The role of IFNγ in higher brain function: in health and under chronic stress

Tese de Doutoramento em Ciências da SaúdeThe neuroimmunology field is at an exciting stage due to a set of revolutionary discoveries challenging the now old-fashioned dogma of the brain being “protected” from the peripheral immune system action. Immune components such as T lymphocytes and the cytokines they produce, once regarded as detrimental to the brain, are now considered integrant parts of the healthy nervous system since their regulated actions control immune surveillance but also modulate higher brain functions. The cytokine interferon-gamma (IFNγ), produced mainly by T lymphocytes, is a potent pro-inflammatory molecule, whose levels are altered in many neuropsychiatric and neurodegenerative diseases. Though studies assessing the effects of this cytokine, when administered into the brain, have shown that it affects different cellular and synaptic mechanisms underlying behavioural dimensions, it is still unclear whether this is a collateral damage of the inflammatory response or if IFNγ indeed plays a role in the modulation of non-pathological brain function. As so, we sought to explore the role of this cytokine in the modulation of brain function in physiological conditions and also after exposure to chronic stress – a paradigm known to trigger the development of psychiatric complications and also accelerate neurodegenerative processes. In the first part of the thesis (2nd Chapter) we demonstrate that, in a healthy brain, the absence of IFNγ enhances dorsal hippocampus plasticity and associated cognitive function. At the structural level, an enlargement of the dorsal hippocampus volume contrasted with the absence of alterations observed in the ventral part, highlighting that the effects of this cytokine are more selective for cognitive behaviours. Moreover, the absence of this cytokine amplifies neuroplastic phenomena in the dorsal hippocampus, namely neurogenesis, size of neuronal dendritic arborisations and presynaptic functioning, most likely contributing for the enhanced cognitive performance. On the 3rd chapter, we demonstrate that there are gender-differences on the behavioural phenotype of IFNγ KO mice, and discuss the possible association of estrogen and the IFNγ expression in the central nervous system. In the following chapter (4th Chapter) we describe the optimisation of a chronic unpredictable stress (CUS) paradigm for use in C57BL/6 mice, a strain with higher resistance to stress. This mice model of stress-related disorders exhibits, beyond the stress-related neuroendocrine and behavioural alterations, mild changes in thymic cellular populations and relevant splenic myeloid cellular alterations, with an increased number of neutrophils as the most striking change. At last (5th Chapter), we discuss the contributory role of IFNγ for the development of the immune maladaptive response to chronic stress. By submitting mice to the optimized CUS protocol, it was observed that mRNA levels of Ifnγ are elevated in the brain, specifically in the medial prefrontal and orbitofrontal cortices. Moreover, exposure to chronic stress leads to an increase of the adrenergic innervation of the spleen as to alterations on the percentage of neutrophils and monocytes/macrophages populations in the spleen. Importantly, the absence of this cytokine blunts the stress-related changes on these cell populations in the spleen. The recognition of the proinflammatory cytokine – IFNγ, as a negative regulator of hippocampal plasticity and associated cognitive function, together with its contributory role for the stress-related immune dysfunction, suggests that this cytokine may articulate the complex network that underlies the inflammatory component of neuropsychiatric disorders.A área da neuroimunologia está a atravessar uma fase excitante devido a um conjunto de descobertas revolucionárias que desafiam o seu agora antiquado dogma que visiona o cérebro como um órgão “protegido” da ação do sistema imunitário periférico. Componentes imunitários, tal como os linfócitos T e respetivas citocinas que estes produzem, outrora vistos apenas como prejudiciais para o cérebro, são agora considerados partes integrantes do sistema nervoso, uma vez que a sua ação regulada controla a vigilância imunitária mas também a modulação de funções cerebrais superiores. O interferão gama (IFNγ), uma citocina produzida principalmente por linfócitos T, é uma molécula proinflamatória cujos níveis estão alterados em diversas doenças neuropsiquiátricas e neurodegenerativas. Apesar de estudos demonstrarem que a administração desta citocina no cérebro afeta diferentes mecanismos celulares e sinápticos que estão na base de dimensões comportamentais, não é ainda claro se este efeito é um dano colateral da resposta inflamatória ou se o IFNγ tem de fato um papel na modulação da função do cérebro num contexto não patológico. Como tal, iremos aqui explorar o papel desta citocina na modulação de funções cerebrais em condições fisiológicas como também após exposição ao stress crónico – um paradigma que desencadeia o desenvolvimento de complicações psiquiátricas e acelera processos neurodegenerativos. Na primeira parte da presente tese (2º Capítulo) nós demonstramos que a ausência de IFNγ no cérebro saudável leva a uma melhoria da plasticidade do hipocampo dorsal e função cognitiva associada. Ao nível estrutural, um aumento do volume do hipocampo dorsal contrasta com a ausência de alterações volumétricas na parte ventral, sublinhando assim que esta citocina afeta seletivamente o comportamento cognitivo. A ausência desta citocina leva também a uma amplificação dos fenómenos neuroplásticos do hipocampo dorsal, nomeadamente da neurogénese, o tamanho da arborização dendrítica neuronal e o funcionamento pré-sináptico, contribuindo, muito provavelmente, para a melhoria da performance cognitiva. No 3º capítulo, nós demonstramos que existem diferenças entre géneros no fenótipo comportamental dos murganhos IFNγ KO, e discutimos a possível associação entre o estrogénio e a expressão de IFNγ no sistema nervoso central. No capítulo seguinte (4º Capítulo) descrevemos a otimização de um paradigma de stress crónico imprevisível (CUS) para murganhos C57BL/6, uma estirpe que apresenta uma maior resistência ao stress. Este modelo de murganho de disfunção associada ao stress apresenta para além das alterações neuroendócrinas e comportamentais relacionadas com o stress, alterações moderadas nas populações celulares do timo e importantes alterações celulares mielóides no baço, sendo o aumento de neutrófilos a alteração mais impressionante. Por último (5º Capítulo), discutimos o papel contributório desta citocina para o desenvolvimento da resposta imunitária maladaptativa ao stress crónico. Após expor murganhos ao protocolo otimizado de CUS foi observado um aumento nos níveis de mRNA de Ifnγ, mais especificamente nos córtices préfrontal medial e orbitofrontal. Para além disso, a exposição ao stress crónico leva a um aumento da inervação adrenérgica do baço assim como a alterações nas percentagens das populações de neutrófilos e monócitos/macrófagos no baço. A ausência de IFNγ preveniu as alterações induzidas pelo stress crónico nestas populações celulares do baço. O reconhecimento da citocina pró-inflamatória – IFNγ, como um regulador negativo da plasticidade hippocampal e função cognitiva associada, juntamente com o seu papel contributório para a disfunção imunitária associada com o stress sugere que esta citocina poderá articular a rede complexa que está na base da componente inflamatória das doenças neuropsiquiátricas.This work was funded by the European Commission (FP7): “SwitchBox” (Contract HEALTH-F2- 2010-259772) and co-financed by the Portuguese North Regional Operational Program (ON.2 – O Novo Norte) under the National Strategic Reference Framework (QREN), through the European Regional Development Fund (FEDER). Susana Isabel Gonçalves Monteiro was supported by a PhD fellowship from the Portuguese Science Foundation (FCT)/MEC with the reference SFRH/BD/69311/2010