LPS-induced modifications in spontaneous network activity causes neuronal apoptosis in neonatal cerebral cortex

During the perinatal period the developing brain is most vulnerable to inflammation. Prenatal infection or exposure to inflammatory factors can have a profound impact on fetal neurodevelopment with long-term neurological deficits, such as cognitive impairment, learning deficits, perinatal brain damage and cerebral palsy. Inflammation in the brain is characterized by activation of resident immune cells, especially microglia and astrocytes whose activation is associated with a variety of neurodegenerative disorders like Alzheimer´s disease and Multiple sclerosis. These cell types express, release and respond to pro-inflammatory mediators such as cytokines, which are critically involved in the immune response to infection. It has been demonstrated recently that cytokines also directly influence neuronal function. Glial cells are capable of releaseing the pro-inflammatory cytokines MIP-2, which is involved in cell death, and tumor necrosis factor alpha (TNFalpha), which enhances excitatory synaptic function by increasing the surface expression of AMPA receptors. Thus constitutively released TNFalpha homeostatically regulates the balance between neuronal excitation and inhibition in an activity-dependent manner. Since TNFalpha is also involved in neuronal cell death, the interplay between neuronal activity MIP-2 and TNFalpha may control the process of cell death and cell survival in developing neuronal networks. An increasing body of evidence suggests that neuronal activity is important in the regulation of neuronal survival during early development, e.g. programmed cell death (apoptosis) is augmented when neuronal activity is blocked. In our study we were interested on the impact of inflammation on neuronal activity and cell survival during early cortical development. To address this question, we investigated the impact of inflammation on neuronal activity and cell survival during early cortical development in vivo and in vitro. Inflammation was experimentally induced by application of the endotoxin lipopolysaccharide (LPS), which initiates a rapid and well-characterized immune response. I studied the consequences of inflammation on spontaneous neuronal network activity and cell death by combining electrophysiological recordings with multi-electrode arrays and quantitative analyses of apoptosis. In addition, I used a cytokine array and antibodies directed against specific cytokines allowing the identification of the pro-inflammatory factors, which are critically involved in these processes. In this study I demonstrated a direct link between inflammation-induced modifications in neuronal network activity and the control of cell survival in a developing neuronal network for the first time. Our in vivo and in vitro recordings showed a fast LPS-induced reduction in occurrence of spontaneous oscillatory activity. It is indicated that LPS-induced inflammation causes fast release of proinflammatory factors which modify neuronal network activity. My experiments with specific antibodies demonstrate that TNFalpha and to a lesser extent MIP-2 seem to be the key mediators causing activity-dependent neuronal cell death in developing brain. These data may be of important clinical relevance, since spontaneous synchronized activity is also a hallmark of the developing human brain and inflammation-induced alterations in this early network activity may have a critical impact on the survival of immature neurons.

Intrauterine Infektionen und die fötale Immunantwort sind wichtige pathogene Faktoren bei Frühgeburten. Während der frühen Ontogenese können sie Störungen des Gehirnaufbaus und Langzeitschäden induzieren, wie beispielsweise kognitive Störungen, Lerndefizite und zerebrale Lähmungen. Entzündungsreaktionen im Gehirn sind charakterisiert über die Aktivierung von ortsansässigen Immunzellen, wie Astrozyten und Mikroglia. Deren Aktivierung wird mit einigen neurodegenerativen Erkrankungen, wie Alzheimer und Multipler Sklerose in Verbindung gebracht. Die beiden Zelltypen haben die Fähigkeit nach Ihrer Aktivierung pro-inflammatorische Zytokine auszuschütten und ebenso auf diese zu reagieren. Diese Zyotkine spielen eine wichtige Rolle bei der Immunantwort und es wurde erst kürzlich gezeigt, dass sie auch Einfluss auf neuronal Funktionen haben können. Besonderes Augenmerk wurde in meiner Arbeit auf die beiden Zytokine TNFalpha und MIP-2 gelegt. Es wurde bereits gezeigt, dass sowohl MIP-2 als auch TNFalpha im neuronalen Zelltod involviert sind. Im Bezug auf TNFalpha ist ebenso bekannt, dass es zu erhöhter Erregung und zu einer Erhöhung der Anzahl der AMPA Rezeptoren auf der Zelloberfläche von Neuronen führt. Daraus lässt sich schließen, dass kontinuierlich freigesetztes TNFalphawichtig für ein Gleichgewicht zwischen Erregung und Inhibierung in Neuronen ist. Ich vertrete die These, dass ein Zusammenspiel zwischen neuronaler Aktivität, TNFalpha und MIP-2 wichtig für die Regulation des Zelltodes während der frühen Entwicklung ist. In meiner Dissertation wurde der Einfluss von Entzündungsmechanismen auf die neuronale Aktivität und das neuronale Überleben während der frühen Entwicklung in vivo sowie auch in vitro untersucht. Dazu wurden elektrophysiologische Aufnahmen mit Hilfe eines Mulit-Electrode Array Systems und quantitative Analysen des Zelltods verwendet. Die Immunantwort wurde mit Hilfe von Lipopolysaccarid (LPS), einer strukturellen Komponente der Zellwand von gram negativen Bakterien, induzierte. Zusätzlich wurden Zytokin-Arrays und Antikörper gegen spezifische Zytokine zur genaueren Identifizierung der involvierten Faktoren verwendet. In dieser Studie wird zum ersten Mal eine direkte Verbindung zwischen der Veränderung in der neuronalen Netzwerkaktivität nach Entzündung und dem Zellüberleben im sich entwickelnden Kortex gezeigt. In Kooperation mit Jenq-Wei Yang und Shuming An wurden neben in vitro auch in vivo Experimente durchgeführt. Die elektrophysiologischen Aufzeichnungen zeigen eine durch LPS induzierte Reduktion von spontan auftretender oszillatorischer Netzwerkaktivität. Meine Ergebnisse lassen darauf schließen, dass es durch eine LPS induzierte Entzündung in der frühen Entwicklung zur Freisetzung von proinflammatorischen Faktoren kommt, die zu einer Veränderung der spontanen Netzwerkaktivität und darauf folgend zum neuronalen Zelltod führen. Vor allem TNFalpha und MIP-2 spielen eine Schlüsselrolle im aktivitäts-abhängigen neuronalen Zelltod im neonatalen Gehirn. Da spontane Netzwerkaktivität auch im sich entwickelnden menschlichen Gehirn nachweisbar ist, könnten diese Daten zudem von großer klinischer Relevanz sein. Entzündungsreaktionen in diesem frühen Stadium der Entwicklung können zu Veränderungen der Netzwerkaktivität und damit zum Tod von Neuronen führen.