Characterizing the Role of Serotonergic Neurons in Chronic Stress Resilience

Abstract

Gjentatt og langvarig stresseksponering øker risikoen for utvikling av angst- og stemningslidelser, som utgjør en betydelig del av dødsfall som kunne vært forebygget og uførhet globalt. Serotonergiske (5-HT) nerveceller, lokalisert i strukturen Dorsal Raphe Nucleus (DRN), utgjør et omfattende innerverende nettverk til kortikale og limbiske strukturer funksjonelt relatert til stressindusert atferdsendringer i virveldyr. Dog, tidligere studier viser motstridende resultater om hvilken funksjon 5-HT utgjør relatert til angst. Det er dermed uklart hvordan 5-HT nerveceller modulerer stressindusert atferd. Jeg tilnærmet meg dette spørsmålet ved å kombinere kronisk uforutsigbar stresseksponering, ikke-innvasiv ablasjon av 5-HT DRN og atferdsmål av virveldyr-modellen sebrafisk for å teste hypotesen om at DRN 5-HT nerveceller promoterer stress resiliens.

Her brukte jeg genmodifiserte sebrafisk, hvor 5-HT systemet er homologt med pattedyr, til å utføre kjemisk-genetisk ablasjon av 5-HT DRN nerveceller under larvestadiet. Vi observerte ingen endring i hverken overlevelse eller vekst som følge av ablasjon, som indikerer at de kritiske utviklingsstadiene er upåvirket. I fravær av tidligere stresseksponering viser fisk som har gjennomgått ablasjon av 5-HT DRN en økning av utforskningsatferd i Novel Tank-testen, noe som indikerer et redusert angstnivå. Dette samsvarer med tidligere rapporter om nedsatt angstatferd i rotte-modeller som mangler 5-HT i hjernen. Kronisk stresset fisk, utsatt for gjentatte stressorer over åtte dager, som har gjennomgått ablasjon viser samme nedsatt utforskningsatferd som fisk med intakt DRN. Samlet sett indikerer resultatene mine at ablasjon av 5-HT nerveceller i DRN virker angstdempende i ustressede sebrafisk, men påvirker ikke angstatferd i kronisk stressede fisk som har gjennomgått ablasjon. Disse observasjonene indikerer at 5-HT DRN nerveceller har en ikke-lineær modulerende effekt på angstatferd som avhenger av angstnivået.

Repeated and lasting exposure to stress increases the risk of developing anxiety and mood related disorders, which are major causes of preventable death and disability worldwide. Serotoninergic (5-HT) neurons, located in the dorsal raphe nucleus (DRN), broadly innervate cortical and limbic areas and have been consistently implicated in stress-induced behavioral changes in vertebrates. However, previous studies report conflicting results on the function of 5-HT in anxiety. Thus, the contribution of 5-HT DRN neurons to the modulation of stress-induced behaviors is yet to be fully understood. To address this gap in knowledge, I combined chronic unpredictable stress exposure, chemogenetic non-invasive 5-HT DRN ablation and behavioural assays in the vertebrate model zebrafish to test the hypothesis that DRN serotoninergic neurons promote stress resilience.

I used genetically modified zebrafish, in which the 5-HT system is homologous to mammals, to chemogenetically ablate 5-HT DRN neurons at larval stages. We observed no change in fish survival and growth, indicating that critical developmental steps were unaffected. In absence of prior stress exposure, 5-HT DRN-ablated fish showed increased exploration in the Novel Tank test, indicative of decreased basal anxiety-like behaviors. This is in accordance with previous reports of decreased anxiety in rodent models constitutively lacking 5-HT in the brain. In chronically stressed fish exposed to repeated stressors over eight days, 5-HT DRN-ablated fish showed low exploration levels similar to those measured in animals with intact DRN. Taken together, my results show that ablation of 5-HT DRN neurons is anxiolytic in unstressed zebrafish and does not affect anxiety-like behaviors in chronically stressed fish suggesting that 5-HT DRN neurons exert a non-linear modulation of anxiety-like behaviors that depends on the anxiety level.