Abstract:

Versione italiana:

Molti studi hanno esaminato le abilità di elaborazione del volto e la percezione del movimento biologico nel Disturbo dello Spettro Autistico (ASD), documentando differenze comportamentali e neurofisiologiche negli individui con ASD che emergono precocemente nello sviluppo. Gli studi di neuroimaging hanno anche mostrato schemi alterati di attivazione nelle aree corticali del cervello associate alla categorizzazione dei volti e anomalie nell'elaborazione di stimoli che ritraggono il movimento biologico nel corso dello sviluppo. Nonostante un consenso sui deficit nell'elaborazione degli stimoli sociali nell'ASD, la natura e l'origine dei difetti e i meccanismi neurobiologici sottostanti sono ancora sconosciuti. Fino ad oggi, l'eziologia dell'ASD è ancora poco chiara, con fattori genetici e ambientali che contribuiscono al suo sviluppo. Nonostante gli sforzi scientifici, non esistono biomarcatori diagnostici affidabili o trattamenti farmacologici per l'ASD. In questo scenario, i modelli animali sono di fondamentale importanza per indagare i circuiti, i processi fisiopatologici cellulari e molecolari e per modellare i fenotipi core dell'ASD per sviluppare nuovi trattamenti terapeutici. Data la vasta eterogeneità dell'ASD in termini di alterazioni comportamentali, fattori genetici e ambientali associati al disturbo, un approccio utile per studiare le basi biologiche dell'ASD nei modelli animali consiste nel concentrarsi su marcatori comportamentali rilevanti per i sintomi diagnostici principali della malattia. Il nostro progetto propone di indagare come le mutazioni nel gene Fmr1 e l'esposizione embrionale al VPA, due delle strategie più frequentemente utilizzate per modellare i sintomi principali dell'ASD negli animali, i) influenzino le risposte di orientamento sociale verso i volti e il movimento biologico in due specie animali altamente sociali, ii) quali circuiti neurali siano coinvolti nelle risposte sia tipiche che atipiche, e iii) i meccanismi molecolari sottostanti. A questo scopo, adotteremo una batteria di test comportamentali, eseguiti su zebrafish mutanti Fmr1 (WP1) e zebrafish trattati con VPA (WP3), nonché su pulcini domestici mutanti Fmr1 (WP3). Successivamente, indagheremo i correlati neurali dei comportamenti di orientamento sociale utilizzando registrazioni dell'attività cerebrale completa (WP2) e analisi dell'espressione dei geni immediati precoci tramite qPCR (WP4). Infine (WP5), mappiamo le reti genetiche coinvolte nelle alterazioni comportamentali tramite il profilo di sequenziamento a singola cellula delle aree cerebrali identificate in WP2 e WP4. Questo progetto rappresenta una novità nel panorama della ricerca in quanto sfrutta sia strategie genetiche (mutazione FRM1) che ambientali (esposizione al VPA) per indurre cambiamenti nello sviluppo cerebrale in entrambe le specie e combina l'analisi comportamentale, le tecniche di imaging in vivo all'avanguardia e i metodi di biologia molecolare con le tecniche di trascrittomica all'avanguardia per ottenere, per la prima volta, intuizioni meccanicistiche sulla fisiopatologia dell'ASD nelle specie modello utilizzate.

English Version:

Many studies have examined face processing abilities and biological motion perception in Autism Spectrum Disorder (ASD), documenting behavioural and neurophysiological differences in ASD individuals emerging early in development. Neuroimaging studies have also shown altered pattern of activation in cortical brain areas associated with the categorization of faces and anomalies in processing stimuli depicting biological motion across development. Despite a consensus on deficits in processing social stimuli in ASD, the nature and origin of the defects and the underlying neurobiological mechanisms are still unknown. To date, the etiology of ASD is still unclear, with both genetic and environmental factors contributing to its development. Despite the scientific efforts, no reliable diagnostic biomarkers or pharmacological treatments exist for ASD. In this scenario, animal models are of pivotal importance to investigate the circuits, cellular and molecular pathophysiological processes and to model ASD core phenotypes to develop new therapeutic treatments. Given the wide heterogeneity of ASD in terms of behavioural alterations, genetic and environmental factors associated to the disorder, a useful approach to study the biological bases of ASD in animal models consists in focusing on behavioural markers relevant to the core diagnostic symptoms of the disease. Our project proposes to investigate how mutations in the Fmr1 gene and embryonic VPA exposure, two of the strategies most frequently used to model ASD core symptoms in animals, i) affect the social orienting responses towards faces and biological motion in two highly social animal species, ii) which neural circuits are involved in both the typical and atypical responses, and iii) the underlying molecular mechanisms. To this aim, we will adopt a battery of behavioural tests, performed on Fmr1 mutant (WP1) and VPA-treated (WP3) zebrafish and on Fmr1 mutant domestic chicks (WP3). We will then investigate the neural correlates of social orienting behaviours using whole-brain activity recordings (WP2) and analysis of immediate early genes expression by qPCR (WP4). Finally (WP5), we will map the genetic networks participating to the behavioural alterations by single cell sequencing profiling of the brain areas identified in WP2 and WP4. This project represents a novelty in the research panorama as it takes advantage of both genetic (FRM1 mutation) and environmental (VPA exposure) strategies to induce changes in brain development in both species and combines behavioural analysis, cutting-edge in vivo imaging and molecular biology methods with state-of-the-art transcriptomic techniques to obtain, for the first time, mechanistic insights about the pathophysiology of ASD across the model species used.

Contatti: mariaelena.milettopetrazzini@unipd.it