Brain changes underlying the long-term effects of a single previous exposure to emotional or systemic stressors in rats: a view from the hypothalamic-pituitary-adrenal axis

Abstract

Estímuls estressants bàsicament emocionals, com la immobilització en taula (IMO), exerceixen efectes a llarg termini sobre l'activitat de l'eix hipotalàmic-pituïtari-adrenal (HPA) en rates adultes. Aquests efectes es caracteritzen per una desensibilització, primer a nivell perifèric (d'adrenocorticotropina (ACTH) y de corticosterona al cap d'uns dies) i més tard a nivell central (d'mRNA de corticoliberina (CRF) en el nucli paraventricular de l'hipotàlem (PVN) al cap d'unes setmanes), de la resposta d'aquest eix endocrí quan s'exposen els animals per segona vegada al mateix estrès. Aquest fenomen presenta força similituds amb l'anomenada síndrome d'estrès post-traumàtic en humans, i podria emmarcar-se dins del concepte general de plasticitat sinàptica.<br/>Les preguntes que es pretengueren respondre amb aquest treball foren les següents: (i) es poden generalitzar aquests efectes a un estrès físic-immune com l'administració de lipopolisacàrid bacterià (LPS)?, (ii) és el fenomen específic de l'estímul aplicat?, (iii) té el fenomen un correlat en l'activitat transcripcional primerenca en el PVN?, i (iv) quines són les àrees cerebrals sensibles a una experiència prèvia amb estrès?.<br/>S'utilitzaren rates mascle adultes de la soca Sprague-Dawley, que s'estressaren només dues vegades per IMO o LPS, separades en el temps entre 1 i 4 setmanes. S'analitzaren en plasma ACTH i corticosterona per radioimmunoanàlisi, i factor de necrosi tumoral (TNF)-a per ELISA. Es van mesurar els nivells d'mRNA de c-fos, CRF i receptor de glucocorticoides (GR) i d'hnRNA de CRF i vasopressina (AVP) per hibridació in situ.<br/>L'LPS reduí la resposta de l'mRNA de CRF en el PVN al mateix estímul 4, però no 2, setmanes més tard; la resposta perifèrica, així com la del TNF-a, també fou menor, tant 1 com 4 setmanes més tard. L'LPS bloquejà la hipotèrmia per LPS 4 setmanes més tard. No s'observà desensibilització creuada entre IMO i LPS en cap dels paràmetres de l'eix HPA estudiats. La IMO prèvia reduí la resposta de l'mRNA de c-fos a la IMO en el PVN, tant 1 com 4 setmanes més tard, així com la de l'hnRNA de CRF només a les 4 setmanes. S'observaren efectes similars amb LPS a nivell de l'mRNA de c-fos, però no d'hnRNA de CRF, a les 4 setmanes. La IMO o l'LPS previs no van alterar la resposta de l'hnRNA d'AVP al mateix estímul. En general, no s'observaren efectes creuats consistents entre LPS i IMO a nivell d'hnRNA de CRF o de AVP, o d'mRNA de c-fos en el PVN. La IMO o l'LPS no van modificar els nivells basals d'mRNA de GR a la formació hipocampal i al PVN 4 setmanes després.<br/>El patró d'activació cerebral de l'mRNA de c-fos per IMO o LPS fou diferent. Les àrees cerebrals sensibles a la IMO prèvia foren la divisió ventral del septum lateral, el PVN, l'amígdala medial, la divisió medial ventral del nucli de l'estria terminal (BST), el locus coeruleus (LC) i el nucli del tracte solitari. En el cas de l'LPS, aquestes àrees foren el PVN, l'amígdala central, la divisió lateral del BST i el LC.<br/>Dels resultats obtinguts es desprèn que els efectes a llarg termini de l'estrès es poden generalitzar a estímuls de naturalesa física-immune com l'LPS. A més, el fenomen sembla ser específic de l'estímul aplicat i es detecta també en l'activitat transcripcional primerenca en el PVN. Finalment, postulem que les estructures cerebrals més probablement responsables dels efectes a llarg termini de l'estrès serien àrees del sistema límbic com l'amígdala i el BST.

