Interplay of enriched housing and brevican/neurocan deficiency in modulating brain structure and cognition in aged mice

Abstract

The brain hyaluronan-based extracellular matrix (ECM) is associated with many neuronal processes that affect cognitive function. One major constituent of the ECM are chondroitin sulfate proteoglycans among which neurocan and brevican are of particular interest, as both are involved in processes of neuronal plasticity, they are expressed differently during neurodevelopment and maturation and both are increasingly expressed in hippocampal synaptosomes of aging mice. Although neurocan peak expression is during late embryonal development and early postnatal life, its upregulation in adult brevican knockout mice suggests that it is able to partially compensate the lack of brevican. Both components are important constituents of condensed as well as diffuse ECM and can be found in perineuronal nets and in the perisynaptic and perinodal ECM. As part of these structures, they are involved in processes of diffusion, neuroprotection and neuroplasticity. Brain aging goes along with an increase of oxidative damage, molecular waste accumulation, increase in inflammation, decline in neuroplasticity and loss of grey matter. This decline in cellular functionality leads to deficits in cognitive abilities. The cognitive decline also goes along with age-related changes to the ECM. An enriched environment can ameliorate cognitive aging. Especially exercise is shown to have beneficial effects. On the cellular level, these effects are manifested, among others, in an increase in neurogenesis and neuroplasticity. Possibly those effects could be mediated by changes of the brain ECM, as environment and exercise have been shown to affect ECM composition. This project aims to elucidate the role of brevican and neurocan in the brain of aged mice and to shed light on their contribution to aging-related modulation of the ECM, brain structure and cognitive abilities. Another aim was to explore, if the effects of enriched environment on cognitive abilities could be mediated via the ECM. Brevican/neurocan double knockout and wildtype mice were reared their whole life in cages containing a running wheel and mild sensory enrichment. Mice reared in standard environment were used as control. After approximately 20 months, aged mice were submitted to cognitive tasks, to test their spatial and fear learning capabilities and cognitive flexibility. For analysis of the ECM composition and brain structure, the brains were analyzed using immunohistochemistry, immunoblots and proteomics. Brain anatomy was furthermore assessed via magnetic resonance imaging. Indeed, the deficiency of brevican and neurocan affects the ECM composition during aging, as aggrecan and HAPLN1 show a double knockout specific increase in aged, respectively young mice. In addition, more ECM components and interaction partners were found affected by the lack of both lecticans in a proteome analysis of aged mice. Proteomics and immunohistochemical analysis revealed a reduced inflammatory load in aged double knockout mice, compared to wildtype. Furthermore, double knockout mice display a decrease in volumes of cortex and hippocampus that can be partly rescued in aged mice by voluntary exercise, hinting towards a complex interaction of ECM composition and rearing environment throughout the lifespan. The hippocampus of brevican/neurocan deficient mice was characterized by a dysplasia of the pyramidal cell layer of the CA1 region. Despite this dysplasia, the mice show normal spatial learning. Deficiencies in trace fear learning could still hint towards a deficit in CA1 function, although more experiments are needed to confirm this correlation. Generally, double knockout of brevican and neurocan lead to better cognitive flexibility. However, enriched rearing impeded this effect. So, while brevican/neurocan deficiency can have pro-cognitive effects in aged mice, environmental factors modulate those effects on cognitive abilities. Taken together, it could be shown, that brevican and neurocan play a vital part for brain anatomy and that this relation is also linked to environmental factors such as exercise. The role of brevican and neurocan in cognition of aged mice is multifaceted and depend on the cognitive task, possibly as different brain areas are differently affected by the knockout.

