University of Groningen. New neurons in the adult brain van der Borght, Karin

Transcriptie

1 University of Groningen New neurons in the adult brain van der Borght, Karin IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2006 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): van der Borght, K. (2006). New neurons in the adult brain: A study on the regulation and function of neurogenesis in the adult rodent hippocampus s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Nederlandse Samenvatting Gedurende lange tijd is de algemeen geaccepteerde gedachtengang geweest dat het centrale zenuwstelsel van een volwassen zoogdier niet in staat is tot het genereren van nieuwe neuronen (neurogenese). De eerste aanwijzingen die suggereren dat deze aanname onjuist is, stammen uit de jaren 60. Met behulp van radioactief gelabeld thymidine kon worden aangetoond dat in de hersenen van de volwassen rat nieuwe cellen worden gevormd met de ultrastructurele kenmerken van zenuwcellen (Altman & Das, 1965). Echter, omdat met de in die tijd beschikbare technieken niet onomstotelijk kon worden vastgesteld dat de nieuw gevormde cellen daadwerkelijk neuronen waren, zijn deze bevindingen lange tijd genegeerd. De introductie van de thymidine analoog bromodeoxyuridine (BrdU) bracht het onderzoek naar neurogenese in volwassen dieren in een stroomversnelling. Het gebruik van BrdU om het DNA van delende cellen te markeren, schiep de mogelijkheid om met immunocytochemische dubbelkleuringen de uiterlijke kenmerken (het fenotype) van nieuw gegenereerde cellen te bepalen. Met deze nieuwe technieken kon voor veel diersoorten, waaronder de mens, worden vastgesteld dat nieuwe zenuwcellen gedurende het gehele volwassen leven worden gevormd. De nieuwe neuronen die geproduceerd worden in het volwassen brein komen voort uit stamcellen. Dit zijn ongedifferentieerde, multipotente cellen die de mogelijkheid hebben tot asymmetrische celdeling. Neurogenese in volwassen dieren is in twee hersengebieden aangetoond: de bulbus olfactorius, een gebied betrokken bij geurperceptie, en de hippocampus, een structuur die een rol speelt bij verscheidene processen, waaronder leren en geheugen. De experimenten beschreven in dit proefschrift zijn uitsluitend gericht op het bestuderen van hippocampale neurogenese. In de hippocampus is neurogenese is beperkt tot de granulaire cellaag van de gyrus dentatus. Stamcellen en snel delende voorlopercellen bevinden zich in de subgranulaire zone, een smalle laag tussen de granulaire cellaag en de hilus. Na een aantal celdelingen verlaten deze voorlopercellen de celcyclus, migreren in de granulaire cellaag en differentiëren in granulaire neuronen. In dit proefschrift is getracht meer inzicht te verkrijgen in factoren die betrokken zijn bij de regulatie van celdeling, de differentiatie richting neuron of gliacel en het aantal van de nieuw gevormde cellen dat uiteindelijk overleeft en geïncorporeerd kan worden in het bestaande hippocampale netwerk. Gezien de belangrijke rol van de hippocampus in leer- en geheugenprocessen is ook onderzocht of de nieuw gevormde neuronen betrokken zijn bij dit aspect van het hippocampale functioneren. In hoofdstuk 2 van dit proefschrift is onderzocht of hippocampale celproliferatie in muizen fluctueert gedurende de dag en of het wordt beïnvloed door dag/nacht variatie in activiteit. Hiertoe is, gedurende een dag, elke 3 uur het aantal delende cellen in de subgranulaire laag bepaald. Dit aantal bleek constant te zijn op elk moment van de dag, waaruit kan worden opgemaakt dat hippocampale celproliferatie niet circadiaan gereguleerd wordt. Vervolgens hebben we gekeken of het stabiele aantal delende cellen in de hippocampus beinvloed wordt door experimentele manipulatie van het normale slaap- of activiteitspatroon. 177

