Sonic Hedgehog pathway impairment in Neural Precursor Cells of the Ts65Dn mouse, an animal model of Down syndrome

Mental retardation in Down syndrome (DS) has been imputed to the decreased brain volume, which is evident starting from the early phases of development. Recent studies in a widely used mouse model of DS, the Ts65Dn mouse, have shown that neurogenesis is severely impaired during the early phases of brain development, suggesting that this defect may be a major determinant of brain hypotrophy and mental retardation in individuals with DS. Recently, it has been found that in the cerebellum of Ts65Dn mice there is a defective responsiveness to Sonic Hedgehog (Shh), a potent mitogen that controls cell division during brain development, suggesting that failure of Shh signaling may underlie the reduced proliferation potency in DS. Based on these premises, we sought to identify the molecular mechanisms underlying derangement of the Shh pathway in neural precursor cells (NPCs) from Ts65Dn mice. We found that the expression levels of the Shh receptor Patched1 (Ptch1) were increased compared to controls both at the RNA and protein level. Partial silencing of Ptch1 expression in trisomic NPCs restored cell proliferation, indicating that proliferation impairment was due to Ptch1 overexpression. We further found that the overexpression of Ptch1 in trisomic NPCs is related to increased levels of AICD, a transcription-promoting fragment of amyloid precursor protein (APP). Increased AICD binding to the Ptch1 promoter favored its acetylated status, thus enhancing Ptch1 expression. Taken together, these data provide novel evidence that Ptch1 over expression underlies derangement of the Shh pathway in trisomic NPCs, with consequent proliferation impairment. The demonstration that Ptch1 over expression in trisomic NPCs is due to an APP fragment provides a link between this trisomic gene and the defective neuronal production that characterizes the DS brain.

Elektrophysiologische, molekularbiologische und verhaltensbiologische Untersuchungen zur Funktion von N-Methyl-D-Aspartat-Rezeptoren bei Gehirnentwicklung und Lernvorgängen

Im Zentralnervensystem der Säuger steuern N-Methyl-D-Aspartat-(NMDA)-Rezeptoren viele neuronale Prozesse, insbesondere während der Ontogenese sowie bei Lern- und Gedächtnisvorgängen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Bedeutung dieser Rezeptoren während der Kortexentwicklung und bei Lernvorgängen mittels elektrophysiologischer, molekularbiologischer, pharmakologischer, histologischer, genetischer und verhaltensbiologischer Methoden an der Maus untersucht. Oszillatorische Netzwerkaktivität ist für die gesunde Entwicklung des Kortex essentiell. Mittels gepaarter patch-clamp Experimente an neonatalen Subplattenzellen wurde festgestellt, dass diese Neurone elektrisch gekoppelt sind. Damit könnten sie einen wichtigen Beitrag zur Entstehung bzw. Verstärkung von Netzwerkoszillationen leisten. Subplattenzellen erhalten afferenten Eingang aus dem Thalamus sowie von benachbarten Subplattenzellen. Die funktionellen und molekularen Eigenschaften dieser Synapsen differierten in eingangsspezifischer Weise. Subplatteninterne Verbindungen besaßen Integrations- und Summationsfähigkeiten, wenig synaptische Ermüdung, Paarpulsfazilitierung und einen erhöhten NR2D-Anteil in ihren NMDA-Rezeptoren. CA1-Pyramidenzellen des adulten Hippocampus zeigten eine den Subplattenzellen vergleichbare eingangsspezifische Verteilung der NMDA-Rezeptor-Untereinheiten. Synapsen von Schaffer-Kollateralen besaßen einen höheren NR2B-Anteil als temporo-ammonische Verbindungen. Die Aktivierung von Dopamin-Rezeptoren potenzierte NR2B-vermittelte synaptische Ströme in CA1-Neuronen. Bei komplexen Lernvorgängen, wie der Extinktion einer traumatischen Erinnerung, spielten NMDA-Rezeptoren von hippocampalen CA1-Zellen eine entscheidende Rolle. CA1-NMDA-Rezeptor-ko-Mäuse zeigten erhebliche Extinktionsdefizite nach Angstkonditionierung. Zudem entwickelten diese Mäuse erhöhte Ängstlichkeit und Hyperaktivität. Das sind beim Menschen Symptome für psychiatrische Angststörungen. Daher könnten CA1-NMDA-Rezeptor-ko-Mäuse als neues Tiermodell für solche Störungen dienen, die durch ein traumatisches Erlebnis ausgelöst werden, wie beim Posttraumatischen Stresssyndrom (PTSD).

