Substantia Nigra pars compacta in Parkinson´s Disease: Function and Vulnerability

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Substantia Nigra in Parkinson’s Disease: Exploring the encoding of movement kinematics by Dopaminergic Neurons

Publication . Sousa, Marcelo Duarte Dias Mendonça de; Costa, Rui M.

RESUMO: Para sobreviver, os animais têm de envigorar adequadamente as suas acções. Apesar da dopamina (DA) ter sido implicada na recompensa e aprendizagem por reforço, a perda de neurónios dopaminérgicos (DANs) da substantia Nigra pars compacta (SNc) leva invariavelmente a défices do movimento e do vigor do movimento. A doença de Parkinson (DP) é uma doença caracterizada por uma perda progressiva, assimétrica dos DANs da SNc. Os sintomas da doença incluem lentidão do movimento, tremor e rigidez – e no início da doença afectam um lado do corpo na ausência de sintomas contralaterais. Face às múltiplas funções descritas para os DANs, permanece pouco claro se os sintomas motores dos doentes com DP se devem a uma "falta de vontade" geral de agir, ou se dimensões específicas do movimento são perturbadas pela perda dos DANs. Reconhecendo a simetria do cérebro e do corpo dos mamíferos, e considerando a assimetria dos sintomas da DP, treinámos ratinhos numa nova tarefa operante self paced que permite a execução de sequências de movimentos utilizando apenas uma das patas. Os ratinhos foram treinados para executar sequências em que carregavam pelo menos 4 vezes na alavanca em menos de um segundo para receberem uma recompensa de sacarose. Graças à organização espacial da caixa, os ratinhos estão limitados a executar esta tarefa utilizando apenas uma das patas dianteiras (a direita ou esquerda). Os animais foram capazes de aprender e executar a tarefa, reduzindo a variabilidade de desempenho com o treino e atingindo uma fase assimptótica de desempenho em que não são encontradas diferenças de performance entre a pata esquerda ou direita. Após injecção unilateral de GCaMP6f floxed na SNc de ratinhos DAT-cre, avaliamos a função in vivo destes DANs geneticamente identificados. Verificámos que diferentes SNc DANs são modulados por diferentes eventos comportamentais: Movimento ou recompensa, independentemente do lado em que a acção foi executada. A identidade dos DANs era estável ao longo dos dias, com actividade semelhante em diferentes sessões após aprendizagem. Os DANs da SNc aumentam transitoriamente a sua actividade antes dos movimentos das patas ipsi e contralateral. No entanto, esta actividade é mais elevada antes das sequências realizadas com a pata contralateral. Depois de executar uma sequência, os ratinhos recolhem a recompensa. Descobrimos que a actividade DA era mais elevada durante as aproximações à recompensa com movimentos contraversivos em comparação com ipsiversivos, mas não foi encontrada evidência de lateralização de resposta nos DANs modulados após a recompensa. Também encontramos evidência de lateralização do vigor do movimento. A actividade dos SNc DANs era mais elevada antes de sequências contralaterais mais longas (em comparação com curtas). Isto não foi encontrado ipsilateralmente. Quando se lesionou os terminais dopaminérgicos da SNc no estriado com uma injecção unilateral de 6-Hidroxidopamina (6-OHDA), descobrimos que esta reduzia o vigor das sequências de movimento contralaterais – mas não ipsilaterais. Em humanos, utilizamos análise cinemática 3D baseada em sensores inerciais, para avaliar a marcha de doentes com DP. Demonstramos que esta marcha é caracterizada por um défice de vigor e alguma assimetria. Conseguimos construir uma nova variável a partir de uma combinação linear de múltiplas dimensões cinemáticas e demonstramos a existência de convergência de validade entre a cinemática e avaliação clínica dos doentes. Mostramos a robustez desta medida numa segunda coorte. A lateralização da actividade dos DANs relacionados com o movimento é consistente com um papel destes neurónios em aspectos cinemáticos do movimento. Este resultado é suportado pelos achados em lesões unilaterais da SNc em ratinhos, assim como pela assimetria observada nos doentes com DP. Não foi encontrada evidência de lateralização nas respostas relacionadas com a recompensa. Isto sugere que diferentes subpopulações funcionais da SNc podem influenciar a aprendizagem e o desempenho de acções por diferentes mecanismos. Na DP, a degeneração dos DANs da SNc segue uma organização espacial. Há uma perda preferencial de DANs na SNc ventro-lateral que progride medial e dorsalmente. Tendo identificado uma heterogeneidade funcional e temporalmente estável dos DANs da SNc, é possível que a degeneração de diferentes partes deste sistema contribua para diferentes sintomas motores e não motores na DP. Clarificar se existe uma ligação entre a heterogeneidade genética e o fenótipo funcional destes neurónios poderá informar futuros estudos sobre a vulnerabilidade selectiva dos neurónios da SNc e guiar estratégias neuroprotectoras. A avaliação de alta resolução dos sintomas motores na DP será fundamental para a descoberta de fármacos neuroprotectores em ensaios de modificação da doença e democratizaria a avaliação clínica dos pacientes.

2022-02-25Tese de doutoramento

Acesso aberto

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Entidade financiadora

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Programa de financiamento

OE

Número da atribuição

SFRH/BD/119623/2016