Untersuchung der physiologischen Rolle des Wilms-Tumorgens 1 (WT1) im Rahmen der Generierung muriner in-vivo-Modelle für die Wilms-Tumorerkrankung

Der Wilms-Tumor ist eine embryonale Tumorerkrankung der Niere, als deren Ursprung Nierenvorläuferzellen des metanephrischen Mesenchyms gelten, deren Differenzierung während der frühen Nephrogenese ausbleibt und aus denen nachfolgend durch eine maligne Transformation Wilms-Tumore entstehen. Zwei Gene, die an der Wilms-Tumorgenese beteiligt zu sein scheinen, sind WT1 (Wilms-Tumorgen 1) und CTNNB1 (Catenin, cadherin-associated protein, beta 1). Während WT1 u.a. die Differenzierung des metanephrischen Mesenchyms steuert, begünstigen aktivierende Mutationen von CTNNB1 und eine dadurch bedingte Akkumulation seines Proteins β-Catenin die Tumorgenese vieler Organe. So verwundert es nicht, dass eine alleinige heterozygote Keimbahnmutation von WT1, die einen dominant-negativen Effekt auf funktionsfähiges WT1 ausübt, häufig zur Entstehung von Wilms-Tumoren in Patienten mit Denys-Drash-Syndrom (DDS) führt, sowie in etwa 15 % aller sporadischen Wilms-Tumore WT1 und CTNNB1 mutiert sind.rnDer Mechanismus der Entstehung von Wilms-Tumoren ist weitgehend unbekannt, was u.a. daran liegt, dass homozygote Wt1-Mutationen in der Maus embryonal (~ Tag 13,5 d.p.c.) letal sind. In der vorliegenden Arbeit sollten daher mit Hilfe einer Wt1 k.o.-Effektormaus (WE2) vier murine konditional reversible Wilms-Tumor-Modelle auf Basis des Tet off-Systems hergestellt werden. Dadurch lag in den zu generierenden Tieren Wt1 durch die Integration des WE2-Transgens zwar nur heterozygot mutiert vor, doch durch den endogenen Wt1-Promotor des Transgens sollte es zur zeitlichen und räumlichen Wt1-analogen Expression eines tetrazyklinabhängigen Transaktivators (tTA) kommen, der ohne die Gabe von Doxycyclin Tet-regulierbare Transgene in Wt1-exprimierenden Zellen aktivieren kann, die einen positiven Einfluss auf die Wilms-Tumorgenese haben könnten. So sollte durch das WE2 DDS-Modell ein DDS simuliert werden und es in Tieren der Modelle WE2 TC bCat∆Ex3, WE2 LC bCat∆Ex3 und WE2 Wnt1 zur Akkumulation von β-Catenin in Wt1-exprimierenden Nierenvorläuferzellen kommen, so dass deren Differenzierung ausbleibt und es durch eine maligne Transformation zur Entstehung eines Wilms-Tumors kommt.rnrnMit Hilfe von histologischen Analysen an entsprechenden Responder-Linien konnte zunächst gezeigt werden, dass die embryonale und adulte Expressionsdomäne des WE2-Effektors mit der von endogenen Wt1 übereinstimmt. Gleichzeitig wurden aber auch neue Expressionsorte von Wt1 nachgewiesen. So konnte die Expression des WE2-Effektors z.B. im Endothel der dorsalen Aorta detektiert werden, der als Entstehungsort von hämatopoetischen Stammzellen gilt. Anschließende hier vorgestellte Experimente zeigten, dass Wt1 direkt an diesem Prozess beteiligt ist und belegten eine noch nicht beschriebene Funktion von Wt1 in der frühen Hämatopoese.rnEs war jedoch mit keinem System möglich, eine Wilms-Tumorerkrankung zu simulieren. Während Tiere des WE2 DDS-Modells trotz nachweisbarer Induktion keinen Phänotyp aufwiesen, war wohl in den anderen Modellen eine konstitutive β-Catenin-Aktivierung in der Frühschwangerschaft nicht mit dem embryonalen Überleben vereinbar. Dabei schienen alle tripeltransgenen bzw. doppeltransgenen Embryonen, in denen durch einen frühen Doxycyclinentzug die Entstehung von Wilms-Tumoren möglich gewesen wäre, intrauterin zu sterben. Wurde dagegen Doxycyclin erst in der dritten Lebenswoche entzogen, so entwickelten die Tiere durch eine Wt1-vermittelte β-Catenin-Aktivierung Granulosazelltumore, polyzystische Nieren und Veränderungen der Hoden. Da alle diese organischen Veränderungen während der prä- bis frühen postnatalen Phase induziert wurden, schien die Doxycyclinmenge nicht auszureichen, um eine β-Catenin-Aktivierung zu verhindern. Es hätte also auch zur Entstehung von Wilms-Tumoren kommen können, so dass diese Ergebnisse darauf hinweisen, dass eine β-Catenin-Aktivierung wahrscheinlich nicht der physiologisch entscheidende Schritt bei der Entstehung eines Wilms-Tumors ist.rnrnDie Charakterisierung der WE2-Effektormaus und die Herstellung und Analysen der Systeme geben damit Einblick in die WT1- bzw. WT1/CTNNB1-assoziierte Wilms-Tumorgenese und ermöglichen die weitere Erforschung von Granulosazelltumoren, polyzystsischen Nieren, Veränderungen von Hoden und der Rolle von WT1 in der frühen Hämatopoese.rn

