Einfluss eines milden Schädel-Hirn-Traumas in juvenilen Ratten auf exploratives Verhalten und kognitive Leistung

Hintergrund: Das Schädel-Hirn-Trauma ist die häufigste Ursache für Morbidität und Mortalität bei Kindern und Jugendlichen sowie Erwachsenen unter 40 Jahren in der westlichen Welt. In Deutschland erleiden jährlich circa 332 Menschen pro 100.000 Einwohner ein Schädel-Hirn-Trauma und Betroffene leiden häufig unter den Folgen. Das Schädel-Hirn-Trauma weicht insbesondere im Kindesalter in Bezug auf Verletzungsmechanismen sowie anatomische und pathophysiologische Besonderheiten vom Schädel-Hirn-Trauma des Erwachsenen ab. Bei Kindern ist hauptsächlich ein diffuser axonaler Hirnschaden, vornehmlich im Thalamus, Hippocampus und Cortex, nachweisbar. Kognitive Leistungsminderung mit Konzentrationsstörung, Gedächtnisstörung, Aufmerksamkeitsstörung, aber auch Krampfanfälle und soziale Anpassungsstörungen können die Folge sein. Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, ein Tiermodell zu etablieren, welches in juvenilen Ratten ein mildes Schädel-Hirn-Trauma ähnlich dem humanen produziert. Im Anschluss erfolgte die Untersuchung traumabedingter Änderungen in Verhalten und Kognition. Methode: Mittels des Weight Drop Models in Modifikation für juvenile Ratten nach Adelson wurde ein mildes Schädel-Hirn-Trauma bei 21-25 Tage alten Ratten erzeugt. Änderungen in Verhalten und Kognition wurden 7 Tage nach erfolgtem Trauma mittels eines Open Field Tests evaluiert. Anschließend folgte eine Habituationsphase als Vorbereitung auf den Novelty Object Recognition Test. Dieser gliederte sich in drei Testzeitpunkte (1: Stunde 0; 2: Stunde 1 und 3: Stunde 24). Hierbei sollte das Arbeits-, Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis der Tiere nach Schädel-Hirn-Trauma im Vergleich zu Kontrollen und Sham-operierten Tieren untersucht werden. Nach Versuchsende wurden die Gehirne der Tiere analysiert. Ergebnis: Das in dieser Arbeit induzierte milde Schädel-Hirn-Trauma resultierte weder makroskopisch noch mikroskopisch in erkennbarer struktureller Schädigung des Gehirns. Die Analyse von Verhalten und Gedächtnis zeigte jedoch deutliche Auswirkungen des Traumas: Die Traumatiere wiesen nach Schädel-Hirn-Trauma im Open Field Test zu Beginn eine signifikant erhöhte Aktivität bzw. ein gesteigertes Explorationsverhalten im Vergleich zur Kontrollgruppe auf. Prinzipiell zeigten die Tiere aller Versuchsgruppen während des Open Field Tests ein aktives exploratives Verhalten. Die anschließende Habituation war bei allen Versuchsgruppen erfolgreich. Während der darauffolgenden Überprüfung des Kurz- bzw. Langzeitgedächtnisses mittels des Novelty Object Recognition Tests ergaben sich Unterschiede zwischen den Traumatieren und der Sham- sowie Kontrollgruppe. Zunächst reagierten alle Versuchsgruppen mit erhöhter Neugier und Aktivität auf zwei neu eingebrachte Objekte. Zur Überprüfung des Kurzzeitgedächtnisses wurde nach einer Stunde eines der beiden Objekte ausgetauscht. Nun befassten sich die Traumatiere länger mit dem ihnen schon bekannten Objekt als die Sham- und Kontrollgruppen. Das Kurzzeitgedächtnis der Traumatiere ermöglichte nicht die Wahrnehmung des bekannten Objekts als solches. Um das Langzeitgedächtnis zu überprüfen, wurde 24 Stunden später erneut eines der bekannten Objekte gegen ein neues Objekt ausgetauscht. Die Tiere der Traumagruppe befassten sich in der ersten Minute dieses Versuchs signifikant länger mit dem alten Objekt als die Tiere der Shamgruppe. Im weiteren Verlauf glich sich das Verhalten aller Gruppen an. Generell ließ sich in diesem Versuch feststellen, dass die jungen Versuchstiere in allen Phasen ein aktives, neugieriges Verhalten zeigten, da sie sich überwiegend in der Innenzone (Zone 1) aufhielten und nicht primär am Rande der Testarena (Zone 2), was als Zeichen für Angst oder Gewöhnung gewertet werden könnte. Diskussion: In der vorliegenden Arbeit wurde ein Tiermodell zur Induktion eines milden traumatischen Hirnschadens bei juvenilen Ratten etabliert. Im Model des diffusen axonalen Traumas zeigten sich auch in Abwesenheit schwerer struktureller Schäden deutliche Veränderungen in Verhalten und Gedächtnis: Im Open Field Test konnte eine Verhaltensänderung in Form einer Hyperaktivität gezeigt werden, die klinisch am ehesten mit den Symptomen einer Aufmerksamkeits-Defizit-Hyperaktivitäts-Störung vergleichbar ist. Bei der Überprüfung der Gedächtnisleistung sowohl für Kurz- als auch für Langzeitfunktionen zeigte sich, dass die Traumatiere ein bekanntes Objekt nicht als schon bekannt wahrnahmen und somit hier kognitive Defizite vorlagen. Die Ergebnisse belegen, dass sowohl der Open Field Test Verhaltensänderungen als auch der Novelty Object Recognition Test Beeinträchtigungen