Role of nitric oxide and endocannabinoids in synaptic plasticity in the perirhinal cortex and in visual recognition memory

Introduction and aims of the research Nitric oxide (NO) and endocannabinoids (eCBs) are major retrograde messengers, involved in synaptic plasticity (long-term potentiation, LTP, and long-term depression, LTD) in many brain areas (including hippocampus and neocortex), as well as in learning and memory processes. NO is synthesized by NO synthase (NOS) in response to increased cytosolic Ca2+ and mainly exerts its functions through soluble guanylate cyclase (sGC) and cGMP production. The main target of cGMP is the cGMP-dependent protein kinase (PKG). Activity-dependent release of eCBs in the CNS leads to the activation of the Gαi/o-coupled cannabinoid receptor 1 (CB1) at both glutamatergic and inhibitory synapses. The perirhinal cortex (Prh) is a multimodal associative cortex of the temporal lobe, critically involved in visual recognition memory. LTD is proposed to be the cellular correlate underlying this form of memory. Cholinergic neurotransmission has been shown to play a critical role in both visual recognition memory and LTD in Prh. Moreover, visual recognition memory is one of the main cognitive functions impaired in the early stages of Alzheimer’s disease. The main aim of my research was to investigate the role of NO and ECBs in synaptic plasticity in rat Prh and in visual recognition memory. Part of this research was dedicated to the study of synaptic transmission and plasticity in a murine model (Tg2576) of Alzheimer’s disease. Methods Field potential recordings. Extracellular field potential recordings were carried out in horizontal Prh slices from Sprague-Dawley or Dark Agouti juvenile (p21-35) rats. LTD was induced with a single train of 3000 pulses delivered at 5 Hz (10 min), or via bath application of carbachol (Cch; 50 μM) for 10 min. LTP was induced by theta-burst stimulation (TBS). In addition, input/output curves and 5Hz-LTD were carried out in Prh slices from 3 month-old Tg2576 mice and littermate controls. Behavioural experiments. The spontaneous novel object exploration task was performed in intra-Prh bilaterally cannulated adult Dark Agouti rats. Drugs or vehicle (saline) were directly infused into the Prh 15 min before training to verify the role of nNOS and CB1 in visual recognition memory acquisition. Object recognition memory was tested at 20 min and 24h after the end of the training phase. Results Electrophysiological experiments in Prh slices from juvenile rats showed that 5Hz-LTD is due to the activation of the NOS/sGC/PKG pathway, whereas Cch-LTD relies on NOS/sGC but not PKG activation. By contrast, NO does not appear to be involved in LTP in this preparation. Furthermore, I found that eCBs are involved in LTP induction, but not in basal synaptic transmission, 5Hz-LTD and Cch-LTD. Behavioural experiments demonstrated that the blockade of nNOS impairs rat visual recognition memory tested at 24 hours, but not at 20 min; however, the blockade of CB1 did not affect visual recognition memory acquisition tested at both time points specified. In three month-old Tg2576 mice, deficits in basal synaptic transmission and 5Hz-LTD were observed compared to littermate controls. Conclusions The results obtained in Prh slices from juvenile rats indicate that NO and CB1 play a role in the induction of LTD and LTP, respectively. These results are confirmed by the observation that nNOS, but not CB1, is involved in visual recognition memory acquisition. The preliminary results obtained in the murine model of Alzheimer’s disease indicate that deficits in synaptic transmission and plasticity occur very early in Prh; further investigations are required to characterize the molecular mechanisms underlying these deficits.

Expressions- und Funktionsanalysen von "Tetraspan Vesicle Membrane Proteins" in Caenorhabditis elegans

Tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) sind ubiquitäre Komponenten von Transportvesikeln. Bei den Säugetieren unterscheidet man drei Familien, die Physine, Gyrine und SCAMPs (secretory carrier-associated membrane proteins). Ihre Funktion ist weitgehend unbekannt, es wird jedoch vermutet, dass sie eine Rolle bei der Vesikelbildung und der Vesikelrezirkulierung spielen. In Caenorhabditis elegans existiert von jeder Familie jeweils nur ein einziges Polypeptid: für die Physine Synaptophysin (SPH-1), für die Gyrine Synaptogyrin (SNG-1) und für die SCAMPs SCAMP (SCM-1). Ziel der Arbeit war es die Verteilung der C. elegans TVPs zu untersuchen und ihre Funktion unter besonderer Berücksichtigung der vesikelvermittelten synaptischen Kopplung zu bestimmen. Wenn die C. elegans TVPs in humanen Epithelzellen synthetisiert werden, lokalisieren sie in zytoplasmatischen Vesikeln. In Kotransfektionsexperimenten wurde gezeigt, dass sie größtenteils in den gleichen Strukturen enthalten sind. In C. elegans synthetisierte TVP-Reporterkonstrukte können in unterschiedlichen Geweben nachgewiesen werden. Dabei ist SNG-1 fast ausschließlich in Neuronen zu finden. SPH-1 und SCM-1 hingegen weisen komplexe und teilweise überlappende Verteilungsmuster auf. Während für SPH-1 eine starke Fluoreszenz im Pharynx, auf der apikalen Seite der Darmzellen oberhalb des sog. terminal webs und in adluminalen Regionen von exkretorischen Geweben gefunden wurde, war SCM-1 stark in der Muskulatur und den Coelomozyten vertreten. Die Expression von SCM-1 in Pharynx und Darm war deutlich schwächer. Die C. elegans TVPs werden früh in der Entwicklung ab der Gastrulation (SPH-1 und SCM-1) bzw. ab der Neurulation im sog. Komma-Stadium (SNG-1) produziert. Um die Funktion der TVPs in C. elegans zu untersuchen, wurden TVP-Mutanten analysiert. Durch Kombination aller drei TVP-Gen-Mutanten wurden TVP-Dreifachmutanten generiert. Diese wiesen keinen offensichtlichen Defekt im Bewegungsmuster auf, entwickelten sich normal und bildeten ein normales Nervensystem aus. Auch auf unterschiedliche chemische und physikalische Reize in sensorischen Tests reagierten die TVP-Dreifachmutanten in gleicher Weise wie Wildtyptiere. Ebenso zeigen die TVP-Dreifachmutanten elektrophysiologisch unter normalen Bedingungen keine anormalen Reaktionsmuster. In ultrastrukturellen Untersuchungen wurde lediglich eine signifikant erhöhte Anzahl Clathrin-ummantelter Vesikel in cholinergen Synapsen gefunden. Erst unter Stressbedingungen, hervorgerufen durch den GABA-Antagonisten Pentylentetrazol (PTZ), wiesen sowohl die TVP-Dreifach- als auch die TVP-Einzelmutanten eine deutlich erhöhte Krampfbereitschaft auf. Zusammengenommen zeigen die Analysen, dass TVPs zwar für grundlegende neuronale Prozesse nicht notwendig sind, dass sie aber auf der anderen Seite vermutlich an alternativen redundanten Wegen der Neurotransmitterfreisetzung beteiligt sind.

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.

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).

Analyse der Funktion von Dystroglycan im frühen sich entwickelnden ZNS mittels inhibierender Antikörper

In der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion von Dystroglycan in jungen und späten Stadien des sich entwickelnden ZNS untersucht. Hierzu wurden Antikörper generiert, die fähig waren, in vivo die Interaktion zwischen a-und b-Dystroglycan zu stören. Die Antikörper oder Fab-Fragmente wurden in das Mesencephalon oder Auge lebender Hühnerembryonen injiziert, um aus den beobachteten Veränderungen die Funktion des DAG zu untersuchen. Die Fab-Fragmentinjektionen führten zu Hyperproliferation, verbunden mit morphologischen Veränderungen der Neuroepithelzellen und Zunahme der Anzahl postmitotischer Neuronen. Ebenso wurde die basale und apikale Polarität von Neuroepithelzellen beeinflusst. Auch die Axonorientierung der tectobulbären Axone wurde durch die Injektionen gestört. In älteren embryonalen Stadien kam es, durch Fab-Fragmentinjektionen in die Augen von Embryonen, zu strukturellen Veränderungen der Retina, verbunden mit einer breiteren Verteilung des DAG, wie auch der Synapsen innerhalb der OPL. Die retinalen Zelltypen, wie Müller-Gliazellen und Stäbchen-Bipolarzellen, waren abgerundet und hatten ihre typische Zellform verloren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Dystroglycan einen entscheidenden Einfluss auf die Proliferation, Migration, Polarität und Differenzierung der Neuroepithelzellen ausübt. Außerdem zeigen diese Daten, dass Dystroglycan nicht nur in der frühen embryonalen ZNS-Entwicklung eine maßgebliche Rolle spielt, sondern auch in späten Stadien. Die Ähnlichkeit der beobachteten Veränderungen nach Fab-Fragmentinjektionen legt nahe, dass einige Veränderungen im ZNS bestimmter Muskeldystrophieformen, durch Beeinflussung der Neuroepithelzellen im sich entwickelnden ZNS, verursacht werden.

