Generalization of amygdala LTP and conditioned fear in the absence of presynaptic inhibition

Pavlovian fear conditioning, a simple form of associative learning, is thought to involve the induction of associative, NMDA receptor-dependent long-term potentiation (LTP) in the lateral amygdala. Using a combined genetic and electrophysiological approach, we show here that lack of a specific GABA(B) receptor subtype, GABA(B(1a,2)), unmasks a nonassociative, NMDA receptor-independent form of presynaptic LTP at cortico-amygdala afferents. Moreover, the level of presynaptic GABA(B(1a,2)) receptor activation, and hence the balance between associative and nonassociative forms of LTP, can be dynamically modulated by local inhibitory activity. At the behavioral level, genetic loss of GABA(B(1a)) results in a generalization of conditioned fear to nonconditioned stimuli. Our findings indicate that presynaptic inhibition through GABA(B(1a,2)) receptors serves as an activity-dependent constraint on the induction of homosynaptic plasticity, which may be important to prevent the generalization of conditioned fear.

Interactions between short-term and long-term plasticity: shooting for a moving target

Far from being static transmission units, synapses are highly dynamical elements that change over multiple time scales depending on the history of the neural activity of both the pre- and postsynaptic neuron. Moreover, synaptic changes on different time scales interact: long-term plasticity (LTP) can modify the properties of short-term plasticity (STP) in the same synapse. Most existing theories of synaptic plasticity focus on only one of these time scales (either STP or LTP or late-LTP) and the theoretical principles underlying their interactions are thus largely unknown. Here we develop a normative model of synaptic plasticity that combines both STP and LTP and predicts specific patterns for their interactions. Recently, it has been proposed that STP arranges for the local postsynaptic membrane potential at a synapse to behave as an optimal estimator of the presynaptic membrane potential based on the incoming spikes. Here we generalize this approach by considering an optimal estimator of a non-linear function of the membrane potential and the long-term synaptic efficacy—which itself may be subject to change on a slower time scale. We find that an increase in the long-term synaptic efficacy necessitates changes in the dynamics of STP. More precisely, for a realistic non-linear function to be estimated, our model predicts that after the induction of LTP, causing long-term synaptic efficacy to increase, a depressing synapse should become even more depressing. That is, in a protocol using trains of presynaptic stimuli, as the initial EPSP becomes stronger due to LTP, subsequent EPSPs should become weakened and this weakening should be more pronounced with LTP. This form of redistribution of synaptic efficacies agrees well with electrophysiological data on synapses connecting layer 5 pyramidal neurons.

Structural plasticity of spines at giant mossy fiber synapses

The granule cells of the dentate gyrus give rise to thin unmyelinated axons, the mossy fibers. They form giant presynaptic boutons impinging on large complex spines on the proximal dendritic portions of hilar mossy cells and CA3 pyramidal neurons. While these anatomical characteristics have been known for some time, it remained unclear whether functional changes at mossy fiber synapses such as long-term potentiation (LTP) are associated with structural changes. Since subtle structural changes may escape a fine-structural analysis when the tissue is fixed by using aldehydes and is dehydrated in ethanol, rapid high-pressure freezing (HPF) of the tissue was applied. Slice cultures of hippocampus were prepared and incubated in vitro for 2 weeks. Then, chemical LTP (cLTP) was induced by the application of 25 mM tetraethylammonium (TEA) for 10 min. Whole-cell patch-clamp recordings from CA3 pyramidal neurons revealed a highly significant potentiation of mossy fiber synapses when compared to control conditions before the application of TEA. Next, the slice cultures were subjected to HPF, cryosubstitution, and embedding in Epon for a fine-structural analysis. When compared to control tissue, we noticed a significant decrease of synaptic vesicles in mossy fiber boutons and a concomitant increase in the length of the presynaptic membrane. On the postsynaptic side, we observed the formation of small, finger-like protrusions, emanating from the large complex spines. These short protrusions gave rise to active zones that were shorter than those normally found on the thorny excrescences. However, the total number of active zones was significantly increased. Of note, none of these cLTP-induced structural changes was observed in slice cultures from Munc13-1 deficient mouse mutants showing severely impaired vesicle priming and docking. In conclusion, application of HPF allowed us to monitor cLTP-induced structural reorganization of mossy fiber synapses.

