Stroke and Functional Recovery - An experimental study on environmental influence and gene expression after cortical infarcts in the rat

Abstract

Abstract Stroke is the third leading cause of death in the western world, and the number one cause of disability. 85% of all strokes are ischemic. Most stroke survivors will experience recovery of function. The mechanisms behind this improvement are partly unknown, but may involve elements of both compensation and restoration. Exposure to an enriched environment (EE) that stimulates social interaction, expanded learning abilities and spontaneous physical activity which also consists elements of training, alters behaviour and brain morphology with an increase in dendritic branching and number of synapses in intact animals. Enriched housing after a cortical infarct improves functional outcome. This thesis is based on studies of cortical infarcts in rats and demonstrates that management and housing conditions after an experimental stroke significantly alters functional outcome. To examine the influence of different environmental conditions on functional recovery and potential mediators of brain plasticity, we compared rats housed in an enriched or social environment with rats housed in isolation with or without access to a running wheel. EE or social interaction resulted in significantly higher mRNA expression of NGFI-A and NGFI-B in regions outside the infarct and this was correlated to better outcome compared to running or isolated housing. The observed differences in functional recovery were not related to changes in gene expression of BDNF. Housing animals in an EE with the opportunity to engage in various activities without specific training significantly improves functional outcome and does not increase tissue loss. However additional training initiated 24 h after MCAo resulted in an increase in infarct volume without affecting functional outcome as early trained rats housed in EE improved more than standard rats in the behavioural tests used. Stroke induces a stress reaction with an increase in glucocorticoid (GC) levels, suggested to exaggerate neuronal damage and negatively affect outcome. We found that inhibition of GCs increases tissue loss, and failed to improve outcome, a result that partly might be due to dampening of the anti-inflammatory response provided by corticosterone. In conclusion the present thesis shows that postischemic EE can influence recovery and NGFI-A gene expression that may be related to better outcome. Enriched housing supporting voluntary activities improves outcome and does not increase tissue loss after a cortical infarct. However additional training initiated 24 h after MCA occlusion can increase infarct volume without negative effects on outcome. The stress response seen after stroke may have a beneficial effect as inhibition of GSs increases tissue loss and negatively affects outcome.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Närmare 30.000 svenskar drabbas årligen av stroke (slaganfall). I ungefär 85 % av fallen är orsaken en blodpropp i ett av hjärnans kärl s.k. hjärninfarkt. En avstängning av blodflödet orsakar en snabbt insättande förlust av funktionen i det drabbade området, t.ex. halvsidig förlamning, bortfall av delar av synfältet liksom störning av olika högre hjärnfunktioner såsom minne och språkförmåga. Flertalet av de som överlever den akuta fasen efter ett slaganfall förbättras spontant månaderna efter insjuknandet. Vilka mekanismer som ligger bakom denna funktionsåterhämtning är ofullständigt kända. En bidragande orsak till den förbättring som ses är sannolikt att vi utvecklar strategier för att kompensera den förlorade funktionen. En annan möjlig återhämtningsmekanism är den omorganisation som ses i oskadad vävnaden utanför hjärninfarkten. Denna omorganisation medför att nervceller och nervbanor som normalt inte deltar i en funktion under gynsamma omständigheter kan aktiveras och till viss del ta över de funktioner som förlorats. Denna omorganisation är sannolikt ett uttryck för hjärnans plasticitet d.v.s. förmåga att förändra sig som svar på ett stimuli. Neuronal plasticitet ses under hjärnans utveckling i samband med inlärning och lagring av minnen och man tror idag att en liknande process är aktiv vid återhämtning efter en hjärnskada. Flera studier har visat att friska