Dissertação de Mestrado Investigação Biomédica 2023 Faculdade de Ciências Médicas, Universidade NOVA de Lisboa

Abstract The ability to initiate movement at the right timing and with the accurate vigour is pivotal for survival. Despite its great importance, Parkinson’s disease (PD) patients struggle with movement initiation, and even when successful, generated movements tend to be less vigorous. It comes as a surprise then, that PD patients seem to be less impaired when movement initiation is triggered by an external cue, leading to the aphorism that these patients "react better than they act". This cueing phenomenon observed in PD patients and the mechanisms by which it occurs remain, to this day, rather obscured and under a great debate. Viability of cueing strategies for the treatment of PD requires a degree of reproducibility and understanding which is not met currently. Altogether, it is the poor understanding of the neuronal circuits underlying self-paced and cued initiation and how they are differentially impaired in PD that has enticed our research. To this end, we have developed a behavioural task that allowed us to train mice to initiate the same action either in a self-paced or a cued manner. During learning, mice progressively increased the probability of initiating movement following the cue, while applying a different strategy during the self-paced paradigm, as intended. Multiple parameters were taken into consideration to show that animals were completing the task efficiently, at the same time reproducing the two types of movement initiation. To reproduce the problems of movement initiation produced by the loss of dopamine in PD, we tested the effect of dopamine receptors antagonists in mice freely exploring an open field and selected the option that provided a reduction of ~20% in selfpaced initiations. The optimised dosage was then applied on proficient animals that had undergone all phases of the behavioural task. In accordance with the observation in PD patients, we found no impairment in cued initiation probability which contrasted with a significant reduction of self-paced initiations. Altogether, we have developed a robust behavioural task that successfully reproduces both types of initiations, and that when it is combined with a manipulation that impairs dopaminergic activity, leads to the replication of the cueing phenomenon seen in PD patients. Although some degree of optimisation is at hand, this task can now be used in combination with mice models of PD with greater face validity, and combined with neural recording techniques that will allow us to better understand the cueing phenomenon at the neural circuits level.

Resumo A capacidade de iniciar movimento no momento certo e com o vigor adequado é essencial para a sobrevivência. Apesar desta importância, pacientes com a Doença de Parkinson (DP) têm grandes dificuldades em iniciar movimentos, e mesmo quando conseguem, tendem a ser menos vigorosos. É surpreendente, porém, o facto de doentes de Parkinson parecerem ter menos impedimento em iniciar movimentos quando estes são provocados por um estímulo externo, levando ao aforismo que estes pacientes “reagem melhor do que agem”. Este fenómeno observado e os mecanismos pelos quais ele ocorre permanecem, até hoje, algo obscuros e sobre discussão. A viabilidade da implementação de estratégias baseadas em sinalização externa para o tratamento de DP requer um grau de reprodutibilidade e compreensão, os quais não foram possíveis reunir atualmente. Em suma, é o desconhecimento quanto aos circuitos neuronais que estão na base de iniciações voluntárias ou desencadeadas por estímulos e como estas são diferencialmente afetadas em DP que nos levou a focar o nosso interesse neste tipo de investigação. Desse modo, desenvolvemos uma tarefa comportamental que nos permitiu treinar ratinhos para executarem a mesma ação, seja voluntária ou externamente desencadeada. Durante a aprendizagem, os animais aumentaram progressivamente a probabilidade de iniciar movimento com um estímulo externo, enquanto aplicaram uma estratégia diferente no paradigma voluntario, como pretendido. Vários parâmetros foram tomados em consideração de modo a mostrar que os animais executaram a tarefa eficientemente, enquanto, ao mesmo tempo, reproduziam os dois tipos de iniciação de movimento. Para replicar os problemas de iniciação de movimento relacionadas com a perda de dopamina em DP, testámos o efeito de antagonistas de recetores de dopamina em ratinhos movendo-se livremente numa arena de campo aberto e selecionámos a dosagem que fornecia uma redução de ~20% de iniciações voluntarias. Esta dosagem foi aplicada em animais proficientes que conseguiram atravessar todas as fases da tarefa comportamental. Em concordância com a observação em pacientes de DP, a probabilidade de iniciação de movimento externamente desencadeada não foi afetada, contrastando com a redução significativa de iniciações voluntárias. Tudo junto, desenvolvemos uma tarefa comportamental robusta, capaz de reproduzir ambos os tipos de iniciações, e quando combinada com a manipulação de atividade dopaminérgica, leva à reprodução do fenómeno observado em pacientes de DP. Apesar de ainda ser necessário um grau de otimização, esta tarefa pode agora ser combinada com modelos de ratinho de DP com melhor validade, assim como técnicas de gravação neuronal que nos permitirão perceber melhor este fenómeno ao nível dos circuitos neuronais