Molecular mechanisms of fear learning and memory and their modulation by ketamine in adolescent mice

[E. Glavonić]

104 str.

Biologija - Neurobiologija / Biology - Neurobiology

Adolescencija predstavlja ranjiv razvojni period podložan javljanju psihijatrijskih poremećaja povezanih sa strahom, pri čemu ključnu ulogu u njihovom nastanku i održavanju ima narušen proces ekstinkcije straha, karakterističan za ovu starosnu grupu. Pored toga, adolescente odlikuje i smanjena efikasnost u odgovoru na terapiju ponovljenog izlaganja stresoru (engl. exposure therapy, ET), koja predstavlja terapiju prvog reda za poremećaje povezane sa strahom, a zasniva se na principima ekstinkcije straha. U svetlu ovih činjenica, razumevanje molekulskih mehanizama izmenjene ekstinkcije straha kod adolescenata i ispitivanje farmakoloških agenasa koji mogu doprineti njenom poboljšanju predstavljaju bitne istraživačke teme, čiji rezultati mogu imati implikacije za primenu ET u adolescentnoj populaciji. Kao oblik asocijativnog učenja, ekstinkcija straha se zasniva na mehanizmima sinaptičke plastičnosti, posredovanim proteinima koji deluju na nivou sinapse, poput glutamatskih NMDA i AMPA receptora, BDNF, i kinaza mTOR signalnog puta. U cilju karakterizacije molekulskih medijatora procesa ekstinkcije u adolescenciji, u ovoj disertaciji je ispitivana proteinska ekspresija različitih proteina sinaptičke plastičnosti u hipokampusu adolescentnih i adultnih miševa oba pola nakon četiri i sedam dana ekstinkcije. Takođe je ispitan potencijal ketamina da poboljša ekstinkciju straha kod adolescentnih životinja muškog pola, uz detekciju nivoa proteina sinaptičke plastičnosti u hipokampusu i prečeonoj kori, kao i analizu neuronskih korelata efekata ketamina na ovaj oblik učenja. Dobijeni rezultati su pokazali narušenu ekstinkciju straha kod adolescentnih mužjaka u poređenju sa adultima, pri čemu je uspešna ekstinkcija kod adolescentne grupe bila povezana sa aktivnošću NMDA-Erk-mTOR-GluA1 signalnog puta. Sa druge strane, ketamin je ubrzao proces ekstinkcije kod adolescenata muškog pola. što je bilo praćeno aktivacijom Akt-mTOR-GluA1 signalizacije. Takođe, pokazano je da su efekti ketamina na ekstinkciju povezani sa aktivacijom leve hemisfere infralimbičke kore, kao i dorzalnog i ventralnog hipokampusa, struktura ključnih za proces regulacije straha. Sumarno, rezultati ove disertacije su po prvi put okarakterisali molekulske mehanizme koji leže u osnovi smanjene efikasnosti ekstinkcije straha kod adolescentnih životinja, dok je ketamin izdvojen kao potencijalni tretman za poboljšanje ovog procesa kod adolescenata muškog pola. Na ovaj način, dobijeni rezultati pružaju doprinos potrazi za adjuvansima koji imaju potencijal da unaprede primenu ET u adolescentnoj populaciji.

Adolescence represents a vulnerable developmental stage susceptible to the onset of fear-related psychiatric disorders, where the impaired process of fear extinction, characteristic of this age group, plays a key role in their development and maintenance. Additionally, adolescence is marked by reduced response to exposure therapy (ET), a first-line therapy for fear-related disorders that is based on the principles of fear extinction. In light of these facts, understanding the molecular mechanisms underlying altered fear extinction in adolescents and examining pharmacological agents that can contribute to its improved efficacy are important research topics, with results that may have implications for ET application in the adolescent population. As a form of associative learning, fear extinction is based on synaptic plasticity mechanisms mediated by proteins acting at synaptic level, such as NMDA and AMPA glutamate receptors, BDNF, as well as kinases of the mTOR signaling pathway. In order to characterize molecular mediators of fear extinction in adolescence, we examined the protein expression of various synaptic plasticity proteins in the hippocampus of adolescent and adult mice of both sexes after four and seven days of extinction. We also investigated ketamine’s potential for improving fear extinction in adolescent male animals, along with the detection of synaptic plasticity proteins’ levels in the hippocampus and prefrontal cortex, as well as an analysis of neuronal correlates of ketamine’s effects on this form of learning. The obtained results showed impaired fear extinction in adolescent males compared to adults, with successful extinction in the adolescent group being associated with the activity of the NMDA-Erk-mTOR-GluA1 signaling pathway. On the other hand, ketamine accelerated the extinction process in adolescent males, which was accompanied by activation of Akt-mTOR-GluA1 signaling. In addition, our results showed that ketamine’s effects on fear extinction were linked to the activation of the left infralimbic cortex, as well as the dorsal and ventral hippocampus, structures critical for fear regulation. In summary, the results of this dissertation characterized, for the first time, the molecular mechanisms underlying the reduced efficiency of fear extinction in adolescent animals, while ketamine was highlighted as a potential treatment for improving this process in adolescent males. Thereby, our findings contribute to the search for ET adjuvants that have the potential to advance its clinical application in the adolescent population.

ekstinkcija straha, adolescencija, ketamin, sinaptička plastičnost, glutamatni receptori, mTOR signalni put, hipokampus, prečeona kora

fear extinction, adolescence, ketamine, synaptic plasticity, glutamate receptors, mTOR signaling, hippocampus, prefrontal cortex

577.27:612.8(043.3)

Tekst