Synthese, n.c.a. 18F-Markierung und Evaluierung von Antagonisten der Strychnin-unempfindlichen-Glycinbindungsstelle auf Basis der 4-Amino-5,7-Dichlor-1,2,3,4-Tetrahydro-Chinolin-2-Carbonsäure

ZUSAMMENFASSUNGDer glutamaterge N-Methyl-D-aspartat-Rezeptor (NMDA) ist ein wichtiger ionotroper Rezeptor, der die exzitatorische synaptische Transmission im zentralen Nervensystem von Säugetieren vermittelt. Der NMDA-Rezeptor nimmt unter den Glutamatrezeptoren dabei eine Sonderstellung ein, da er mit einer Reihe von neurodegenerativen Erkrankungen wie dem Morbus Parkinson, dem Morbus Huntington, dem Morbus Alzheimer, der Schizophrenie und der Epilepsie in Zusammenhang gebracht wird. Daher besteht ein großes Interesse an der Entwicklung geeigneter 18F-markierter NMDA-Rezeptorliganden zur nicht-invasiven Visualisierung des NMDA-Rezeptorkomplexes mittels der Positronenemissionstomographie.Die 19F-Analoga ADTC1, tADTC1 und tADTC3 - 5 und das nicht-fluorierte 12C-Analogon tADTC2 wurden synthetisiert und ihre in-vitro Affinität und Lipophilie bestimmt. Mit Ausnahme von ADTC1 und tADTC5 die mikromolare Affinitäten besitzen, haben die Liganden in [H-3]MDL-105,519 Rezeptorbindungsassays niedrige nanomolare Affinitäten für die Glycinbindungsstelle. Die Lipophilie der Verbindungen wurde mit drei verschiedenen Verfahren untersucht und ergab logD7,4-Werte von ungefähr 1 für cADTC1 und tADTC1 – 4, während tADTC5 mit einem logD7,4 von –1,15 eine sehr niedrige Lipophilie aufwies. Die Radiosynthesen der 18F-Liganden wurden hinsichtlich der Umsetzung der Markierungsvorläufer mit 2-[F-18]Fluorethyltosylat oder [F-18]Fluorid untersucht und optimiert. Die höchsten radiochemischen Ausbeuten von ungefähr 90% wurden, unter Verwendung von NaOH als Hilfsbase, bei der 18F-Fluorethylierung von t[F-18]ADTC4 und t[F-18]ADTC5 mit 2-[F-18]Fluorethyltosylat erzielt.

Multi-target-directed ligands: application to the Alzheimer's disease

The MTDL (multi-target-directed ligand) design strategy is used to develop single chemical entities that are able to simultaneously modulate multiple targets. The development of such compounds might disclose new avenues for the treatment of a variety of pathologies (e.g. cancer, AIDS, neurodegenerative diseases), for which an effective cure is urgently needed. This strategy has been successfully applied to Alzheimer’s disease (AD) due to its multifactorial nature, involving cholinergic dysfunction, amyloid aggregation, and oxidative stress. Despite many biological entities have been recognized as possible AD-relevant, only four achetylcholinesterase inhibitors (AChEIs) and one NMDA receptor antagonist are used in therapy. Unfortunately, such compounds are not disease-modifying agents behaving only as cognition enhancers. Therefore, MTDL strategy is emerging as a powerful drug design paradigm: pharmacophores of different drugs are combined in the same structure to afford hybrid molecules. In principle, each pharmacophore of these new drugs should retain the ability to interact with its specific site(s) on the target and, consequently, to produce specific pharmacological responses that, taken together, should slow or block the neurodegenerative process. To this end, the design and synthesis of several examples of MTDLs for combating neurodegenerative diseases have been published. This seems to be the more appropriate approach for addressing the complexity of AD and may provide new drugs for tackling the multifactorial nature of AD, and hopefully stopping its progression. According to this emerging strategy, in this work thesis different classes of new molecular structures, based on the MTDL approach, have been developed. Moreover, curcumin and its constrained analogs have currently received remarkable interest as they have a unique conjugated structure which shows a pleiotropic profile that we considered a suitable framework in developing MTDLs. In fact, beside the well-known direct antioxidant activity, curcumin displays a wide range of biological properties including anti-inflammatory and anti-amyloidogenic activities and an indirect antioxidant action through activation of the cytoprotective enzyme heme oxygenase (HO-1). Thus, since many lines of evidence suggest that oxidative stess and mitochondria impairment have a cental role in age-related neurodegenerative diseases such as AD, we designed mitochondria-targeted antioxidants by connecting curcumin analogs to different polyamine chains that, with the aid of electrostatic force, might drive the selected antioxidant moiety into mitochondria.

