Probing brain function with pharmacological MRI

Lo sviluppo di tecniche di risonanza magnetica funzionale (fMRI) ha rivoluzionato le ricerca neuroscientifica clinica, determinando la possibilità di investigare le dinamiche spazio-temporali dell’attività cerebrale in maniera non invasiva e con grande accuratezza. Sebbene la tecnica sia stata originariamente sviluppata in ambito clinico, essa ha il potenziale di poter essere utilizzata in ambito preclinico come efficace strumento investigativo e traslazionale. Tuttavia, l’implementazione preclinica di questi metodi è complicata da una serie di costrizioni sperimentali, in primis l’utilizzo di anestetici, che minano fortemente il potenziale traslazionale di queste tecniche. Il recente sviluppo di tecniche di "MRI farmacologico" (phMRI) offre la possibilità di superare alcune delle limitazioni sperimentali correlate all’implementazione di approcci fMRI classici in animali da laboratorio. La tecnica si basa sull'utilizzo di metodi fMRI per mappare alterazioni di attività cerebrale prodotte dalla somministrazione di sostanze psicoattive. Studi preliminari hanno evidenziato la capacità di generare robusti e specifici segnali phMRI anche in condizioni di anestesia, ed ha dimostrato la possibilità di stimolare selettivamente diversi sistemi di neurotrasmettitori. Sfruttando la conservazione di circuiti cerebrali tra specie, tecniche phMRI offrono quindi l’opportunità di ampliare in maniera significativa il repertorio di stimolazione neuronale a disposizione in ambito preclinico, consentendo di indagare selettivamente specifici aspetti della funzione cerebrale in diversi stati di precondizionamento neuronale. In tale contesto, le attività di ricerca di questa tesi sono state finalizzate ad ampliare il campo di applicazione di metodi phMRI preclinici in due diversi ambiti sperimentali: a) come modalità di indagine traslazionale, qualora applicata a modelli di malattia clinicamente rilevanti, b) più in generale come piattaforma investigativa per l'indagine della funzione cerebrale e della sua topologia funzionale in contesti sperimentali diversi. In un primo gruppo di studi, tecniche phMRI sono state impiegate per mappare i circuiti neuronali attivati da antagonisti del recettore del glutammato NMDA nel cervello del ratto (Sezione 4.1). Tali composti, grazie alle loro proprietà psicotogeniche, sono ampiamente sfruttati come modelli sperimentali di schizofrenia in animali ed in volontari allo scopo di valutare e validare nuovi trattamenti per la malattia. I risultati di questa ricerca hanno evidenziato uno specifico circuito corticolimbo- talamico che risulta essere attivato da antagonisti NMDAR sia nell'uomo che in Riassunto XII specie precliniche, e che è risultato essere modulabile da meccanismi antipsicotici diversi (Sezione 4.2). Il potenziale traslazionale dei metodi phMRI è stato ulteriormente avvalorato da un secondo gruppo di studi, in cui un approccio multi-parametrico “phMRI-based” è stato impiegato per indagare molteplici aspetti della funzione cerebrale in un modello murino di dipendenza da cocaina. Questa linea di investigazione ha evidenziato multiple alterazioni della funzione cerebrale basale e reattiva nel cervello di roditori esposti alla cocaina strettamente connesse a quelle osservate in analoghi studi di imaging su pazienti cocaina-dipendenti (Sezione 4.2). In una terza linea d’ investigazione, l'uso combinato di avanzate strategie di targeting neuro-genetico (pharmaco-genetic silencing) e phMRI si è dimostrato efficace nello stabilire correlazioni dirette tra cellule, circuito e comportamento in linee di topo geneticamente modificate. Questi studi hanno portato all’identificazione di una nuova e circoscritta popolazione neuroni nell'amigdala, in grado di controllare qualitativamente la risposta comportamentale alla paura attraverso il reclutamento di circuiti colinergici corticali (Sezione 4.3) Infine, l'approccio phMRI si è dimostrato uno strumento potente e versatile per l’implementazione di misure di connettività funzionale nel cervello di roditori. Questo aspetto ha permesso l’esplorazione di nuovi approcci statistici per l’analisi della topologia funzionale del cervello basati sulla rappresentazione di misure di connettività in termini di reti complesse (Sezione 4.4). Complessivamente, i risultati di questo lavoro avvalorano il potenziale traslazionale di metodi phMRI nell’ambito di diverse aree delle neuroscienze e della psicofarmacologia. La combinazione di phMRI e tecniche di manipolazione genetica avanzate definisce una nuova, potente piattaforma tecnologica per lo studio delle basi circuitali del comportamento in animali da laboratorio.

