Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Keeping the gate

Ammersdörfer, Sandra

Behavioral and physiological responses to stress enable an organism to cope with threatening situations. Although protective in the short-term, stress responses may have pathological long-term effects presumably due to a prolonged, inadequate, or exaggerated endocrinologic and autonomic functioning. Stress hormones, like cortisol, are supposed to contribute to the pathogenesis of psychiatric disorders by having devastating consequences on brain function and structure, predominantly on brain regions that are crucial for emotional processes and the evaluation of stressful situations (e.g., the amygdala). Pathological brain changes as well as behavioral outcomes (e.g., anhedonia) similar to that observed in human patients suffering from stress-related psychiatric disorders, can be provoked in animals by exposing them to stressful situations. Thus, animal models are widely used in neurobiological research to mimic certain aspects of these diseases aiming to understand the neuronal mechanisms involved in their aetiologies. The primary objective of this project was to examine stress-induced neuronal plasticity and stability within the main output station of the amygdala, i.e., the central nucleus. The central nucleus has a key role in the mediation of physiological and behavioral stress responses and is strongly involved in the hypothalamo-pituitary-adrenal axis regulating the production of stress hormones. For the purpose of this project, the first step was to establish and evaluate a suitable stress paradigm for our animal model, the Short-tailed fruit bat, Carollia perspicillata. For evaluating the selected stress paradigm (i.e., chronic immobilization stress) a two-stage approach was chosen. First, a noninvasive and feedback free method for measuring fecal cortisol as a reliable physiological parameter for stress was successfully established and verified in the bat. Second, stress effects on the locomotor and exploratory behavior were examined by adapting a commonly used behavioral paradigm for characterizing stress coping styles in animals (i.e., the elevated plus maze) to bats. For stress induction, adult bats were subjected to chronic immobilization stress (one hour per day) over a period of ten days. For the stress hormone measurements, fecal samples were collected pre- and poststress. Following chronic immobilization, all animals studied exhibited a significant increase in fecal cortisol concentrations compared to prestress conditions suggesting that repetitive immobilization over ten days represented an effective stressor in this bat species. The successful establishment of a method for fecal cortisol analysis in the Short-tailed fruit bat, C. perspicillata, provides a practical tool for wildlife and stress research. For the behavioral study, the locomotor and exploratory behavior of each animal was analyzed in a custom-made plus maze for bats, consisting of four arms: two oppositely oriented arms were left sound-transmissive (termed “open”), whereas both of the other arms were made sound-reflective (termed "enclosed"). The plus maze was designed 3-dimensionally because of the bats' ability to fly. In this newly invented design, the behaviors of the stressed animals were compared with a control group (not subjected to immobilization) with respect to the percentage of time spent in the open arms and the flight activity in the entire maze. The results show that chronic immobilization stress changes the locomotor and exploratory behavior of C. perspicillata. Moreover, when exposed to the plus maze, stressed bats seem to display two divergent adaptive behaviors, apparently indicating different coping strategies of the individuals. The neuroanatomical part of this project was scheduled in two steps: First, based on cytoarchitectonic properties, an exhaustive parcellation of the bat's amygdala was done which did not exist for C. perspicillata before. Second, by measuring nuclear volume, total number of neurons, and neuronal soma size, stress-induced neuronal plasticity and stability within the central nucleus of the amygdala was examined. Following chronic immobilization stress, significant decreased neuronal soma sizes within the right central nucleus and a slight decline in the nuclear volume of the left central nucleus of the amygdala were found. These findings were in line with recent literature demonstrating that brain regions involved in the neuronal processes for emotions and the mediation of behavioral and physiological responses are affected by stress itself. The central nucleus is often traditionally viewed as a passive relay of outputs of the basolateral complex toward downstream brainregions. This project supports recent evidence suggesting that the central nucleus may also be a target of neuroplastic changes and emphasizes its possible role in the cellular mechanisms underlying stress-related disorders.