Physiologische Untersuchungen an der Stäbchenbahn der Nagerretina

AII Amakrinzellen sind Interneurone in der Retina und ein wichtiges Element der Stäbchenbahn von Säugetieren. Bei ihren Antworten auf Lichtreize generieren sie Aktionspotentiale, obwohl die ihnen vor- und nachgeschalteten Bipolarzellen graduierte Membranpotentiale aufweisen. Um die Verarbeitung der Lichtsignale in der Stäbchenbahn der Säuger besser zu verstehen wurden in der vorliegenden Arbeit Membranströme von AII Amakrinzellen und Veränderungen der intrazellulären Kalziumkonzentration mittels Indikatorfarbstoffe bei Mäusen simultan gemessen.Die spannungsabhängigen Kalziumkanäle waren durch eine negative Aktivierungsschwelle und eine sehr langsame Inaktivierung gekennzeichnet¸ ausserdem wurden sie von Dihydropyridinen (Agonisten und Antagonisten) moduliert. Sie fanden sich vor allem auf den keulenförmigen Fortsätzen von AII Amakrinzellen. Lokale Applikationen von Glutamat, AMPA oder Kainat lösten einwärtsgerichtete Ströme aus. Diese Ströme gingen einher mit einer Erhöhung der Fluoreszenz und zwar vor allem in den distalen Dendriten. NMDA löste keine Veränderung der Kalziumkonzentration aus und nur in wenigen Fällen Ströme (7 von 23).Diese Befunde deuten darauf hin, dass es sich bei den ionotropen Glutamat-Rezeptoren auf AII Amakrinzellen um solche vom AMPA Typ handelt. Diese befinden sich, sofern sie kalziumpermeabel sind (oder durch andere Mechanismen zu einer Erhöhung der [Ca2+]i führen) auf den distalen Dendriten nahe der Ganglienzellschicht.

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

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

Inhibierung des IL-17A vermittelten Blut-Hirnschrankenversagens in experimenteller Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) und Mikrogliaaktivierung durch IL-17A

Experimentelle Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) ist das Tiermodell für Multiple Sklerose (MS). Es ist bekannt, dass das proinflammatorische Zytokin IL-17A eine wichtige Rolle in MS und EAE spielt. Dieses wird hauptsächlich von einer Subpopulation der T-Helferzellen (Th17 Zellen) exprimiert. Es war bekannt, dass diese am Zusammenbruch der Blut-Hirnschranke (BHS) beteiligt sind. Der Integritätsverlust der BHS ist ein wichtiger und früher Aspekt in der Pathogenese von EAE und MS. Daraufhin können Immunzellen in das zentrale Nervensystem (ZNS) eindringen. Spezifische T-Zellen greifen das Myelin an und führen so zu einer Entzündungsreaktion, Demyelinisierung und axonalem Schaden. In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass durch Hemmung des kontraktilen endothelialen Apparates das BHS Versagen vermindert werden kann und es dadurch zu einem milderen Verlauf der EAE Pathogenese kommt. Wird der Inhibitor der Myosinleichtkettenkinase ML-7 C57/bl6 Mäusen, bei denen EAE induziert wurde, intraperitoneal verabreicht, kommt es zu einem geringeren Phosphorylierungsgrad der leichten Kette des Myosins in Endothelzellen und folglich zu einem verringerten Schrankenversagen. Außerdem konnte ich zeigen, dass weniger reaktive Sauerstoffspezies (ROS) gebildet werden. Folglich kommt es zu einer geringeren Infiltration von Immunzellen aus der Peripherie in das ZNS. Somit werden weniger Zytokine und auch Matrixmetalloproteinasen (MMP) ausgeschüttet, wodurch die Entzündungsreaktion weniger stark ausgeprägt ist. Außerdem werden weniger Mikrogliazellen aktiviert. Ich habe den Zusammenhang zwischen Mikrogliazellaktivierung und IL-17A näher untersucht. Dieses proinflammatorische Zytokin aktiviert Mikrogliazellen auch in vitro. Durch IL-17A Stimulation kommt es zur vermehrten ROS Bildung. Folglich kommt es zu einer vermehrten Proliferation und Migration, sowie einer erhöhten Zytokinproduktion. Außerdem konnte ich zeigen, dass der N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptor an der Mikrogliaaktivierung beteiligt ist. Abhängig von IL-17A Stimulation kommt es zu einem Kalziumeinstrom über den NMDA-Rezeptor. Werden Inhibitoren des NMDA-Rezeptors eingesetzt, können IL-17A vermittelte Proliferation, Migration, Zytokin-und ROS-Produktion verhindert werden. Der NMDA-Rezeptor ist sehr gut in Neuronen erforscht, wohingegen bisher sehr wenig über seine Funktion in Gliazellen bekannt war. In dieser Arbeit ist es mir gelungen einen Zusammenhang zwischen IL-17A vermittelter Mikrogliaaktivierung und Kalziumeinstrom über den NMDA-Rezeptor herzustellen.

