Alcohol use is one of the world's leading cause of death and disease, although only a small proportion of individuals develop persistent Alcohol Use Disorder (AUD). Nonetheless, preclinical investigations have long focused on the neurobiology of alcohol intoxication and, what has been considered critical for decades, the possibility to alleviate signs of alcohol dependence. Such studies, based on large cohorts of undistinguished individuals, have promoted pharmacology-centered approaches, without taking into account the idiosyncratic nature of the disease. Following a recent shift initiated by pioneers in the field aiming at developing preclinical models grounded in inter-individual vulnerabilities, we first adapted a preclinical model of AUD inspired from the Diagnostic and Statistical Manual of mental disorders (5th version, DSM5) criteria of diagnosis. We revealed that only a small set of individuals demonstrated increased vulnerability for developing persistent AUD. In a second step, we hypothesized that this increased vulnerability could be associated to low grade persistent inflammation, possibly due to changes in the gut microbiota and concomitant adaptations in brain signaling pathways. Whether an altered gut microbiota and the associated neuroinflammation even before the exposure to ethanol could increase the vulnerability for developing AUD is a question we decided to address. This further development required the refinement of our preclinical model.
Considering environmental stress during adolescence triggers gut microbiota imbalance, with concomitant release of local inflammatory cytokines and bacteria toxins and the propagation of neuroimmune/neuroinflammatory responses, we developed a Chronic Mild Unpredictable Stress model in adolescent rats and extensively studied the behavioral, electrophysiological, neuroinflammatory and gut microbiota changes. These rats displayed disinhibited, hyperactive, impulsive, inattentive and higher reward seeking behaviors not only during adolescence, but also well into late adulthood. This long-lasting effect led us to further investigate the irreversible nature of stress exposure during adolescent on biobehavioral development.
First, by means of ex-vivo slice patch clamp electrophysiology, we demonstrated that stress rats displayed hyperexcitable basal amygdala pyramidal neurons and hypoexcitable prelimbic cortex pyramidal neurons. Using patch clamp ex-vivo electrophysiology and channel rhodopsin-based optogenetics interrogation of glutamatergic projections within corticolimbic circuits, we revealed a weaker control of the prelimbic cortex pyramidal neurons over the nucleus
accumbens core medium spiny neurons and the basal amygdala pyramidal neurons in stress rats. Concomitantly, we reported increased strength of glutamatergic projections from the basal amygdala pyramidal neurons to the nucleus accumbens core medium spiny neurons and a weaker glutamatergic projections from the basal amygdala pyramidal neurons to the prelimbic cortex pyramidal neurons in the stress rats. Collectively, electrophysiological evidence indicates that chronic mild unpredictable stress exposure during adolescence prevents an effective pattern of neurodevelopment within corticolimbic circuitries which we summarized as the ‘Stress deceleration theory’. Following our initial working hypotheses, not only were we able to demonstrate that the stress rats exhibited concomitant gut microbiota adaptations, and higher markers of neuroinflammatory in the prefrontal cortex, but we confirmed that stress rats exhibited signs of increased vulnerability to lose control over alcohol consumption, as well as unmoderated saccharine taking behaviors.
Overall, we discuss the impact of adolescent exposure to stress on the reprogramming of adolescent neurodevelopment, and propose a ‘Stress deceleration theory’, according to which peripheral and central responses to environmental stress exposure, trigger an allostatic load that contributes to a functional arrest of adolescent brain development (aka brain immaturity). Ultimately, we conclude that this long lasting/irreversible stress-induced juvenile phenotype, composed of emotional sensitization and cognitive immaturity, confers higher risks for losing control over rationale decision making, and potentially addictive disorders.
