Molecular and functional correlates of stress-related anxiety

Abstract

Mood disorders, including anxiety or depression, are one of the most prevalent disorders in the modern society. Underlying the etiology of these disorders is, among other factors, a chronic exposure to stress. Stress can be defined as a challenge to the organism’s homeostasis that prepares the organism to a “fight or flight” situation. However, when the stressor is too intense or too prolonged in time, there is a maladaptation of the organism that is associated with a series of morphological and molecular alterations in the central nervous system. Among the brain areas associated with the response of the organism to stressful stimuli, the bed nucleus of the stria terminalis (BNST) is one of the most important for stress-related anxiety. The BNST plays a critical role in the integration and modulation of other limbic inputs; namely from the Infralimbic Cortex (ILCx), Medial and Central Amygdala (CeA) or hippocampus; and in turn it sends projections to the paraventricular nucleus of the hypothalamus, a key region in the activation of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis that leads to the activation of the hormonal response to stress. Additionally, the BNST has a critical role in activation of stressrelated behaviors and is particularly associated with the development of stress-related anxiety. Previous work from our lab has shown that when rats are presented with a stress-model of anxiety (CUS: chronic unpredictable stress), the BNST of these animals suffers a series of morphological alterations. In the present work we further characterized the alterations induced by CUS in the BNST, particularly at the molecular and electrophysiological level. We have shown that stress induces alterations in several neurotransmitter systems important for the stress response: decrease of the corticotrophin-releasing factor receptor 1 (CRFR1) while increasing the mRNA levels of receptors for glutamate (NR2B), GABA (GABAA receptor) and corticotrophinreleasing factor receptor 2 (CRFR2). At the functional level, we attempted to add new insights to how the neuronal circuit between ILCx and BNST and CeA and BNST was affected by stress exposure. We observed that stress induces a hyperactivation of neurons of the BNST by increasing the excitatory inputs from ILCx while decreasing the inhibitory inputs from CeA. Additionally, we further explored the CeA-BSNT pathway in the development of anxiety behavior by performing excitotoxic lesions in CeA in animals that were later submitted to CUS. CeA is the major extra-hypothalamic source of corticotrophin-releasing factor (CRF), a key player in the stress response and particularly in anxiety-behavior with several authors showing that the activation of CRFR1 is able to induce anxiety-like behavior. For this, we hypothesized that a lesion in CeA would lead to reduced CRF innervation in the BNST and consequently decreased anxietylike behavior. Our observations show that the lesions allowed, indeed, an attenuation of the stress-related anxiety, showing that an intact innervation between CeA and the BNST is essential for a full manifestation of anxiety associated with stress. Together, our findings allowed us to better understand the role of the BNST in the response to stress, showing that stress triggers a hyperactivation of the BNST while altering the mRNA expression of several important receptors. In particular, the decrease of CRFR1 in the BNST can be the result of increased CRF inputs arriving in the BNST from the CeA and that are essential for the manifestation of stress-related anxiety. The observation that a lesion in CeA, and putatively a decrease in CRF input into the BNST, can attenuate the development of anxiety-like behavior supports the essential role of CRF in the expression of stress-induced anxiety.

Perturbações do humor, como ansiedade e depressão, são bastante prevalentes na sociedade moderna. Na génese destas perturbações estão, entre outros fatores, uma exposição crónica ao stress. O stress pode ser definido como um desafio à homeostasia do organismo, que o prepara para uma situação de “fuga ou luta”. No entanto, quando um estímulo stressante é demasiado intenso ou demasiado prolongado no tempo, existe uma inadequada adaptação do organismo que está associada a uma série de alterações morfológicas e moleculares no sistema nervoso central. Dentro das áreas cerebrais associadas com a resposta do organismo a um estímulo stressante, o núcleo da estria terminal (do inglês: BNST) é uma das mais importantes para ansiedade relacionada com stress. O BNST tem um papel fundamental na integração e modulação de estímulos provenientes do sistema límbico: nomeadamente, do córtex infralímbico (ILCx), da amígdala central (CeA) e medial ou do hipocampo; e por sua vez envia informação para o núcleo paraventricular (PVN) do hipotálamo, uma região central na ativação do eixo hipotálamopituitária- suprarenal (HPA) que leva à ativação da resposta hormonal ao stress. Adicionalmente, o BNST tem um papel essencial na ativação de comportamentos relacionados com stress, particularmente o desenvolvimento de comportamento ansioso. Experiências anteriores do nosso laboratório mostraram que, quando os ratos são expostos com um modelo de ansiedade induzida por stress (CUS: stress crónico imprevisível), o BNST destes animais sofre uma série de alterações morfológicas. Neste trabalho, tentámos caracterizar mais pormenorizadamente as alterações induzidas por stress crónico, particularmente ao nível molecular e eletrofisiológico. Mostrámos que o stress induz alterações em diversos sistemas de neurotransmissores importantes na resposta ao stress: diminuição do recetor do fator libertador de corticotrofina do tipo 1 (CRFR1) ao mesmo tempo que aumenta os níveis do RNA mensageiro do recetor do fator libertador de corticotrofina do tipo 2 (CRFR2), de um recetor para glutamato (NR2B) e para GABA (recetores GABAA). A nível funcional, tentámos providenciar novas informações à forma como os circuitos neuronais entre o ILCx e o BNST e a CeA e o BNST são afetados por exposição a stress. Observámos que o stress induz uma hiperactivação dos neurónios do BNST uma vez que aumenta as projeções excitatórias do ILCx ao mesmo tempo que diminui as projeções inibitórias da CeA. Adicionalmente, explorámos em mais detalhe a via CeA-BNST no desenvolvimento de comportamento ansioso e para isso induzimos uma lesão excitotóxica na CeA em animais que em seguida foram submetidos a um protocolo de stress crónico. A CeA é, a seguir ao hipotálamo, a segunda maior fonte de fator libertador de corticotrofina (CRF), um componente essencial na resposta ao stress e em particular no comportamento ansioso. De facto, vários autores demonstraram que a ativação de CRFR1 por CRF é indutora de comportamento ansioso. Por isto, colocámos a hipótese de que uma lesão na CeA levaria a uma redução da inervação de CRF no BNST e consequentemente a diminuição do comportamento ansioso. As nossas observações mostraram que a lesão levou realmente a uma atenuação do comportamento ansioso associado a stress, mostrando que uma via intacta entre a CeA e o BNST é essencial para uma manifestação total deste comportamento. Em conjunto, as nossas observações permitiram-nos compreender melhor qual é o papel do BNST na resposta ao stress e mostrando que o stress induz uma hiperactivação do BNST ao mesmo tempo que altera a expressão de RNA mensageiro de vários recetores importantes. Em particular, a diminuição de CRFR1 no BNST pode ser o resultado de um aumento de CRF vindo da CeA e que é essencial na manifestação de comportamento ansioso. A observação que uma lesão na CeA e, consequentemente, uma diminuição de inervação CRF para o BNST, pode atenuar o desenvolvimento de comportamento ansioso dá suporte ao papel essencial do CRF na expressão de ansiedade induzida por stress.