< Terug naar vorige pagina
Project
De rol van cytokines (interferon-gamma en tumor necrosis factor-alfa) in ervaringsafhankelijke neuroplasticiteit van de visuele cortex in de muis.
Neuroplasticiteit is een belangrijke eigenschap van de hersenen die dynamisch tot expressie komt in functie van tijd en plaats. Gedurende de hersenontwikkeling bepalen verschillende plasticiteits-bevorderende factoren de optimale werking van neurale netwerken. Anderzijds zorgen verschillende moleculaire factoren die plasticiteit beperken er voor dat deze netwerken later in het leven gestabiliseerd worden, maar wel in zulke matedat ze zich nog steeds kunnen aanpassen aan veranderingen in de omgeving. De visuele cortex is een waardevol onderzoeksmodel voor het bestuderen en begrijpen van de ontwikkeling, werking en plasticiteitsmechanismen in de neocortex van de muis, en uiteindelijk de mens. Wanneer vroeg of tijdens het volwassen leven het zicht gedeeltelijk beperkt wordt, bijvoorbeeld door het verlies van één oog (monoculaire enucleatie, ME), leidt dit tot een opmerkelijke structurele en functionele reorganisatie inde contralaterale visuele cortex zowel na korte als lange overlevingstijden. Desalniettemin blijven zowel de effecten van zulke deprivatie tijdens de adolescentie, alsook de corticale veranderingen over de gehele visuele en de niet-visuele regios nog grotendeels onbekend, en werd bijgevolg de focus van dit doctoraatsproject.
Bij de aanvang van ons onderzoek was duidelijk dat in volwassen muizen de gedepriveerde visuele cortex volledig reactiveert in 7 weken en dit door een combinatie van visueel herstel gevolgd door multimodale plasticiteit. Wij onderzochten specifiek de leeftijdsafhankelijkheid en exacte timing van deze twee reactivatieprocessen door middel van een gedetailleerde vergelijking van corticale activiteitspatronen in muizen geënucleëerd op de leeftijd van 45 dagen (adolescent) of van 120 dagen (volwassen). Radioactieve in situ</> hybridisatie voor de neuronale activiteitsmerker zif268</> in de visuele cortex van adolescente en volwassen ME muizen, toonde opmerkelijke verschillen. In adolescente muizen bleek de binoculaire cortex gekenmerkt door een snellere open-oog potentiatie, namelijk tussen 3 en 5 dagen na ME, maar zelfs na 7 weken bleef de reactivatie onvolledig,voornamelijk in de mediale monoculaire cortex. Bijgevolg stelden we onsde vraag in welke mate monoculaire enucleatie plasticiteitsprocessen uitlokt in een intermediaire leeftijdsgroep. In vergelijking met adolescente muizen was er een toenemende multimodale bijdrage aan het herstel vanactiviteit in P90 muizen hoewel een robuuste reactivatie zoals in volwassen dieren niet bereikt werd. Parallel aan de visuele cortex, observeerden we in de somatosensorische en auditieve cortex een overgang van een hypoactieve toestand in adolescenten naar hyperactiviteit in volwassen dieren. Op basis van deze bevindingen schuiven wij een "pre-sensitieve" periode naar voor gekenmerkt door een gradueel toenemende bijdrage van multimodaal herstel na lange-termijn monoculaire enucleatie. Bovendien komt deze periode overeen met de overgangsfase van adolescentie naar het volwassen levensstadium in de muis. We kunnen dus concluderen dat de multimodale compensatie in de visuele cortex als reactie op gedeeltelijk gezichtsverlies enkel uitgesproken is in volwassen dieren.
