Disposable polyester-toner electrophoresis microchips for DNA analysis

Microchip electrophoresis has become a powerful tool for DNA separation, offering all of the advantages typically associated with miniaturized techniques: high speed, high resolution, ease of automation, and great versatility for both routine and research applications. Various substrate materials have been used to produce microchips for DNA separations, including conventional (glass, silicon, and quartz) and alternative (polymers) platforms. In this study, we perform DNA separation in a simple and low-cost polyester-toner (PeT)-based electrophoresis microchip. PeT devices were fabricated by a direct-printing process using a 600 dpi-resolution laser printer. DNA separations were performed on PeT chip with channels filled with polymer solutions (0.5% m/v hydroxyethylcellulose or hydroxypropylcellulose) at electric fields ranging from 100 to 300Vcm(-1). Separation of DNA fragments between 100 and 1000 bp, with good correlation of the size of DNA fragments and mobility, was achieved in this system. Although the mobility increased with increasing electric field, separations showed the same profile regardless of the electric field. The system provided good separation efficiency (215 000 plates per m for the 500 bp fragment) and the separation was completed in 4 min for 1000 bp fragment ladder. The cost of a given chip is approximately $0.15 and it takes less than 10 minutes to prepare a single device.

Spinal cord injury as a trigger to develop periodic leg movements during sleep: an evolutionary perspective

The primary trigger to periodic limb movement (PLM) during sleep is still unknown. Its association with the restless legs syndrome (RLS) is established in humans and was reported in spinal cord injury (SCI) patients classified by the American Spinal Injury Association (ASIA) as A. Its pathogenesis has not been completely unraveled, though recent advances might enhance our knowledge about those malfunctions. PLM association with central pattern generator (CPG) is one of the possible pathologic mechanisms involved. This article reviewed the advances in PLM and RLS genetics, the evolution of CPG functioning, and the neurotransmitters involved in CPG, PLM and RLS. We have proposed that SCI might be a trigger to develop PLM.

Role of BDNF secretion and signaling in the activity-dependent refinement of synaptic connections

Neuronal networks exhibit diverse types of plasticity, including the activity-dependent regulation of synaptic functions and refinement of synaptic connections. In addition, continuous generation of new neurons in the “adult” brain (adult neurogenesis) represents a powerful form of structural plasticity establishing new connections and possibly implementing pre-existing neuronal circuits (Kempermann et al, 2000; Ming and Song, 2005). Neurotrophins, a family of neuronal growth factors, are crucially involved in the modulation of activity-dependent neuronal plasticity. The first evidence for the physiological importance of this role evolved from the observations that the local administration of neurotrophins has dramatic effects on the activity-dependent refinement of synaptic connections in the visual cortex (McAllister et al, 1999; Berardi et al, 2000; Thoenen, 1995). Moreover, the local availability of critical amounts of neurotrophins appears to be relevant for the ability of hippocampal neurons to undergo long-term potentiation (LTP) of the synaptic transmission (Lu, 2004; Aicardi et al, 2004). To achieve a comprehensive understanding of the modulatory role of neurotrophins in integrated neuronal systems, informations on the mechanisms about local neurotrophins synthesis and secretion as well as ditribution of their cognate receptors are of crucial importance. In the first part of this doctoral thesis I have used electrophysiological approaches and real-time imaging tecniques to investigate additional features about the regulation of neurotrophins secretion, namely the capability of the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF) to undergo synaptic recycling. In cortical and hippocampal slices as well as in dissociated cell cultures, neuronal activity rapidly enhances the neuronal expression and secretion of BDNF which is subsequently taken up by neurons themselves but also by perineuronal astrocytes, through the selective activation of BDNF receptors. Moreover, internalized BDNF becomes part of the releasable source of the neurotrophin, which is promptly recruited for activity-dependent recycling. Thus, we described for the first time that neurons and astrocytes contain an endocytic compartment competent for BDNF recycling, suggesting a specialized form of bidirectional communication between neurons and glia. The mechanism of BDNF recycling is reminiscent of that for neurotransmitters and identifies BDNF as a new modulator implicated in neuro- and glio-transmission. In the second part of this doctoral thesis I addressed the role of BDNF signaling in adult hippocampal neurogenesis. I have generated a transgenic mouse model to specifically investigate the influence of BDNF signaling on the generation, differentiation, survival and connectivity of newborn neurons into the adult hippocampal network. I demonstrated that the survival of newborn neurons critically depends on the activation of the BDNF receptor TrkB. The TrkB-dependent decision regarding life or death in these newborn neurons takes place right at the transition point of their morphological and functional maturation Before newborn neurons start to die, they exhibit a drastic reduction in dendritic complexity and spine density compared to wild-type newborn neurons, indicating that this receptor is required for the connectivity of newborn neurons. Both the failure to become integrated and subsequent dying lead to impaired LTP. Finally, mice lacking a functional TrkB in the restricted population of newborn neurons show behavioral deficits, namely increased anxiety-like behavior. These data suggest that the integration and establishment of proper connections by newly generated neurons into the pre-existing network are relevant features for regulating the emotional state of the animal.

