Genomic-morphological analysis of the rat and mouse habenulae uncovers a high molecular heterogeneity and indicates involvement in the regulation of feeding and energy balance

Abstract

Positive as well as negative reward-prediction are elemental for survival and influence our behavioral state. Especially the lateral habenula (LHb) has received much interest because it has been recognized as the potential center of a “negative-reward system”. With its multiple prominent involvements in the regulation of neuromodulators, particularly of the dopamine, serotonin and cholinergic system, a further elucidation of the detailed synaptic connectivity of habenular subnuclei is urgently needed. The mammalian habenula consists of medial (MHb) and lateral (LHb) nuclear complexes. Considerable knowledge has accumulated especially concerning the subnuclear structure and the connectivity of the habenula and its neurons. In contrast, attempts to find criteria to classify habenular neurons into separate groups with potentially different biological abilities have largely failed, most likely due to the lack of appropriate marker proteins. One important tool to approach this dilemma is available in form of the Allen Brain Atlas, which provides detailed expression patterns of about 21,000 transcripts. These data, however, are valid in mouse only. Consequently, the mouse habenula was characterized (see [1]), so it was possible to use the Allen Brain Atlas for the investigation of enriched transcripts in the mouse habenula (see [2]). Unfortunately, this approach failed to detect new marker genes of the habenula. Thus, in a microrarray study (see [3]) MHb and LHb or selected subnuclei were analysed for characteristic transcripts or proteins, which may shed light on the detailed biological functions of these areas. Quite surprisingly, our data indicate potentially inhibitory effects of acetylcholine and glutamate in the habenula. In addition, the partly absence of the K-Cl cotransporter 2 (KCC2) supports a largely excitatory role of GABAergic transmission especially in the MHb. Furthermore, several G-protein related receptors (Gpr83, Gpr139, Gpr149, Gpr151, Gpr158) and many feeding- related neuropeptides are prominently expressed in the habenular region, indicating that its involvement in the regulation of food consumption and energy expenditure may have been underestimated so far.

Belohnung einer adäquaten Reaktion, und das Ausbleiben einer Belohnung bei einer inadäquaten Reaktion sind notwendige Mechanismen, die das Überleben sichern. Als potentielles Zentrum des „Negative-Reward-Systems” steht eine Hirnregion, die laterale Habenula, im besonderen Fokus neurowissenschaftlicher Forschung. Die Habenula setzt sich aus einem medialen (MHb) und einem lateralen Unterkernkomplex (LHb) zusammen. Die vielseitige Vernetzung dieser Unterkerne im Zusammenspiel verschiedener Transmittersysteme macht eine differenzierte Betrachtung der Habenula notwendig. Für die Habenula der Ratte gibt es detaillierte Betrachtungen zur Unterkernstruktur und Morphologie der Neurone. Versuche, den Neuronengruppen verschiedene spezifische biologische Funktionen zuzuschreiben, sind bisher gescheitert. Insbesondere molekulare Markerproteine könnten hier die weitere Klassifizierung erleichtern. Mit dem „Allen Brain Atlas“ steht jetzt eine open-access Datenbank zur Verfügung die über 21.000 Transkripte auf Maushirnschnitten charakterisiert. Durch die morphologische Charakterisierung der Habenula der Maus (vgl. [1]) konnten wir diese Daten erstmals auch für die Unterkerne der Habenula nutzen (vgl. [2]). Zusätzlich konnten einzelne, bisher nicht bekannte Unterkerne identifiziert werden (vgl. [1]). Auffällig war eine sehr heterogene Zusammensetzung der einzelnen Unterkerne (vgl. [2]), hinweisend für eine komplexe Zusammensetzung der einzelnen Kerngruppen. Die Untersuchung zeigte auch, dass die Expression des GPR151-Proteins, welches bereits als Marker für die Habenula genutzt wird, nicht selektiv für Neurone dieser Region ist (vgl. [2]). In einer Microarray- Studie erfolgte in einem weiteren Schritt die Untersuchung des Expressionsprofils der LHb und MHb der Ratte (vgl. [3]). Hier zeigte sich ebenfalls ein heterogenes Muster der Neuronentypen. Interessant zeigte sich die Verteilung des K-Cl Kotransporters 2 (KCC2), welcher in fast allen Neuronen des adulten ZNS vorkommt und K+ mit Cl- aus Neuronen transportiert. In den meisten Neuronen des adulten ZNS ist Cli daher negativer als das Ruhemembranpotential. Dies ist die Voraussetzung für die Entstehung von hyperpolarisierenden Chlorid-Ionenströmen. In der MHb fanden sich Neuronengruppen ohne KCC2, als möglichen Hinweis für eine regional exzitatorische Wirkung GABAerger Projektionen. Des Weiteren zeigte sich eine prominente Expression verschiedener G-Protein gekoppelter Rezeptoren (Gpr83, Gpr139, Gpr149, Gpr151, Gpr158) und Nahrungsaufnahme-assoziierter Neuropeptide in der Habenula als Hinweis für eine wesentliche Bedeutung der Habenula für Homöostase, Nahrungsaufnahme und Energiestoffwechsel (vgl. [3]).