Dynamics of noise-induced neurodegeneration and neuroplasticity in the central nervous system

Abstract

Noise-induced hearing loss (NIHL) leads to key changes in auditory structures of the central nervous system (CNS). The present study investigates how cell density, axonal density and/or glutamatergic and GABAergic neurotransmission, could be affected at different time points after acute noise exposure in the central inferior colliculus (CIC) and the ventral medial geniculate body of the thalamus (MGV). Mice were noise-exposed for 3h at high (115 dB) or moderate (90 dB) broadband white noise (5–20 kHz), and unexposed mice were used as controls. Mice were separately investigated 1 day, 7 days, 56 days and 84 days post-exposure. Frequency-specific auditory brainstem responses (ABR) were recorded at 4, 8, 16 and 32 kHz before and after exposure to examine auditory thresholds shifts. Fluorescence immunohistochemistry (FIHC) against NeuN, DAPI, Neurofilament-heavy (SMI312), vesicular GABA transporter (VGAT) and vesicular glutamate transporter 1 (VGLUT1) and 2 (VGLUT2) was performed. Automated Fiji macros were developed to perform quantitative cell counting and fluorescence intensity analysis. Findings showed that ABR thresholds were significantly elevated 7d, 56d and 84d after noise exposure in 115dB-exposed animals when compared to 90dB-exposed or Control mice, suggesting a NIHL phenotype after acute noise delivery. Strikingly, significant elevations in neurofilament density were observed 1d after noise exposure in the CIC and MGV, but not 7d, 56d and 84d post-exposure in 115dB-exposed mice when compared to 90dB or Control animals. Thus, we demonstrated that early excitatory and/or compensatory neuroplastic connectivity changes occur in the auditory CNS as a result of acoustic overstimulation. However, no significant changes in NeuN and DAPI or VGLUT1, VGLUT2 and VGAT expression were observed at any timepoint after noise exposure. Therefore, our data revealed complex adaptive mechanisms present in the auditory CNS structures as a result of noise trauma, which partially explain alterations observed in patients suffering from NIHL or tinnitus.

Lärmschwerhörigkeit ist die sensorineurale Taubheit, die durch Lärmbelastung verursacht wird. Neben den peripheren Folgen kann Lärmbelastung auch zu Veränderungen im zentralen Nervensystem (ZNS) führen, Die vorliegende Studie untersucht, wie die Zelldichte, die axonale Dichte und die glutamaterge und GABAerge synaptische Plastizität als Folge von Lärmbelastung im zentralen inferioren Colliculus (CIC) und dem ventralen medialen Kniehöcker des Thalamus (MGV) beeinflusst werden. Mäuse wurden unter Narkose für 3 Stunden einem breitbandigen weißen Rauschen (5-20 kHz) hoher (115dB SPL) und moderater (90dB SPL) Intensität exponiert. Nicht exponierte Mäuse wurden als Kontrollen (Ctrl) verwendet. 1 Tag (115dB: n=8; 90dB: n=8; Ctrl: n=7), 7 Tage (115dB: n=8; 90dB: n=8; Ctrl: n=8), 56 Tage (115dB: n=8; 90dB: n=8; Ctrl: n=8) und 84 Tage (115dB: n=8; 90dB: n=8; Ctrl: n=8) nach Lärmexposition wurden jeweils Gruppen von Mäusen mittels Magnetresonanztomographie-Verfahren (MRT) untersucht. Auditorische Hirnstammantworten (ABR) wurden bei verschiedenen Frequenzen (4, 6, 18 und 32 kHz) aufgezeichnet, um die Hörschwellen 1 Woche vor der Lärmexposition (pre-ABR) und vor den entsprechenden MRT-Messungen (post-ABR) zu untersuchen. Fluoreszenz-Immunhistochemie (FIHC) gegen NeuN und DAPI wurde verwendet, um neuronale und nichtneuronale Zellkerne zu markieren. Die gesamte Neuronen- und Zelldichte wurde durch automatisierte Zellzählung ermittelt. FIHC gegen Neurofilament (SMI312) und glutamaterge (VGLUT1 und VGLUT2) und GABAerge (VGAT) vesikuläre Transportermarker wurden verwendet. Anschließend wurde die mittlere Fluoreszenzintensität quantifiziert, um die Neurokonnektivität und Ungleichgewichte in der Neurotransmission zu untersuchen. Die Hörschwellenverschiebungen waren bei allen getesteten Frequenzen und untersuchten Zeitpunkten zwischen den 115 dB- und den 90 dB- sowie Ctrl-Gruppen signifikant erhöht (p<0,001), während zwischen den 90dB- und Ctrl-Gruppen keine Veränderungen beobachtet wurden (p>0,05). 1d nach der Lärmexposition wurden signifikante Erhöhungen der Neurofilament-Dichte im CIC bei 115dB-exponierten Mäusen im Vergleich zu den Ctrl-Gruppen beobachtet, aber es wurden keine signifikanten Veränderungen zwischen den 115dB- und 90dB-Gruppen festgestellt. Signifikante Unterschiede in der 115dB-Gruppe im Vergleich zu den 90dB- und Ctrl-Gruppen wurden im MGV gefunden. Dennoch wurden zu späteren Zeitpunkten nach der Lärmbelastung (7d, 56d und 84d) keine signifikanten Unterschiede in der Neurofilament-Dichte zwischen den einzelnen Versuchsgruppen festgestellt. Darüber hinaus wurden zu keinem Zeitpunkt nach der Lärmexposition signifikante Veränderungen in der Neuronen- und Zelldichte und/oder der Expression von VGLUT1, VGLUT2 und VGAT gefunden. Daher konnten Erhöhungen der Neurofilament-Dichte nicht mit Zellverlusten oder glutamatergen und GABAergen Ungleichgewichten korreliert werden. Die vorliegenden Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis und Diagnose komplexer psychoakustischer Phänomene bei, denen NIHL-indurierten ZNS-Pathophysiologien zu Grunde liegen. Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und ist beim Open Science Framework (osf.io) vorregistriert.