Differential influence of rearing conditions and methamphetamine on serotonin fibre maturation in the dentate gyrus of gerbils (Meriones unguiculatus).

Abstract

Environmental experience and drugs are two parameters that affect the maturation of neurotransmitter systems. The influence of impoverished rearing (IR) versus enriched rearing (ER) was compared in conjunction with postnatal methamphetamine (MA) treatment. The densities of immunostained 5-HT fibres were quantified in septal and temporal regions of the hippocampal dentate gyrus (DG) in young adult gerbils. In the IR group, 5-HT fibre densities were significantly increased in the molecular, granular and polymorphic layers of the DG in the temporal plane. After postnatal MA treatment, the 5-HT fibre density in the ER group reached a level equivalent to that of the IR group in nearly all respects. Under IR conditions, the pharmacological intervention significantly increased the maturation of fibre densities in septal layers only in the right hemisphere with no significant alterations in the left hemisphere and in temporal regions of either hemisphere. According to our previous studies on hippocampal neurogenesis, adaptations of 5-HT fibre densities partly proved to be positively correlated to cell proliferation rates for each of the specific conditions. Thus, the induced MA sensitivity, caused by pharmacological intervention at day 14, was manifested as direct interaction of 5-HT fibre maturation and cell proliferation in dependence of environmental factors. Both IR and MA together give us a better understanding of raphe-hippocampal plasticity and offer new perspectives for pharmacological studies on the 5-HT participation in mental disorders.

Full text

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Zur Entstehung einer Imbalance im limbo-präfrontalen
System bei Meriones unguiculatus:
Der Einfluss restriktiver Isolationsaufzucht und einer postnatalen Methamphetamin-
Intoxikation auf die monoaminergen Transmitter Dopamin und Serotonin in
limbischen Regionen. Eine Bewertung quantitativer Datenerhebungen.











Dissertation
zur Erlangung der Grades
Doktor rer. nat.
Fakultät für Biologie
Universität Bielefeld




vorgelegt von
Andrea Busche










Bielefeld
Juni 2004

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Inhaltsverzeichnis
1. Zusammenfassung 1
2. Einleitung 2
2.1. Zum Einfluss schädigender Faktoren auf das reifende Gehirn 3
2.1.1. Unser Tiermodell 4
3. Das limbo-präfrontale System 6
3.1. Zur Struktur und Funktion der Formatio hippocampalis 8
3.2. Zur dopaminergen Innervation des limbo-präfrontalen Systems 11
3.2.1. Zu den Befunden an unserem Tiermodell 12
3.3. Zur serotonergen Innervation des limbo-präfrontalen Systems 14
3.3.1. Zu den Befunden an unserem Tiermodell 15
3.4. Zur Bedeutung von Dopamin und Serotonin für die
Zellproliferation im Gyrus dentatus 17
4. Adaptive Veränderungen im limbo-präfrontalen System 19
5. Literatur 23
Publikationen:
Busche A, Polascheck D, Lesting J, Neddens J, Teuchert-Noodt G (2004): Developmentally induced
imbalance of dopaminergic fibre densities in limbic brain regions of gerbils (Meriones unguiculatus). J
Neural Transm 111:451-463.
Busche A, Neddens J, Dinter C, Dawirs RR, Teuchert-Noodt G (2002): Differential influence of rearing
conditions and methamphetamine on serotonin fibre maturation in the dentate gyrus of gerbils (Meriones
unguiculatus). Dev Neurosci 24:512-521.
Neddens J, Bagorda F, Busche A, Horstmann S, Moll GH, Dawirs RR, Teuchert-Noodt G (2003): Epigenetic
factors differentially influence postnatal maturation of serotonin (5-HT) innervation in cerebral cortex of
gerbils: interaction of rearing conditions and early methamphetamine challenge. Dev Brain Res. 146:119-
130.
Neddens J, Dawirs RR, Bagorda F, Busche A, Horstmann S, Teuchert-Noodt G (2004): Postnatal maturation
of cortical 5-HT lateral asymmetry is vulnerable to both environmental and pharmacological epigenetic
challenges. Submitted.
Eigene Arbeiten
Danksagung
Eidesstattliche Erklärung

