Μηχανισμοί πλαστικότητας στον ενήλικο εγκέφαλο του zebrafish (danio rerio): φυλετικές διαφοροποιήσεις

Abstract

The aim of this study is to determine possible sex-related differences in plasticity mechanisms in the adult zebrafish brain. Detailed mapping of glucose brain utilization observed to be heterogeneously distributed throughout the brain. In general, the female demonstrated higher glucose uptake rates than male individuals. Statistical analysis of the data revealed sexdimorphisms in [¹⁴C]2-deoxyglucose uptake in all studied hypothalamic areas, in optic tectum, in torus semicircularis, in superficial reticular formation and in valvula cerebellum. In all of these areas the female zebrafish showed higher glucose utilization rates than males. We studied possible gender-related differences in the localization and density of α₂- and β-adrenoceptors (AR) in the adult zebrafish (Danio rerio) brain, using in vitro quantitative autoradiography with the selective ligands [³H]RX821002 and [³H]CGP12177 to label the adrenoceptors. Binding sites were observed to be heterogeneously distributed throughout the brain. In both sexes dense α₂-ARs were observed in the locus coeruleus (LC), magnocellular octaval nucleus (MaON) and dorsal telencephalic (Dc, Dp) nuclei. However, β-ARs were found in dense binding in LC, in all cerebellar subdivisions, in dorsal zone of periventricular hypothalamus (Hd), and in ventral telencephalic nuclei. In addition we performed immunohistochemical studies to reveal the regional distribution of α₂A-ARs, β₂-ARs and adrenaline in the adult zebrafish brain. Detailed mapping showed labeling of α₂A-ARs, in neuropil, neuronal somata and fibers, glial processes and blood vessels. High density of α₂A-AR, β₂-ARs and adrenaline immunoreactivity was found in the ventral telencephalic area, preoptic, pretectal, hypothalamic areas, torus semicircularis, oculomotor nucleus (NIII), locus coeruleus (LC), medial raphe, medial octavolateralis nucleus (MON), magnocellular octaval nucleus (MaON), reticular formation (SRF, IMRF, IRF), cerebellar Purkinje cell layer and especially α₂A-ARs found in rhombencephalic nerves roots (DV, V, VII, VIII, X). Moderate levels of α₂A-ARs, β2-ARs and adrenaline were observed in the dorsal telencephalic area, in the periventricular gray zone of optic tectum, in the dorsomedial part of optic tectum layers, in the molecular and granular layer of all cerebellum subdivisions. Glial processes were found to express α₂A -ARs in rhombencephalon, intermingled with neuronal fibers. Medium size neurons were labelled in telencephalic, diencephalic and mesencephalic areas, while densely labelled large neurons were found in rhombencephalon, in the locus coeruleus, the reticular formation, the oculomotor, the medial octavolateralis and magnocellular octaval nuclei and Purkinje cell somata. From double labelled experiments also both neuronal and glial localization of β₂ARs and adrenaline were revealed. Dimorphisms in the density of α₂-ARs binding was identified in dorsal telencephalic Dl nucleus, preoptic PPa and PPp nuclei, hypothalamic nucleus (Hd), central gray (GC), and in granular layer of corpus and caudal lobe of cerebellum (CCe gr, LCa gr). In all these areas the females showed higher [³H]RX821002 binding than males. However, only four areas showed sex dimorphisms in the density of β-ARs, the Hd, GC, CCe gr and LCa gr. In Hd and GC females showed higher [³H]CGP12177 binding levels than males, while males demonstrated higher levels than females in CCe gr and LCa gr. The localization of [³H]RX821002 and [³H] CGP12177 binding sites and the sex dimorphisms in adrenoceptor densities in particular brain regions, indicates that the adrenergic/noradrenergic system could be associated with the control of essential functions as sex determination, reproductive behaviour, and other sex-specific behaviours.

