Altered Neurotrophin, Neuropeptide, Cytokines and Nitric Oxide Levels in Autism

Introduction: Modifications in neurotrophins, neuropeptides, cytokines and nitric oxide (NO) levels in autism may represent different biological aspects of the disease. In the present study we investigate simultaneously all these variables as an attempt to clarify their interrelationships in autism. Methods: Plasma levels of vasoactive intestinal peptide (VIP), neurotrophin-3 (NT-3), cytokines and nitric oxide (NO) were determined in children with DSM-IV autistic disorder (n = 24) and in age- and gender-matched healthy controls (n = 24). VIP, NT-3, IFN-gamma and IL-1 beta levels were measured by ELISA, TNF-alpha, IL-10, IL-6, IL-4, IL-2 were evaluated by flow cytometry, and NO by Griess reaction. Results: Plasma levels of VIP, IFN-gamma and NO were significantly higher and NT-3 plasma levels were significantly lower in children with autism, compared to the healthy subjects. In children with autism there was a positive correlation between plasma levels of NO and IFN-gamma. Discussion: Our results indicate the presence of altered levels of neurotrophin and neuropeptide in infantile autism and provide additional evidence that higher levels of IFN-gamma may be associated with increased oxidative stress in autism.

Analgesic effects of repetitive transcranial magnetic stimulation of the motor cortex in neuropathic pain: Influence of theta burst stimulation priming

Background Conventional protocols of high-frequency repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) delivered to M1 can produce analgesia. Theta burst stimulation (TBS), a novel rTMS paradigm, is thought to produce greater changes in M1 excitability than conventional protocols. After a preliminary experiment showing no analgesic effect of continuous or intermittent TBS trains (cTBS or iTBS) delivered to M1 as single procedures, we used TBS to prime a subsequent session of conventional 10?Hz-rTMS. Methods In 14 patients with chronic refractory neuropathic pain, navigated rTMS was targeted over M1 hand region, contralateral to painful side. Analgesic effects were daily assessed on a visual analogue scale for the week after each 10?Hz-rTMS session, preceded or not by TBS priming. In an additional experiment, the effects on cortical excitability parameters provided by single- and paired-pulse TMS paradigms were studied. Results Pain level was reduced after any type of rTMS procedure compared to baseline, but iTBS priming produced greater analgesia than the other protocols. Regarding motor cortex excitability changes, the analgesic effects were associated with an increase in intracortical inhibition, whatever the type of stimulation, primed or non-primed. Conclusions The present results show that the analgesic effects of conventional 10?Hz-rTMS delivered to M1 can be enhanced by TBS priming, at least using iTBS. Interestingly, the application of cTBS and iTBS did not produce opposite modulations, unlike previously reported in other systems. It remains to be determined whether the interest of TBS priming is to generate a simple additive effect or a more specific process of cortical plasticity.

Increased bursting glutamatergic neurotransmission in an auditory forebrain area of the zebra finch (Taenopygia guttata) induced by auditory stimulation

The caudomedial nidopallium (NCM) is a telencephalic area involved in auditory processing and memorization in songbirds, but the synaptic mechanisms associated with auditory processing in NCM are largely unknown. To identify potential changes in synaptic transmission induced by auditory stimulation in NCM, we used a slice preparation for path-clamp recordings of synaptic currents in the NCM of adult zebra finches (Taenopygia guttata) sacrificed after sound isolation followed by exposure to conspecific song or silence. Although post-synaptic GABAergic and glutamatergic currents in the NCM of control and song-exposed birds did not present any differences regarding their frequency, amplitude and duration after song exposure, we observed a higher probability of generation of bursting glutamatergic currents after blockade of GABAergic transmission in song-exposed birds as compared to controls. Both song-exposed males and females presented an increase in the probability of the expression of bursting glutamatergic currents, however bursting was more commonly seen in males where they appeared even without blocking GABAergic transmission. Our data show that song exposure changes the excitability of the glutamatergic neuronal network, increasing the probability of the generation of bursts of glutamatergic currents, but does not affect basic parameters of glutamatergic and GABAergic synaptic currents.