Einfluss prebiotischer Oligosaccharide und probiotischer Bakterien auf den Phänotyp und die Funktion dendritischer Zellen

Neben der Therapie allergischer Erkrankungen, wie dem allergischen Asthma oder der atopischen Dermatitis, nehmen präventive Maßnahmen zur Vermeidung einer Sensibilisierung einen immer höheren Stellenwert ein. Hierbei scheint der Einsatz von Pre- und Probiotika vielversprechend zu sein. rnrnIm Rahmen dieser Dissertation wurde der Einfluss von Pre- und Probiotika auf den Phänotyp und die Funktion von DCs untersucht. Hierzu wurden unreife DCs aus Vorläuferzellen im Knochenmark von Mäusen differenziert (BM-DCs). Nach Behandlung der Kulturen während der Differenzierung der BM-DCs mit neutrale Humanmilch-analoge Oligosaccharide-enthaltenden Präparationen (NOS-Präparationen) konnte ein Einfluss auf die Zellen nachgewiesen werden; die NOS-Präparationen sind in der Lage, die durch LPS induzierte Ausreifung der BM-DCs zu supprimieren. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die primärstimulatorische Kapazität LPS-stimulierter BM-DCs, die in Anwesenheit von NOS-Präparationen differenziert wurden, sowohl für allogene als auch für syngene T-Zellen signifikant vermindert war. Die Charakterisierung dieser T-Zellen ergab zwar eine verstärkte Expression des für regulatorische T-Zellen charakteristischen Transkriptionsfaktors FoxP3, auf funktioneller Ebene konnte jedoch keine Induktion von regulatorischen T-Zellen beobachtet werden; allerdings wurde in diesen T-Zellen eine Anergie induziert. Der Befund, dass verschiedene NOS-Präparationen unterschiedliche Wirkungen auf die Differenzierung von BM-DCs aufweisen, muss weitergehend untersucht werden. rnrnWeiterhin wurden im Rahmen dieser Arbeit die Auswirkungen einer Kultivierung der BM-DCs mit den beiden probiotischen Bakterien Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) und Lactobacillus fermentum analysiert. Hier induzierte ein Kontakt unreifer BM-DCs mit den Bakterien eine Maturierung der Zellen. Das Potential zur Produktion von IL-10 konnte dabei nicht erhöht werden. Im Gegensatz dazu induzierte eine Supplementierung der Kulturen während der Differenzierungsphase der DCs konträre Effekte; die LGG-Gabe resultierte hier in einer unvollständigen Ausreifung der DCs nach LPS-Stimulus. Dies konnte auch auf funktioneller Ebene als stark vermindertes Potential zur T-Zellstimulation bestätigt werden. Inwieweit die Supplementierung mit LGG in tolerogenen DCs resultiert, welche Tregs induzieren können, muss weiter analysiert werden.

