Open Access

Eva Maria Valesky

• In der vorliegenden Arbeit wird die Expression der Nonapetide Oxytocin und Vasopressin im Zentralnervensystem der Ratte, Rattus rattus und des afrikanischen Graumulls, Cryptomys anselli, mit immunhistochemischen Methoden untersucht. Bei Säugetieren allgemein werden Oxytocin (OX) und Vasopressin (VP) in separaten Populationen magnozellulärer Neuronen des Hycleus supraopticus und die weitverstreuten akzessorischen magnozellulären neurosekretorischen Zellen). Über axonalen Transport gelangen die Hormone hauptsächlich in die Neurohypophyse und werden von dort in das Blutgefäßsystem ausgeschüttet. Neben allgemein bekannten peripheren Wirkungen wie beispielsweise der Uteruskontraktion (Oxytocin), der Milchejektion (Oxytocin) und der Homöostase des Wasserhaushalts (Vasopressin) werden den beiden Hormonen auch wichtige zentrale Effekte wie die Beeinflussung von Sozialverhalten, Partnerwahl, Aggression etc. zugeschrieben, wobei sie als hypothalamische Neurotransmitter fungieren. Als ein subterranes, eusoziales Säugetier zeigt der Graumull eine ungewöhnliche (eusoziale) Familienstruktur: Die Tiere leben in großen Familien, wobei ein einziges Weibchen mit seinem Partner für die gesamte Nachkommenschaft sorgt. Die Jungtiere verweilen ihr gesamtes Leben bei den Eltern, meist ohne selbst zur Reproduktion zu kommen, und kümmern sich u.a. um ihre jüngeren Geschwister. Verhaltensbiologische Analysen konnten zeigen, daß im Gegensatz zum Nacktmull (Heterocephalus glaber) bei Cryptomys anselli weder Pheromone noch dominant-aggressives Verhalten der „Königin“ zu einer sexuellen Suppression der Nachkommen führen. Parallel zum Graumull wird die Ratte als ein in der Neurobiologie und Verhaltensphysiologie gut erforschter „Standardorganismus“ immunhistochemisch untersucht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich zuerst mit der Frage, ob und inwieweit bei Ratten und Graumullen die jeweilige soziale Organisation mit dem Muster der Transmitterexpression von Oxytocin und Vasopressin korreliert. Desweiteren ist von besonderem Interesse, ob sich die einzelnen Angehörigen der Graumull-Familien mit ihrem jeweiligen individuellen sozialen Status auch bezüglich der Verteilung und Quantität der beiden Transmitter unterscheiden. Auf dieser Grundlage wurden insgesamt vierzehn Graumulle und vier Ratten auf die Oxytocin- und Vasopressin-Expression im Zentralnervensystem hin untersucht. Die vorgestellten immunhistochemischen Befunde an der Ratte und am Graumull entsprechen prinzipiell der in der Literatur beschriebenen Expression von Oxytocin und Vasopressin im Nucleus paraventricularis hypothalami, im Nucleus supraopticus sowie in den weit verbreiteten akzessorischen magnozellulären neurosekretorischen Neuronen im Hypothalamus anderer Säugetiere. Bei Cryptomys ergab weder die qualitative noch die quantitative intraspezifische Analyse der immunreaktiven OX- und VP- Neuronen signifikante Unterschiede zwischen Individuen unterschiedlicher sozialer Stellung. Dagegen weist der Graumull im Vergleich mit der Ratte und anderen daraufhin bearbeiteten Säugern bisher nicht bekannte qualitative Unterschiede im oxytocinergen System auf, wobei unsere Befunde an der Ratte weitgehend mit der vorhandenen Literatur übereinstimmen: Eine magnozelluläre Neuronen-population im Corpus mamillare, welche auch in der Routinefärbung (Kresylechtviolett) erkennbar ist, zeigt bei den Graumullen eine Oxytocin-Expression, nicht aber bei den Ratten. In der Literatur ist für diese Neuronenpopulation bis dato nur die Expression von ABA beschrieben worden, nicht aber ihr oxytocinerger Charakter. Darüber hinaus ist eine bei der Ratte auffällige Gruppe akzessorischer magnozellulärer und oxytocinerger Neuronen, der Nucleus commissuralis anterior der Ratte, beim Graumull weder in der Routinefärbung noch immunhistochemisch nachweisbar. Als ein weiterer Unterschied ist die Expression von Oxytocin in der Area hypothalamica lateralis bei der Ratte sehr viel dichter als beim Graumull, ein Merkmal von potentiell qualitativem Charakter. Der interspezifische Vergleich (Ratte-Graumull) ergab also eine potentiell neue Population Oxytocin-exprimierender Neuronen für den Graumull, nicht aber für die Ratte. Es wäre denkbar, daß über diese neu entdeckte oxytocinerge, aber nicht vasopressinerge Expression/Population mamillärer Neuronen innerhalb des limbischen Systems Projektionen in den Neokortex das Sozialverhalten der Graumulle beeinflussen können. In der Zukunft gilt es zu prüfen, ob diese Neuronenpopulation mit ihrer Oxytocin-Expression auch in anderen Säugetieren inklusive anderen eusozialen Spezies vorkommt. Das Fehlen des Nucleus commissuralis anterior (CoA) beim Graumull beruht hingegen wahrscheinlich nur auf strukturellen Unterschieden zwischen den Gehirnen von Ratten und Graumullen.
