Early and late neurodegeneration and memory disruption after intracerebroventricular streptozotocin

Glucose metabolism and insulin signaling disruptions in the brain have been proposed as a likely etiology of Alzheimer's disease. The aim of the present study was to investigate the time course of cognitive impairments induced by intracerebroventricular injection of streptozotocin (STZ) in rats and correlate them with the ensuing neurodegenerative process. Early and late effects of STZ were evaluated by using the reference and working memory versions of the Morris' water maze task and the evaluation of neurodegenerative markers by immunoblotting and the Fluoro-jade C histochemistry. The results revealed different types of behavioral and neurodegenerative responses, with distinct time courses. We observed an early disruption on the working memory as early as 3 h after STZ injections, which was followed by degenerative processes in the hippocampus at 1 and 15 days after STZ injections. Memory disruption increases over time and culminates with significant changes in amyloid-beta peptide and hyperphosphorylated Tau protein levels in distinct brain structures. These findings add information on the Alzheimer's disease-like STZ animal model and on the mechanisms underlying neurodegenerative processes. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Daily cycling of nitric oxide synthase (NOS) in the hippocampus of pigeons (C. livia)

Abstract: Background: Nitric oxide synthase (NOS) is essential for the synthesis of nitric oxide (NO), a non-conventional neurotransmitter with an important role in synaptic plasticity underlying processes of hippocampus-dependent memory and in the regulation of biological clocks and circadian rhythms. Many studies have shown that both the NOS cytosolic protein content and its enzymatic activity present a circadian variation in different regions of the rodent brain, including the hippocampus. The present study investigated the daily variation of NOS enzymatic activity and the cytosolic content of nNOS in the hippocampus of pigeons. Results: Adult pigeons kept under a skeleton photoperiod were assigned to six different groups. Homogenates of the hippocampus obtained at six different times-of-day were used for NOS analyses. Both iNOS activity and nNOS cytosolic protein concentrations were highest during the subjective light phase and lowest in the subjective dark phase of the circadian period. ANOVA showed significant time differences for iNOS enzymatic activity (p < 0.05) and for nNOS protein content (p < 0.05) in the hippocampus. A significant daily rhythm for both iNOS and nNOS was confirmed by analysis with the Cosinor method (p < 0.05). The present findings indicate that the enzymatic activity of iNOS and content of nNOS protein in the hippocampus of pigeons exhibit a daily rhythm, with acrophase values occurring during the behavioral activity phase. Conclusions: The data corroborate the reports on circadian variation of NOS in the mammalian hippocampus and can be considered indicative of a dynamic interaction between hippocampus-dependent processes and circadian clock mechanisms.

Daily cycling of nitric oxide synthase (NOS) in the hippocampus of pigeons (C. livia)

Background: Nitric oxide synthase (NOS) is essential for the synthesis of nitric oxide (NO), a non-conventional neurotransmitter with an important role in synaptic plasticity underlying processes of hippocampus-dependent memory and in the regulation of biological clocks and circadian rhythms. Many studies have shown that both the NOS cytosolic protein content and its enzymatic activity present a circadian variation in different regions of the rodent brain, including the hippocampus. The present study investigated the daily variation of NOS enzymatic activity and the cytosolic content of nNOS in the hippocampus of pigeons. Results: Adult pigeons kept under a skeleton photoperiod were assigned to six different groups. Homogenates of the hippocampus obtained at six different times-of-day were used for NOS analyses. Both iNOS activity and nNOS cytosolic protein concentrations were highest during the subjective light phase and lowest in the subjective dark phase of the circadian period. ANOVA showed significant time differences for iNOS enzymatic activity (p < 0.05) and for nNOS protein content (p < 0.05) in the hippocampus. A significant daily rhythm for both iNOS and nNOS was confirmed by analysis with the Cosinor method (p < 0.05). The present findings indicate that the enzymatic activity of iNOS and content of nNOS protein in the hippocampus of pigeons exhibit a daily rhythm, with acrophase values occurring during the behavioral activity phase. Conclusions: The data corroborate the reports on circadian variation of NOS in the mammalian hippocampus and can be considered indicative of a dynamic interaction between hippocampus-dependent processes and circadian clock mechanisms.