Genetische Mechanismen der dorsoventralen Musterbildung im embryonalen Gehirn von Drosophila

In Vertebraten und Insekten ist während der frühen Entwicklung des zentralen Nervensystems (ZNS), welches sich aus dem Gehirn und dem ventralen Nervensystem (VNS) zusammensetzt, die Unterteilung des Neuroektoderms (NE) in diskrete Genexpressions-Domänen entscheidend für die korrekte Spezifizierung neuraler Stammzellen. In Drosophila wird die Identität dieser Stammzellen (Neuroblasten, NB) festgelegt durch die positionellen Informationen, welche von den Produkten früher Musterbildungsgene bereitgestellt werden und das Neuroektoderm in anteroposteriorer (AP) und dorsoventraler (DV) Achse unterteilen. Die molekulargenetischen Mechanismen, welche der DV-Regionalisierung zugrunde liegen, wurden ausführlich im embryonalen VNS untersucht, sind für das Gehirn jedoch weitestgehend unverstanden. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurden neue Erkenntnisse bezüglich der genetischen Mechanismen gewonnen, welche die frühembryonale Anlage des Gehirns in DV-Achse unterteilen. So konnte gezeigt werden, dass das cephale Lückengen empty spiracles (ems), das Segmentpolaritätsgen engrailed (en), sowie der „Epidermal growth factor receptor“ (EGFR) und das Gen Nk6 homeobox (Nkx6) für Faktoren codieren, die als zentrale Regulatoren die DV Musterbildung in der Gehirnanlage kontrollieren. Diese Faktoren interagieren zusammen mit den ebenso evolutionär konservierten Homöobox-Genen ventral nervous system defective (vnd), intermediate neuroblasts defective (ind) und muscle segment homeobox (msh) in einem komplexen, regulatorischen DV-Netzwerk. Die im Trito (TC)- und Deutocerebrum (DC) entschlüsselten genetischen Interaktionen basieren überwiegend auf wechselseitiger Repression. Dementsprechend sorgen 1) Vnd und Ems durch gegenseitige Repression für eine frühe DV-Unterteilung des NE, und 2) wechselseitige Repression zwischen Nkx6 und Msh, als auch zwischen Ind und Msh für die Aufrechterhaltung der Grenze zwischen intermediärem und dorsalem NE. 3) Sowohl Ind als auch Msh sind in der Lage, die Expression von vnd zu inhibieren. Ferner konnte gezeigt werden, dass Vnd durch Repression von Msh als positiver Regulator von Nkx6 fungiert. Überdies beeinflusst Vnd die Expression von ind in segment-spezifischer Art und Weise: Vnd reprimiert ind-Expression im TC, sorgt jedoch für eine positive Regulation von ind im DC durch Repression von Msh. Auch der EGFR-Signalweg ist an der frühen DV-Regionalisierung des Gehirns beteiligt, indem er durch positive Regulation der msh-Repressoren Vnd, Ind und Nkx6 dazu beiträgt, dass die Expression von msh auf dorsales NE beschränkt bleibt. Ferner stellte sich heraus, dass das AP-Musterbildungsgen ems die Expression der DV-Gene kontrolliert und umgekehrt: Ems ist für die Aktivierung von Nkx6, ind und msh in TC und DC erforderlich ist, während Nkx6 und Ind zu einem späteren Zeitpunkt benötigt werden, um ems im intermediären DC gemeinsam zu reprimieren. Überdies konnte gezeigt werden, dass das Segmentpolaritätsgen en Aspekte der Expression von vnd, ind und msh in segment-spezifischer Art und Weise reguliert. En reprimiert ind und msh, hält jedoch vnd-Expression im DC aufrecht; im TC wird En benötigt, um die Expression von Msh herunter zu regulieren und somit die Aktivierung von ind dort zu ermöglichen.rnrnZusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass AP Musterbildungsfaktoren in umfangreichen Maß die Expression der DV Gene im Gehirn (und VNS) kontrollieren. Ferner deuten diese Daten darauf hin, dass sich das „Konzept der ventralen Dominanz“, welches für die DV-Musterbildung im VNS postuliert wurde, nicht auf das genregulatorische Netzwerk im Gehirn übertragen lässt, da Interaktionen zwischen den beteiligten Faktoren hauptsächlich auf wechselseitiger (und nicht einseitiger) Repression basieren. Zudem scheint das Konzept der ventralen Dominanz auch für das VNS nicht uneingeschränkt zu gelten, da in dieser Arbeit u.a. gezeigt werden konnte, dass dorsal exprimiertes Msh in der Lage ist, intermediäres ind zu reprimieren. Interessanterweise ist gegenseitige Repression von Homöodomänen-Proteinen im sich entwickelnden Neuralrohr von Vertebraten weit verbreitet und darüberhinaus essenziell für den Aufbau diskreter DV-Vorläuferdomänen, und weist insofern eine große Ähnlichkeit zu den in dieser Arbeit beschriebenen DV-Musterbildungsvorgängen im frühembryonalen Fliegengehirn auf.rn

