Mathematical models of cognitive processes

The research activity carried out during the PhD course was focused on the development of mathematical models of some cognitive processes and their validation by means of data present in literature, with a double aim: i) to achieve a better interpretation and explanation of the great amount of data obtained on these processes from different methodologies (electrophysiological recordings on animals, neuropsychological, psychophysical and neuroimaging studies in humans), ii) to exploit model predictions and results to guide future research and experiments. In particular, the research activity has been focused on two different projects: 1) the first one concerns the development of neural oscillators networks, in order to investigate the mechanisms of synchronization of the neural oscillatory activity during cognitive processes, such as object recognition, memory, language, attention; 2) the second one concerns the mathematical modelling of multisensory integration processes (e.g. visual-acoustic), which occur in several cortical and subcortical regions (in particular in a subcortical structure named Superior Colliculus (SC)), and which are fundamental for orienting motor and attentive responses to external world stimuli. This activity has been realized in collaboration with the Center for Studies and Researches in Cognitive Neuroscience of the University of Bologna (in Cesena) and the Department of Neurobiology and Anatomy of the Wake Forest University School of Medicine (NC, USA). PART 1. Objects representation in a number of cognitive functions, like perception and recognition, foresees distribute processes in different cortical areas. One of the main neurophysiological question concerns how the correlation between these disparate areas is realized, in order to succeed in grouping together the characteristics of the same object (binding problem) and in maintaining segregated the properties belonging to different objects simultaneously present (segmentation problem). Different theories have been proposed to address these questions (Barlow, 1972). One of the most influential theory is the so called “assembly coding”, postulated by Singer (2003), according to which 1) an object is well described by a few fundamental properties, processing in different and distributed cortical areas; 2) the recognition of the object would be realized by means of the simultaneously activation of the cortical areas representing its different features; 3) groups of properties belonging to different objects would be kept separated in the time domain. In Chapter 1.1 and in Chapter 1.2 we present two neural network models for object recognition, based on the “assembly coding” hypothesis. These models are networks of Wilson-Cowan oscillators which exploit: i) two high-level “Gestalt Rules” (the similarity and previous knowledge rules), to realize the functional link between elements of different cortical areas representing properties of the same object (binding problem); 2) the synchronization of the neural oscillatory activity in the γ-band (30-100Hz), to segregate in time the representations of different objects simultaneously present (segmentation problem). These models are able to recognize and reconstruct multiple simultaneous external objects, even in difficult case (some wrong or lacking features, shared features, superimposed noise). In Chapter 1.3 the previous models are extended to realize a semantic memory, in which sensory-motor representations of objects are linked with words. To this aim, the network, previously developed, devoted to the representation of objects as a collection of sensory-motor features, is reciprocally linked with a second network devoted to the representation of words (lexical network) Synapses linking the two networks are trained via a time-dependent Hebbian rule, during a training period in which individual objects are presented together with the corresponding words. Simulation results demonstrate that, during the retrieval phase, the network can deal with the simultaneous presence of objects (from sensory-motor inputs) and words (from linguistic inputs), can correctly associate objects with words and segment objects even in the presence of incomplete information. Moreover, the network can realize some semantic links among words representing objects with some shared features. These results support the idea that semantic memory can be described as an integrated process, whose content is retrieved by the co-activation of different multimodal regions. In perspective, extended versions of this model may be used to test conceptual theories, and to provide a quantitative assessment of existing data (for instance concerning patients with neural deficits). PART 2. The ability of the brain to integrate information from different sensory channels is fundamental to perception of the external world (Stein et al, 1993). It is well documented that a number of extraprimary areas have neurons capable of such a task; one of the best known of these is the superior colliculus (SC). This midbrain structure receives auditory, visual and somatosensory inputs from different subcortical and cortical areas, and is involved in the control of orientation to external events (Wallace et al, 1993). SC neurons respond to each of these sensory inputs separately, but is also capable of integrating them (Stein et al, 1993) so that the response to the combined multisensory stimuli is greater than that to the individual component stimuli (enhancement). This enhancement is proportionately greater if the modality-specific paired stimuli are weaker (the principle of inverse effectiveness). Several studies have shown that the capability of SC neurons to engage in multisensory integration requires inputs from cortex; primarily the anterior ectosylvian sulcus (AES), but also the rostral lateral suprasylvian sulcus (rLS). If these cortical inputs are deactivated the response of SC neurons to cross-modal stimulation is no different from that evoked by the most effective of its individual component stimuli (Jiang et al 2001). This phenomenon can be better understood through mathematical models. The use of mathematical models and neural networks can place the mass of data that has been accumulated about this phenomenon and its underlying circuitry into a coherent theoretical structure. In Chapter 2.1 a simple neural network model of this structure is presented; this model is able to reproduce a large number of SC behaviours like multisensory enhancement, multisensory and unisensory depression, inverse effectiveness. In Chapter 2.2 this model was improved by incorporating more neurophysiological knowledge about the neural circuitry underlying SC multisensory integration, in order to suggest possible physiological mechanisms through which it is effected. This endeavour was realized in collaboration with Professor B.E. Stein and Doctor B. Rowland during the 6 months-period spent at the Department of Neurobiology and Anatomy of the Wake Forest University School of Medicine (NC, USA), within the Marco Polo Project. The model includes four distinct unisensory areas that are devoted to a topological representation of external stimuli. Two of them represent subregions of the AES (i.e., FAES, an auditory area, and AEV, a visual area) and send descending inputs to the ipsilateral SC; the other two represent subcortical areas (one auditory and one visual) projecting ascending inputs to the same SC. Different competitive mechanisms, realized by means of population of interneurons, are used in the model to reproduce the different behaviour of SC neurons in conditions of cortical activation and deactivation. The model, with a single set of parameters, is able to mimic the behaviour of SC multisensory neurons in response to very different stimulus conditions (multisensory enhancement, inverse effectiveness, within- and cross-modal suppression of spatially disparate stimuli), with cortex functional and cortex deactivated, and with a particular type of membrane receptors (NMDA receptors) active or inhibited. All these results agree with the data reported in Jiang et al. (2001) and in Binns and Salt (1996). The model suggests that non-linearities in neural responses and synaptic (excitatory and inhibitory) connections can explain the fundamental aspects of multisensory integration, and provides a biologically plausible hypothesis about the underlying circuitry.

