Histological and functional characterization of a new in vivo model for cortical injury

Abstract

[ES] La corteza cerebral es responsable de muchas funciones cognitivas superiores. Alteraciones en los circuitos corticales llevan al desarrollo de condiciones neuropatológicas, siendo la lesión cerebral la primera causa mundial de discapacidad. Tras un daño cerebral, se produce una primera fase aguda de pérdida neuronal, seguida de una cascada inflamatoria y citotóxica. A continuación, se desarrolla un período de regeneración axonal y reorganización cortical que se alarga durante varias semanas. Aunque esta ventana de neuroplasticidad está actualmente en estudio, aún no se han trasladado a clínica tratamientos efectivos para la recuperación neuronal. Una causa de ello podría ser la ausencia de modelos de daño cerebral adecuados para su estudio, puesto que son a menudo diversos y generan una zona lesionada de gran tamaño.

El objetivo principal de este TFG es desarrollar y caracterizar un nuevo modelo in vivo de lesión cortical en ratón. Para el estudio de la reorganización cortical tras daño, se inyecta en la corteza motora contralateral un vector viral adenoasociado que expresa GFP, pudiendo así trazar las proyecciones corticales a través del cuerpo calloso. Una vez expresado, se provoca un daño mecánico en la corteza motora derecha, generando un fenotipo motor que es evaluado mediante diversas pruebas de comportamiento. Finalmente, se sacrifica a los animales y los correspondientes cerebros se someten a procedimientos histológicos. Se desarrolla una inmunohistoquímica en flotación que permite el marcaje múltiple. Se usan diferentes anticuerpos para evaluar la integridad tisular, la inflamación y la respuesta celular (células de parvalbúmina y redes perineurales).

El modelo propuesto permite una resolución tanto celular como subcelular. La lesión generada es lo suficientemente pequeña para estudiar la respuesta celular, la reorganización cortical y la regeneración axonal. Pero, también es lo suficientemente grande para generar un fenotipo motor detectable. El multiplexeado permite reducir el número de animales de experimentación al poder analizarse diferentes marcadores en las mismas muestras. En general, este novedoso modelo permitiría entender mejor la plasticidad y el comportamiento celular tras daño cerebral.

[EN] The cerebral cortex is responsible for many higher cognitive functions. Alterations in cortical circuits elicit several neuropathologic conditions, being brain injury the first cause of adult disability worldwide. After brain injury, a sudden acute phase of neuronal loss and an inflammatory and excitotoxic cascade takes place. This phase is followed by a longer period of axonal regeneration and cortical rewiring which lasts several weeks. Although this neuroplasticity window is currently in research, no effective treatments for recovery have been translated into clinic yet. This could be due to the lack of suitable brain injury models, which are diverse and often generate a vast lesioned area.

The main objective of this TFG is to develop and characterize a new in vivo model to produce a controlled cortical injury in mice. To study cortical rewiring upon injury, an adenoassociated viral vector expressing GFP is injected in the contralateral motor cortex to trace the cortical projections through the corpus callosum. Once expressed, a mechanical injury is performed in the right motor cortex, leading to a functional motor outcome that is evaluated with a battery of behavioral tests. Lastly, animals are sacrificed, and brains are collected for histological evaluation. On floating sections, a multiplexed approach is carried out using different antibodies to evaluate tissue integrity, inflammation, and cellular response (parvalbumin cells and perineuronal nets).

The proposed model allows volumetric, cellular, and subcellular resolution within the same samples. The generated lesion is small enough to study cell response, cortical rewiring, and axonal regeneration. But it is also big enough to generate a detectable motor impairment phenotype. Multiplexing allows reducing the number of animals required for research by analyzing different markers at the same time. In general, this ground-breaking experimental approach could offer a possibility to understand better plasticity and cell behavior upon brain injury.