The periaqueductal gray as a critical site to mediate reward seeking during predatory hunting

Previous studies using morphine-treated dams reported a role for the rostral lateral periaqueductal gray (rIPAG) in the behavioral switching between nursing and insect hunting, likely to depend on an enhanced seeking response to the presence of an appetitive rewarding cue (i.e., the roach). To elucidate the neural mechanisms mediating such responses, in the present study, we first observed how the rIPAG influences predatory hunting in male rats. Our behavioral observations indicated that bilateral rIPAG NMDA lesions dramatically interfere with prey hunting, leaving the animal without chasing or attacking the prey, but do not seem to affect the general levels of arousal, locomotor activity and regular feeding. Next, using Phaseolus vulgaris-leucoagglutinin (PHA-L), we have reviewed the rIPAG connection pattern, and pointed out a particularly dense projection to the hypothalamic orexinergic cell group. Double labeled PHA-L and orexin sections showed an extensive overlap between PHA-L labeled fibers and orexin cells, revealing that both the medial/perifornical and lateral hypothalamic orexinergic cell groups receive a substantial innervation from the rIPAG. We have further observed that both the medial/perifornical and lateral hypothalamic orexinergic cell groups up-regulate Fos expression during prey hunting, and that rIPAG lesions blunted this Fos increase only in the lateral hypothalamic, but not in the medial/perifornical, orexinergic group, a finding supposedly associated with the lack of motivational drive to actively pursue the prey. Overall, the present results suggest that the rIPAG should exert a critical influence on reward seeking by activating the lateral hypothalamic orexinergic cell group. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Ether-A -go-go 1 (Eag1) Potassium Channel Expression in Dopaminergic Neurons of Basal Ganglia is Modulated by 6-Hydroxydopamine Lesion

The ether A go-go (Eag) gene encodes the voltage-gated potassium (K+) ion channel Kv10.1, whose function still remains unknown. As dopamine may directly affect K+ channels, we evaluated whether a nigrostriatal dopaminergic lesion induced by the neurotoxin 6-hydroxydopamine (6-OHDA) would alter Eag1-K+ channel expression in the rat basal ganglia and related brain regions. Male Wistar rats received a microinjection of either saline or 6-OHDA (unilaterally) into the medial forebrain bundle. The extent of the dopaminergic lesion induced by 6-OHDA was evaluated by apomorphine-induced rotational behavior and by tyrosine hydroxylase (TH) immunoreactivity. The 6-OHDA microinjection caused a partial or complete lesion of dopaminergic cells, as well as a reduction of Eag1+ cells in a manner proportional to the extent of the lesion. In addition, we observed a decrease in TH immunoreactivity in the ipsilateral striatum. In conclusion, the expression of the Eag1-K+-channel throughout the nigrostriatal pathway in the rat brain, its co-localization with dopaminergic cells and its reduction mirroring the extent of the lesion highlight a physiological circuitry where the functional role of this channel can be investigated. The Eag1-K+ channel expression in dopaminergic cells suggests that these channels are part of the diversified group of ion channels that generate and maintain the electrophysiological activity pattern of dopaminergic midbrain neurons.

Global gene expression profiling of oral cavity cancers suggests molecular heterogeneity within anatomic subsites

Abstract Background Oral squamous cell carcinoma (OSCC) is a frequent neoplasm, which is usually aggressive and has unpredictable biological behavior and unfavorable prognosis. The comprehension of the molecular basis of this variability should lead to the development of targeted therapies as well as to improvements in specificity and sensitivity of diagnosis. Results Samples of primary OSCCs and their corresponding surgical margins were obtained from male patients during surgery and their gene expression profiles were screened using whole-genome microarray technology. Hierarchical clustering and Principal Components Analysis were used for data visualization and One-way Analysis of Variance was used to identify differentially expressed genes. Samples clustered mostly according to disease subsite, suggesting molecular heterogeneity within tumor stages. In order to corroborate our results, two publicly available datasets of microarray experiments were assessed. We found significant molecular differences between OSCC anatomic subsites concerning groups of genes presently or potentially important for drug development, including mRNA processing, cytoskeleton organization and biogenesis, metabolic process, cell cycle and apoptosis. Conclusion Our results corroborate literature data on molecular heterogeneity of OSCCs. Differences between disease subsites and among samples belonging to the same TNM class highlight the importance of gene expression-based classification and challenge the development of targeted therapies.

New perspective on the pathophysiology of panic: merging serotonin and opioids in the periaqueductal gray

Panic disorder patients are vulnerable to recurrent panic attacks. Two neurochemical hypotheses have been proposed to explain this susceptibility. The first assumes that panic patients have deficient serotonergic inhibition of neurons localized in the dorsal periaqueductal gray matter of the midbrain that organize defensive reactions to cope with proximal threats and of sympathomotor control areas of the rostral ventrolateral medulla that generate most of the neurovegetative symptoms of the panic attack. The second suggests that endogenous opioids buffer normal subjects from the behavioral and physiological manifestations of the panic attack, and their deficit brings about heightened suffocation sensitivity and separation anxiety in panic patients, making them more vulnerable to panic attacks. Experimental results obtained in rats performing one-way escape in the elevated T-maze, an animal model of panic, indicate that the inhibitory action of serotonin on defense is connected with activation of endogenous opioids in the periaqueductal gray. This allows reconciliation of the serotonergic and opioidergic hypotheses of panic pathophysiology, the periaqueductal gray being the fulcrum of serotonin-opioid interaction.

