Ultrasonic Communication in Rats: Can Playback of 50-kHz Calls Induce Approach Behavior?

Rats emit distinct types of ultrasonic vocalizations, which differ depending on age, the subject's current state and environmental factors. Since it was shown that 50-kHz calls can serve as indices of the animal's positive subjective state, they have received increasing experimental attention, and have successfully been used to study neurobiological mechanisms of positive affect. However, it is likely that such calls do not only reflect a positive affective state, but that they also serve a communicative purpose. Actually, rats emit the highest rates of 50-kHz calls typically during social interactions, like reproductive behavior, juvenile play and tickling. Furthermore, it was recently shown that rats emit 50-kHz calls after separation from conspecifics. The aim of the present study was to test the communicative value of such 50-kHz calls. In a first experiment, conducted in juvenile rats situated singly on a radial maze apparatus, we showed that 50-kHz calls can induce behavioral activation and approach responses, which were selective to 50-kHz signals, since presentation of 22-kHz calls, considered to be aversive or threat signals, led to behavioral inhibition. In two other experiments, we used either natural 50-kHz calls, which had been previously recorded from other rats, or artificial sine wave stimuli, which were identical to these calls with respect to peak frequency, call length and temporal appearance. These signals were presented to either juvenile (Exp. 2) or adult (Exp. 3) male rats. Our data clearly show that 50-kHz signals can induce approach behavior, an effect, which was more pronounced in juvenile rats and which was not selective to natural calls, especially in adult rats. The recipient rats also emitted some 50-kHz calls in response to call presentation, but this effect was observed only in adult subjects. Together, our data show that 50-kHz calls can serve communicative purposes, namely as a social signal, which increases the likelihood of approach in the recipient conspecific

Reduced Efficacy of d-Amphetamine and 3,4-Methylenedioxymethamphetamine in Inducing Hyperactivity in Mice Lacking the Postsynaptic Scaffolding Protein SHANK1

Genetic defects in the three SH3 and multiple ankyrin repeat domains (SHANK) genes (SHANK1, SHANK2, and SHANK3) are associated with multiple major neuropsychiatric disorders, including autism spectrum disorder (ASD), schizophrenia (SCZ), and bipolar disorder (BPD). Psychostimulant-induced hyperactivity is a commonly applied paradigm to assess behavioral phenotypes related to BPD and considered to be the gold standard for modeling mania-like elevated drive in mouse models. Therefore, the goal of our present study was to test whether Shank1 plays a role in the behavioral effects of psychostimulants and whether this is associated with genotype-dependent neurochemical alterations. To this aim, male and female null mutant Shank1-/- mice were treated with d-amphetamine (AMPH; 2.5 mg/kg) and 3,4-methylenedioxymethamphetamine (MDMA, commonly known as ecstasy; 20 mg/kg), and psychostimulant-induced hyperactivity was compared to heterozygous Shank1+/- and wildtype Shank1+/+ littermate controls. Results show that Shank1-/- mice display reduced psychostimulant-induced hyperactivity, although psychostimulants robustly stimulated locomotor activity in littermate controls. Shank1 deletion effects emerged throughout development, were particularly prominent in adulthood, and seen in response to both psychostimulants, i.e., AMPH and MDMA. Specifically, while AMPH-induced hyperactivity was reduced but still detectable in Shank1-/- mice, MDMA-induced hyperactivity was robustly blocked and completely absent in Shank1-/- mice. Reduced efficacy of psychostimulants to stimulate hyperactivity in Shank1-/- mice might be associated with alterations in the neurochemical architecture in prefrontal cortex, nucleus accumbens, and hypothalamus. Our observation that psychostimulant-induced hyperactivity is reduced rather than enhanced in Shank1-/- mice clearly speaks against a behavioral phenotype with relevance to BPD. Lack of BPD-like phenotype is consistent with currently available human data linking mutations in SHANK2 and SHANK3 but not SHANK1 to BPD

Wildtype peers rescue social play and 50-kHz ultrasonic vocalization deficits in juvenile female Cacna1c heterozygous rats

