Hormones and neuroplasticity: image guided discoveries of molecular mechanisms in neuroplasticity

De hersenregio's verantwoordelijk voor zangleer en -productie in mannelijke zangvogels ('zangkernen' genaamd) vertonen een sterke neuroplasticiteit tijdens de juveniele ontwikkeling. Daarnaast vertonen seizoenaal broedende zangvogels een cyclus van zangkerngroei en -regressie doorheen het jaar: de zangnuclei groeien sterk in de vroege lente en krimpen terug wanneer de dagen korter worden. Beide vormen van neuroplasticiteit gaan gepaard met het leren van zang. In zebravinken bijvoorbeeld gaat de ontwikkelingsgebonden neuroplasticiteit gepaard met het leren van één enkel lied dat amper nog verandert in hun latere volwassen leven. In seizoenaal broedende zangvogels, zoals de spreeuw, worden de hersenen elke lente opnieuw ontvankelijk voor nieuwe zangelementen, en dit gaat gepaard met groei van hun zangkernen. Zowel zangleer als de gekoppelde neuroplasticiteit gebeuren het sterkst of zelfs enkel bij mannetjesvogels. Beide vormen van neuroplasticiteit (ontwikkelingsgebonden en seizoenaal) zijn zeldzaam in de dierenwereld en hun correlatie met het leren spreken is duidelijk, wat het een intrigerend onderzoeksveld biedt. Ondanks de aantrekkelijkheid van dit fenomeen als basis om menselijke toepassingen te onderzoeken, zijn de onderliggende moleculaire en cellulaire mechanismen van deze vorm van neuroplasticiteit onduidelijk.

In dit doctoraat werd onderzocht of schildklierhormonen (Eng. thyroid hormones, 'THs') mogelijks regulerende factoren zijn in dit leren-geassocieerd proces. THs zijn essentieel voor veel processen en niet in het minst voor de ontwikkeling, differentiatie en maturatie van hersenweefsel. Het effect van THs in een bepaald weefsel is vooral afhankelijk van de lokale aanwezigheid van drie specifieke types TH regulatoren. TH transporters helpen THs doorheen de bloed-hersenbarrière en doorheen het celmembraan van neuronen en gliacellen. De vier gekende TH transporters in vogels zijn de monocarboxylaat transporters 8 en 10, het organisch anion-transporterend polypeptide 1C1 en de L-type aminozuur transporter 1 (LAT1). Dejodasen onderhouden de hoeveelheid actieve THs door het activeren van het prohormoon T4 tot het actieve hormoon T3 (dejodase type 2, DIO2), of door het inactiveren van T4 en T3 (dejodase type 3, DIO3). Als laatste zijn er de TH receptoren (gecodeerd door de genen THRA en THRB). Dit zijn ligand afhankelijke transcriptiefactoren die de expressie van TH-responsieve genen beïnvloeden. In dit doctoraatsonderzoek werd gebruik gemaakt van in situ hybridizatie om de aanwezigheid van de voornoemde regulatoren te detecteren in vogelhersenen; vooreerst in ontwikkelende zebravinkhersenen (van 10 t.e.m. 120 dagen na uitkippen (Eng. days post-hatch, 'dph')) en daarnaast in de hersenen van spreeuwen in verschillende broed/zangstadia: fotosensitief, fotogestimuleerd en fotorefractair, wat respectievelijk overeenkomt met winter, vroege lente en zomer.

We toonden aan dat er in jonge zebravinken een sterke DIO2 mRNA expressie was in de endotheelcellen rond de hersencapillairen in het volledige telencephalon op 10 en 20 dph. Op 30 dph, wanneer de zangkernen nog steeds groeien maar de rest van de hersenen reeds volgroeid zijn, verminderde de DIO2 expressie, behalve in de zangkernen HVC, RA en Area X van mannelijke vogels. Deze lokale expressie bleef hoog tot op 60 dph terwijl de expressie in de rest van de hersenen ondetecteerbaar werd. Rond 90-120 dph, wanneer het lied uitkristalliseert, werd DIO2 expressie ook in de zangnuclei quasi ondetecteerbaar. Bij vrouwelijke zebravinken werd geen dergelijke lokale expressie waargenomen; DIO2 expressie in de zangkernen verdween even snel als in de rest van de hersenen rond 20-30 dph. Daarnaast werd bij mannetjes, maar niet bij vrouwtjes, een hogere LAT1 expressie waargenomen in HVC dan in de rest van de hersenen van 30 dph tot 120 dph. THRA expressie was verspreid over het hele telencephalon en THRB expressie was laag, behalve in RA in beide geslachten. Onze resultaten tonen duidelijk aan dat TH regulatie, waarvan vooral TH activatie door DIO2, een cruciale factor is in ontwikkelingsgebonden neuroplasticiteit.

Tijdens seizoenale neuroplasticiteit in de zangkernen werd vastgesteld dat DIO3 expressie in het HVC van de spreeuw veel hoger was op 4 weken na fotostimulatie dan in fotosensitieve vogels. Deze verhoging van DIO3 ging samen met een verminderde LAT1 expressie, wat er verder op wijst dat TH werking actief beperkt wordt na 4 weken fotostimulatie. Ervanuit gaande dat HVC zijn maximale grootte al bereikt heeft op dat punt, kan dit erop wijzen dat DIO3 nodig is om verdere TH actie, en dus neuroplasticiteit, tegen te houden in HVC. Dit helpt om de nucleus stabiel te houden tijdens het broedseizoen, wat nodig is om een sterk, stereotyp lied te produceren. DIO2 mRNA werd nergens gedetecteerd, maar is mogelijks nog aanwezig tijdens de snelle groei van het HVC kort na fotostimulatie en dus voor het door ons bestudeerde tijdspunt. Zowel THRA als THRB mRNA werden waargenomen, maar het expressieniveau was niet verschillend op de bestudeerde tijdstippen.

We besluiten dat regulatie van THs, en vooral lokale activatie door DIO2, een belangrijke rol speelt in de ontwikkelingsgebonden neuroplasticiteit van de zangkernen. Daarnaast suggereren onze data dat een actieve inhibitie van TH werking via DIO3 op 4 weken na de start van fotostimulatie bijdraagt aan de stabiliteit van HVC die nodig is voor de zang tijdens het broeden. Of DIO2 ook betrokken is bij seizoenale groei van de zangkernen is momenteel nog een open vraag, maar dit vormt een interessant topic voor verder onderzoek. Onze resultaten verschaffen belangrijke informatie over een potentieel cruciaal mechanisme in leren-geassocieerde neuroplasticiteit, informatie die hopelijk zal bijdragen om het moleculaire mechanisme te ontrafelen dat instaat voor leren en informatieverwerking in vertebraten en in het bijzonder bij de mens.