Long-term impact of early life stress on adult social behavior and prefrontal cortical circuits

Tese de Doutoramento em Biologia Experimental e Biomedicina, no ramo de Neurociências e Doença, apresentada ao Instituto de Investigação Interdisciplinar da Universidade de CoimbraProlonged exposure to stressful conditions in early life imparts changes to physiology and health and may trigger or exacerbate neuropsychiatric disorders. Overt dysfunction in sociability is also a hallmark of disorders such as autism spectrum disorder (ASD) and schizophrenia. Likewise, abnormal social interaction in otherwise healthy individuals is itself a trigger for mental health disorders. In addition, for most social animals, the relative position an individual occupies in its social hierarchy strongly modulates psychosocial stress. Early life stress (ELS) induced by maternal separation is acknowledged to have long-term effects on animal behavior and is considered one of the most potent, naturally-occurring stressors. In humans, childhood adversity, neglect or mistreatment is known to increase the risk for psychiatric disorders, including depression and anxiety. In rodent models of maternal separation, behavioral deficits are observed in emotional behavior and stress responses. At the same time, neurological dysfunctions have been identified in both humans and mice exposed to ELS. However, the precise neuronal substrates and mechanisms that traduce ELS into altered neuronal activity and subsequent social dysfunction in adulthood are poorly understood. While the role of stress impacting adult animals and promoting changes to social behavior and social hierarchies is well described, the influence of ELS on adult social hierarchical rank and social behaviors remains largely unknown. Our results uncovered that ELS induces a dysfunction in social hierarchy and social interactions in mice. We observed that ELS mice display a lower social rank when compared to control animals and are more easily defeated in dominant-subordinate competitions. ELS also led to long-lasting functional alterations in the medial prefrontal cortex (mPFC), as evidenced by an increased c-fos expression in response to social dominance stimuli. Additionally, neuronal atrophy and increased inhibitory synaptic strength were observed in mPFC neurons from adult mice that experience ELS. In terms of gene expression in the mPFC, we found that the mRNA of Npy1r was upregulated in ELS mice and also in wild-type subordinate animals, suggesting a role for this gene in behaviors regulating social dominance. Together, our data suggests that ELS leads to long-lasting alterations in gene expression and to altered mPFC activity, inducing a subordinate behavior within a social hierarchy. Lastly, we proposed Npy1r signaling as a key modulator of social rank and a potential therapeutic target for social dysfunctions.A exposição prolongada a condições de stress durante a infância pode levar a mudanças na fisiologia e saúde, podendo mesmo desencadear ou potenciar doenças neuropsiquiátricas. Disfunções nos comportamentos sociais são uma característica proeminente de doenças do espectro do autismo e esquizofrenia. Da mesma forma, interações sociais anormais em indivíduos saudáveis são, por si só, um fator desencadeante de distúrbios mentais. Simultaneamente, para a maioria das espécies animais sociais, o stress psicossocial induzido pelas hierarquias sociais é fortemente modelado pela posição relativa que cada indivíduo ocupa nessa mesma organização social. O stress experienciado durante os primeiros tempos de vida sob a forma de separação maternal é reconhecido por ter efeitos de longa duração no comportamento dos animais e é considerado uma das formas de stress mais potentes. No caso dos humanos, experiências adversas durante a infância, tais como negligência ou maus-tratos, aumentam o risco para o aparecimento de doenças psiquiátricas, incluindo depressão e ansiedade. Em roedores expostos a separação maternal são observadas alterações nos comportamentos emotivos e na resposta ao stress. Simultaneamente, disfunções neurológicas têm sido identificadas tanto em humanos como em murganhos expostos a condições de stress infantil. Contudo, os intervenientes moleculares e os mecanismos neuronais que traduzem o stress infantil em alterações da atividade neuronal e subsequente disfunções nos comportamentos durante a vida adulta permanecem pouco elucidados. Eventos de stress na fase adulta induzem alterações nos comportamentos e hierarquias sociais, não sendo, no entanto, bem conhecidos os contributos do stress infantil. Os nossos resultados revelaram que o stress durante a infância induz disfunções nas hierarquias sociais e nas respectivas interações sociais entre murganhos. Observámos que os murganhos expostos a stress durante os primeiros dias de vida apresentam uma posição social inferior em comparação com os animais controlo e são mais facilmente derrotados em testes de dominância. O stress infantil levou a alterações funcionais no cortéx pré-frontal, evidenciadas por um aumento de expressão de c-Fos em resposta a um estímulo social. Para além disso, foi também observado atrofia neuronal e um aumento da atividade sináptica inibitória nos neurónios do cortex pré-frontal. Relativamente a alterações da expressão genética nesta zona do cérebro, descobrimos que os níveis do mRNA do Npy1r estavam aumentados nos murganhos expostos a stress durante a infância, assim como em murganhos wild-type subordinados. Este último resultado sugere que a expressão do receptor Npy1r pode ter um papel importante na modulação de comportamentos envolvidos em dominância social. Os nossos dados sugerem que o stress infantil leva a alterações prolongadas na transcrição e atividade neuronal do cortéx pré-frontal, culminando na manifestação de um comportamento subordinado em hierarquias sociais bem definidas. Por fim, propomos a sinalização dependente do Npy1r como um possível modulador de posições sociais e um potencial alvo terapêutico para disfunções em comportamentos sociais