BackgroundHealthy brain development depends on early social practices and experiences. The risk gene CACNA1C is implicated in numerous neuropsychiatric disorders, in which key characteristics include deficits in social functioning and communication. Recently, we reported sex-dependent impairments in social behavior and ultrasonic vocalizations (USV) in juvenile heterozygous Cacna1c+/− (HET) rats. Specifically, HET females displayed increases in rough-and-tumble play that eliminated the typically observed sex difference between male and female rats. Interestingly, female wild-type Cacna1c+/+ (WT) pairs also showed a similar increase in social play when housed with HET females, suggesting their behavior may be influenced by HET cage mates. This indicates that the genetic makeup of the social environment related to Cacna1c can influence social play, yet systematic studies are lacking.MethodsIn the present study, we housed juvenile females in MIXED- or SAME-genotype cages and tested them in a social play paradigm with a same- and opposite-genotype partner.ResultsThe results show that the early social environment and the genotype of the play partner influence social play and 50-kHz USV emission. Experience with a WT play partner appears necessary for HET females to show comparable levels of play and 50-kHz USV emission. Same-genotype HET pairs played less and emitted fewer 50-kHz USV than same-genotype WT or opposite-genotype pairs; however, we found that the decrease in social play and 50-kHz USV in HET pairs can be rescued by playing with a WT partner. The effect was particularly prominent when the first play partner was WT, as we found it increased play and 50-kHz USV emission in all subsequent interactions with ensuing partners.ConclusionThese findings suggest that the genetic makeup related to the social environment and/or social peers influences social play in Cacna1c+/− haploinsufficient rats. Specifically, our results show that WT peers can rescue behavior and communication alterations in Cacna1c female rats. Our findings have important implications because they show that the genetic makeup of the social environment can divulge phenotypic changes in genetic rat models of neuropsychiatric disorders

Interaction of the Psychiatric Risk Gene Cacna1c With Post-weaning Social Isolation or Environmental Enrichment Does Not Affect Brain Mitochondrial Bioenergetics in Rats

The pathophysiology of neuropsychiatric disorders involves complex interactions between genetic and environmental risk factors. Confirmed by several genome-wide association studies, Cacna1c represents one of the most robustly replicated psychiatric risk genes. Besides genetic predispositions, environmental stress such as childhood maltreatment also contributes to enhanced disease vulnerability. Both, Cacna1c gene variants and stressful life events are associated with morphological alterations in the prefrontal cortex and the hippocampus. Emerging evidence suggests impaired mitochondrial bioenergetics as a possible underlying mechanism of these regional brain abnormalities. In the present study, we simulated the interaction of psychiatric disease-relevant genetic and environmental factors in rodents to investigate their potential effect on brain mitochondrial function using a constitutive heterozygous Cacna1c rat model in combination with a four-week exposure to either post-weaning social isolation, standard housing, or social and physical environmental enrichment. Mitochondria were isolated from the prefrontal cortex and the hippocampus to evaluate their bioenergetics, membrane potential, reactive oxygen species production, and respiratory chain complex protein levels. None of these parameters were considerably affected in this particular gene-environment setting. These negative results were very robust in all tested conditions demonstrating that Cacna1c depletion did not significantly translate into altered bioenergetic characteristics. Thus, further investigations are required to determine the disease-related effects on brain mitochondria

Neurobiopsychologische Analyse des Angstverhaltens im Modell der Ratte: Auswirkung serotonerger Manipulationen