Αυτή είναι η πρώτη εργασία µε στόχο τη µελέτη των µηχανισµών πλαστικότητας του ενήλικου εγκεφάλου του zebrafish για την ανάδειξη φυλετικών διαφοροποιήσεων. Στην παρούσα ερευνητική προσπάθεια µελετήθηκε η µεταβολική δραστηριότητα του εγκεφάλου µε χρήση της in vivo αυτοραδιογραφικής µεθόδου της [¹⁴C]2-deoxyglucose καθώς και η έκφραση των α₂ και β αδρενεργικών υποδοχέων µε χρήση in vitro αυτοραδιογραφικών ποσοτικών µεθόδων και ανοσοϊστοχηµικών µεθόδων. Επιπρόσθετα, µελετήθηκε η ανοσοέκφραση της αδρεναλίνης η οποία είναι ο φυσικός προσδέτης των αδρενεργικών υποδοχέων. Καθώς είναι η πρώτη φορά που µελετάτε η έκφραση των αδρενεργικών υποδοχέων στο κ εντρικό νευρικό σύστηµα ενηλίκων ατόµων zebrafish κρίθηκε αναγκαία η χαρτογράφηση της θέσης των αδρενεργικών υποδοχέων και η µελέτη των χαρακτηριστικών τους, µε πειράµατα κορεσµού. Τα πειράµατα χαρτογράφησης της απορρόφησης της γλυκόζης ανέδειξαν την υψηλή ετερογένεια της µεταβολικής δραστηριότητας στον ενήλικο εγκέφαλο του zebrafish. Γενικά, τα θηλυκά άτοµα εµφάνισαν υψηλότερο ρυθµό απορρόφησης της γλυκόζης σε σχέση µε τα αρσενικά άτοµα. Η στατιστική ανάλυση των αποτελεσµάτων έδειξε την ύπαρξη φυλετικών διµορφισµών σε όλες τις περιοχές του υποθαλάµου που µελετήθηκαν, στην οπτική καλύπτρα, στο επιµήκες κέρας, στον ανώτερο δικτυωτό σχηµατισµό και στην πρόσθια ή βαλβιδική παρεγκεφαλίδα. Σε όλες τις προαναφερθείσες περιοχές τα θηλυκά είχαν υψηλότερο ρυθµό µεταβολικής δραστηριότητας σε σχέση µε τα αρσενικά άτοµα. Οι µελέτες κορεσµού έδειξαν την υψηλής συγγένειας πρόσδεση των [³Η]RX811002 και [³Η]CGP12177 στους α₂ και β αδρενεργικούς υποδοχείς αντίστοιχα. Υψηλά επίπεδα εντοπισµού και των δύο αδρενεργικών υποδοχέων εντοπίστηκαν στον υποµέλανα τόπο, και στην ραχιαία ζώνη του περικοιλιακού υποθαλάµου (Hd). Η κεντρική και οπίσθια ζώνη της ραχιαίας τελεγκεφαλικής περιοχής (Dc, Dp), η κατιούσα ρίζα του τριδύµου (DV) και ο µεγακυτταρικός πυρήνας του ακουστικού νεύρου (MaON) διέθεταν υψηλές πυκνότητες α₂ αδρενεργικών υποδοχέων. Υψηλή πυκνότητα των β αδρενεργικών υποδοχέων εντοπίστηκε στον πλάγιο και κοιλιακό πυρήνα της κοιλιακής τελεγκεφαλικής περιοχής (Vl, Vv), στον πρόσθιο και οπίσθιο µεγακυτταρικό προοπτικό πυρήνα (PPa, PPp), και σε όλες της περιοχές της παρεγκεφαλίδας. Η στατιστική επεξεργασία των αποτελεσµάτων έδειξε την ύπαρξη φυλετικών διµορφισµών στην πυκνότητα των α2 αδρενεργικών υποδοχέων στην πλευρική ζώνη της ραχιαίας τελεγκεφαλικής περιοχής (Dl), στους προοπτικούς πυρήνες PPa και PPp, στον υποθαλαµικό πυρήνα Hd, στην κοκκώδη στοιβάδα του παρεγκεφαλιδικού σώµατος (CCe gr) και του οπίσθιου λοβού της παρεγκεφαλίδας (LCa gr) και στην περιοχής κεντρική φαιάς ουσίας (GC), σε όλες αυτές τις περιοχές τα θηλυκά άτοµα διέθετα υψηλότερες συγκεντρώσεις α₂ αδρενεργικών υποδοχέων από τα αρσενικά άτοµα. Η µελέτη της πυκνότητας των β αδρενεργικών υποδοχέων έδειξε την ύπαρξη διαφοροποιήσεων στον υποθαλαµικό πυρήνα Hd, στις παρεγκεφαλιδικές περιοχές CCe gr και LCa gr, και στην περιοχής κεντρική φαιάς ουσίας (GC). Στις παρεγκεφαλιδικές περιοχές τα αρσενικά διέθεταν µεγαλύτερη συγκέντρωση β αδρενεργικών υποδοχέων από τα θηλυκά άτοµα. Αντίθετα, στον Ηd και στον GC, µεγαλύτερες πυκνότητες β αδρενεργικών υποδοχέων εντοπίστηκαν στα θηλυκά άτοµα από τα αρσενικά ενήλικα zebrafish. Η ανοσο-χαρτογράφηση της αδρεναλίνης και των α₂A , α₂C και β₂ αδρενεργικών υποδοχέων στον ενήλικο εγκέφαλο του zebrafish, εµφανίσθηκε να είναι ετερογενής. Οι αδρενεργικοί υποδοχείς καθώς και η αδρεναλίνη εντοπίστηκαν σε ίνες, σε κιρσοειδής ίνες, στο νευροπήλιµα, σε εντοπίστηκαν σε ίνες, σε κιρσοειδής ίνες, στο νευροπήλιµα, σε κυτταρικά σώµατα και οι α₂A αδρενεργικοί υποδοχείς εντοπίστηκαν και σε αιµοφόρα αγγεία. Επιπρόσθετα, εντοπίστηκαν νευρικά κυτταρικά σώµατα και ίνες γλοίας που εξ έφραζαν τους αδρενεργικούς υποδοχείς. Ωστόσο δεν εντοπίστηκαν φυλετικές διαφοροποιήσεις στον ανοσοεντοπισµό των αδρενεργικών υποδοχέων και της αδρεναλίνης. Τα βιοχηµικά χαρακτηριστικά, το πρότυπο κατανοµής, και ο νευρικός ή γλοιακός χαρακτήρας των υποδοχέων στον εγκέφαλο του τελεόστεου ιχθύ zebrafish ενισχύει το παρόµοιο πρότυπο της αδρενεργικής-νοραδρενεργικής νεύρωσης των υπολοίπων σπονδυλωτών.