Thalamic Reticular Nucleus Dysfunction in Alzheimer's Disease

Baylor College Of Medicine, Houston TX

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

PROJECT SUMMARY    Sleep  disturbances  predict  risk  of  Alzheimer’s  disease  (AD).  Sleep-­wake  cycles  critically  regulate  brain  interstitial  fluid  (ISF)  levels  of  Aβ  and  tau,  two  critical  proteins  that  accumulate  in  AD.  Both  Aβ  and  tau  are  released  by  neuronal  activity,  which  is  higher  during  wakefulness  than  in  sleep.  Moreover,  sleep  is  a  critical  phase  during  which  factors  in  the  ISF  are  cleared  from  the  brain.  Therefore,  sleep  disturbances  affect  daily  function  and  also  contribute  to  disease  progression.  However,  little  is  known  about  which  brain  regions  are  affected  in AD  to  give  rise  to  sleep  disturbances, making  it difficult  to  identify the  circuit  level  mechanisms that  drive  dysfunction,  or  to  design  targeted  therapeutic  strategies.  This  project  tests  the  hypothesis  that  the  thalamic  reticular  nucleus  (TRN)  is  a  critical brain  region  in  AD, and  that  impairments  in  its activity drive  sleep  disturbances  and  exacerbate  disease  progression.  The  TRN  is  a  major  component  of  the  thalamocortical-­ corticothalamic  network  that  regulates  sleep,  attention,  and  memory,  which are  all  affected  in  AD.  However,  little  is  known  about  the  state  of  TRN  in  AD  patients  or  in  animal  models.  We  found  that  in  transgenic  mice  expressing  mutant  human  amyloid  precursor  protein  (APP  mice),  TRN  activity  is  strikingly  reduced,  in  the  absence  of  cell  loss.  Such  reductions  in  TRN  activity  led  to  sleep  fragmentation  and  reductions  in  slow  wave  sleep (SWS), and predicted the magnitude of Aβ deposition in both hippocampus and cortex, which may relate  to the fact that SWS is the phase of sleep during which activity-­dependent production of Aβ is reduced, and Aβ  is  cleared  from  the  brain.  Moreover,  deficits  in  SWS  and  sleep  maintenance  manifest  early  in  disease  in  APP  mice,  prior  to  hippocampal  deficits,  suggesting  that  TRN  impairment  may  both  predict  and  contribute  to  disease  progression.  The  goals  of  this  proposal  are  to  identify  cellular  mechanisms  that  impair  TRN  activity,  and  test  if  selectively  manipulating  neuronal  activity  in  the  TRN  can normalize  sleep,  reduce Aβ  accumulation,  and  improve  memory.  To  achieve  these  goals,  in  Aim  1  we  will  use  electrophysiology  and  pharmacology  in  thalamic  slices to  identify the  intrinsic,  synaptic,  and network properties  of  TRN  that  result  in  its  hypoactivity  in  APP  mice.  In  Aim 2,  we  will use  DREADDs  to  acutely  activate  TRN  cells  in  APP  mice  to test  if  TRN  activation  affects  dynamics  of  interstitial  Aβ,  and/or  memory  consolidation.  In  Aim  3,  we  will  use  DREADD-­mediated  activation  of TRN  in  APP  mice  to  test  if  chronic  activation of  TRN  can normalize  sleep parameters,  reduce Aβ  accumulation, and improve memory. Results from this project will have major impact because they: 1) highlight  a  vulnerable network early  in  disease that  may predict  and  contribute to  disease progression,  and 2)  identify a  novel  therapeutic  strategy  with  potential  to  normalize  sleep,  improve  memory,  and  delay  disease  progression  in  Alzheimer’s  disease.  Insights  gained  will  also  be  used  to  derive  general  principles  about  the  dynamics  of  AD-­related proteins like Aβ and tau in the brain, which will impact our ability to treat this complex disease.Â