Absence of effects of contralateral group I muscle afferents on presynaptic inhibition of Ia terminals in humans and cats

Mezzarane RA, Kohn AF, Couto-Roldan E, Martinez L, Flores A, Manjarrez E. Absence of effects of contralateral group I muscle afferents on presynaptic inhibition of Ia terminals in humans and cats. J Neurophysiol 108: 1176-1185, 2012. First published June 6, 2012; doi:10.1152/jn.00831.2011.-Crossed effects from group I afferents on reflex excitability and their mechanisms of action are not yet well understood. The current view is that the influence is weak and takes place indirectly via oligosynaptic pathways. We examined possible contralateral effects from group I afferents on presynaptic inhibition of Ia terminals in humans and cats. In resting and seated human subjects the soleus (SO) H-reflex was conditioned by an electrical stimulus to the ipsilateral common peroneal nerve (CPN) to assess the level of presynaptic inhibition (PSI_control). A brief conditioning vibratory stimulus was applied to the triceps surae tendon at the contralateral side (to activate preferentially Ia muscle afferents). The amplitude of the resulting H-reflex response (PSI_conditioned) was compared to the H-reflex under PSI_control, i.e., without the vibration. The interstimulus interval between the brief vibratory stimulus and the electrical shock to the CPN was -60 to 60 ms. The H-reflex conditioned by both stimuli did not differ from that conditioned exclusively by the ipsilateral CPN stimulation. In anesthetized cats, bilateral monosynaptic reflexes (MSRs) in the left and right L 7 ventral roots were recorded simultaneously. Conditioning stimulation applied to the contralateral group I posterior biceps and semitendinosus (PBSt) afferents at different time intervals (0-120 ms) did not have an effect on the ipsilateral gastrocnemius/soleus (GS) MSR. An additional experimental paradigm in the cat using contralateral tendon vibration, similar to that conducted in humans, was also performed. No significant differences between GS-MSRs conditioned by ipsilateral PBSt stimulus alone and those conditioned by both ipsilateral PBSt stimulus and contralateral tendon vibration were detected. The present results strongly suggest an absence of effects from contralateral group I fibers on the presynaptic mechanism of MSR modulation in relaxed humans and anesthetized cats.

Plantar flexion force induced by amplitude-modulated tendon vibration and associated soleus V/F-waves as an evidence of a centrally-mediated mechanism contributing to extra torque generation in humans

Background: High-frequency trains of electrical stimulation applied over the human muscles can generate forces higher than would be expected by direct activation of motor axons, as evidenced by an unexpected relation between the stimuli and the evoked contractions, originating what has been called “extra forces”. This phenomenon has been thought to reflect nonlinear input/output neural properties such as plateau potential activation in motoneurons. However, more recent evidence has indicated that extra forces generated during electrical stimulation are mediated primarily, if not exclusively, by an intrinsic muscle property, and not from a central mechanism as previously thought. Given the inherent differences between electrical and vibratory stimuli, this study aimed to investigate: (a) whether the generation of vibration-induced muscle forces results in an unexpected relation between the stimuli and the evoked contractions (i.e. extra forces generation) and (b) whether these extra forces are accompanied by signs of a centrally-mediated mechanism or whether intrinsic muscle properties are the redominant mechanisms. Methods: Six subjects had their Achilles tendon stimulated by 100 Hz vibratory stimuli that linearly increased in amplitude (with a peak-to-peak displacement varying from 0 to 5 mm) for 10 seconds and then linearly decreased to zero for the next 10 seconds. As a measure of motoneuron excitability taken at different times during the vibratory stimulation, short-latency compound muscle action potentials (V/F-waves) were recorded in the soleus muscle in response to supramaximal nerve stimulation. Results: Plantar flexion torque and soleus V/F-wave amplitudes were increased in the second half of the stimulation in comparison with the first half. Conclusion: The present findings provide evidence that vibratory stimuli may trigger a centrally-mediated mechanism that contributes to the generation of extra torques. The vibration-induced increased motoneuron excitability (leading to increased torque generation) presumably activates spinal motoneurons following the size principle, which is a desirable feature for stimulation paradigms involved in rehabilitation programs and exercise training.

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.