Membrane properties and synaptic integration of identified neuronal populations in the developing rodent neocortex

In my PhD work I concentrated on three elementary questions that are essential to understand the interactions between the different neuronal cell populations in the developing neocortex. The questions regarded the identity of Cajal-Retzius (CR) cells, the ubiquitous expression of glycine receptors in all major cell populations of the immature neocortex, and the role of taurine in the modulation of immature neocortical network activity.rnTo unravel whether CR cells of different ontogenetic origin have divergent functions I investigated the electrophysiological properties of YFP+ (derived from the septum and borders of the pallium) and YFP− CR cells (derived from other neocortical origins). This study demonstrated that the passive and active electrophysiological properties as well as features of GABAergic PSCs and glutamatergic currents are similar between both CR cell populations. These findings suggest that CR cells of different origins most probably support similar functions within the neuronal networks of the early postnatal cerebral cortex.rnTo elucidate whether glycine receptors are expressed in all major cell populations of the developing neocortex I analyzed the functional expression of glycine receptors on subplate (SP) cells. Activation of glycine receptors by glycine, -alanine and taurine elicited membrane responses that could be blocked by the selective glycinergic antagonist strychnine. Pharmacological experiments suggest that SP cells express functional heteromeric glycine receptors that do not contain 1 subunits. The activation of glycine receptors by glycine and taurine induced a membrane depolarization, which mediated excitatory effects. Considering the key role of SP cells in immature cortical networks and the development of thalamocortical connections, this glycinergic excitation may influence the properties of early cortical networks and the formation of cortical circuits.rnIn the third part of my project I demonstrated that tonic taurine application induced a massive increase in the frequency of PSCs. Based on their reversal potential and their pharmacological properties these taurine-induced PSCs are exclusively transmitted via GABAA receptors to the pyramidal neurons, while both GABAA and glycine receptors were implicated in the generation of the presynaptic activity. Accordingly, whole-cell and cell-attached recordings from genetically labeled interneurons revealed the expression of glycine and GABAA receptors, which mediated an excitatory action on these cells. These findings suggest that low taurine concentrations can tonically activate exclusively GABAergic networks. The activity level maintained by this GABAergic activity in the immature nervous system may contribute to network properties and can facilitate the activity dependent formation of adequate synaptic projections.rnIn summary, the results of my studies complemented the knowledge about neuronal interactions in the immature neocortex and improve our understanding of cellular processes that guide neuronal development and thus shape the brain.rn

Genetic dynamics across early life stages in the tropical tree Prunus africana (Rosaceae)

