Imaging serotonin dysfunction in the brain of chronically stressed zebrafish

Kronisk stress forårsaker endinger i hjernen som bidrar i utviklingen av angst- og stemningslidelser. Disse sykdommene er i dag de ledende årsakene til død og uførhet som kunne vært forebygget på verdensbasis. Det er dermed en medisinsk og sosioøkonomisk prioritet å bedre forstå de foreliggende mekanismene bak stress og dens potensielt langvarige innvirkning på hjernen. Et særlig attraktivt område i hjernen relatert til stress er nerveceller lokalisert i et område i hjernestammen kalt dorsal raphe nucleus. Nervecellene i dorsal raphe nucleus sekrerer serotonin, en nevrotransmitter som har en funksjon knyttet til å ha en modulerende effekt på blant annet humør og angst. Hvordan kronisk stress direkte påvirker disse sertonerge nervecellene er fortiden usikkert, da disse er lokalisert dypt i hjernen til mennesker og enkelte dyremodeller som gnagere og er dermed vanskelige å utforske. Vårt forskningsprosjekt bruker den gjennomsiktige dyremodellen sebrafisk til å bedre forstå hvordan kronisk stress endrer nervebaner og atferd i virveldyr, med et fokus på de serotoninproduserende nervecellene. Hovedmålene med dette forskningsprosjektet er å forstå hvordan kronisk stress påvirker 1) dyrets atferd, 2) aktiviteten til sertonerge nerveceller lokalisert i dorsal raphe nucleus, og 3) hjerneområdene de modulerer. Vi fullførte første delmål ved å etablere en atferdsvurderingsplattform for å automatisk registrere og kvantifisere oppførselen til grupper av fisk som svømmer fritt. Parallelt etablerte og validerte vi en uforutsigbar-stressprotokoll som er egnet for unge fisk. Ved hjelp av analyseverktøy fant vi at kronisk uforutsigbar stress-eksponering reduserer veksten og øker angstlignende atferd hos unge sebrafisk. Videre fant vi at den stressinduserte atferdsfenotypen opprettholdes i flere dager etter den siste eksponering av stressor. Derfmed tilbyr dette et eksperimentelt tidsvindu for å undersøke de nevrale korrelatene til angstlignende atferd. Disse resultatene har blitt publisert i tidsskriftet Scientific Report med åpen tilgang. Det andre i prosjektet tok vi sikte på å forstå rollen til sertonerge nevroner i etablering av stressinduserte patologier. For å oppnå dette brukte vi fluorescens kalsiumavbildning for å måle og sammenligne aktiviteten til sertonerge nevroner i stressede og kontroll-fisk in vivo (mål 2). Denne nye tilnærmingen gjorde det mulig for oss å avdekke flere av disse nevronenes egenskaper. For det første fant vi ut at en delpopulasjon av sertonerge nevroner samuttrykker nevrotransmitteren GABA. For det andre fant vi at de sertonerge nevronenes funksjonelle egenskapene modifiseres etter kronisk stress-eksponering: sertonerge nevroner i stresset fisk viste flere hemmende responser og lavere tilvenning til gjentatte akutte stressfaktorer. Til slutt ble de stresshemmede nevronene gruppert i den dorsale raphe-kjernen. Disse resultatene viser at sertonerge nevroner i den dorsale raphe-kjernen til sebrafisk er heterogene når det gjelder nevrotransmitteridentitet og stressrespons. I løpet av siste fase av prosjektet samlet vi eksperimentelle data ved hjelp av de samme tilnærmingene som ble brukt i mål 1 og 2, for å undersøke hvordan gjentatt stresseksponering påvirker nevroner i hjerneområder som er modulerte av sertonerge nevroner. Per i dag pågår analyser av våre data som vil fortsette også etter prosjektperiodens slutt. Veiledet av anatomiske data, som informerer oss om de viktigste målene som er innerverte av serotoninerge nevroner, fokuserer vi for tiden på spesifikke sett av regioner som er involverte i frykt og defansiv oppførsel, og ser på hvordan disse regionene blir differensiert aktiverte i stresset versus kontroll-fisk. I løpet av prosjektperioden ga forskningen nye resultater som omhandler hvordan stress i tidlig alder forårsaker en varig endring av sertonerge funksjon i hjernen hos virveldyr og fører til utvikling av angstlignende atferd. Dette er svært relevant for utviklingen av nye terapier for å forhindre ugunstige atferdsresultater hos pasienter med angst, depresjon og posttraumatisk stresslidelse. Videre avdekker funnene at sertonerge nevroner i zebrafisk er funksjonelt forskjellige som svar på stressorer. Dette bringer oss et skritt nærmere å forstå rollen som serotonin spiller i produksjonen av atferd som er viktig for overlevelse.

By establishing a novel model of early life chronic stress in a vertebrate model amenable to whole brain imaging of neural activity, the results of this project brought new comparative insights into the neural adaptations of evolutionary conserved circuits supporting stress resilience. The RCN funding contributed to the establishment of a new independent research group at NTNU and to the training of several scientists, including one PhD student and three undergraduate students. Three original research articles were published another article is in preparation and several others are planned. The research results generated were presented in several national and international conferences. Finally, the results obtained resulted in further support from an international research foundation, enabling to pursue and consolidate the research line and expertise developed in the research group with the support of the RCN award.

The clinical and economic burden of stress in our society is extremely high: it induces long term changes in the brain that contribute to the development of addictions and mood disorders (such as anxiety or depressive disorders). Understanding the central role of stress in the onset of the long-term brain changes initiating these diseases is thus a crucial challenge we need to answer rapidly. Drugs targeting serotonergic signaling in the brain are commonly used to decrease the symptoms of stress-induced mood disorders that devastate our society. However, we still know little about the neural mechanisms underlying stress and how the serotonergic system is involved in generating or regulating stress behaviors.We aim to investigate the precise alterations in the function of neural circuits that are associated with long-term effects of stress, in a small vertebrate, the zebrafish. In order to achieve this goal, we will combine quantitative animal behavior, two-photon calcium imaging, and optogenetics to study how repeated stress 1) induces anxiety-like behaviors, 2) changes serotoninergic neuron activity and 3) modify serotoninergic neurons signaling to downstream targets in the brain. This study will suggest new hypothesis on how serotoninergic system orchestration of downstream brain regions gets affected in patients with anxiety, depression and post-traumatic stress syndrome. We expect that our findings will inspire novel therapies for preventing stress and mood disorders.