• This thesis analyses the expression of oxytocin (OX) and vasopressin (VP) nonapeptide hormones in the brains of rats (Rattus rattus) and African or common mole-rats (Ansell’s mole-rat, Cryptomys anselli) using immunohistochemical methods. In mammals, generally, oxytocin and vasopressin are synthesized in different populations of magnocellular hypothalamic neurosecretory cells, the perikarya of which are located in the paraventricular nucleus, the supraoptic nucleus and the widespread accessory magnocellular neurosecretory cells. Via axonal transport these neuropeptides are mainly transferred to the posterior lobe of the pituitary where they are released into the circulatory system. Apart from more “classical” peripheral functional implications (e.g., oxytocin facilitating child delivery and maternal breastfeeding behaviour vs. vasopressin regulating blood volume and salt concentration), these peptides play an important role as hypothalamic neurotransmitters by modulating social behaviour, partner preference, aggression etc.. Common mole-rats (Cryptomys) are subterranean and eusocial and thus show an exceptional family structure. These animals live in large families, each consisting of a single breeding pair and non-reproductive offspring. The young animals remain in the parental nest for their whole life and most of them never reproduce but, among other things, take care of their younger siblings. Behavioural studies show that, in contrast to the situation in the naked mole-rat (Heterocephalus glaber), neither pheromones nor aggressive behaviour of the “queen” are responsible in African mole-rats for the sexual suppression of their offspring. In parallel to common mole-rats, the laboratory rat (Sprague-Dawley) is investigated immunohistochemically as a well-known reference animal in neurobiological and behavioural research. This thesis primarily deals with the question whether and to what extent the mode of social organisation in rats and mole-rats correlates with the expression pattern/topography of OX and VP as transmitters in hypothalamic neuron populations. Special attention is given to the comparison of individuals among different Cryptomys families and to the question whether the single members of mole-rat families with their individual social rank also differ in the distribution and quantity of the two transmitters. As a whole, we analysed brains of fourteen common mole-rats (Cryptomys anselli) and four rats (Sprague-Dawley). The results of our immunohistochemical studies, in principle, correspond with the expression of oxytocin and vasopressin in the hypothalamic paraventricular nucleus, the supraoptic nucleus, and in the widespread accessory magnocellular neurosecretory neurons throughout the hypothalamus reported in the literature on other mammals. In Cryptomys neither the qualitative nor the quantitative intraspecific analysis of immunoreactive OX and VP neurons reveal any significant differences among individuals of different social rank. Comparison between mole-rats and rats (and other mammals investigated so far), however, demonstrate qualitative differences, with our findings in the rat being largely consistent with the extant literature: A population of magnocellular neurons located in the mammillary complex which were also detected in cresyl violet, shows oxytocin expression in Cryptomys but not in rat. In the literature, these neurons are known to synthesize GABA, but their oxytocinergic character has never been demonstrated before. Moreover, one prominent group of accessory magnocellular neurons, the anterior commissural nucleus in the rat, being composed of oxytocinergic neurons, is not present in Cryptomys (neither in cresyl violet nor in OX- or VP-labelled sections). As an additional difference between the two rodent species, the lateral hypothalamic area showed a much higher concentration of oxytocinergic neurons in rat than in mole-rats, a feature of potentially qualitative significance. Interspecific comparison (Rattus, Cryptomys) thus revealed a potentially new population of oxytocin-immunoreactive neurons in the mammillary complex exclusively for Cryptomys anselli. It seems possible that this “new” oxytocinergic (but not vasopressinergic) expression/population of mammillary neurons, being part of the limbic system, are able to modulate social behaviour in Cryptomys via projections into the neocortex. Further studies will have to prove the consistency of our results in other mammals including eusocial species. The absence of the anterior commissural nucleus (CoA) in Cryptomys is probably based on mere structural differences between the brains of rats and mole-rats. The analyses presented here suggest that in eusocial mole-rats (Cryptomys anselli) neither sex, reproductive state nor the age of an animal has a significant influence on the topographical distribution and number of oxytocinergic and vasopressinergic neurons. Our results seem to confirm the hypothesis that, in Cryptomys anselli, non-reproductive family members are neither suppressed by genetic factors nor by dominant, aggressive behaviour of the reproductive female or by pheromones. Incest avoidance in eusocial common mole-rats more likely is caused by individual recognition and by he fact that family members (with the exception of the special bond between the reproductive animals) are sexually unattractive for each other. Finally, this thesis presents some reflections on the functional and clinical significance of oxytocin and vasopressin with regard to neurobiological and behavioural disorders and the problem that only with great care data and interpretations can be transferred from the animal model to the human.