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1. Zusammenfassung
Schädigende Umwelteinflüsse können zu massiven Störungen der Hirnreifung führen. Störungen
im limbo-präfrontalen System, welches als das höchste assoziative System des Gehirns gilt, werden
mit verschiedenen psychischen Erkrankungen in Verbindung gebracht. An unserem Tiermodell
(Meriones unguiculatus) konnte durch frühere Arbeiten gezeigt werden, dass sowohl eine
chronische Schädigung in Form der restriktiven Isolationsaufzucht als auch eine akute Schädigung
in Form der einmaligen Methamphetamin- (MA) Intoxikation am postnatalen Tag 14 Einfluss
nehmen auf die Reifung der Monoamine Dopamin (DA) und Serotonin (5HT) im präfrontalen
Kortex und Nucleus accumbens.
Ziel meiner Arbeit war es, den Einfluss dieser beiden experimentellen Parameter auf die postnatale
DA und 5HT Reifung in der Formatio hippocampalis zu untersuchen und darüber hinaus ein
Gesamtbild der Veränderungen dieser Monoamine innerhalb des limbo-präfrontalen Systems zu
erstellen. Für die Formatio hippocampalis wurden folgende Resultate erhoben:
• Die restriktive Aufzucht führt zu einer leichten (nicht signifikanten) Anhebung der DAergen
Faserdichte im entorhinalen Kortex. Die einmalige frühkindliche MA-Intoxikation zeigt eine
signifikante Erhöhung der DAergen Faserdichte im ventrolateralen entorhinalen Kortex der
rechten Hemisphäre von Tieren aus restriktiver Aufzucht sowie der linken Hemisphäre von
Tieren aus semi-natürlicher Aufzucht. Die Faserdichte des Subiculums wird dagegen durch
keinen der beiden experimentellen Parameter beeinflusst (Busche et al., 2004).
• Die 5HTergen Faserdichten werden durch die restriktive Isolationsaufzucht und die einmalige
MA-Intoxikation bei semi-natürlicher Aufzucht in beiden untersuchten Arealen der Formatio
hippocampalis, dem Gyrus dentatus und dem lateralen entorhinalen Kortex, signifikant erhöht.
Eine zusätzliche Erhöhung der Faserdichte wurde bei MA-behandelten Tieren aus restriktiver
Aufzucht im rechten septalen Gyrus dentatus und im linken lateralen entorhinalen Kortex
gefunden. Dagegen führt die MA-Intoxikation bei restriktiv aufgewachsenen Tieren in den
weiteren untersuchten Arealen der Formatio hippocampalis tendenziell (nicht signifikant) zur
Absenkung der 5HTergen Faserdichte (Busche et al., 2002; Neddens et al., 2003, submitted).
Im Rückblick auf früheren Studien unserer Arbeitsgruppe werden beide Transmitter, DA und 5HT,
auch in allen weiteren untersuchten Arealen des limbo-präfrontalen Systems in ihrer postnatalen
Reifung stark beeinflusst. Insbesondere die strukturellen Veränderungen der DAergen Projektionen
im limbo-präfrontalen System weisen auf eine, sich im Laufe des Reifungsprozesses entwickelten,
Imbalance innerhalb dieses Systems hin, die in Form einer Hypoinnervation des präfrontalen
Kortex und einer Hyperinnervation des entorhinalen Kortex und der Amygdala auftritt. Lokale
Veränderungen der monoaminergen Innervation können sowohl die Aktivitäten innerhalb der
einzelnen Regionen als auch die Konnek-tivität zwischen den einzelnen Arealen beeinträchtigen
und somit die Funktion des Gesamtsystems erheblich stören. Unsere Befunde unterstützen aktuelle
Modellvorstellungen zur Schizophrenie, die eine Hypoaktivierung des präfrontalen Kortex und eine
Hyperaktivierung limbischer Areale postulieren.

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2. Einleitung
Lernen, Gedächtnisbildung, Entwicklung von kompetentem Sozialverhalten und
Strategienbildung sind komplexe Fähigkeiten, die unser Gehirn gewährleistet. Diese Leistungen
beruhen darauf, dass das Gehirn kein funktionell und morphologisch starres System darstellt,
sondern enorme plastische Kompetenzen aufweist, die gerade im Kindesalter besonders ausgeprägt
sind. Ein Kind lernt ganz „unfreiwillig“ durch die intensive Auseinandersetzung mit seiner Umwelt
während der Entwicklung. Dieses bringt zum Ausdruck, dass Lernen und Entwicklung zwei Seiten
einer Medaille darstellen, also zwei Prozesse, die gar nicht voneinander getrennt werden können.
Auf anatomischer und hirnphysiologischer Ebene bedeutet dies, dass während der Entwicklung die
neuronalen Verbindungen selektiv reifen und sich stabilisieren. Dabei ist die Interaktion mit der
Umwelt von entscheidender Bedeutung für die Ausbildung leistungsfähiger und sinnvoll
strukturierter Nervennetze in den verschiedensten sensorischen, motorischen und assoziativen
Systemen.
Mit der Geburt wird ein Säugling von einer Flut neuer Sinneseindrücke überschwemmt, die zu
diesem Zeitpunkt nicht alle adäquat verarbeitet werden können. Erst nach und nach reifen einzelne
Hirnareale heran, wobei die primär sensorischen und motorischen Gebiete früher reifen als die
assoziativen Areale, wodurch mit zunehmendem Alter immer komplexere Verhaltensweisen
ermöglicht werden (siehe Teuchert-Noodt und Lehmann, 2003). Dabei bedeutet die adaptive
Reifung neuronaler Nervennetze nicht etwa ausschließlich eine sukzessive Zunahme von
Verbindungen, vielmehr finden in einem hohen Maße Umbauprozesse bzw. Reorganisationen von
neuronalen Verbindungen statt. Beispielsweise werden die Anzahl synaptischer Kontakte
verändert, bestimmte synaptische Verknüpfungen verstärkt oder abgeschwächt sowie prä- und
postsynaptische Rezeptordichten verändert (Wolff, 1982; Edelman, 1993). Neurotransmitter sind
durch ihre morphogene Wirkung entscheidend an diesen Prozessen beteiligt (Mattson, 1988;
Lauder 1988, 1993).
In den kritischen Reifungsphasen finden in einem besonderen Umfang plastische
Umbauprozesse neuronaler Verbindungen in einzelnen Funktionssystemen bzw. Hirnarealen statt
(Wolff, 1982). Am Ende einer solchen kritischen Reifungsphase hat sich ein relativ stabiles
neuronales Netz herausgebildet. Innerhalb dieser kritischen Phasen liegen jedoch noch sehr
instabile neuronale Verbindungen vor, die in dieser Zeit maßgeblich durch die Umwelt beeinflusst
werden. Erfahrungen, die ein Individuum im Laufe dieser Entwicklungsphasen macht, prägen die
Struktur und Funktion neuronaler Verknüpfungen im Gehirn. Somit hinterlassen auch negative
Erfahrungen ihre Spuren im Gehirn, und traumatische Erlebnisse gerade im Kindesalter können
demzufolge sogar zu einer dysfunktionalen Reifung des Gehirns führen, die sich noch viel später
im Wesen und Verhalten des erwachsenen Menschen widerspiegeln kann.
Umwelt-induzierte Veränderungen der Struktur und Funktion während der Entwicklung des
Gehirns sind auch Gegenstand der heutigen medizinisch-psychiatrischen Forschung, die eben