Genetische Mechanismen der dorsoventralen Musterbildung im embryonalen Gehirn von Drosophila

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

Untersuchungen zur Expression und Lokalisation der respiratorischen Proteine Neuroglobin (Ngb) und Cytoglobin (Cygb) in Säugern

Die vorliegende Dissertation beinhaltet Untersuchungen zur Expression und Funktion der respiratorischen Proteine Neuroglobin (Nbg) und Cytoglobin (Cygb) in Vertebraten. rnrnUm die Expression der Globine während der Entwicklung des Säugerhirns zu untersuchen, wurden die Hirne von Maus-Embryonen ab dem Fötalstadium MF10 bis zum Tag eins nach der Geburt (T1) mit Adulttieren verglichen. Quantifiziert wurde sowohl die mRNA- als auch die Protein-Expression. Beide Globine zeigten im Verlauf der Entwicklung einen stetigen Anstieg der mRNA-Expression, wobei Ngb zu Beginn in zehnfach höherer Konzentration vorlag und im zeitlichen Verlauf einen 130-fachen Anstieg zeigte. Cygb zeigte lediglich einen 16-fachen Anstieg bis zum Adultstadium. Auf Proteinebene konnte die Expressionszunahme beider Globine im Laufe der Entwicklung bestätigt werden. Weder in den hypoxieresistenten Frühembryonalstadien noch während der mit Sauerstoff-Stress verbundenen Geburt zeigte sich ein Expressionsmaximum. Dies spricht gegen eine Globin-Funktion in der Oxidanz-Abwehr. Eher ist zumindest Ngb mit der Reifung der Neurone und dem damit einhergehenden, gesteigerten oxidativen Stoffwechsel assoziiert.rnrnDes Weiteren sollte die zelluläre und intrazelluläre Lokalisation beider Globine anhand einer primären Zellkultur aus dem Hippocampus pränataler Ratten und in immortalen Zelllinien untersucht werden. Neuroglobin wurde dabei nur in Neuronen, nicht jedoch in Gliazellen nachgewiesen. Das Färbemuster war in allen Ngb-exprimierenden Zellen zytoplasmatisch. Cytoglobin wurde in der Primärkultur in den Neuronen jedoch ebenso in den mit anti-GFAP markierten Gliazellen beobachtet. In beiden Zellpopulationen war auch der Kern durch das CyGB-Antiserum markiert. rnEine genauere Untersuchung der intrazellulären Lokalisation sollte durch die Transfektion von Globin-pEGFP-Fusionsproteinen erfolgen. Nach Transfektion der Fusionskonstrukte wurde die GFP-Färbung bei beiden Globinen sowohl im Zytoplasma als auch im Kern beobachtet. Eine rein nukleäre Lokalisation, die insbesondere für Cygb von anderen Autoren postuliert wurde, konnte somit ausgeschlossen werden. rnrnIn primären Zellkulturen aus Cerebellum und Kortex, die mit Hilfe von Paraquat oxidativem Stress ausgesetzt wurden, wurde der Verlauf der Globin-mRNA-Expression mit dem unregulierten 18s rRNA-Referenzgen und mit den Antioxidanz-Enzymen Cu-Zn-SOD und Gpx verglichen. Neuroglobin zeigte einen Expressionsverlauf ähnlich dem der beiden Antioxidanz-Enzyme, jedoch liegt seine mRNA im Hirngewebe in hundertfach niedrigerer Menge als Cu-Zn-SOD und Gpx vor. Cytoglobin zeigte keine Veränderung der Expression. Eine Funktion der Globine im Sinne einer ROS-Abwehr kann aus den Befunden nicht abgeleitet werden. rnrnUntersuchungen von Tumor und Normalgewebe mittels eines cDNA-Cancer-Arrays zeigten, dass NGB in Tumoren verschiedenen Ursprungs nicht exprimiert wird, CyGB dagegen keine Änderung seiner Expression in Tumor versus Normalgewebe erfährt. Eine Induktion der beiden Globine z.B. durch Hypoxie in soliden Tumoren kann daher ausgeschlossen werden.rn