Das chronische Postthorakotomie-Schmerzsyndrom: Eine vergleichende Untersuchung zweier Analgesieverfahren (PCEA und PCA+Ketamin)

Das chronische Postthorakotomie Schmerzsyndrom: Eine vergleichende Untersuchung zweier Analgesieverfahren (PCEA und PCA+Ketamin)rnrnFragestellung: Chronische Schmerzen im Narbenbereich nach Thorakotomien sind ein bekanntes und häufiges Problem. Die Prävalenz des chronischen Postthorakotomie Schmerzsyndroms sechs Monate postoperativ liegt zwischen 52% und 75%. Die Epiduralanästhesie gilt zurzeit als das beste Analgesieverfahren für Thorakotomiepatienten in Bezug auf das Auftreten akuter und chronischer Postthorakotomieschmerzen. In dieser Studie wurde untersucht, ob sich die Epiduralanästhesie (PCEA) und ein opioidbasiertes, systemisches Analgesieverfahren mit der zusätzlichen intravenösen Applikation von Ketamin, einem NMDA-Rezeptorantagonisten, (PCA+Ketamin) in der Prävalenz des chronischen Postthorakotomiesyndroms unterscheiden, oder ob beide Verfahren gleichwertig sind.rnrnMaterial u. Methoden: Es wurden die Datensätze von 173 Patienten, bei denen eine elektive Thorakotomie durchgeführt wurde, retrospektiv an Hand vorliegender Schmerzprotokolle erfasst. Ausgewertet wurden das durchgeführte Analgesieverfahren, die deskriptiven Daten der Patienten (Alter, Geschlecht, Hauptdiagnose, Zeitraum bis zur Nachbefragung), das postoperative Schmerzniveau der ersten beiden Tage, eventuelle Komplikationen und die Patientenzufriedenheit. Durch ein telefonisches Interview wurden die Patienten in einem Zeitraum von 6 bis 24 Monaten postoperativ zum aktuellen Schmerzniveau befragt.rnrnErgebnisse: Die beiden Analgesieverfahren PCEA (135 Patienten) und PCA+Ketamin (38 Patienten) unterscheiden sich signifikant in Bezug auf das Patientenalter, die Hauptdiagnose und das Schmerzniveau am 1. und 2. postoperativen Tag unter Belastung. Es konnte kein signifikanter Unterschied im Auftreten des chronischen Schmerzsyndroms nachgewiesen werden, allerdings gibt es einen deskriptiven Trend zu einer erhöhten Auftretenswahrscheinlichkeit des Postthorakotomiesyndroms in der Epiduralanästhesiegruppe (PCEA: 37,8% vs. PCA+Ketamin 23,7%).rnrnSchlussfolgerung: Die Ketamingabe zur PCA hat möglicherweise einen protektiven Effekt bezüglich der Prävalenz des Postthorakotomie Schmerzsyndroms. Auch wenn die Wirkungsweise des Ketamins auf den chronischen Postthorakotomieschmerz unklar ist, konnte in dieser Studie kein Unterschied in Bezug auf das Auftreten des chronischen Schmerzsyndroms zwischen den beiden Analgesiegruppen PCEA und PCA + Ketamin nachgewiesen werden. Unter Umständen könnte sogar ein Vorteil des PCA + Ketaminschemas gegenüber der Epiduralanästhesie bezüglich des Auftretens des Postthorakotomie Schmerzsyndroms bestehen. Dieser mögliche Vorteil sollte in weiteren Studien überprüft werden.rn

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.