Morphological and functional study of cerebral aging in rat

Aging is a physiological process characterized by a progressive decline of the “cellular homeostatic reserve”, refereed as the capability to respond suitably to exogenous and endogenous stressful stimuli. Due to their high energetic requests and post-mitotic nature, neurons are peculiarly susceptible to this phenomenon. However, the aged brain maintains a certain level of adaptive capacities and if properly stimulated may warrant a considerable functional recovery. Aim of the present research was to verify the plastic potentialities of the aging brain of rats subjected to two kind of exogenous stimuli: A) the replacement of the standard diet with a ketogenic regimen (the change forces the brain to use ketone bodies (KB) in alternative to glucose to satisfy the energetic needs) and B) a behavioural task able to induce the formation of inhibitory avoidance memory. A) Fifteen male Wistar rats of 19 months of age were divided into three groups (average body weight pair-matched), and fed for 8 weeks with different dietary regimens: i) diet containing 10% medium chain triglycerides (MCT); ii) diet containing 20% MCT; iii) standard commercial chow. Five young (5 months of age) and five old (26-27 months of age) animals fed with the standard diet were used as further controls. The following morphological parameters reflecting synaptic plasticity were evaluated in the stratum moleculare of the hippocampal CA1 region (SM CA1), in the outer molecular layer of the hippocampal dentate gyrus (OML DG), and in the granule cell layer of the cerebellar cortex (GCL-CCx): average area (S), numeric density (Nvs), and surface density (Sv) of synapses, and average volume (V), numeric density (Nvm), and volume density (Vv) of synaptic mitochondria. Moreover, succinic dehydrogenase (SDH) activity was cytochemically determined in Purkinje cells (PC) and V, Nvm, Vv, and cytochemical precipitate area/mitochondrial area (R) of SDH-positive mitochondria were evaluated. In SM CA1, MCT-KDs induced the early appearance of the morphological patterns typical of old animals: higher S and V, and lower Nvs and Nvm. On the contrary, in OML DG, Sv and Vv of MCT-KDs-fed rats were higher (as a result of higher Nvs and Nvm) vs. controls; these modifications are known to improve synaptic function and metabolic supply. The opposite effects of MCT-KDs might reflect the different susceptibility of these brain regions to the aging processes: OML DG is less vulnerable than SM CA1, and the reactivation of ketone bodies uptake and catabolism might occur more efficiently in this region, allowing the exploitation of their peculiar metabolic properties. In GCL-CCx, the results described a new scenario in comparison to that found in the hippocampal formation: 10%MCT-KD induced the early appearance of senescent patterns (decreased Nvs and Nvm; increased V), whereas 20%MCT-KD caused no changes. Since GCL-CCx is more vulnerable to age than DG, and less than CA1, these data further support the hypothesis that MCT-KDs effects in the aging brain critically depend on neuronal vulnerability to age, besides MCT percentage. Regarding PC, it was decided to evaluate only the metabolic effect of the dietetic regimen (20%MCT-KD) characterized by less side effects. KD counteracted age-related decrease in numeric density of SDH-positive mitochondria, and enhanced their energetic efficiency (R was significantly higher in MCT-KD-fed rats vs. all the controls). Since it is well known that Purkinje and dentate gyrus cells are less vulnerable to aging than CA1 neurons, these results corroborate our previous hypothesis. In conclusion, the A) experimental line provides the first evidence that morphological and functional parameters reflecting synaptic plasticity and mitochondrial metabolic competence may be modulated by MCT-KDs in the pre-senescent central nervous system, and that the effects may be heterogeneous in different brain regions. MCT-KDs seem to supply high energy metabolic intermediates and to be beneficial (“anti-aging”) for those neurons that maintain the capability to exploit them. This implies risks but also promising potentialities for the therapeutic use of these diets during aging B) Morphological parameters of synapses and synaptic mitochondria in SM CA1 were investigated in old (26-27 month-old) female Wistar rats following a single trial inhibitory avoidance task. In this memory protocol animals learn to avoid a dark compartment in which they received a mild, inescapable foot-shock. Rats were tested 3 and 6 or 9 hours after the training, divided into good and bad responders according to their performance (retention times above or below 100 s, respectively) and immediately sacrificed. Nvs, S, Sv, Nvm, V, and Vv were evaluated. In the good responder group, the numeric density of synapses and mitochondria was significantly higher and the average mitochondrial volume was significantly smaller 9 hours vs. 6 hours after the training. No significant differences were observed among bad responders. Thus, better performances in passive avoidance memory task are correlated with more efficient plastic remodeling of synaptic contacts and mitochondria in hippocampal CA1. These findings indicate that maintenance of synaptic plastic reactivity during aging is a critical requirement for preserving long-term memory consolidation.

