Taking control to cope with stress: consequences of controllability on behavior & gene expression

Abstract

Estudios en humanos y animales han mostrado que las diferencias individuales y la controlabilidad del agente estresor son factores críticos que determinan sus consecuencias. Así, la exposición a estrés controlable (CoS) tampona parte de los efectos negativos de la exposición a la misma cantidad de estrés incontrolable (UnS). Este efecto tamponador incluye una protección (“inmunización) frente a las consecuencias de futuras exposiciones a UnS, poniendo en valor el potencial de una experiencia previa con CoS como una posible vía terapéutica para tratar trastornos de estrés. En el trabajo presente, ratas adultas fueron expuestas a 2 o 5 sesiones de una tarea de evitación activa (TWAA) en una caja lanzadera usando choques eléctricos en las patas como estímulo aversivo. Este grupo tenia la capacidad de control sobre el estresor, mientras que un grupo adicional recibía la misma cantidad de choque independientemente de su comportamiento (UnS). Un grupo naive no expuesto a estrés también fue incluido. Los puntos estudiados fueron: (i) si 2 o 5 sesiones de UnS son suficientes para inducir un efecto conductual persistente en actividad, activación (arousal) y comportamientos relacionados con la ansiedad; (ii) si la exposición a la misma cantidad de CoS tampona los efectos negativos a largo plazo observados tras la exposición a UnS; (iii) si las diferencias individuales en la ejecución de la tarea TWAA o experiencias más prolongadas de control son necesarias para observar los beneficios de la controlabilidad; y (iv) la posible contribución de cambios en la expresión de genes relacionados con plasticidad sináptica y regulación epigenética en áreas cerebrales clave en la regulación de estrés (corteza prefrontal, amígdala y formación hipocampal). Dos fenotipos surgieron en la tarea de TWAA: algunos animales mostraron altos niveles de evitación tras 2 o 5 días, mientras que otros mostraros déficits muy marcados en la adquisición de la respuesta de evitación desde el primer día y este déficit no se recuperó a pesar de la experiencia repetida en la tarea. Estos fenotipos difirieron en su latencia de escape desde los primeros ensayos, sugiriendo que cómo los individuos se enfrentan y responden inicialmente a un estímulo aversivo determina cómo se adquiere y se ejecuta la evitación. La exposición a CoS o UnS no indujo un claro perfil de comportamiento, aunque el grupo UnS disminuyó su actividad en ambientes nuevos y acentuó su condicionamiento del miedo durante la exposición al contexto del choque. Importante, la exposición a la misma cantidad de CoS revirtió ambos efectos. Más aún, solo aquellos animales con altos índices de evitación durante exposiciones prolongadas a la TWAA mostraron este efecto beneficioso, sugiriendo que el control real más que el control potencial sobre el estresor es un factor crítico. Los resultados de una evaluación por perfil comportamental que identificó subpoblaciones “afectas” y “no afectadas” basadas en parámetros clave relacionados con actividad, ansiedad y comportamientos asociativos, indicaron que la exposición a CoS redujo drásticamente la proporción de animales identificados como “afectados”, un efecto que no se observó por la exposición a UnS. Los análisis de expresión génica realizados entre 2 y 13 días tras el estrés mostraron un descenso de la expresión de BDNF en CA1. Otros cambios, incluyendo TrkB o histonas desacetilasas, no fueron consistentes o fueron muy complejos en función de la controlabilidad, el área cerebral o el tiempo transcurrido desde el estrés. Por lo tanto, no fuimos capaces de ver ningún marcador bioquímico claro y consistente de la exposición al estrés y el grado de control sobre el estrés. En conclusión, los presentes resultados indican de manera clara que, dentro del marco de los estudios sobre la influencia de la controlabilidad en las consecuencias del estrés, la caracterización de diferencias individuales en la ejecución de una tarea de evitación activa puede contribuir a distinguir entre la posibilidad de control y el control real sobre el estrés. Tal distinción puede contribuir a un mayor entendimiento de las diferencias en el comportamiento y las consecuencias bioquímicas de la exposición a CoS vs. UnS y el papel de la controlabilidad real.

Research in humans and animals have shown that individual differences and controllability over stress are critical factors to determine its main outcomes. Thus, exposure to controllable stress (CoS) buffers part of the detrimental effects of exposure to the same amount of uncontrollable stress (UnS). This buffering effect includes a protection (“immunization”) from the consequences of future exposure to UnS, highlighting the potential of prior experience with CoS as a therapeutic approach to treat stress-related disorders. In the present work, adult rats were exposed to 2 or 5 sessions of exposure to an active avoidance (TWAA) task in a shuttle-box using footshock as the aversive stimulus. This group had the possibility of control over stress, whereas an additional group received the same amount of shocks regardless of its behavior (yoked, UnS). A stress-naïve group was also included. We studied: (i) whether 2 or 5 sessions of UnS is sufficient to induce long-lasting behavioral effects on activity, arousal and anxiety-like behaviors; (ii) whether exposure to the same amount of CoS buffers the negative long-term impact observed after exposure to UnS; (iii) whether individual differences in the performance in the TWAA task or more prolonged experience with it is necessary to better observe the benefits of controllability; and (iv) the possible contribution of the changes in the expression of genes related to synaptic plasticity and epigenetic regulation in brain areas critically involved in stress (e.g. prefrontal cortex, amygdala and hippocampal formation). Two phenotypes arose in the TWAA task: some animals exhibited high levels of avoidance after 2 or 5 days, whereas others showed marked deficits in acquiring the avoidance response from the first day and did not rescue this deficit despite repeated experience with the task. These phenotypes differed in their latency to escape from the first trials, suggesting that how individuals confront and respond initially to the aversive stimuli could determine how avoidance is acquired and performed. Exposure to CoS or UnS did not induce a clear behavioral profile, although UnS decreased activity in new environments and enhanced fear conditioning during exposure to the shock context. Importantly, exposure to the same amount of CoS buffered both effects. Moreover, only animals showing high avoidance rates during prolonged exposure to the TWAA task showed this beneficial effect, suggesting that actual rather than potential control over stress is a critical factor. Results from a behavioral profiling identifying “affected” and “non-affected” subpopulations based on key parameters related to activity, anxiety-like and associative behaviors indicated that prolonged exposure to CoS reduced drastically the proportion of animals identified as “affected”, an effect not shown by exposure to UnS. When gene expression (two experiments) was assessed between 2 and 13 days after stress, a decrease was observed in BDNF gene expression in CA1. Other changes, including TrkB or histone deacetylases were not consistent or complex depending on controllability, the brain area and the time elapse since stress. Therefore, we were unable to observe any clear and consistent biochemical signature of exposure to stress and the degree of control over stress. In conclusion, the present results clearly indicate that, within the frameworks of studies about the influence of controllability in the consequences of stress, the characterization of individual differences in the performance in an active avoidance tasks can contribute to distinguish between the possibility of control and the actual control over stress. Such a distinction can better understand the differences in the behavioral and biochemical consequences of exposure to CoS versus UnS and the role of actual controllability. Whether such signature can appear considering individual differences in the capability of control remains to be elucidated.