Exploring the molecular determinants of behavioral changes induced by ketamine at the nanoscale
Caractérisation des déterminants moléculaires des changements comportementaux induits par la kétamine à l'échelle nanométrique
Abstract
In the central nervous system (CNS), NMDA receptors (NMDAR), part of the ionotropic glutamate receptors family, mediate the majority of fast excitatory neuronal transmission. By allowing calcium influx into neuronal cells and subsequent activation of signaling pathways, NMDAR play a central role in synaptic plasticity events that occur during development and underly cognition and memory processes. Recent advances in super resolution microscopy have revealed unexpected dimensions of NMDAR signaling beyond their ionotropic function, which contribute to synaptic physiology. Indeed, NMDAR adopt a precise and dynamically regulated nanoscale organization at synapses which regulates their plasticity and controls memory formation, thereby raising the question whether NMDAR synaptic organization can be of therapeutic interest. Moreover, competitive and non-competitive antagonists like open channel blockers (OCBs) elicit similar inhibition of NMDAR signaling but result in distinct behavioral outcomes, suggesting mechanisms independent of ion flux blocking. Using a combination of super resolution microscopy techniques and behavioral testing, we demonstrate that the non-competitive NMDAR antagonist ketamine enhances the synaptic trapping of receptors, and thereby alleviates anxiety/depressionlike behavioral deficits caused by autoantibodies from psychotic patients. We then examinedwhether these changes in NMDAR distribution at synapses may contribute to ketamine-elicited rearrangements in brain connectivity supporting its antidepressant properties. Major depressive disorder is a leading cause of disability worldwide and is believed to be the consequence of abnormal activity in key structures supporting mood and reward, namely cortico-meso-limbic structures. Current treatments, such as serotonin-based pharmacotherapies and psychotherapies, have a delayed onset of action and still up to one-third of patients are resistant. Thus, the recent discovery that a subanesthetic dose of ketamine induce a rapid-acting and sustained antidepressant effect has risen new hopes for the treatment of depression. Despite intense investigation, the mechanisms through which ketamine acts on NMDAR signaling within the cortico-meso-limbic network to produce its antidepressant effect remain unclear. To address this, we have developed a multi-level approach combining single-molecule imaging to monitor NMDAR synaptic redistributions and detection of immediate early gene expression in a pharmacological model of depression using light-sheet microscopy to identify network rearrangements induced by ketamine. Among all existing depression model, experiments were performed on a pharmacological model using corticosterone (CORT). A battery of behavioral tests was performed to evaluate ketamine impact on different modalities of the depression-like phenotype. We then assessed activity changes and network rearrangements at early (90 min)and later (24 hours) stages of ketamine antidepressant effect establishment. Parallel singleparticle tracking using photoactivated localization microscopy (PALM) experiments were performed on cortical neurons chronically incubated with corticosterone to examine changes in GluN2A-NMDAR and GluN2B-NMDAR organization at synapses, 90 min or 24 hours after ketamine. Overall, we provide new molecular mechanisms supporting ketamine-elicited behavioral changes, offering NMDAR synaptic distribution manipulation as a therapeutic strategy for both autoantibody-induced pathological deficits and depressive-associated deficits.
Au sein du système nerveux central (SNC), les récepteurs glutamatergiques de type NMDA (RNMDA) sont les principaux acteurs de la transmission neuronale excitatrice, permettant l'entrée massive de calcium dans les cellules neuronales et l'activation subséquente de voies de signalisation spécifiques. Les récents progrès de la microscopie super résolution ont révélé qu’au delà de leur fonction ionotropique, leur organisation précise et dynamique à l'échelle nanométrique au niveau des synapses contribuent aux phénomènes de plasticité synaptique sous-tendant la cognition et la mémoire. Ces observations soulèvent la question de l’intérêt thérapeutique potentiel de l'organisation synaptique des NMDAR. De plus, les antagonistes compétitifs et non compétitifs tels que les bloqueurs de canaux ouverts (OCB) provoquent une inhibition similaire de la signalisation des RNMDA mais différents résultats comportementaux, ce qui suggère l’implication de mécanismes indépendants de la fonction ionotropique. En utilisant une combinaison de techniques de microscopie super résolution et de tests comportementaux, nous démontrons que la kétamine, un antagoniste non compétitif des RNMDA, favorise la rétention synaptique des récepteurs et atténue ainsi les déficits comportementaux de type anxiété/dépression provoqués par les auto-anticorps de patients psychotiques. Nous avons ensuite examiné si ces modifications de distribution synaptique des RNMDA pouvaient contribuer aux réarrangements de la connectivité cérébrale soutenant les propriétés antidépresseurs de la kétamine. La dépression est souvent attribuée à une activité anormale dans les structures clés soutenant l'humeur et la récompense, à savoir les structures cortico-méso-limbiques. Les traitements monoaminergiques actuels présentent un long délai d’efficacité et jusqu'à un tiers des patients sont résistants. Ainsi, la découverte qu'une dose sous-anesthésique de kétamine induit un effet antidépresseur rapide et durable a fait naître de nouvelles perspectives thérapeutiques. Cependant, les mécanismes par lesquels la kétamine agit sur la signalisation des RNMDA dans le réseau cortico-méso-limbique pour produire son effet antidépresseur ne sont toujours pas clairs. Les expériences ont été menées sur un modèle pharmacologique basé sur l’exposition chronique à la corticostérone (CORT). Une batterie de tests comportementaux a tout d’abord été réalisée pour évaluer l'impact de la kétamine sur les différentes modalités du phénotype dépressif chez la souris. Nous avons ensuite évalué à l’échelle mésoscopique les changements d'activité et les réarrangements des réseaux neuronaux au début (90 minutes) et à la fin (24 heures) de l'établissement de l'effet antidépresseur de la kétamine en couplant la détection de gène précoce immédiate et la microscopie à feuillet de lumière. Des expériences parallèles de suivi de RNMDA uniques par microscopie de localisation photoactivée (PALM) ont été réalisées sur des neurones corticaux chroniquement incubés avec de la corticostérone pour examiner les changements de diffusion des GluN2A-RNMDA et des GluN2B-RNMDA au niveau des synapses, 90 minutes ou 24 heures après la kétamine. Dans l'ensemble, nous démontrons l’implication de nouveaux mécanismes moléculaires pour expliquer les changements comportementaux induits par la kétamine. Notre travail propose la manipulation de la distribution synaptique des RNMDA comme stratégie thérapeutique ciblant les déficits pathologiques induits par les auto-anticorps et les déficits associés à la dépression.
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