The timing of regeneration in the amphibian olfactory system

Abstract

Comprehending the mechanisms that make lifelong neurogenesis possible has a clear interest for the better understanding of the basic principles that govern cellular and molecular interactions in the nervous system, as well as a relevant clinical interest. The limited ability of the central nervous system to generate new neurons in order to replace those that have been lost is a formidable obstacle to recovery from neuronal damage caused by injury or neurodegenerative disease. The olfactory system (OS) is an ideal system to study the process of neuronal recovery after injury, as it is known for its lifelong capacity to replenish cells lost during natural turnover, as well as its remarkable ability to regenerate after severe lesion. The olfactory epithelium (OE) shows neurogenesis throughout life. Newly differentiated olfactory receptor neurons (ORNs) are continuously reintegrated into an existing circuitry to maintain the sense of smell. The aim of this thesis is to describe the morphological and functional alterations that occur over time in the OS of larval Xenopus laevis, after transection of the olfactory nerve (ON). Results obtained using immunohistochemistry essays, as well as sensory neuron labeling and calcium imaging techniques, indicate that ORN cell death reaches its peak 48 hours after transection, and that proliferating stem cells found in the basal cell layer of the OE are quickly upregulated after lesion. Supporting cells seem to maintain both morphological and functional integrity after transection of the ON. The OE recovers its original morphological structure 1 week after transection, at which time the first axons reach the olfactory bulb (OB) and begin the process of reinnervation. Spontaneous activity of mitral/tufted cells occurs in the OB during the first weeks after transection but no odor-induced activity is observed. After 3-4 weeks glomerular responses were observed in some animals upon application of stimulus, but the response and glomerular morphology are clearly altered as compared to control. After 6-7 weeks responses seem to have fully recovered, indicating that the OS of larval X. laevis recovers morphologically and functionally 6-7 weeks after ON transection.

O estudo dos mecanismos responsáveis pela neuro-regeneração tem um marcado interesse para a compreensão dos princípios básicos que governam as interações celulares e moleculares no sistema nervoso, bem como um interesse clínico relevante. A limitada capacidade do sistema nervoso central para dar origem a novos neurónios é um obstáculo formidável para a recuperação do sistema após lesão neuronal ou doença neurodegenerativa. O sistema olfativo é um sistema ideal para o estudo do processo de recuperação após lesão neuronal, pois é conhecido no mundo científico pela sua capacidade contínua e vitalícia para repor células perdidas durante a renovação celular natural, bem como a sua notável capacidade para regenerar após uma lesão grave. O epitélio olfativo apresenta a capacidade para dar origem a novos neurónios ao longo de toda a vida. Neurónios sensoriais olfativos diferenciados são continuamente reintegrados num circuito já existente, mantendo assim o sentido do olfato. O objetivo desta tese é descrever as alterações morfológicas e funcionais que ocorrem ao longo do tempo no sistema olfativo de Xenopus laevis em estado larvar, após o corte do nervo olfativo. Os resultados obtidos através do uso de ensaios de imunohistoquímica, bem como técnicas de marcação neuronal sensorial e de imagiologia de cálcio, indicam que a morte celular na população de neurónios sensoriais olfativos atinge o seu máximo 48 horas após a lesão, e que células estaminais encontradas na camada basal do epitélio olfativo são positivamente reguladas após lesão e proliferam rapidamente. Células de suporte parecem manter tanto a integridade morfológica como funcional após o corte do nervo olfativo. O epitélio olfativo recupera a sua estrutura morfológica inicial 1 semana após a lesão, momento em que os primeiros axónios atingem o bolbo olfativo e começam o processo de reintegração. Ocorre atividade espontânea das células mitrais/tufados do bolbo olfativo durante as primeiras semanas após a lesão, mas nenhuma atividade induzida por estímulo com odor foi observada. Depois de 3-4 semanas, atividade glomerular foi observada em alguns animais após a aplicação de estímulos, mas a resposta e morfologia glomerular foram claramente alteradas em relação ao controlo. Depois de 6-7 semanas as respostas parecem ter recuperado totalmente, indicando que o sistema olfativo de X. laevis em estado larvar recupera morfológica e funcionalmente 6-7 semanas após o corte do nervo olfativo.