Synthese, 18 F-Markierung, 11 C-Markierung und Evaluierung Hydantoin-substituierter Indolcarbonsäuren zur Visualisierung des NMDA-Rezeptorstatus mittels der Positronen-Emissions-Tomographie (PET)

Der N-methyl-D-aspartat-Rezeptor (NMDA), als Vertreter ionotroper Glutamat-Rezeptoren, ist essentiell für physiologische Lern- und Gedächtnisvorgänge und eine krankhafte Überaktivierung wird als potentielle Ursache für eine Reihe von akuten und chronischen neurodegenerativen Erkrankungen angesehen. Hierbei sind für die akuten Erkrankungen vor allem der Schlaganfall und für die chronischen Erkrankungen Morbus Parkinson sowie die Alzheimer´sche Demenz zu nennen. Durch seine einzigartige spannungsabhängige Mg2+-Blockade und der Notwendigkeit der gleichzeitigen Anwesenheit der endogenen Liganden Glutamat und Glycin zur Rezeptoraktivierung, stellt dieser Rezeptorkomplex daher ein sehr interessantes molekulares Target dar. NMDA-Rezeptor-Antagonisten der Glycin-Bindungsstelle und der verschiedenen allosterischen Bindungsstellen könnten als Neuroprotektiva bei den verschiedenen Krankheiten eine symptomatische Verbesserung bewirken und zur Therapie eingesetzt werden. Eine visuelle Darstellung des Rezeptors im Rahmen von Vorsorgeuntersuchungen ist jedoch derzeit nicht möglich. Zur Visualisierung dieser Prozesse mittels der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) wurden basierend auf einer Hydantoin-substituierten Indol-2-carbonsäure als Leitstruktur, im Rahmen dieser Arbeit Fluorethoxy- und Methoxy-substituierte Derivate dargestellt und in pharmazeutischen und radiopharmazeutischen Studien evaluiert. Dazu wurde die Affinität und Spezifität zum Rezeptor in einem [3H]MDL-105,519 Rezeptorbindungsassay und die Lipophilie als Parameter für die Hirngängigkeit ermittelt. Anhand dieser Resultate wurden geeignete Markierungsvorläufer synthetisiert, welche eine phenolische Hydroxylfunktion besitzen und eine radioaktive Markierung mit den sekundären Markierungsvorläufern 2-[18F]Fluorethyltosylat ([18F]FETos) und [11C]Methyliodid ([11C]CH3I) ermöglichen. Unter Verwendung von 4,6-Dichlor-3-((3-(4-hydroxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure wurde in einer Einstufenreaktion mit [18F]FETos die Zielverbindung 4,6-Dichlor-3-((3-(4-(2-[18F]fluorethoxy)phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure in radiochemischen Ausbeuten von 6 % erhalten. Daher wurde eine alternative Markierung des Ethylester-geschützten Derivates 4,6-Dichlor-3-((3-(4-hydroxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäureethylester in einer Zweistufensynthese mit [18F]FETos und [11C]CH3I untersucht. Unter Verwendung dieser Strategie wurden unter optimierten Bedingungen 4,6-Dichlor-3-((3-4-(2-[18F]fluorethoxy)phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäureethylester und 4,6-Dichlor-3-((3-(4-[11C]methoxy-phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)-methyl)-indol-2-carbonsäureethylester in radiochemischen Ausbeuten von 27 – 38 % erhalten. Die anschließende Entfernung der Schutzgruppe führte unter Bildung von Neben- und Zersetzungsreaktionen zu 4,6-Dichlor-3-((3-(4-(2-[18F]fluorethoxy)-phenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure und 4,6-Dichlor-3-((3-(4-[11C]methoxyphenyl)-2,4-dioxoimidazolidin-1-yl)methyl)-indol-2-carbonsäure in radiochemischen Gesamtausbeuten von 5 – 7 %. Die Überprüfung des biochemischen Konzepts in vivo durch µ-PET-Studien und durch autoradiographische Experimente an Rattenhirnschnitten, deuten auf eine niedrige in vivo-Aktivität hin, welche sich auf eine nicht ausreichende Passage der Blut-Hirn-Schranke zurückführen lässt.