3 Om het effect van slaap op celproliferatie te bestuderen, werden muizen gedurende hun normale rustperiode 12 uur lang onthouden van slaap door middel van de gentle handling methode. In een andere groep muizen werd de lichamelijke activiteit verhoogd door de dieren te huisvesten met een loopwiel gedurende 9 dagen. De resultaten laten zien dat slaapdeprivatie geen effect had op het aantal delende cellen. Echter, verhoging van de activiteit door middel van een loopwiel veroorzaakte een significante stijging in de aanmaak van nieuwe cellen in de hippocampus. Deze verhoging was alleen zichtbaar direct na de actieve periode en was niet meer statistisch significant aan het einde van de rustfase. Deze bevinding suggereert dat lichamelijke activiteit niet zorgt voor een gelijkmatige verhoging van de constante snelheid in celproliferatie, maar dat het een piek veroorzaakt tijdens en/of direct na beëindiging van de actieve fase. Dit geeft aan dat een constant aantal delende cellen gedurende de dag geen voorwaarde is voor optimaal hippocampaal functioneren. Verder suggereren deze data dat hippocampale celproliferatie heel acuut gereguleerd wordt door lichamelijke activiteit. Dit wordt bevestigd door de studies beschreven in hoofdstuk 3. Daar hebben we gekeken naar het aantal prolifererende cellen en het aantal jonge neuronen in de hippocampus, nadat muizen 1, 3 of 10 dagen waren gehuisvest met een loopwiel. Alleen na 10 dagen met een verhoogde lichamelijke activiteit was het aantal prolifererende cellen en zich ontwikkelende neuronen signifi cant toegenomen. Regressie analyse liet zien dat individuele variatie in het aantal delende cellen het best kan worden verklaard door de afstand die de muizen hebben afgelegd op de laatste dag en niet door de totale duur van het experiment. Dit betekent dat celproliferatie heel direct gereguleerd wordt door loopwielactiviteit. Deze aanname wordt versterkt door het feit dat de aanmaak van nieuwe cellen onmiddellijk terugging naar een basaal niveau nadat het loopwiel werd weggenomen uit de kooi. Het aantal jonge neuronen bleef verhoogd gedurende tenminste 6 dagen nadat het loopwiel was verwijderd. Dit wijst erop dat de effecten van lichamelijke inspanning op het aantal delende cellen en op de overleving en/of differentiatie van nieuwgevormde cellen hoogstwaarschijnlijk gereguleerd worden door verschillende mechanismen. De mechanismen die ten grondslag liggen aan de positieve effecten van een verhoogde lichamelijke activiteit op neurogenese zijn nog onduidelijk. Mogelijkerwijs speelt de input vanuit het mediale septum een rol. Het mediale septum is een hersenkern bestaande uit cholinerge en GABAerge neuronen die projecteren naar de hippocampus. Lichamelijke activiteit zorgt ervoor dat neuronen in het mediale septum synchroon gaan vuren en zogenaamde theta-activiteit veroorzaken in de hippocampus. De data beschreven in hoofdstuk 4 en 8 tonen aan dat het mediale septum betrokken is bij de regulatie van neurogenese in de gyrus dentatus. Een excitotoxische lesie van het mediale septum, door middel van infusie van NMDA, resulteerde in een vermindering van met name het aantal GABAerge neuronen. De afname van het aantal GABAerge cellen ging gepaard met een signifi cante reductie in de overleving van nieuw gevormde neuronen in de hippocampus. Deze resultaten wijzen erop dat GABAerge component van de septohippocampale connectie mogelijkerwijs betrokken is bij de regulatie van celdood en overleving in de hippocampus. 178

4 Hippocampale celproliferatie werd niet beïnvloed door NMDA-infusie in het mediale septum. Echter, een electrolytische lesie van het mediale septum in muizen had wel een significante reductie van het aantal delende cellen in de hippocampus tot gevolg. In tegenstelling tot de NMDA lesie, veroorzaakte de electrolytische lesie een significante afname van het aantal cholinerge neuronen in het mediale septum. In combinatie met data uit de literatuur, waar specifi eke cholinerge lesies in het mediale septum een reductie in hippocampale celproliferatie veroorzaakten, suggereren onze data dat de cholinerge input naar de hippocampus mogelijk van invloed is op het aantal delende cellen in de hippocampus. De hippocampus speelt een belangrijke rol in leren en geheugen. Binnenkomende informatie wordt tijdelijk opgeslagen in de hippocampus, alvorens het wordt vastgelegd in het lange-termijn geheugen in de hersenschors. Ook tijdens het weer ophalen van herinneringen passeert de informatie de hippocampus. Deze prominente rol van de hippocampus in leer- en geheugenprocessen doet vermoeden dat de nieuw-gevormde neuronen in de gyrus dentatus hier wellicht ook een bijdrage aan leveren. Dit proefschrift beschrijft een aantal studies waarin gekeken is of verschillende vormen van leren van invloed zijn op het aantal nieuw-gevormde neuronen in de hippocampus. In hoofdstuk 5 zijn ratten getraind in de active shock avoidance (ASA) taak. Dit is een associatieve leertaak, waarbij de rat moet leren om een neutrale stimulus (een toon) te associëren met een negatieve ervaring (een milde voetschok). Het dier kan deze negatieve ervaring vermijden door tijdens het horen van de toon naar de andere kant van de testbox te springen. Het aanleren van deze taak is niet hippocampus-afhankelijk, maar verscheidene studies hebben aangetoond dat ASA leren specifi ek een activatie van de gyrus dentatus tot gevolg heeft. Echter, onze studie laat zien dat geen van beide trainingsprotocollen die we hebben toegepast (1 dag of 4 dagen training) effect had op de overleving van het aantal cellen dat gelabeld was met BrdU een week voor het begin van de training. Het aantal delende cellen bleef ook onveranderd na het aanleren van de ASA taak. Hieruit kunnen we concluderen dat deze leertaak geen effect heeft op het aantal nieuw-gegenereerde neuronen in de hippocampus. Vervolgens hebben we onderzocht of de acquisitie van een hippocampus-afhankelijke leertaak wel invloed heeft op de vorming van nieuwe cellen (hoofdstuk 6). Hiertoe zijn ratten getraind in de Morris water maze (MWM), een ruimtelijke leertaak waarbij het dier een platform moet weten te lokaliseren, wat onzichtbaar is gemaakt door het vlak onder de waterspiegel te plaatsen. Controledieren bleven in de thuiskooi of werden getraind in de zogenaamde cued leertaak, waarbij het platform zichtbaar was. Deze laatste vorm van leren is niet afhankelijk van de hippocampus. Dit experiment is uitgevoerd met twee veel gebruikte rattenstammen, Wistar en Sprague-Dawley. De resultaten laten zien dat ook MWM leren geen invloed heeft op hippocampale celproliferatie, noch op de overleving van nieuw gevormde neuronen. Echter, de hippocampus-afhankelijke leertaak leidde wel tot een verhoging van het aantal PSA-NCAM positieve neuronen. De binding van polysialyl groepen aan NCAM (neuraal cel adhesie molekuul) is onder andere geassocieerd met de vorming van synapsen, neurale migratie en dendriet-uitgroei. De leertaak-geinduceerde toename in PSA-NCAM immunoreactiviteit in de gyrus dentatus geeft dus aan dat er 179

