Alzheimer's disease mouse models based on presenilin-2 N141I: an in vivo study of spontaneous electrical activity by means of hippocampal extracellular recordings

La malattia di Alzheimer (AD, Alzheimer's disease) è una patologia neurodegenerativa che colpisce un numero crescente di anziani. E' caratterizzata da progressivo indebolimento delle funzioni cognitive e della memoria ed è la causa pi๠comune di demenza, essendo responsabile del 60 - 70 % dei casi al di sopra dei 65 anni (World Health Organization, 2015). I principali elementi neuropatologici caratteristici della malattia sono la deposizione di ammassi neurofibrillari e placche senili, in primis in ippocampo, corteccia entorinale e neocorteccia, e una diffusa perdita di neuroni. L'AD si divide nelle forme sporadica e familiare (FAD, familial AD). La FAD è causata da mutazioni ad alto grado di penetranza a carico di tre geni coinvolti nel metabolismo della ß-amiloide (Aß, amyloid-ß): Aß precursor protein (APP), presenilin1 (PSEN1) e presenilin2 (PSEN2) (Bertram and Tanzi 2011). Si ritiene che i primi cambiamenti patologici abbiano luogo nella formazione ippocampale e nella corteccia entorinale (Squire, Stark, Clark 2004). Queste regioni fanno parte del lobo medio-temporale e sono fondamentali per la codifica di nuovi ricordi, così come per la fissazione di quelli recenti. Esse, inoltre, rientrano tra i primi bersagli della malattia in termini di alterazioni istologiche e neuro-fisiologiche; queste ultime correlano bene con i deficit mnemonici e sono considerate sintomi precoci della malattia (Sperling, Mormino, Johnson 2014; Squire, Stark, Clark 2004). In ippocampo l'attività di network pi๠evidente è data dalle oscillazioni dei field potentials nelle bande di frequenza theta (4 - 12 Hz) e gamma (30 - 100 Hz). Si ritiene che le oscillazioni theta e gamma giochino un ruolo centrale nei processi di memoria, in quanto le loro proprietà , ovvero l'ampiezza, la frequenza e il loro grado di accoppiamento, cambiano durante i processi mnemonici; inoltre, esse sono predittive della prestazione di apprendimento (Lisman and Jensen 2013). E' dimostrato che molte oscillazioni cerebrali interagiscono tra di loro, un fenomeno noto come cross-frequency coupling (CFC) (Canolty and Knight 2010). Una particolare tipologia di interazione consiste nella modulazione esercitata dalla fase di un'oscillazione pi๠lenta sull'ampiezza di un'altra pi๠veloce, da cui il nome CFC fase-ampiezza (PAC, phase-amplitude CFC). In ippocampo, il PAC delle oscillazioni theta sulle gamma ha attratto un crescente interesse, in virt๠del fatto che ha dato prova di essere un aspetto fisiologico notevolmente adeguato per predire la prestazione mnemonica (Axmacher et al. 2010; Tort et al. 2009). In particolare, la perdita di coupling in ippocampo compromette il processo di apprendimento (Shirvalkar, Rapp, Shapiro 2010). Inoltre, una caratteristica dei segnali elettrofisiologici cerebrali è il comportamento '1/f' dello spettro di potenza nel dominio della frequenza, nel senso che l'ampiezza di ogni componente in frequenza decade in funzione della frequenza. Assieme ad altre caratteristiche, la rapidità di decadimento dello spettro di potenza (steepness), misurata come pendenza della funzione in una rappresentazione semilogaritmica, si è rivelata particolarmente informativa dell'attività di network. Allo stato attuale, non esistono terapie efficaci per arrestare o far regredire l'AD. Un marcatore (o una combinazione di marcatori) per una diagnosi precoce non invasiva della patologia "cioè prima della comparsa dei deficit cognitivi" migliorerebbe l'efficacia delle strategie attuali e future per contrastare la progressione della malattia (Sperling and Johnson 2013a). Inoltre, è stato provato che le mutazioni FAD della presenilina 1 (PS1) e della presenilina 2 (PS2) sono in grado di alterare l'omeostasi del calcio (Ca2+) intracellulare, una caratteristica comune nell'AD (Zampese et