Contribution of hippocampal diaschisis to the memory deficits associated with focal cerebral ischemia in the rat : converging behavioral, electrophysiological and functional evidence
Contribution du phénomène de diaschisis hippocampique aux déficits mnésiques associés à l’ischémie cérébrale focale chez le rat : convergences comportementale, électrophysiologique et fonctionnelle
Résumé
The cognitive consequences and the underlying mechanisms leading to cognitive impairments after cerebrovascular occlusive diseases are still unclear. In addition to the infarct zone that suffer the deadly consequence of ischemic stroke, the penumbra surrounding the lesion site and some brain regions more remote to the ischemic areas can be functionally affected by the insult. This phenomenon is referred to as diaschisis. In light of the importance of interactions between hippocampus and cortex during memory processing, we hypothesized that the cognitive impairments observed following focal ischemia could occur in the absence of direct hippocampal insult, possibly via impaired connectivity within cortico-hippocampal networks leading to diaschisis-induced hypofunctioning in specific hippocampal subregions. To examine this possibility, we used the distal middle cerebral artery occlusion (dMCAO) ischemic model in rats which induces restricted cortical infarct in the somatosensory (SS) cortex in the absence of direct hippocampal injury. dMCAO rats exhibited reduced expression of the activity-dependent gene c-fos in the hippocampus when exploring a novel environment, indicating neuronal hypoactivation. Ischemic rats also showed impaired associative olfactory and spatial memory when tested in the social transmission of food preference (STFP) task and the Barnes maze test, respectively. To confirm that the ischemic-induced hippocampal hypofunctioning resulted from reduced afferent inputs (i.e. deactivation) originating in the damaged cortex, we performed region-specific pharmacological inactivation of SS and/or HPC using lidocaine or CNQX. Fos imaging revealed that these treatments induced hippocampal hypoactivation and impaired memory performance as measured in the STFP task. We additionally performed electrophysiological recordings of hippocampal activity in anesthetized rats during acute stroke and two weeks later or after SS cortex inactivation. We found an alteration in the occurrence of sharp-wave ripples associated with instability of theta frequency during reperfusion after stroke and SS cortex inactivation, suggesting an alteration in the dynamics of hippocampal-cortical interactions. Taken collectively, these findings identify hippocampal diaschisis as a crucial mechanism for mediating stroke-induced hippocampal hypofunction and associated memory deficits.
Les mécanismes impliqués dans les troubles cognitifs induits à la suite d’une ischémie cérébrale (IC) demeurent mal compris. En plus du cœur ischémique nécrosé et de la zone de pénombre entourant cette lésion, certaines régions éloignées de la zone ischémique peuvent être fonctionnellement affectées, un phénomène connu sous le nom de «diaschisis». Sachant qu’il existe de fortes interactions fonctionnelles entre l’hippocampe (HPC) et le cortex lors des processus mnésiques, nous avons émis la possibilité que les troubles mnésiques survenant après une IC focale qui préserve l’intégrité de l’HPC, auraient pour origine une perturbation de la connectivité cortico-hippocampique conduisant à un hypofonctionnement hippocampique induit par le phénomène de diaschisis. Afin d’éprouver cette hypothèse, nous avons utilisé le modèle d’occlusion permanente de l'artère cérébrale moyenne chez le rat (OPACM) qui reproduit l’ischémie cérébrale focale humaine. Dans ce modèle, le cortex somato-sensoriel (SS) est endommagé unilatéralement alors que l’intégrité de l’HPC est préservé. Les rats OPACM ont montré une diminution de l’expression du gène c-fos dans l’HPC lors de l'exploration d'un nouvel environnement, indiquant une hypoactivation neuronale. Les rats OPACM ont également présenté une perturbation des mémoires olfactive associative et spatiale lors des tests de transmission sociale de préférence alimentaire (TSPA) et du Barnes maze, respectivement. Afin de confirmer que l’hypofonctionnement hippocampique induit par l’IC résultait d’une réduction des afférences corticales («déactivation») provenant du cortex endommagé, nous avons réalisé des inactivations pharmacologiques spécifiques du cortex SS et ou de l’HPC par injection de lidocaïne ou de CNQX. Ces injections ont induit une hypoactivation hippocampique (réduction du nombre de noyaux Fos-positifs) associée à une perturbation mnésique dans le test de TSPA. L'activité hippocampique chez des rats anesthésiés pendant l’IC ou deux semaines après, ainsi que lors de l’inactivation pharmacologique du cortex SS, a également été examinée par une approche électrophysiologique. Les résultats ont montré une altération de la fréquence d’apparition des «sharp-wave ripples» hippocampiques et révélé une instabilité de la fréquence thêta hippocampique lors de la reperfusion ou deux semaines après IC, ainsi que lors de l’inactivation corticale, suggérant une altération de la dynamique d’interaction entre l’HPC et le cortex. Pris dans leur ensemble, ces résultats identifient le phénomène de diaschisis hippocampique comme un mécanisme crucial impliqué dans l’hypofonctionnement hippocampique et les déficits mnésiques observés après une IC.
Origine : Version validée par le jury (STAR)