Structural plasticity of hippocampal mossy fiber synapses as revealed by high-pressure freezing

Despite recent progress in fluorescence microscopy techniques, electron microscopy (EM) is still superior in the simultaneous analysis of all tissue components at high resolution. However, it is unclear to what extent conventional fixation for EM using aldehydes results in tissue alteration. Here we made an attempt to minimize tissue alteration by using rapid high-pressure freezing (HPF) of hippocampal slice cultures. We used this approach to monitor fine-structural changes at hippocampal mossy fiber synapses associated with chemically induced long-term potentiation (LTP). Synaptic plasticity in LTP has been known to involve structural changes at synapses including reorganization of the actin cytoskeleton and de novo formation of spines. While LTP-induced formation and growth of postsynaptic spines have been reported, little is known about associated structural changes in presynaptic boutons. Mossy fiber synapses are assumed to exhibit presynaptic LTP expression and are easily identified by EM. In slice cultures from wildtype mice, we found that chemical LTP increased the length of the presynaptic membrane of mossy fiber boutons, associated with a de novo formation of small spines and an increase in the number of active zones. Of note, these changes were not observed in slice cultures from Munc13-1 knockout mutants exhibiting defective vesicle priming. These findings show that activation of hippocampal mossy fibers induces pre- and postsynaptic structural changes at mossy fiber synapses that can be monitored by EM.

Spine Ca2+ signaling in spike-timing-dependent plasticity

Calcium is a second messenger, which can trigger the modification of synaptic efficacy. We investigated the question of whether a differential rise in postsynaptic Ca2+ ([Ca2+]i) alone is sufficient to account for the induction of long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) of EPSPs in the basal dendrites of layer 2/3 pyramidal neurons of the somatosensory cortex. Volume-averaged [Ca2+]i transients were measured in spines of the basal dendritic arbor for spike-timing-dependent plasticity induction protocols. The rise in [Ca2+]i was uncorrelated to the direction of the change in synaptic efficacy, because several pairing protocols evoked similar spine [Ca2+]i transients but resulted in either LTP or LTD. The sequence dependence of near-coincident presynaptic and postsynaptic activity on the direction of changes in synaptic strength suggested that LTP and LTD were induced by two processes, which were controlled separately by postsynaptic [Ca2+]i levels. Activation of voltage-dependent Ca2+ channels before metabotropic glutamate receptors (mGluRs) resulted in the phospholipase C-dependent (PLC-dependent) synthesis of endocannabinoids, which acted as a retrograde messenger to induce LTD. LTP required a large [Ca2+]i transient evoked by NMDA receptor activation. Blocking mGluRs abolished the induction of LTD and uncovered the Ca2+-dependent induction of LTP. We conclude that the volume-averaged peak elevation of [Ca2+]i in spines of layer 2/3 pyramids determines the magnitude of long-term changes in synaptic efficacy. The direction of the change is controlled, however, via a mGluR-coupled signaling cascade. mGluRs act in conjunction with PLC as sequence-sensitive coincidence detectors when postsynaptic precede presynaptic action potentials to induce LTD. Thus presumably two different Ca2+ sensors in spines control the induction of spike-timing-dependent synaptic plasticity.

Frequent sensitization to Candida albicans and profilins in adult eosinophilic esophagitis

BACKGROUND: Eosinophilic esophagitis (EoE) is often associated with atopic airway and skin diseases. More than 80% of EoE patients are sensitized to aero- and/or food allergens. Immunoglobulin (Ig)E-mediated immune responses to microbes have been reported to be deleterious in connection with atopic diseases. AIM: The aim of this study was to obtain a comprehensive overview about the sensitization spectrum of adult EoE patients. METHODS: IgE in sera of 35 patients with active EoE were analyzed for reactivity to Candida albicans, as well as to a panel of recombinant and purified natural allergen components, using a microarray. RESULTS: IgE sensitization to Candida albicans was found in 43% of EoE patients. More than 80% of EoE patients were sensitized to aeroallergens and 22% to food-specific allergen components, whereas 69% of the patients exhibited specific IgE to cross-reactive allergens. Among the latter, profilins were identified as most frequent IgE cross-reactive allergen components. Interestingly, dysphagia, the main symptom of adult EoE patients following rice and/or bread ingestion, was associated with sensitization to cross-reactive allergens such as profilins, pathogenesis-related (PR) 10 and lipid transfer proteins (LTP). Intolerance toward meat rarely correlated with sensitization to animal food allergens. CONCLUSION: Candida albicans and cross-reactive plant allergen components, in particular profilins, were identified as frequent sensitizers in adult EoE patients. Specific elimination therapies are suggested to reveal their actual roles in the pathogenesis of EoE.

