Abstract Newborn neurons migrate into the striatum at physiological conditions in both humans and songbirds, but not in rodents. Although injury induces even higher recruitment of the new neurons into the damaged striatum in mammals as well as in songbirds, they survive for longer period of time only in songbirds. Moreover, regeneration of the striatal vocal nucleus controlling song Area X is accompanied with behavioral changes in song tempo and song syllable repetition. In the first part of the thesis we wanted to determine if the regeneration of the injured Area X in the zebra finch (Taeniopygia guttata) can be modulated by dopamine D3 receptors (D3Rs) which are highly expressed in the subventricular zone (SVZ) where the new neurons arise. We found that activation of D3Rs reduced the lesion size and increased cell recruitment in Area X after its excitotoxic injury. The injury also affected density of D3Rs in SVZ and in the song motor control nucleus robustus arcopallialis (RA). Thus the lesion-induced changes in song tempo may by facilitated by the D3Rs in RA. In the second part of the thesis we employed magnetic resonance imaging (MRI) for a longitudinal follow up of excitotoxically damaged Area X and its regeneration in relation to changes in song production in the same birds. First we validated that MRI is a suitable method to measure lesion and regeneration of Area X. The lesion size measured from MRI images did not differ from the lesion size measured from immunohistochemically stained brain sections. Further, we used the birds with the predisposition to stutter and followed changes in their songs after the bilateral excitotoxic lesion together with changes in brain lesion/regeneration using MRI. We found that the lesion size correlated negatively with the syllable repetition rate. These results suggest that the brain regeneration may cause the stuttering-like song. Next we used the manganese-enhanced MRI (ME-MRI) to study the temporal changes in the degradation and regeneration of the efferent connection from the lesioned Area X to the thalamic nucleus. This method, however, turned to be inapplicable in our studies, mostly due to the leakage of manganese into the area surrounding the lesion. Finally, we made a deeper insight into changes in brain structure by diffusion tensor imaging (DTI), an MRI technique that is more informative to indicate what kind of changes and where in the brain they occur. After the lesion in Area X, we found changes in Area X, thalamus and unexpectedly also in cerebellum. It points the following studies on the function of these areas for learned vocal communication in songbirds. In summary, our results indicate that the D3Rs stimulation after striatal damage accelerates the striatal recovery and can cause behavioral alterations. The stuttering-like song can be driven by newborn neurons incorporated to the circuitry during the striatal recovery. Revealing the function of cerebellum for vocal communication is up to further investigation. Key words: Zebra finch, neurogenesis, brain damage, regeneration, song, learned vocal communication

Abstrakt Novovzniknuté neuróny migrujú do striata za fyziologických podmienok u ľudí ale aj spevavcov, nie však u hlodavcov. Aj keď poškodenie mozgu vyvoláva väčší nábor nových neurónov do poškodeného striata u oboch skupín, u spevavcov neuróny prežívajú dlhšiu dobu. Okrem toho regenerácia striatálnej vokálnej oblasti Area X, podieľajúcej sa na učení piesne, je sprevádzaná zmenami v tempe piesne a opakovaní slabiky v piesni. V prvej časti práce sme chceli zistiť, či regenerácia poškodenej oblasti Area X u spevavca zebričky červenozobej (Taeniopygia guttata) môže byť modulovaná dopamínovými D3 receptormi (D3R). Tieto receptory sú viac exprimované v subventrikulárnej zóne (SVZ), kde vznikajú nové neuróny. Zistili sme, že aktivácia D3R zmenšila veľkosť lézie a zvýšila inkorporáciu buniek do Area X po jej excitotoxickom poškodení. Poškodenie ovplyvnilo hustotu D3R v SVZ a v motorickej oblasti nucleus robustus arcopallialis (RA). Preto léziou indukované zmeny v tempe piesne môžu byť sprostredkované D3Rs v RA. V druhej časti práce sme vyžili metódu zobrazovania magnetickou rezonanciou (MRI) pre kontinuálne sledovanie excitotoxicky poškodenej Area X a jej regenerácie vo vzťahu k zmenám v piesni u toho istého jedinca. Najprv sme overili, či MRI je metóda vhodná na merania lézie alebo regenerácie Area X. Veľkosť lézie meranej pomocou MRI sa nelíšila od veľkosti lézie meranej pomocou imunohistochemického farbenia rezov mozgu. Následne sme použili vtáky s predispozíciou opakovať slabiku a sledovali zmeny v ich piesňach po bilaterálnej excitotoxickej lézii spolu so zmenami týkajúcimi sa lézie a regenerácie s použitím MRI. Zistili sme, že veľkosť lézie negatívne korelovala s mierou opakovania slabiky. Tieto výsledky naznačujú, že regenerácia mozgu môže spôsobiť koktaniu podobnú pieseň. Ďalej sme použili kontrastnú látku MnCl2 pri MRI (ME-MRI) na štúdium časových zmien v degradácii a regenerácii z Area X do oblasti v talame. Táto metóda však ukázala ako nepoužiteľná, najmä v dôsledku difundovania mangánu do oblastí obklopujúcich léziu. Nakoniec sme bližšie sledovali zmeny v štruktúre mozgu pomocou zobrazenia difúzneho tenzora (DTI). Táto MRI technika, ktorá je skôr informatívna, dokáže zobraziť miesta mozgu so zmenenou difúziou vody. Po lézii Area X, sme zistili zmeny v samotnej Area X, talame a nečakane aj v mozočku. Tieto zmeny poukazujú na možnú funkciu týchto oblastí v naučenej vokálnej komunikácii u spevavcov. Na záver možno zhrnúť, že stimuláciou D3Rs po striatálnom poškodení možno urýchliť regeneráciu tejto oblasti, ktorá spôsobuje zmeny v správaní. Koktaniu podobná pieseň môže byť spôsobená začlenením novovzniknutých do neuronálnych obvodov počas regenerácie. Odhalenie funkcia mozočka pre naučenú vokálnu komunikáciu ostáva predmetom budúcich štúdií. Kľúčové slová: zebrička červenozobá, neurogenéza, poškodenie mozgu, regenerácia, pieseň, naučená vokálna komunikácia.