Intrazelluläre Lokalisation und synaptische Ausschüttung der Neurotrophine in hippokampalen Neuronen und die Bedeutung von BDNF bei hippokampaler synaptischer Plastizität

Die Mitglieder der Neurotrophin-Familie (NGF, BDNF, NT-3 und NT-4) sind sekretierte Neuropeptide, die eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung von Nervenzellen und bei der Modulation der synaptischen Transmission spielen. Wenngleich eine aktivitätsabhängige Sekretion von BDNF bereits gezeigt werden konnte, wurden die subzelluläre Expression und die Ausschüttung der anderen Neurotrophine bislang nur unzureichend charakterisiert. Um die Expression und die Ausschüttung aller Neurotrophine unter identischen Bedingungen untersuchen zu können, wurde in der vorliegenden Arbeit das Expressionsmuster und die synaptische Ausschüttung GFP-markierter Neurotrophine in dissoziierten hippokampalen Neuronen mit Hilfe der konfokalen Fluoreszenz-Videomikroskopie zeitaufgelöst untersucht. Zwei Phänotypen konnten unterschieden werden: der distale vesikuläre Expressionstyp mit Neurotrophin-beinhaltenden Vesikeln in distalen Neuriten, und der proximale Expressionstyp mit einer diffusen Neurotrophin-Verteilung in den Neuriten und Neurotrophin-beinhaltenden Vesikeln im Soma des Neurons und in den proximalen Dendriten. Der distale vesikuläre Phänotyp entsprach einer Verteilung des entsprechenden Neurotrophins in die sekretorischen Granula des aktivitätsabhängigen Sekretionsweges, während der proximale Phänotyp den Transport eines Neurotrophins in den konstitutiven Sekretionsweg widerspiegelte. Alle Neurotrophine erreichten in hippokampalen Neuronen prinzipiell beide Sekretionswege. Jedoch gelangten BDNF und NT-3 mit einer größeren Effizienz in den regulierten Sekretionsweg als NT-4 und NGF (BDNF: in 98% aller Zellen, NT-3: 85%, NT-4: 23% und NGF: 46%). Neurotrophine besitzen, wie es für sekretorische Peptide üblich ist, eine Vorläufersequenz, die während der Reifung des Proteins proteolytisch abgespalten wird. Die Fusion dieser Präpro-Sequenz von BDNF mit der Sequenz des maturen NT-4 bewirkte einen effizienteren Transport von NT-4 in die sekretorischen Granula des regulierten Sekretionsweges, und zeigte die große Bedeutung der Präpro-Sequenz für das zelluläre Verteilungsmuster von Neurotrophinen. In Neuronen, in denen die Neurotrophine in den regulierten Sekretionsweg transportiert wurden, konnte eine aktivitätsabhängige Sekretion der Neurotrophine an postsynaptische Strukturen glutamaterger Synapsen beobachtet werden. Die aktivitätsabhängige postsynaptische Ausschüttung der Neurotrophine zeigte eine Heterogenität in der Kinetik der Sekretion (exponentieller Abfall des Neurotrophin-Signals mit Zeitkonstanten von tau = 121 bis 307s). Die Präinkubtion mit dem Protonen-Ionophor Monensin, welcher die Neutralisation des intragranulären pH-Wertes und somit die Solubilisierung der dicht gepackten Proteinstrukturen in den Vesikeln erzwingt, erhöhte die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung auf den Wert des unter physiologischen Bedingungen schnellsten Neurotrophins NT-4. Dennoch blieb die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung im Vergleich zur Neurotransmitter-Ausschüttung langsam (tau = 13 ± 2 s). Diese Daten belegen eindeutig, dass die Neutralisation der sekretorischen Granula die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung kritisch determiniert und die Geschwindigkeit der Neurotrophin-Ausschüttung im Vergleich zur konventionellen Neurotransmitter-Ausschüttung langsam erfolgt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass das Neurotrophin BDNF effizient in distale vesikuläre Strukturen von CA1 Pyramidenzellen organotypischer Schnittkulturen des Hippokampus sortiert wird. Die basalen elektrischen Eigenschaften von CA1 Pyramidenzellen BDNF-defizienter Mäuse sind vergleichbar zu den Eigenschaften von Wildtyp Mäusen. Sowohl das Eigenpotential der CA1 Pyramidenzellen, die Form der Aktionspotentiale als auch die evozierten Antworten der CA1 Pyramdenzellen auf eine gepaarte präsynaptische Stimulation der Schaffer-Kollateralen zeigten bei BDNF-/- -, BDNF+/- - und BDNF+/+ -Mäusen keine signifikanten Unterschiede. Die Fähigkeit der CA1 Pyramidenzellen auf eine hochfrequente Reizung mit einer Langzeitpotenzierung (LTP) der postsynaptischen Ströme zu reagieren ist jedoch bei den BDNF-defizienten Mäusen beinträchtigt. Eine verminderte Induktion von LTP war in den BDNF-defizienten Mäusen nach tetanischer Stimulation der präsynaptischen Schaffer-Kollateralen und simultaner postsynaptischer Depolarisation der CA1 Pyramidenzelle zu beobachten.