Einfluss gedächtnisrelevanter Prozesse auf die Glutamat- und GABA-Freisetzung aus hippocampalen Primärkulturzellen

Titel: Einfluss gedächtnisrelevanter Prozesse auf die Glutamat- und GABA-Freisetzung aus hippocampalen Primärkulturzellen In der vorliegenden Arbeit wurde ein biochemisches Testsystem etabliert, mit dem es möglich ist, die Freisetzung der Aminosäure-Neurotransmitter Glutamat und GABA aus neuronalem Gewebe auf dem Vielzellniveau zu untersuchen. Der qualitative und quantitative Nachweis der beiden Neurotransmitter erfolgte mit Hilfe der Reversed-Phase-Hochleistungsflüssigkeits-Chromatographie mit Fluoreszenzdetektion. Mit dem Testsystem wurden zwei Untersuchungsreihen durchgeführt: 1.) Es wurde der Einfluss des nAChR-Agonisten Nikotin und des allosterisch an nAChR wirkenden Liganden Galanthamin auf die Glutamat- und GABA-Freisetzung aus Zellen serumfreier hippocampaler Primärkulturen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der für einzelne hippocampale Zellen beschriebene positiv modulatorische Effekt von Nikotin auf die glutamaterge und GABAerge Neurotransmission auch auf dem Vielzellniveau über die Neurotransmitterfreisetzung nachweisbar ist. Desweiteren konnte erstmals gezeigt werden, dass die Nikotin-modulierte Glutamat- und GABA-Freisetzung durch den allosterisch wirkenden nAChR-Liganden Galanthamin signifikant beeinflusst wird. 2.) Es wurde der Einfluss einer LTP-ähnlichen Glutamatpotenzierung auf die GABA-Freisetzung aus serumfreien hippocampalen Primärkulturen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass hippocampale Neuronen in potenziertem (= vorstimuliertem) Zustand auf einen zweiten Glutamat-Stimulus mit einer verringerten GABA-Freisetzung reagieren. Dieser Effekt wird im Wesentlichen über die ionotropen Glutamatrezeptoren vermittelt.

Charakterisierung von inhibitorischen, glyzinergen Synapsen bei Amakrinzellen der Säugernetzhaut

