Differential pup-induced neuronal activation in the maternal medial preoptic area in relation to paternal social status

Bachelor thesis - University of Veterinary Medicine Vienna - 2021

In many species, offspring depend on parental care in order to survive and develop mentally and physically well. Differences in the degree and quality of this caregiving behaviour can have great implications for offspring physiology and subsequent reproductive success. Such plasticity in reproductive investment has been shown to be associated with a variety of factors, one of which is mate quality. This occurrence, where a mother exerts different degrees of maternal investment depending on mate quality, is described as the differential allocation hypothesis and creates an indirect pathway through which paternal effects might be transmitted to offspring. These variations in maternal care behaviour (MCB) can be observed in expression patterns in brain regions crucial for maternal behaviour such as different regions of the hypothalamus, particularly the medial preoptic area (MPOA), which has long been considered a key region for the positive control of parental behaviour and is involved in both parturition and throughout the postpartum period. A widespread tool to detect such changes in neuronal activity in response to various stimuli is the analysis of c-fos expression, an immediate early gene. This study aimed to uncover differential allocation as a driver for MCB in the mouse, hereby postulating a role for the female in the indirect transmission of paternal effects, by exploring the impact of paternal social status on maternal neuronal activation during a behavioural assay used to evoke MCB. Females were randomly mated with males of different social dominance status, which was used as an indicator of male quality and represented by tube-test wins. On post-natal day 4, c-fos expression in hypothalamic regions and the amygdala in response to a brief separation from pups and subsequent pup retrieval test (PRT) was immunohistochemically analysed. Pup retrieval is a behavioural assay used to study maternal care behaviour and subsequent brain activity after a mother is separated from her pups. Potentially ultrasonic vocalisations (USV) emitted by the pups could influence how readily the mother brings them back to the nest. This behaviour is also affected by maternal motivation and phenotype. Spearman correlation analysis did not show a significant relationship of tube test wins to neither the c-fos expression in amygdala, nor the MPOA or other hypothalamic regions. The most pronounced correlation is a weak to moderate observed between tube test wins and the central amygdala (CeA) (r = .425, p = .168), although not significant. In general, the relationship between neuronal activity and pup retrieval behaviour varies depending on the hypothalamic region. Investigation of pup behaviour and maternal brain activity independently of paternal tube test wins revealed a particularly noteworthy relationship between c-fos activity in the anteroventral preoptic nucleus (AVP) and the complexity of USVs of pups (r = -.824, p < .001) as well as to the start of retrieving pups (r = .625, p = .03). Further, pup retrieval behaviours and complexity of pup USVs seem to have a strong association to one another. The lack of clear results between male social dominance and neuronal activity might stem from a wrongly chosen predictor of social status. Tube test wins may not be fully representative of social status, or social status itself may not be the primary driver for DA to occur. Small sample size may make it difficult to achieve statistical significance. Additionally, natural variations in maternal care, anxiety levels and pup vocalizations may also make it harder to see the main effect of paternal social dominance on MCB in respect to pup retrieval. Another fact to consider is the study design: the lack of choice and forced mating with non-preferred males may have introduced additional variables that impacted MCB. Since the observed c-fos expression is in response to the stress induced by pup separation and subsequent retrieval, this neuronal activity is only representative of these specific stimuli and not of other maternal behaviours. Interestingly though is the relationship between paternal social status and activity in the CeA, since this region is critically involved in mediating fear and stress responses. Although there is a sparsity of studies investigating the CeA in relation to MCB, postpartum-associated reduced anxiety has been attributed to oxytocin acting within the CeA, which might be worth further investigation within this context. However, in order to draw more conclusive observations, next steps should include a more thorough determination of male quality as well as a better characterization of the detected c-Fos-ir neurons to the able to decipher cell populations.