In many plant species, the genetic template of early life-stages is formed by animal-mediated pollination and seed dispersal and has profound impact on further recruitment and population dynamics. Understanding the impact of pollination and seed dispersal on genetic patterns is a central issue in plant population biology. In my thesis, I investigated (i) contemporary dispersal and gene flow distances as well as (ii) genetic diversity and spatial genetic structure (SGS) across subsequent recruitment stages in a population of the animal-pollinated and dispersed tree Prunus africana in Kakamega Forest, West Kenya. Using microsatellite markers and parentage analyses, I inferred distances of pollen dispersal (father-to-mother), seed dispersal/maternal gene flow (mother-to-offspring) as well as paternal gene flow (father-to-offspring) for four early life stages of the species (seeds and fruits, current year seedlings, seedlings ≤ 3yr, seedlings > 3yr). Distances of pollen and seed dispersal as well as paternal gene flow were significantly shorter than expected from the spatial arrangement of trees and sampling plots. They were not affected by the density of conspecific trees in the surrounding. At the propagule stage, mean pollen dispersal distances were considerably (23-fold) longer than seed dispersal distances, and paternal gene flow distances exceeded maternal gene flow by a factor of 25. Seed dispersal distances were remarkably restricted, potentially leading to a strong initial SGS. The initial genetic template created by pollination and seed dispersal was extensively altered during later recruitment stages. Potential Janzen-Connell effects led to markedly increasing distances between offspring and both parental trees in older life stages. This showed that distance and density-dependent mortality factors are not exclusively related to the mother tree, but also to the father. Across subsequent recruitment stages, the pollen to seed dispersal ratio and the paternal to maternal gene flow ratio dropped to 2.1 and 3.4, respectively, in seedlings > 3yr. The relative changes in effective pollen dispersal, seed dispersal, and paternal gene flow distances across recruitment stages elucidate the mechanisms affecting the contribution of the two processes pollen and seed dispersal to overall gene flow. Using the same six microsatellite loci, I analyzed genetic diversity and SGS across five life stages, from seed rain to adults. Levels of genetic diversity within the studied P. africana population were comparable to other Prunus species and did not vary across life stages. In congruence with the short seed dispersal distances, I found significant SGS in all life stages. SGS decreased from seed and early seedling stages to older juvenile stages, and it was higher in adults than in late juveniles of the next generation. A comparison of the data with direct assessments of contemporary gene flow patterns indicate that distance- or density-dependent mortality, potentially due to Janzen-Connell effects, led to the initial decrease in SGS. Intergeneration variation in SGS could have been driven by variation in demographic processes, the effect of overlapping generations, and local selection processes. Overall, my study showed that complex sequential processes during recruitment contribute to the spatial genetic structure of tree populations. It highlights the importance of a multistage perspective for a comprehensive understanding of the impact of animal-mediated pollen and seed dispersal on spatial population dynamics and genetic patterns of trees.

Mechanismen und funktionelle Konsequenzen der Chlorid-Homöostase in unreifen Neuronen des Neocortex

GABA, der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im adulten Gehirn, bewirkt im unreifen Nervensystem eine Membrandepolarisation, vermutlich aufgrund der erhöhten intrazellulären Chloridkonzentration ([Cl-]i) in unreifen Nervenzellen. GABAerge Membrandepolarisationen sind essentiell für die korrekte Entwicklung des zentralen Nervensystems und die Entstehung kortikaler Netzwerkaktivität. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe elektrophysiologischer und immunohistochemischer Methoden die Regulation der Chlorid-Homöostase in unreifen Neuronen des Neokortex untersucht. Die Experimente wurden an Cajal-Retzius (CR) Zellen, einem transienten Zelltyp der Marginalzone, in akuten Hirnschnittpräparaten neonataler Ratten (P0-P3) durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass CR Zellen eine hohe native [Cl-]i von ~30 mM aufweisen. Die hohe [Cl-]i wurde ausschließlich durch Bumetanid sensitiven und Na+-abhängigen aktiven Cl--Transport aufrechterhalten, was auf eine Cl--Akkumulation durch den Kationen-Chlorid-Cotransporter NKCC1 schließen lässt. Diese pharmakologischen Hinweise konnten durch den Nachweis der Expression von NKCC1 in der gesamten Marginalzone, speziell in CR Zellen, bestätigt werden. Die Transportgeschwindigkeit der NKCC1-abhängigen Cl--Akkumulation war gering, was auf eine limitierte Transportkapazität schließen lässt. In Übereinstimmung mit diesem Befund konnte gezeigt werden, dass die Cl--Leitfähigkeit in CR Zellen äußerst klein ist, so dass die NKCC1-abhängige Cl--Akkumulation ausreichend war, um unter Ruhebedingungen eine hohe [Cl-]i zu gewährleisten. Aufgrund dieser hohen [Cl-]i waren GABAA-Rezeptor vermittelte Antworten in CR Zellen exzitatorisch. Die Kapazität des NKCC1-vermittelten Cl--Transportes in CR Zellen konnte durch höherfrequente Stimulation überschritten werden, was dazu führte, dass die [Cl-]i abnahm und GABAerge Antworten unter diesen Bedingungen inhibitorisch wurden. Die inhibitorische Wirkung von GABA in CR Zellen wurde überwiegend durch die Reduktion des Eingangswiderstandes der Zelle vermittelt und beruhte nicht auf einer Verschiebung der Aktionspotentialschwelle.