Master Equation: Biological Applications and Thermodynamic Description

It is well known that many realistic mathematical models of biological systems, such as cell growth, cellular development and differentiation, gene expression, gene regulatory networks, enzyme cascades, synaptic plasticity, aging and population growth need to include stochasticity. These systems are not isolated, but rather subject to intrinsic and extrinsic fluctuations, which leads to a quasi equilibrium state (homeostasis). The natural framework is provided by Markov processes and the Master equation (ME) describes the temporal evolution of the probability of each state, specified by the number of units of each species. The ME is a relevant tool for modeling realistic biological systems and allow also to explore the behavior of open systems. These systems may exhibit not only the classical thermodynamic equilibrium states but also the nonequilibrium steady states (NESS). This thesis deals with biological problems that can be treat with the Master equation and also with its thermodynamic consequences. It is organized into six chapters with four new scientific works, which are grouped in two parts: (1) Biological applications of the Master equation: deals with the stochastic properties of a toggle switch, involving a protein compound and a miRNA cluster, known to control the eukaryotic cell cycle and possibly involved in oncogenesis and with the propose of a one parameter family of master equations for the evolution of a population having the logistic equation as mean field limit. (2) Nonequilibrium thermodynamics in terms of the Master equation: where we study the dynamical role of chemical fluxes that characterize the NESS of a chemical network and we propose a one parameter parametrization of BCM learning, that was originally proposed to describe plasticity processes, to study the differences between systems in DB and NESS.

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.

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

Signalling mechanisms affecting regulated neurotrophin secretion in hippocampal neurons

