Pharmacological studies on the neural substrates of social behavior in health and disease states

Abstract

The terms “social behavior” refer to all the behaviors that influence, or are influenced by other members of the same species and are essential for a series of function that allows animals and humans to survive. For instance, it is instrumental to successfully interact with members of the same species, to obtain food, mates and avoid predation. A better understanding of the neural mechanisms underlying social behavior is crucial, as several studies suggest that adequate social stimuli during early life are critical for developing appropriate socio-emotional and cognitive skills, while adverse social experiences negatively affect the proper development of brain and behavior, increasing, for instance, the susceptibility to develop psychiatric conditions. Indeed, social dysfunctions are a key symptom of several neuropsychiatric disorders, including Autism Spectrum Disorder (ASD). ASD is a one of the most severe paediatric psychiatric condition, in terms of prevalence and outcome, and it is characterized by marked deficits in the social domain. To date, no specific treatments for ASD are available yet. In this context, preclinical research has a crucial role in the understanding of the pathophysiological and neurobiological aspects of ASD. Indeed, animal models allow to mimic specific symptoms, and to study the role of genetic and environmental factors, as well as their potential interaction, at the base of the onset of ASD. Besides, animal models are essential to validate new therapeutic targets and the efficacy of potential new drugs. The general aim of my PhD was to study typical and atypical forms of social behavior in animal models, in order to: (1) study neurobiological aspects of social behavior and shed light on possible neurochemical alterations causing social dysfunctions in psychiatric diseases; (2) find new therapeutic opportunities to treat the social dysfunctions that characterize several psychiatric disorders. To address these aims, I used rodent models displaying either normal or atypical patterns of social behavior. In the first part of my PhD project, I studied the neural mechanisms underlying social play behavior, that is the most characteristic form of social behavior displayed by young mammals and it is profoundly impaired in several psychiatric disorders. In particular, I performed behavioral and biochemical experiments to investigate how the endocannabinoid and the endogenous opioid systems interact in the modulation of social play (Chapter 3). The results of this study showed that a unidirectional cross-tolerance between opioid and endocannabinoid neurotransmission in the modulation of social play behavior exists. Then, to clarify the involvement of dopaminergic and noradrenergic neurotransmission in social play behavior, I studied how Methylenedioxypyrovalerone (MDPV), a psychoactive stimulant compound belonging to the synthetic cathinones, pharmacologically interact with these two neurotransmitter systems to modulate social play behavior in rats (Chapter 4). This study showed that MDPV reduces social behavior in rats through the simultaneous stimulation of α-2 adrenoceptors and dopamine receptors. During the second part of my PhD project, I studied atypical patterns of social behavior in rodents to find hints for new therapeutic opportunities to treat social dysfunctions. First, I set up and validated the well-characterized animal model of autism based on prenatal exposure to valproic acid (VPA) (Chapter 5). I also investigated the involvement of the endocannabinoid system in the sex specific ASD-like socio-emotional, cognitive and repetitive symptoms displayed by rats prenatally exposed to VPA (Chapters 6). Thanks to this study, I found that female rats are somehow less vulnerable to the deleterious effects of prenatal VPA exposure on social communication, emotional reactivity and cognitive performance than male rats. I also found that prenatal VPA exposure alters the phosphorylation of CB1 cannabinoid receptors in a sex-, age- and tissue-specific manner. On these bases, I tested the ability of the selective anandamide hydrolysis inhibitor URB597 to rescue the atypical social behaviors displayed by male and female VPA-exposed rats in the course of development. I found that enhancing anandamide signaling reversed the behavioral