The development of functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) has heralded a revolution in neuroscience, providing clinicians with a method to non-invasively investigate the spatio-temporal patterns of neuro-functional activity. Although primarily developed for human investigations, there exists significant scope for the application of fMRI in pre-clinical species as a translational and investigational platform across different areas of neuroscience and psychiatry research. However, the realization of this potential is hampered by a number of experimental constraints which make the application of fMRI methods to animal models less than straightforward. As a result, most fMRI research in laboratory species has been reduced to the employment of basic somato-sensory stimulation paradigms, thus greatly limiting the translational potential of the technique. An interesting approach to overcome some of these limitations has been dubbed “pharmacological MRI” (phMRI) and relies on the use of fMRI to map patterns of brain activity induced by psychoactive drugs. The approach has demonstrated the ability to elicit reliable fMRI signals even under anaesthesia, and to enable selective stimulation of different neurotransmitter systems. Building upon the homology between brain circuits in humans and laboratory animals, phMRI techniques thus offer the opportunity of significantly expanding the stimulation repertoire available to preclinical fMRI research, by allowing to selectively probe specific aspects of brain function under different preconditioning states. Within this framework, the research presented herein was aimed to broaden the scope of application of preclinical phMRI both as a translational technique, when applied to clinically-relevant disease models, and more generally as a versatile platform for the pre-clinical investigation of brain activity and its functional topology as a function of behavioural, pharmacological or genetic preconditioning. In a first group of studies, we developed a phMRI assay to map the circuitry activated by NMDAR antagonists in the rat brain. These psychotogenic compounds are widely exploited to model schizophrenia symptoms and to provide experimental models that may prove useful in the development of novel treatments for the disorder. The results of this research highlighted a conserved cortico-limbo-thalamic circuit that is activated by NMDAR antagonists both in humans and preclinical species, which can be modulated by existing and novel antipsychotic drugs (Section 4.1). The translational potential of phMRI measurements was further corroborated by a second group of studies, where a multi-parametric phMRI-based approach was applied to investigate multiple facets of brain function in a rodent cocaine selfSummary X administration model, a behavioural paradigm of established construct-validity for research of drug addiction. This line of investigation revealed specific basal and reactive functional alterations in the brain of cocaine-exposed rodents closely related to those observed in analogous neuroimaging studies in humans (Section 4.2). In a third line of investigation, the combined use of advanced neuro-genetic targeting strategies (i.e. pharmacogenetic silencing) and phMRI has proven successful in establishing direct correlations between cells, circuit and complex behaviours in genetically engineered mouse lines. These studies (Section 4.3) have led to the identification of a novel cell population in the amygdala that controls the behavioural response to fear through the recruitment of cholinergic circuits. Finally, the phMRI approach has proven a powerful tool to explore functional connectivity in rodents, and to map a variety of different neurotransmitter pathways by performing measures of correlated responses in spatially remote brain areas. This has provided a useful playground to explore novel statistical methods of analysis of functional connectivity represented in terms of complex networks (Section 4.4). Collectively, the results of this work strongly corroborate the translational use of phMRI approaches, and pave the way to the integrated implementation of phMRI and advance genetic manipulation as a novel powerful platform for basic neurobiological research.