Targeted perturbation of perineuronal nets in specific neuron types to investigate adaptive plasticity after spinal cord injury

Ryggmargsskader fører som oftest til varig funksjonstap, både sensorisk og motorisk. Men begrenset gjenvinning av funksjon kan forekomme gjennom en prosess som heter "adaptiv plastisitet", og mye forskning fokuserer nå på hvordan man kan fremme dette. En viktig problemstilling er hvordan adaptiv plastisitet styres på molekyl-nivå, og hvordan dette bidrar til at den igangsettes og hvorfor den er begrenset. I denne studien undersøker vi rollen til en bestemt molekylær struktur, perinevronale nett (PNN), som omringer mange nerveceller og er postulert å begrense nervecellenes evner til å danne eller forandre signalkontakter med andre nerveceller. En åpenbar hypotese er at nerveceller som har PNN har mindre evne til å danne nye kontakter enn nerveceller som ikke har PNN. For å teste denne hypotesen, bruker vi genetisk modifiserte mus som mangler PNN, enten i hele ryggmargen eller i bestemte nervecelletyper i ryggmargen. Vi vil da fastslå om mangel på PNN fremmer adaptiv plastisitet eller ikke. Siden prosjektstart har vi kartlagt PNN-proteiner i ryggmargen til mus, med fokus på nøkkelproteiner ("link proteins") som har en sentral rolle i den molekylære forankringen av PNNer. Vi skriver nå et revidert manuskript og et nytt manuskript med utgangspunkt i denne kartlegging som vi regner med blir publisert i 2021. Vi har også brukt vår transgene muselinje (transgenic conditional knockout mouse) der en av disse "link proteins" (CRTL1) kan slås ut i bestemte nervecellepopulasjoner. Muselinjen blir et viktig verktøy fremover i studier av PNNs betydning for plastisitet i ryggmargen. I løpet av 2020 har vi gjort forsøk der CRTL1 er blitt slått ut i nerveceller i ryggmargen, og holder på med analyser av resultatene. Dette vil bli gjenstand for enda et manuskript som vi regner med blir publisert i 2021. Vi har videre etablert metoder der vi kan målrettet slå ut CRTL1 i bestemte populasjoner av motoriske nerveceller, og vil fortsette med forsøk med denne metoden i 2021.

Generated new transgenic mouse model that enable CRTL1 to be conditionally knocked out in selected spinal neuron types Mapped the expression of PNNs in the mouse spinal according to different types of motoneurons. Charted the development of different molecular components of PNNs in the mouse spinal cord, from the first week of birth through adult. Established a method for selectively knocking out CRTL1 in specific populations of motoneurons, by injection of a Cre-expressing virus into limb muscles. Currently working on two manuscripts with another planned, all for publication in 2021.

In this proposal we address a major issue in the field of mammalian brain and spinal cord injury: how adaptive plasticity works at the molecular level and whether it can be manipulated at the molecular level to direct reorganization of neuronal circuits. This issue is relevant not only for spinal cord injury (SCI), which we focus on here, but for injuries anywhere in the brain. To address this issue, we will use transgenic technology to perturb the synapse-stabilizing perineuronal nets (PNNs) in selected subpopulations of spinal neurons. We will then use combinations of cutting edge anatomical and physiological technologies to assess how such manipulation influences the targeting of post-SCI synaptic remodelling to different neurons and pathways. These experiments will test the role of PNNs in regulating adaptive plasticity in specific neuron subtypes and provide novel avenues for selectively targeting synaptic plasticity to specific neural circuit components. This would open new opportunities for directing the formation of new synaptic connections after an injury, thereby allowing the selective engineering of neural circuits to accomplish desired functional recovery. The project will therefore provide novel insight with relevance both to the basic science of spinal cord plasticity, as well as to the potential harnessing of adaptive plasticity in a future clinical setting. The proposal builds on an already established experimental mouse model of spinal cord injury. The project will utilize transgenic technology that attenuates the expression of key molecules involved in PNN formation, either through a CNS-restricted knockout, or through the Cre/loxP system to target shRNA inhibition to specific spinal neuron subpopulations. Our proposal thus provides an innovative approach to a major biological problem of clinical relevance.