Mechanismen der Caveolin-Genregulation in neuralen Zellsystemen

Caveolae sind vesikuläre Invaginationen der eukaryontischen Zellmembran, die bei einer Vielzahl zellbiologischer Prozesse eine bedeutende Rolle spielen. Die strukturellen und funktionellen Hauptbestandteile der Caveolae sind die Caveolin-Proteine, welche von drei homologen Genen (Caveolin-1,-2,-3) kodiert werden. Die Caveoline stellen die Struktur-Organisatoren der Caveolae dar, und regulieren direkt die Aktivität von zahlreichen Caveolae-assoziierten Rezeptorproteinen und Signalmolekülen. Oftmals werden die pleiotropen Effekte der Caveoline über eine Veränderung der Caveolin-Genexpressionsstärke moduliert. In der vorliegenden Arbeit wurden drei unterschiedliche biologische Steuerfaktoren identifiziert, unter deren Kontrolle die Caveolin-Genexpression in neuralen Zellsystemen steht. Bei diesen Faktoren handelt es sich um das Steroidhormon Oestrogen und seine Rezeptoren, den Wachstumsfaktor TGFa und den sekundären Botenstoff zyklisches AMP (cAMP). Oestrogen wirkt über die Aktivierung von Oestrogen-Rezeptoren (ERs) im zentralen Nervensystem in der Regel als neurotropher Faktor. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmalig gezeigt werden, daß in humanen Neuroblastom-Zellen (SK-N-MC) die stabile, rekombinante Expression des ERa-Subtyps zu einer drastischen Reduktion der Caveolin-1/-2-Transkription führt, und daß in der Folge die zelluläre Caveolin-Biosynthese eingestellt wird. Eine Analyse des Caveolin-1-Gens ergab, daß einhergehend mit der Inaktivierung der Caveolin-1-Transkription eine Vielzahl der im Promoter enthaltenen CpG-Dinukleotide methyliert vorliegen. Durch pharmakologische Inhibition der nukleären DNA-Methyltransferasen sowie der Histon-Deacetylasen konnte die Caveolin-1-Transkription teilweise wiederhergestellt werden. Diese Befunde lassen auf die Existenz eines DNA-Methylierungs-abhängigen Stilllegungsmechanismus der Caveolin-Genexpression durch ERa schließen. Dagegen führte die Überexpression des ERb-Subtyps in SK-N-MC-Zellen zu keiner Veränderung der Caveolin-1/-2-Expression. Interessanterweise wurde die supprimierende Wirkung des ERa durch die gleichzeitige Überexpression des ERb vollständig aufgehoben. Der mitogene Wachstumsfaktor TGFa wurde als zweites extrazelluläres Signalmolekül identifiziert, welches eine Reduktion der Caveolin-1/-2-Genexpression bewirkt. In primären kortikalen Astrozyten konnte gezeigt werden, daß TGFa seine supprimierende Wirkung auf die Caveolin-1-Expression partiell über die Aktivierung des PI3-Kinase-abhängigen Signalweges vermittelt. Zudem wurde die supprimierende Wirkung von TGFa durch einen Inhibitior der Histon-Deacetylasen relativiert. Daher scheinen sowohl für den ERa als auch für TGFa epigenetische Prozesse bei der Suppression der Caveolin-1-Genexpression eine entscheidende Rolle zu spielen. Intrazellulär wirkte neben der PI3-Kinase auch der Botenstoff cAMP in kortikalen Astrozyten als Suppressor der Caveolin-Genexpression. Es wäre denkbar, daß die Caveolin-Suppression funktioneller Bestandteil des seit langem etablierten Effekts der cAMP-induzierten Astrozyten-Differenzierung ist. Desweiteren wiesen der cAMP- und TGFa-abhängige Signalweg ein überlappendes, Gehirnregion-spezifisches Regulationsprofil der Caveolin-Expression in Astrozyten auf: während in Kortex und Striatum eine Regulation durch cAMP und TGFa erfolgte, blieb diese in Klein- und Zwischenhirn aus. Somit bewirken drei zentrale regulatorische Faktoren der Proliferation und Differenzierung neuraler Zellen eine Reduktion in der Konzentration der pleiotrop funktionellen Caveoline. Zukünftige Studien müssen zeigen, inwieweit die reduzierte Caveolin-Expression für die morphologischen und biochemischen Primärwirkungen dieser Faktoren während der Entwicklung und im Zuge der Tumorgenese mitverantwortlich ist. Außerdem könnten über die Beobachtungen der zellbiologischen Auswirkungen reduzierter Caveolin-Spiegel neue Erkenntnisse über die Funktion dieser Proteine gewonnen werden.