Early steps in ventral nerve cord development in chelicerates and myriapods and formation of brain compartments in spiders

The central point of this work is the investigation of neurogenesis in chelicerates and myriapods. By comparing decisive mechanisms in neurogenesis in the four arthropod groups (Chelicerata, Crustacea, Insecta, Myriapoda) I was able to show which of these mechanisms are conserved and which developmental modules have diverged. Thereby two processes of embryonic development of the central nervous system were brought into focus. On the one hand I studied early neurogenesis in the ventral nerve cord of the spiders Cupiennius salei and Achaearanea tepidariorum and the millipede Glomeris marginata and on the other hand the development of the brain in Cupiennius salei.rnWhile the nervous system of insects and crustaceans is formed by the progeny of single neural stem cells (neuroblasts), in chelicerates and myriapods whole groups of cells adopt the neural cell fate and give rise to the ventral nerve cord after their invagination. The detailed comparison of the positions and the number of the neural precursor groups within the neuromeres in chelicerates and myriapods showed that the pattern is almost identical which suggests that the neural precursors groups in these arthropod groups are homologous. This pattern is also very similar to the neuroblast pattern in insects. This raises the question if the mechanisms that confer regional identity to the neural precursors is conserved in arthropods although the mode of neural precursor formation is different. The analysis of the functions and expression patterns of genes which are known to be involved in this mechanism in Drosophila melanogaster showed that neural patterning is highly conserved in arthropods. But I also discovered differences in early neurogenesis which reflect modifications and adaptations in the development of the nervous systems in the different arthropod groups.rnThe embryonic development of the brain in chelicerates which was investigated for the first time in this work shows similarities but also some modifications to insects. In vertebrates and arthropods the adult brain is composed of distinct centres with different functions. Investigating how these centres, which are organised in smaller compartments, develop during embryogenesis was part of this work. By tracing the morphogenetic movements and analysing marker gene expressions I could show the formation of the visual brain centres from the single-layered precheliceral neuroectoderm. The optic ganglia, the mushroom bodies and the arcuate body (central body) are formed by large invaginations in the peripheral precheliceral neuroectoderm. This epithelium itself contains neural precursor groups which are assigned to the respective centres and thereby build the three-dimensional optical centres. The single neural precursor groups are distinguishable during this process leading to the assumption that they carry positional information which might subdivide the individual brain centres into smaller functional compartments.rn

Neural network activity in the neonatal rat barrel cortex in vivo

Coordinated patterns of electrical activity are important for the early development of sensory systems. The spatiotemporal dynamics of these early activity patterns and the role of the peripheral sensory input for their generation are essentially unknown. There are two projects in this thesis. In project1, we performed extracellular multielectrode recordings in the somatosensory cortex of postnatal day 0 to 7 rats in vivo and observed three distinct patterns of synchronized oscillatory activity. (1) Spontaneous and periphery-driven spindle bursts of 1–2 s in duration and ~10 Hz in frequency occurred approximately every 10 s. (2) Spontaneous and sensory-driven gamma oscillations of 150–300 ms duration and 30–40 Hz in frequency occurred every 10–30 s. (3) Long oscillations appeared only every ~20 min and revealed the largest amplitude (250–750 µV) and longest duration (>40 s). These three distinct patterns of early oscillatory activity differently synchronized the neonatal cortical network. Whereas spindle bursts and gamma oscillations did not propagate and synchronized a local neuronal network of 200–400 µm in diameter, long oscillations propagated with 25–30 µm/s and synchronized 600-800 µm large ensembles. All three activity patterns were triggered by sensory activation. Single electrical stimulation of the whisker pad or tactile whisker activation elicited neocortical spindle bursts and gamma activity. Long oscillations could be only evoked by repetitive sensory stimulation. The neonatal oscillatory patterns in vivo depended on NMDAreceptor-mediated synaptic transmission and gap junctional coupling. Whereas spindle bursts and gamma oscillations may represent an early functional columnar-like pattern, long oscillations may serve as a propagating activation signal consolidating these immature neuronal networks. In project2, Using voltage-sensitive dye imaging and simultaneous multi-channel extracellular recordings in the barrel cortex and somatosensory thalamus of newborn rats in vivo, we found that spontaneous and whisker stimulation induced activity patterns were restricted to functional cortical columns already at the day of birth. Spontaneous and stimulus evoked cortical activity consisted of gamma oscillations followed by spindle bursts. Spontaneous events were mainly generated in the thalamus or by spontaneous whisker movements. Our findings indicate that during early developmental stages cortical networks self-organize in ontogenetic columns via spontaneous gamma oscillations triggered by the thalamus or sensory periphery.

