Abstract:

Versione in italiano:

La migrazione è un disturbo cerebrale straordinariamente comune, disabilitante e costoso, caratterizzato da attacchi ricorrenti di mal di testa unilaterale e da una disfunzione globale nel trattamento delle informazioni multisensoriali. In un terzo dei pazienti, il mal di testa è preceduto da disturbi sensoriali transitori (aura emicranica) il cui correlato neurofisiologico è la depressione corticale da diffusione (CSD), un'onda che si propaga lentamente e che comporta una depolarizzazione quasi completa delle cellule cerebrali. Data la sua capacità di attivare la rete del dolore trigemino-vascolare, e quindi i meccanismi del mal di testa, e essendo la caratteristica misurabile più precoce dell'attacco emicranico, la CSD fornisce un modello traslazionale per la generazione dell'attacco emicranico. I meccanismi molecolari, cellulari e di circuito delle disfunzioni cerebrali primarie che sottendono la suscettibilità alla CSD e all'insorgenza dell'emicrania rimangono per lo più sconosciuti. Per ottenere approfondimenti meccanistici su queste questioni principali, utilizziamo modelli murini di emicrania emiplegica familiare (FHM), una forma rara di emicrania monogenica con aura, in particolare topi knockin FHM1 (topi FHM1) portatori di una mutazione gain-of-function nel canale neuronale CaV2.1 e topi FHM2 portatori di una mutazione loss-of-function nell'ATPasi α2 Na,K astrocitaria. Questo progetto mira ad affrontare alcune delle principali domande senza risposta nella neurobiologia della CSD e dell'emicrania con aura. Quali sono i meccanismi molecolari e cellulari di iniziazione e propagazione della CSD e della sua facilitazione in FHM? Come vengono alterati la funzione della rete, la plasticità e l'equilibrio eccitatorio-inibitorio (E/I) in FHM e dopo CSD in diverse aree cerebrali? Come si accende una CSD nel cervello degli emicranici in risposta a specifici fattori scatenanti dell'emicrania? Investigueremo i meccanismi di iniziazione e propagazione della CSD sperimentale in topi WT e della sua facilitazione in topi FHM (Obiettivo 1), combinando registrazioni patch-clamp con immagini del segnale ottico intrinseco, immagini di glutammato e farmacologia in fette acute della corteccia del barilotto, nonché immagini di glutammato in topi svegli a testa fissa e liberamente comportanti. In parallelo, investigueremo le alterazioni nell'organizzazione spaziale e temporale dell'attività della rete, l'equilibrio E/I e la plasticità a livello di rete prodotte dalle mutazioni FHM e dalla CSD, utilizzando una matrice multielettrica ad alta densità su fette acute di diverse aree cerebrali; poi indagheremo l'impatto di queste alterazioni sull'attività cerebrale in topi liberamente in movimento durante il comportamento, utilizzando l'imaging del calcio microendoscopico (Obiettivo 2). Per affrontare l'ultima domanda aperta, investigueremo i meccanismi di facilitazione dell'iniziazione della CSD da deprivazione del sonno, un noto fattore scatenante dell'emicrania (Obiettivo 3), utilizzando gli stessi metodi degli obiettivi 1 e 2 per l'indagine dei meccanismi molecolari, cellulari e di circuito nelle fette cerebrali e in topi svegli a testa fissa e/o liberamente comportanti; eseguiremo anche registrazioni EEG continue longitudinali e/o LFP in topi liberamente in movimento per investigare se una lieve deprivazione del sonno scateni CSD "spontanee" nei topi FHM.

English version:

Migraine is a remarkably common, disabling and costly brain disorder characterized by recurrent attacks of unilateral headache and a global dysfunction in multisensory information processing. In a third of patients, the headache is preceded by transient sensory disturbances (migraine aura) whose neurophysiological correlate is cortical spreading depression (CSD), a slowly propagating wave of nearly complete depolarization of brain cells. Given its ability to activate the trigeminovascular pain network, and hence the headache mechanisms, and being the earliest measurable feature of the migraine attack, CSD provides a translational model of migraine attack generation. The molecular, cellular and circuit mechanisms of the primary brain dysfunctions that underlie susceptibility to CSD and migraine onset remain largely unknown. To obtain mechanistic insights into these major questions we use mouse models of familial hemiplegic migraine (FHM), a rare monogenic form of migraine with aura, namely FHM1 knockin mice (FHM1 mice) carrying a gain-of-function mutation in the neuronal CaV2.1 channel and FHM2 mice carrying a loss-of-function mutation in the astrocytic α2 Na,K ATPase. This project aims to tackle some of the key unanswered questions in CSD and migraine with aura neurobiology. What are the molecular and cellular mechanisms of initiation and propagation of CSD and of its facilitation in FHM? How are network function, plasticity and excitatory-inhibitory (E/I) balance altered in FHM and after CSD in different brain areas? How does a CSD ignite in the brain of migraineurs in response to specific migraine triggers? We will investigate the mechanisms of initiation and propagation of experimental CSD in WT mice and of its facilitation in FHM mice (Aim 1), combining patch-clamp recordings with intrinsic optic signal imaging, glutamate imaging and pharmacology in acute barrel cortex slices, as well as glutamate imaging in awake-head fixed and freely behaving mice. In parallel, we will investigate the alterations in the spatial and temporal organization of network activity, E/I balance and plasticity at the network level produced by FHM mutations and CSD, using a high-density multielectrode array on acute slices from different brain areas; we will then investigate the impact of these alterations on brain activity in freely moving mice during behavior, using microendoscopic calcium imaging (Aim 2). To tackle the last open question, we will investigate the mechanisms of facilitation of CSD initiation by sleep deprivation, a well known migraine trigger (Aim 3), using the same methods as in aims 1 and 2 for the investigation of the molecular, cellular and circuit mechanisms in brain slices and awake-head fixed and/or freely behaving mice; we will also perform longitudinal continuous EEG and/or LFP recordings in freely behaving mice to investigate whether gentle sleep deprivation triggers “spontaneous” CSDs in FHM mice.

Contatti: nazareno.paolocci@unipd.it