Expression der pronozizeptiven Vanilloidrezeptoren TRPV1 und TRPV2 und des antinozizeptiven Cannabinoidrezeptors CB1 in Spinalganglienneuronen der Ratte

Nozizeptive Spinalganglienneurone detektieren mit einer Vielzahl liganden- und spannungsgesteuerter Ionenkanäle noxische Reize, d.h. Reize, die eine Gewebeschädigung bewirken können, wandeln sie in Aktionspotenzialentladungen um und leiten sie über das Rückenmark zum Gehirn weiter, wo eine Schmerzempfindung ausgelöst wird. Die pronozizeptiven transienten Rezeptor-Potenzial-Kanäle der Vanilloidrezeptorfamilie, TRPV1 und TRPV2, sind die klassischen Transduktionsmoleküle für noxische Hitzereize in den Spinalganglien und werden von Reiztemperaturen über 43°C bzw. 52°C aktiviert. Daneben finden sich auch antinozizeptive Membranproteine, wie z.B. der metabotrope Cannabinoidrezeptor CB1. Er koppelt an spannungsgesteuerte Kaliumkanäle, die neben Natrium- und Kalziumkanälen ebenfalls an der neuronalen Erregbarkeit beteiligt sind. Von den spannungsgesteuerten Kaliumkanälen könnte der Kv1.4, der einen schnell inaktivierenden A-Strom vermittelt, an antinozizeptiven Signalwegen beteiligt sein. Um die molekulare Physiologie der Regulation von Nozizeption und Antinozizeption zu charakterisieren, wurde die Expression bzw. Ko-Expression dieser Membranproteine auf der einen als auch die funktionelle Charakterisierung von TRPV1 auf der anderen Seite im Soma der Spinalganglienneurone und im heterologen Expressionssystem untersucht. TRPV1 wurde in je einem Drittel und TRPV2 in je einem Zehntel aller Spinalganglienneurone nachgewiesen. Das Expressionsmuster veränderte sich nicht zwischen verschiedenen Präparationsmethoden, die zur Aufarbeitung der Zellen für unterschiedliche experimentelle Ansätze notwendig sind. Somit können die aus Expressionsanalysen und funktionellen Untersuchungen gewonnenen Ergebnisse miteinander verglichen werden. Obwohl TRPV1 und TRPV2 in unterschiedlich großen Zellen exprimiert werden, überlappen dennoch ihre Größenverteilungen. Durch Ko-Expressionsanalysen konnten hier erstmalig TRPV1-TRPV2-ko-exprimierende Neurone detektiert werden. Mit dem neu entwickelten N-terminalen Antikörper gegen TRPV1 (3C11) konnte gezeigt werden, dass für TRPV1 verschiedene Splice-Varianten existieren. Neben den bereits bekannten Splice-Varianten wurde hier die neue Variante Vr.3’sv isoliert. Diese besitzt zwischen Exon 15 und 16 eine Insertion aus 104 Basen und exprimiert daher einen veränderten C-Terminus. Trotz dieser Veränderung bildeten sich im heterologen Expressionssystem funktionelle Kanäle aus, die im Gegensatz zu den anderen Varianten immer noch durch Capsaicin aktivierbar waren. Vr.3’sv könnte als Homo- oder Heterotetramer die Eigenschaften TRPV1-positiver Neurone beeinflussen. Bei der Bestimmung der Häufigkeit von TRPV1 in einem Gewebe ist somit die Wahl des Antikörpers von entscheidender Bedeutung. Für TRPV2 dagegen gibt es hier keine Hinweise auf Splice-Varianten. TRPV1 wird durch das Vanilloid Capsaicin aktiviert, wobei diese Substanz neurotoxisch ist und eine Degeneration von Neuronen und epidermalen Nervenfasern bewirkt. Hier wurde nun gezeigt, dass unabhängig von den Splice-Varianten nicht alle TRPV1-positiven Neurone bei langer Inkubationszeit absterben. Funktionelle Untersuchungen belegten, dass auch Capsaicin-sensitive Zellen unter dem Einfluss des Agonisten überleben können. Dieser Schutzmechanismus wird möglicherweise von den verschiedenen Splice-Varianten vermittelt. Ko-Expressionsanalysen zeigten, dass der spannungsgesteuerte Kaliumkanal Kv1.4 in nahezu allen TRPV1- aber nicht TRPV2-positiven Neuronen exprimiert wird. Desweiteren ko-exprimierten nahezu alle TRPV1-positiven Neurone auch den Cannabinoidrezeptor CB1. Diese fast vollständige Ko-Lokalisation von CB1 und Kv1.4 in nozizeptiven Spinalganglienneuronen spricht für eine funktionell synergistische Aktivität. Der Kaliumkanal kann unter der regulativen Kontrolle von CB1 als Vermittler von A-Typ-Kaliumströmen an der Kontrolle der repetitiven Entladungen in der Peripherie und der Transmitterausschüttung zentral beteiligt sein. Es ergeben sich daraus Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer Medikamente. Mit Kv1.4-Aktivatoren und/oder peripher wirkenden Cannabinoiden könnten die Nebenwirkungen der Cannabinoide im zentralen Nervensystem umgangen werden.

