title: Establishing a model to functionally target dopaminergic neurons and astrocytes in the mouse hypothalamus
Creators: name: Cubera, Annalena
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Der Hypothalamus reguliert einige der grundlegendsten physiologischen Bedürfnisse wie beispielsweise Schlaf, Fortpflanzung oder Nahrungsaufnahme. Er beinhaltet die höchste Diversität an Neuronen im ganzen Gehirn. Verschiedene neuronale Untergruppen, welche Neurotransmitter,- peptide und Hormone produzieren, sind unentbehrlich um diese funktionale Spezifität zu erreichen. Betrachtet man die strukturelle Organisation, fällt auf dass diese neuronalen Untergruppen eine Vielzahl an Nuclei formen, welche sowohl von anderen Hirnregionen innerviert werden als auch axonale Projektionen zu selbigen bilden. Tatsächlich scheinen aber nicht nur Neuronen eine wichtige Rolle in diesem komplexen Netzwerk zu spielen: Denn auch Astrocyten tragen maßgeblich zum Erhalt von wichtigen intra- und extrahypothalamischen Prozessen bei. Innerhalb der letzten Jahre gewannen Forschende eine Vielzahl an Erkenntnissen hinzu, um dieses Zusammenspiel verschiedener Zellen innerhalb des Hypothalamus mit den ihren zugrundeliegenden funktionellen Mechanismen mit physiologischen oder verhaltensbiologischen Reaktionen in Kontext zu setzen. Jedoch sind viele der Prozesse, welche im Hypothalamus ablaufen, noch nicht aufgeklärt sondern müssen noch erforscht werden. Das Ziel dieser Arbeit war, ein effizientes Model für die chemogenetische Manipulation von spezifischen Neuronengruppen und Astrocyten in hypothalamischen Nuclei und deren extrahypothalamischen Projektionszielen zu entwickeln. Dafür habe ich transgene Mauslinien, welche Flp- oder Cre- Recombinasen unter spezifischen Promotern exprimieren, mit adeno- assoziierten Viren injiziert. Diese Viren fungieren als Vektor für DREADDs, mithilfe dieser Neuronen im periventrikulären Nucleus und Astrocyten im ventromedialen Nucleus gezielt manipuliert werden sollten. Mithilfe von immunohistochemischer Analysemethoden konnte ich dann die erfolgreiche Infektion und Aktivierung dieser Zellen überprüfen. Letztendlich konnte ich eine effiziente Methode entwickeln um Zielzellgruppen zu manipulieren, welche für weitere Forschungen benutzt werden kann um die Verbindung zwischen Prozessen auf der molekularen Ebene und den daraus resultierenden physiologischen oder verhaltensbiologischen Reaktionen herzustellen. Des weiteren konnte ich zeigen, dass dopaminerge Zellen der A12 und A14 Gruppe mithilfe eines Flp- Rekombinase- basierendem Ansatz aktiviert werden können. Außerdem konnte ich zeigen, dass die chemogenetische Stimulation von dopaminergen A14 Zellen in der Maus nicht nur zu vermehrter Bewegung führt, sondern auch die Nahrungsaufnahme verringert. Die Aktivierung der Projektionsziele dieser Zellen, welche Somatostatin- positiv und im lateralen Septum zu finden sind, hat auch zu einem Anstieg im Bewegungsverhalten geführt. Des weiteren konnte ich zeigen, dass die Exprimierung der DREADDs zur Manipulation von Astrocyten effizienter ist, wenn ein Rekombinase- unabhängiger Ansatz genutzt wird. Mit dieser Strategie war es möglich, sowohl aktivierende als auch inaktivierende Konstrukte in der Zelle zu exprimieren. Mithilfe dieser Konstrukte konnte ich dann gezielt Astrocyten im ventromedialen Hypothalamus manipulieren. Zusätzlich konnte ich auch bei Zellen im Nucleus Arcuatus und im Ependym neben dem dritten Ventrikel ein Aktivierungsmuster beobachten, das mit der Virusinjektion zusammenzuhängen scheint. Dies legt nahe, dass diese Methode zukünftig weitreichend genutzt werden kann um verschiedenste Zelltypen zu erreichen, beispielsweise Tanycyten oder andere Zellen des Ependyms.
description: The hypothalamus regulates some of the most basic physiological needs such as sleep, reproduction or food intake. It was found to contain the highest diversity of neurons in the brain. In fact, several neuronal subtypes producing neurotransmitters, -peptides and hormones contribute crucially to the achievement of functional specificity. Regarding structural organization, these neuronal subgroups form a number of hypothalamic nuclei that receive innervation from and also project to distinct areas in the brain. However, it seems that not only neurons play a role in this complex network: In fact, the contribution of astroglia is crucial for the maintenance of important processes regulated in the hypothalamus and also other brain regions. In the past years, researchers revealed a solid amount of knowledge regarding the complex interplay of various cells in the hypothalamus with the goal to link their underlying functional mechanisms to physiological or behavioural outcomes in an individual. However, a lot of processes involving the hypothalamus still remain unknown and require further investigation. The goal of this thesis was to establish an efficient model to chemogenetically manipulate specific neuronal groups and astrocytes in hypothalamic nuclei and their extrahypothalamic projection sites. For this, I used transgenic mice expressing Flp- and Cre- recombinase under specific promoters infected with AAV- dependent viruses encoding DREADDs to target neurons in the periventricular nucleus and astrocytes in the ventromedial hypothalamus, respectively. I used immunohistochemical analysis to reveal successful infection and activation of targeted cells. All in all, I managed to develop an efficient method to manipulate target cell groups which can be used for further research to reveal connections between processes on the molecular level and the resulting physiological or behavioural outcome. I successfully showed that dopaminergic A14 and A12 cells can be activated using a Flp- dependent approach. I additionally discovered that chemogenetic stimulation of dopaminergic A14 cells not only leads to increased locomotion, but also decreases food consumption in mice. Stimulation of their projection targets, which are Somatostatin-cells in the lateral septum, also resulted in increased animal mobility. Regarding astrocyte manipulation, I found that DREADD expression was way more efficient when a recombinase- independent approach was used. With this strategy, it was possible to deliver both activating and inhibiting constructs which in turn were used to successfully manipulate cells in the ventromedial hypothalamus. In addition to that, cells in the arcuate nucleus and in the ependymal layer next to the third ventricle also showed an activation pattern that was connected to the virus injection, suggesting that this approach can be broadly used to affect various forms of cells, e.g. tanycytes or other ependymal cells.