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die genauere Untersuchung der psychologischen und neurochemischen Zusammenhänge zwischen der Emotion Angst und dem Neurotransmitter Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5HT). Die Literatur bietet diesbezüglich eine Vielzahl von Arbeiten, doch die Funktion von 5HT im Zusammenhang mit Angst ist immer noch nicht vollständig geklärt. Studien, die Angstverhalten anhand von 5HT-Läsionen untersuchen, zeigen inkonsistente Ergebnisse (Griebel 1995, Menard & Treit 1999). Dies könnte unter anderem daran liegen, dass die meisten Studien mit einer generellen Läsion von zentralem 5HT arbeiten, 5HT jedoch durch weit verzweigte Projektionen (Feldman et al. 1997) und verschiedene 5HT-Rezeptorsubtypen (Lesch et al. 2003, Hennig & Netter 2005) Angst unterschiedlich moduliert (Deakin & Graeff 1991, Graeff et al. 1997). Zudem existieren individuelle Unterschiede verschieden ängstlicher Ratten (Schwarting et al. 1998), die sich auf 5HT-Manipulationen auswirken können. Im Rahmen dieser Dissertation wurden drei Studien durchgeführt, die sich mit diesen, bisher meist nicht berücksichtigten, Aspekten beschäftigen und beispielsweise individuelle Unterschiede oder die funktionalen Rolle von 5HT im ventralen Striatum mit einbeziehen. Das Angstverhalten von Ratten wurde nach Manipulation des 5HTSystems, durch das Toxin 5,7-Dihydroxytryptamin (5,7-DHT), das potentiell neurotoxische 3,4-Methylenedioxymethamphetamin (MDMA) und den 5HT2CAntagonisten RS102221 erhoben. Eine Injektion von 5,7-DHT in das ventrale Striatum führte zu einer 5HT-Läsion im anterioren Vorderhirn (Striatum und frontaler Kortex), wobei eine Vorbehandlung mit verschiedenen Wiederaufnahmehemmern notwendig war, um unter anderem das dopaminerge Transmittersystem zu schützen. Studien, die ebenfalls mit gezielten zentralen Injektionen von 5HT-Toxinen arbeiten, vernachlässigen es oft, weitere Hirnareale und Neurotransmitter zu analysieren und unterschätzen das anatomische Ausmaß der Schädigung. Der verringerte 5HTSpiegel im anterioren Vorderhirn führte hier zu moderaten anxiogenen Effekten im erhöhten Plus-Labyrinth (elevated plus-maze, EPM) und im Offenfeld (open field, OF). Darüber hinaus zeigten sich Effekte in einem weitern Verhaltensmaß für Angst, der Ultraschallvokalisation (ultrasonic vocalisation, USV). Eine intrastriatale Injektion des 5HT2C-Antagonisten RS102221 führte dagegen kaum zu Auswirkungen im Angstverhalten im OF, was darauf hindeutet, dass die anxiogenen Effekte in der vorangegangenen Läsionsstudie eventuell auf andere 5HT-Rezeptortypen oder extrastriatale 5HT-Schädigungen zurückzuführen sind. Untersuchungen von MDMA-Langzeiteffekten unter Berücksichtigung individueller Ängstlichkeit zeigten, dass die Wirkung von MDMA von der vorherigen natürlichen Ängstlichkeit der Ratten abhängig ist. Das Verhalten im EPM, OF und bei der Exploration eines neuen Objektes war nur bei niedrigängstlichen Tieren durch MDMA verändert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Injektion des Toxins 5,7-DHT in eine bestimmte Hirnregion zu einer weitreichenderen Läsion führen kann und auch andere Hirnareale und Neurotransmitter untersucht werden müssen, um nicht zu einer falschen Schlussfolgerung zwischen Neurochemie und Angst zu gelangen. Zudem reagieren nicht alle Individuen auf eine Manipulation des 5HT-Systems gleich. Daher sollten Versuchstiere vorher auf ihre individuellen Dispositionen, beispielsweise hinsichtlich Angst, untersucht werden. Weiterhin empfiehlt es sich, nicht nur das augenscheinliche Verhalten der Tiere auszuwerten, sondern den Tieren auch “zuzuhören“, da das Verhalten von Ratten nicht nur auf sichtbare Variablen wie beispielsweise Lokomotion oder Vermeidung beschränkt ist, sondern sich eine Manipulation des 5HT-Systems auch auf deren USV auswirkt

Ultraschallvokalisationen bei Maus und Ratte - Kommunikative Signale des motivational-affektiven Zustands?