Schmiede ─ Heiligtum ─ Wassermühle. Cham-Hagendorn (Kanton Zug) in römischer Zeit. Ausgrabungen 1944/45 und 2003/04

1944/1945 wurde in Cham-Hagendorn eine Wassermühle ausgegraben, die dank ihrer aussergewöhnlich guten Holzerhaltung seit langem einen prominenten Platz in der Forschung einnimmt. 2003 und 2004 konnte die Kantonsarchäologie Zug den Platz erneut archäologisch untersuchen. Dabei wurden nicht nur weitere Reste der Wassermühle, sondern auch Spuren älterer und jüngerer Anlagen geborgen: eine ältere und eine jüngere Schmiedewerkstatt (Horizont 1a/Horizont 3) sowie ein zweiphasiges Heiligtum (Horizonte 1a/1b). All diese Anlagen lassen sich nun in das in den neuen Grabungen erkannte stratigraphische Gerüst einhängen (s. Beil. 2). Dank der Holzerhaltung können die meisten Phasen dendrochronologisch datiert werden (s. Abb. 4.1/1a): Horizont 1a mit Schlagdaten zwischen 162(?)/173 und 200 n. Chr., Horizont 1b um 215/218 n. Chr. und Horizont 2 um 231 n. Chr. Ferner konnten in den neuen Grabungen Proben für mikromorphologische und archäobotanische Untersuchungen entnommen werden (Kap. 2.2; 3.11). In der vorliegenden Publikation werden der Befund und die Baustrukturen vorgelegt, (Kap. 2), desgleichen sämtliche stratifizierten Funde und eine umfassende Auswahl der 1944/1945 geborgenen Funde (Kap. 3). Dank anpassender Fragmente, sog. Passscherben, lassen sich diese zum Teil nachträglich in die Schichtenabfolge einbinden. Die mikromorphologischen und die archäobotanischen Untersuchungen (Kap. 2.2; 3.11) zeigen, dass der Fundplatz in römischer Zeit inmitten einer stark vom Wald und dem Fluss Lorze geprägten Landschaft lag. In unmittelbarer Nähe können weder eine Siedlung noch einzelne Wohnbauten gelegen haben. Die demnach nur gewerblich und sakral genutzten Anlagen standen an einem Bach, der vermutlich mit jenem Bach identisch ist, der noch heute das Groppenmoos entwässert und bei Cham-Hagendorn in die Lorze mündet (s. Abb. 2.4/1). Der antike Bach führte wiederholt Hochwasser ─ insgesamt sind fünf grössere Überschwemmungsphasen auszumachen (Kap. 2.2; 2.4). Wohl anlässlich eines Seehochstandes durch ein Überschwappen der Lorze in den Bach ausgelöst, müssen diese Überschwemmungen eine enorme Gewalt entwickelt haben, der die einzelnen Anlagen zum Opfer fielen. Wie die Untersuchung der Siedlungslandschaft römischer Zeit rund um den Zugersee wahrscheinlich macht (Kap. 6 mit Abb. 6.2/2), dürften die Anlagen von Cham-Hagendorn zu einer in Cham-Heiligkreuz vermuteten Villa gehören, einem von fünf grösseren Landgütern in diesem Gebiet. Hinweise auf Vorgängeranlagen fehlen, mit denen die vereinzelten Funde des 1. Jh. n. Chr. (Kap. 4.5) in Verbindung gebracht werden könnten. Diese dürften eher von einer der Überschwemmungen bachaufwärts weggerissen und nach Cham-Hagendorn eingeschwemmt worden sein. Die Nutzung des Fundplatzes (Horizont 1a; s. Beil. 6) setzte um 170 n. Chr. mit einer Schmiedewerkstatt ein (Kap. 2.5.1). Der Fundanfall, insbesondere die Schmiedeschlacken (Kap. 3.9) belegen, dass hier nur hin und wieder Geräte hergestellt und repariert wurden (Kap. 5.2). Diese Werkstatt war vermutlich schon aufgelassen und dem Verfall preisgegeben, als man 200 n. Chr. (Kap. 4.2.4) auf einer Insel zwischen dem Bach und einem