Effects of metabolism upon neuronal activity and synaptic performance

• Author(s): Patrício, Clara Cunha Matos
• Date: 2013
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/10670
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Bioquímica; Teses de mestrado - 2013
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Lima, Pedro A.; Sebastião, Ana Maria, 1958-
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de mestrado em Bioquímica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2013

O objectivo desta dissertação é avaliar o efeito do metabolismo (ciclo de alimentação) na atividade neuronal. O trabalho centra-se nas correntes de potássio whole-cell em neurónios piramidais da região CA1 do hipocampo de ratos wistar, particularmente aquelas mediadas pelo canal Kv1.3. Dois objectivos foram estabelecidos: (1) avaliar se a expressão de Kv1.3 e respectiva corrente iónica são afectadas pelo metabolismo e (2) avaliar se o eixo dorsal-ventral do hipocampo é homogéneo no que toca à expressão de Kv1.3 e à sua corrente iónica. Para este efeito, foram usadas abordagens de electrofisiologia e de biologia molecular. Resultados surpreendentes revelam que os neurónios de ratos em período pós-prandial têm diferentes propriedades biofísicas (dependência da voltagem mais despolarizada e cinética mais lenta) e farmacológicas (maior contribuição de correntes sensíveis à margatoxina, possivelmente com dependência de voltagem alterada) em relação a células de ratos em jejum. Propõe-se a existência de um sistema de regulação complexo, de acordo com o ciclo de alimentação, nos neurónios em estudo. Esse sistema envolveria modificações nas populações de canais iónicos que são expressas na membrana neuronal (nomeadamente do Kv1.3, que a margatoxina inibe seletivamente), bem como vias metabólicas capazes de alterar as propriedades biofísicas destes canais (por exemplo alterando a sua fosforilação constitutiva). Mais, os resultados apresentados indicam que o hipocampo dorsal é mais afectado pelo condicionamento metabólico do que o polo ventral, sugerindo que as funções associadas às duas porções do hipocampo são afectas de forma diferente com o ciclo de alimentação. Estes resultados podem dar suporte neuronal para a noção intuitiva de que a consolidação da memória é afetada pelo ciclo de alimentação. Mostra-se ainda que os neurónios piramidais da região CA1 têm características biofísicas e farmacológicas irregulares ao longo do dorso-eixo ventral do hipocampo (as células dorsais têm uma cinética mais lenta, maior densidade de corrente e maior sensibilidade para a margatoxina), associadas a uma expressão diferencial do canal Kv1.3 (maior densidade na parte dorsal). Estes resultados vêm dar mais profundidade a evidências recentes que desafiam a premissa clássica de que os neurónios piramidais de CA1 são uma população electrofisiologicamente homogénea ao longo do eixo longitudinal do hipocampo. Concluindo, as nossas observações sugerem fortemente que a fisiologia dos canais iónicos, bem como a expressão de proteínas no neurónio, alteram-se durante os ciclos metabólicos de jejum/pós-prandial, inclusive ao longo do eixo dorsal-ventral do hipocampo. Fica assim em causa a ideia do cérebro ser uma entidade insensível a variações metabólicas.

This study aims to assess the effect of the feeding cycle onto neuronal performance. The work focused on whole-cell K+ currents in pyramidal neurons from CA1 region of wistar rats’ hippocampus, particularly those underlined by Kv1.3 channels. Two goals were established: (1) to assess if Kv1.3 expression and associated ionic currents are affected by metabolism and (2) to evaluate if the dorsal-ventral axis of the hippocampus is homogeneous regarding the Kv1.3 expression patterns and currents. For this purpose, electrophysiology and molecular biology approaches were used. Striking results reveal that fed rats’ neurons have different biophysical (more depolarized voltage-dependence and slower kinetics) and pharmacological (larger margatoxinsensitive currents, possibly with altered voltage-dependence) properties than fasting rats’ cells. It is proposed that a complex regulatory system according to the feeding cycle exists in these neurons. This system would involve modifications in ionic channels populations expressed in the neuronal membrane (namely Kv1.3, that margatoxin selectively inhibits) as well as metabolic pathways capable of altering the biophysical properties of these channels (for example by enhancing their constitutive phosphorylation). Furthermore, the dorsal hippocampus was more extensively affected by metabolic conditioning than the ventral pole, suggesting that functions associated with the two portions of the hippocampus are differently affected by the feeding cycle. These results may give neuronal backing for the intuitive notion of memory consolidation being affected by the feeding cycle. Additionally, CA1 pyramidal neurons had uneven biophysical and pharmacological profiles throughout out the length of the hippocampus - dorsal cells have slower kinetics, larger current density and larger sensitivity to margatoxin. Such uneven features are associated with a differential expression of Kv1.3 channel (higher density in the dorsal portion) throughout the dorsal-ventral axis of the hippocampus. These impressive results give further depth to recent evidence challenging the classical assumption that CA1 pyramidal neurones are an electrophysiologically homogenous population along the longitudinal hippocampal axis. All together, our observations strongly suggest that ion-channel physiology, as well as neural protein expression, change during fast-fed metabolic cycles and within the dorsal-ventral axis of the hippocampus, challenging the idea of a metabolically sealed brain.