Dorsal periaqueductal gray stimulation facilitates anxiety-, but not panic-related, defensive responses in rats tested in the elevated T-maze

The escape response to electrical or chemical stimulation of the dorsal periaqueductal gray matter (DPAG) has been associated with panic attacks. In order to explore the validity of the DPAG stimulation model for the study of panic disorder, we determined if the aversive consequences of the electrical or chemical stimulation of this midbrain area can be detected subsequently in the elevated T-maze. This animal model, derived from the elevated plus-maze, permits the measurement in the same rat of a generalized anxiety- and a panic-related defensive response, i.e., inhibitory avoidance and escape, respectively. Facilitation of inhibitory avoidance, suggesting an anxiogenic effect, was detected in male Wistar rats (200-220 g) tested in the elevated T-maze 30 min after DPAG electrical stimulation (current generated by a sine-wave stimulator, frequency at 60 Hz) or after local microinjection of the GABA A receptor antagonist bicuculline (5 pmol). Previous electrical (5, 15, 30 min, or 24 h before testing) or chemical stimulation of this midbrain area did not affect escape performance in the elevated T-maze or locomotion in an open-field. No change in the two behavioral tasks measured by the elevated T-maze was observed after repetitive (3 trials) electrical stimulation of the DPAG. The results indicate that activation of the DPAG caused a short-lived, but selective, increase in defensive behaviors associated with generalized anxiety.

Efeito do lítio sobre a hiperatividade locomotora induzida pela lesão eletrolítica da região do núcleo mediano da rafe em ratos

A lesão do núcleo mediano da rafe (NMR) produz sintomas que sugerem validade de face ao episódio maníaco. Esta pesquisa avaliou o efeito do lítio sobre a hiperatividade locomotora induzida por esta lesão. Vinte e um ratos Wistar machos foram submetidos à lesão eletrolítica da região do NMR (LR) e 17 foram submetidos à lesão fictícia (LF). Após recuperação, a atividade locomotora foi avaliada na caixa de atividade (Med Associates/ENV-515). Parte dos animais destes grupos recebeu tratamentos com lítio (47,5 mg/kg/2x dia i.p.) por 10 dias, enquanto o restante foi tratado com salina no mesmo esquema. A reavaliação ao final dos tratamentos demonstrou que o lítio reduziu significantemente a atividade locomotora em relação à avaliação inicial no grupo LR (ANOVA/Bonferroni p < 0,05), tornando-a equivalente aos baixos níveis dos grupos LF. Estes dados sustentam a hipótese de que as manifestações induzidas pela lesão do NMR podem constituir um modelo animal de mania.

Chronic unpredictable mild stress alters an anxiety-related defensive response, Fos immunoreactivity and hippocampal adult neurogenesis

Previous results show that elevated T-maze (ETM) avoidance responses are facilitated by acute restraint. Escape, on the other hand, was unaltered. To examine if the magnitude of the stressor is an important factor influencing these results, we investigated the effects of unpredictable chronic mild stress (UCMS) on ETM avoidance and escape measurements. Analysis of Fos protein immunoreactivity (Fos-ir) was used to map areas activated by stress exposure in response to ETM avoidance and escape performance. Additionally, the effects of the UCMS protocol on the number of cells expressing the marker of migrating neuroblasts doublecortin (DCX) in the hippocampus were investigated. Corticosterone serum levels were also measured. Results showed that UCMS facilitates ETM avoidance, not altering escape. In unstressed animals, avoidance performance increases Fos-ir in the cingulate cortex, hippocampus (dentate gyrus) and basomedial amygdala, and escape increases Fos-ir in the dorsolateral periaqueductal gray and locus ceruleus. In stressed animals submitted to ETM avoidance, increases in Fos-ir were observed in the cingulate cortex, ventrolateral septum, hippocampus, hypothalamus, amygdala, dorsal and median raphe nuclei. In stressed animals submitted to ETM escape, increases in Fos-ir were observed in the cingulate cortex, periaqueductal gray and locus ceruleus. Also, UCMS exposure decreased the number of DCX-positive cells in the dorsal and ventral hippocampus and increased corticosterone serum levels. These data suggest that the anxiogenic effects of UCMS are related to the activation of specific neurobiological circuits that modulate anxiety and confirm that this stress protocol activates the hypothalamus-pituitary-adrenal axis and decreases hippocampal adult neurogenesis.

Mathematical models of cognitive processes

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

Mechanismen der Caveolin-Genregulation in neuralen Zellsystemen

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

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

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

Untersuchung neuer hochwirksamer neuroprotektiver Antioxidantien in experimentellen Modellen der Parkinsonschen Krankheit

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

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

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

Ophthalmological findings in Joubert syndrome

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

Recurrent antitopographic inhibition mediates competitive stimulus selection in an attention network

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

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

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