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Störungen in der prä- und postnatalen Hirnreifung als eine Ursache für das Auftreten späterer
psychischer Erkrankungen sieht (Weinberger, 1987; Weinberger et al., 1992; Egan und
Weinberger, 1997; Raedler et al., 1998; Bogerts, 2002).

2.1. Zum Einfluss schädigender Faktoren auf das reifende Gehirn
Es ist hinreichend belegt, dass sowohl extrinsische (über die Umwelt) als auch intrinsische
Aktivitäten (innerhalb eines neuronalen Netzes), insbesondere während der kritischen Reifungs-
phasen, sehr starken Einfluss auf die Struktur und Funktion des Gehirns nehmen. Schon vor
nunmehr fast 30 Jahren konnten Hubel und Wiesel (1977) an Primaten zeigen, dass eine
Reizdeprivation in der kritischen Reifungsphase die Struktur des visuellen Kortex entscheidend
prägt. Die restriktive Isolationsaufzucht stellt seitdem ein bewährtes Tiermodell dar, an dem der
Einfluss der Umwelt auch auf die Reifung anderer höherer Hirnareale des Gehirns untersucht
werden kann. Zum Beispiel weisen isoliert aufgewachsene Tiere an Neuronen des Hippocampus
(HC), des Gyrus dentatus (GD), des entorhinalen Kortex (EC) und des präfrontalen Kortex (PFC)
morphologische Veränderungen der Dendriten auf, insofern als die Dendritenlänge, die Anzahl
dendritischer Verzweigungen und die Spinedichten der Neurone zum Teil stark abgesenkt sind
(Bartesaghi und Serrai, 2001; Bartesaghi und Severi, 2002; Bartesaghi et al., 2003a, b; Silva-
Gómez et al., 2003). Weiterhin ist in vitro gezeigt worden, dass der entorhinale Eingang in den HC
die Dendritenlänge der Körnerzellen im GD beeinflussen kann, und die neuronale Aktivität des EC
entscheidend an der Reifung der dendritischen Spines mitwirkt (Drakev et al., 1999; Frotscher et
al., 2000).
Die Monoamine Dopamin (DA) und Serotonin (5HT) scheinen besonders empfindlich auf
Umwelteinflüsse zu reagieren. Für beide Transmitter konnte gezeigt werden, dass die Aufzucht
unter reizarmen isolierten Bedingungen zu Veränderungen ihrer Physiologie – beispielsweise der
Rezeptordichten, der Transmitterausschüttung und der -umsatzrate – führt (Jones et al., 1992; Hall,
1998; Heidbreder et al., 2000; Lapiz et al., 2003). Auf Grund ihrer morphogenen Eigenschaft
spielen sie für die Neurogenese, die Differenzierung der Neurone und die Synaptogenese in der
prä- und postnatalen Entwicklung eine besondere Rolle (Lanier et al., 1976; Mattson, 1988;
Lauder, 1988; 1993; Lipton und Kater, 1989; Nguyen et al., 2001). Störungen in diesen
Transmittersystemen sollten sich demnach sowohl auf die Struktur der Neurone als auch auf deren
Konnektivität auswirken. In diesem Zusammenhang konnte gezeigt werden, dass eine Reduktion
der DAergen präfrontalen Innervation zu einer Verringerung der basalen Dendritenlänge und der
dendritischen Verzweigung präfrontaler Pyramidenzellen führt (Kalsbeek et al., 1989). Ebenso geht
beispielsweise eine Schädigung der 5HTergen Innervation bei juvenilen Ratten mit einer
Verringerung der Synapsendichte im HC adulter Tiere einher (Mazer et al., 1997; Yan et al., 1997).