Long-term potentiation and neural network activity in the neonatal rat cerebral cortex in vivo

Long-term potentiation in the neonatal rat rnbarrel cortex in vivo rnLong-term potentiation (LTP) is important for the activity-dependent formation of early cortical circuits. In the neonatal rodent barrel cortex LTP has been so far only studied in vitro. I combined voltage-sensitive dye imaging with extracellular multi-electrode recordings to study whisker stimulation-induced LTP for both the slope of field potential and the number of multi-unit activity in the whisker-to-barrel cortex pathway of the neonatal rat barrel cortex in vivo. Single whisker stimulation at 2 Hz for 10 min induced an age-dependent expression of LTP in postnatal day (P) 0 to P14 rats with the strongest expression of LTP at P3-P5. The magnitude of LTP was largest in the stimulated barrel-related column, smaller in the surrounding septal region and no LTP could be observed in the neighboring barrel. Current source density analyses revealed an LTP-associated increase of synaptic current sinks in layer IV / lower layer II/III at P3-P5 and in the cortical plate / upper layer V at P0-P1. This study demonstrates for the first time an age-dependent and spatially confined LTP in the barrel cortex of the newborn rat in vivo. These activity-dependent modifications during the critical period may play an important role in the development and refinement of the topographic map in the barrel cortex. (An et al., 2012)rnEarly motor activity triggered by gamma and spindle bursts in neonatal rat motor cortexrnSelf-generated neuronal activity generated in subcortical regions drives early spontaneous motor activity, which is a hallmark of the developing sensorimotor system. However, the neuronal activity patterns and functions of neonatal primary motor cortex (M1) in the early movements are still unknown. I combined voltage-sensitive dye imaging with simultaneous extracellular multi-electrode recordings in the neonatal rat S1 and M1 in vivo. At P3-P5, gamma and spindle bursts observed in M1 could trigger early paw movements. Furthermore, the paw movements could be also elicited by the focal electrical stimulation of M1 at layer V. Local inactivation of M1 could significantly attenuate paw movements, suggesting that the neonatal M1 operates in motor mode. In contrast, the neonatal M1 can also operate in sensory mode. Early spontaneous movements and sensory stimulations of paw trigger gamma and spindle bursts in M1. Blockade of peripheral sensory input from the paw completely abolished sensory evoked gamma and spindle bursts. Moreover, both sensory evoked and spontaneously occurring gamma and spindle bursts mediated interactions between S1 and M1. Accordingly, local inactivation of the S1 profoundly reduced paw stimulation-induced and spontaneously occurring gamma and spindle bursts in M1, indicating that S1 plays a critical role in generation of the activity patterns in M1. This study proposes that both self-generated and sensory evoked gamma and spindle bursts in M1 may contribute to the refinement and maturation of corticospinal and sensorimotor networks required for sensorimotor coordination.rn

High mobility rates during the period of the "Celtic migrations"? - 87 Sr, 86 Sr and delta 18 O evidence from Early La Tène Europe