Die Neurotrophine aus Säugetiere BDNF und NT-3 sind von Neuronen sekretierte Wachstumsfaktoren. Ferner sind Neurotrophine in verschiedene Formen der aktivitätsabhängigen synaptische Plastizität involviert. Obwohl die Ausschüttung von Neurotrophine aus Synapsen beschrieben worden ist, sind die intrazellulären Signalkaskaden, die die synaptische Ausschüttung von Neurotrophine regulieren, bei weitem nicht verstanden. Deswegen ist die Analyse der Sekretion von Neurotrophine auf subzellulärer Ebene erforderlich, um die genaue Rolle von präsynaptische und postsynaptische NT-Sekretion in der synaptischen Plastizität aufzudecken. In der vorliegenden Arbeit wurden die Kulturen von dissoziierten hippocampalen Neuronen aus Ratten mit grün fluoreszierenden Protein-markierten Konstrukten von BDNF und NT-3 transfiziert und Neurotrophine-enthaltenden Vesikeln durch die Colokalisierung mit dem cotransfizierten postsynaptischen Marker PSD-95-DsRed an glutamatergen Synapsen identifiziert. Depolarisationsinduzierte Sekretion von BDNF und NT-3 wurde per Direktaufnahme am Fluoreszenzmikroskop beobachtet. Die unvermittelte postsynaptische Depolarisation mit erhöhtem Kalium, in Gegenwart von Inhibitoren der synaptischen Transmission, erlaubte die Untersuchung der Signalwege, die am postsynaptischen Sekretionsprozess der Neurotrophinvesikel beteiligt sind. Es konnte gezeigt werden, dass die depolarisationsinduzierte postsynaptische Ausschüttung der Neurotrophine durch Calcium-Einstrom ausgelöst wird, entweder über L-Typ-spannungsabhängige Calcium-Kanäle oder über NMDA-Rezeptoren. Eine anschließende Freisetzung von Calcium aus intrazellulären Speichern über Ryanodin-Rezeptoren ist für den Sekretionsprozess erforderlich. Die postsynaptische Neurotrophinausschüttung wird durch KN-62 und KN-93 gehemmt, was auf eine unmittelbare Abhängigkeit von aktiver alpha-Calcium-Calmodulin-abhängige Proteinkinase II (CaMKII) hinweist. Der Inhibitor der cAMP/Proteinkinase A (PKA), Rp-cAMP-S, sowie der NO-Donor, SNP, minderten die Neurotrophinausschüttung. Hingegen blieben die Erhöhung des intrazellulären cAMP und der NO-Synthase-Inhibitor L-NMMA ohne Wirkung. Mit dem Trk-Inhibitor K252a konnte gezeigt werden, dass autokrine Neurotrophin-induzierte Neurotrophinausschüttung nicht an der synaptischen Freisetzung der Neurotrophine beiträgt und, dass BDNF seine eigene postsynaptische Sekretion nicht auslöst. Freisetzungsexperimente mit dem Fluoreszenz-Quencher Bromphenolblau konnten den Nachweis erbringen, dass asynchrone und anhaltende Fusionsporenöffnung von Neurotrophinvesikeln während der Sekretion stattfindet. Wegen der im Vergleich zum komplexen Sekretionsprozess schnellen Fusionsporenöffnung, scheint die Freisetzungsgeschwindigkeit von Neurotrophine durch ihre Diffusion aus dem Vesikel begrenzt. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse eine starke Abhängigkeit der aktivitätsabhängigen postsynaptischen Neurotrophinausschüttung vom Calcium-Einstrom, von der Freisetzung von Calcium aus internen Speichern, von der Aktivierung der CaMKII und einem intakten Funktion der PKA, während der Trk-Signalweg, die Aktivierung von Natrium-Kanäle und NO-Signale nicht erforderlich sind.

Learning Spike-Based Population Codes by Reward and Population Feedback

We investigate a recently proposed model for decision learning in a population of spiking neurons where synaptic plasticity is modulated by a population signal in addition to reward feedback. For the basic model, binary population decision making based on spike/no-spike coding, a detailed computational analysis is given about how learning performance depends on population size and task complexity. Next, we extend the basic model to n-ary decision making and show that it can also be used in conjunction with other population codes such as rate or even latency coding.

Spatio-temporal credit assignment in population learning

Learning by reinforcement is important in shaping animal behavior, and in particular in behavioral decision making. Such decision making is likely to involve the integration of many synaptic events in space and time. However, using a single reinforcement signal to modulate synaptic plasticity, as suggested in classical reinforcement learning algorithms, a twofold problem arises. Different synapses will have contributed differently to the behavioral decision, and even for one and the same synapse, releases at different times may have had different effects. Here we present a plasticity rule which solves this spatio-temporal credit assignment problem in a population of spiking neurons. The learning rule is spike-time dependent and maximizes the expected reward by following its stochastic gradient. Synaptic plasticity is modulated not only by the reward, but also by a population feedback signal. While this additional signal solves the spatial component of the problem, the temporal one is solved by means of synaptic eligibility traces. In contrast to temporal difference (TD) based approaches to reinforcement learning, our rule is explicit with regard to the assumed biophysical mechanisms. Neurotransmitter concentrations determine plasticity and learning occurs fully online. Further, it works even if the task to be learned is non-Markovian, i.e. when reinforcement is not determined by the current state of the system but may also depend on past events. The performance of the model is assessed by studying three non-Markovian tasks. In the first task, the reward is delayed beyond the last action with non-related stimuli and actions appearing in between. The second task involves an action sequence which is itself extended in time and reward is only delivered at the last action, as it is the case in any type of board-game. The third task is the inspection game that has been studied in neuroeconomics, where an inspector tries to prevent a worker from shirking. Applying our algorithm to this game yields a learning behavior which is consistent with behavioral data from humans and monkeys, revealing themselves properties of a mixed Nash equilibrium. The examples show that our neuronal implementation of reward based learning copes with delayed and stochastic reward delivery, and also with the learning of mixed strategies in two-opponent games.

