Roles of neuropeptide S receptor and orexin in mouse models of anxiety disorders and trauma- and stressor-related disorders

Abstract

Fear memory generalization and social anxiety are adaptive survival mechanisms that are highly conserved across species. Fear memory generalization promotes flexible fear responses to novel situations, whereas social anxiety supports cautious behavior towards unfamiliar conspecifics in complex and constantly changing environments. However, prolonged or excessive fear/caution is maladaptive and may result in one of the anxiety disorders and trauma- and stressor-related disorders (AD-TSRD). These disorders are a tremendous social and economic burden in urgent need for further research to identify novel therapeutic targets. Many clinical and animal studies have linked the neuropeptide systems of the brain, such as neuropeptide S (NPS) and orexin, with an increased risk of developing AD-TSRD and related endophenotypes. Several studies have also implicated dysfunctions of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis to the genesis and prognosis of AD-TSRD. Therefore, understanding these cross regulations in the development of AD-TSRD-related behavioral endophenotypes, such as fear overgeneralization and dysregulation in social behavior, might be a promising strategy for novel treatments. Hence, in this thesis, I focused on understanding the complex interplay of AD-TSRD-related behavioral endophenotypes in mice with genetically altered NPS and orexin systems. Moreover, I studied how stress hormones may play a critical role in the development and progression of these endophenotypes. To this end, I designed two paradigms to induce fear memory generalization and social fear using modified fear conditioning. Both sexes of NPS receptor (NPSR)-deficient mice were tested in the paradigms for 1) the specificity and strength of the fear memory, 2) acquisition, expression, and extinction of the conditioned social fear, while orexin-deficient mice were tested only in the latter. Moreover, mice were subjected to a battery of additional behavioral paradigms (sociability test, acoustic startle response, and light-dark box) to have a comprehensive understanding of behavioral outcomes. These experiments revealed that NPS and orexin systems are associated with behavioral endophenotypes of overgeneralization and dysregulation in social behavior. Specifically, I observed the generalization of fear memories only when NPSR-deficient mice were injected with a high dose of corticosterone (CORT, 5 mg/kg), administered during the memory consolidation stage. Moreover, the generalization was expressed only after a specific incubation period. I did not observe the fear generalization in either wild-type or heterozygous animals, at low doses of CORT, or 24 hours after injection. These highly specific results point towards the importance of a synergistic role of the NPS system, high levels of CORT, and the incubation period as the main component behind the development of generalization of fear memory. Further, I observed decreased startle responses (both sexes) and significantly less body weight gains (females) only in those animals exhibiting the generalization of fear memories. Notably, this generalization of fear memory did not affect anxiety-related behavior, suggesting the specificity of the fear generalization-related endophenotypes. Concerning dysregulation in social behavior, heterozygous NPSR-deficient mice exhibited reduced sociability behavior (only females) and impaired extinction of social fear (both sexes). However, the extinction of social fear was facilitated in homozygous NPSR-deficient mice, suggesting the role of compensatory mechanisms. Moreover, only female orexin-deficient mice showed reduced sociability and preference for social novelty behavior, suggesting sex-specific impairments. However, both sexes of orexin-deficient mice showed facilitation in the acquisition and expression of conditioned social fear and impaired extinction of this fear, suggesting the importance of orexin for proper memory encoding and retrieval in social fear paradigms. In this work, considerable insights were obtained into the complex roles of the NPS and orexin systems in the regulation of AD-TSRD-related behavioral endophenotypes. Hence, this work contributes towards elucidating the mechanisms underlying the development of some of these disorders.

