Further characterization of the roman rats as a model of behavioral, neuroanatomical and neurochemical schizophrenia-relevant features

Abstract

La presente Tesis Doctoral concentra una serie de estudios en los que hemos intentado reunir la mayor cantidad de evidencia posible a un nivel conductual, anatómico y neuroquímico con el objetivo de validar un nuevo modelo animal para el estudio de síntomas relevantes para la esquizofrenia. Este modelo está constituido por las ratas Romanas, dos cepas de ratas que han sido seleccionadas por su rápida (RHA-I) versus extremadamente pobre (RLA-I) adquisición de la tarea de evitación activa en dos sentidos en la “shuttle box”, dando como resultado dos cepas con perfiles marcadamente diferentes en sensibilidad al estrés, ansiedad/miedo, impulsividad, vulnerabilidad a drogas de abuso y fenotipos relacionados con los sistemas de neurotransmisión dopaminérica, serotoninérgica y glutamatérgica. En el presente trabajo hemos realizado una serie de experimentos destinados a completar la caracterización de las ratas Romanas en fenotipos comportamentales, neuroquímicos y neuroanatómicos, relacionados con la esquizofrenia. Hemos llevado a cabo estudios con dos paradigmas conductuales, como son la inhibición prepulso (IPP) y la inhibición latente (IL) (estudios 1 y 2), en los que hemos obtenido que las ratas RHA-I presentan una IPP e IL afectadas, indicando que estos fenotipos están relacionados de alguna manera y puede que compartan mecanismos subyacentes comunes. Del mismo modo, hemos testado los efectos de una manipulación ambiental crónica como la crianza de los animales en aislamiento (estudio 3), a nivel (i) conductual con una extensa batería de tests para fenotipos relevantes para la esquizofrenia, (ii) molecular, con el análisis de la densidad del receptor 5HT2A, y (iii) anatómico con la estimación del volumen de tres áreas relevantes para la esquizofrenia como el córtex prefrontal (PFC), el estriado dorsal (dSt) y el hipocampo (HPC). Hemos constatado que, mientras que el perfil conductual ha seguido nuestras expectativas iniciales de mayores déficits inducidos por el aislamiento social en las ratas RHA-I, hemos obtenido resultados controvertidos en los análisis de densidad de receptor y estimación de volumen. Así, aunque no se han observado diferencias en densidad de receptores 5HT2A, sí existen diferencias entre las cepas en volumen del PFC, HPC y dSt (RLA-I>RHA-I en todos los casos), y el aislamiento social induce un incremento global del volumen del PFC. Además, por la necesidad de transferir los animales desde las instalaciones en nuestro laboratorio, donde han sido mantenidas desde 1993, a una nueva instalación de tipo SPF (libre de patógenos específicos) en la Universidad Autónoma de Barcelona, llevamos a cabo un procedimiento de transferencia embrionaria (estudio 4) y testamos la quinta generación de animales de esta nueva colonia SPF en los fenotipos más comúnmente usados en la caracterización de las ratas Romanas. De estos análisis observamos que estas nuevas cepas Romanas SPF presentan en la G5 las diferencias típicas en todos los fenotipos estudiados, tanto conductuales como hormonales. Por último, dados los resultados del estudio 3 en los que observamos una diferencia en volumen de PFC entre ratas RHA-I y RLA-I, decidimos estudiar algunas de las posibles causas de esta diferencia. En este sentido, estudiamos dos parámetros que se creen están afectados en la esquizofrenia, la densidad de espinas dendríticas y el número de neuronas que expresan parvalbúmina (PV) en el PFC (estudio 5). De estos experimentos observamos que existe una diferencia significativa en la densidad de espinas entre ambas cepas, con un mayor porcentaje de espinas pequeñas en las RHA-I y mayor porcentaje de espinas grandes en las ratas RLA-I, mientras que el número de neuronas PV no presenta diferencias. Los datos recogidos añaden valor a la proposición de las ratas RHA-I como una herramienta útil en el estudio de algunos síntomas comportamentales y características neurobiológicas relevantes para la esquizofrenia.

The present Doctoral Dissertation gathers a series of studies in which we have tried to collect as much evidence as possible in a behavioral, neuroanatomical and molecular level with the aim of validating a new animal model for the study of schizophrenia-relevant symptoms. Such model is constituted by the Roman rats, two inbred strains of rats that have been psychogenetically selected by their good (RHA-I) versus extremely poor (RLA-I) acquisition of the two-way active avoidance task in the shuttle box, giving as a result two strains with well-defined and differential profiles in stress sensitivity, anxiety/fearfulness, impulsivity, vulnerability to drugs of abuse and phenotypes related to the dopaminergic, serotoninergic and glutamatergic neurotransmission systems. In the present work, we have carried out a number of experiments devoted to complete the characterization of the Roman rats in different behavioral, neurochemical and neuroanatomical phenotypes related to schizophrenia. We have conducted studies on behavioral paradigms relevant for schizophrenia, such as the prepulse inhibition of the acoustic startle response (PPI) and the latent inhibition (LI) effect (studies 1 and 2) in which we have obtained that RHA-I rats present an impaired PPI as well as LI, which suggest that these two phenotypes are somehow related and may share common underlying mechanisms. We have also tested the effects of a chronic environmental manipulation such as the isolation rearing of the animals (study 3), in (i) a behavioral level with an extensive battery of tests for schizophrenia-relevant phenotypes, (ii) a molecular level, with the analysis of the 5HT2A receptor density and (iii) an anatomical level with the volume estimation of three areas relevant for schizophrenia, such as the prefrontal cortex (PFC), the dorsal striatum (dST) and the hippocampus (HPC). We have observed that, while the behavioral profile has followed our initial expectations of more profound deficits induced by social isolation in the RHA-I rats, we have obtained paradoxical results on the binding studies and volume estimation analysis. Thus, although no differences have been observed in the 5HT2A receptor binding density, we have found between-strain differences in the volume of PFC, HPC and dST (RLA-I>RHA-I in every area), and a global effect of the treatment in the PFC volume. From the need of transferring the Roman rats from the animal facilities in our lab (where they have been maintained since 1993) to a new SPF animal facility within the Autonomous University of Barcelona, we carried out an embryo transfer procedure (study 4), and we phenotyped the 5th generation of animals from this new SPF colony. We observed that this new SPF colony of Roman rats display the typical between-strain differences in the G5 in every phenotype tested, both behavioral and hormonal. Lastly, according to the results obtained in study 3, in which we observed a difference in the mPFC volume between RHA-I and RLA rats, we decided to study some of the possible causes of this difference in the new SPF colony of Roman rats. In this regard, we studied two parameters that are thought to be altered in schizophrenia, the dendritic spine density and the number of parvalbumin-expressing (PV+) neurons in the PFC (study 5). We observed that there is a significant difference in spine density between the two strains, with a higher percentage of small spines in RHA-I rats and a higher percentage of large spines in the RLA-I rats, while the number of PV+ neurons was not different between the strains. The data gathered in the present Dissertation adds value to the proposition of the RHA-I rat strain as a useful tool for the study of some relevant symptoms and neurobiological features relevant to schizophrenia.