Abstract In mensen en zangvogels, maar niet in knaagdieren, migreren nieuwe neuronen in normale, fysiologische omstandigheden naar het striatum. Hoewel hersenschade een verhoogde rekrutering van nieuwe neuronen naar het beschadigde striatum veroorzaakt in zowel knaagdieren als zangvogels, zullen de nieuwe neuronen voor langere tijd overleven in deze laatste groep. Daarbij gaat, bij zangvogels, de regeneratie van Area X, één van de kernen belangrijk bij zang gedrag, gepaard met veranderingen in zangprestatie i.e. het tempo van de zang en de herhaling van bepaalde onderdelen van zang ‘syllables’ of ‘lettergrepen’ zal veranderen. In het eerste deel van deze doctoraatsthesis werd onderzocht of de regeneratie van Area X in de zebravink (Taeniopygia guttata) gemoduleerd kan worden door in te spelen op de dopamine D3 receptoren (D3Rn). De dopamine D3Rn komen voornamelijk tot expressie in de subventriculaire zone (SVZ) waar neurogenese plaatsvindt. Het activeren van de dopamine D3Rn verhoogde de rekrutering van nieuwe neuronen in Area X en leidde tot een reductie van de grootte van de neurotoxische laesie. De laesie beïnvloedde ook de densiteit van de dopamine D3Rn in de SVZ en in nucleus robustus arcopallialis (RA), een kern die betrokken is in het motorische aspect van zingen. Bijgevolg zou de veranderingen in zang tempo ten gevolge van de laesie gefaciliteerd kunnen worden door de dopamine D3Rn in RA. In het tweede deel van deze thesis werd gebruik gemaakt van Magnetische Resonantie Beeldvorming (MRI) om de schade en de regeneratie van Area X longitudinaal op te volgen in dezelfde vogel en beide processen te relateren met veranderingen in zang productie. Eerst toonde een validatie studie aan dat MRI een geschikte methode is om de laesie en/of regeneratie van Area X te meten gezien de grootte van de laesie gemeten op de MRI beelden niet verschillend was met de grootte van de weefselschade gemeten op immunochemisch aangekleurde weefselsnedes. Verder bestudeerden we ook vogels met een aanleg tot stotter-gedrag na het aanbrengen van een bilaterale neurotoxische (excitotoxische) laesie met MRI waarbij de MRI resultaten i.e. meten van de laesie/regeneratie, bekeken werden in verband met de veranderingen in zanggedrag. Hierbij ondervonden we dat de grootte van de laesie negatief gecorreleerd was met de herhalingssnelheid van de ‘syllables’. Deze resultaten suggereren dat de regeneratie van het hersenweefsel mogelijks het stotter-achtige gedrag veroorzaakt. Vervolgens gebruikten we ‘Manganese-enhanced MRI’, een MRI-techniek waarbij gebruik gemaakt wordt van een exogene contraststof i.e. mangaan dichloride om het beeldcontrast van bepaalde hersenregio’s te vergroten, om de veranderingen in het degenereren en/of regenereren van een efferente connectie tussen de beschadigde Area X en een nucleus van de thalamus te bestuderen. Deze methode bleek niet geschikt om onze onderzoeksvraag te beantwoorden, omdat de contraststof (mangaan dichloride) naar het omliggende weefsel van Area X lekte. Daarom werd er geopteerd voor Diffusie Tensor Beeldvorming (DTI), een andere techniek gebaseerd op MRI die toelaat om te bestuderen waar en wanneer bepaalde microstructurele veranderingen in de hersenen plaatsvinden. Na het aanbrengen van de laesie in Area X, werden veranderingen in de thalamus en ook in het cerebellum waargenomen. Dit duidt erop deze hersenregio’s een rol spelen in vocale communicatie in zangvogels, wat een interessant onderwerp kan worden voor toekomstige studies. Samengevat wijzen deze resultaten erop dat stimulatie van de dopamine D3Rn na schade aan het striatum het weefselherstel bevorderen wat kan leiden tot veranderingen in gedrag. Het stotter-achtige zanggedrag kan mogelijks gedreven worden door het incorporeren van nieuwe neuronen in het zangcontrole circuit tijdens het herstel van het striatum. De rol van het cerebellum in dit gehele proces gelinkt met vocale communicatie moet dieper onderzocht worden in toekomstige studies. Zebravink, neurogenese, hersen schade, regeneratie, zang, aangeleerde vocale communicatie