Untersuchungen zur Funktion und Regulation der Rezeptor-Tyrosin-Phosphatase RPTPlambda bei der Entwicklung des Mittel- und Hinterhirns

Der isthmische Organisator liegt an der Grenze zwischen dem sich entwickelnden Mittel- und Hinterhirn und kontrolliert Wachstum und Musterbildung dieser beiden Hirnregionen. In der vorliegenden Arbeit wird die räumliche und zeitliche Expression der Rezeptor-ähnlichen Protein Tyrosin Phosphatase lambda aus dem Huhn (cRPTPλ, auch als cRPTPψ bekannt) während der Entwicklung dieser Struktur beschrieben. Nach einer anfänglich weitläufigen Expression im kaudalen Vorderhirn und in der Mittelhirnregion, beschränkt sich die Expression von cRPTPλ zwischen dem embryonalen Tag E2 und E3.5 auf die ventrale Mittellinie des Neuralrohrs, den Bereich der späteren neuralen Retina und Linse und auf einen schmalen Ring anterior der isthmischen Einschnürung, welcher der molekularen Mittel- / Hinterhirngrenze (MHO) entspricht. Ab dem embryonalen Tag E3.5 wird RPTPλ dann auch im gesamten Mittelhirn gebildet. Um Hinweise auf die Funktion von cRPTPλ zu bekommen, wurde die Regulation dieses Moleküls untersucht. Die Expression von cRPTPλ am MHO wird von dem Fibroblasten Wachstumsfaktor Fgf8 und dem Transkriptionsfaktor Lmx1b, nicht aber von dem sezernierten Glykoprotein Wnt1 induziert. Der Transkriptionsfaktor En-1 unterdrückt die Expression von cRPTPλ am MHO. cRPTPλ-Expression im Mittelhirn wird negativ durch das sezernierte Protein Sonic Hedgehog reguliert, während Lmx1b und En-1 dort keinen Einfluss auf das Expressionsmuster von cRPTPλ haben. Fgf8 und Wnt1 sind maßgeblich an der Regulation von Wachstum und Musterbildung des embryonalen Mittelhirns beteiligt. Funktionelle Studien zu RPTPλ deuten darauf hin, dass dieses Protein als negativer Rückkopplungsmechanismus beider Signalwege wirken kann. RNAi- und Überexpressionsstudien am MHO lieferten Hinweise darauf, dass RPTPλ der Induktion der Wnt1-Expression durch Fgf8 entgegenwirkt. Dies scheint durch Interaktion noch unbekannter Faktoren mit der Juxtamembrandomäne von RPTPλ vermittelt zu werden. Auf das Expressionsmuster von Fgf8 selbst, oder einer Reihe anderer Faktoren, die ebenfalls von Fgf8 reguliert werden, hat RPTPλ allerdings keinen Einfluss. Des Weiteren konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass eine „künstliche“ Aufrechterhaltung der Expression von cRPTPλ im Mittelhirn zwischen dem embryonalen Tag E2 und E3.5 zu einem stark verkleinerten Mesenzephalon führt. RPTPλ bindet in vivo an β-Catenin, ein zentrales Protein des kanonischen Wnt-Signalweges, und moduliert dadurch vermutlich das Wnt-Signal, welches seinerseits Proliferation im Mesenzephalon fördert. Durch diesen Mechanismus könnte cRPTPλ als „Bremse“ des kanonischen Wnt-Signalweges im Mittelhirn wirken.

