Επίδραση πρώιμων εμπειριών στην αλληλεπίδραση ντοπαμινεργικού και γλουταματεργικού συστήματος στον εγκέφαλο επίμυ

Abstract

A large wealth of data from both human and animal studies have documentedwell that early life experiences have long term effects, influencing adult brainfunction and thus behavior. More vulnerable are Brain areas still maturing after birth,such as the prefrontal cortex, the hippocampus and the amygdala, are known to bemore vulnerable to the effects of early experiences.We have developed a novel animal model of early life experiences in whichduring postnatal days 10–13 (PND 10–13) rat pups are exposed to a T-maze, one armof which lead to the mother. One group of animals is allowed contact with the mother[rewarded—receiving expected reward (RER)], whereas the other one is denied theexpected reward (DER).The aim of the present study was the investigation of the effects of our neonatalmodel on the function of the glutamatergic and dopaminergic systems, as well as theirinteraction in the neonatal and adult prefrontal cortex, hippocampus and amygdala.More specifically, we studied the effects of our early life experience model on:• The composition and the phosphorylation status of NMDA receptorsimmediately after neonatal training, and in adulthood both under basal conditions andfollowing exposure to a novel environment.• The levels of D1 dopaminergic receptors under basal conditions in adulthood.• The levels of dopamine and its metabolites HVA and DOPAC after exposureto the novelty in adulthood.• The outcome of D1 receptor antagonist administration on the phosphorylationof NR1 subunit of NMDA receptors, in adulthood.Furthermore, we studied the impact of Τ-maze neonatal training on theemotional and exploratory behaviour/ambulatory activity of adult rats.We found that in the prefrontal cortex the DER experience led to decreasedlevels of NR2A subunits of neonates, and in lower levels of phosphorylated NR1 subunits in adulthood, both under basal conditions and after the exposure to novelty.In the amygdala, adult DER and RER animals showed increased D1 receptor levels,while decreased levels of dopamine as well as of phosporylated NR1 subunits.Interestingly, in the hippocampus of adult DER animals we found increased levels ofNR2A subunits.In the behavioral level, DER animals showed hyperactivity as a reaction to theexposure to the novel environment, which is possibly related to the hypofunction of the glutamatergic system in the prefrontal cortex, along with its hyperfunction in thehippocampus. In addition, both experimental groups were less anxious during theirexposure to a novel environment, which could be linked to the lower reactivityexhibited by the amygdalar dopaminergic and gloutamatergic systems under theseconditions.Concluding, our results document that both RER and DER experiences result inadulthood to a less reactive phenotype under mildly stressful conditions. Moreover,long-term effects of the DER experience include a dysfunction of the prefrontalcortex.