des Kurz-, Arbeits- und Langzeitgedächtnisse, nach Erzeugung eines milden Schädel-Hirn-Traumas, detektiert. Dabei scheinen beide Tests so sensitiv zu sein, dass auch Verhaltensänderungen, die nicht mit signifikanter Schädigung der Hirnstrukturen einhergehen, durch diese erkannt werden. Deutlich wird hier, dass bereits ein mildes Schädel-Hirn-Trauma Verhaltensänderungen und kognitive Beeinträchtigungen in juvenilen Ratten hervorrufen kann. Damit wurde in dieser Arbeit ein Modell etabliert, dessen Ergebnisse sich zumindest in Grundzügen in den humanen Bereich übertragen lassen, um darauf aufbauend adäquate Therapieformen, zur Vermeidung von neurologischen Langzeitschäden zu entwickeln.Background and introduction: Traumatic brain injury is one of the most common causes of morbidity and mortality in children, adolescents and young adults under the age of forty in industrial countries. In Germany, approximately 332 out of 100.000 people sustain a traumatic brain injury per year. Consistent and durable neurological impairment is the main consequence of traumatic brain injury. The reaction of children concerning the mechanism of injury differs from the mechanisms after traumatic brain injury in adolescents and adults. In the cortex, hippocampus and thalamus there is a diffuse axonal injury detectable with anatomical alterations. Inattention, hyperactivity, impulsivity, deficits in executive functions, adjustment disorders and cerebral seizures can be a result of traumatic brain injury. For this reason, our aim was to establish an animal model of trauma for juvenile rats in order to evaluate the trauma associated influence on behavior and cognition. Methods: A mild traumatic brain injury was induced to 21-25 days old male Sprague Dawley rats by the Weight Drop Model in modification for juvenile rats according to Adelson. Seven days after the trauma, alterations in activity, behavior and exploration due to traumatic brain injury were measured by an Open Field Test. After a subsequent habituation phase, a Novelty Object Recognition Test was performed. The test was divided into three phases (1: hour 0; 2: hour 1; 3: hour 24) in order to analyze the working-memory, the short-term memory as well as the long-term memory in relation to a control and sham group. Results: In the Open Field Test an elevated activity and exploration rate has been measured for the trauma group in relation to the control group. In general, all groups showed an inquisitive behavior during the Open Field Test. The following habituation phase was effective in all groups. In the subsequent analysis of the short-term and long-term memory by using the Novelty Object Recognition Test, differences have been detected between all groups. Initially, all groups showed again an increased inquisitive and exploratory behavior respective to the new objects that were placed in the arena. After one hour, one of the known objects has been replaced to evaluate impairments in short-term and working memory due to traumatic brain injury (phase 2). Here the trauma group explored the familiar object more frequently than the sham and control group. The short-term memory of the trauma group was unable to recognize the familiar object as common. After 24 hours, a further familiar object has been replaced by a new one to test the long-term memory (phase 3). In the first minute of this testing phase, the trauma group explored the familiar object significantly longer than the sham group. In the course of the third testing phase, the behavior adapted to each other. Generally, all animals of each group showed an increased inquisitive and active behavior by spending more time in the inner zone (zone 1). They avoided spending time in the edges of the test arena (zone 2), which might be an indication for anxiety and habituation. Discussion: In this study we established a modified trauma animal model for juvenile rats. The Open Field Test showed modifications in the behavior in terms of hyperactivity, which are similar to symptoms of an attention deficit hyperactivity syndrome. Testing the short-term and long-term memory, we noticed that the trauma group was not able to recognize a known object as common. Thus, the results demonstrate changings in behavior and impairments in memory. Additionally, both tests could show impairments in memory without the presence of significant brain injuries. Obviously, a mild traumatic brain injury results in impairments in behavior and cognition in juvenile rats. In the present study a trauma animal model has been established, which shows similarities to the human mild traumatic brain injury. Our results may be the source of further subsequent studies to evaluate possible therapies to avoid neurological long-term damages