Die Bewältigung einer bedrohlichen Situation wird einem Organismus durch physiologische Stressreaktionen und adaptive Verhaltensantworten ermöglicht. Obwohl diese Stressreaktionen den Organismus bei Bedrohung schützen, können sie langfristig gesehen, aufgrund einer anhaltenden, unangemessenen und / oder überhöhten Aktivtät des vegetativen und endokrinologischen Systems, pathologische Folgen nach sich ziehen. Es wird angenommen, dass Stresshormone, wie beispielsweise Cortisol, durch ihre verheerenden Auswirkungen auf die Funktion und Struktur des zentralen Nervensystems zur Pathogenese von psychiatrischen Erkrankungen beitragen. Von dieser maladaptiven Neuroplastizität sind vor allem Gehirnregionen betroffen, die eine wichtige Rolle in der Prozessierung von Emotionen und stressreichen Erfahrungen spielen (z.B. die Amygdala). Durch experimentelle Stresseinwirkung können in Versuchstieren physiologische, behaviorale und neuroplastische Veränderungen hervorgerufen werden, die den Symptomen menschlicher Psychopathologien ähneln. Tiermodelle werden daher vielfach zur Untersuchung der neuronalen Mechanismen eingesetzt, die der Ätiologie dieser Erkrankungen zugrunde liegen. Das primäre Ziel dieses Projektes bestand darin, stressinduzierte neuronale Plastizität und Stabilität im Ausgangsnukleus der Amygdala (d.h. im zentralen Nukleus) zu untersuchen. Für den Erfolg der Studie war es wichtig, ein geeignetes Stressprotokoll für unser Tiermodell, die Brillenblattnase (Carollia perspicillata), zu entwickeln. Hierzu wurde in einer ersten Studie eine nicht-invasive Methode zur Messung von Cortisolkonzentrationen im Kot von Fledermäusen etabliert und verifiziert. In einer zweiten Studie wurde der Einfluss von Immobilisationsstress auf das lokomotorische und explorative Verhalten von C. perspicillata in einem speziell für Fledermäuse entwickelten Versuchsdesign („plus maze“) untersucht. Die Immobilisierung der Fledermäuse erfolgte an zehn aufeinanderfolgenden Tagen für jeweils eine Stunde am Tag. Für die endokrinologische Studie wurden Kotproben von Fledermäusen im ungestressten Zustand und nach Immobilisierung verwendet. Infolge der repetitiven Immobilisierung zeigten alle in der Studie untersuchten Tiere eine erhöhte fäkale Cortisolkonzentration im Vergleich zum ungestressten Zustand. Mit dieser Studie wurde erfolgreich eine Methode zur Messung von Cortisolkonzentrationen im Kot von Fledermäusen etabliert, die Anwendungsmöglichkeiten sowohl im wissenschaftlichen Bereich, wie auch im Wildtier-Management bietet. Der Einfluss von Immobilisationsstress auf das lokomotorische und explorative Verhalten der Fledermäuse wurde in einem Verhaltenstests analysiert, der in Nagetierstudien weitverbreitete Anwendung findet (hier: „elevated plus maze“), und entsprechend für Fledermäuse modifiziert wurde. Der Versuchsaufbau bestand aus vier kreuzförmig angeordneten Armen (jeweils zwei gegenüberliegende „offene“ Arme bzw. „geschlossene“ Arme) und war aufgrund der Flugfähigkeit der Fledermäuse 3-dimensional gestaltet. In diesem neu entwickelten Versuchsaufbau wurden die Verhaltensweisen von gestressten und ungestressten Tieren bezüglich der Flugaktivitätsrate und der Aufenthaltsdauer in den offenen Armen analysiert. Die Ergebnisse der Studie haben gezeigt, dass (1) Immobilisationsstress das lokomotorischen und explorative Verhalten von C. perspicillata beeinflusst hat und (2) die gestressten Tiere zwei unterschiedliche Verhaltensweisen aufwiesen, die als interindividuelle Stressbewältigungsstrategien interpretiert wurden. Der neuroanatomische Teil dieses Projekts war in zwei Ansätze gegliedert: (1) Basierend auf den zytoarchitektonischen Eigenschaften wurde eine umfangreiche Parzellierung der Amygdala von C. perspicillata durchgeführt. (2) Um den Einfluss von Immobilisationsstress auf die neuronale Plastizität und Stabilität zu untersuchen, wurde die Anzahl und die Somagröße der Neurone sowie das Volumen des zentralen Nukleus gemessen. Während die Neuronenzahl konstant blieb, wurde eine tendenzielle Abnahme des linken Nukleusvolumens und eine signifikante Verkleinerung der Neuronen des rechten Nukleus infolge von Immobilisationsstress festgestellt. Der zentrale Nukleus wurde traditionell als eine passive Schnittstelle innerhalb der amygdaloiden Schaltkreise angesehen. Die Ergebnisse dieses Projektes unterstützen neuere Studien, die demonstriert haben, dass der zentrale Nukleus eine wichtige Rolle in der Prozessierung von Emotionen und Stress spielt, und weisen auf eine bedeutende Rolle in der Pathogenese von, mit Stress in Zusammenhang stehenden, psychiatrischen Erkrankungen hin.

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Ammersdörfer, Sandra: Keeping the gate. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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