al. 2011a). Recentemente, è stato poi dimostrato che gli effetti della PS2-N141I sull'omeostasi del Ca2+ sono precoci ed indipendenti dai livelli di Aß (Kipanyula et al. 2012; Zampese et al. 2011a) Tuttavia, gli effetti della PS2 mutata a livello del network cerebrale non sono stati ancora esplorati. Gli obiettivi di questo lavoro erano (i) la valutazione degli effetti della mutazione FAD PS2-N141I sugli aspetti sopracitati dell'attività di rete ippocampale e (ii) l'identificazione di nuovi potenziali marcatori elettrofisiologici della fase preclinica dell'AD. A tal fine, abbiamo impiegato due modelli murini di FAD, PS2.30H e B6.152H, che esprimono la mutazione umana PS2-N141I, rispettivamente da sola o in combinazione con la mutazione Svedese dell'APP umana (Ozmen et al. 2009; Richards et al. 2003). Abbiamo studiato il local field potential (LFP) nella regione del giro dentato (DG, dentate gyrus) in ippocampo, nella condizione di anestesia con uretano. Attraverso metodi di analisi in frequenza e tempo-frequenza, abbiamo estratto diverse caratteristiche del segnale, tra cui l'ampiezza, la pendenza spettrale e il PAC tra oscillazioni theta e a frequenze maggiori. L'evoluzione temporale di queste caratteristiche è stata valutata analizzando tre età , ovvero 3, 6 e 12 mesi. Inoltre, abbiamo caratterizzato le nostre linee transgeniche per tre noti marker molecolari ed istologici della malattia. Abbiamo quantificato il livello di Aß42 ad ogni punto temporale, mentre la presenza di placche amiloidi e di astrogliosi è stata investigata a 3 e 6 mesi di età . A 6 mesi di età , riportiamo un significativo aumento della potenza delle oscillazioni slow-gamma (SG, 25 - 40 Hz) e high-gamma (HG, 40 - 90 Hz) nella linea PS2.30H e delle oscillazioni beta (10 - 25 Hz) e SG nella linea B6.152H. Le oscillazioni gamma e, pi๠in generale, un aumento di potenza ad ampio spettro, sono generate dall'attività del network locale e riflettono processi di computazione attiva (Buzsaki and Wang 2012). L'aumento della potenza nelle oscillazioni beta e gamma che osserviamo nei nostri modelli riflette, probabilmente, iperattività neuronale, coerentemente con osservazioni simili riportate nelle forme sia sporadica che familiare dell'AD, così come in diversi modelli murini di AD (Stargardt, Swaab, Bossers 2015). Nelle nostre linee, questa è la prima volta che la condizione di iperattività neurale di network è descritta, anche se in vitro era stata precedentemente riportata ipereccitabilità neuronale basata sul Ca2+ (Kipanyula et al. 2012). Nei topi B6.152H, l'iperattività coincide temporalmente con la comparsa delle placche amiloidi e dell'astrogliosi, mentre nei topi PS2.30H nessun marcatore molecolare o istologico risulta significativamente diverso dalla linea wt (wild-type) a qualunque delle età indagate. L'iperattività osservata è probabilmente dovuta all'espressione della PS2 mutata, piuttosto che al livello di Aß, il quale si è rivelato essere profondamente diverso nelle nostre due linee modello dell'AD. Solo nella linea B6.152H abbiamo trovato un pattern pi๠complesso di alterazioni. Oltre all'aumento di potenza ad ampio spettro, riportiamo un incremento del PAC tra oscillazioni theta e beta e tra theta e SG in questa linea a 6 mesi. Inoltre, i topi B6.152H mostrano una forte pendenza del power spectrum rispetto ai topi wt a 3 e 6 mesi di età . Sia l'overcoupling che l'incremento della pendenza spettrale sono riconducibili ad una condizione di iper-sincronicità neuronale, anche se con differenze importanti (Voytek and Knight 2015). E' da notare che la differenza tra topi B6.152H e wt in termini di pendenza spettrale è pi๠marcata a 3 mesi di età e diminuisce con l'invecchiamento. Pertanto, anche se ulteriori indagini saranno necessarie per convalidare questa osservazione, l'ipersincronicità del network ippocampale sembra essere un promettente marcatore precoce della malattia, almeno nel contesto di alti livelli di Aß.