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

Long-term potentiation and neural network activity in the neonatal rat cerebral cortex in vivo

Long-term potentiation in the neonatal rat rnbarrel cortex in vivo rnLong-term potentiation (LTP) is important for the activity-dependent formation of early cortical circuits. In the neonatal rodent barrel cortex LTP has been so far only studied in vitro. I combined voltage-sensitive dye imaging with extracellular multi-electrode recordings to study whisker stimulation-induced LTP for both the slope of field potential and the number of multi-unit activity in the whisker-to-barrel cortex pathway of the neonatal rat barrel cortex in vivo. Single whisker stimulation at 2 Hz for 10 min induced an age-dependent expression of LTP in postnatal day (P) 0 to P14 rats with the strongest expression of LTP at P3-P5. The magnitude of LTP was largest in the stimulated barrel-related column, smaller in the surrounding septal region and no LTP could be observed in the neighboring barrel. Current source density analyses revealed an LTP-associated increase of synaptic current sinks in layer IV / lower layer II/III at P3-P5 and in the cortical plate / upper layer V at P0-P1. This study demonstrates for the first time an age-dependent and spatially confined LTP in the barrel cortex of the newborn rat in vivo. These activity-dependent modifications during the critical period may play an important role in the development and refinement of the topographic map in the barrel cortex. (An et al., 2012)rnEarly motor activity triggered by gamma and spindle bursts in neonatal rat motor cortexrnSelf-generated neuronal activity generated in subcortical regions drives early spontaneous motor activity, which is a hallmark of the developing sensorimotor system. However, the neuronal activity patterns and functions of neonatal primary motor cortex (M1) in the early movements are still unknown. I combined voltage-sensitive dye imaging with simultaneous extracellular multi-electrode recordings in the neonatal rat S1 and M1 in vivo. At P3-P5, gamma and spindle bursts observed in M1 could trigger early paw movements. Furthermore, the paw movements could be also elicited by the focal electrical stimulation of M1 at layer V. Local inactivation of M1 could significantly attenuate paw movements, suggesting that the neonatal M1 operates in motor mode. In contrast, the neonatal M1 can also operate in sensory mode. Early spontaneous movements and sensory stimulations of paw trigger gamma and spindle bursts in M1. Blockade of peripheral sensory input from the paw completely abolished sensory evoked gamma and spindle bursts. Moreover, both sensory evoked and spontaneously occurring gamma and spindle bursts mediated interactions between S1 and M1. Accordingly, local inactivation of the S1 profoundly reduced paw stimulation-induced and spontaneously occurring gamma and spindle bursts in M1, indicating that S1 plays a critical role in generation of the activity patterns in M1. This study proposes that both self-generated and sensory evoked gamma and spindle bursts in M1 may contribute to the refinement and maturation of corticospinal and sensorimotor networks required for sensorimotor coordination.rn

In vitro modulation of epileptiform activity in the hippocampal formation of immature rodents by GABAergic antagonists, dopamine and methylxanthines