Amakrinzellen sind hemmende Interneurone der Netzhaut. Sie exprimieren erregende, ionotrope Glutamat-Rezeptoren und hemmende Glyzin- bzw. GABA-Rezeptoren. In der vorliegenden Arbeit wurden die Glyzinrezeptoren von Amakrinzellen mit Hilfe der „Patch Clamp“ Technik in Wildtyp- und Glyzin-Rezeptor Knock-out-Mäusen (Glra1spd-ot, Glra2-/-, Glra3-/-) untersucht. In Schnitten und Ganzpräparaten von akut isolierten Netzhäuten wurden Glyzin-induzierte und spontane inhibitorische postsynaptische Ströme (sIPSCs) gemessen. Die Untersuchungen beschränkten sich auf eine Gruppe von Amakrinzellen, die sich durch ein relativ kleines Dendritenfeld auszeichnen, das alle Schichten der IPL durchzieht. Dabei wurden die Ströme von zwei Typen von Amakrinzellen, den AII-Zellen und den NF-Zellen, miteinander verglichen. Alle untersuchten Amakrinzellen reagierten mit einem Stromfluss über die Membran, wenn Glyzin appliziert wurde. Bei AII-Zellen war die Amplitude des Stromes bei der Glra3-/--Maus um etwa 50 % reduziert, während bei den anderen Mauslinien kein Unterschied zum Wildtyp festgestellt wurde. Bei NF-Zellen wurde nur ein geringer Unterschied der Stromamplituden zwischen Wildtyp und Mutanten gefunden. Er war am deutlichsten bei der Glra2-/--Maus. Picrotoxinin ist ein effektiver Antagonist von homomeren Glyzinrezeptoren, während heteromere Glyzinrezeptoren relativ unempfindlich sind. Die Wirkung von Picrotoxinin war bei allen untersuchten Zellen ähnlich und reduzierte die Glyzinantwort um etwa 25 - 30 %. Dieser Effekt war unabhängig von der Mauslinie. Amakrinzellen exprimieren also zum Großteil heteromere Rezeptoren Zur Untersuchung der synaptischen Glyzinrezeptoren der Amakrinzellen wurden die spontanen inhibitorischen postsynaptischen Ströme dieser Zellen gemessen und deren Amplituden und Kinetiken bestimmt. Dabei unterschieden sich die Zeitkonstanten der Deaktivierungs/Desensitivierungskinetik (τw) von AII- und NF-Zellen, wohingegen die Aktivierungszeit nicht voneinander abwich. Spontane IPSCs, die von AII-Amakrinzellen abgeleitet wurden, hatten eine mittlere Zeitkonstante von τ = 11 ms und streuten zwischen 5 und 30 ms. Die Zeitkonstanten der sIPSCs von NF-Amakrinzellen lagen zwischen 10 und 50 ms und wiesen eine mittlere Zeitkonstante von τw = 27 ms auf. Die unterschiedlichen Zeitkonstanten spiegeln die Zusammensetzung der α-Untereinheiten des Glyzinrezeptors wider. AII-Zellen in der Glra1-/-- und in der Glra2-/--Maus hatten vergleichbare Zeitkonstanten wie die AII-Zellen im Wildtyp. Bei der Glra3-/--Maus konnten bei 50 untersuchten AII-Amakrinzellen keine sIPSCs gemessen werden. Dies und die Ergebnisse der Glyzin-induzierten Ströme von AII-Zellen lassen darauf schließen, dass die glyzinergen Synapsen dieser Zellen bevorzugt die α3-Untereinheit enthalten. Bei NF-Amakrinzellen konnte kein Unterschied zwischen Wildtyp-, Glra1spd-ot- und Glra3-/--Mäusen festgestellt werden. Dagegen zeigten die sIPSCs der NF-Amakrinzellen der Glra2-/--Maus signifikant längere Zeitkonstanten. Der Mittelwert verlängerte sich von 27 ms auf 69 ms und es war eine breitere Streuung mit Zeitkonstanten zwischen 15 und 200 ms zu sehen. Die glyzinergen Synapsen der NF-Zellen enthalten vor allem die α2-Untereinheit des Glyzinrezeptors. Die Zeitkonstanten der sIPSCs sind unabhängig von der Verteilung ihrer jeweiligen Amplituden, und zwischen Wildtyp- und KO-Mäusen wurden keine Unterschiede in den Amplituden der sIPSCs beobachtet. Während der Untersuchungen wurden sporadisch noch weitere Amakrinzellen, vor allem „widefield“- (WF) Zellen abgeleitet. Die Verteilungen der Zeitkonstanten der sIPSCs dieser Zellen streuten zwischen 8 und über 100 ms. Dabei wurden Zeitkonstanten gemessen, die noch langsamer waren als die von NF-Amakrinzellen und bei einigen WF-Zellen wurden mittlere Zeitkonstanten von mehr als 50 ms beobachtet. Diese Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Klassen von Amakrinzellen verschiedene α-Untereinheiten des Glyzinrezeptors in den Synapsen exprimieren. Dies hat Auswirkung auf die Kinetik der glyzinergen Hemmung bei diesen Zellen und lässt darauf schließen, dass sie bei der zeitlichen Modulation der Lichtsignale unterschiedliche Aufgaben haben.

Neurons derived from P19 embryonic carcinoma cells as a platform for biosensor applications - optimisation and characterisation

P19 is a mouse-derived embryonal carcinoma cell line capable of differentiation toward ectodermal, mesodermal and endodermal lineages and could thus be differentiated into neurons. Different culture conditions were tested to optimise and increase the efficiency of neuronal differentiation since the population of P19-derived neurons was reported to be heterogeneous with respect to the morphology and neurotransmitters they synthesise. P19-derived neurons were cultured on microelectrode arrays as cell aggregates and as dissociated cells. Improved neuronal maturation was shown by the presence of microtubule associated protein 2, neurofilament and synaptophysin formation when initiation of neuronal differentiation was prolonged. High initial cell density cultures and coating of surfaces with polyethylenimine-laminin further improved neuronal maturation of differentiated P19 cells. Increased spontaneous activities of the P19-derived neurons were correspondingly recorded. Two to three hours recordings were performed between 17 and 25 days when extracellular signals were stabilised. It was found that P19-derived neurons developed network properties as partially synchronised network activities. P19-derived neurons appeared to give inhomogenous response to the 2 major neurotransmitters, -aminobutyric acid (GABA) and glutamate. The P19-derived neuronal networks obtained from optimised protocol in this thesis were predominantly GABAergic. The reproducible long term extracellular recordings performed showed that neurons derived from P19 embryonal carcinoma cells could be applied as a model for cell based biosensor in corporation with microelectrode arrays.

