LONG-LASTING BEHAVIOURAL AND MOLECULAR ALTERATIONS FOLLOWING STRESS EXPOSURE DURING ADOLESCENCE IN RATS: IMPLICATIONS FOR PSYCHIATRIC DISORDERS

The exposure to adverse events early in life is associated with long-lasting neurochemical, structural and behavioural changes that may enhance the vulnerability to mental disorders, such as major depression. Our laboratory, among others, has been investigating the reprogramming effects of stress on the developing brain, showing that exposure to stress during gestation leads to anxiety- and depressive-like disturbances and reduces the ability to cope with a later stressful situation (Fumagalli et al., 2004; Luoni et al., 2014; Roceri et al., 2004; Roceri et al., 2002; van der Doelen et al., 2014). In the present study, we investigated the effects of stress exposure during adolescence, a sensitive period of structural and behavioural reorganization (Spear, 2000). Given the importance of social play for the right maturation of behaviour during adolescence, we used the paradigm of social isolation based on deprivation of all social contacts (Burke et al., 2017). The purpose of this study was to evaluate the long-lasting effects of stress exposure during adolescence on neuronal plasticity as well as on the functional activity and responsiveness of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis, which are known to be defective in several psychiatric disorders (Burke et al., 2005; Calabrese et al., 2009). In order to do this, we compared control group-housed animals with rats that were exposed to isolation rearing for four weeks after weaning, followed by re-socialization until adulthood. We found that the exposure to social isolation during a specific time window of adolescence induced an anhedonic phenotype in males and females, without producing any significant effect in cognitive function, as measured by the novel object recognition test. At molecular level, these functional changes were associated with an impairment in the expression of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and in the BDNF/TrkB mediated phospholipase C- (PLC) signalling, primarily within the prefrontal cortex. Since exposure to adverse events early in life may change the susceptibility toward subsequent stressors at adulthood (Fumagalli et al., 2004; Grissom and Bhatnagar, 2009; McEwen, 2003; Roceri et al., 2004; Roceri et al., 2002), we also tested whether exposure to stress during adolescence may alter the ability to cope with an acute immobilization stress. We found that social deprivation did not impair the responsiveness of activity-induced genes as well as the expression and phosphorylation of selected glutamatergic receptor subunits in the prefrontal cortex and hippocampus. Moreover, while social deprivation during adolescence did not alter the responsiveness of the HPA axis, as measured by circulating corticosterone levels following the acute challenge, the analyses on glucocorticoid receptor-related genes revealed that the exposure to social isolation during adolescence produced a different modulation of key genes involved in the negative feedback of HPA, particularly within the prefrontal cortex and dorsal hippocampus. In summary, our results demonstrated that exposure to social isolation during adolescence produced a depressive like phenotype, associated with impairments in the neuroplastic marker BNDF and PLC related signalling as well as in stress response related genes. Moreover, our data suggested that there were anatomically-selective changes associated with the enduring effects of social isolation as well as some degree of gender specificity. We believe that a better understanding of the molecular mechanisms associated with long-term alterations following stress exposure during adolescence may guide future research efforts toward the identification of novel strategies for therapeutic intervention.

L’esposizione ad eventi avversi nelle prime fasi della vita è associata all’instaurarsi di alterazioni a lungo termine a livello neurochimico, strutturale e comportamentale che possono aumentare la vulnerabilità dell’individuo a sviluppare malattie mentali come la depressione maggiore. La maggior parte della ricerca si è focalizzata sugli effetti dello stress a livello prenatale e perinatale grazie a consolidati paradigmi sperimentali preclinici. Questi studi hanno mostrato che l’esposizione a eventi traumatici durante la gestazione porta allo sviluppo di fenotipi simil-ansiosi e simil-depressivi ed è in grado di ridurre l’abilità di affrontare successive situazioni avverse nel corso della vita (Fumagalli et al., 2004; Luoni et al., 2014; Roceri et al., 2004; Roceri et al., 2002; van der Doelen et al., 2014). In questo studio abbiamo investigato gli effetti dello stress durante l’adolescenza, un periodo di riorganizzazione strutturale e comportamentale particolarmente delicato (Spear, 2000). Considerata l’importanza delle interazioni sociali per un corretto sviluppo emotivo-comportamentale durante l’adolescenza, abbiamo utilizzato un consolidato paradigma sperimentale di stress durante l’adolescenza che si basa sulla deprivazione di qualsiasi contatto sociale (Burke et al., 2017). Lo scopo di questo studio è stato quello di investigare gli effetti a lungo termine di una esposizione a stress durante l’adolescenza sui meccanismi di plasticità sinaptica e di risposta allo stress dell’asse ipotalamo-ipofisi-surrene (HPA), alterati in molte patologie psichiatriche (Burke et al., 2005; Calabrese et al., 2009). Quindi, gli effetti dello stress sono stati valutati confrontando animali controllo alloggiati in gruppo con animali esposti al paradigma di isolamento sociale per quattro settimane, seguito da un periodo di risocializzazione fino all’età adulta. Dal punto di vista comportamentale, abbiamo osservato che l’esposizione ad una condizione di deprivazione sociale durante l’adolescenza ha indotto lo sviluppo di un fenotipo anedonico sia in maschi che in femmine, senza però alterare la funzione cognitiva nell’età adulta, come evidenziato dal test di riconoscimento dell’oggetto. A livello molecolare invece, soprattutto per quanto riguarda la corteccia prefrontale, abbiamo osservato disfunzioni nell’espressione del fattore neurotrofico BDNF e nel signaling della fosfolipasi C- (PLC). Considerato che l’esposizione a eventi avversi nelle prime fasi della vita può determinare una alterata risposta a successivi eventi stressanti nel corso della vita (Fumagalli et al., 2004; Grissom and Bhatnagar, 2009; McEwen, 2003; Roceri et al., 2004; Roceri et al., 2002), abbiamo inoltre valutato se l’esposizione all’isolamento sociale durante l’adolescenza possa alterare l’abilità di affrontare uno stress acuto da immobilizzazione in età adulta. Abbiamo osservato che l’isolamento sociale non ha influenzato la responsività di geni precoci così come l’espressione e la fosforilazione di alcune subunità dei recettori glutamatergici sia a livello della corteccia prefrontale che dell’ippocampo. Inoltre, mentre l’isolamento durante l’adolescenza non ha alterato la responsività dell’asse HPA, come evidenziato dalle concentrazioni di corticosterone circolante in seguito allo stress acuto, l’analisi di geni legati al recettore dei glucocorticoidi ha evidenziato che l’isolamento sociale durante l’adolescenza ha prodotto una differente modulazione di geni chiave coinvolti nel feedback negativo dell’asse HPA, soprattutto a livello della corteccia prefrontale e dell’ippocampo dorsale. In conclusione i nostri risultati hanno dimostrato che l’esposizione all’isolamento sociale durante l’adolescenza determina lo sviluppo di un fenotipo simil-depressivo, associato a disfunzioni del marcatore neurotrofico BDNF e del signaling della PLC così come di geni coinvolti nella risposta allo stress. Inoltre i nostri dati hanno mostrato che le alterazioni molecolari indotte dallo stress a lungo termine presentano un certo grado di specificità anatomica e di genere. Ulteriori studi volti a identificare i meccanismi molecolari associati ad alterazioni a lungo termine indotte dall’esposizione a stress durante l’adolescenza potranno guidare la ricerca di nuove strategie terapeutiche.