Untersuchung neuer hochwirksamer neuroprotektiver Antioxidantien in experimentellen Modellen der Parkinsonschen Krankheit

Bei der Parkinsonschen Krankheit kommt es zu einer selektiven Degeneration der dopaminergen Neurone in der Substantia nigra pars compacta. Die Rolle des oxidativen Stresses in der Pathogenese dieser Erkrankung konnte an post mortem Untersuchungen der Parkinson-Patienten, wie auch an zahlreichen in vitro und in vivo Modellen bestätigt werden. Die Anwendung von Antioxidantien wurde als therapeutische Strategie der Parkinsonschen Krankheit vorgeschlagen. In dieser Hinsicht wurden bereits antioxidative Substanzen in klinischen Studien evaluiert. Klinische Studien mit Antioxidantien haben jedoch bislang nur wenig überzeugende Ergebnisse erbracht, mit Ausnahme des Einsatzes des Ubichinons (Coenzym Q). Eine kritische Analyse der klinischen Studien lässt zusammenfassen, dass auf Seiten der verwendeten Antioxidantien noch massiver Optimierungsbedarf besteht. Für einen erfolgreichen therapeutischen Einsatz von Antioxidantien bei dieser Krankheit sind folgende Eigenschaften der Substanzen von höchster Bedeutung: i) maximale neuroprotektive Aktivität bei geringen Dosen; ii) geringe Nebenwirkungen; iii) eine hohe Blut-Hirn-Schrankengängigkeit.In dieser Arbeit wurde das neuroprotektive Potential von drei Bisarylimin-basierten antioxidativen Strukturen (Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin) in in vitro und in vivo Parkinson-Modellsystemen evaluiert. Beide experimentellen Modelle basieren auf der Wirkung der mitochondrialen Komplex I Inhibitoren 1-Methyl-4-Phenylpyridin (MPP+) und Rotenon, welche pathophysiologische Charakteristika der Parkinsonschen Krankheit reproduzieren. Unsere in vitro Untersuchungen an primären Neuronen des Mittelhirns und der klonalen SH-SY5Y-Neuroblastomazelllinie konnten zeigen, dass die Komplex I Inhibition krankheitsspezifische zelluläre Merkmale induziert, wie die Abnahme der antioxidativen Verteidigungskapazität und Verlust des mitochondrialen Membranpotentials. Zusätzlich kommt es in primären Neuronen des Mittelhirns zur selektiven Degeneration dopaminerger Neurone, welche in der Parkinsonschen Erkrankung besonders betroffen sind. Ko-Inkubation der in vitro Modelle mit Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin in niedrigen Konzentrationen (50 nM) halten die pathologischen Prozesse fast vollständig auf. In vivo Untersuchungen am MPP+- und Rotenon-basierten Caenorhabditis elegans (C. elegans) Modell bestätigen das neuroprotektive Potential der Bisarylimine. Hierfür wurde eine transgene C. elegans Linie mithilfe einer dopaminerg spezifischen DsRed2- (Variante des rot fluoreszierenden Proteins von Discosoma sp.)-Expression und pan-neuronaler CFP- (cyan fluoreszierendes Protein)-Expression zur Visualisierung der dopaminergen Neuronenpopulation in Kontrast zum Gesamtnervensystem erstellt. Behandlung des C. elegans mit MPP+ und Rotenon im larvalen und adulten Stadium führt zu einer selektiven Degeneration dopaminerger Neurone, sowie zum Entwicklungsarrest der larvalen Population. Die dopaminerge Neurodegeneration, wie auch weitere phänotypische Merkmale des C. elegans Modells, können durch Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin in niedrigen Konzentrationen (500 nM) komplett verhindert werden. Ein systemischer Vergleich aromatischer Bisarylimine mit bekannten, gut charakterisierten Antioxidantien, wie α-Tocopherol (Vitamin E), Epigallocatechingallat und β-Catechin, zeigt, dass effektive Konzentrationen für Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin um Zehnerpotenzen niedriger liegen im Vergleich zu natürlichen Antioxidantien. Der Wirkungsmechanismus der Bisarylimine konnte in biochemischen und in vitro Analysen, sowie in Verhaltensuntersuchungen an C. elegans von der Wirkungsweise strukturell ähnlicher, neuroleptisch wirkender Phenothiazin-Derivate differenziert werden. Die Analyse des dopaminerg-gesteuerten Verhaltens (Beweglichkeit) in C. elegans konnte verdeutlichen, dass antioxidative und Dopaminrezeptor-bindende Eigenschaften der Bisaryliminstrukturen sich gegenseitig ausschließen. Diese qualitativen Merkmale unterscheiden Bisarylimine fundamental von klinisch angewandten Neuroleptika (Phenothiazin-Derivate), welche als Dopaminrezeptor-Antagonisten zur Behandlung psychischer Erkrankungen klinisch eingesetzt werden.Aromatische Bisarylimine (Phenothiazin, Iminostilben und Phenoxazin) besitzen günstige strukturelle Eigenschaften zur antioxidativ-basierter Neuroprotektion. Durch die Anwesenheit der antioxidativ wirkenden, nicht-substituierten Iminogruppe unterscheiden sich Bisarylimine grundlegend von neuroleptisch-wirkenden Phenothiazin-Derivaten. Wichtige strukturelle Voraussetzungen eines erfolgreichen antioxidativen Neuropharmakons, wie eine hohe Radikalisierbarkeit, die stabile Radikalform und der lipophile Charakter des aromatischen Ringsystems, werden in der Bisaryliminstruktur erfüllt. Antioxidative Bisarylimine könnten in der Therapie der Parkinsonschen Krankheit als eine effektive neuroprotektiv-therapeutische Strategie weiter entwickelt werden.