Sensitivity enhancement in NMR by using parahydrogen induced polarization

Enhancing the sensitivity of nuclear magnetic resonance measurements via hyperpolarization techniques like parahydrogen induced polarization (PHIP) is of high interest for spectroscopic investigations. Parahydrogen induced polarization is a chemical method, which makes use of the correlation between nuclear spins in parahydrogen to create hyperpolarized molecules. The key feature of this technique is the pairwise and simultaneous transfer of the two hydrogen atoms of parahydrogen to a double or triple bond resulting in a population of the Zeeman energy levels different from the Boltzmann equation. The obtained hyperpolarization results in antiphase peaks in the NMR spectrum with high intensities. Due to these strong NMR signals, this method finds arnlot of applications in chemistry e.g. the characterization of short-lived reaction intermediates. Also in medicine it opens up the possibility to boost the sensitivity of medical diagnostics via magnetic labeling of active contrast agents. Thus, further examination and optimization of the PHIP technique is of significant importance in order to achieve the highest possible sensitivity gain.rnrnIn this work, different aspects concerning PHIP were studied with respect to its chemical and spectroscopic background. The first part of this work mainly focused on optimizing the PHIP technique by investigating different catalyst systems and developing new setups for the parahydrogenation. Further examinations facilitated the transfer of the generated polarization from the protons to heteronuclei like 13C. The second part of this thesis examined the possibility to transfer these results to different biologically active compounds to enable their later application in medical diagnostics. Onerngroup of interesting substances is represented by metabolites or neurotransmitters in mammalian cells. Other interesting substances are clinically relevant drugs like a barbituric acid derivative or antidepressant drugs like citalopram which were investigated with regard to their applicability for the PHIP technique and the possibility to achievernpolarization transfer to 13C nuclei. The last investigated substrate is a polymerizable monomer whose polymer was used as a blood plasma expander for trauma victims after the first half of the 20th century. In this case, the utility of the monomer for the PHIP technique as a basis for later investigations of a polymerization reaction using hyperpolarized monomers was examined.rnrnHence, this thesis covers the optimization of the PHIP technology, hereby combining different fields of research like chemical and spectroscopical aspects, and transfers the results to applications of real biologally acitve compounds.

Oxidativer Stress als Modulator der NMDA-Rezeptorexpression auf zerebrovaskulären Endothelzellen

Oxidativer Stress in Form reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und Exzitotoxizität durch supraphysiologische Konzentrationen des Neurotransmitters Glutamat sind nicht nur beteiligt an der Pathogenese vielzähliger neurodegenerativer Erkrankungen wie Schlaganfall, Hirntrauma, Alzheimer Demenz oder Multipler Sklerose, sondern spielen zudem eine Schlüsselrolle im dort beobachteten Zusammenbruch der Blut-Hirn-Schranke. Glutamat führt durch Stimulation neuronaler und endothelialer NMDA-Rezeptoren zu einer Generierung von ROS. Nicht verfolgt worden war bisher, welche Auswirkungen ROS umgekehrt auch auf den NMDA-Rezeptor haben könnten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde daher untersucht, ob und in welcher Weise die Exposition gegenüber reaktiven Sauerstoffspezies einen Einfluss auf die Expression und Aktivierbarkeit von NMDA-Rezeptoren auf zerebrovaskulären Endothelzellen ausübt.rnEs konnte zunächst die Expression der funktionell obligaten NR-1 Untereinheit des NMDA-Rezeptors auf der verwendeten Zelllinie b.End3 mittels Immunfluoreszenz-Mikroskopie gesichert werden. Ein Nachweis von mRNA für die Untereinheiten NR1 und NR2B, C und D erfolgte mittels RT-PCR. In der Analyse der replizierten RNA zeigten sich Hinweise für eine heterogene Komposition der exprimierten endothelialen NMDA-Rezeptoren.rnEs konnte weiter mit Hilfe der In-Cell-Western-Technik gezeigt werden, dass die Expression des NMDA-Rezeptors durch transiente Stimulation mit reaktiven Sauerstoffspezies im Sinne einer Heraufregulation moduliert werden kann. Die Stimulation der Zellen mit den reaktiven Sauerstoffspezies O2-, ONOO- und H2O2 führte dabei im Experiment zu einer deutlichen Zunahme der NR1-Expression, die spätestens nach 72 Stunden höchst signifikant war.rnUm zu überprüfen, welche Bedeutung diese Überexpression für die Integrität der Blut-Hirn-Schranke unter den exzitotoxischen Bedingungen hoher Glutamatkonzentrationen haben könnte, wurde mit Hilfe des ECIS-Systems („Electrical Cell-Substrate Impedance Sensing“) die Impedanz ROS-präexponierter Endothelmonolayer gemessen. Auf Rezeptorstimulation mit dem spezifischen Agonisten NMDA reagierten die vorbehandelten Gruppen mit einem Abfall der Impedanz gegenüber der nicht vorbehandelten Kontrolle.rnrnDie vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass ROS in der Lage sind, funktionelle endotheliale NMDA-Rezeptoren zu induzieren und auf diesem Weg zu einem verstärkten Abfall der BHS-Integrität unter den Bedingungen exzitotoxischen und oxidativen Stresses führen. Dies stellt einen neuen Mechanismus zur Erklärung der Pathogenese des Blut-Hirn-Schrankenversagens dar.