Reinforcement learning in dendritic structures

The discovery of binary dendritic events such as local NMDA spikes in dendritic subbranches led to the suggestion that dendritic trees could be computationally equivalent to a 2-layer network of point neurons, with a single output unit represented by the soma, and input units represented by the dendritic branches. Although this interpretation endows a neuron with a high computational power, it is functionally not clear why nature would have preferred the dendritic solution with a single but complex neuron, as opposed to the network solution with many but simple units. We show that the dendritic solution has a distinguished advantage over the network solution when considering different learning tasks. Its key property is that the dendritic branches receive an immediate feedback from the somatic output spike, while in the corresponding network architecture the feedback would require additional backpropagating connections to the input units. Assuming a reinforcement learning scenario we formally derive a learning rule for the synaptic contacts on the individual dendritic trees which depends on the presynaptic activity, the local NMDA spikes, the somatic action potential, and a delayed reinforcement signal. We test the model for two scenarios: the learning of binary classifications and of precise spike timings. We show that the immediate feedback represented by the backpropagating action potential supplies the individual dendritic branches with enough information to efficiently adapt their synapses and to speed up the learning process.

Reinforcement learning in dendritic structures

The discovery of binary dendritic events such as local NMDA spikes in dendritic subbranches led to the suggestion that dendritic trees could be computationally equivalent to a 2-layer network of point neurons, with a single output unit represented by the soma, and input units represented by the dendritic branches. Although this interpretation endows a neuron with a high computational power, it is functionally not clear why nature would have preferred the dendritic solution with a single but complex neuron, as opposed to the network solution with many but simple units. We show that the dendritic solution has a distinguished advantage over the network solution when considering different learning tasks. Its key property is that the dendritic branches receive an immediate feedback from the somatic output spike, while in the corresponding network architecture the feedback would require additional backpropagating connections to the input units. Assuming a reinforcement learning scenario we formally derive a learning rule for the synaptic contacts on the individual dendritic trees which depends on the presynaptic activity, the local NMDA spikes, the somatic action potential, and a delayed reinforcement signal. We test the model for two scenarios: the learning of binary classifications and of precise spike timings. We show that the immediate feedback represented by the backpropagating action potential supplies the individual dendritic branches with enough information to efficiently adapt their synapses and to speed up the learning process.

Inhibitory regulation of dendritic activity in vivo

The spatiotemporal control of neuronal excitability is fundamental to the inhibitory process. We now have a wealth of information about the active dendritic properties of cortical neurons including axonally generated sodium action potentials as well as local sodium spikelets generated in the dendrites, calcium plateau spikes, and NMDA spikes. All of these events have been shown to be highly modified by the spatiotemporal pattern of nearby inhibitory input which can drastically change the output firing mode of the neuron. This means that particular populations of interneurons embedded in the neocortical microcircuitry can more precisely control pyramidal cell output than has previously been thought. Furthermore, the output of any given neuron tends to feed back onto inhibitory circuits making the resultant network activity further dependent on inhibition. Network activity is therefore ultimately governed by the subcellular microcircuitry of the cortex and it is impossible to ignore the subcompartmentalization of inhibitory influence at the neuronal level in order to understand its effects at the network level. In this article, we summarize the inhibitory circuits that have been shown so far to act on specific dendritic compartments in vivo.

Gradient estimation in dendritic reinforcement learning

We study synaptic plasticity in a complex neuronal cell model where NMDA-spikes can arise in certain dendritic zones. In the context of reinforcement learning, two kinds of plasticity rules are derived, zone reinforcement (ZR) and cell reinforcement (CR), which both optimize the expected reward by stochastic gradient ascent. For ZR, the synaptic plasticity response to the external reward signal is modulated exclusively by quantities which are local to the NMDA-spike initiation zone in which the synapse is situated. CR, in addition, uses nonlocal feedback from the soma of the cell, provided by mechanisms such as the backpropagating action potential. Simulation results show that, compared to ZR, the use of nonlocal feedback in CR can drastically enhance learning performance. We suggest that the availability of nonlocal feedback for learning is a key advantage of complex neurons over networks of simple point neurons, which have previously been found to be largely equivalent with regard to computational capability.

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

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

Maternal and Postweaning High-Fat Diets Disturb Hippocampal Gene Expression, Learning, and Memory Function