Lorzearm ein Heiligtum errichtete (Kap. 5.3). Beleg für den sakralen Status dieser Insel ist in erster Linie mindestens ein eigens gepflanzter Pfirsichbaum, nachgewiesen mit Pollen, einem Holz und über 400 Pfirsichsteinen (Kap. 3.11). Die im Bach verlaufende Grenze zwischen dem sakralen Platz und der profanen Umgebung markierte man zusätzlich mit einer Pfahlreihe (Kap. 2.5.3). In diese war ein schmaler Langbau integriert (Kap. 2.5.2), der an die oft an Temenosmauern antiker Heiligtümer angebauten Portiken erinnert und wohl auch die gleiche Funktion wie diese gehabt hatte, nämlich das Aufbewahren von Weihegaben und Kultgerät (Kap. 5.3). Das reiche Fundmaterial, das sich in den Schichten der ersten Überschwemmung fand (s. Abb. 5./5), die um 205/210 n. Chr. dieses Heiligtum zerstört hatte, insbesondere die zahlreiche Keramik (Kap. 3.2.4), und die zum Teil auffallend wertvollen Kleinfunde (Kap. 3.3.3), dürften zum grössten Teil einst in diesem Langbau untergebracht gewesen sein. Ein als Glockenklöppel interpretiertes, stratifiziertes Objekt spricht dafür, dass die fünf grossen, 1944/1945 als Stapel aufgefundenen Eisenglocken vielleicht auch dem Heiligtum zuzuweisen sind (Kap. 3.4). In diesen Kontext passen zudem die überdurchschnittlich häufig kalzinierten Tierknochen (Kap. 3.10). Nach der Überschwemmung befestigte man für 215 n. Chr. (Kap. 4.2.4) das unterspülte Bachufer mit einer Uferverbauung (Kap. 2.6.1). Mit dem Bau eines weiteren, im Bach stehenden Langbaus (Kap. 2.6.2) stellte man 218 n. Chr. das Heiligtum auf der Insel in ähnlicher Form wieder her (Horizont 1b; s. Beil. 7). Von der Pfahlreihe, die wiederum die sakrale Insel von der profanen Umgebung abgrenzte, blieben indes nur wenige Pfähle erhalten. Dennoch ist der sakrale Charakter der Anlage gesichert. Ausser dem immer noch blühenden Pfirsichbaum ist es ein vor dem Langbau aufgestelltes Ensemble von mindestens 23 Terrakottafigurinen (s. Abb. 3.6/1), elf Veneres, zehn Matres, einem Jugendlichen in Kapuzenmantel und einem kindlichen Risus (Kap. 3.6; s. auch Kap. 2.6.3). In den Sedimenten der zweiten Überschwemmung, der diese Anlage um 225/230 n. Chr. zum Opfer gefallen war, fanden sich wiederum zahlreiche Keramikgefässe (Kap. 3.2.4) und zum Teil wertvolle Kleinfunde wie eine Glasperle mit Goldfolie (Kap. 3.8.2) und eine Fibel aus Silber (Kap. 3.3.3), die wohl ursprünglich im Langbau untergebracht waren (Kap. 5.3.2 mit Abb. 5/7). Weitere Funde mit sicherem oder möglichem sakralem Charakter finden sich unter den 1944/1945 geborgenen Funden (s. Abb. 5/8), etwa ein silberner Fingerring mit Merkurinschrift, ein silberner Lunula-Anhänger, eine silberne Kasserolle (Kap. 3.3.3), eine Glasflasche mit Schlangenfadenauflage (Kap. 3.8.2) und einige Bergkristalle (Kap. 3.8.4). Im Bereich der Terrakotten kamen ferner mehrere Münzen (Kap. 3.7) zum Vorschein, die vielleicht dort niedergelegt worden waren. Nach der zweiten Überschwemmung errichtete man um 231 n. Chr. am Bach eine Wassermühle (Horizont 2; Kap. 2.7; Beil. 8; Abb. 2.7/49). Ob das Heiligtum auf der Insel wieder aufgebaut oder aufgelassen wurde, muss mangels Hinweisen offen bleiben. Für den abgehobenen Zuflusskanal der Wassermühle verwendete man mehrere stehen gebliebene Pfähle der vorangegangenen Anlagen der