Synthese 18 F-markierter Liganden zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle des GABA A-Rezeptors mittels PET

γ-Aminobuttersäure (GABA) ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im zentralen Nervensystem und bindet vorrangig an ionotrope GABAA-Rezeptoren. Diese sind an fast allen neuronalen Prozessen beteiligt und werden darüber hinaus mit neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie, Angstzuständen, Schlafstörungen und Schizophrenie in Verbindung gebracht. Die PET bietet als molekulares bildgebendes Verfahren die Möglichkeit einzelne Stoffwechselvorgänge des GABAergen Systems zu visualisieren und zu quantifizieren. Durch den Einsatz eines 18F-markierten Radioliganden an die GABA-Bindungsstelle könnten so die Rezeptorverfügbarkeit des GABAA-Rezeptors gemessen und die Ausschüttung des Neurotransmitters GABA quantifiziert werden.rn4-(2-Naphthylmethyl)-5-(piperidin-4-yl)isothiazolole und -isoxazolole stellen aufgrund ihrer hohen Affinität gegenüber der GABA-Bindungsstelle und ihrer lipophilen Struktur vielversprechende Leitstrukturen für die Entwicklung eines PET-Tracers zur Visualisierung der GABA-Bindungsstelle dar. Daher wurden zunächst 19F-substituierte Referenzverbindungen synthetisiert, um diese hinsichtlich ihrer Eignung als Radioligand in in vitro-Studien zu evaluieren. Dazu wurde Fluor direkt sowie über eine Fluorethoxygruppe an Position 1 des Naphthalinrings eingeführt. Zusätzlich wurde ein Fluorethylether eines Isothiazolols als Referenz-verbindung synthetisiert. In anschließenden Verdrängungsstudien wurden die Affinitäten der synthetisierten Verbindungen mit [3H]Muscimol an Membranpräparaten aus Rattenhirnen, sowie transfizierten HEK293-Zellen bestimmt. Zusätzlich wurden die entsprechenden Log D-Werte bestimmt. Die Verbindung 5-(piperidin-4-yl)-4-(1-fluornaphth-2-ylmethyl)-isothiazol-3-ol VK5 zeigte in den in vitro-Studien die vielversprechendsten Ergebnisse (IC50 = 10 nM; Log D = 1,7) und wurde im Folgenden in einer dreistufigen Radiosynthese als 18F-Verbindung synthetisiert.rnZu diesem Zweck wurde ein geeigneter Markierungsvorläufer dargestellt und über eine n.c.a. SNAr-Markierung mit [18F]F- umgesetzt. Die Reaktionsparameter wurden hinsichtlich Reaktionszeit, -temperatur, Basenkonzentration und Lösungsmittel optimiert. Die zur Aktivierung einer SNAr ein-geführte Carbonylfunktion wurde in einem zweiten Schritt mit Triethylsilan/Trifluoressigsäure reduziert. Im finalen Schritt wurden zwei Schutzgruppen mit Bortrichlorid in DCM abgespaltet und [18F]VK5 als injektionsfertige Lösung in isotoner NaCl-Lösung erhalten. Es wurden radiochemische Ausbeuten von 0,7-1 % (EOS) nach einer durchschnittlichen Synthesedauer von 275 Minuten erhalten.rnDer Radioligand [18F]VK5 wurde anschließend in Autoradiographie-Versuchen an Hirnschnitten der Ratte hinsichtlich seiner Spezifität für die GABA-Bindungsstelle untersucht. Die unspezifische Bindung wurde durch die Zugabe von GABA bestimmt wonach kein signifikanter Unterschied festgestellt werden konnte. Die hohe unspezifische Bindung kann möglicherweise auf die niedrigen spezifischen Aktivitäten zurückgeführt werden. Diese lagen, bedingt durch die drei Schritte der Radiosynthese, in einem Bereich von 0,1-0,6 GBq/μmol. Die erhaltenen Ergebnisse lassen für zukünftige Versuche noch einige Optimierungsmöglichkeiten offen. Aufgrund der bisher erhaltenen Daten lässt sich daher keine definitive Aussage über die Eignung des Liganden [18F]VK5 als PET-Tracer treffen.rn

