Atypical sensory processing is a proposed etiological factor underlying the development of behavioral deficits in autism spectrum disorder (ASD). Patients with Phelan-McDermid Syndrome (PMS) often show somatosensory processing dysfunction, including altered sensitivity to touch and tactile defensiveness [1]. Mice mutants of the Shank3 gene are generally considered a reliable model for studying ASD-like symptoms relevant to PMS [2]. Specifically, Shank3B mutant mice display aberrant whisker-independent texture discrimination and reactivity to tactile stimuli [3]. While behavioral deficits have been extensively described, the neural substrates of tactile sensory processing deficits in PMS are still poorly understood. We posited that 1) the cortical somatosensory response is affected in Shank3 haploinsufficient (Shank3B+/-) mice and contributes to the altered responsiveness of the behavioral phenotype; 2) focal inhibition of cortical activity can modulate the sensitivity to peripheral stimulation in Shank3B+/- mice. Preliminary results show that the spatiotemporal features of the sensory-evoked cortical response are substantially different in Shank3B+/- compared to wild type mice at post-natal day 60. Alterations of the sensory-evoked response involve most cortical regions including the barrel field and associative areas like the retrosplenial cortex. Specifically, the secondary response to the stimulus is the most affected, leading to a stronger and widespread late activation. Since the secondary response is associated with the perception of sensory stimuli, this aberrant and enduring activation suggests that perception of the stimulus is altered (and likely longer lasting) in Shank3B+/- mice. Finally, results show that the aberrant processing of sensory stimuli leads to modifications on the functional connectivity (FC) of the barrel field with many other regions. Interestingly, the FC differences between mutated and wild type mice are brain-state dependent, i.e. strong in wakefulness and absent in deeper anesthesia. We previously demonstrated the therapeutic potential of optogenetic stimulation in a mouse model of brain injury [4]. Therefore, in the next step, we will alter the sensory discrimination capacities of Shank3B+/- mice by employing optogenetic cortical inhibition of excitatory neurons to re-establish physiological functionality. To this aim, we successfully set the double cortical labeling with a calcium indicator and an optogenetic actuator mediated by AAV transfection and performed simultaneous imaging and optengetic stimulation [5]. Short- and long-term changes in sensory responsiveness will be validated by monitoring the behavioral phenotype and by imaging the cortical sensory response.

Alterata elaborazione corticale degli stimoli sensoriali e connettività funzionale atipica in topi SHANK3B+/- L'alterata elaborazione sensoriale è uno dei fattori contribuenti allo sviluppo di deficit comportamentali nel disturbo dello spettro autistico (ASD). I pazienti con la sindrome di Phelan-McDermid (PMS) spesso mostrano disfunzioni nell'elaborazione somato-sensoriale, come un'alterata sensibilità e difesa tattile [1]. I topi che presentano mutazione del gene Shank3 sono considerati un modello affidabile per lo studio di quei sintomi della PMS simili all'ASD [2]. In particolare, i topi Shank3B mutati mostrano un'alterata capacità di discriminare trame a grana differenti e una reattività agli stimoli tattili [3]. Sebbene i deficit comportamentali siano stati ampiamente investigati, le basi neurali sottostanti l'alterata elaborazione sensoriale nella PMS sono ancora poco conosciuti. Abbiamo ipotizzato che 1) l'alterata risposta corticale nei topi aploinsufficienti Shank3 (Shank3B+/-) contribuisca alla reattività anomala a livello comportamentale; 2) l'inibizione locale dell'attività corticale può modulare la sensibilità agli stimoli periferici in topi Shank3B+/-. I nostri risultati preliminari mostrano che, 60 giorni dopo la nascita, la risposta corticale evocata sensorialmente ha caratteristiche spaziotemporali diverse nei topi Shank3B+/- rispetto ai topi di controllo. Queste alterazioni coinvolgono molte regioni corticali tra cui la corteccia sensoriale del baffo e le aree associative. Nello specifico, è presente un'attivazione tardiva più forte e diffusa nei topi Shank3B+/- che evidenzia una risposta secondaria allo stimolo differente tra i due gruppi. Poiché la risposta secondaria è normalmente associata alla percezione degli stimoli sensoriali, questa attivazione aberrante e duratura ne suggerisce un'alterazione nei topi Shank3B+/-. I nostri risultati mostrano inoltre che l'anomala elaborazione degli stimoli sensoriali induce alterazioni della connettività funzionale (FC) della corteccia sensoriale del baffo con molte altre regioni corticali. Queste differenze dipendono fortemente dallo stato cerebrale: sono forti nella veglia e assenti in anestesia profonda. Grazie a studi precedenti abbiamo dimostrato il potenziale terapeutico della stimolazione optogenetica in un modello murino di lesione cerebrale [4]. Uno dei prossimi obbiettivi è manipolare le capacità di discriminazione sensoriale dei topi Shank3B+/- tramite inibizione optogenetica dei soli neuroni eccitatori, di modo da ristabilire una funzionalità fisiologica. A tal fine, abbiamo sviluppato una tecnica di doppia trasfezione corticale (indicatore calcio e attuatore optogenetico) mediante utilizzo di AAV che permetta imaging e stimolazione optogentica in simultanea [5]. I cambiamenti a breve e lungo termine nella risposta sensoriale saranno valutati monitorando il comportamento e analizzando la risposta corticale a seguito di stimolazione periferica.

[1] Philippe A et al., Neurobehavioral Profile and Brain Imaging Study of the 22q13.3 Deletion Syndrome in Childhood. Vol. 122, Pediatrics. 2008. p. e376-82. doi: 10.1542/peds.2007-2584 [2] Peça J et al., Shank3 mutant mice display autistic-like behaviours and striatal dysfunction. Nature 2011 Apr 28;472(7344):437-42. doi: 10.1038/nature09965 [3] Balasco L et al., Abnormal whisker-dependent behaviors and altered cortico-hippocampal connectivity in Shank3b−/− mice, Cerebral Cortex, Volume 32, Issue 14, 15 July 2022. doi: 10.1093/cercor/bhab399 [4] Conti E et al., Combining Optogenetic Stimulation and Motor Training Improves Functional Recovery and Perilesional Cortical Activity. Neurorehabil Neural Repair. 2022 Feb;36. doi: 10.1177/15459683211056656 [5] Resta F et al., Large-scale all-optical dissection of motor cortex connectivity shows a segregated organization of mouse forelimb representations. Cell Rep. 2022 Nov 8;41. doi: 10.1016/j.celrep.2022.111627

Phelan-McDermid Syndrome

Sindrome di Phelan-McDermid