deficits displayed by VPA-exposed animals of both sexes. As the altered social behavior displayed by VPA-exposed rats could be due to either a deficit in social reward processing or to a more general inability to properly understand and respond to social signals, I investigated whether the social deficits displayed by VPA-exposed rats are associated with changes in more specific reward-related behaviors, including social, drug and food rewards. Thus, I performed behavioral, electrophysiological and neurochemical experiments to test the involvement of the brain reward system in the social dysfunctions displayed by rats prenatally exposed to VPA (Chapter 7). I found that VPA-exposed rats show altered expression of dopamine receptors together with inherent hyperexcitability of medium spiny neurons (MSNs) in the NAc. However, when tested for tasks aimed at analyzing reward-related behavior such as socially-induced conditioned place preference, locomotor response to amphetamine and sucrose preference, control and VPA-exposed rats performed similarly, indicating normal responses to social, drug and food rewards. Thus, it is possible that social dysfunctions displayed by VPA-exposed rats are more likely caused by alterations in cognitive aspects of the social interaction, such as the interpretation and reciprocation of social stimuli and/or the ability to adjust the social behavior of the individual to the changing circumstances in the social and physical environment, rather than to inability to enjoy the pleasurable aspects of the social interaction. In the last part of my PhD project, I focused on a model of prenatal exposure to cannabinoids in rats to study how early changes in the endocannabinoid system could interfere with social behavior later in life (Chapter 8). It is known that alterations of the endocannabinoid functionality contribute to the pathogenesis of several psychiatric and neurological disorders. As endocannabinoids are key modulators of neural plasticity and brain development, a variety of pathologies are thought to involve dysregulation of their signaling functions. In this study, I studied the effects of prenatal exposure to the cannabinoid receptor agonist WIN55,212-2 on the emotional reactivity and cognitive performance of male and female rat offspring from infancy through adolescence and tested the role of mGlu5 receptor signaling in the observed effects. We found that prenatally WIN exposed male infant pups emitted less ultrasonic vocalizations compared with male control pups when separated from the dam and siblings and showed increased locomotor activity, while females were spared. These effects were normalized when male pups were treated with the positive allosteric modulator of the mGlu5 receptor CDPPB. In conclusion, the research performed during my three-year PhD project increased our knowledge about the neurotransmitter systems and brain areas involved in the regulation of social behavior, both in health and disease states. Understanding the neural underpinning of social behavior, and particularly social play, in physiological conditions allowed me to study the foundation of the atypical social behaviors observed in both the preclinical model of ASD based on prenatal VPA exposure, and in the model of prenatal exposure to cannabinoids. These studies led me to identify some of the principal neurotransmitter systems involved in social behavior as new potential targets for the treatment of social dysfunctions. Among the others, the endocannabinoid system emerged as a promising pharmacological target for ASD, given its pivotal role in many functions that are disrupted in the disease, and its capability to mediate and participate in neuronal plasticity and brain development.

Il comportamento sociale viene definito come quell’insieme di comportamenti che sono influenzati e che influenzano a loro volta membri della stessa specie, ed è essenziale per una serie di funzioni che consentono agli uomini e agli animali di sopravvivere. Comprendere i meccanismi neurali alla base del comportamento sociale risulta cruciale in quanto diversi studi suggeriscono che le esperienze sociali, soprattutto nelle prime fasi della vita, giocano un ruolo fondamentale nel determinare lo sviluppo neurale e comportamentale degli individui. Recenti studi clinici e preclinici hanno, infatti, evidenziato come la presenza di stimoli sociali adeguati durante le prime