Interplay between BDNF,TrkB signalling and GABAergic inhibition in the visual cortex of mice

Der visuelle Kortex ist eine der attraktivsten Modellsysteme zur Untersuchung der molekularen Mechanismen der synaptischen Plastizität im Gehirn. Es hat sich gezeigt, dass der Wachstumsfaktor brain-derived-neurotrophic-factor (BDNF) und die GABAerge Hemmung während der Entwicklung eine essentielle Funktion in der Regulierung der synaptischen Plastizität im visuellen Kortex besitzen. BDNF bindet u.a. an TrkB Rezeptoren, die das Signal intrazellular an unterschiedliche Effektormoleküle weiter vermitteln. Außer BDNF sind auch andere TrkB-Rezeptor Agonisten in der Literatur beschrieben. Einer davon ist das kürzlich identifizierte Flavonoid 7,8-Dihydroxyflavone (7,8-DHF), welchem eine neurotrophe Wirkung zugeschrieben wird. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Doktorarbeit wurde der Effekt dieses Agonisten auf die synaptische Übertragung und intrinsischen Zelleigenschaften im visuellen Kortex der Maus untersucht. Dies wurde mit Hilfe der whole-cell patch clamp Methode durchgeführt, wobei die synaptischen Eingänge der Pyramidalzellen der kortikalen Schicht 2/3 von besonderem Interesse waren.rnEine 30 minütige Inkubationszeit der kortikalen Schnitte mit 7,8 DHF (20µM) erzielte eine signifikante Reduktion der GABAergen Hemmung, während die glutamaterge synaptische Übertragung unverändert blieb. Des weiteren konnte in Gegenwart von 7,8 DHF eine Veränderung der intrinsischen neuronalen Zellmembraneigenschaften beobachtet werden. Dies wurde deutlich in der Erhöhung des Eingangwiderstandes und der Frequenz der induzierten Aktionspotentiale. Die chronische Applikation von 7,8 DHF in vivo bestätigte die selektive Wirkung von 7,8 DHF auf das GABAerge System. rnDie Rolle des BDNF-TrkB-Signalweges in der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen ist bisher wenig verstanden. Eine häufig beschriebene elektrophysiologische Veränderung nach kortikaler Verletzung ist eine Reduktion in der GABAergen Hemmung. Im zweiten Abschnitt dieser Doktorarbeit wurde hierzu die Funktion des BDNF-TrkB-Signalweges auf die GABAerge Hemmung nach kortikaler Verletzung untersucht. Es wurde ein "ex-vivo/in-vitro“ Laser-Läsions Modell verwendet, wobei mittels eines Lasers im visuellen Kortex von WT und heterozygoten BDNF (+/−) Mäusen eine definierte, reproduzierbare Läsion induziert wurde. Nachfolgende elektrophysiologische Messungen ergaben, dass die Auswirkung einer Verletzung des visuellen Kortex auf die GABAerge Funktion signifikant von der basalen BDNF Konzentration im Kortex abhängt. Des weiteren konnte beobachtet werden, dass nach kortikaler Verletzung in WT Mäusen sowohl die Frequenz der basalen inhibitorischen, postsynaptischen Potentiale (mIPSCs) reduziert war, als auch ein erhöhtes Paired-Pulse Verhältnis vorlag. Diese Ergebnisse deuten auf Veränderungen der präsynaptischen Funktion inhibitorischer Synapsen auf Pyramidalneurone hin. Im Gegensatz dazu konnte in BDNF (+/−) mice Mäusen eine erhöhte und gleichzeitig verlängerte mIPSC-Amplitude beobachtet werden, induziert durch Reizung afferenter Nervenfasern. Hieraus lässt sich schließen, dass kortikale Verletzungen in BDNF (+/−) mice Mäusen Auswirkungen auf die Eigenschaften von postsynaptischen GABAA-Rezeptoren haben. Die nachfolgende Gabe eines TrkB-Rezeptor Antagonisten bestätigte diese Ergebnisse für das GABAerge System post-Läsion. Dies zeigt auch, dass die Änderungen der synaptischen Hemmung nicht auf eine Reduktion der BDNF-Konzentration zurückzuführen sind. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass der BDNF-TrkB Signalweg eine wichtige Rolle in der Reorganisation der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen spielt. So könnte ein TrkB-Rezeptor Agonist, wie das kürzlich entdeckte 7,8-DHF, über eine Modulation der BDNF-TrB Signalkaskade pharmakologisch die funktionelle Reorganisation des Kortex nach einer fokalen Gehirnverletzung fördern. rnrn