råttor som får vistas i en berikad miljö uppvisar tecken på ökad plasticitet i hjärnan såsom fler nervcellsutskott och synapser (kontaktpunkter mellan nervcellerna). En berikad miljö kan bestå av stora burar där 8-10 råttor vistas tillsammans med tillgång till olika leksaker och föremål såsom gungor och stegar. Avhandlingen visar att råttor som efter en hjärninfarkt får vistas i en berikad miljö, som stimulerar social interaktion och fri fysisk aktivitet, förbättras signifikant mer än de råttor som vistas i standardburar trots att nervcellsskadan är lika stor. Denna förbättring är sannolikt ett uttryck för hjärnans plasticitet, där områden utanför själva skadan till viss del tagit över den förlorade funktionen. Att erfarenhet och träning kan befrämja återhämtningen efter en hjärnskada är visat i både experimentella och kliniska studier. Vid de flesta stroke-enheter påbörjas numera den fysioterapeutiska träningen redan i akutskedet efter en hjärninfarkt. Tidig träning förebygger uppkomsten av tromboemboliska komlikationer och lunginflammation och gynnar sannolikt även den långsiktiga återhämtningen. Delarbete 2 visar att tidig fysisk träning, med start 24 timmar efter avstängning av den mellersta hjärnartären medför en ökning av infarktstorleken jämfört med standardgruppen. I en uppföljande studie med samma experimentella utformning där träningen påbörjades 3 dagar efter kärlavstängningen, noterades inte någon ökning av infarktstorleken (ännu inte publicerade data). Den funktionella återhämtningen var dock signifikant bättre hos de tidigt tränande råttorna som vistats i en berikad miljö, jämfört med de råttor som vistats i standardburar. I en berikad miljö ges djuren möjlighet till såväl fysisk aktivitet, social samvaro som ökade möjligheter till inlärning. Vilken av dessa komponenter som har störst betydelse för den observerade förbättringen efter en hjärninfarkt är oklar. I delarbete 4 och 5 undersöktes betydelsen av dessa olika komponenter avseende funktionsåterhämtning samt effekten av tänkbara faktorer som medverkar i denna återhämtningsprocess. Av de faktorer som föreslagits ha betydelse för funktionsförbättring och plasticitet efter en hjärnskada valde vi att studera tillväxtfaktorn BDNF (brain-derived neurotrophic factor), transkriptionsfaktorerna NGFI-A (nerve growth factor-induced gene A) och NGFI-B, samt uttrycket av serotonin- och glukokortikoidreceptorer i hjärnan. Vi jämförde råttor som fick vistas antingen i berikad eller ”social” miljö (stora burar utan inredning eller leksaker) med råttor som bodde ensamma i burar, med eller utan tillgång till ett hjul att springa i. Studien visar att återhämtning av funktionen var nästan lika god hos de råttor som vistades i en ”social” miljö, som hos de råttor som vistades i en berikad miljö. Råttor som bodde ensamma i små burar uppvisade en dålig funktionsåterhämtning och tillgång till ett hjul att springa i medförde inte någon förbättring. Ensamma råttor med tillgång till ett springhjul hade dessutom förstorade binjurar som tecken på kronisk stress, samt minskade nivåer av serotoninreceptorn 5-HT1A i hippocampus, 1 månad efter strokeinsjuknandet. Serotoninsignalering via 5-HT1A receptorn har visat sig nödvändig för att upprätthålla plasticitet i den vuxna hjärnan och sänkta nivåer kan därför antas vara ogynnsamt. Vi fann ingen säker korrelation mellan nivåerna av BDNF och funktionsåterhämtningen, uppmätt 1 månad efter strokeinsjuknandet. Nivåerna av NGFI-A och NGFI-B var lika höga hos råttor i ”social” miljö som hos de råttor som vistats i berikad miljö. Dessa höga nivåer var också korrelerat till en signifikant funktionsförbättring jämfört med de ensamboende råttorna som hade låga nivåer. Transkriptionsfaktorn NGFI-A har i olika studier kopplats till processer som antingen gynnar plasticitet, t.ex. långtidsminnet, eller inducerar fördröjd celldöd s.k. apoptos. Tidpunkten efter skadan har sannolikt betydelse för vilken av dessa effekter NGFI-A kommer att få. Höga nivåer i tidig fas har associerats till fördröjd celldöd medan höga nivåer i ett senare skede sannolikt är gynnsamt för plasticiteten och därmed återhämtningen. Även transkriptionsfaktorn NGFI-B har kopplats till plasticitet och till reglering av vårt stress-system. Högre nivåer av NGFI-B 1 månad efter stroke kan därför antas ha betydelse för plasticitet och