fasi della vita risulta critica per lo sviluppo di abilità sociali e cognitive appropriate. Al contrario, l’esposizione ad esperienze sociali negative viene associata ad un alterato sviluppo neuronale, ad alterazioni cognitive, sociali ed emozionali, e ad una maggiore suscettibilità allo sviluppo di patologie psichiatriche. Non a caso, le disfunzioni della sfera sociale sono un sintomo tipico di diverse patologie neuropsichiatriche, prima fra tutte l’autismo. La sindrome dello spettro autistico (Autism Spectrum Disorder, ASD) è infatti uno dei più gravi disturbi psichiatrici dello sviluppo, in termini di prevalenza ed esito, ed è caratterizzata da marcati deficit nella sfera sociale. Attualmente, non sono ancora disponibili trattamenti specifici per questa patologia. In questo contesto, la ricerca preclinica, grazie all’impiego di modelli animali, è essenziale sia per una migliore comprensione degli aspetti patofisiologici e neurobiologici della patologia, sia per validare nuovi target terapeutici e l’efficacia di nuovi potenziali farmaci. Fra i modelli animali impiegati per lo studio delle disfunzioni della sfera sociale, occupano una posizione fondamentale i roditori, e soprattutto i ratti (Rattus Norvegicus) che, per la loro innata socialità, sono modelli animali ideali per lo studio del comportamento sociale e delle sue alterazioni. Alla luce di quanto descritto, lo scopo generale del mio dottorato di ricerca è stato quello di studiare forme tipiche e atipiche di comportamento sociale in modelli preclinici di ratto al fine di 1. studiare gli aspetti neurobiologici del comportamento sociale e far luce su possibili alterazioni neurochimiche che causano le disfunzioni sociali nelle patologie psichiatriche; 2. trovare nuove opportunità terapeutiche per curare le disfunzioni sociali che caratterizzano tali patologie. Durante la prima fase del mio progetto di dottorato, ho incentrato i miei studi sul comportamento di gioco sociale poiché esso risulta essere il comportamento sociale più caratteristico mostrato dai giovani mammiferi ed è profondamente compromesso in diversi disturbi psichiatrici tipici dello sviluppo, incluso l’autismo. In particolare, ho studiato come il sistema endocannabinoide e il sistema oppioide endogeno interagiscono nella modulazione del comportamento di gioco sociale, eseguendo esperimenti comportamentali e biochimici (Capitolo 3). I risultati di questo studio hanno mostrato che esiste una tolleranza crociata unidirezionale tra la neurotrasmissione oppioide ed endocannabinoide nella modulazione del comportamento di gioco sociale. Per chiarire invece il coinvolgimento del sistema dopaminergico e del sistema noradrenergico nel comportamento di gioco sociale del ratto, ho studiato come il Metilenedioxypyrovalerone (MDPV), un composto stimolante psicoattivo appartenente ai catinoni sintetici, interagisce farmacologicamente con questi due sistemi nella modulazione di tale comportamento (Capitolo 4). I risultati dei miei esperimenti hanno mostrato che l’MDPV riduce il comportamento sociale attraverso la stimolazione simultanea dei recettori adrenergici α-2 e dei recettori dopaminergici. Durante la seconda fase del mio progetto di dottorato ho studiato comportamenti sociali atipici nel ratto allo scopo di identificare nuovi target terapeutici per le disfunzioni sociali che caratterizzano molte patologie psichiatriche. Innanzi tutto, ho validato nel nostro laboratorio il modello preclinico di autismo basato sull'esposizione prenatale ad acido Valproico (VPA) nel ratto, studiando sia la progenie di sesso maschile che quella di sesso femminile. Successivamente, ho studiato il coinvolgimento del sistema endocannabinoide nei deficit socio-emozionali, cognitivi e nei comportamenti ripetitivi mostrati da ratti prenatalmente esposti a VPA (Capitoli 5, 6). Questo studio ha evidenziato che le femmine di ratto sono in qualche modo meno vulnerabili agli effetti deleteri che l’esposizione prenatale a VPA ha sulla comunicazione sociale, sulla reattività emozionale e sulle prestazioni cognitive rispetto ai ratti maschi. Al contrario, le femmine di ratto esposte a VPA mostrano deficit selettivi nel comportamento di gioco sociale e nelle stereotipie. Inoltre, le analisi biochimiche effettuate in questo studio hanno evidenziato che l'esposizione prenatale a VPA altera la fosforilazione dei recettori cannabinoidi CB1 in un modo specifico a seconda del sesso