Cholinergic modulation of cognitive process: behavioural, molecular and cellular approach studying the sustained attention performance on rats

Le proiezioni colinergiche che originano nel nucleus basalis di Meynert (porzione mediale del globus pallidus), substantia innominata (porzione ventrale del globus pallidus) e nel limbo orizzontale della banda diagonale (collettivamente noti come basal forebrain, BF) innervano l’intero mantello corticale. Tali afferenze sono considerate critiche nella mediazione delle funzioni attenzionali come ad esempio l’individuazione, la selezione e la rielaborazione degli stimoli. L’esatto meccanismo attraverso il quale il sistema colinergico telencefalico è in grado di mediare i processi di attenzione non è ancora ben noto. L’obiettivo di questa tesi è stato quello di indagare i meccanismi colinergici alla base dei processi di attenzione. In modo più specifico, è stato indagato il ruolo delle vie colinergiche ascendenti che hanno origine nel BF e che proiettano nella corteccia mediale pre- frontale (mPFC). Sono stati utilizzati differenti approcci di studio: (1) comportamentale, testando l’effetto del trattamento acuto e sub cronico di nicotina sul modello di attenzione sostenuta nel ratto; (2) cellulare, unendo a misure comportamentali, ottenute mediante il modello di attenzione sostenuta, delle manipolazioni chirurgiche nel ratto. A tal fine, sono stati iniettati via intracranica in mPFC nel ratto 192 IgG- saporina e acido ibotenico. (3) molecolare, monitorando e quantificando in vivo, in animali anestetizzati, l’attività colinergica indotta da potassio o da nicotina attraverso i livelli extracellulari di colina e acetilcolina utilizzando microelettrodi in ceramica enzima-selettivi rivestiti con acetilcolina esterasi + colina ossidasi (AChE+ChOx) o con la sola colina ossidasi (ChOx). Riassumendo, dagli studi descritti in questa tesi è emerso che il trattamento acuto di nicotina 0.32 mg/kg/ml ha portato ad una migliore prestazione attenzionale degli animali nel modello di attenzione sostenuta durante il blocco successivo alla presentazione del distrattore. Il trattamento sub- cronico di nicotina 0.35 mg/kg/ml per 15 giorni consecutivi ha portato ad una diminuzione transiente (ai giorni 1 e 2) della prestazione attenzionale degli animali nel modello di attenzione sostenuta. Durante il periodo di astinenza (in cui tutti gli animali sono stati trattati con salina per tre giorni consecutivi) e durante le sessioni di riesposizione al trattamento (salina o nicotina 0.35 mg/kg/ml in presenza e in assenza di un distrattore durante la sessione sperimentale) gli animali non hanno variato la prestazione attenzionale nel modello di attenzione sostenuta. Animali lesionati con acido ibotenico hanno mostrato una peggiore prestazione attenzionale nel modello di attenzione sostenuta rispetto ad animali lesionati con 192 IgG- saporina e animali di controllo. Durante la sessione in presenza del distrattore, animali lesionati con acido ibotenico hanno mantenuto una bassa prestazione attenzionale anche durante il blocco successivo alla presentazione del distrattore, mentre animali lesionati con 192 IgG- saporina non hanno mostrato nessuna differenza apparente, nonostante la riduzione del 75% di fibre colinergiche. Microelettrodi rivestiti con AChE+ChOx e unicamente con ChOx hanno rilevato una uguale attività colinergica indotta da potassio e nicotina, monitorata lungo tutta l’estensione ventrale della mPFC. In conclusione, tali dati hanno mostrato che la combinazione di aspetti comportamentale, cellulare e molecolare del processo di attenzione è un valido strumento per mimare le complessità dei processi cognitivi e per potenzialmente investigarne i meccanismi alla base.

Cholinergic projections from the nucleus basalis of Meynert (medial wall of globus pallidus), substantia innominata (ventral to the globus pallidus) and the horizontal limb of the diagonal band (collectively termed basal forebrain, BF) innervate the entire cortical mantel. These inputs are critically involved in the mediation of attentional functions such as the detection, selection and processing of stimuli. However, the exact mechanisms through which telencephalic cholinergic systems mediate attention remain poorly understood. The scope of this thesis was to better understand the cholinergic mechanisms underlying the attentional processes. More specifically, the role of the ascending neuronal projection system, particularly the cholinergic projections arising from the basal forebrain (BF) to the medial prefrontal cortex (mPFC) has been investigated. Different approaches has been utilized: (1) behavioural, testing the effect of acute and sub chronic nicotine on the sustained attention task on rats; (2) cellular, combining attentional measures obtained by behavioural sustained attention task performance with surgical manipulations on rats. 192 IgG-saporin or Ibotenic Acid or vehicle were intracranial infused into the rats’ mPFC. (3) molecular, detecting and quantifying the potassium- and nicotine- evoked cholinergic activity in vivo in terms of extracellular levels of choline and acetylcholine with sub- second temporal resolution using enzyme-selective microelectrodes coated with acetylcholinesterase + choline oxidase (AChE+ChOx) versus choline oxidase alone (ChOx-only). Summarising, from these studies it emerged that nicotine treatment at the dose 0.32 mg/kg/ml robustly enhanced the attentional performance during the post-distractor period on the sustained attention task. Sub- chronic nicotine treatment at the dose 0.35 mg/kg/ml for 15 consecutive days decreased transiently the attentional performance (on day 1 and day 2) on the sustained attention task. During the withdrawal period (where all the animals received saline for three consecutive days) and during challenge- sessions with either saline or nicotine 0.35 mg/kg/ml treatment in presence or absence of distractor during the second and third blocks of the session, the animals did not change the attentional performance on sustained attention task. Ibotenic Acid lesioned- animals showed decreased attentional performance on sustained attention task compared to IgG-saporin- and sham- lesioned animals. During distractor sessions, Ibotenic Acid lesioned- animals were not able to recover the attentional impairment at the post- distractor period, whereas 192 IgG- saporin- lesioned animals did not show any apparent difference in terms of performance, in spite of significant cholinergic fibres destruction. Potassium- and nicotine- evoked cholinergic signals recorded throughout the entire dorsal- ventral extent of the mPFC using enzyme- selective ceramic- based microelectrodes did not differ between AChE+ChOx and ChOx-only coated recording sites. Taken together, these data showed that the combination between behavioural, cellular and molecular aspects of the attentional process can be a valid tool to model the complexities of cognitive processes and to potentially better understand the underlying mechanisms.