The role of hippocampal A2A receptors in the generalization of conditioned fear

Abstract

O transtorno de stresse pós-traumático (TSPT) é uma doença psiquiátrica que pode desenvolver-se em indivíduos expostos a eventos psicologicamente traumáticos. Este transtorno mental ocorre em 5 a 10% da população, estando classificado como a quarta doença psiquiátrica mais comum em todo o mundo. Uma característica chave do TSPT é a sobre- generalização do medo, que consiste na transferência de um medo associado a um estímulo em particular para outro que partilhe semelhanças com o estímulo original.A investigação nesta área tem direcionado os seus esforços na tentativa de descortinar quais os mecanismos comportamentais e neurológicos por detrás da sobre-generalização do medo. Défices no processo de separação de padrões mediado pelo hipocampo (HPC) –incapacidade do HPC para descriminar entre dois contextos semelhantes – têm sido propostos como sendo o principal processo subjacente ao aumento da generalização do medo ao longo do tempo.Além do seu conhecido papel nas respostas emocionais, o HPC ventral (vHPC) tem sido implicado na memória espacial, uma habilidade manifestada pela sua capacidade de agregar a informação contextual recolhida pelo HPC dorsal (dHPC). Contudo, apesar de défices no desempenho funcional do vHPC serem apontados como uma possível explicação para a generalização do medo, a identificação dos mecanismos de plasticidade sináptica ao nível do hipocampo por detrás da generalização é ainda um desafio.Apesar do processo de depressão de longa duração (LTD, do inglês long-term depression), na sub-região CA1 do HPC, ter sido associado à codificação de detalhes espaciais num novo contexto, nenhuma relação entre este tipo de plasticidade sináptica e a generalização do medo foi ainda postulada.Em relação ao sistema adenosinérgico, os A2ARs têm sido implicados no desempenho da memória. Tal evidência tem sido correlacionada com a capacidade dos A2ARs em modular a potenciação de longa duração (LTP, do inglês long- term potentiation), em condições fisiológicas e patológicas. Recentemente, uma capacidade dos A2ARs para modular a LTD foi revelada sob condições patológicas, no hipocampo dorsal-medial. No entanto, o papel dos A2ARs ventrais e dorsais na LTD permanece inexplorado. Além disso, um corpo substancial de evidências sugere um interesse terapêutico nos A2ARs para gerir patologias relacionadas com stresse e medo.Assim, o presente estudo tem como objetivo principal avaliar os mecanismos de plasticidade sináptica do hipocampo que poderão explicar a generalização do medo para, mais tarde, explorar o envolvimento dos A2ARs.Os nossos dados revelaram uma influência do vHPC na generalização de memórias contextuais relacionadas com o medo – manifestada pela incapacidade desta região em produzir LTD – enquanto não apontam o dHPC como um possível interveniente na generalização do medo contextual. Mais ainda, demonstrámos que os A2ARs ventrais e dorsais não estão envolvidos na LTD em situações fisiológicas, contudo um ganho-de- função destes recetores em modular a LTD nestas regiões foi revelado em condições patológicas, nomeadamente, na generalização do medo. Em detalhe, o bloqueio agudo dos A2ARs permitiu resgatar os défices sinápticos da LTD observados em fatias ventrais de animais que generalizaram o medo, indicando assim que os A2ARs podem de fato ter um papel proeminente na generalização do medo.Apesar da importância do uso de biomarcadores para auxiliar na prevenção, diagnóstico e tratamento de várias doenças, não se conhece ainda nenhum biomarcador para TSPT. Nesse sentido, os nossos resultados parecem sugerir que alterações do sistema GABAérgico no vHPC podem estar associadas à generalização de medo, uma vez que os animais que generalizaram o medo parecem apresentar uma diminuição na imunoreactividade de gefirina no vHPC. Deste modo, tendo em vista uma aplicação terapêutica, este trabalho propõe fortemente o uso de antagonistas dos A2ARs para travar a generalização de medo, sugerindo ainda a gefirina como um biomarcador sináptico promissor da generalização do medo no vHPC.

Post-traumatic stress disorder (PTSD) is a condition that can develop in individuals exposed to an environmental, psychologically traumatic event. This disorder occurs in 5 to 10% of the population, ranking as the fourth most common psychiatric disorder in the world. A central feature of PTSD is over-generalized fear, which consists in the transference of fear from a particular stimulus to another one sharing similarities with the original stimulus. Research in this field is therefore gaining traction with many efforts being directed towards figuring out what are the behavioural and neural mechanisms of fear generalization.Deficits in the hippocampus (HPC)-mediated pattern separation (that is to say the disability of the HPC to discriminate between two similar contexts) have been proposed to be the main process underlying the increase in fear generalization that occur as the memory ages. Besides its already known role in emotional responses, the ventral HPC (vHPC) has been recently implicated in spatial memory, an ability manifested by its capacity to assemble the contextual information collected by the dorsal HPC (dHPC). However, although impairments of the vHPC have been suggested to be implicated has a putative mechanism underlying fear generalization, uncovering the exact hippocampal synaptic plasticity processes underlying fear generalization is still a challenge.Despite the fact that long-term depression (LTD) in the CA1 hippocampal sub-region has been associated with contextual novelty exploration, no association between this type of synaptic plasticity and fear generalization has been dissected yet.Regarding the adenosine system, A2ARs have been implicated in memory performance. Such an evidence has been correlated with the capacity of A2ARs to modulate long-term potentiation (LTP), under physiological and pathological conditions. Recently, a capacity of A2ARs to modulate LTD has been revealed under pathological conditions, in the dorsal-medial hippocampus. However, the role of ventral and dorsal A2ARs on LTD is still to be explored. Additionally, a substantial body of evidence suggests a therapeutic interest in A2ARs to manage stress and fear-related pathologies. Thus, the present study aims to evaluate the hippocampal synaptic plasticity mechanisms that might explain fear generalization to later on, explore the involvement of A2ARs.Taken together our data reveal an implication of the vHPC in generalized contextual fear memory – manifested by a disability of this region to produce LTD – while it did not reveal the dHPC as a possible structure implicated in contextual fear generalization.Furthermore, we have shown that ventral and dorsal A2ARs have no effect on the LTD amplitude under physiological situations, however a gain-of-function of A2ARs to modulate LTD in such regions is revealed under pathological conditions, namely, in fear generalization. In detail, the acute blockade of A2ARs was able to rescue the LTD synaptic impairments observed in ventral slices from the animals that generalized their fear, indicating that A2ARs could indeed have a prominent role in fear generalization.Despite the importance of biomarkers to help in the prevention, diagnosis and treatment of many diseases no biomarker for PTSD has been uncovered yet. Here, our results appear to suggest that alterations in the GABAergic system in vHPC could be related with fear generalization since the animals that generalized their fear seem to have a decrease in gephyrin immunoreactivity. Thus, this current work strongly proposes a therapeutic interest of using antagonists of A2ARs against fear generalization and suggests that gephyrin could be a promising synaptic biomarker for fear generalization in the vHPC.