Horizonte 1a und 1b. Obwohl die Wassermühle den 28 jährlichen Überschwemmungshorizonten (Kap. 2.2) und den Funden (Kap. 4.3.2; 4.4.4; 45) zufolge nur bis um 260 n. Chr., während gut einer Generation, bestand, musste sie mindestens zweimal erneuert werden – nachgewiesen sind drei Wasserräder, drei Mühlsteinpaare und vermutlich drei Podeste, auf denen jeweils das Mahlwerk ruhte. Grund für diese Umbauten war wohl der weiche, instabile Untergrund, der zu Verschiebungen geführt hatte, so dass das Zusammenspiel von Wellbaum bzw. Sternnabe und Übersetzungsrad nicht mehr funktionierte und das ganze System zerbrach. Die Analyse von Pollen aus dem Gehhorizont hat als Mahlgut Getreide vom Weizentyp nachgewiesen (Kap. 3.11.4). Das Abzeichen eines Benefiziariers (Kap. 3.3.2 mit Abb. 3.3/23,B71) könnte dafür sprechen, dass das verarbeitete Getreide zumindest zum Teil für das römische Militär bestimmt war (s. auch Kap. 6.2.3). Ein im Horizont 2 gefundener Schreibgriffel und weitere stili sowie eine Waage für das Wägen bis zu 35-40 kg schweren Waren aus dem Fundbestand von 1944/1945 könnten davon zeugen, dass das Getreide zu wägen und zu registrieren war (Kap. 3.4.2). Kurz nach 260 n. Chr. fiel die Wassermühle einem weiteren Hochwasser zum Opfer. Für den folgenden Horizont 3 (Beil. 9) brachte man einen Kiesboden ein und errichtete ein kleines Gebäude (Kap. 2.8). Hier war wohl wiederum eine Schmiede untergebracht, wie die zahlreichen Kalottenschlacken belegen (Kap. 3.9), die im Umfeld der kleinen Baus zum Vorschein kamen. Aufgrund der Funde (Kap. 4.4.4; 4.5) kann diese Werkstatt nur kurze Zeit bestanden haben, höchstens bis um 270 n. Chr., bevor sie einem weiteren Hochwasser zum Opfer fiel. Von der jüngsten Anlage, die wohl noch in römische Zeit datiert (Horizont 4; Beil. 10), war lediglich eine Konstruktion aus grossen Steinplatten zu fassen (Kap. 2.9.1). Wozu sie diente, muss offen bleiben. Auch der geringe Fundanfall spricht dafür, dass die Nutzung des Platzes, zumindest für die römische Zeit, allmählich ein Ende fand (Kap. 4.5). Zu den jüngsten Strukturen gehören mehrere Gruben (Kap. 2.9.2), die vielleicht der Lehmentnahme dienten. Mangels Funden bleibt ihre Datierung indes ungewiss. Insbesondere wissen wir nicht, ob sie noch in römische Zeit datieren oder jünger sind. Spätestens mit der fünften Überschwemmung, die zur endgültigen Verlandung führte und wohl schon in die frühe Neuzeit zu setzen ist, wurde der Platz aufgelassen und erst mit dem Bau der bestehenden Fensterfabrik Baumgartner wieder besetzt.

Callus massage after distraction osteogenesis using the concept of lengthening then dynamic plating.

Correction of complex deformities is a challenging procedure. Long-term wearing of a fixator after correction and lengthening are inconvenient and has a high rate of complication. The goals of the surgical treatment in the presented case were: (1) correction of the deformity and lengthening of the left leg by the Taylor spatial frame (TSF, Smith and Nephew, Marl, Germany); (2) reduction in the time the patient wears the TSF by changing the fixation system to a plate (lengthening then plating-LTP) and using a locking compression plate in conjunction with the 5.0 dynamic locking screws in order to accelerate bone healing.