funktionsåterhämtning. I samband med en hjärninfarkt sker en snabb aktivering av olika stresshormoner bl.a. glukokortikoider (kortisol hos människa och kortikosteron hos råtta). Både kliniska och experimentall studier har givit ett visst stöd för att höga halter av stresshormoner kan skada nervceller och även påverka den funktionella återhämtningen negativt. Det har därför föreslagits att blockering av stressresponsen i samband med en hjärninfarkt skulle kunna vara gynnsamt. Delarbete 1 visar att en hämning av stresshormonet kortikosteron, efter avstängning av den mellersta hjärnartären, resulterade i en ökning av infarktstorleken och utebliven förbättring av funktionen, jämfört med kontrollgruppen. Efter en hjärninfarkt ses en inflammatorisk reaktion i infarktområdet som kan bidra till nervcellsskadan. Kortikosteron har en viktig anti-inflammatorisk funktion och hämning av produktionen kan ha medfört en ökad grad av inflammation. I delarbete 3 fann vi att genaktivering och halten av tillväxtfaktorn BDNF inte helt följer varandra efter en hjärninfarkt och ytterligare studier behövs för att kartlägga betydelsen av denna observation. Slutsatserna från avhandlingen är; att vistelse i en berikad miljö efter en experimentell hjärninfarkt signifikant förbättrar funktionsåterhämtningen samt att det föreligger en god korrelation mellan funktionsutfallet och aktivering av generna NGFI-A och NGFI-B, som i andra sammanhang visat sig ha betydelse för hjärnans plasticitet. Social interaktion är en viktig komponent i den berikade miljön, medan ensidigt springande i ett hjul inte visat sig ge samma goda effekt avseende återhämtningen. Tidig träning efter stroke, med start efter 24 timmar ökar infarktstorleken medan träningsstart 3 dagar efter kärlavstängning inte medförde någon ökning av infarktstorleken. Tidigt tränade råttor som vistas i en berikad miljö uppvisar en högre grad av funktionsförbättring jämfört med råttor som vistats i standardburar. Hämning av stressresponsen efter en hjärninfarkt medför en ökning av infarktstorleken utan förbättring av funktionen. Sammanfattningsvis visar avhandlingen att utfallet efter en hjärninfarkt påverkas signifikant av omhändertagandet efter skadan. Dessa resultat kan förhoppningsvis bidra till en ökad förståelse för de neurobiologiska processer som medverkar i återhämtningen efter en hjärninfarkt med möjlig relevans i en praktisk klinisk vardag där målet är att optimera rehabiliteringen efter stroke.

• author: Risedal, Anette
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Docent Nilsson, Michael
• organization: Neurology, Lund
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurology
• keywords: Neurology, neuropsychology, cortical infarct, rat, enriched environment, functional recovery, brain-derived neurotrophic factor, inducible transcription factors, neuropsykologi, neurofysiologi, Neurologi, glucocorticoids, neurophysiology
• pages: 110 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neurocentrum
• defense date: 2004-06-04 10:15:00
• ISBN: 91-628-6116-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Risedal A, Nordborg C, Johansson BB. Infarct volume and functional outcome after pre- and postoperative administration of metyrapone, a steroid synthesis inhibitor, in focal brain ischemia in the rat. Eur J Neurol. 1999 Jul;6(4):481-486.II. Risedal A, Zeng J, Johansson BB. Early training may exacerbate brain damage after focal brain ischemia in rat. J Cereb Blood Flow Metab. 1999 Sep;19(9):997-1003III. Zhao LR, Risedal A, Wojcik A, Hejzlar J, Johansson BB. Enriched environment influences brain-derived neurotrophic factor levels in the forebrain after focal stroke. Neurosci Lett. 2001. Jun 15;305(3):169-172.IV. Risedal A, Mattsson B, Dahlqvist P, Nordborg C, Olsson T, Johansson BB. Environmental influences on functional outcome after a cortical infarct in the rat. Brain Res Bull. 2002 Jul;58(3):315-321.V. Dahlqvist P, Rönnbäck A, Risedal A, Nergårdh R, Johansson IM, Seckl JR, Johansson BB, Olsson T. Effects of postischemic environment on transcription factor and serotonin receptor expression after permanent focal cortical ischemia in rats. Neuroscience. 2003;119(3):643-652.
• id: cfb3547c-1419-4d88-b5a5-283383192301 (old id 467198)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:12:29
• date last changed: 2018-11-21 21:03:20