Spatio-temporal credit assignment in population learning

Learning by reinforcement is important in shaping animal behavior. But behavioral decision making is likely to involve the integration of many synaptic events in space and time. So in using a single reinforcement signal to modulate synaptic plasticity a twofold problem arises. Different synapses will have contributed differently to the behavioral decision and, even for one and the same synapse, releases at different times may have had different effects. Here we present a plasticity rule which solves this spatio-temporal credit assignment problem in a population of spiking neurons. The learning rule is spike time dependent and maximizes the expected reward by following its stochastic gradient. Synaptic plasticity is modulated not only by the reward but by a population feedback signal as well. While this additional signal solves the spatial component of the problem, the temporal one is solved by means of synaptic eligibility traces. In contrast to temporal difference based approaches to reinforcement learning, our rule is explicit with regard to the assumed biophysical mechanisms. Neurotransmitter concentrations determine plasticity and learning occurs fully online. Further, it works even if the task to be learned is non-Markovian, i.e. when reinforcement is not determined by the current state of the system but may also depend on past events. The performance of the model is assessed by studying three non-Markovian tasks. In the first task the reward is delayed beyond the last action with non-related stimuli and actions appearing in between. The second one involves an action sequence which is itself extended in time and reward is only delivered at the last action, as is the case in any type of board-game. The third is the inspection game that has been studied in neuroeconomics. It only has a mixed Nash equilibrium and exemplifies that the model also copes with stochastic reward delivery and the learning of mixed strategies.

Spatio-Temporal Credit Assignment in Neuronal Population Learning

n learning from trial and error, animals need to relate behavioral decisions to environmental reinforcement even though it may be difficult to assign credit to a particular decision when outcomes are uncertain or subject to delays. When considering the biophysical basis of learning, the credit-assignment problem is compounded because the behavioral decisions themselves result from the spatio-temporal aggregation of many synaptic releases. We present a model of plasticity induction for reinforcement learning in a population of leaky integrate and fire neurons which is based on a cascade of synaptic memory traces. Each synaptic cascade correlates presynaptic input first with postsynaptic events, next with the behavioral decisions and finally with external reinforcement. For operant conditioning, learning succeeds even when reinforcement is delivered with a delay so large that temporal contiguity between decision and pertinent reward is lost due to intervening decisions which are themselves subject to delayed reinforcement. This shows that the model provides a viable mechanism for temporal credit assignment. Further, learning speeds up with increasing population size, so the plasticity cascade simultaneously addresses the spatial problem of assigning credit to synapses in different population neurons. Simulations on other tasks, such as sequential decision making, serve to contrast the performance of the proposed scheme to that of temporal difference-based learning. We argue that, due to their comparative robustness, synaptic plasticity cascades are attractive basic models of reinforcement learning in the brain.

Fine structure of hippocampal mossy fiber synapses following rapid high-pressure freezing

Synapses of hippocampal neurons play important roles in learning and memory processes and are involved in aberrant hippocampal function in temporal lobe epilepsy. Major neuronal types in the hippocampus as well as their input and output synapses are well known, but it has remained an open question to what extent conventional electron microscopy (EM) has provided us with the real appearance of synaptic fine structure under in vivo conditions. There is reason to assume that conventional aldehyde fixation and dehydration lead to protein denaturation and tissue shrinkage, likely associated with the occurrence of artifacts. However, realistic fine-structural data of synapses are required for our understanding of the transmission process and for its simulation. Here, we used high-pressure freezing and cryosubstitution of hippocampal tissue that was not subjected to aldehyde fixation and dehydration in ethanol to monitor the fine structure of an identified synapse in the hippocampal CA3 region, that is, the synapse between granule cell axons, the mossy fibers, and the proximal dendrites of CA3 pyramidal neurons. Our results showed that high-pressure freezing nicely preserved ultrastructural detail of this particular synapse and allowed us to study rapid structural changes associated with synaptic plasticity.