Impact of chorioamnionitis and preeclampsia on neurodevelopmental outcome in preterm infants below 32 weeks gestational age

ABSTRACT Aim: Intrauterine conditions may interfere with fetal brain development. We compared the neurodevelopmental outcome between infants <32 weeks gestational age after maternal preeclampsia or chorioamnionitis and controls. Methods: Case-control study on infants with maternal preeclampsia, chorioamnionitis and controls (each n = 33) matched for gestational age. Neurodevelopment at two years was assessed with the Bayley Scales of Infant Development II. Results: Ninety-nine infants were included with a median gestational age of 29 weeks (range 25-32). Median mental developmental index (MDI) was 96 in the control, 90 in the chorioamnionitis and 86 in the preeclampsia group. Preeclampsia infants had a lower MDI compared with the control group (univariate p = 0.021, multivariate p = 0.183) and with the chorioamnionitis group (univariate p = 0.242; multivariate p = 0.027). Median psychomotor index was 80.5 in the control, 80 in the preeclampsia and 85 in the chorioamnionitis group, and was not different between these three groups (p > 0.05). Chorioamnionitis or preeclampsia exposure was not associated with major neurodevelopmental impairments (cerebral palsy, MDI<70, PDI<70). Conclusion: The results of this preliminary study suggest that preeclampsia and chorioamnionitis play a relatively minor role among risk factors for adverse neurodevelopment outcome. Postnatal factors such as ventilation and bronchopulmonary dysplasia may have a greater impact on neurodevelopmental outcome.

The Effects of Altered Prenatal Melatonin Signaling on Adult Behavior and Hippocampal Gene Expression of the Male Rat: A Circadioneuroendocrine-Axis Hypothesis of Psychopathology

Disturbances in melatonin - the neurohormone that signals environmental darkness as part of the circadian circuit of mammals - have been implicated in various psychopathologies in humans. At present, experimental evidence linking prenatal melatonin signaling to adult physiology, behavior, and gene expression is lacking. We hypothesized that administration of melatonin (5 mg/kg) or the melatonin receptor antagonist luzindole (5 mg/kg) to rats in utero would permanently alter the circadian circuit to produce differential growth, adult behavior, and hippocampal gene expressionin the male rat. Prenatal treatment was found to increase growth in melatonin-treated animals. In addition, subjects exposed to melatonin prenatally displayed increased rearing in the open field test and an increased right turn preference in the elevated plusmaze. Rats administered luzindole prenatally, however, displayed greater freezing and grooming behavior in the open field test and improved learning in the Morris water maze. Analysis of relative adult hippocampal gene expression with RT-PCR revealed increasedexpression of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) with a trend toward increased expression of melatonin 1A (MEL1A) receptors in melatonin-exposed animals whereas overall prenatal treatment had a significant effect on microtubule-associated protein 2(MAP2) expression. Our data support the conclusion that the manipulation of maternal melatonin levels alters brain development and leads to physiological and behavioral abnormalities in adult offspring. We designate the term circadioneuroendocrine (CNE)axis and propose the CNE-axis hypothesis of psychopathology.