Mäuse und Ratten verfügen über die Fähigkeit, Ultraschallvokalisationen auszusenden. Diese Ultraschallvokalisationen treten in motivational relevanten Kontexten auf. Sie sind für die biopsychologische Forschung von großer Bedeutung, da die Tiere in Abhängigkeit ihres motivational-affektiven Zustandes unterschiedliche Vokalisationen emittieren und somit Einblicke in die Grundlagen von Emotion und Motivation gewähren können. Über die funktionale Bedeutung dieser Ultraschallvokalisationen besteht jedoch Unklarheit. In den vorgelegten Arbeiten sollte daher geprüft werden, inwiefern es sich bei den Ultraschallvokalisationen um kommunikative Signale des motivational-affektiven Zustands handelt. Hierzu wurde zum einen geprüft, welche Bedeutung soziale Faktoren, wie maternale Fürsorge oder An- beziehungsweise Abwesenheit eines Artgenossen, für den Sender, das heißt für die Produktion von Rufen, haben. Zum anderen wurde geprüft, welchen Einfluss die Produktion von Rufen auf den Empfänger hat. Es konnte gezeigt werden, dass sich die erfahrene maternale Pflege auf die Produktion isolations-induzierter Vokalisationen im Jungtier als auch auf die im Erwachsenenalter auftretenden 22-kHz Vokalisationen auswirkt, wohingegen die aktuelle An- beziehungsweise Abwesenheit eines Artgenossen die Emission von 22-kHz Rufen nicht beeinflusst. Die Effekte maternaler Fürsorge sind möglicherweise über Beeinflussung des Aufteretensverhältnisses von aktiven und passiven Bewältigungsstrategien in aversiven Situationen vermittelt. Ferner konnte gezeigt werden, dass obwohl die An- beziehungsweise Abwesenheit eines Artgenossen keinen steigernden Einfluss auf die Produktion von 22-kHz Rufen hat, diese dennoch angst-ähnliches Verhalten beim Empfänger induzieren können. Im Gegensatz zu der durch 22-kHz Rufe induzierten lokomotorischen Inhibition, steigern 50-kHz Rufe die lokomotorische Aktivität und führen zu Annäherungsverhalten. In Übereinstimmung mit den entgegengesetzten Verhaltensreaktion aktivieren 22-kHz Rufe Hirnstrukturen, die an der Regulation von Angst und Furcht beteiligt sind, wohingegen 50-kHz Rufe Strukturen aktivieren, die mit Belohnungsprozessen in Zusammenhang stehen. Die vorgelegten Arbeiten stützen demnach die Hypothese, dass Ultraschallvokalisationen als kommunikative Signale des motivational-affektiven Zustands dienen. Die hier etablierten Verhaltensparadigmen werden es zukünftig ermöglichen die biopsychologischen Grundlagen verschiedener Aspekte von Sozialverhalten zu untersuchen. So kann beispielsweise die durch die Präsentation von 50-kHz Vokalisationen induzierte Verhaltensreaktion der Tiere genutzt werden, um die genetischen und neurochemischen Grundlagen sozialen Annäherungsverhaltens zu beschreiben und so möglicherweise Einblick in die Pathomechanismen von psychischen Störungen gewähren, die durch Defizite im Sozialverhalten gekennzeichnet sind

Der Einfluss des dorsalen Hippocampus auf das instrumentelle Lernen und die Verhaltensflexibilität im Tiermodell der Ratte

Schädigungen des Gehirns werden im Allgemeinen mit einer daraus resultierenden Ein-schränkung kognitiver Fähigkeiten in Verbindung gebracht. Diese Annahme wird zusätzlich von einer Vielzahl an empirischen Daten bestätigt, die mit Hilfe experimenteller Hirnläsionen erhoben werden konnten. Im Gegensatz zu funktionellen Defiziten ist der Befund einer Funktions- bzw. Leistungssteigerung nach einer Hirnläsion zwar seltener aufzufinden, stellt jedoch ein immer wieder auftretendes Phänomen in der neurowissenschaftlichen Forschung dar. Im Zusammenhang mit beobachteten Leistungsverbesserungen scheint vor allem der Hippocampus des Säugetiergehirns eine Sonderstellung einzunehmen. Hinweise darauf, dass eine Schädigung des Hippocampus in einer Leistungssteigerung der Probanden oder Versuchstiere resultiert, wenn diese Aufgaben mit spezifischen Verhaltensanforderungen bewältigen müssen, finden sich häufig in der Literatur wieder. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einfluss von Hippocampus-Läsionen auf das prozedurale bzw. instrumentelle Lernen im Rattenmodell zu untersuchen. Hierzu wurde die Ratten-Version der sogenannten seriellen Reaktionszeit-Aufgabe (SRTT) verwendet, um das instrumentelle Lernen zu operationalisieren. Der Befund aus einer vorangegangenen Studie von Eckart et al. (2012) deutete darauf hin, dass Ratten mit der Läsion des dorsalen Hippocampus zwar Defizite des deklarativen Gedächtnisses aufweisen, jedoch im Paradigma des SRTT eine deutliche Verbesserung im instrumentellen Lernen zeigen. In der ersten Studie der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Verbesse-rung im instrumentellen Lernen der lädierten Ratten auch dann erhalten bleibt, wenn während der Trainingsphase des SRTT eine konstante Lernmenge für jedes Versuchstier eingehalten wird. Zusätzlich konnte ein Defizit im Extinktionslernen der Experimentalgruppe festgestellt werden. In der zweiten Studie konnte gezeigt werden, dass Leistungssteigerungen in den lädierten Ratten auch mit der Verwendung einer pseudorandomisierten anstatt einer sich wiederholenden Stimulus-Präsentation im SRTT aufzufinden sind. Zusätzlich zeigte sich ein Defizit im Extinktionslernen der lädierten Ratten auch bei einer entwerteten Futterbelohnung. Weiterhin konnte eine deutliche Reduktion der nicht-aufgabenbezogenen Verhaltensweisen in der Experimentalgruppe über den Verlauf der Trainingsphase festgestellt werden. In der dritten Studie konnte ein Defizit in der Verhaltensflexibilität der Versuchstiere nach einer Läsion des dorsalen Hippocampus festgestellt werden. Dazu wurden die Ratten nach Abschluss des SRTT-Trainings in einer R-O-entkoppelten Variante des SRTT getestet. Die erhobenen Daten dieser Arbeit deuten darauf hin, dass die gefundenen Leistungs-verbesserungen im SRTT nur ein Nebeneffekt komplexer Verhaltensveränderungen als Folge der Läsion des dorsalen Hippocampus sind. Ein spezifischer Erklärungsansatz dafür wird am Ende der Arbeit im Rahmen der „Multiple Parallel Memory Systems“-Theorie diskutiert