Funktionelle Analyse der Plasmamembran-Ca 2+-ATPase 2 -PMCA2- in Modellen der Neurodegeneration

Calcium (Ca2+) ist ein ubiquitär vorkommendes Signalmolekül, das an der Regulation zahlreicher zellulärer Prozesse, von der Proliferation bis zum programmierten Zelltod, beteiligt ist. Daher müssen die intrazellulären Ca2+-Spiegel streng kontrolliert werden. Veränderungen der Ca2+-Homöostase während der altersassoziierten Neurodegeneration können dazu beitragen, dass Neuronen vulnerabler sind. So wurden erhöhte Ca2+-Konzentrationen in gealterten Neuronen, begleitet von einer erhöhten Vulnerabilität, beobachtet (Hajieva et al., 2009a). Weiterhin wird angenommen, dass der selektive Untergang von dopaminergen Neuronen bei der Parkinson Erkrankung auf eine erhöhte Ca2+-Last zurückzuführen sein könnte, da diese Neuronen einem ständigen Ca2+-Influx,rnaufgrund einer besonderen Isoform (CaV 1.3) spannungsgesteuerter Ca2+-Kanäle des L-Typs, ausgesetzt sind (Chan et al., 2007). Bislang wurden die molekularen Mechanismen, die einem Ca2+-Anstieg zu Grunde liegen und dessen Auswirkung jedoch nicht vollständig aufgeklärt und daher in der vorliegenden Arbeit untersucht. Um Veränderungen der Ca2+-Homöostase während der altersassoziiertenrnNeurodegeneration zu analysieren wurden primäre Mittelhirnzellen aus Rattenembryonen und SH-SY5Y-Neuroblastomazellen mit dem Neurotoxin 1-Methyl-4-Phenyl-Pyridin (MPP+), das bei der Etablierung von Modellen der Parkinson-Erkrankung breite Anwendung findet, behandelt. Veränderungen der intrazellulären Ca2+-Konzentration wurden mit einem auf dem grün fluoreszierenden Protein (GFP)-basierten Ca2+-Indikator,rn„Cameleon cpYC 3.6“ (Nagai et al., 2004), ermittelt. Dabei wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass MPP+ die Abregulation der neuronenspezifischen ATP-abhängigen Ca2+-Pumpe der Plasmamembran (PMCA2) induziert, die mit der Ca2+-ATPase des endoplasmatischen Retikulums (SERCA) und dem Na+/Ca2+-Austauscher (NCX) das zelluläre Ca2+-Effluxsystem bildet, was zu einer erhöhten zytosolischen Ca2+-Konzentration führt. Die PMCA2-Abnahme wurde sowohl auf Transkriptionsebene als auch auf Proteinebene demonstriert, während keine signifikanten Veränderungen der SERCA- und NCX-Proteinmengen festgestellt wurden. Als Ursache der Reduktion der PMCA2-Expression wurde eine Abnahme des Transkriptionsfaktors Phospho-CREB ermittelt, dessen Phosphorylierungsstatus abhängig von der Proteinkinase A (PKA) war. Dieser Mechanismus wurde einerseits unter MPP+-Einfluss und andererseits vermittelt durch endogene molekulare Modulatoren gezeigt. Interessanterweise konnten die durch MPP+ induzierte PMCA2-Abregulation und der zytosolische Ca2+-Anstieg durch die Aktivierung der PKA verhindert werden. Parallel dazu wurde eine MPP+-abhängige verringerte mitochondriale Ca2+-Konzentration nachgewiesen, welche mit einer Abnahme des mitochondrialen Membranpotentials korrelierte. Darüber hinaus kam es als Folge der PMCA2-Abnahme zu einem verminderten neuronalen Überleben.rnVeränderungen der Ca2+-Homöostase wurden auch während der normalen Alterung inrnprimären Fibroblasten und bei Mäusen nachgewiesen. Dabei wurden verringerte PMCA und SERCA-Proteinmengen in gealterten Fibroblasten, einhergehend mit einem Anstieg der zytosolischen Ca2+-Konzentration demonstriert. Weiterhin wurden verringerte PMCA2-Proteinmengen im Mittelhirn von gealterten Mäusen (C57B/6) detektiert.rnDer zelluläre Ca2+-Efflux ist somit sowohl im Zuge der physiologischen Alterung als auch in einem altersbezogenen Krankheitsmodell beeinträchtigt, was das neuronale Überleben beeinflussen kann. In zukünftige Studien soll aufgeklärt werden, welche Auswirkungen einer PMCA2-Reduktion genau zu dem Verlust von Neuronen führen bzw. ob durch eine PMCA2-Überexpression neurodegenerative Prozesse verhindert werden können.