Characterization of the Caspr2 and NLGN2 ligands: a proteomic and biochemical approach

Autism Spectrum Disorder (ASD) is a range of early-onset conditions classified as neurodevelopmental disorders, characterized by deficits in social interactions and communication, as well as by restricted interest and repetitive behaviors. Among the proteins associated with this spectrum of disease there are Caspr2, α-NRXN1, NLGN1-4. Caspr2 is involved in the clustering of K+ channels at the juxtaparanodes, where it is proposed to bind TAG-1. Recent works reported a synaptic localization of Caspr2, but little is know on its role in this compartment. NRXNs and their ligand NLGNs, instead, have a well-defined role in the formation and maintenance of synapses. Among the neuroligins, NLGN2 binds NRXNs with the lowest affinity, suggesting that it could have other not yet characterized ligands. The aim of this work was to better characterize the binding of Caspr2 to TAG-1 and to identify new potential binding partner for Caspr2 and NLGN2. Unexpectedly, using Isothermal Titration Calorimetry and co-immunoprecipitation experiments the direct association of the first two proteins could not be verified and the results indicate that the first evidences reporting it were biased by false-positive artifacts. These findings, together with the uncharacterized synaptic localization of Caspr2, made the identification of new potential binding partners for this protein necessary. To find new proteins that associate with Caspr2 and NLGN2, affinity chromatography in tandem with mass spectrometry experiments were performed. Interestingly, about 25 new potential partners were found for these two proteins and NLGN1, that was originally included as a control: 5 of those, namely SFRP1, CLU, APOE, CNTN1 and TNR, were selected for further investigations. Only the association of CLU to NLGN2 was confirmed. In the future, screenings of the remaining candidates have to be carried out and the functional role for the proposed NLGN2-CLU complex has to be studied.

Studio elettrofisiologico di modificazioni a lungo termine della forza della trasmissione sinaptica nel sistema nervoso centrale

Il nucleo accumbens (NAc), il maggior componente del sistema mesocorticolimbico, è coinvolto nella mediazione delle proprietà di rinforzo e nella dipendenza da diverse sostanze d’abuso. Le sinapsi glutammatergiche del NAc possono esprimere plasticità, tra cui una forma di depressione a lungo termine (LTD) dipendente dagli endocannabinoidi (eCB). Recenti studi hanno dimostrato un’interazione tra le vie di segnalazione del sistema eCB e quelle di altri sistemi recettoriali, compreso quello serotoninergico (5-HT); la vasta colocalizzazione di recettori serotoninergici e CB1 nel NAc suggerisce la possibilità di un’interazione tra questi due sistemi. In questo studio abbiamo riscontrato che una stimolazione a 4 Hz per 20 minuti (LFS-4Hz) delle afferenze glutammatergiche in fettine cerebrali di ratto, induce una nuova forma di eCB-LTD nel core del NAc, che richiede l’attivazione dei recettori CB1 e 5-HT2 e l’apertura dei canali del Ca2+ voltaggio-dipendenti di tipo L. Inoltre abbiamo valutato che l’applicazione esogena di 5-HT (5 M, 20 min) induce una LTD analoga (5-HT-LTD) a livello delle stesse sinapsi, che richiede l’attivazione dei medesimi recettori e l’apertura degli stessi canali del Ca2+; LFS-4Hz-LTD e 5-HT-LTD sono reciprocamente saturanti. Questi risultati suggeriscono che la LFS-4Hz induce il rilascio di 5-HT, che si lega ai recettori 5-HT2 a livello postsinaptico incrementando l’influsso di Ca2+ attraverso i canali voltaggio-dipendenti di tipo L e la produzione e il rilascio di 2-arachidonoilglicerolo; l’eCB viaggia a ritroso e si lega al recettore CB1 a livello presinaptico, causando una diminuzione duratura del rilascio di glutammato, che risulta in una LTD. Queste osservazioni possono essere utili per comprendere i meccanismi neurofisiologici che sono alla base della dipendenza da sostanze d’abuso, della depressione maggiore e di altre malattie psichiatriche caratterizzate dalla disfunzione della neurotrasmissione di 5-HT nel NAc.