Die Rolle von Striatum und Hippocampus im sequentiellen Lernen: Interaktion, Dissoziation oder Konkurrenz?

Gängigerweise wird das Gedächtnis bei Säugetieren in zwei Kategorien unterteilt: das dekla-rative Gedächtnis, das semantische und episodische Inhalte enkodiert und für dessen Konsoli-dierung der Hippocampus eine zentrale Rolle spielt. Daneben das nichtdeklarative Gedächt-nis, das sich in weitere Unterkategorien mit unterschiedlichen neuronalen Korrelaten untertei-len lässt. Eine dieser Unterkategorien bildet das prozedurale Gedächtnis, das für den Erwerb motorischer und kognitiver Fertigkeiten [skills] eine entscheidende Rolle spielt und vor allem mit striatalen Prozessen assoziiert ist. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die neuronalen Grundlagen sequentiellen Lernens – einer Unterkategorie prozeduralen Lernens – im Rattenmodell zu untersuchen. In Humanex-perimenten wird sequentielles Lernen in der Regel über sogenannte serielle Reaktionszeitauf-gaben [serial reaction time task (SRTT)] operationalisiert. In der vorliegenden tierexperimen-tellen Arbeit kam daher eine Nagerversion des SRTT zur Anwendung. In den ersten zwei Experimenten der vorliegenden Arbeit (STUDIE I & II) über die Rol-le des Striatums im sequentiellen Lernen zeigte sich, dass dopaminerge Läsionen im dorsalen Striatum zu Defiziten im sequentiellen Lernen führen, wohingegen dopaminerge Läsionen im ventralen Striatum/Nucleus accumbens einen Einfluss auf instrumentelles Konditionieren haben, nicht jedoch auf sequentielles Lernen. Die Frage, welche Rolle der Hippocampus bei nichtdeklarativen Gedächtnisfunktionen spielt, ist aufgrund von widersprüchlichen Ergebnissen aus Tier- und Humanstudien strittig. Es gibt Befunde, die für eine Dissoziation beider Systeme, einer Interaktion oder aber auch einer Konkurrenz sprechen. In dem dritten Experiment der vorliegenden Arbeit (STUDIE III) zeigte sich in dem Ratten-SRTT bei dorsal-hippocampal lädierten Ratten eine deutliche Verbesserung im in-strumentellen wie auch beim sequentiellen Lernen, wobei nicht eindeutig unterschieden wer-den kann, ob die Läsionen einen direkten Einfluss auf sequentielles Lernen hatten oder nur indirekt über verbesserte Leistungen im instrumentellen Lernen. Zusammenfassend werden die Ergebnisse dieser drei Experimente dahingehend disku-tiert, dass eine Konkurrenz zwischen striatalen und hippocampalen Prozessen im instrumen-tellen und sequentiellen Lernen besteht. Eine mögliche Erklärung für diese Konkurrenz ist die gleichzeitige Projektion beider Strukturen in den frontalen Kortex. Da der Hippocampus bei Nagern insbesondere im räumlichen Lernen eine Rolle spielt, kann es bei Tests, in denen räumliche Informationen irrelevant sind, zu einer Interferenz zwischen Striatum und Hippo-campus kommen. Nach hippocampalen Läsionen muss der frontale Kortex, der als zentrale Exekutive arbeitet, keine Ressourcen auf die Verarbeitung räumlicher Informationen aufwen-den, wodurch in Tests mit minimalen räumlichen Anforderungen prozedurale striatale Lern-vorgänge effizienter ablaufen können