Die auf Hyaluronan basierende extrazelluläre Matrix (EZM) des Gehirns wird mit vielen neuronalen Prozessen in Verbindung gebracht, die kognitive Fähigkeiten beeinflussen. Ein Hauptbestandteil der EZM sind Chondroitinsulfat-Proteoglykane, von denen Neurocan und Brevican von besonderem Interesse sind, da beide in Prozessen der neuronalen Plastizität involviert sind, sie während der neuronalen Entwicklung unterschiedlich exprimiert werden und beide in Synaptosomen aus dem Hippocampus alternder Mäuse verstärkt exprimiert werden. Neurocan wird während der späten Embryonalentwicklung und direkt nach der Geburt am stärksten exprimiert, eine erhöhte Expression in erwachsenen Brevican-Knockout-Mäusen deutet aber darauf hin, dass Neurocan das Fehlen von Brevican kompensieren kann. Beide Komponenten sind wichtige Bestandteile sowohl der diffusen, als auch der kondensierten EZM und sind unter anderem in perineuronalen Netzen sowie in der perisynaptischen und perinodalen EZM zu finden. Als Teil dieser Strukturen sind sie an Prozessen der Diffusion, Neuroprotektion und Neuroplastizität beteiligt. Die Alterung des Gehirns geht mit einer Zunahme an oxidativen Schäden, entzündlichen Prozessen, Anhäufung von molekularem Abfall, einer Abnahme der Neuroplastizität und Verlust grauer Substanz einher. Dieser Rückgang der zellulären Funktionalität führt zu Defiziten in kognitiven Fähigkeiten. Kognitive Einbußen gehen auch mit altersbedingten Veränderungen der ECM einher. Eine angereicherte Umwelt kann den kognitiven Verfall abmildern. Insbesondere Sport und mehr Bewegung haben nachweislich positive Auswirkungen. Auf zellulärer Ebene äußert sich dies unter anderem durch eine Zunahme der Neurogenese und Neuroplastizität. Möglicherweise werden positive Effekte auch durch Veränderungen der EZM im Gehirn vermittelt, denn die Umwelt und körperliche Bewegung haben nachweislich auch einen Effekt auf die Zusammensetzung der EZM. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Beteiligung von Brevican und Neurocan an altersbedingter Modulation der EZM, an Veränderungen der Gehirnstruktur und kognitiven Fähigkeiten im Gehirn alter Mäuse zu untersuchen. Ein weiteres Ziel war es zu ermitteln, ob die Auswirkungen einer angereicherten Umwelt auf kognitive Fähigkeiten durch die EZM-Zusammensetzung moduliert werden können. Mäuse mit Brevican/Neurocan-Doppelknockout und Wildtyp-Mäuse wurden lebenslang in Käfigen mit Laufrad und sensorisch angereicherter Umwelt aufgezogen. Mäuse, die in Käfigen mit Standardausstattung aufgezogen wurden, dienten als Kontrolle. Nach etwa 20 Monaten wurde räumliches Lernen, Angstlernen sowie die kognitive Flexibilität der Mäuse getestet. Um die EZM-Zusammensetzung und die Gehirnstruktur zu untersuchen, wurden die Gehirne mittels Immunhistochemie, Immunoblots und Proteomanalyse untersucht. Die Anatomie des Gehirns wurde darüber hinaus mittels Magnetresonanztomographie analysiert. Das Fehlen von Brevican und Neurocan wirkt sich auf die EZM-Zusammensetzung während des Alterns aus. Aggrecan und HAPLN1 wiesen in alten bzw. bereits in jungen knockout Mäusen einen Anstieg auf. Auch andere EZM-Komponenten und Interaktionspartner sind durch das Fehlen beider Lecticane beeinträchtigt, wie sich in der Proteomanalyse alter Mäuse zeigte. Analyse des Proteoms und Immunhistochemie zeigten außerdem eine Verringerung der Entzündung im Gehirn von alten Doppelknockout-Mäusen im Vergleich zu Wildtyp-Tieren. Darüber hinaus zeigen Doppelknockout-Mäuse ein geringeres Volumen im Kortex und Hippocampus. Hierbei spielte die Interaktion zwischen Alter und Umwelt eine Rolle, was auf eine komplexe Interaktion zwischen EZM-Zusammensetzung und Umwelt während der gesamten Lebensspanne hindeutet. Der Hippocampus von Mäusen mit Brevican/Neurocan-Defizienz wies eine Dysplasie in der Pyramidenzellschicht der CA1-Region auf. Trotz dieser Dysplasie zeigten die Mäuse normales räumliches Lernen. Defizite beim Angstlernen in einem Paradigma mit zeitlicher Assoziation könnten allerdings auf ein Defizit in der CA1-Funktion hindeuten. Es sind aber weitere Experimente erforderlich, um diesen Zusammenhang zu bestätigen. Im Allgemeinen führte der Doppelknockout von Brevican und Neurocan zu einer besseren kognitiven Flexibilität. Diese Wirkung wurde jedoch durch eine angereicherte Umwelt beeinträchtigt. Während also eine Reduktion von Brevican und Neurocan positive Auswirkungen auf die kognitiven Fähigkeiten haben kann, besteht eine Interaktion zwischen Umwelt und EZM-Zusammensetzung, die sich auf die kognitiven Fähigkeiten auswirkt. Zusammengenommen konnte gezeigt werden, dass Brevican und Neurocan für den Aufbau des Gehirns eine wichtige Stellung einnehmen und dass diese Rolle auch mit Umweltfaktoren und Bewegung zusammenhängt. Die Rolle von Brevican und Neurocan bei der Kognition gealterter Mäuse ist komplex und hängt von der kognitiven Aufgabe ab, möglicherweise, weil verschiedene Hirnareale durch den Knockout unterschiedlich betroffen sind.