Estímulos estresantes básicamente emocionales, como la inmovilización en tabla (IMO), ejercen efectos a largo plazo sobre la actividad del eje hipotalámico-pituitario-adrenal (HPA) en ratas adultas. Estos efectos se caracterizan por una desensibilización, primero a nivel periférico (de adrenocorticotropina (ACTH) y de corticosterona después de unos días) y más tarde a nivel central (de mRNA de corticoliberina (CRF) en el núcleo paraventricular del hipotálamo (PVN) después de unas semanas), de la respuesta de este eje endocrino cuando se expone a los animales al mismo estrés por segunda vez. Este fenómeno presenta similitudes con el síndrome de estrés post-traumático en humanos, y podría enmarcarse dentro del concepto general de plasticidad sináptica. Las preguntas que se pretendieron responder en este trabajo fueron: (i) ¿se pueden generalizar estos efectos a un estrés físico-inmune como la administración de lipopolisacárido bacteriano?, (ii) ¿es el fenómeno específico del estímulo aplicado?, (iii) ¿se correlaciona el fenómeno con la actividad transcripcional temprana en el PVN?, y (iv) ¿cuáles son las áreas cerebrales sensibles a una experiencia previa con estrés? Se utilizaron ratas macho adultas de la cepa Sprague-Dawley, que se estresaron solo en dos ccasiones por IMO o LPS, separadas en el tiempo entre 1 y 4 semanas. Se analizaron en plasma ACTH y corticosterona por radioinmunoanálisis, y factor de necrosis tumoral (TNF)-a mediante ELISA. Se determinaron los niveles de mRNA de c-fos, CRF y receptor de glucocorticoides (GR) y de hnRNA de CRF y vasopresina (AVP) por hibridación in situ. El LPS redujo la respuesta del mRNA de CRF en el PVN al mismo estímulo 4, pero no 2, semanas más tarde; la respuesta periférica y la del TNF-a también fue menor, tanto 1 como 4 semanas más tarde. El LPS bloqueó la hipotermia por LPS 4 semanas más tarde. No se observó desensibilización cruzada entre IMO y LPS en ninguno de los parámetros del eje HPA estudiados. La IMO previa redujo la respuesta del mRNA de c-fos a la IMO en el PVN, tanto 1 como 4 semanas después, y la del hnRNA de CRF a las 4 semanas. Se observaron efectos similares con LPS a nivel del mRNA de c-fos, pero no de hnRNA de CRF, a las 4 semanas. La IMO o el LPS previos no alteraron la respuesta del hnRNA de AVP al mismo estímulo. En general, no se observaron efectos cruzados consistentes entre IMO y LPS a nivel de hnRNA de CRF o de AVP, o de mRNA de c-fos en el PVN. La IMO o el LPS no modificaron los niveles basales de mRNA de GR en la formación hipocampal y en el PVN 4 semanas después. El patrón de activación cerebral del mRNA de c-fos por IMO o LPS fué distinto. Las áreas cerebrales sensibles a la IMO previa fueron la división ventral del septum lateral, el PVN, la amígdala medial, la división medial ventral del núcleo de la estría terminal (BST), el locus coeruleus (LC) y el núcleo del haz solitario. En el caso del LPS, estas áreas fueron el PVN, la amígdala central, la división lateral del BST y el LC. De los resultados obtenidos se desprende que los efectos a largo plazo del estrés se pueden generalizar a estímulos de naturaleza física-inmune como el LPS. Además, el fenómeno parece específico del estímulo aplicado y se detecta también en la actividad transcripcional temprana en el PVN. Finalmente, postulamos que las estructuras cerebrales más probablemente responsables de los efectos a largo plazo del estrés serían áreas del sistema límbico como la amígdala y el BST.

Emotional stressors, such as immobilisation (IMO), can exert long-term effects on the hypothalamic-pituitary-axis (HPA) activity in adult rats. These effects are characterised by a peripheral (adrenocorticotropin (ACTH) and corticosterone, days later) and central (corticotropin-releasing factor (CRF) in the PVN, weeks later) desensitisation of the response of this endocrine axis when the animals are submitted to the same stressor a second time. This phenomenon shares some commonalities with posttraumatic stress disorder in humans, and might fall within the framework of neuroplasticity.<br/>The aims of this work attempted to adress the following questions: (i) can this effects be generalised to stressors of physical-immunological nature such as lipopolysaccharide (LPS)?, (ii) is this phenomenon specific for the stressor applied?, (iii) is this phenomenon reflected in the early transcriptional activity in the PVN?, and (iv) which are the brain areas sensitive to a single previous stress exposure?<br/>Male Sprague-Dawley adult rats were stressed only two times by IMO or LPS, 1 or 4 weeks ahead. Plasma ACTH and corticosterone were determined by radioinmunoassay, and tumor necorsis factor (TNF)-a by ELISA. C-fos mRNA , CRF and glucocorticoid receptor (GR) and CRF and AVP hnRNA levels were quantifyed by in situ hybridisation.<br/>Previous LPS reduced the CRF mRNA response in the PVN to the same stimulus 4, but not 2, weeks later; the peripheral response, and also the response of TNF-a, was also reduced, both 1 and 4 weeks later. Previous LPS abolished the LPS-induced hypothermia 4 weeks later. There was no cross-desensitisation between IMO and LPS in any of the HPA axis parameters studied. Previous IMO reduced the c-fos mRNA response to IMO in the PVN, both 1 and 4 weeks later, and also the CRF hnRNA response only at 4 weeks. Similar effects were observed with LPS on c-fos mRNA, but not CRF hnRNA, at 4 weeks. Previous IMO or LPS did not modify the AVP hnRNA response to the same stimulus. In general, there were no consitent cross-desensitisation effects between IMO and LPS on CRF or AVO hnRNA, or c-fos mRNA in the PVN. IMO or LPS did not modify basal GR mRNA levels in the hippoccampal formation or PVN 4 weeks later.<br/>There was a different pattern of c-fos mRNA activation in the brain by IMO or LPS. The areas sensitive to a previous IMO session were the ventral dicision of the lateral septum, PVN, medial amigdala, medial ventral division of the bed nucleus (BST) locus coeruleus (LC) and nucleus of the solitary tract. In the case of LPS, these areas were the PVN, central amigdala, lateral division of the BST and LC.<br/>Freom these results we can conclude that long-term effects of stress can be generalised to stressors of physical-immunological nature such as LPS. In addition, this phenomenon seems to be stressor-specific and can be detected on the early transcriptional activity in the PVN. Finally, we suggest that the brain sites that would most probably be responsible of the long-term effects of stress are areas of the lymbic system such as the amigdala and BST.