Ondanks deze bevindingen blijven de onderliggende cellulaire en moleculaire factoren verantwoordelijk voor het specifiek samen voorkomen van visuele en multimodale plasticiteit in volwassen dieren ongekend. Met het tweede deelvan deze studie wilden we hier dan ook verandering in brengen. Blootstelling aan duisternis ("dark exposure", DE) is een deprivatie-methode waarvan geweten is dat ze de corticale excitatie-inhibitie balans wijzigt. Omwille van deze interessante eigenschap hebben we DE aangewend als hulpmiddel om de rol van het GABAergische systeem in de leeftijdsafhankelijke respons op monoculaire enucleatie te ontrafelen. In eerste instantie bestudeerden we hoe DE de reactivatie van de visuele cortex beïnvloedt door volwassen muizen gedurende 10 dagen in een donkere kamer te huisvesten vooraleer één oog te verwijderden. DE resulteerde in de drastische omzetting van het volwassen activiteitsprofiel naar een respons op monoculaire enucleatie die eerder gelijkend is aan deze van adolescente dieren. De permanente hypoactiviteit en onvolledige reactivatie weerspiegelen hoogst-waarschijnlijk de afwezigheid van functionele multimodale input als een gevolg van de donker-periode. Verdere moleculaire analyse toonde aan dat monoculaire enucleatie voornamelijk vGAT expressie verlaagt, maar omgekeerd GABA productie verhoogt via een hogere expressie van de enzymen GAD65 en GAD67 in de media monoculaire cortex. In tegenstelling tot deze leeftijds- en DE-onafhankelijke veranderingen, ging een specifieke toename in de expressie van de postsynaptische GABAA receptor subunitalpha 1, die fasische inhibitie ondersteunt, gepaard met de onvolledigereactivatie in adolescente en DE-volwassen muizen. Een verandering in de delta-subunit, die tonische inhibitie ondersteunt, kon echter niet worden vastgesteld. Bijgevolg suggereren de moleculaire resultaten dat de hoeveelheid aan fasische intracorticale inhibitie reguleert of er al danniet multimodale plasticiteit optreedt na lange-termijn monoculaire enucleatie.
We kunnen besluiten dat beide deprivatie methoden monoculaire enucleatie en donker-blootstelling in de muis een uitmuntend onderzoeksmodel vormen om de cellulaire en moleculaire aspecten verantwoordelijk voor de leeftijds- en ervaringsafhankelijke eigenschappen van neuronale plasticiteit verder te ontcijferen. Daarenboven bieden ze de mogelijkheid om multimodale interacties en plasticiteit algemeen beter te begrijpen zeker in de recente context waarin onderzoek naar het voorkomenvan multimodale neuronen en regios in de hersenen van knaagdieren en hogere orde zoogdieren zoals de mens, meer en meer gewaardeerd wordt met het oog op medische toepassingen.
Bij de aanvang van ons onderzoek was duidelijk dat in volwassen muizen de gedepriveerde visuele cortex volledig reactiveert in 7 weken en dit door een combinatie van visueel herstel gevolgd door multimodale plasticiteit. Wij onderzochten specifiek de leeftijdsafhankelijkheid en exacte timing van deze twee reactivatieprocessen door middel van een gedetailleerde vergelijking van corticale activiteitspatronen in muizen geënucleëerd op de leeftijd van 45 dagen (adolescent) of van 120 dagen (volwassen). Radioactieve in situ</> hybridisatie voor de neuronale activiteitsmerker zif268</> in de visuele cortex van adolescente en volwassen ME muizen, toonde opmerkelijke verschillen. In adolescente muizen bleek de binoculaire cortex gekenmerkt door een snellere open-oog potentiatie, namelijk tussen 3 en 5 dagen na ME, maar zelfs na 7 weken bleef de reactivatie onvolledig,voornamelijk in de mediale monoculaire cortex. Bijgevolg stelden we onsde vraag in welke mate monoculaire enucleatie plasticiteitsprocessen uitlokt in een intermediaire leeftijdsgroep. In vergelijking met adolescente muizen was er een toenemende multimodale bijdrage aan het herstel vanactiviteit in P90 muizen hoewel een robuuste reactivatie zoals in volwassen dieren niet bereikt werd. Parallel aan de visuele cortex, observeerden we in de somatosensorische en auditieve cortex een overgang van een hypoactieve toestand in adolescenten naar hyperactiviteit in volwassen dieren. Op basis van deze bevindingen schuiven wij een "pre-sensitieve" periode naar voor gekenmerkt door een gradueel toenemende bijdrage van multimodaal herstel na lange-termijn monoculaire enucleatie. Bovendien komt deze periode overeen met de overgangsfase van adolescentie naar het volwassen levensstadium in de muis. We kunnen dus concluderen dat de multimodale compensatie in de visuele cortex als reactie op gedeeltelijk gezichtsverlies enkel uitgesproken is in volwassen dieren.