Behavioural analysis of mouse mutants with altered neuronal and glial genes

Im ersten Teil dieser Doktorarbeit beabsichtigte meine Arbeit, die funktionelle Beteiligung des CB1 Rezeptors, einer Hauptkomponente des neuronalen Endocannabinoid-Systems (ECS), an der Ausbildung von verschiedenen Verhaltensphänotypen mit Hilfe von konditionalen Mausmutanten, denen der CB1 Rezeptor auf verschiedenen neuronalen Unterpopulationen fehlt, aufzuschlüsseln und zu untersuchen. Verschiedene Verhaltensmodelle wurden hierzu getestet. Dabei lag der Fokus dieser Arbeit auf der CB1f/f;D1-Cre Mauslinie, welche der CB1 Rezeptor auf den D1 Rezeptor exprimierenden Neuronen des Striatums fehlt. Ich konnte zeigen, dass der Verlust des CB1 Rezeptors auf diesen Neuronen keinen Einfluss auf basale neurologische Funktionen, Gewicht, Bewegung, Exploration, Sozialverhalten, Angst und Stressbewältigung der Tiere hat, jedoch eine Beteiligung an der Entwicklung von Suchtverhalten gegeben ist. Bei Betrachtung des Kokain-induzierten Suchtverhaltens zeigten die konditionalen Mausmutanten eine reduzierte Suchtanfälligkeit sowohl im Vergleich zu Tieren mit einem totalen CB1 Rezeptor Verlust in allen Körperzellen, als auch zu genetisch unveränderten Kontrollmäusen beider Linien.rnDes Weiteren zeigen die Ergebnisse dieser Studie eine große, aber gegensätzliche Beteiligung des ECS bei der Regulation von Exploration in Abhängigkeit des Verlustes des CB1 Rezeptors auf GABAergen Neuronen des Vorderhirns und kortikalen glutamatergen Neuronen, jedoch nicht auf striatalen Neuronen alleine. Zusätzlich war ich in der Lage, die Wichtigkeit des genetischen Hintergrunds von Mauslinien nicht nur auf die Ausbildung von spezifischen Verhaltensphänotypen, sondern auch auf die Genexpression zu zeigen.rnIn dem zweiten Teil dieser Arbeit, in dem ich mich auf die Funktion von Gliazellen konzentrierte, wurden ebenfalls Mausmutanten in verschiedenen Verhaltensmodellen getestet. Ein genetisches Auslöschen des NG2 Glykoproteins in Gliazellen sorgt in den Knock-out Mäusen für ein schlechteres Hörvermögen und ein reduziertes Depressionsverhalten im Vergleich zu ihren Wildtyp-Kontrollmäusen. Interessanterweise zeigten diese Tiere auch eine reduzierte Empfänglichkeit bei chemisch induzierten epileptischen Krämpfen, was eine Rolle des NG2 Glykoproteins bei der Kontrolle der glutamatergen Homöostase vorschlägt, die wahrscheinlich durch Strukturänderungen der Neuron-Glia-Synapse verursacht wird. 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.

Targeting neuronal populations by AAV-mediated gene transfer for studying the endocannabinoid system

The cannabinoid type 1 (CB1) receptor is involved in a plethora of physiological functions and heterogeneously expressed on different neuronal populations. Several conditional loss-of-function studies revealed distinct effects of CB1 receptor signaling on glutamatergic and GABAergic neurons, respectively. To gain a comprehensive picture of CB1 receptor-mediated effects, the present study aimed at developing a gain-of-function approach, which complements conditional loss-of-function studies. Therefore, adeno-associated virus (AAV)-mediated gene delivery and Cre-mediated recombination were combined to recreate an innovative method, which ensures region- and cell type-specific transgene expression in the brain. This method was used to overexpress the CB1 receptor in glutamatergic pyramidal neurons of the mouse hippocampus. Enhanced CB1 receptor activity at glutamatergic terminals caused impairment in hippocampus-dependent memory performance. On the other hand, elevated CB1 receptor levels provoked an increased protection against kainic acid-induced seizures and against excitotoxic neuronal cell death. This finding indicates the protective role of CB1 receptor on hippocampal glutamatergic terminals as a molecular stout guard in controlling excessive neuronal network activity. Hence, CB1 receptor on glutamatergic hippocampal neurons may represent a target for novel agents to restrain excitotoxic events and to treat neurodegenerative diseases. Endocannabinoid synthesizing and degrading enzymes tightly regulate endocannabinoid signaling, and thus, represent a promising therapeutic target. To further elucidate the precise function of the 2-AG degrading enzyme monoacylglycerol lipase (MAGL), MAGL was overexpressed specifically in hippocampal pyramidal neurons. This genetic modification resulted in highly increased MAGL activity accompanied by a 50 % decrease in 2-AG levels without affecting the content of arachidonic acid and anandamide. Elevated MAGL protein levels at glutamatergic terminals eliminated depolarization-induced suppression of excitation (DSE), while depolarization-induced suppression of inhibition (DSI) was unchanged. This result indicates that the on-demand availability of the endocannabinoid 2-AG is crucial for short-term plasticity at glutamatergic synapses in the hippocampus. Mice overexpressing MAGL exhibited elevated corticosterone levels under basal conditions and an increase in anxiety-like behavior, but surprisingly, showed no changes in aversive memory formation and in seizure susceptibility. This finding suggests that 2 AG-mediated hippocampal DSE is essential for adapting to aversive situations, but is not required to form aversive memory and to protect against kainic acid-induced seizures. Thus, specific inhibition of MAGL expressed in hippocampal pyramidal neurons may represent a potential treatment strategy for anxiety and stress disorders. Finally, the method of AAV-mediated cell type-specific transgene expression was advanced to allow drug-inducible and reversible transgene expression. Therefore, elements of the tetracycline-controlled gene expression system were incorporated in our “conditional” AAV vector. This approach showed that transgene expression is switched on after drug application and that background activity in the uninduced state was only detectable in scattered cells of the hippocampus. Thus, this AAV vector will proof useful for future research applications and gene therapy approaches.