e dell’età della prole, e a seconda del tessuto cerebrale analizzato. Sulla base di questi risultati, ho testato la capacità dell'inibitore selettivo dell'idrolisi dell'anandamide URB597 di migliorare i comportamenti sociali atipici mostrati dai ratti maschi e femmine esposti a VPA nel corso dello sviluppo. I risultati ottenuti mostrano che l’aumento della concentrazione dell’anandamide, indotta dall'inibizione farmacologica della sua degradazione, è in grado di migliorare i deficit comportamentali esibiti da animali esposti a VPA di entrambi i sessi (Capitolo 6). L'alterato comportamento sociale mostrato dai ratti esposti a VPA potrebbe essere dovuto sia a un deficit nell'elaborazione delle proprietà gratificanti degli stimoli sociali, che alla loro incapacità di comprendere e rispondere adeguatamente agli stimoli sociali. Per rispondere a tale quesito, ho fatto ulteriori esperimenti comportamentali, biochimici ed elettrofisiologici, per determinare se i deficit sociali mostrati dai ratti esposti a VPA fossero associati a cambiamenti nella risposta a diversi stimoli gratificanti, di natura sociale e non sociale (Capitolo 7). I risultati di questo studio hanno evidenziato che i ratti esposti a VPA mostrano un'espressione alterata dei recettori della dopamina insieme ad ipereccitabilità intrinseca dei Medium Spiny Neurons (MSN) nel nucleus accumbens. Tuttavia, i ratti esposti a VPA si comportano in maniera analoga ai ratti di controllo quando vengono testati in test comportamentali finalizzati all'analisi delle proprietà gratificanti di stimoli sociali e non sociali. Alla luce di questo studio, è ragionevole pensare che le disfunzioni sociali presentate da ratti esposti a VPA siano più probabilmente causate da alterazioni degli aspetti cognitivi dell'interazione sociale, come l'interpretazione e la capacità di reciprocare lo stimolo sociale e / o la capacità di adattare il comportamento sociale alle circostanze ambientali, piuttosto che all'incapacità di elaborare gli aspetti gratificanti dell'interazione sociale. Nell'ultima parte del mio progetto di dottorato, ho usato un modello di esposizione prenatale a cannabinoidi nel ratto per studiare come cambiamenti precoci nel sistema endocannabinoide possano interferire con il comportamento sociale in fasi più avanzate della vita (Capitolo 8). È noto infatti che le alterazioni della funzionalità del sistema endocannabinoide contribuiscono alla patogenesi di numerosi disturbi psichiatrici e neurologici. Difatti, gli endocannabinoidi sono modulatori chiave della plasticità neurale e dello sviluppo del cervello e una varietà di patologie implica la dis-regolazione delle loro funzioni di segnalazione. In questo studio, ho valutato gli effetti dell'esposizione prenatale all'agonista del recettore dei cannabinoidi WIN55,212-2, sulla reattività emozionale e sulle prestazioni cognitive di ratti maschi e femmina dall’infanzia fino all’età adulta, analizzando il ruolo del recettore mGlu5 negli effetti osservati. Da questo studio è emerso come ratti maschi prenatalmente esposti a WIN55,212-2 mostrino alterazioni della comunicazione sociale in infanzia ed un aumento dell’attività locomotoria, rispetto alla loro controparte femminile. Questi effetti sono stati normalizzati quando gli animali maschi sono stati trattati con il modulatore allosterico positivo del recettore mGlu5, CDGPB. In conclusione, la ricerca svolta durante il mio progetto di dottorato ha aumentato le nostre conoscenze sui sistemi di neurotrasmissione e sulle aree cerebrali coinvolte nella regolazione del comportamento sociale, sia in condizioni tipiche che atipiche. Comprendere le fondamenta neurali del comportamento sociale, e in particolare del gioco sociale, in condizioni fisiologiche mi ha permesso di studiare le basi dei comportamenti sociali atipici osservati nel modello preclinico di ASD basato sull'esposizione prenatale a VPA e nel modello di esposizione prenatale ai cannabinoidi. Questi studi mi hanno portato a identificare nuovi potenziali target farmacologici per il trattamento delle disfunzioni sociali che caratterizzano molte patologie psichiatriche. Tra questi, il sistema endocannabinoide è emerso come un target farmacologico promettente nell’autismo, dato il suo ruolo fondamentale in alcuni comportamenti che risultano tipicamente alterati in questa patologia e la sua capacità di regolare la plasticità sinaptica e lo sviluppo del cervello.