Bachelorarbeit - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2021

In vielen Tierspezies sind Nachkommen von elterlicher Fürsorge abhängig, um zu überleben und sich mental und physisch gut zu entwickeln. Unterschiede in Ausmaß und Qualität dieses Pflegeverhaltens können gravierende Auswirkungen auf Physiologie der Nachkommen und deren späteren reproduktiven Erfolg haben und sind assoziiert mit einer Vielzahl von Faktoren, unter anderem die Qualität des Partners. Die differentielle Allokationshypothese beschreibt ebendieses Event, bei welchem eine Mutter, basierend auf der Qualität des Partners, ein unterschiedliches Maß an Fürsorge ihrer Nachkommen gegenüber ausübt. Dies kreiert einen indirekten Weg, durch welchen paternale Effekte auf Nachkommen übertragen werden können. Diese Variationen im Fürsorgeverhalten spiegeln sich in Expressionsmustern bestimmter Gehirnregionen wider, welche in maternalem Verhalten involviert sind. Regionen des Hypothalamus, insbesondere die mediale präoptische Region (MPOA), spielen eine Schlüsselrolle in der positiven Kontrolle elterlicher Fürsorge und sind sowohl bei Geburt als auch postpartal involviert. Eine weitverbreitete Methode, um solche Veränderungen in neuronaler Aktivität in Reaktion auf verschiedene Stimuli zu bestimmen, ist die Analyse der c-fos-Expression, eines Immediate Early Gens, welches als Antwort auf extra- oder intrazelluläre Reize exprimiert wird. Ziel dieser Studie war, differentielle Allokation als treibende Kraft für maternales Verhalten in der Maus aufzuzeigen und postuliert hiermit eine Rolle der Mutter in der indirekten Übertragung paternaler Effekte auf Nachkommen. Der Einfluss des väterlichen sozialen Status in Hinblick auf die maternale neuronale Aktivation während eines Verhaltenstests wird untersucht, wobei der Test dazu dient, mütterliches Verhalten hervorzurufen. Die Weibchen wurden nach dem Zufallsprinzip mit Männchen unterschiedlichem sozialen Status verpaart, welcher als Indikator der Partnerqualität herangezogen wurde und durch Röhrentest-Gewinne repräsentiert wird. Am postnatalen Tag 4 (PD4) wurden Mutter und Jungtiere getrennt und der Pup-Retrieval-Test durchgeführt. Die aus diesem Ereignis resultierende c-fos Expression in hypothalamischen Regionen und Amygdala wurde immunhistochemisch analysiert. Der Pup-Retrieval-Test ist ein Verhaltenstest, in welchem Jungtiere außerhalb des Nests platziert werden und das Muttertier sie zurückholt. Er wird durchgeführt, um mütterliches Verhalten und neuronale Aktivität zu untersuchen. Dieses Verhalten kann potenziell von Vokalisationen der Jungtiere im Ultraschallbereich (USV) beeinflusst werden, als auch durch mütterliche Motivation und Phänotyp. Die Spearman-Korrelationsanalyse zeigte keine signifikante Beziehung zwischen Röhrentest-Gewinnen und c-fos-Expression weder in Amygdala, noch in MPOA oder anderen hypothalamischen Regionen. Die am stärksten ausgeprägte Korrelation ist eine schwache bis mäßige zwischen Tube Test Gewinnen und zentraler Amygdala (r = .425, p = .168), ist jedoch nicht signifikant. Im Allgemeinen variiert die Beziehung zwischen neuronaler Aktivität und Pup-Retrieval-Verhalten je nach Region des Hypothalamus. Analyse von Jungtierverhalten und maternaler Gehirnaktivität unabhängig von väterlichen Testsiegen zeigt eine prägnante Beziehung zwischen c-fos-Aktivität im anteroventralen präoptischen Nukleus und der Komplexität der USVs (r = .824, p < .001) als auch zum Beginn der Rückholung des ersten Jungtieres (r = .625, p = .03). Darüber hinaus scheint eine starke Assoziation zwischen Pup-Retrieval-Verhalten der Mutter und der Komplexität der USVs vorzuliegen. Das Fehlen eindeutiger Ergebnisse zwischen sozialer Dominanz und neuronaler Aktivität könnte auf einen falsch gewählten Prädiktor für sozialen Status zurückzuführen sein. Tube-Testsiege sind möglicherweise nicht vollständig repräsentativ für sozialen Status, oder letzterer selbst ist potenziell nicht ein primärer Einflussfaktor für DA. Eine zu geringe Zahl an Tieren kann es erschweren, statistische Relevanz zu erreichen. Zusätzlich können natürliche Variationen in maternaler Fürsorge, Angstlevel und Vokalisationen der Jungtiere die Erkennung des Haupteffekts der väterlichen Dominanz im Hinblick auf mütterliches Fürsorgeverhalten erschweren. Weiters zu berücksichtigen ist das Studiendesign: der Mangel an Auswahl und erzwungene Verpaarung mit nicht bevorzugten Partnern hat möglicherweise zusätzliche Variablen geschaffen, welche Auswirkungen auf das Fürsorgeverhalten haben. Da die beobachtete c-fos-Expression eine Reaktion auf einen spezifischen Stimulus darstellt (PRT), ist sie nicht repräsentativ für andere mütterliche Verhaltensweisen. Interessant jedoch ist die Beziehung zwischen sozialem Status und Aktivität in der zentralen Amygdala (CeA), da diese Region entscheidend an der Vermittlung von Angst- und Stressreaktionen beteiligt ist. Obwohl es nur wenige Studien über die Beziehung von CeA und Fürsorgeverhalten gibt, wurde die postnatale Reduzierung von Angst auf die Wirkung von Oxytocin in der CeA zurückgeführt, was in diesem Kontext relevant sein könnte. Um jedoch schlüssigere Beobachtungen ziehen zu können, sollten nächste Schritte eine ausführlichere Bestimmung der Partnerqualität sowie eine bessere Charakterisierung der detektierten c-Fos-positiven Neuronen umfassen.

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