The Effects of Prenatal Exposure to Altered Melatonin Levels on Hippocampal Gene Expression in the Male Rat

The stability of the circadian rhythm for mammals depends on the levels of serotonin and melatonin, neurohormones that signal for lightness and darkness, respectively. Disruption in the stability of neurohormones has been shown to be a critical factor in psychopathological disorders in humans. For example, altering levels of melatonin in utero through administration of melatonin or the melatonin receptor antagonist, luzindole, has been shown to cause changes in developmental growth and adult behavior in the male rat. Analysis of relative adult hippocampal gene expression with RT-PCR revealed differences in ARNTL expression that suggested abnormality in clock gene expression of the rats that were prenatally exposed to altered levels of melatonin. Differences in the degree of plasticity as suggested by previous behavior testing did not result in differences in gene expression for GABA receptors or NMDA receptors. Morevoer, growth associated protein 43, GAP-43, a protein that is necessary for neuronal growth cones as well as long term learning has been found to be critical for axon and presynaptic terminal formation and retention in other studies, but hippocampal gene expression in our study showed no significant alteration after exposure to various maternal melatonin levels. However, ARNTL is a key regulatory component of clock genes and the circadian cycle so that alterations in the expression of thi critical gene may lead to critical changes in neuronal growth and plasticity. Our data support the conclusion that the manipulation of maternal melatonin levels alters the brain development and the circadian cycles that may lead to physiological and behavioral abnormalities in adult offspring.

Junctional adhesion molecule (JAM)-C deficient C57BL/6 mice develop a severe hydrocephalus

The junctional adhesion molecule (JAM)-C is a widely expressed adhesion molecule regulating cell adhesion, cell polarity and inflammation. JAM-C expression and function in the central nervous system (CNS) has been poorly characterized to date. Here we show that JAM-C(-/-) mice backcrossed onto the C57BL/6 genetic background developed a severe hydrocephalus. An in depth immunohistochemical study revealed specific immunostaining for JAM-C in vascular endothelial cells in the CNS parenchyma, the meninges and in the choroid plexus of healthy C57BL/6 mice. Additional JAM-C immunostaining was detected on ependymal cells lining the ventricles and on choroid plexus epithelial cells. Despite the presence of hemorrhages in the brains of JAM-C(-/-) mice, our study demonstrates that development of the hydrocephalus was not due to a vascular function of JAM-C as endothelial re-expression of JAM-C failed to rescue the hydrocephalus phenotype of JAM-C(-/-) C57BL/6 mice. Evaluation of cerebrospinal fluid (CSF) circulation within the ventricular system of JAM-C(-/-) mice excluded occlusion of the cerebral aqueduct as the cause of hydrocephalus development but showed the acquisition of a block or reduction of CSF drainage from the lateral to the 3(rd) ventricle in JAM-C(-/-) C57BL/6 mice. Taken together, our study suggests that JAM-C(-/-) C57BL/6 mice model the important role for JAM-C in brain development and CSF homeostasis as recently observed in humans with a loss-of-function mutation in JAM-C.

GDNF family ligands display distinct action profiles on cultured GABAergic and serotonergic neurons of rat ventral mesencephalon