Ophthalmological findings in Joubert syndrome

Joubert syndrome (JS) is an autosomal-recessive inherited complex malformation of the midbrain-hindbrain. It has been associated with ocular and oculomotor abnormalities. The aim of our study was to extend the ophthalmic knowledge in JS and to add new findings.

Recurrent antitopographic inhibition mediates competitive stimulus selection in an attention network

Topographically organized neurons represent multiple stimuli within complex visual scenes and compete for subsequent processing in higher visual centers. The underlying neural mechanisms of this process have long been elusive. We investigate an experimentally constrained model of a midbrain structure: the optic tectum and the reciprocally connected nucleus isthmi. We show that a recurrent antitopographic inhibition mediates the competitive stimulus selection between distant sensory inputs in this visual pathway. This recurrent antitopographic inhibition is fundamentally different from surround inhibition in that it projects on all locations of its input layer, except to the locus from which it receives input. At a larger scale, the model shows how a focal top-down input from a forebrain region, the arcopallial gaze field, biases the competitive stimulus selection via the combined activation of a local excitation and the recurrent antitopographic inhibition. Our findings reveal circuit mechanisms of competitive stimulus selection and should motivate a search for anatomical implementations of these mechanisms in a range of vertebrate attentional systems.

Enhanced proliferation and dopaminergic differentiation of ventral mesencephalic precursor cells by synergistic effect of FGF2 and reduced oxygen tension

Effective numerical expansion of dopaminergic precursors might overcome the limited availability of transplantable cells in replacement strategies for Parkinson's disease. Here we investigated the effect of fibroblast growth factor-2 (FGF2) and FGF8 on expansion and dopaminergic differentiation of rat embryonic ventral mesencephalic neuroblasts cultured at high (20%) and low (3%) oxygen tension. More cells incorporated bromodeoxyuridine in cultures expanded at low as compared to high oxygen tension, and after 6 days of differentiation there were significantly more neuronal cells in low than in high oxygen cultures. Low oxygen during FGF2-mediated expansion resulted also in a significant increase in tyrosine hydroxylase-immunoreactive (TH-ir) dopaminergic neurons as compared to high oxygen tension, but no corresponding effect was observed for dopamine release into the culture medium. However, switching FGF2-expanded cultures from low to high oxygen tension during the last two days of differentiation significantly enhanced dopamine release and intracellular dopamine levels as compared to all other treatment groups. In addition, the short-term exposure to high oxygen enhanced in situ assessed TH enzyme activity, which may explain the elevated dopamine levels. Our findings demonstrate that modulation of oxygen tension is a recognizable factor for in vitro expansion and dopaminergic differentiation of rat embryonic midbrain precursor cells.

[Tremorgenic syndrome in a cattle herd after feeding silage contaminated with A. clavatus];;Tremorgenes Syndrom in einem Rinderbestand nach Verfütterung einer mit A. clavatus befallenen Silage

The clinical signs, pathological and laboratory findings of cattle suffering from a tremorgenic syndrome are described. Animals on a farm with a total of 22 cows, 18 heifers and 9 calves were fed mouldy grass and spent malt-grain silage. Five heifers were affected with muscular tremor, hyperexcitability and hypersensitivity. They were ataxic or in sternal recumbency, while their appetite remained normal. Haematology and blood chemistry in two heifers as well as cerebrospinal fluid from one sick animal were unremarkable. The pathological examination of one animal brought no macroscopic changes to light. Histological examination, however, revealed the degeneration of motor neurones in the midbrain, brain stem and spinal cord. Analysis of a silage sample provided evidence of the presence of Aspergillus clavatus, a mould capable of producing neurotoxic tremorgenic mycotoxins. Epidemiology, clinical findings, pathology and microbiological examination suggest that the five cattle were suffering from neuromycotoxicosis.

