución en los niveles de neurogénesis adulta en la región Dm telencefálica de los peces. A su vez, este tratamiento indujo un grave déficit en el desempeño cognitivo de O.mykiss en el test de EA. Los resultados reafirman la existencia de una relación estructura-función entre la región Dm y el aprendizaje en un test de EA. En otra serie de ensayos, evaluamos si distintas condiciones ambientales y sociales (ambiente enriquecido y aislamiento social) podían modular una respuesta de regeneración neuronal ante una lesión cerebral. Utilizando como modelo de estudio a Danio rerio (pez cebra), estandarizamos un protocolo para lesionar exclusivamente una porción localizada y limitada de la región Dm del telencéfalo, de aproximadamente un 33% de su superficie. En condiciones control, la proliferación celular en el telencéfalo alcanza su máximo 7 días luego de efectuada una lesión en Dm de acuerdo a lo reportado por otros autores. Los peces mantenidos en ambiente enriquecido, evidenciaron una mayor respuesta proliferativa y neurogénica en Dm, con respecto al grupo control. Por otro lado, los peces mantenidos en aislamiento social, no mostraron cambios en la respuesta regenerativa respecto del grupo control. En función de los resultados obtenidos tanto con los experimentos realizados en trucha arcoíris como en pez cebra, puede concluirse que existe una relación bidireccional entre el aprendizaje y el ambiente con la neurogénesis constitutiva y regenerativa. Los procesos de neurogénesis adulta y aprendizaje se encuentran estrechamente relacionados de tal forma que si se interfiere con la generación de nuevas neuronas se comprometen las habilidades cognitivas.

Although for many years the nervous system was considered a fixed structure without any plasticity, it is now known that the brain possesses numerous mechanisms of plasticity, including adult neurogenesis. This process consists of the generation and incorporation of new neurons into brain circuits of adult organisms from neural stem cells. Fish in particular possess extensive reservoirs of neural stem cells, distributed throughout their nervous system. This abundant adult neurogenesis, together with a non-scarring immune response, enables these organisms to regenerate damaged nerve tissue. However, little is known about the factors that may act as modulators of both processes. In this thesis we analyzed how changes in the environment (environmental and social) of fish impact the process of adult neurogenesis, both under normal conditions and in response to damage using two teleost fish species, Oncorhynchus mykiss (rainbow trout) and Danio rerio (zebrafish), as research models. To study whether adult neurogenesis in the telencephalon of fish is susceptible to modulations of circuit activity, Oncorhynchus mykiss (rainbow trout) was used as a study model. Initially, we sought to establish a structure-function relationship by training the fish in an active avoidance (AE) cognitive paradigm. Fifty percent of the individuals showed a good performance in learning the task while the other half performed poorly. Using c-fos expression to assess neuronal activation, we were able to establish the telencephalic regions involved in this learning process. We found that the Dorso-medial (Dm) region of the telencephalon was one of the regions most activated by this challenge. Since the Dm is a brain region involved in emotional information processing, we decided to explore the hypothesis that social isolation will induce a decrease of brain activity in Dm, and consequently a decrease of adult neurogenesis. After 4 weeks in social isolation we observed a marked decrease in adult neurogenesis levels in the telencephalic Dm region of the fish. In turn, this treatment induced a severe deficit in the cognitive performance of O.mykiss in the AE test. The results proved the existence of a structure-function relationship between the Dm region and learning in an AE test. In another series of trials, we evaluated whether different environmental and social conditions (enriched environment and social isolation) could modulate a neuronal regeneration response to brain injury. Using Danio rerio (zebrafish) as a study model, we standardized a protocol to exclusively injure a localized and limited portion of the Dm region of the telencephalon, approximately 33% of its surface area. Under control conditions, cell proliferation in the telencephalon peaks 7 days after injury to the Dm as reported by other authors. Fish kept in an enriched environment showed a greater proliferative and neurogenic response in Dm, with respect to the control group. On the other hand, fish kept in social isolation did not show changes in the regenerative response with respect to the control group. Based on the results obtained with both rainbow trout and zebrafish experiments, it can be concluded that there is a bidirectional relationship between learning and environment with constitutive and regenerative neurogenesis. The processes of adult neurogenesis and learning are closely related in such a way that interfering with the generation of new neurons compromises cognitive abilities.