Glial-cell-line-derived neurotrophic factor (GDNF), neurturin (NRTN), artemin (ARTN) and persephin (PSPN), known as the GDNF family ligands (GFLs), influence the development, survival and differentiation of cultured dopaminergic neurons from ventral mesencephalon (VM). Detailed knowledge about the effects of GFLs on other neuronal populations in the VM is essential for their potential application as therapeutic molecules for Parkinson's disease. Hence, in a comparative study, we investigated the effects of GFLs on cell densities and morphological differentiation of gamma-aminobutyric acid-immunoreactive (GABA-ir) and serotonin-ir (5-HT-ir) neurons in primary cultures of E14 rat VM. We observed that all GFLs [10 ng/ml] significantly increased GABA-ir cell densities (1.6-fold) as well as neurite length/neuron. However, only GDNF significantly increased the number of primary neurites/neuron, and none of the GFLs affected soma size of GABA-ir neurons. In contrast, only NRTN treatment significantly increased 5-HT-ir cells densities at 10 ng/ml (1.3-fold), while an augmentation was seen for GDNF and PSPN at 100 ng/ml (2.4-fold and 1.7-fold, respectively). ARTN had no effect on 5-HT-ir cell densities. Morphological analysis of 5-HT-ir neurons revealed a significant increase of soma size, number of primary neurites/neuron and neurite length/neuron after GDNF exposure, while PSPN only affected soma size, and NRTN and ARTN failed to exert any effect. In conclusion, we identified GFLs as effective neurotrophic factors for VM GABAergic and serotonergic neurons, demonstrating characteristic individual action profiles emphasizing their important and distinct roles during brain development.

Nitric oxide synthase protein levels, not the mRNA, are downregulated in olfactory bulb interneurons of reeler mice

Homozygous mutations in the Reelin gene result in severe disruption of brain development. The histogenesis of layered regions, like the neocortex, hippocampus and the cerebellum, is most notably affected in mouse reeler mutants and similar traits are also present in mice lacking molecular components of the Reelin signalling pathway. Moreover, there is evidence for an additional role of Reelin in sustaining synaptic plasticity in adult networks. Nitric oxide is an important gaseous messenger that can modulate neuronal plasticity both in developing and mature synaptic networks and has been shown to facilitate synaptic changes in the hippocampus, cerebellum and olfactory bulb. We studied the distribution and content of neuronal nitric oxide synthase in the olfactory bulbs of reeler and wildtype mice. Immunocytochemistry reveals that Reelin and neuronal nitric oxide synthase containing interneurons are two distinct, non overlapping cell populations of the olfactory bulb. We show by in situ hybridization that both nitrergic and Reelin expressing cells represent only a subset of olfactory bulb GABAergic neurons. Immunoblots show that neuronal nitric oxide synthase protein content is decreased by two thirds in reeler mice causing a detectable loss of immunolabelled cells throughout the olfactory bulb of this strain. However, neuronal nitric oxide synthase mRNA levels, essayed by quantitative real-time RT-PCR, are unaffected in the reeler olfactory bulb. Thus, disruption of the Reelin signalling pathway may modify the turnover of neuronal nitric oxide synthase in the olfactory bulb and possibly affects nitric oxide functions in reeler mice.

Strengthening of laterality of verbal and visuospatial functions during childhood and adolescence

Cognitive functions in the child's brain develop in the context of complex adaptive processes, determined by genetic and environmental factors. Little is known about the cerebral representation of cognitive functions during development. In particular, knowledge about the development of right hemispheric (RH) functions is scarce. Considering the dynamics of brain development, localization and lateralization of cognitive functions must be expected to change with age. Twenty healthy subjects (8.6-20.5 years) were examined with fMRI and neuropsychological tests. All participants completed two fMRI tasks known to activate left hemispheric (LH) regions (language tasks) and two tasks known to involve predominantly RH areas (visual search tasks). A laterality index (LI) was computed to determine the asymmetry of activation. Group analysis revealed unilateral activation of the LH language circuitry during language tasks while visual search tasks induced a more widespread RH activation pattern in frontal, superior temporal, and occipital areas. Laterality of language increased between the ages of 8-20 in frontal (r = 0.392, P = 0.049) and temporal (r = 0.387, P = 0.051) areas. The asymmetry of visual search functions increased in frontal (r = -0.525, P = 0.009) and parietal (r = -0.439, P = 0.027) regions. A positive correlation was found between Verbal-IQ and the LI during a language task (r = 0.585, P = 0.028), while visuospatial skills correlated with LIs of visual search (r = -0.621, P = 0.018). To summarize, cognitive development is accompanied by changes in the functional representation of neuronal circuitries, with a strengthening of lateralization not only for LH but also for RH functions. Our data show that age and performance, independently, account for the increases of laterality with age.

