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Mauch, Christoph Peter (2012): The startle response as a measure in mouse models of mood disorders. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie
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Abstract

Ein großer Teil der Fragestellungen in den Neurowissenschaften beschäftigt sich mit dem Thema, wie das Säugerhirn Verhalten auslöst und steuert. Die Schreckreaktion ist ein relativ einfaches Verhalten, welches bei Säugetieren ohne großen Aufwand ausgelöst werden kann und variabel auf eine Vielfalt von experimentellen Behandlungen reagiert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Schreckreaktions-Messungen am Max-Planck- Institut für Psychiatrie in München (MPI-P) zu etablieren. Vor dem Hintergrund aktueller Fragestellungen sollten die Experimente zu einsatzbereiten Messmethoden und Verhaltensparadigmen führen. In der vorliegenden Arbeit gelang es nicht, das Paradigma der furchtpotenzierten Schreckreaktion (FPS) zuverlässig in einem häufig am MPI-P eingesetzten Mausstamm anzuwenden. Das FPS maskierende Phänomen, daß die Präsentation eines unkonditionierten Tons bereits zu einer deutlich verstärkten Schreckreaktion in diesen Mäusen führt ("tone enhanced startle", TES) wurde dann charakterisiert und im Folgenden als ergänzendes Paradigma zur Messung und Abschätzung des Hörvermögens, der Stimulus Adaptation und der Aufmerksamkeit in Mäusen vorgeschlagen. Eine Literaturrecherche ergab, daß im Paradigma der Furchtkonditionierung ("fear conditioning", FC) und deren aktives Verlernen ("extinction of FC", ExFC) verwendete Stimulus-Parameter eine hohe Varianz zwischen verschiedenen Laboratorien aufweisen. Der im Verhalten ausgelesene Lernerfolg während einer FC wie auch einem ExFC hingen in den vorliegenden Experimenten wesentlich von der verwendeten Stimulusqualität ab (d.h. sinus-Ton oder weißes Rauschen). Im Umkehrschluß empfiehlt die vorliegende Arbeit einen überlegteren Umgang mit den eingetzten Stimulus-Parametern. Es zeigte sich, daß eine erhöhte Schreckreaktion (Übererregbarkeit) ohne weiteres in einem Tiermodell der Posttraumatischen Belastungsstörung ("posttraumatic stress disorder",PTSD) gemessen werden kann. Im Weiteren konnte gezeigt werden, daß verändertes Hippocampus-Volumen in diesen Tieren, gemessen über ultramikroskopische Aufnahmen und analog zu Hippocampusveränderungen in Patienten, unabhängig von anderen PTSD-ähnlichen Symptomen dieser Mäuse ist. In einem weiteren Abschnitt widmet sich die vorliegende Arbeit der laufenden Charakterisierung der Rolle von Dopaminrezeptoren (DR) in der Präpulsinhibition (PPI) und -Faszilitierung (PPF) der Schreckreaktion. Durch lokale injektion von DR-Antagonisten konnte gezeigt werden, daß die Blockade von DR1 wiederholbar PPI verstärkt, während die Rolle von DR2, getestet mit zwei verschiedenen Antagonisten, als ambivalent gedeutet werden muß. Basierend auf diesen Experimenten wurden optogenetische Methoden in die Schreckreaktionsmessung eingeführt. Transgenen Mäusen, die lichtsensitive Ionenkanäle in ihren neuronalen Zellmembranen bestimmter Zellpopulationen tragen, wurden Lichtblitze ins Gehirn appliziert. Auf diese Weise konnten PPI und PPF unabhängig voneinander manipuliert werden. Daraus folgend, und im Unterschied zur populären Summationshypothese der PPF, schlägt die vorliegende Arbeit einen eigenständigen, von der PPI unabhängigen PPF-Schaltkreis vor, der Pyramidenneuronen der präfrontalen Kortexschicht V beinhaltet. Die vorliegende Arbeit konnte erfolgreich verschiedene Protokolle und Verhaltensparadigmen der Schreckreaktionsmessung am MPI-P etablieren und zur sofortigen Nutzung zur Verfügung stellen. Es wurden nicht nur neue Techniken wie z.B. optogenetische Methoden in die Schreckreaktionsmessung eingeführt, die vorliegenden Experiemente leisten auch ihren Beitrag zur aktiven Forschung, in dem sie z.B. die große Bedeutung der Stimulus-Parameter für den Lernerfolg von Versuchstieren nachweisen.

Abstract

In neuroscience major efforts are focused on the question of how the mammalian brain generates and controls behaviour. The startle response is a relatively simple behaviour that can be easily elicited in mammals and is sensitive to a variety of experimental treatments. The aim of the present work was to establish startle response measures at the Max-Planck-Institute of Psychiatry (MPI-P), Munich, providing a set of readily applicable methods and paradigms, and contributing to questions in behavioural neuroscience. While the present thesis failed to robustly elicit fear potentiated startle (FPS) in a commonly used mouse strain at the MPI-P, strong unconditioned startle enhancement by acoustic stimulus presentation in that mouse strain was capitalised to propose tone enhanced startle (TES) as an additional paradigm to assess hearing capability, stimulus adaptation and attention in mice. A literature survey revealed considerably varying parameters used in fear conditioning (FC) and extinction of conditioned fear (ExFC). In the present work, FC, ExFC as well as FPS/TES highly depended on the stimulus quality (i.e. sine wave or white noise), demanding a more careful handling of stimulus parameters. Hyper-arousal was readily tested in a mouse model of posttraumatic stress disorder (PTSD). Additionally it was shown that altered hippocampal volume in these animals, assessed by ultramicroscopic measures and mimicking patient data, was independent of other symptoms present in this model. The present thesis contributes to the ongoing characterisation of the role of dopamine receptors (DR) in prepulse inhibition (PPI) and prepulse facilitation (PPF) of startle, manipulating PPI/F by injections of DR-antagonists into the prefrontal cortex of mice. It was found that blockade of DR1 reliably increases PPI, while the effect of DR2 was inconsistent, using to different DR2-antagonists. Based on this work, optogenetic methods were established. Applying intracerebral light flashes to transgenic mice carrying light sensitive ion channels on their neuronal cell membrane, PPI and PPF were manipulated independently, proposing the existence of a discrete PPF mediating pathway including prefrontal layer V pyramidal neurons, contrasting the popular summation hypothesis of PPF. The present work established and developed successfully different startle paradigms that are ready to use for animal characterisation and testing. Apart from combining startle measures with new techniques such as optogenetic methods, the present thesis points out the stimulus parameter dependence of animal learning, suggesting a fundamental discussion about fear conditioning and extinction learning protocols.