Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Charakterisierung zweier Rattenmutanten mit spontanem Drehverhalten

Lessenich, Alina

Two mutant rats, the LEW/Ztm-ci2 mutant and the BH.7A/Ztm-ci3 mutant, were characterized in  prior studies and in the context of this thesis. Both mutants are featured by attacks of lateralized circling behavior. Circling behavior is shown by normal rats of certain strains, like the Sprague-Dawley strain, during their nocturnal acitivity phase and is understood as an expression of cerebral asymmetry. It is thought to be a suitable parameter to closer investigate the functional lateralization of brain functions. In animal models for certain brain diseases, like the „Ungerstedt-model“ of the rat for Parkinson`s disease, asymmetries are created by unilateral lesions of brain regions, and thus circling behavior is triggered. Accordingly, functional and morphological imbalances between the two hemispheres, particularly within the nigro-striatal dopaminergic system, can evoke rotations. Furthermore, numerous mouse and rat models are described, which are used in the field of deafness research and which, in addition to deafness, show massive circling behavior. In these cases, rotations are attributed to inner ear defects. From prior studies it was known, that the ci2 mutant is featured by lateralized circling behavior, hyperlocomotion, opisthotonus and ataxia. Investigations of the ci2`s dopaminergic system revealed a laterality within this system. In functional and morphological investigations of the cochlear and the vestibular system, deafness and functional deficits of the vestibular system as well as morphological alterations of the inner ear and of cochlear and vestibular brainstem nuclei were found. In the context of this thesis, a further characterization of the ci2 mutant and a primary characterization of the ci3 mutant should be undertaken. For further characterization of the exhibited circling behavior, video recordings were accomplished during the dark and the light phase. With the help of electroencephalograms, epilepsy was ruled out as an underlying cause of rotations in the ci2 mutant rats. According to prior studies in the ci2 mutant, the dopaminergic system of the ci3 mutant was investigated in neuropharmacological, neuropathological and neurochemical studies. For the purpose of studying function and morphology of the auditory and the vestibular system in ci3 rats, auditory evoked potentials were recorded and vestibular reflexes were tested. Additionally, inner ear hair cells and brainstem nuclei were examined histologically. Furthermore, rats with an inner ear defect were created by application of the ototoxic aminoglycoside-antibiotic streptomycin to normal LEW/Ztm-rats for the reason of comparing their phenotype with the phenotype of the two mutants. The results of our investigations clearly showed, that the rotational behavior exhibited by the two mutants is in fact spontaneous, since rotations were also shown in the absence of any investigator. The phenotype of the ci3 mutant differs from that of the ci2 mutant, in that the ci3 also shows circling behavior and a slight hyperlocomotion, but neither opisthotonus nor ataxia. The investigation of the ci3s´ dopaminergic system also revealed a laterality in dopamine content of the striatum. Furthermore, a significant asymmetry in the density of substantia nigra pars compacta dopaminergic neurons was found. In contrast to the ci2 mutant, the function of the auditory and the vestibular system appeared normal in the ci3 mutant rat. The comparison of the streptomycin-treated rats phenotype with the phenotype of the two mutants revealed strong parallels between the streptomycin-treated rats and the ci2 mutant. The streptomycin-treated rats also showed lateralized circling behavior, hyperlocomotion and opisthotonus, as well as deafness and disturbed vestibular reflexes. Histological examinations proofed morphological alterations of cochlear and vestibular brainstem nuclei, like decreased size of nuclei and altered neuron morphology. The main difference between those rats and the ci2 mutant rats was the fact, that circling behavior and hyperlocomotion of the streptomycin-treated rats persisted only transient for a few months after the streptomycin-treatment and not lifelong as in the ci2 mutant. This gives a further hint, that the circling behavior of the ci2 mutant cannot be attributed to vestibular defects only, but that central sites also play a role in generating circling behavior. The results imply, that the cause of circling behavior in the ci3 mutant lies in the lateralized alterations of the dopaminergic system und that this mutant thus suits for the investigation of functional lateralization of brain functions, as well as for the investigation of movement disorders with abnormal lateralization. The ci2 mutant, which exhibits deafness and rotational behavior at the same time, offers the possibility of characterizing dysfunctions of the cochlear and the vestibular system. Furthermore, it may serve as a model for hyperkinetic movement disorders.  

