The compensatory role of environmental enrichment against the detrimental effects of chronic stress in adulthood: behavioral, neurochemical and neuroendocrinological findings

Abstract

Environmental factors interact with biological and genetic factors to influence the development and health of an organism. Clinical and preclinical studies use environmental manipulation protocols to further explore the detrimental impact of stressful experiences on brain and behavior, as well as to test the effectiveness of new therapeutic approaches. The Chronic Unpredictable Stress (CUS) protocol is used to study the effects of psychological stress. On the contrary, Environmental Enrichment (EE), a positive environmental manipulation paradigm, exerts beneficial effects on brain and behavior. There is only limited animal research concerning the interaction between EE and CUS. The present doctoral thesis aimed at investigating whether EE initiated in adolescence would protect against the detrimental effects of adult exposure to chronic stress on emotional behavior, cognitive function, as well as somatic, neuroendocrine and brain neurochemical markers in both male and female rats. For this purpose, rats immediately after lactation (postnatal day 22) were housed either in enriched or standard housing conditions for 10 weeks. On postnatal day 66, a subgroup from each housing condition was exposed daily to a 4-week CUS protocol. Following stress, rats underwent behavioral testing to evaluate anxiety and depressive-like behavior, as well as spatial learning and memory. Upon completion of behavioral testing, animals were exposed to a short-term stress session (10 minutes), to test their neuroendocrine response to acute stress. Finally, the expression of synaptophysin and GFAP (glial fibrillary acidic protein) in three hippocampal subregions (CA1, CA3, dentate gyrus), as well as body and adrenal glands weight were also measured. According to the results, CUS increased anxiety and depressive-like behavior, decreased body weight gain and increased adrenal glands weight. In addition, CUS decreased the expression of synaptophysin and GFAP in the hippocampus. However, some stress-induced adverse effects were sex-specific. Specifically, CUS affected the neuroendocrine response of males to acute stress, as revealed by the increased corticosterone levels. In addition, learning impairments were limited to males, while increased depressive-like behavior to females. The reduced expression of synaptophysin in the dentate gyrus and CA3 was evident only in male stressed rats, while the reduced GFAP expression in CA1 and CA3 hippocampal areas was limited to females. EE housing initiated in adolescence acted protectively against CUS-associated spatial learning and memory impairments, decreased anxiety and depressive-related behavior and prevented the decreases in body weight gain, as well as the increases in adrenal glands weight. Additionally, EE protected against CUS-associated decreases in the expression of synaptophysin and GFAP in the hippocampus. The present findings highlight the significant role of EE in adolescence as a protective factor against the negative effects of stress and underline the importance of inclusion of both sexes in research.