5 in dit hersengebied plastische veranderingen hebben plaatsgevonden. Deze veranderingen bleken echter niet voldoende om hippocampale neurogenese te beïnvloeden. Tenslotte hebben we een studie uitgevoerd (hoofdstuk 7) waarbij we hebben onderzocht wat de effecten zijn van een verhoging van neurogenese op het aanleren van de Y-maze (een ruimtelijke leertaak), het weer ophalen van deze herinnering en het vermogen om de geleerde informatie toe te passen in een nieuwe situatie. Een verhoging van het aantal nieuw gevormde neuronen werd bereikt door muizen gedurende 14 dagen te huisvesten met een loopwiel. De toename in neurogenese resulteerde in een verbeterd leervermogen in de Y-maze. Een andere groep muizen kreeg de beschikking over een loopwiel nadat ze waren getraind in de Y-maze. Vervolgens werden ze getest in een retentietaak of in een reversal-taak, waarbij de voedselbeloning in de andere arm werd geplaatst dan tijdens de training. De dieren met een verhoging van hippocampale neurogenese presteerden significant beter in beide taken. Daarna hebben we onderzocht of het weer ophalen van de geleerde informatie effect had op het aantal nieuw gevormde cellen. Onze resultaten laten zien dat zowel na de retentietest als de reversal taak, het aantal jonge neuronen in de gyrus dentatus significant verlaagd is. In hoofdstuk 8 presenteren wij een model waarin de mogelijke relatie tussen hippocampale neurogenese en leer- en geheugenprocessen uiteengezet is. In dit model laten wij zien dat blootstelling van een dier aan een stimulus, zoals een leertaak of een nieuwe omgeving, leidt tot een activatie van met name nieuw gevormde neuronen. Deze jonge granulaire cellen hebben een verhoogde capaciteit voor synaptische en morfologische plasticiteit, vergeleken met de reeds aanwezige granulaire neuronen. Deze eigenschappen maken de nieuw gevormde neuronen buitengewoon geschikt om deel uit te maken van het zogenaamde geheugenspoor, de groep cellen die geactiveerd wordt tijdens de vorming van geheugen. Echter, de verhoogde gevoeligheid van nieuw gevormde cellen om geïncorporeerd te worden in een geheugenspoor kan nadelig zijn tijdens het weer ophalen van herinneringen. Het ophalen van een herinnering resulteert in de re-activatie van het eerder gevormde geheugenspoor. Wanneer gelijktijdig een nieuw (en tevens overbodig) geheugenspoor wordt gevormd door activatie van jonge granulaire neuronen, kan dit leiden tot interferentie tussen het bestaande en het nieuw gevormde geheugenspoor. Wij denken dat dit de reden is voor de door ons beschreven onderdrukking van hippocampale neurogenese tijdens de retentietest en het reversal leren in de Y-maze (hoofdstuk 7). 180