Apoptosis in the basal forebrain of the rat during development and following ablations of the cerebral cortex

The basal forebrain (BF) is a region involved in higher brain functions, such as learning and memory. Because of the selective vulnerability of BF cholinergic neurons in neurodegenerative disorders, particularly in Alzheimer’s disease, numerous studies focus on the factors that affect their survival. In the present study we evaluated the pattern of apoptotic cell death in the BF of the rat during development and after ablations of the cerebral cortex. The TUNEL method was used for in situ detection of DNA fragmentation. This method is currently one of the most popular methods for detecting apoptotic cells in tissue sections. Electron microscopic analysis confirmed that degenerating cells in the BF displayed typical characteristics of apoptotic cell death. Apoptosis in the BF occurs early in postnatal life. Apoptotic cells were first detected at birth and their number reached a peak at postnatal day 1 (P1) and at P5; subsequently their number decreased significantly and was minimised by the end of the second postnatal week. Double labeling experiments using TUNEL in conjunction with cell specific markers for neurons and glial cells revealed that at P1 and at P5 the overwhelming majority of cells undergoing apoptosis were neurons. Apoptotic cells at these two stages may correspond to neuronal populations with different birthdates, different phenotypical characteristics or connections with different target areas. Unilateral ablations of large parts of the cerebral cortex were used in order to investigate the effects of target deprivation on BF neurons. The cerebral cortex is a major target area and source of neurotrophic factors for BF neurons. Nerve growth factor (NGF) excels among target-derived neurotrophic factors for its action on intact and injured BF cholinergic neurons. Remarkably, our results demonstrated that extensive lesions of the cerebral cortex at different developmental stages (at P0, at P7 and at P14) did not affect the viability of BF neurons. In addition, the number of BF neurons that survived in adult animals subjected to cortical lesions at different developmental stages was not different from their number in control animals. Immunocytochemistry was used to evaluate lesion-induced alterations in the phenotypic markers of BF cholinergic neurons. Although cortical lesions did not affect the viability of BF neurons, they caused alterations in the morphology of cholinergic neurons and significant reduction of their number. Moreover, the loss of cholinergic neurons was inversely proportional to the age at which the lesion was performed. Survival of BF neurons after extensive cortical lesions may be attributed to the: a) retrograde transfer of neurotrophic factors from diverse target areas and the substitution of NGF by other members of the neurotrophic family, b) anterograde transfer of neurotrophic factors and c) positive feedback of local growth factors and NGF.Ο βασικός πρόσθιος εγκέφαλος (BF) είναι περιοχή με μεγάλη λειτουργική σημασία λόγω του ρόλου που διαδραματίζει στις ανώτερες γνωστικές λειτουργίες της μνήμης και της μάθησης. Η διερεύνηση των παραγόντων που επηρεάζουν την επιβίωση των νευρώνων του BF παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον διότι οι νευρώνες της περιοχής αυτής εκφυλίζονται σε ορισμένες διαταραχές του κεντρικού νευρικού συστήματος, όπως είναι η νόσος Alzheimer. Στην εργασία αυτή μελετήθηκε ο αποπτωτικός κυτταρικός θάνατος στους πυρήνες του BF του επίμυος κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και οι επιπτώσεις της αφαίρεσης του φλοιού των εγκεφαλικών ημισφαιρίων στην επιβίωση και στον φαινότυπο των νευρώνων των πυρήνων αυτών. Για τη μελέτη της απόπτωσης χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος TUNEL, η οποία είναι μια ευρύτατα διαδεδομένη μέθοδος in situ ανίχνευσης του DNA των αποπτωτικών κυττάρων σε ιστολογικές τομές. Επιπλέον, ο αποπτωτικός κυτταρικός θάνατος πιστοποιήθηκε με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της εργασίας αυτής η απόπτωση στον BF είναι μια διεργασία που εξελίσσεται την πρώιμη μεταγεννητική περίοδο. Αποπτωτικά κύτταρα εμφανίζονται για πρώτη φορά στο νεογέννητο και ο μεγαλύτερος αριθμός τους παρατηρείται τη μεταγεννητική ημέρα 1 (Μ1) και τη Μ5. Στην συνέχεια, η διεργασία της απόπτωσης παρουσιάζει φθίνουσα πορεία και ολοκληρώνεται στο τέλος της δεύτερης μεταγεννητικής εβδομάδας. Ο συνδυασμός της μεθόδου TUNEL με αντισώματα που επισημαίνουν τα νευρικά και τα νευρογλοιακά κύτταρα μας επέτρεψε να διαπιστώσουμε ότι στις ηλικίες Μ1 και Μ5 τα κύτταρα που αποπίπτουν είναι, στην πλειονότητά τους, νευρώνες. Τα αποπτωτικά κύτταρα στις δύο αυτές ηλικίες ίσως αντιπροσωπεύουν νευρικά κύτταρα με διαφορετικές ημερομηνίες γέννησης, διαφορετικά φαινοτυπικά χαρακτηριστικά ή και συνδέσεις με διαφορετικές περιοχές-στόχους