Το περιβάλλον αλληλεπιδρά με βιολογικούς και γενετικούς παράγοντες επηρεάζοντας την υγιή ανάπτυξη του οργανισμού. Κλινικές και προ-κλινικές μελέτες χρησιμοποιούν πρωτόκολλα περιβαλλοντικών χειρισμών για τη μελέτη των αρνητικών επιπτώσεων των στρεσογόνων εμπειριών στον εγκέφαλο και τη συμπεριφορά, αλλά και τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας νέων θεραπευτικών παρεμβάσεων. Το μοντέλο του Χρόνιου Απρόβλεπτου Στρες (ΧΑΣ) εφαρμόζεται για τη μελέτη των επιδράσεων του ψυχολογικού στρες σε ζώα εργαστηρίου. Αντίθετα, το Εμπλουτισμένο Περιβάλλον (ΕΠ), ένα μοντέλο θετικού χειρισμού του περιβάλλοντος, επιφέρει ευεργετικές επιδράσεις στον εγκέφαλο και τη συμπεριφορά. Οι προκλινικές έρευνες που αφορούν στην αλληλεπίδραση του ΕΠ και του ΧΑΣ είναι περιορισμένες. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να διερευνηθεί εάν η διαβίωση σε ΕΠ, με έναρξη στην περίοδο της εφηβείας, θα δράσει προστατευτικά ενάντια στις αρνητικές επιπτώσεις του χρόνιου στρες στη συμπεριφορά συναισθήματος, τη γνωστική λειτουργία, καθώς επίσης και σε σωματικούς, νευροενδοκρινικούς και νευροχημικούς δείκτες, τόσο σε αρσενικούς όσο και θηλυκούς επίμυες. Για το σκοπό αυτό, επίμυες μετά τον απογαλακτισμό (22η μεταγεννητική μέρα) τοποθετήθηκαν είτε σε ΕΠ, είτε σε τυπικούς εργαστηριακούς κλωβούς για 10 εβδομάδες. Την 66η μεταγεννητική ημέρα, μια υποομάδα από την κάθε συνθήκη εκτέθηκε σε ένα μοντέλο ΧΑΣ διάρκειας 4 εβδομάδων. Ακολούθησε η συμπεριφορική εξέταση για την εκτίμηση της αγχώδους και καταθλιπτικόμορφης συμπεριφοράς, και τη μελέτη της χωρικής μάθησης και μνήμης. Μετά την ολοκλήρωση των συμπεριφορικών δοκιμασιών, οι επίμυες εκτέθηκαν σε μια στρεσογόνο συνθήκη σύντομης διάρκειας (10 λεπτά) για τον έλεγχο της νευροενδοκρινικής τους απόκρισης στο στρες. Τέλος, ελέγχθηκαν τα επίπεδα έκφρασης της συναπτοφυσίνης και της πρωτεΐνης GFAP (glial fibrillary acidic protein) σε τρεις διαφορετικές περιοχές του ιππόκαμπου (CA1, CA3, οδοντωτή έλικα) και εκτιμήθηκαν οι διαφορές στην αύξηση του σωματικού βάρους και του βάρους των επινεφριδίων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το ΧΑΣ αύξησε την αγχώδη και καταθλιπτικόμορφη συμπεριφορά, μείωσε την ποσοστιαία αύξηση του σωματικού βάρους και αύξησε το βάρος των επινεφριδίων. Επιπλέον, εντοπίστηκαν μειωμένα επίπεδα έκφρασης της συναπτοφυσίνης και της πρωτεΐνης GFAP στον ιππόκαμπο των επίμυων που είχαν εκτεθεί σε ΧΑΣ. Ωστόσο, το ΧΑΣ επηρέασε με διαφορετικό τρόπο τους αρσενικούς από τους θηλυκούς επίμυες. Συγκεκριμένα, το ΧΑΣ επηρέασε τη νευροενδοκρινική απόκριση μόνο των αρσενικών επίμυων στο στιγμιαίο στρες, όπως προέκυψε από τα αυξημένα επίπεδα κορτικοστερόνης. Επίσης, ελλείμματα στη χωρική μάθηση παρατηρήθηκαν μόνο στους αρσενικούς επίμυες, ενώ καταθλιπτικόμορφη συμπεριφορά μόνο στα θηλυκά. Στην οδοντωτή έλικα και στη CA3 η μείωση στην έκφραση της συναπτοφυσίνης ήταν εμφανής μόνο στα αρσενικά, ενώ το ΧΑΣ μείωσε τα επίπεδα έκφρασης της πρωτεΐνης GFAP στις περιοχές του ιππόκαμπου CA1 και CA3 μόνο στα θηλυκά. Η έκθεση στο ΕΠ λειτούργησε προστατευτικά ενάντια στα ελλείμματα χωρικής μάθησης και μνήμης και των συμπεριφορών άγχους και κατάθλιψης, και απέτρεψε τις μειώσεις στο σωματικό βάρος και την αύξηση του βάρους των επινεφριδίων. Επιπλέον, εμπόδισε τις μειώσεις στην έκφραση της συναπτοφυσίνης και της πρωτεΐνης GFAP που παρατηρήθηκαν μετά την έκθεση σε ΧΑΣ. Τα ευρήματα της παρούσας έρευνας αποδεικνύουν τον προστατευτικό ρόλο του ΕΠ με έναρξη κατά την περίοδο της εφηβείας, ενάντια στις αρνητικές επιπτώσεις του χρόνιου στρες, τονίζοντας παράλληλα την αναγκαιότητα συμπερίληψης και των δύο φύλων σε μελλοντικές έρευνες.