Während des frühen Lebens stellen epileptische Anfälle schwere neurologische Zustände dar, weil sie ein großer Risikofaktor für die Manifestation der Epilepsie sind und eine hohe pharmakologische Resistenz zeigen. In meiner Doktorarbeit konzentrierte ich mich auf die Frage, wie verschiedene Neurotransmitter-Systeme und klinisch verwendete Medikamente epileptiforme Entladungen im perinatalen Hippocampus beeinflussen. rnIm ersten Teil meines Projektes untersuchte ich die Wirkung von GABA-Antagonisten und Modulatoren, die zwischen phasischen und tonischen GABAergen Strömen differenzieren, auf Feldpotentialaktivität in Hippocampusschnitten. Diese Experimente zeigten, dass im unreifen Hippocampus synaptische GABAerge Aktivität benötigt wird, um die Erregbarkeit zu begrenzen, während tonische GABAerge Ströme die Erregbarkeit verstärken können. Dies könnte darauf hinweisen, dass Antiepileptika mit einer höheren Spezifität für synaptische GABAA-Rezeptoren wirksamer zur Behandlung von epileptischen Anfällen bei Neugeborenen sein können. rnUm den Einfluss von Dopamin auf die Erregbarkeit des unreifen Hippocampus herauszufinden, untersuchte ich im zweiten Teil meiner Arbeit die Wirkung von verschiedenen Dopaminkonzentrationen und spezifische Agonisten und Antagonisten der Dopamin-Rezeptor-Subtypen auf epileptiforme Entladungen. Diese Experimente zeigten, dass niedrige Dopamin Konzentrationen eine antikonvulsive Wirkung haben, welche vom D2-ähnliche-Rezeptor-Agonisten Quinpirol nachgeahmt werden kann, während höhere Dopamin-Konzentrationen eine prokonvulsive Wirkung über Aktivierung von D1-ähnlichen Rezeptoren hervorrufen. Obwohl unsere Untersuchungen eine mögliche Verwendung von D2-ähnlichen Rezeptor-Agonisten zur Kontrolle epileptischer Anfälle in Neugeborenen nahelegen, müssen mögliche negative Auswirkungen von DAergen Agonisten und Antagonisten auf die neuronale Entwicklung berücksichtigt werden.rnIm dritten Teil meiner Arbeit untersuchte ich welche Konzentrationen von Methylxanthinen epileptische Anfälle in Hippocampuspreparationen auslösen die synaptische Übertragungen verändern können. Diese Experimente zeigten, dass sowohl Theophyllin als auch Koffein in höheren Konzentrationen die basale synaptische Übertragungen in der CA1-Region des Hippocampus modifizieren und epileptiforme Entladungen provozieren. Die Auswirkungen auf die postsynaptischen Antworten und spontanen epileptiformen Entladungen durch Koffein waren weniger ausgeprägt, was darauf hindeutet, dass diese Substanz potentiell vorteilhafter für therapeutische Anwendungen bei Frühgeborenen sein kann. rnZusammenfassend bereichern die Ergebnisse meiner Studie erheblich unser Wissen über die zugrunde liegenden Mechanismen epileptiformer Aktivität im unreifen Hippocampus und den therapeutischen Einsatz von Methylxanthinen und Pharmaka, die auf das GABAerge und DArge System einwirken.rnrn

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

Properties of low-threshold motor axons in the human median nerve

This study investigated the excitability and accommodative properties of low-threshold human motor axons to test whether these motor axons have greater expression of the persistent Na(+) conductance, I(NaP). Computer-controlled threshold tracking was used to study 22 single motor units and the data were compared with compound motor potentials of various amplitudes recorded in the same experimental session. Detailed comparisons were made between the single units and compound potentials that were 40% or 5% of maximal amplitude, the former because this is the compound potential size used in most threshold tracking studies of axonal excitability, the latter because this is the compound potential most likely to be composed entirely of motor axons with low thresholds to electrical recruitment. Measurements were made of the strength-duration relationship, threshold electrotonus, current-voltage relationship, recovery cycle and latent addition. The findings did not support a difference in I(NaP). Instead they pointed to greater activity of the hyperpolarization-activated inwardly rectifying current (I(h)) as the basis for low threshold to electrical recruitment in human motor axons. Computer modelling confirmed this finding, with a doubling of the hyperpolarization-activated conductance proving the best single parameter adjustment to fit the experimental data. We suggest that the hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) channel(s) expressed on human motor axons may be active at rest and contribute to resting membrane potential.