Ondanks deze bevindingen blijven de onderliggende cellulaire en moleculaire factoren verantwoordelijk voor het specifiek samen voorkomen van visuele en multimodale plasticiteit in volwassen dieren ongekend. Met het tweede deelvan deze studie wilden we hier dan ook verandering in brengen. Blootstelling aan duisternis ("dark exposure", DE) is een deprivatie-methode waarvan geweten is dat ze de corticale excitatie-inhibitie balans wijzigt. Omwille van deze interessante eigenschap hebben we DE aangewend als hulpmiddel om de rol van het GABAergische systeem in de leeftijdsafhankelijke respons op monoculaire enucleatie te ontrafelen. In eerste instantie bestudeerden we hoe DE de reactivatie van de visuele cortex beïnvloedt door volwassen muizen gedurende 10 dagen in een donkere kamer te huisvesten vooraleer één oog te verwijderden. DE resulteerde in de drastische omzetting van het volwassen activiteitsprofiel naar een respons op monoculaire enucleatie die eerder gelijkend is aan deze van adolescente dieren. De permanente hypoactiviteit en onvolledige reactivatie weerspiegelen hoogst-waarschijnlijk de afwezigheid van functionele multimodale input als een gevolg van de donker-periode. Verdere moleculaire analyse toonde aan dat monoculaire enucleatie voornamelijk vGAT expressie verlaagt, maar omgekeerd GABA productie verhoogt via een hogere expressie van de enzymen GAD65 en GAD67 in de media monoculaire cortex. In tegenstelling tot deze leeftijds- en DE-onafhankelijke veranderingen, ging een specifieke toename in de expressie van de postsynaptische GABAA receptor subunitalpha 1, die fasische inhibitie ondersteunt, gepaard met de onvolledigereactivatie in adolescente en DE-volwassen muizen. Een verandering in de delta-subunit, die tonische inhibitie ondersteunt, kon echter niet worden vastgesteld. Bijgevolg suggereren de moleculaire resultaten dat de hoeveelheid aan fasische intracorticale inhibitie reguleert of er al danniet multimodale plasticiteit optreedt na lange-termijn monoculaire enucleatie.
We kunnen besluiten dat beide deprivatie methoden monoculaire enucleatie en donker-blootstelling in de muis een uitmuntend onderzoeksmodel vormen om de cellulaire en moleculaire aspecten verantwoordelijk voor de leeftijds- en ervaringsafhankelijke eigenschappen van neuronale plasticiteit verder te ontcijferen. Daarenboven bieden ze de mogelijkheid om multimodale interacties en plasticiteit algemeen beter te begrijpen zeker in de recente context waarin onderzoek naar het voorkomenvan multimodale neuronen en regios in de hersenen van knaagdieren en hogere orde zoogdieren zoals de mens, meer en meer gewaardeerd wordt met het oog op medische toepassingen.
Datum:1 okt 2009 → 31 okt 2013
Trefwoorden:Mouse visual cortex, Experience-dependent cortical plasticity, Cytokines, Visual deprivation (enucleation), Time-dependent reorganization
Disciplines:Dierkundige biologie, Algemene biologie, Neurowetenschappen, Biologische en fysiologische psychologie, Cognitieve wetenschappen en intelligente systemen, Ontwikkelingspsychologie en veroudering
Project type:PhD project