Angiotensinergic and noradrenergic neurons in the rat and human heart

Although the physiological and pharmacological evidences suggest a role for angiotensin II (Ang II) with the mammalian heart, the source and precise location of Ang II are unknown. To visualize and quantitate Ang II in atria, ventricular walls and interventricular septum of the rat and human heart and to explore the feasibility of local Ang II production and function, we investigated by different methods the expression of proteins involved in the generation and function of Ang II. We found mRNA of angiotensinogen (Ang-N), of angiotensin converting enzyme, of the angiotensin type receptors AT(1A) and AT(2) (AT(1B) not detected) as well as of cathepsin D in any part of the hearts. No renin mRNA was traceable. Ang-N mRNA was visualized by in situ hybridization in atrial ganglial neurons. Ang II and dopamine- -hydroxylase (D H) were either colocalized inside the same neuronal cell or the neurons were specialized for Ang II or D H. Within these neurons, the vesicular acetylcholine transporter (VAChT) was neither colocalized with Ang II nor D H, but VAChT-staining was found with synapses en passant encircle these neuronal cells. The fibers containing Ang II exhibited with blood vessels and with cardiomyocytes supposedly angiotensinergic synapses en passant. In rat heart, right atrial median Ang II concentration appeared higher than septal and ventricular Ang II. The distinct colocalization of neuronal Ang II with D H in the heart may indicate that Ang II participates together with norepinephrine in the regulation of cardiac functions: Produced as a cardiac neurotransmitter Ang II may have inotropic, chronotropic or dromotropic effects in atria and ventricles and contributes to blood pressure regulation.

Intraneuronal angiotensinergic system in rat and human dorsal root ganglia

To elucidate the local formation of angiotensin II (Ang II) in the neurons of sensory dorsal root ganglia (DRG), we studied the expression of angiotensinogen (Ang-N)-, renin-, angiotensin converting enzyme (ACE)- and cathepsin D-mRNA, and the presence of protein renin, Ang II, Substance P and calcitonin gene-related peptide (CGRP) in the rat and human thoracic DRG. Quantitative real time PCR (qRT-PCR) studies revealed that rat DRG expressed substantial amounts of Ang-N- and ACE mRNA, while renin mRNA as well as the protein renin were untraceable. Cathepsin D-mRNA and cathepsin D-protein were detected in the rat DRG indicating the possibility of existence of pathways alternative to renin for Ang I formation. Angiotensin peptides were successfully detected with high performance liquid chromatography and radioimmunoassay in human DRG extracts. In situ hybridization in rat DRG confirmed additionally expression of Ang-N mRNA in the cytoplasm of numerous neurons. Intracellular Ang II staining could be shown in number of neurons and their processes in both the rat and human DRG. Interestingly we observed neuronal processes with angiotensinergic synapses en passant, colocalized with synaptophysin, within the DRG. In the DRG, we also identified by qRT-PCR, expression of Ang II receptor AT(1A) and AT(2)-mRNA while AT(1B)-mRNA was not traceable. In some neurons Substance P and CGRP were found colocalized with Ang II. The intracellular localization and colocalization of Ang II with Substance P and CGRP in the DRG neurons may indicate a participation and function of Ang II in the regulation of nociception. In conclusion, these results suggest that Ang II may be produced locally in the neurons of rat and human DRG and act as a neurotransmitter.

Spatio-temporal credit assignment in population learning

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

Spatio-temporal credit assignment in population learning

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

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.