Cannabinoid CB1 receptor in the regulation of sociability, stress coping, and its interaction with the serotonergic system

Cannabinerge Substanzen können das Verhalten in einer dosisabhängigen, aber biphasischen Weise beeinflussen. Eine Erklärung für diese Art der Effekte könnte die Verteilung des CB1 Rezeptors auf verschiedenen Neuronentypen sein. CB1 Rezeptoren in glutamatergen und GABAergen Neuronen sind hier besonders wichtig, da die entsprechenden Neurotransmitter als Gegenspieler die neuronale Erregung kontrollieren. Spezifische Deletion des CB1 Rezeptor-Gens von einer der beiden Populationen führte zu gegensätzlichen Phenotypen, genauer gesagt, einem erniedrigten, bzw. einem gesteigerten Interaktiondrang. Tiere, bei denen der CB1 Rezeptor ausschließlich in striatalen, GABAergen „Medium Spiny“ Neuronen deletiert wurde, zeigten keinen veränderten Phänotyp. Dies legt nahe, dass der CB1 Rezeptor in kortikalen glutamatergen und GABAergen Neuronen für einen ausgeglichenen Interaktionsdrang entscheidend ist (siehe Kapitel 3).rnDiese dosisabhängigen, biphasischen Effekte auf das Verhalten können auch im „Forced Swim Test“ (FST) beobachtet werden. Ein möglicher Mechanismus, durch den Cannabinoide das Stressverhalten beeinflussen können, wäre die Regulierung der Monoaminausschüttung. Um die Abhängigkeit der Cannabinoideffekte von der Serotonintransmission zu untersuchen, wurden Dosen von CB1 Rezeptoragonisten und –antagonisten mit antidepressiv-induzierenden Eigenschaften bei gleichzeitiger Inhibition der Serotonintransmission im FST getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass lediglich der Agonisteffekt durch die Inhibition der Serotoninauschüttung beeinflusst wird. Zusätzlich konnte die Abhängigkeit des Antagonisteneffekts von funktionsfähigen GABAergen CB1 Rezeptoren nachweisen werden. Interessanter Weise konnte der durch die Deletion von glutamatergen CB1 Rezeptoren induzierte Phänotyp durch Inhibition der Serotoninausschüttung blockiert werden (siehe Kapitel 4).rnEin indirekter Einfluss auf Serotoninausschüttung scheint also wahrscheinlich zu sein. Bis jetzt blieb jedoch unklar, inwieweit cannabinerge Substanzen direkt auf serotonerge Neuronen wirken können. Im Jahr 2007 konnte unsere Gruppe die Expression des CB1 Rezeptors in serotonergen Neuronen auf mRNA- und Proteinebene nachweisen. Die Züchtung und Analyse einer mutanten Mauslinie, in welcher der CB1-Rezeptor spezifisch in serotonergen Neuronen ausgeschaltet wurde, zeigte bei männlichen Tieren eine schwache, aber signifikante Verhaltensänderungen, die durch soziale Stimuli und lebensbedrohlichen Situationen ausgelöst wurde. So ist es erstmals gelungen nachzuweisen, dass serotonerge CB1-Rezeptoren eine physiologische Relevanz besitzen (siehe Kapitel 5).rn