Atypical scrapie in a Swiss goat and implications for transmissible spongiform encephalopathy surveillance

Different types of transmissible spongiform encephalopathies (TSEs) affect sheep and goats. In addition to the classical form of scrapie, both species are susceptible to experimental infections with the bovine spongiform encephalopathy (BSE) agent, and in recent years atypical scrapie cases have been reported in sheep from different European countries. Atypical scrapie in sheep is characterized by distinct histopathologic lesions and molecular characteristics of the abnormal scrapie prion protein (PrP(sc)). Characteristics of atypical scrapie have not yet been described in detail in goats. A goat presenting features of atypical scrapie was identified in Switzerland. Although there was no difference between the molecular characteristics of PrP(sc) in this animal and those of atypical scrapie in sheep, differences in the distribution of histopathologic lesions and PrP(sc) deposition were observed. In particular the cerebellar cortex, a major site of PrP(sc) deposition in atypical scrapie in sheep, was found to be virtually unaffected in this goat. In contrast, severe lesions and PrP(sc) deposition were detected in more rostral brain structures, such as thalamus and midbrain. Two TSE screening tests and PrP(sc) immunohistochemistry were either negative or barely positive when applied to cerebellum and obex tissues, the target samples for TSE surveillance in sheep and goats. These findings suggest that such cases may have been missed in the past and could be overlooked in the future if sampling and testing procedures are not adapted. The epidemiological and veterinary public health implications of these atypical cases, however, are not yet known.

Cortical and subcortical correlates of electroencephalographic alpha rhythm modulation

Neural correlates of electroencephalographic (EEG) alpha rhythm are poorly understood. Here, we related EEG alpha rhythm in awake humans to blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal change determined by functional magnetic resonance imaging (fMRI). Topographical EEG was recorded simultaneously with fMRI during an open versus closed eyes and an auditory stimulation versus silence condition. EEG was separated into spatial components of maximal temporal independence using independent component analysis. Alpha component amplitudes and stimulus conditions served as general linear model regressors of the fMRI signal time course. In both paradigms, EEG alpha component amplitudes were associated with BOLD signal decreases in occipital areas, but not in thalamus, when a standard BOLD response curve (maximum effect at approximately 6 s) was assumed. The part of the alpha regressor independent of the protocol condition, however, revealed significant positive thalamic and mesencephalic correlations with a mean time delay of approximately 2.5 s between EEG and BOLD signals. The inverse relationship between EEG alpha amplitude and BOLD signals in primary and secondary visual areas suggests that widespread thalamocortical synchronization is associated with decreased brain metabolism. While the temporal relationship of this association is consistent with metabolic changes occurring simultaneously with changes in the alpha rhythm, sites in the medial thalamus and in the anterior midbrain were found to correlate with short time lag. Assuming a canonical hemodynamic response function, this finding is indicative of activity preceding the actual EEG change by some seconds.

Expression of trefoil factor 1 in the developing and adult rat ventral mesencephalon

Trefoil factor 1 (TFF1) belongs to a family of secreted peptides with a characteristic tree-looped trefoil structure. TFFs are mainly expressed in the gastrointestinal tract where they play a critical role in the function of the mucosal barrier. TFF1 has been suggested as a neuropeptide, but not much is known about its expression and function in the central nervous system. We investigated the expression of TFF1 in the developing and adult rat midbrain. In the adult ventral mesencephalon, TFF1-immunoreactive (-ir) cells were predominantly found in the substantia nigra pars compacta (SNc), the ventral tegmental area (VTA) and in periaqueductal areas. While around 90% of the TFF1-ir cells in the SNc co-expressed tyrosine hydroxylase (TH), only a subpopulation of the TH-ir neurons expressed TFF1. Some TFF1-ir cells in the SNc co-expressed the calcium-binding proteins calbindin or calretinin and nearly all were NeuN-ir confirming a neuronal phenotype, which was supported by lack of co-localization with the astroglial marker glial fibrillary acidic protein (GFAP). Interestingly, at postnatal (P) day 7 and P14, a significantly higher proportion of TH-ir neurons in the SNc co-expressed TFF1 as compared to P21. In contrast, the proportion of TFF1-ir cells expressing TH remained unchanged during postnatal development. Furthermore, significantly more TH-ir neurons expressed TFF1 in the SNc, compared to the VTA at all four time-points investigated. Injection of the tracer fluorogold into the striatum of adult rats resulted in retrograde labeling of several TFF1 expressing cells in the SNc showing that a significant fraction of the TFF1-ir cells were projection neurons. This was also reflected by unilateral loss of TFF1-ir cells in SNc of 6-hydroxylase-lesioned hemiparkinsonian rats. In conclusion, we show for the first time that distinct subpopulations of midbrain dopaminergic neurons express TFF1, and that this expression pattern is altered in a rat model of Parkinson's disease.