In Vorarbeiten und im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Rattenmutanten, die LEW/Ztm-ci2 Mutante und die BH.7A/Ztm-ci3 Mutante, die sich durch anfallsweise auftretendes, lateralisiertes Drehverhalten auszeichnen, charakterisiert. Ein solches Drehverhalten wird von normalen Ratten bestimmter Stämme, so z.B. von Sprague-Dawley Ratten, während ihrer nächtlichen Aktivitätsphase gezeigt und als Ausdruck cerebraler Asymmetrien verstanden. Es wird als geeigneter Parameter angesehen, um die funktionelle Lateralisierung von Hirnfunktionen näher zu untersuchen. In Tiermodellen für bestimmte Hirnerkrankungen, wie dem Ungerstedt-Modell der Ratte für den Morbus Parkinson, werden durch unilaterale Läsionen von Hirnregionen Asymmetrien geschaffen, die Drehverhalten auslösen. Funktionelle und morphologische Ungleichgewichte zwischen den Hemisphären, insbesondere im Bereich des nigro-striatalen dopaminergen Systems, können sich also in Rotationsverhalten äußern. Des weiteren sind verschiedene Maus- und Rattenmutanten beschrieben, die in der Taubheitsforschung eingesetzt werden und die neben der Taubheit ein massiv verstärktes Drehverhalten zeigen. Hier werden die Rotationen auf Innenohrschäden zurückgeführt.  Aus vorangegangenen Untersuchungen war bekannt, dass sich die ci2-Mutante phänotypisch durch lateralisiertes Drehverhalten, Hyperlokomotion, Opisthotonus und Ataxie auszeichnet. Untersuchungen des dopaminergen Systems der ci2-Mutante zeigten, dass hier eine Lateralität in diesem System vorliegt. Funktionelle und morphologische Untersuchungen des cochleären und vestibulären Systems erwiesen eine Taubheit und Funktionsdefizite des vestibulären Systems, sowie morphologische Veränderungen des Innenohres und der cochleären und vestibulären Hirnstammkerne. Im Rahmen dieser Arbeit sollte eine weitere Charakterisierung der ci2-Mutante und eine Erstcharakterisierung der ci3-Mutante vorgenommen werden. Für eine weiterführende Charakterisierung des Rotationsverhaltens wurden erstmals Videoaufnahmen der Tiere während der Hell- und der Dunkelphase angefertigt. Mit Hilfe von Elektroencephalogrammen wurde bei der ci2-Mutante eine Epilepsie als Ursache für die Rotationssalven ausgeschlossen. Bei der ci3-Mutante wurde, in Anlehnung an frühere Untersuchungen zur ci2, das dopaminerge System in neuropharmakologischen, neuropathologischen und neurochemischen Studien überprüft. Um Funktion und Morphologie des auditorischen und vestibulären Systems dieser Mutante zu untersuchen, wurden auditorisch evozierte Potentiale abgeleitet und vestibuläre Reflexe getestet, sowie die Haarzellen des Innenohres und die Kerngebiete beider Systeme im Hirnstamm histologisch untersucht. Zusätzlich wurden mittels der Verabreichung des ototoxischen Aminoglykosidantibiotikums Streptomycin normale Ratten des LEW/Ztm-Inzuchtstammes Ratten mit einem Innenohrschaden erzeugt, um deren Phänotyp mit dem Phänotyp der Mutanten, vor allem mit dem Phänotyp der ci2-Mutante, von der bereits ein Innenohrschaden bekannt war, zu vergleichen. Die Untersuchungsergebnisse machten deutlich, dass das Drehverhalten beider Mutanten wirklich spontan (auch ohne Anwesenheit des Untersuchers, wie die Videoaufnahmen bewiesen) auftritt. Die ci3-Mutante unterscheidet sich jedoch in ihrem Phänotyp von der ci2-Mutante, denn sie zeigt zwar ebenfalls Drehverhalten und eine leichte Hyperlokomotion, jedoch weder Opisthotonus noch Ataxie. Die Untersuchung des dopaminergen Systems erwies für die ci3-Tiere ebenfalls eine Lateralität im Dopamin-Gehalt des Striatums. Zusätzlich wurde eine signifikante Asymmetrie in der Dichte dopaminerger Neurone der Substantia nigra pars compacta gefunden. Die Funktionen von auditorischem und vestibulärem System sind bei der ci3-Mutante, im Gegensatz zu denen der ci2-Mutante, normal. Bei dem Vergleich des Phänotyps der Streptomycin-behandelten Tiere mit dem Phänotyp der beiden Mutanten wurden starke Parallelen zwischen den ci2-Tieren und den Streptomycin-behandelten Tieren deutlich. Die Streptomycin-behandelten Tiere zeigten ebenfalls lateralisiertes Rotationsverhalten, Hyperlokomotion und Opisthotonus, sowie Taubheit und gestörte vestibuläre Reflexe. Morphologische Veränderungen der cochleären und vestibulären Hirnstammkerne, wie verminderte Kerngrößen und veränderte Neuronenmorphologie, wurden in histologischen Untersuchungen sichtbar. Der Hauptunterschied zwischen diesen Tieren und der ci2-Mutante bestand darin, dass bei den Streptomycin-behandelten Tieren das Rotationsverhalten und die Hyperlokomotion nur transient über einen Zeitraum von einigen Monaten vorhanden waren, und nicht lebenslang wie bei der ci2. Diese Tatsache gibt einen weiteren Hinweis darauf, dass das Rotationsverhalten der ci2-Mutante nicht allein auf vestibuläre Defekte zurückgeführt werden kann, sondern dass zentrale Bereiche bei der Generierung von Drehverhalten eine Rolle spielen. Die Untersuchungsergebnisse lassen für die ci3-Mutante den Schluß zu, dass die Ursache für das Drehverhalten bei diesen Tieren in den lateralisierten Veränderungen im Bereich des dopaminergen Systems liegt, und diese Mutante somit geeignet ist, die funktionelle Lateralisierung von Hirnfunktionen, sowie Bewegungsstörungen mit abnormer Lateralisierung zu untersuchen. Die ci2-Mutante, die gleichzeitig Taubheit und Rotationsverhalten aufweist, bietet die Möglichkeit, Dysfunktionen des cochleären und vestibulären Systems näher zu charakterisieren. Darüber hinaus kann sie als Modell für hyperkinetische Bewegungsstörungen dienen.  

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Lessenich, Alina: Charakterisierung zweier Rattenmutanten mit spontanem Drehverhalten. Hannover 2002. Tierärztliche Hochschule.

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