Motor control system in Parkinson’s disease: a modeling approach

Parkinson’s disease is a neurodegenerative disorder due to the death of the dopaminergic neurons of the substantia nigra of the basal ganglia. The process that leads to these neural alterations is still unknown. Parkinson’s disease affects most of all the motor sphere, with a wide array of impairment such as bradykinesia, akinesia, tremor, postural instability and singular phenomena such as freezing of gait. Moreover, in the last few years the fact that the degeneration in the basal ganglia circuitry induces not only motor but also cognitive alterations, not necessarily implicating dementia, and that dopamine loss induces also further implications due to dopamine-driven synaptic plasticity got more attention. At the present moment, no neuroprotective treatment is available, and even if dopamine-replacement therapies as well as electrical deep brain stimulation are able to improve the life conditions of the patients, they often present side effects on the long term, and cannot recover the neural loss, which instead continues to advance. In the present thesis both motor and cognitive aspects of Parkinson’s disease and basal ganglia circuitry were investigated, at first focusing on Parkinson’s disease sensory and balance issues by means of a new instrumented method based on inertial sensor to provide further information about postural control and postural strategies used to attain balance, then applying this newly developed approach to assess balance control in mild and severe patients, both ON and OFF levodopa replacement. Given the inability of levodopa to recover balance issues and the new physiological findings than underline the importance in Parkinson’s disease of non-dopaminergic neurotransmitters, it was therefore developed an original computational model focusing on acetylcholine, the most promising neurotransmitter according to physiology, and its role in synaptic plasticity. The rationale of this thesis is that a multidisciplinary approach could gain insight into Parkinson’s disease features still unresolved.

Can the neuroeconomics revolution revolutionize psychiatry?

Neuroeconomics is a rapidly growing new research discipline aimed at describing the neural substrate of decision-making using incentivized decisions introduced in experimental economics. The novel combination of economic decision theory and neuroscience has the potential to better examine the interactions of social, psychological and neural factors with regard to motivational forces that may underlie psychiatric problems. Game theory will provide psychiatry with computationally principled measures of cognitive dysfunction. Given the relatively high heritability of these measures, they may contribute to improving phenotypic definitions of psychiatric conditions. The game-theoretical concepts of optimal behavior will allow description of psychopathology as deviation from optimal functioning. Neuroeconomists have successfully used normative or near-normative models to interpret the function of neurotransmitters; these models have the potential to significantly improve neurotransmitter theories of psychiatric disorders. This paper will review recent evidence from neuroeconomics and psychiatry in support of applying economic concepts such as risk/uncertainty preference, time preference and social preference to psychiatric research to improve diagnostic classification, prevention and therapy.

Venom composition and strategies in spiders: is everything possible?

This review on all spider venom components known by the end of 2010 bases on 1618 records for venom compounds from 174 spider species (= 0.41% of all known species) belonging to 32 families (= 29% of all existing spider families). Spiders investigated for venom research are either big (many mygalomorph species, Nephilidae, Ctenidae and Sparassidae) or medically important for humans (e.g. Loxosceles or Latrodectus species). Venom research widely ignored so far the two most species-rich families (Salticidae and Linyphiidae) and strongly neglected several other very abundant families (Araneidae, Lycosidae, Theridiidae, Thomisidae and Gnaphosidae). We grouped the known 1618 records for venom compounds into six categories: low molecular mass compounds (16 % of all compounds), acylpolyamines (11 %), linear peptides (6 %), cysteine-knotted mini-proteins (60 %), neurotoxic proteins (1 %) and enzymes (6 %). Low molecular mass compounds are known from many spider families and contain organic acids, nucleosides, nucleotides, amino acids, amines, polyamines, and some further substances, many of them acting as neurotransmitters. Acylpolyamines contain amino acids (Araneidae and Nephilidae) or not (several other families) and show a very high diversity within one species. Linear peptides, also called cytolytic, membranolytic or antimicrobial, exert a highly specific structure and are so far only known from Ctenidae, Lycosidae, Oxyopidae and Zodariidae. Cysteine-knotted mini-proteins represent the majority of venom compounds because research so far focused on them. They probably occur in most but not all spider families. Neurotoxic proteins so far are only known from theridiid spiders. Enzymes had been neglected for some time but meanwhile it becomes obvious that they play an important role in spider venoms. Sixteen enzymes either cleave polymers in the extracellular matrix or target phospholipids and related compounds in membranes. The overall structure of these compounds is given and the function, as far as it is known, is described. Since several of these component groups are presented in one average spider venom, we discuss the known interactions and synergisms and give reasons for such a functional redundancy. We also discuss main evolutionary pathways for spider venom compounds such as high variability among components of one group, synergistic interactions between cysteine-knotted mini-proteins and other components (low molecular mass compounds and linear peptides), change of function from ion-channel acting mini-proteins to cytolytic effects and replacement of mini-proteins by linear peptides, acylpolyamines, large proteins or enzymes. We also add first phylogenetic considerations.