--
La consommation d'alcool est l'une des principales causes de mortalité et de maladies dans le monde, alors qu’une minorité d’habitués développe un trouble persistant de consommation excessive. Pourtant, les recherches précliniques dans leur ensemble se sont longtemps concentrées sur la neurobiologie de l’intoxication alcoolique et, ce qui était considéré comme essentiel depuis des décennies, sur la possibilité d’atténuer les signes de dépendance à l’alcool. De telles études, basées sur un grand nombre d'individus uniformisés, ont favorisé des approches centrées sur la réponse pharmacologique, sans prendre en compte la nature idiosyncratique de la maladie. Suite à un récent mouvement initié par des pionniers du domaine visant à développer des modèles précliniques fondés sur des vulnérabilités interindividuelles, nous avons tout d'abord adapté un modèle préclinique de troubles liés à la consommation d’alcool (TCA) inspiré des critères diagnostiques du Diagnostic and Statistical Manual of mental disorders (5th version). Nous avons révélé que seul un petit nombre d'individus présentait une vulnérabilité accrue au développement d'un TCA persistant. Dans un deuxième temps, nous avons émis l’hypothèse que cette vulnérabilité accrue pouvait être associée à une inflammation généralisée persistante de faible intensité, probablement liée à des modifications du microbiote intestinal et à des adaptations concomitantes de la signalisation cellulaire cérébrale. Nous avons émis l’hypothèse qu’un microbiote intestinal altéré, avec neuroinflammation centrale et périphérique associée, avant même l'exposition à l'éthanol, pouvait accroître la vulnérabilité de développer un TCA. Ce développement ultérieur a nécessité l'affinement de notre modèle préclinique.
Considérant que le stress environnemental au cours de l’adolescence déclenche un déséquilibre du microbiote intestinal, avec libération concomitante de cytokines inflammatoires locales et de toxines bactériennes, ainsi que la propagation de réponses neuro-inflammatoires jusqu’au cerveau, nous avons développé un modèle de stress chronique, léger mais imprévisible, chez des rats adolescents. Les effets de ce stress sur les réponses électrophysiologiques, neuroinflammatoires et sur le microbiote intestinal ont été largement analysées. Ces rats présentaient des comportements désinhibés, hyperactifs, impulsifs, inattentifs, tout comme une recherche immodérée de récompense, non seulement au cours de leur période juvénile, mais également jusque tard à l'âge adulte. Cet effet à long terme nous a amené à approfondir notre
réflexion sur le caractère irréversible du stress au cours de l’adolescence sur le développement cérébral.
Premièrement, au moyen de techniques électrophysiologiques de patch clamp sur tranche de cerveau ex vivo, nous avons montré que l’amygdale basal des rats stressés était hyperexcitable/hypersensible et que leur cortex prélimbique était par contre hypoexcitable/hyposensible. En associant mesures électrophysiologiques de patch-clamp sur tranches ex vivo et techniques optogénétiques, nous avons testé les projections glutamatergiques dans les circuits corticolimbiques. Nous avons ainsi révélé un contrôle réduit du cortex prélimbique sur le noyau accumbens et sur l'amygdale basale chez les rats stressés. En parallèle, nous avons mesuré une augmentation du tonus glutamatergique des projections de l'amygdale basale vers le noyau accumbens et une diminution du tonus glutamatergique des projections de l'amygdale basale vers le cortex prélimbique chez ces rats. Collectivement, les résultats électrophysiologiques indiquent que le stress chronique léger et imprévisible au cours de l’adolescence empêche un schéma efficace de développement neurobiologique au sein des circuits corticolimbiques, que nous avons résumé comme étant la "théorie de la décélération induite par le stress". Suivant nos hypothèses de travail initiales, non seulement nous avons pu montrer que les rats stressés présentaient des adaptations concomitantes du microbiote intestinal et une augmentation des marqueurs inflammatoires dans le cortex préfrontal, mais nous avons également confirmé que les rats stressés montraient des signes de vulnérabilité accrue non seulement vis-à-vis de la perte de contrôle sur la consommation d'alcool, mais aussi pour le sucre et la cocaïne.
Dans son ensemble, cette thèse discute de l’impact du stress juvénile sur la reprogrammation neurodéveloppementale chez les adolescents et propose une «théorie de la décélération induite par le stress» selon laquelle les réactions centrales et périphériques au stress environnemental déclencheraient une charge allostatique contribuant à un arrêt fonctionnel du développement cérébral chez les adolescents (i.e immaturité du cerveau). En conclusion, nous suggérons que ce phénotype juvénile irréversible induit par le stress, composé de sensibilisation émotionnelle et d’immaturité cognitive, confère une vulnérabilité de perdre le contrôle vis-à-vis de prises de décision rationnelles, et augmente potentiellement le risque de développer un trouble addictif.