We tested the hypothesis that excess saturated fat consumption during pregnancy, lactation, and/or postweaning alters the expression of genes mediating hippocampal synaptic efficacy and impairs spatial learning and memory in adulthood. Dams were fed control chow or a diet high in saturated fat before mating, during pregnancy, and into lactation. Offspring were weaned to either standard chow or a diet high in saturated fat. The Morris Water Maze was used to evaluate spatial learning and memory. Open field testing was used to evaluate motor activity. Hippocampal gene expression in adult males was measured using RT-PCR and ELISA. Offspring from high fat-fed dams took longer, swam farther, and faster to try and find the hidden platform during the 5-day learning period. Control offspring consuming standard chow spent the most time in memory quadrant during the probe test. Offspring from high fat-fed dams consuming excess saturated fat spent the least. The levels of mRNA and protein for brain-derived neurotrophic factor and activity-regulated cytoskeletal-associated protein were significantly decreased by maternal diet effects. Nerve growth factor mRNA and protein levels were significantly reduced in response to both maternal and postweaning high-fat diets. Expression levels for the N-methyl-D-aspartate receptor (NMDA) receptor subunit NR2B as well as synaptophysin were significantly decreased in response to both maternal and postweaning diets. Synaptotagmin was significantly increased in offspring from high fat-fed dams. These data support the hypothesis that exposure to excess saturated fat during hippocampal development is associated with complex patterns of gene expression and deficits in learning and memory.

Transient rhythmic network activity in the somatosensory cortex evoked by distributed input in vitro

The initiation and maintenance of physiological and pathophysiological oscillatory activity depends on the synaptic interactions within neuronal networks. We studied the mechanisms underlying evoked transient network oscillation in acute slices of the adolescent rat somatosensory cortex and modeled its underpinning mechanisms. Oscillations were evoked by brief spatially distributed noisy extracellular stimulation, delivered via bipolar electrodes. Evoked transient network oscillation was detected with multi-neuron patch-clamp recordings under different pharmacological conditions. The observed oscillations are in the frequency range of 2-5 Hz and consist of 4-12 mV large, 40-150 ms wide compound synaptic events with rare overlying action potentials. This evoked transient network oscillation is only weakly expressed in the somatosensory cortex and requires increased [K+]o of 6.25 mM and decreased [Ca2+]o of 1.5 mM and [Mg2+]o of 0.5 mM. A peak in the cross-correlation among membrane potential in layers II/III, IV and V neurons reflects the underlying network-driven basis of the evoked transient network oscillation. The initiation of the evoked transient network oscillation is accompanied by an increased [K+]o and can be prevented by the K+ channel blocker quinidine. In addition, a shift of the chloride reversal potential takes place during stimulation, resulting in a depolarizing type A GABA (GABAA) receptor response. Blockade of alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-proprionate (AMPA), N-methyl-D-aspartate (NMDA), or GABA(A) receptors as well as gap junctions prevents evoked transient network oscillation while a reduction of AMPA or GABA(A) receptor desensitization increases its duration and amplitude. The apparent reversal potential of -27 mV of the evoked transient network oscillation, its pharmacological profile, as well as the modeling results suggest a mixed contribution of glutamatergic, excitatory GABAergic, and gap junctional conductances in initiation and maintenance of this oscillatory activity. With these properties, evoked transient network oscillation resembles epileptic afterdischarges more than any other form of physiological or pathophysiological neocortical oscillatory activity.

Spine Ca2+ signaling in spike-timing-dependent plasticity

Calcium is a second messenger, which can trigger the modification of synaptic efficacy. We investigated the question of whether a differential rise in postsynaptic Ca2+ ([Ca2+]i) alone is sufficient to account for the induction of long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) of EPSPs in the basal dendrites of layer 2/3 pyramidal neurons of the somatosensory cortex. Volume-averaged [Ca2+]i transients were measured in spines of the basal dendritic arbor for spike-timing-dependent plasticity induction protocols. The rise in [Ca2+]i was uncorrelated to the direction of the change in synaptic efficacy, because several pairing protocols evoked similar spine [Ca2+]i transients but resulted in either LTP or LTD. The sequence dependence of near-coincident presynaptic and postsynaptic activity on the direction of changes in synaptic strength suggested that LTP and LTD were induced by two processes, which were controlled separately by postsynaptic [Ca2+]i levels. Activation of voltage-dependent Ca2+ channels before metabotropic glutamate receptors (mGluRs) resulted in the phospholipase C-dependent (PLC-dependent) synthesis of endocannabinoids, which acted as a retrograde messenger to induce LTD. LTP required a large [Ca2+]i transient evoked by NMDA receptor activation. Blocking mGluRs abolished the induction of LTD and uncovered the Ca2+-dependent induction of LTP. We conclude that the volume-averaged peak elevation of [Ca2+]i in spines of layer 2/3 pyramids determines the magnitude of long-term changes in synaptic efficacy. The direction of the change is controlled, however, via a mGluR-coupled signaling cascade. mGluRs act in conjunction with PLC as sequence-sensitive coincidence detectors when postsynaptic precede presynaptic action potentials to induce LTD. Thus presumably two different Ca2+ sensors in spines control the induction of spike-timing-dependent synaptic plasticity.