Elevated serum triiodothyronine and intellectual and motor disability with paroxysmal dyskinesia caused by a monocarboxylate transporter 8 gene mutation

Monocarboxylate transporter 8 (MCT8 or SLC16A2) is important for the neuronal uptake of triiodothyronine (T3) in its function as a specific and active transporter of thyroid hormones across the cell membrane, thus being essential for human brain development. We report on a German male with Allan-Herndon-Dudley syndrome presenting with severe intellectual and motor disability, paroxysmal dyskinesia combined with truncal muscular hypotonia, and peripheral muscular hypertonia at his current age of 9 years. Additionally, the patient has a lesion in the left putamen region revealed by magnetic resonance imaging and elevated serum T3 levels. The male appeared to have a hemizygous mutation (R271H) in the MCT8 gene that was sequenced directly from genomic DNA and occurred de novo in the maternal germline, as both his mother and his sister were not carriers of the mutation. Ruling out a common polymorphism, 50 normal individuals of the same ethnic background did not harbour the mutation. The identified MCT8 gene mutation (R271H) is very likely to be the genetic cause for neuronal hypothyroidism despite elevated serum T3 levels.

Directed differentiation and functional maturation of cortical interneurons from human embryonic stem cells

Human pluripotent stem cells are a powerful tool for modeling brain development and disease. The human cortex is composed of two major neuronal populations: projection neurons and local interneurons. Cortical interneurons comprise a diverse class of cell types expressing the neurotransmitter GABA. Dysfunction of cortical interneurons has been implicated in neuropsychiatric diseases, including schizophrenia, autism, and epilepsy. Here, we demonstrate the highly efficient derivation of human cortical interneurons in an NKX2.1::GFP human embryonic stem cell reporter line. Manipulating the timing of SHH activation yields three distinct GFP+ populations with specific transcriptional profiles, neurotransmitter phenotypes, and migratory behaviors. Further differentiation in a murine cortical environment yields parvalbumin- and somatostatin-expressing neurons that exhibit synaptic inputs and electrophysiological properties of cortical interneurons. Our study defines the signals sufficient for modeling human ventral forebrain development in vitro and lays the foundation for studying cortical interneuron involvement in human disease pathology.

A Deletion in the VLDLR Gene in Eurasier Dogs with Cerebellar Hypoplasia Resembling a Dandy-Walker-Like Malformation (DWLM).

Dandy-Walker-like malformation (DWLM) is the result of aberrant brain development and mainly characterized by cerebellar hypoplasia. DWLM affected dogs display a non-progressive cerebellar ataxia. Several DWLM cases were recently observed in the Eurasier dog breed, which strongly suggested a monogenic autosomal recessive inheritance in this breed. We performed a genome-wide association study (GWAS) with 9 cases and 11 controls and found the best association of DWLM with markers on chromosome 1. Subsequent homozygosity mapping confirmed that all 9 cases were homozygous for a shared haplotype in this region, which delineated a critical interval of 3.35 Mb. We sequenced the genome of an affected Eurasier and compared it with the Boxer reference genome and 47 control genomes of dogs from other breeds. This analysis revealed 4 private non-synonymous variants in the critical interval of the affected Eurasier. We genotyped these variants in additional dogs and found perfect association for only one of these variants, a single base deletion in the VLDLR gene encoding the very low density lipoprotein receptor. This variant, VLDLR:c.1713delC is predicted to cause a frameshift and premature stop codon (p.W572Gfs*10). Variants in the VLDLR gene have been shown to cause congenital cerebellar ataxia and mental retardation in human patients and Vldlr knockout mice also display an ataxia phenotype. Our combined genetic data together with the functional knowledge on the VLDLR gene from other species thus strongly suggest that VLDLR:c.1713delC is indeed causing DWLM in Eurasier dogs.