Dog bites man or man bites dog? The enigma of the amino acid conjugations

The proposition posed is that the value of amino acid conjugation to the organism is not, as in the traditional view, to use amino acids for the detoxication of aromatic acids. Rather, the converse is more likely, to use aromatic acids that originate from the diet and gut microbiota to assist in the regulation of body stores of amino acids, such as glycine, glutamate, and, in certain invertebrates, arginine, that are key neurotransmitters in the central nervous system (CNS). As such, the amino acid conjugations are not so much detoxication reactions, rather they are homeostatic and neuroregulatory processes. Experimental data have been culled in support of this hypothesis from a broad range of scientific and clinical literature. Such data include the low detoxication value of amino acid conjugations and the Janus nature of certain amino acids that are both neurotransmitters and apparent conjugating agents. Amino acid scavenging mechanisms in blood deplete brain amino acids. Amino acids glutamate and glycine when trafficked from brain are metabolized to conjugates of aromatic acids in hepatic mitochondria and then irreversibly excreted into urine. This process is used clinically to deplete excess nitrogen in cases of urea cycle enzymopathies through excretion of glycine or glutamine as their aromatic acid conjugates. Untoward effects of high-dose phenylacetic acid surround CNS toxicity. There appears to be a relationship between extent of glycine scavenging by benzoic acid and psychomotor function. Glycine and glutamine scavenging by conjugation with aromatic acids may have important psychosomatic consequences that link diet to health, wellbeing, and disease.

EFFECTS OF PRENATAL DEXAMETHASONE ON HIPOPCAMPAL SEROTONIN 1A RECEPTORS IN ADULT MALE RATS

The main activation route for the stress response is the hypothalamo-pituitaryadrenal axis (HPA) and the sympatho-adrenomedullary system. The HPA axis is a neuroendocrine feedback loop mediated by an array of tissue specific hormones, receptors and neurotransmitters that regulate glucocorticoid (GC) release. GCs are steroidal hormones produced by the adrenal glands and are key players in a negativefeedback loop controlling HPA activity. They influence the HPA axis through glucocorticoid receptors in the hypothalamus and pituitary and through both glucocorticoid (GR) and mineralcorticoid receptors (MR) that are co-localized in the hippocampus. Repeated or chronic stress exerts a negative influence on these HPA axis regulatory sites and contributes to potentially pathological conditions, especially during early development. For example, chronic stress promotes increased maternal adrenal gland secretion of glucocortiocoid, leading to abnormally high concentrations of GC inthe fetal environment. The timing and maturation of the HPA axis relative to birth is highly species specific and is closely linked to landmarks in fetal development. In rats this development of the HPA axis takes place in utero and continues even shortly after birth. It is likely that the maternal endocrine environment will affect fetal development during this critical time point and may alter the overall set point for the expression ofgenes and their protein products that mediate fetal HPA axis function. Dexamethasone (DEX) is a synthetic glucocorticoid (sGC) and is a consensus treatment in preterm pregnancies used to expedite fetal lung development. However it has been shown that DEX causes long term physiological and behavioral disorders in prenatally-exposed laboratory animals. Previous studies have also shown that it alters the MR: GR receptor ratio in the hippocampus. Taking into consideration corticosteroid regulation of serotonin receptors, especially 5HT1A receptors and their putative interaction with glucocorticoid receptors in the hippocampus, we hypothesized that prenatal DEX exposure would lead to changes in the expression and function of 5HT1A receptors in the hippocampus. We administered DEX to rat dams during the last trimester of gestation and investigated the changes in these receptors in the adult rat offspring. Radioligand receptor binding assays were used to study hippocampal 5HT1A receptor binding affinity and number. Our results demonstrate that hippocampal 5HT1A receptors are increased in the DEX animalscompared with controls by 36%, with no change in binding affinity. The efficiency of ligand-induced receptor signal transduction via G-protein activation was also studied using [35S]GTPγS incorporation assay. Using this technique, we showed that there was no significant difference in the maximum ligand mediated stimulation (Emax) of 5HT1Areceptors between control and dex exposed animals. However, the intracellular signalling efficiency of hippocampal 5HT1A receptors was diminished, since a significant increase in EC50 values was obtained with the dex exposed group showing a value 51% higherEC50 than controls. Taken together these data illustrate a considerable change in the 5HT1A component of the serotonergic system following prenatal DEX exposure.