In vivo assessment of HCN channel current (I(h)) in human motor axons

The "Trond" protocol of nerve excitability tests has been used widely to assess axonal function in peripheral nerve. In this study, the routine Trond protocol was expanded to refine assessment of cAMP-dependent, hyperpolarization-activated current (I(h)) activity. I(h) activity is generated by hyperpolarization-activated, cyclic nucleotide-modulated (HCN) channels in response to hyperpolarization. It limits activity-dependent hyperpolarization, contributes to neuronal automaticity, and is implicated in chronic pain states. Published data regarding I(h) activity in motor nerve are scant. We used additional strong, prolonged hyperpolarizing conditioning stimuli in the threshold electrotonus component of the Trond protocol to demonstrate the time-course of activation of I(h) in motor axons. Fifteen healthy volunteers were tested on four occasions during 1 week. I(h) action was revealed in the threshold electrotonus by the limiting and often reversal, after about 100 ms, of the threshold increase caused by strong hyperpolarizing currents. Statistical analysis by repeated-measures analysis of variance enabled confidence limits to be established for variation between subjects and within subjects. The results demonstrate that, of all the excitability parameters, those dependent on I(h) were the most characteristic of an individual, because variance between subjects was more than four times the variance within subjects. This study demonstrates a reliable method for in vivo assessment of I(h,) and also serves to document the normal variability in nerve excitability properties within subjects.

The sphingosine kinase 1 and S1P1 axis specifically counteracts LPS-induced IL-12p70 production in immune cells of the spleen

Sphingosine-1-phosphate (S1P) has been implicated in angiogenesis, inflammation, cancerogenesis, neurological excitability and immune regulation and is synthesized by two different sphingosine kinases (SphK). It was suggested that mice lacking the gene for SphK1 exhibit no obvious phenotype, because SphK2 compensates for its absence. However, recent investigations revealed that under challenge SphK1 contributed to pro-inflammatory processes favoring Th2 and Th17 rather than Th1-type reactions. To investigate the immune modulatory role of SphK1 as opposed to SphK2 specifically for the Th1 propagating IL-12p70 we compared WT and SphK1(-/-) splenocytes and Flt3-ligand differentiated BMCs of WT and SphK1(-/-), representing dendritic cells as major producers of IL-12p70, incubated with LPS. We determined the impact on IL-12p70 in comparison to other inflammatory cytokines, and on DC and macrophage surface marker expression, SphK mRNA, protein expression and enzymatic activity in splenocytes. Our data demonstrated that SphK1 deficiency enhanced LPS-induced IL-12p70 production although SphK2 was present. To further characterize SphK1-dependent IL-12p70 regulation we exogenously applied S1P, SEW2871 and the new potent S1P1 agonist CYM5442. Both S1P and S1P1-specific analogs fully compensated the increase of IL-12p70 production in SphK1-deficient splenocytes. The use of pertussis toxin, to block G(i)-coupled signaling downstream of S1P1, again increased IL-12p70 and neglected the compensation achieved by addition of S1P and S1P1 agonists pointing on the importance of this specific S1P-receptor. Given that, in parallel to a prominent IL-12p35 increase following LPS stimulation, LPS also enhanced SphK expression and total SphK activity, we concluded that SphK1-derived S1P acting via S1P1 is a major mechanism of this negative IL-12p70 feedback loop, which did not affect other cytokines. Moreover, our data showed that SphK2 activity failed to compensate for SphK1 deficiency. These findings clearly point to a divergent and cytokine-specific impact of immune cell SphK1 and SphK2 in chronic inflammation and cancer.

Visual hallucinations in dementia with Lewy bodies: a transcranial magnetic stimulation study

BACKGROUND: The aetiology of visual hallucinations is poorly understood in dementia with Lewy bodies. Pathological alterations in visual cortical excitability may be one contributory mechanism. AIMS: To determine visual cortical excitability in people with dementia with Lewy bodies compared with aged-matched controls and also the relationship between visual cortical excitability and visual hallucinations in dementia with Lewy bodies. METHOD: Visual cortical excitability was determined by using transcranial magnetic stimulation (TMS) applied to the occiput to elicit phosphenes (transient subjective visual responses) in 21 patients with dementia with Lewy bodies and 19 age-matched controls. RESULTS: Phosphene parameters were similar between both groups. However, in the patients with dementia with Lewy bodies, TMS measures of visual cortical excitability correlated strongly with the severity of visual hallucinations (P = 0.005). Six patients with dementia with Lewy bodies experienced visual hallucination-like phosphenes (for example, seeing people or figures on stimulation) compared with none of the controls (P = 0.02). CONCLUSIONS: Increased visual cortical excitability in dementia with Lewy bodies does not appear to explain visual hallucinations but it may be a marker for their severity.