Although the period of the historic “Celtic migrations” is archaeologically extensively studied, the long-lasting question whether mass migration or increased individual mobility caused the expansion of the La Tène culture throughout continental Europe persist. Strontium (Sr) and in part oxygen (O) isotope analysis of human remains from the early La Tène cemeteries of Nebringen (Germany), Münsingen-Rain (Switzerland), Monte Bibele (Italy) and the Czech cemeteries of Radovesice I, Radovesice II and Kutná Hora was, therefore, carried out to investigate the importance of residential changes during this time period. These isotope analyses showed that most analysed individuals either came from the area they were buried in or from the surrounding area of the cemetery. An exception was formed by the Czech cemeteries, where almost a quarter of the studied individuals appeared non-local. Together with Nebringen, these cemeteries also had the most varied Sr isotope ratios, which suggest highly mobile communities in which individuals regularly changed their residency. The isotopic ratios of the cemeteries of Münsingen-Rain and Monte Bibele appeared far less varied. In part, these differences might be explained by the community structures of these cemeteries. Morphological kinship analysis in Münsingen-Rain demonstrated biological relatedness among most of the analysed individuals. These related individuals also shared similar isotope signatures, which suggest an origin from the surrounding Aar Valley. In the vicinity of the cemetery of Monte Bibele, an associated settlement site was discovered. The deceased presumably not only shared this settlement, but also cultivated the same land plots. Dispersed settlement structures were suggested for Nebringen, Radovesice and Kutná Hora, as these agriculturally favourable landscapes were densely populated during prehistoric times. Connected to these community structures are the prevailing geological conditions in these areas. Both Münsingen-Rain and Monte Bibele are located in a region where homogeneous geological conditions prevail, whereas the landscapes of Nebringen, Radovesice and Kutná Hora are characterised by complex heterogeneous geological conditions. As the majority of individuals in Nebringen and the Czech cemeteries correspond to the expected isotope values for the studied areas, regularly changing land plots might have contributed to the observed variation. Although mass migration as depicted by the historical sources was not observed individual mobility of a small part of these studied communities certainly played a role. Males appeared, thereby, to have slightly more often a non-local birthplace or moved during childhood. Male mobility was, however, not always associated with burial as a warrior. Females, on the other hand, originated more often from the region. Patrilocal residential patterns, with the exception of the Czech cemeteries, were nevertheless not observed. Objects and ideas also seem to have been exchanged freely, as there are no indications that individuals with particular grave goods came from specific areas. It rather appears that the individuals buried with them were either local or had different places of origin. This can be explained by the fact that the exact origin of grave goods is difficult to establish and the occurrence of similar 87Sr/86Sr values in different areas. This study provided important new insights on the period of the “Celtic migrations” and the way of life of these prehistoric people.

Modulation of network excitability and epileptiform activity in the hippocampus of immature rats by the activation of GlyRs

Epileptic seizures are the manifestations of epilepsy, which is a major neurological disorder and occurs with a high incidence during early childhood. A fundamental mechanism underlying epileptic seizures is loss of balance between neural excitation and inhibition toward overexcitation. Glycine receptor (GlyR) is ionotropic neurotransmitter receptor that upon binding of glycine opens an anion pore and mediates in the adult nervous system a consistent inhibitory action. While previously it was assumed that GlyRs mediate inhibition mainly in the brain stem and spinal cord, recent studies reported the abundant expression of GlyRs throughout the brain, in particular during neuronal development. But no information is available regarding whether activation of GlyRs modulates neural network excitability and epileptiform activities in the immature central nervous system (CNS). Therefore the study in this thesis addresses the role of GlyRs in the modulation of neuronal excitability and epileptiform activity in the immature rat brain. By using in vitro intact corticohippocampal formation (CHF) of rats at postnatal days 4-7 and electrophysiological methods, a series of pharmacological examinations reveal that GlyRs are directly implicated in the control of hippocampal excitation levels at this age. In this thesis I am able to show that GlyRs are functionally expressed in the immature hippocampus and exhibit the classical pharmacology of GlyR, which can be activated by both glycine and the presumed endogenous agonist taurine. This study also reveals that high concentration of taurine is anticonvulsive, but lower concentration of taurine is proconvulsive. A substantial fraction of both the pro- and anticonvulsive effects of taurine is mediated via GlyRs, although activation of GABAA receptors also considerably contributes to the taurine effects. Similarly, glycine exerts both pro- and anticonvulsive effects at low and high concentrations, respectively. The proconvulsive effects of taurine and glycine depend on NKCC1-mediated Cl- accumulation, as bath application of NKCC1 inhibitor bumetanide completely abolishes proconvulsive effects of low taurine and glycine concentrations. Inhibition of GlyRs with low concentration of strychnine triggers epileptiform activity in the CA3 region of immature CHF, indicating that intrinsically an inhibitory action of GlyRs overwhelms its depolarizing action in the immature hippocampus. Additionally, my study indicates that blocking taurine transporters to accumulate endogenous taurine reduces epileptiform activity via activation of GABAA receptors, but not GlyRs, while blocking glycine transporters has no observable effect on epileptiform activity. From the main results of this study it can be concluded that in the immature rat hippocampus, activation of GlyRs mediates both pro- and anticonvulsive effects, but that a persistent activation of GlyRs is required to prevent intrinic neuronal overexcitability. In summary, this study uncovers an important role of GlyRs in the modulation of neuronal excitability and epileptiform activity in the immature rat hippocampus, and indicates that glycinergic system can potentially be a new therapeutic target against epileptic seizures of children.