The importance of the excitatory/inhibitory balance in neuronal circuits emerges from studies on pathological conditions, which indicate that a distortion of the dialogue between excitatory and inhibitory neurons is likely to be at the basis of most, if not all, cognitive deficits (1,2). A growing body of evidence indicates that alterations in development of inhibitory interneurons play a prominent role in the etiopathogenesis of neurodevelopmental disorders. Inhibition is also dependent on the electrochemical gradient of Chloride (Cl-) since this is the main ion flowing through the GABA ionotropic receptor. The importance of the regulation of intracellular chloride ([Cl-]i) in neurodevelopmental disorders is widely recognized (3,4). In previous studies we found that in transgenic mice carrying a null mutation in oligophrenin1 (OPHN1) (4,5), a X-linked gene associated to intellectual disability (ID) and autism spectrum disorders (ASD) in humans (6), the development and migration of forebrain GABAergic inhibitory interneurons are deeply altered. In these mice, we dissected the impact of OPHN1 mutation at system levels, by studying behavior, neuronal circuit activity and dynamics by means of electrophysiological and multiphoton imaging in vivo. We address this topic in the olfactory bulb and connected brain areas, since olfaction allows to investigate both sensory and cognitive process, which are both altered in ID-ASD. Our data indicate that both olfactory behavior and networks dynamics are deeply altered in OPHN1 mutant mice. Noteworthy, GABAergic inhibitory interneurons presented an abnormal development and response polarity in OHN1 KO mice due to altered homeostasis of [Cl-]i. GABA response polarity is not univocal but critically depends on [Cl-]i which is regulated by passive fluxes through Cl-permeable channels and by Cl cotransporters. Our scares understanding of Cl regulation is underlined by our recent discovery, obtained by in vivo 2-photon imaging (7), that [Cl-]i in pyramidal neurons follows a diurnal change with high [Cl-]i when mice are awake (night), relative to when they are mostly asleep (midday) (8). Importantly, the Cl- cycle occurs in counterphase with mTOR activity and protein synthesis. The diurnal cycle of [Cl-]i determines a modulation of the inhibitory feedback in the cortex as witnessed by changes in visually driven gamma oscillations between day and night. Furthermore, we observed that the [Cl-]i cycle determines a greater susceptibility to epileptic seizures at night, compared to midday (7). We expect that these data will help understanding the complex and largely mysterious circadian dependency of most psychiatric and neurological manifestations. Our new data show that [Cl-]i regulation is a complex phenomenon intertwined with circadian rhythm and mTOR-driven protein translation. We expect that this novel link between circadian mechanisms, proteostasis and neuronal excitability, might offer novel treatable pathways.

L'equilibrio dinamico tra eccitazione ed inibizione è uno degli elementi chiave del funzionamento del cervello e la rottura di questo bilancimento è alla base della maggior parte delle patologie cognitive (1,2). Questa perturbazione puo avvenire per difetti genetici che portano ad un disturbo dello sviluppo dei neuroni inibitori oppure può dipendere da fattori legati alla regolazione del cloro intracellulare (Cl-) dato che l'ingresso di questo ione attraverso le sinapsi inibitorie è alla base della inibizione veloce. Il flusso del Cl- è determinato dalla sua concentrazione intracellulare ([Cl-]i) e infatti la sua regolazione è un elemento di grande importanza fisiopatologica (3,4). In studi precedenti abbiamo scoperto che in topi transgenici che mancano della oligofrenina1 (OPHN1) (4,5), un gene posto sul cromosoma X associato a disabilità intelletuali e a segni propri delle malattie dello spettro autistico (ASD) (6), lo sviluppo e migrazione dei neuroni inibitori è profondamente alterata. In questi topi abbiamo studiato l'impatto della perdita del gene, mediante elettrofisiologia ed imaging a due fotoni, nel bulbo olfattivo e nelle aree connesse. In queste aree, OPHN1 è normalmente fortemente espresso e il sistema olfattivo permette di studiare sia le funzioni sensoriali che processi cognitivi che sono affetti in ID-ASD. I nostri dati indicano che lo sviluppo degli interneuroni inibitori è anormale è che la direzione delle correnti cloro è alterata causa di difetti della regolazione del [Cl-]i. La dimostrazione che sappiamo ancora poco dei processi alla base della regolazione del [Cl-]i è data dalla nostra recente scoperta della esistenza di un ritmo diurno nella sua regolazione. Mediante imaging quantitativo a due fotoni (7), abbiamo scoperto che nelle cellule piramidali della corteccia visiva del topo, il [Cl-]i varia di quasi un fattore due, con il minimo durante il giorno, in corrispondenza del periodo di sonno, ed un massimo di notte, durante il picco di attività (8). Questa regolazione ciclica è in controfase con l'attività di mTOR, una proteina fondamentale per il controllo della sintesi proteica. Il ciclo del cloro causa una modulazione della funzione della corteccia visiva. Inoltre, la riduzione della inibizione causata dall'alto cloro notturno aumenta la suscettibilità della corteccia per l'induzione di attività epilettica. Riteniamo che questi dati siano importanti per fornire una spiegazione alla nota, ma in gran parte misteriosa, dipendenza dall'orario del giorno di numerose manifestazioni pschiatriche e neurologiche. Qui dimostriamo che la regolazione del cloro è un fenomeno complesso intrecciato con la regolazione circadiana delle funzioni cellulari e della sintesi proteica, In prospettiva, questa scoperta potrebbe aprire la strada alla individuazione di nuove strategie terapeutiche dirette a regolarizzare il rapporto eccitazione/inibizione nel cervello.

1. Gogolla N et al. J Neurodev Disord. 2009 doi:10.1007/s11689-009-9023-x. 2. Marín O. Nat Rev Neurosci. 2012 doi:10.1038/nrn3155. 3. Deidda G et al. Front Cell Neurosci. 2014 doi:10.3389/fncel.2014.00119. 4. Maset A et al. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 doi:10.1073/pnas.2016034118. 5. Redolfi N et al. Hum Mol Genet. 2016 doi:10.1093/hmg/ddw340. 6. Khelfaoui M et al. J Neurosci. 2007 doi:10.1523/JNEUROSCI.2029-07.2007. 7. Sulis Sato S et al. Proc Natl Acad Sci U S A 114, E8770-E8779. 8. Pracucci et al. (2022). Preprint (in revision for Nature Comm) doi: 10.21203/rs.3.rs-2258544/v1.

Epilepsy, Cognitive Deficits

Epilessia, difetti cognitivi