Role of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) variants in amygdala-dependent fear memory and extinction learning in mice

Abstract

Dysfunctions in fear learning are supposed to be one of the major causes for the development of several anxiety disorders, like post-traumatic stress disorder (PTSD). Thus understanding the underlying neuronal mechanisms and circuitries involved in fear learning might lead to novel treatment strategies for anxiety disorders. Fear memory can be quantitatively investigated by using a fear conditioning paradigm. A wide range of research studies demonstrated that the amygdala plays a vital role in fear memory formation as well as the extinction of fear memories. Neurotrophic factors especially mature brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and its precursor proBDNF are important mediators for synaptic plasticity and memory formation, acting via activation of TrkB (tropomyosin-related kinase B) and p75 neurotrophin receptors (p75NTR). Several recent studies demonstrated an important role of BDNF-TrkB signaling in the basolateral amygdala (BLA) in regulating fear learning and memory extinction. However, no studies investigated the role of proBDNF-p75NTR in BLA in mediating the extinction of cued-fear extinction memory. For the first time, we attempted to block proBDNF-p75NTR signaling in the BLA by using TAT-Pep5, an antagonist of proBDNF- p75NTR signaling, and examined the effects of blocking proBDNF-p75NTR signaling on the extinction of fear memory. Infusion of TAT-Pep5 either 20 min before or immediately after extinction training impaired the acquisition of cued-fear extinction and consolidation of extinction memory. This shows that extinction memory formation requires proBDNF-p75NTR signaling in the BLA. Infusion of TAT-Pep5 20 min before fear acquisition did not affect fear memory, indicating that fear memory formation does not require proBDNF-p75NTR signaling in the BLA. Additionally, blocking the proteolysis of proBDNF by infusion of alpha2-antiplasmin (α2AP) 20 min before insufficient extinction training enhanced the acquisition of extinction memory. However, the Infusion of α2AP immediately after such insufficient extinction training did not yield successful extinction memory. To confirm the involvement of BDNF in extinction memory consolidation, we performed further experiments. Infusion of TrkB-Fc, a BDNF scavenger, locally into BLA immediately after the extinction training impaired the consolidation of extinction memory. This indicates that extinction memory consolidation requires BDNF-TrkB signaling. Further, infusion of TrkB-Fc, locally into BLA 30 min after the fear training impaired the early consolidation of fear memory as measured during the memory test. In conclusion, the processing of proBDNF, as well as proBDNF-p75NTR and BDNF-TrkB signaling in BLA play major roles in regulating the extinction of cued fear memories. However, cued-fear memory formation relies on BDNF-TrkB signaling but not on proBDNF-p75NTR signaling.

Störungen des Furchtlernens werden als eine der Hauptursachen für die Entwicklung verschiedener Angststörungen, wie den posttraumatischen Belastungsstörungen (PTBS), angesehen. Das Verständnis der zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen und Schaltkreise, die am Furchtlernen beteiligt sind, könnte daher zu neuen Behandlungsstrategien für Angststörungen führen. Das Furchtgedächtnis kann mit Hilfe eines Paradigmas zur Furchtkonditionierung quantitativ untersucht werden. Zahlreiche Forschungsstudien haben gezeigt, dass die Amygdala eine entscheidende Rolle bei der Bildung und Extinktion des Furchtgedächtnisses spielt. Neurotrophe Faktoren, insbesondere matures BDNF (Brain-Derived Neurotrophic Factor) und dessen Vorläufer proBDNF, sind wichtige Vermittler für die synaptische Plastizität sowie die Gedächtnisbildung und wirken über die Aktivierung von TrkB-Rezeptoren (Tropomyosin-Related Kinase B) und p75-Neurotrophinrezeptoren (p75NTR). Mehrere neuere Studien haben auch eine wichtige Rolle von BDNF-TrkB-Signalweg in der basolateralen Amygdala (BLA) bei der Regulierung des Furchtlernens und der Gedächtnislöschung gezeigt. Es wurden bislang jedoch keine Studien durchgeführt, die die Rolle des proBDNF-p75NTR- Signalwegs in der BLA bei der Extinktion des Furchtgedächtnisses untersuchten. Daher haben wir den proBDNF-p75NTR-Signalweg in der BLA blockiert, indem wir TAT-Pep5, einen Antagonisten für diesen Signalweg, zu verschiedenen Zeitpunkten vor oder nach dem Extinktionslernen lokal in die BLA appliziert haben. Die Infusion von TAT-Pep5 20 Minuten vor, oder unmittelbar nach dem Extinktionstraining beeinträchtigte die Akquisition, bzw. die Konsolidierung des Extinktionsgedächtnisses. Dies zeigt, dass die Bildung des Extinktionsgedächtnisses eine proBDNF-p75NTR-Signalgebung in der BLA erfordert. Darüber hinaus hatte die lokale Infusion von TAT-Pep5 20 Minuten vor dem Auslösen des Furcht-Lernens keine Auswirkungen auf die Ausbildung des Furchtgedächtnises, was darauf hindeutet, dass die Bildung des Furchtgedächtnisses nicht die proBDNF-p75NTR- Signalgebung erfordert. Die Blockierung der Proteolyse von proBDNF in der BLA durch die lokale Infusion von alpha2-Antiplasmin (α2AP) 20 Minuten vor einem partiellen, d.h. unvollständigen, Extinktionstraining konnte den Erwerb des Extinktionsgedächtnisses verbessern. Die Infusion von α2AP unmittelbar nach dem partiellen Extinktionstraining führte jedoch nicht zu einer Verbesserung des Extinktionsgedächtnisses. Um die Beteiligung von BDNF an der Konsolidierung des Extinktionsgedächtnisses zu bestätigen, führten wir weitere Experimente durch. Die Infusion von TrkB-Fc, einem „BDNF-Fänger“, in die BLA unmittelbar nach dem Extinktionstraining beeinträchtigte die Konsolidierung des Extinktionsgedächtnisses. Dies deutet darauf hin, dass die Konsolidierung des Extinktionsgedächtnisses einen intakten BDNF-TrkB-Signalweg erfordert. Des Weiteren beeinträchtigte die lokale Infusion von TrkB-Fc in die BLA 30 Minuten nach dem Furchttraining die frühe Konsolidierung des Furchtgedächtnisses. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die proBDNF-p75NTR- und BDNF-TrkB-Signalgebung in der BLA wichtige Rollen bei der Ausbildung des Extinktionsgedächtnisses spielen. Die Bildung des Furchtgedächtnisses hängt jedoch vom BDNF-TrkB-, nicht aber vom proBDNF-p75NTR-Signalweg ab.