Die Generalisierung des Furchtgedächtnisses und soziale Angst sind adaptive Überlebensmechanismen, die über die Arten hinweg hoch konserviert sind. Die Generalisierung des Furchtgedächtnisses fördert flexible Furchtreaktionen auf neue Situationen, während soziale Angst vorsichtiges Verhalten gegenüber unbekannten Artgenossen in komplexen und sich ständig verändernden Umgebungen unterstützt. Anhaltende oder übermäßige Furcht/Vorsicht ist jedoch maladaptiv und kann zu einer der Angststörungen und Trauma- und stressorbezogenen Störungen (AD-TSRD) führen. Diese Störungen stellen eine enorme soziale und ökonomische Belastung dar und bedürfen dringend weiterer Forschung, um neue therapeutische Ziele zu identifizieren. Viele klinische und tierexperimentelle Studien haben die Neuropeptidsysteme des Gehirns, wie Neuropeptid S (NPS) und Orexin, mit einem erhöhten Risiko für die Entwicklung von AD-TSRD und verwandten Endophänotypen in Verbindung gebracht. Mehrere Studien haben auch Dysfunktionen der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse mit der Genese und Prognose von AD-TSRD assoziiert. Daher könnte das Verständnis dieser Kreuzregulationen in der Entstehung von AD-TSRD-bezogenen Verhaltensendophänotypen, wie übergeneralisierte Furcht und dysreguliertes Sozialverhalten, eine vielversprechende Strategie für neue Behandlungen sein. Daher habe ich mich in dieser Arbeit darauf konzentriert, das komplexe Zusammenspiel von AD-TSRD-bezogenen Verhaltensendophänotypen in genetisch veränderten NPS- und Orexin-Systemen zu verstehen und wie Stresshormone eine kritische Rolle bei der Entwicklung und Progression dieser Endophänotypen spielen können. Zu diesem Zweck entwarf ich zwei Paradigmen zur Induktion von Furchtgedächtnis-Generalisierung und sozialer Furcht mittels modifizierter Furchtkonditionierung. Weibliche und männliche NPS Rezeptor (NPSR)-defiziente Mäuse wurden in diesen Paradigmen auf 1) Spezifität und Stärke des Furchtgedächtnisses, 2) Erwerb, Ausprägung und Extinktion von sozialer Furcht getestet, während Orexin-defiziente Mäuse nur in letzterem getestet wurden. Außerdem wurden die Mäuse einer Reihe von zusätzlichen Verhaltensparadigmen unterzogen (Soziabilitätstest, akustische Schreckreaktion und Hell-Dunkel-Box), um ein umfassendes Verständnis der Verhaltensergebnisse zu erhalten. Diese Experimente zeigten, dass die NPS- und Orexin-Systeme mit Verhaltensendophänotypen von Übergeneralisierung und Dysregulation im sozialen (Furcht-) Verhalten assoziiert sind. Insbesondere beobachtete ich die Generalisierung des Furchtgedächtnisses nur, wenn NPSR-defizienten Mäusen eine hohe Dosis Corticosteron (CORT, 5 mg/kg) während der Phase der Gedächtniskonsolidierung verabreicht wurde. Außerdem wurde die Generalisierung nur nach einer bestimmten Inkubationszeit gezeigt. Die Furchtgeneralisierung konnte weder bei Wildtyp- noch bei heterozygoten Tieren, noch bei niedrigen CORT-Dosen oder 24 Stunden nach der Injektion beobachtet werden. Diese hochspezifischen Ergebnisse weisen auf die Bedeutung einer synergistischen Rolle des NPS-Systems, hoher CORT-Spiegel und der Inkubationszeit als Hauptbestandteil für die Entwicklung des generalisierten Furchtgedächtnisses hin. Darüber hinaus beobachtete ich verminderte Schreckreaktionen (beide Geschlechter) und signifikant geringere Körpergewichtszunahmen (Weibchen) nur bei jenen Tieren, die eine Generalisierung des Furchtgedächtnisses zeigten. Bemerkenswerterweise hatte diese Generalisierung des Furchtgedächtnisses keinen Einfluss auf angstbezogenes Verhalten, was auf die Spezifität der mit der Furchtgeneralisierung verbundenen Endophänotypen hindeutet. Heterozygote NPSR-defiziente Mäuse zeigten ein reduziertes Soziabilitätsverhalten (nur Weibchen) und eine gestörte Extinktion von sozialer Furcht (beide Geschlechter). Bei homozygoten NPSR-defizienten Mäusen war die Extinktion von sozialer Furcht jedoch verstärkt, was auf kompensatorische Mechanismen hinweist. Darüber hinaus zeigten nur weibliche Orexin-defiziente Mäuse eine reduzierte Soziabilität, was auf geschlechtsspezifische Beeinträchtigungen hindeutet. Allerdings zeigten Orexin-defiziente Mäuse beider Geschlechter eine Verstärkung beim Erwerb und der Ausprägung von sozialer Furcht, sowie eine beeinträchtigte Extinktion dieser Furcht, was auf die Bedeutung von Orexin für Gedächtniskodierung und -abruf in sozialen Furchtparadigmen hinweist. In dieser Arbeit wurden beträchtliche Einblicke in die komplexe Rolle des NPS- und Orexin-Systems bei der Regulation von AD-TSRD-bezogenen Verhaltensendophänotypen gewonnen. Sie tragen somit zur Aufklärung der Mechanismen bei, die der Entwicklung einiger dieser Störungen zugrunde liegen.