Inflammation and immune-mediated neurobehavioral alterations: a critical role for microglia

Recent research on microglia has uncovered a multitude of activities that extends the role of these cells well beyond their traditional function as immune sentinels. The most prominent of these newly described activities is an intricate role in neuronal network remodeling notably upon environmental challenge or during brain development, the disruption of which can result in long lasting consequences relevant to several psychopathologies. We sought, in the current thesis, to identify some of the mechanisms involved. Our approach was to target the immune function of microglia, based on our previous findings linking systemic immunogenic challenge with lipopolysaccharide (LPS) in mice with the development of despair-like behaviour. Here, we sought to identify immune mediators activated in microglia following a single systemic challenge with LPS (Chapter 2). These studies were conducted in adult mice in which phagocytic microglia were depleted using an injection of liposomal clodronate in the CA3 region. LPS challenge significantly upregulated the expression of both pro-inflammatory [interleukin (IL)-1b and tumor necrosis factor (TNF)a] and anti-inflammatory (IL-10) cytokines compared to saline treated animals. In addition, LPS highly increased the expression of indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), an important rate limiting enzyme for metabolizing tryptophan in the brain and an indicator of the activation of this depression mediating pathway. Clodronate-mediated depletion attenuated all of these effects apart from IL-1b expression which was further exacerbated. Behavioural assessment of the mice demonstrated a significant LPS-induced increase of immobility in the forced swim test (FST), which was prevented by clodronate. This experimental approach provided a snapshot of the role of inflammation in the development of brain dysfunction mediated by microglia. In subsequent studies (chapter 3 & 4), we utilized a prenatal infection model using LPS to activate maternal immunity at a relatively early [Gestational Day (GD)9.5] time point when microglia colonize the fetal brain to assess the impact on microglial population during development and the subsequent behaviour of the progeny (Chapter 3). The results demonstrated LPS reduced the percentage of mature microglial population at GD14.5 and GD18.5. In addition, prenatal LPS had a significant effect on the offspring's neonatal as well as adult behaviour, with a clear divergence along sex lines in adulthood.In the final study (Chapter 4), we sought to investigate the mechanisms underlying the changes we noted in microglial development and behavioural deficits. For this, we focused on the role played by pro-inflammatory cytokines, particularly IL-1b which represents the main effector of microglial activation following infection or injury. Detailed analysis of the expression of IL-1b and other related cytokines (IL-6, TNFa and IL-10) revealed an increased expression of these mediators in maternal plasma, placenta and fetal brain, 2 and 4 hours after the prenatal LPS treatment. These changes were accompanied with a decreased percentage of mature microglia in the brain of embryos at GD18.5 and of total microglia population at post-natal day (PND)9. In the adult offspring (PND65), we detected an increased density in specific higher-order structures implicated in complex behaviours, as well as altered social preference and memory and increased repetitive actions. Interestingly, changes in the number of microglia correlated significantly with the LPS-induced behavioural impairments, most of which were sexually dimorphic with a bias towards males. Strikingly, co-administration of the IL-1 receptor antagonist (ra) in mice at GD9.5 either prevented or significantly attenuated the effects induced by LPS at all the developmental time points tested.In conclusion, the work presented in this thesis shows the role of microglia in mediating short- and long-term LPS-induced behavioural deficits.Les microglies, les cellules de l'immunité innée, résidentes du cerveau, sont impliquées dans la réponse inflammatoire cérébrale et le modelage des réseaux neuronaux au cours du développement. La perturbation de leurs activités par des stimuli environnementaux pouvant conduire à des altérations psychopathologiques. Nous avons étudié le rôle des microglies dans les effets neurobiologiques et comportementaux d'un stimulus inflammatoire.Les travaux précédents ont révélé que l'administration de lipopolysaccharide (LPS), une endotoxine bactérienne, provoque des comportements de type dépressifs. Le rôle des microglies dans ces altérations a fait l'objet de la première étude de cette thèse (Chapitre 2). Afin de dépléter les microglies du cerveau, des souris adultes ont reçu par voie d'administration intra hippocampique des liposomes contenant du clodronate, provoquant ainsi l'apoptose des microglies phagocytaires. L'administration de LPS active dans l'hippocampe la synthèse de cytokines pro-inflammatoires [interleukin (IL)-1b et facteur de nécrose tumorale (TNF)a] et anti-inflammatoires (IL-10), et de l'indoleamine 2,3- dioxygénase, une enzyme impliquée dans le métabolisme du tryptophane aux activités prodépressives. La déplétion des microglies phagocytaires atténue les effets du LPS, à l'exception de l'IL-1b, dont l'expression est exacerbée. De plus, l'administration de clodronate prévient les effets du LPS sur les comportements de type dépressif. Ces résultats ont révélé que les microglies phagocytaires sont impliquées dans les effets inflammatoires et comportementaux de type dépressif induits par le LPS. Nous avons ensuite étudié le rôle des microglies dans les effets comportementaux d'une inflammation maternelle précoce provoquée lors de la colonisation du cerveau foetal par les microglies (Chapitres 3 & 4). Ainsi, nous avons administré au jour gestationnel (JG)9.5 du LPS à des souris gestantes et évalué la trajectoire développementale pré- et post-natale des microglies et du comportement de la progéniture (Chapitre 3). L'administration de LPS à JG9.5 provoque une réduction du pourcentage représenté par les microglies matures aux JG14.5 et 18.5 et des déficits comportementaux persistants à l'âge adulte avec undimorphisme sexuel prononcé. Nous avons alors recherché à identifier les mécanismes moléculaires impliqués dans les effets du LPS administré à JG9.5, en étudiant la piste de l'action des cytokines inflammatoires (Chapitre 4). Nous nous sommes focalisés sur l'IL-1b, la cytokine inflammatoire effectrice principale de l'activité microgliale. L'expression de l'IL-1b et des cytokines associées (IL-6, TNFa et IL-10) augmente dans le plasma maternel, le placenta et le cerveau foetal, 2 et 4 heures après l'administration de LPS. Ces changements sont accompagnés d'un phénotype microglial immature à JG18.5 et d'une réduction de la population microgliale totale au jour postnatal (JPN)9. Enfin, les souris adultes, prénatalement traitées au LPS, développent des altérations des comportements de type sociaux et des comportements répétitifs. Les altérations du nombre de microglies induites par le LPS sont corrélées aux troubles comportementaux, et ce, de façon spécifique en fonction du sexe des souris. Enfin, la co-administration de l'antagoniste du récepteur de l'IL-1 et de LPS chez les femelles gestantes au JG9.5 réduit, voire prévient les effets inflammatoires et comportementaux du LPS.En conclusion, ce travail de thèse montre l'implication des microglies dans les effets comportementaux d'une inflammation périphérique à court terme chez des souris adultes, ou à long terme chez la descendance de souris ayant subi une activation immunitaire durant la gestation