Functional studies of homeobox gene {\it Cart1\/} during mouse development

Cart1 is a paired-class homeobox-containing gene that is expressed in head mesenchyme, branchial arches, limb buds, and various cartilages during embryogenesis. To understand the role of Cart1 during mammalian development, I generated Cart1-mutant mice by gene targeting in mouse embryonic stem cells. Cart1-homozygous mutants were born alive but all died soon after birth. Most had acrania (absence of the cranial vault) and meroanencephaly (absence of part of the brain). In situ hybridization studies showed that Cart1 is expressed specifically in forebrain mesenchyme but not in midbrain or hindbrain mesenchyme nor in the neural tube. Developmental studies revealed a transient deficiency of forebrain mesenchyme cells due to apoptosis associated with a delay in neural tube closure in that region. Subsequently, the forebrain region became filled with mesenchyme and closed, however, the midbrain neural tube region never initiated closure and remained open. These results suggest that Cart1 is required for the survival of forebrain mesenchyme and that its absence disrupts cranial neural tube morphogenesis by blocking the initiation of closure in the midbrain region, and this ultimately leads to the generation of lethal craniofacial defects. Prenatal treatment of Cart1 homozygous mutants with folic acid suppressed the development of the acrania/meroanencephaly phenotype. Thus, Cart1 mutant mice provide a novel animal model for understanding the cellular, molecular, and genetic etiology of neural tube defects and for the development of prenatal therapeutic protocols using folic acid. ^

Transcriptional regulation of the human {\it PAX6\/} gene

PAX6, a member of the paired-type homeobox gene family, is expressed in a partially and temporally restricted pattern in the developing central nervous system, and its mutation is responsible for human aniridia (AN) and mouse small eye (Sey). The objective of this study was to characterize the PAX6 gene regulation at the transcriptional level, and thereby gain a better understanding of the molecular basis of the dynamic expression pattern and the diversified function of the human PAX6 gene.^ Initially, we examined the transcriptional regulation of the PAX6 gene by transient transfection assays and identified multiple cis-regulatory elements that function differently in different cell lines. The transcriptional initiation site was identified by RNase protection and primer extension assays. Examination of the genomic DNA sequence indicated that the PAX6 promoter has a TATA like-box (ATATTTT) at $-$26 bp, and two CCAAT-boxes are located at positions $-$70 and $-$100 bp. A 38 bp ply (CA) sequence was located 992 bp upstream from the initiation site. Transient transfection assays in glioblastoma cells and leukemia cells indicate that a 92 bp region was required for basal level PAX6 promoter activity. Gel retardation assays showed that this 92 bp sequence can form four DNA-protein complexes which can be specifically competed by a 31-mer oligonucleotide containing a PAX6 TATA-like sequence or an adenovirus TATA box. The activation of the promoter is positively correlated with the expression of PAX6 transcripts in cells tested.^ Based on the results obtained from the in vitro transfection assays, we did further dissection assay and functional analysis in both cell-culture and transgenic mice. We found that a 5 kb upstream promoter sequence is required for the tissue specific expression in the forebrain region which is consistent with that of the endogenous PAX6 gene. A 267 bp cell-type specific repressor located within the 5 kb fragment was identified and shown to direct forebrain specific expression. The cell-type specific repressor element has been narrowed to a 30 bp region which contains a consensus E-box by in vitro transfection assays. The third regulatory element identified was contained in a 162 bp sequence (+167 to +328) which functions as a midbrain repressor, and it appeared to be required for establishing the normal expression pattern of the PAX6 gene. Finally, a highly conserved 216 bp sequence identified in intron 4 exhibited as a spinal cord specific enhancer. And this 216 bp cis-regulatory element can be used as a marker to trace the differentiation and migration of progenitor cells in the developing spinal cord. These studies show that the concerted action of multiple cis-acting regulatory elements located upstream and downstream of the transcription initiation site determines the tissue specific expression of PAX6 gene. ^

Oxytocin shapes the neural circuitry of trust and trust adaptation in humans.

Trust and betrayal of trust are ubiquitous in human societies. Recent behavioral evidence shows that the neuropeptide oxytocin increases trust among humans, thus offering a unique chance of gaining a deeper understanding of the neural mechanisms underlying trust and the adaptation to breach of trust. We examined the neural circuitry of trusting behavior by combining the intranasal, double-blind, administration of oxytocin with fMRI. We find that subjects in the oxytocin group show no change in their trusting behavior after they learned that their trust had been breached several times while subjects receiving placebo decrease their trust. This difference in trust adaptation is associated with a specific reduction in activation in the amygdala, the midbrain regions, and the dorsal striatum in subjects receiving oxytocin, suggesting that neural systems mediating fear processing (amygdala and midbrain regions) and behavioral adaptations to feedback information (dorsal striatum) modulate oxytocin's effect on trust. These findings may help to develop deeper insights into mental disorders such as social phobia and autism, which are characterized by persistent fear or avoidance of social interactions.