Acute optogenetic stimulation of serotonergic neurons in raphe nuclei reduces cell proliferation in the dentate gyrus of the mouse

Abstract

The subgranular zone of the hippocampal dentate gyrus (DG) is known to be replenished with new-born neurons even after fetal and early postnatal development has completed, a phenomenon called adult neurogenesis. Functions of these new-born neurons and regulatory mechanisms of adult neurogenesis are not fully understood. The DG receives various synaptic inputs including those from serotonergic neurons in the brain stem raphe nuclei. Previous studies in mice have suggested that physical activities enhance neurogenesis via serotonergic neurotransmission. In the present study, the influence of serotonin (5-HT) on adult neurogenesis was investigated by directly activating serotonergic neurons in the dorsal and median raphe nucleus (DRN, MRN) using optogenetics.

Specifically, cell proliferation was examined by bromodeoxyuridine (BrdU) labeling in the DG after overnight and one-week optogenetic activation of serotonergic neurons in the raphe nuclei in freely behaving tryptophan hydroxylase 2-channelrhodopsin 2 (Tph2-ChR2) transgenic mice. These mice express photo-excitable cation channels, ChR2, under the control of the Tph2 promoter, allowing specific activation of serotonergic neurons.

First, specific activation of serotonergic neurons in the DRN or MRN was electrophysiologically confirmed in brain slices and in anesthetized mice. In consequence of the optogenetic activation of serotonergic neurons in the DRN or MRN, a reduction in firing rates was observed in the DG in the anesthetized mice. After overnight stimulation of serotonergic neurons in the freely behaving animals, BrdU-positive cells in the DG were significantly reduced in number compared to non-stimulated control mice. The total distances traveled did not differ significantly between stimulated and non-stimulated mice, indicating that the reduced cell proliferation in the DG was not due to reduced physical movement. Further, as revealed by high-performance liquid chromatography (HPLC), reduced cell proliferation in the DG was accompanied by reduced 5-HT concentrations in both the raphe nuclei and the hippocampus, which may reflect autoinhibitory regulation of 5-HT release. When optogenetic stimulation of serotonergic neurons was extended for 6 nights, reduction in cell proliferation was absent without affecting total distances traveled, although interhemispheric differences in the number of BrdU-positive cells were observed. In sum, acute optogenetic stimulation of serotonergic neurons temporarily decreases cell proliferation in the DG, with the effect disappearing if the stimulation continues over days. This effect could be mediated by an electrophysiologically measured inhibitory influence of 5-HT on the DG and adaptive changes subsequent to long-term optogenetic stimulation.

Die subgranuläre Zone des Gyrus dentatus (DG) im Hippocampus wird auch nach Ende der fetalen und frühen postnatalen Entwicklung mit neugeborenen Neuronen aufgefüllt, ein Phänomen, das als adulte Neurogenese bezeichnet wird. Die Funktionen dieser neugeborenen Neuronen und die Regulationsmechanismen der adulten Neurogenese sind nicht völlig verstanden. Der DG erhält verschiedene synaptische Inputs, einschließlich derer von serotonergen Neuronen in den Raphe-Kernen des Hirnstamms. Frühere Studien an Mäusen zeigten, dass körperliche Aktivitäten die Neurogenese mittels serotonerger Neurotransmission verbessern. In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss von Serotonin (5-HT) auf adulte Neurogenese durch direkte Aktivierung serotonerger Neuronen im dorsalen und medianen Raphe-Kern (DRN, MRN) mittels Optogenetik untersucht.

Konkret wurde die Zellproliferation durch Bromdesoxyuridin (BrdU)-Markierung im DG nach über Nacht und einwöchiger optogenetischer Aktivierung von serotonergen Neuronen in den Raphe-Kernen in sich frei bewegenden transgenen Tryptophan Hydroxylase 2-Channelrhodopsin 2 (Tph2-ChR2)-Mäusen untersucht. Diese Mäuse exprimieren photoanregbare Kationenkanäle, ChR2, unter der Kontrolle des Tph2-Promotors, was eine spezifische Aktivierung von serotonergen Neuronen ermöglicht.

Zuerst wurde die spezifische Aktivierung von serotonergen Neuronen im DRN oder MRN in Gehirnschnitten und in anästhesierten Mäusen mit elektrophysiologischen Methoden bestätigt. In Folge der optogenetischen Aktivierung von serotonergen Neuronen im DRN oder MRN wurde eine Senkung der Feuerraten im DG in anästhesierten Mäusen beobachtet. Nach Stimulation von serotonergen Neuronen über Nacht in frei beweglichen Tieren war die Zahl der BrdU-positiven Zellen im DG im Vergleich zu nicht-stimulierten Kontrollen signifikant reduziert. Die reduzierte Zellproliferation war nicht auf reduzierte körperliche Bewegung zurückzuführen, da sich die zurückgelegte Gesamtstrecke zwischen stimulierten und nicht-stimulierten Mäusen nicht unterschied. Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (HPLC) zeigte, dass die reduzierte Zellproliferation im DG von reduzierten 5-HT-Konzentrationen in den Raphe-Kernen und im Hippocampus begleitet wurde, was eine autoinhibitorische Regulierung der 5-HT-Freisetzung widerspiegeln könnte. Wenn die optogenetische Stimulation serotonerger Neuronen auf 6 Nächte verlängert wurde, wurden zwar interhemisphärische Unterschiede in der Anzahl von BrdU-positiven Zellen beobachtet, doch weder die Zellproliferation noch die zurückgelegte Gesamtstrecke waren beeinflusst. Kurz gefasst verringert die akute optogenetische Stimulation serotonerger Neuronen die Zellproliferation im DG vorübergehend, aber dieser Effekt verschwindet, wenn die Stimulation über Tage andauert. Elektrophysiologisch gemessen könnte dieser Effekt durch den inhibitorischen Einfluss von 5-HT auf den DG und nachfolgende adaptive Veränderungen nach langfristiger optogenetischer Stimulation vermittelt sein.