Είναι γνωστό πως οι πρώιμες εμπειρίες έχουν τόσο άμεσες όσο και μακροπρόθεσμες επιπτώσεις στην λειτουργία και την ανάπτυξη του εγκεφάλου, και κατ’ επέκταση στη συμπεριφορά του δεδομένου οργανισμού. Πιο ευάλωτες στις επιδράσεις των πρώιμων εμπειριών είναι οι εγκεφαλικές περιοχές, όπως ο προμετωπιαίος φλοιός, ο αμυγδαλοειδής πυρήνας και ο ιππόκαμπος, που συνεχίζουν να ωριμάζουν μετά τη γέννηση. Μάλιστα, οι δομές αυτές εμπλέκονται στη συναισθηματική ρύθμιση, την αντίδραση και την προσαρμοστική συμπεριφορά ενός οργανισμού. Στο εργαστήριο Βιολογίας-Βιοχημείας του Τμήματος Νοσηλευτικής ΕΚΠΑ αναπτύχθηκε ένα μοντέλο πρώιμων εμπειριών όπου κατά τη 10η ως τη 13η μεταγεννητική ημέρα, νεογνά επίμυων εκτίθενται σε ένα λαβύρινθο σχήματος «Τ»και εκπαιδεύονται είτε σε συνθήκες συνεχόμενης ματαίωσης [παρεμπόδιση επαφής με τη μητέρα που βρίσκεται στο άκρο ενός από τους δύο βραχίονες του λαβύρινθου -denied the expected reward (DER)] είτε σε συνθήκες συνεχόμενης ενίσχυσης [επαφή με τη μητέρα - receiving expected reward (RER)].Ο στόχος της διατριβής ήταν η μελέτη της επίδρασης των δύο αυτών πρώιμων εμπειριών στο νεογνικό και στον ενήλικο εγκέφαλο των επίμυων, και πιοσυγκεκριμένα στη λειτουργία του γλουταματεργικού και του ντοπαμινεργικούνευροδιαβιβαστικού συστήματος καθώς και στη μεταξύ τους αλληλεπίδραση του και στις τρεις εγκεφαλικές περιοχές που προαναφέρθηκαν.Ειδικότερα, μελετήθηκε βιοχημικά η επίπτωση των 2 νεογνικών εμπειριών:• Στη σύσταση των NMDA υποδοχέων γλουταμικού και στις φωσφορυλιώσεις των υπομονάδων τους που είναι ενδεικτικές για τη λειτουργικότητα τους έπειτα από τη νεογνική εκπαίδευση καθώς και στην ενήλικο ζωή υπό βασικές συνθήκες και έπειτα από την έκθεση των επίμυων σε ένα καινοφανές περιβάλλον.• Στα επίπεδα των D1 υποδοχέων ντοπαμίνης υπό βασικές συνθήκες στην ενήλικο ζωή.• Στα επίπεδα της ντοπαμίνης και των μεταβολιτών της ομοβανιλλικό οξύ και διυδροξυφαινυλοξικό οξύ έπειτα από έκθεση στο καινοφανές περιβάλλον, κατά την ενήλικο ζωή.• Στην επίδραση της χορήγησης ανταγωνιστή των D1 υποδοχέων ντοπαμίνης στην φωσφορυλίωση της NR1 υπομονάδας των NMDA υποδοχέων γλουταμικού, κατά την ενήλικο ζωή. Ακόμα, μελετήθηκε σε συμπεριφορικό επίπεδο η επίπτωση των 2 πρώιμων εμπειριών στη συναισθηματικότητα/άγχος και στην εξερευνητική συμπεριφορά/κινητικότητα των ενήλικων επίμυων. Βρέθηκε ότι στον προμετωπιαίο φλοιό η DER εκπαίδευση οδήγησε αφενός στην νεογνική ηλικία σε μειωμένα επίπεδα NR2A υπομονάδων και αφετέρου στην ενήλικο ζωή σε μειωμένα επίπεδα της φωσφορυλιωμένης μορφής των NR1υπομονάδων και υπό βασικές συνθήκες και έπειτα από έκθεση στο καινοφανές περιβάλλον. Στον αμυγδαλοειδή πυρήνα βρέθηκαν στην ενήλικο ζωή αυξημένα επίπεδα των D1 υποδοχέων ντοπαμίνης, παράλληλα με μειωμένα επίπεδα ντοπαμίνης καθώς και μειωμένα επίπεδα των φωσφορυλιωμένων NR1 υπομονάδων και για τις δύο πειραματικές ομάδες. Τέλος, εντοπίστηκαν αυξημένα επίπεδα NR2A υπομονάδων στον ιππόκαμπο των ενήλικων DER πειραματοζώων. Σε συμπεριφορικό επίπεδο, οι DER επίμυες εμφάνισαν υπερκινητικότητα, κάτι που πιθανόν να σχετίζεται με την υπολειτουργία του γλουταματεργικού συστήματος στον προμετωπιαίο φλοιό και την παράλληλη υπερλειτουργία του στον ιππόκαμπο.Ακόμα βρέθηκαν χαμηλότερα επίπεδα άγχους και για τις δύο πειραματικές ομάδες,που πιθανόν σχετίζεται με τη μειωμένη αντιδραστικότητα του αμυγδαλοειδούς πυρήνα, όπως φαίνεται από τα χαμηλότερα επίπεδα της ντοπαμίνης και της φωσφορυλιωμένης μορφής των NR1 υπομονάδων των NMDA υποδοχέων. Συμπερασματικά, και οι δύο πρώιμες εμπειρίες φαίνεται να οδηγούν σε μικρότερη αντίδραση σε ήπιες στρεσογόνες εμπειρίες κατά την ενήλικο ζωή, ενώ αντίθετα, η DER εκπαίδευση φαίνεται να έχει μεγαλύτερη επίπτωση στην εγκεφαλική λειτουργία, οδηγώντας σε «παθολογία» του προμετωπιαίου φλοιού.