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

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

Resonance properties of different neuronal populations in the immature mouse neocortex

Subthreshold resonance is a characteristic membrane property of different neuronal classes, is critically involved in the generation of network oscillations, and tunes the integration of synaptic inputs to particular frequency ranges. In order to investigate whether resonance properties of distinct neuronal populations in the immature neocortex contribute to these network oscillations, I performed whole-cell patch-clamp recordings from visually identified neurons in tangential and coronal neocortical slices from postnatal day (P) P0-P7 C57Bl/6 and P6-P13 GAD67-GFP knock-in mice. Subthreshold resonance was analyzed by sinusoidal current injection of varying frequency. All Cajal-Retzius cells showed subthreshold resonance with an average frequency of 2.6 ± 0.1 Hz (n=60), which was massively reduced by ZD7288, a blocker of hyperpolarization-activated cation currents. About 65.6% (n=61) of the supragranular pyramidal neurons showed subthreshold resonance with an average frequency of 1.4 ± 0.1 Hz (n=40). Application of 1 mM Ni2+ suppressed subthreshold resonance, suggesting that low-threshold Ca2+ currents contribute to resonance in these neurons. About 63.6% (n=77) of the layer V pyramidal neurons showed subthreshold resonance with an average frequency of 1.4 ± 0.2 Hz (n=49), which was abolished by ZD7288. Only 44.1% (n=59) of the subplate neurons showed subthreshold resonance with an average frequency of 1.3 ± 0.2 Hz (n=26) and a small resonance strength. Finally, 50% of the investigated GABAergic interneurons showed subthreshold resonance with an average frequency of 2.0 ± 0.2 Hz (n=42). Membrane hyperpolarization to –86 mV attenuated the frequency and strength of subthreshold resonance. Subthreshold resonance was virtually abolished in the presence of 1 mM Ni2+, suggesting that t-type Ca2+ currents are critically involved in the generation of resonance, while ZD7288 had no effect. Application of 0.4 µM TTX suppressed subthreshold resonance at depolarized, but not hyperpolarized membrane potential, suggesting that persistent Na+ current contribute to the amplification of membrane resonance. rnIn summary, these results demonstrate that all investigated neuronal subpopulations reveal resonance behavior, with either hyperpolarization-activated cation or low-threshold Ca2+ currents contributing to the subthreshold resonance. GABAergic interneurons also express subthreshold resonance at low frequencies, with t-type Ca2+ and persistent Na+ currents underlying the generation of membrane resonance. The membrane resonance of immature neurons may contribute to the generation of slow oscillatory activity pattern in the immature neocortex and enhance the temporal precision of synaptic integration in developing cortical neurons.rn

Interplay between BDNF,TrkB signalling and GABAergic inhibition in the visual cortex of mice

Der visuelle Kortex ist eine der attraktivsten Modellsysteme zur Untersuchung der molekularen Mechanismen der synaptischen Plastizität im Gehirn. Es hat sich gezeigt, dass der Wachstumsfaktor brain-derived-neurotrophic-factor (BDNF) und die GABAerge Hemmung während der Entwicklung eine essentielle Funktion in der Regulierung der synaptischen Plastizität im visuellen Kortex besitzen. BDNF bindet u.a. an TrkB Rezeptoren, die das Signal intrazellular an unterschiedliche Effektormoleküle weiter vermitteln. Außer BDNF sind auch andere TrkB-Rezeptor Agonisten in der Literatur beschrieben. Einer davon ist das kürzlich identifizierte Flavonoid 7,8-Dihydroxyflavone (7,8-DHF), welchem eine neurotrophe Wirkung zugeschrieben wird. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Doktorarbeit wurde der Effekt dieses Agonisten auf die synaptische Übertragung und intrinsischen Zelleigenschaften im visuellen Kortex der Maus untersucht. Dies wurde mit Hilfe der whole-cell patch clamp Methode durchgeführt, wobei die synaptischen Eingänge der Pyramidalzellen der kortikalen Schicht 2/3 von besonderem Interesse waren.rnEine 30 minütige Inkubationszeit der kortikalen Schnitte mit 7,8 DHF (20µM) erzielte eine signifikante Reduktion der GABAergen Hemmung, während die glutamaterge synaptische Übertragung unverändert blieb. Des weiteren konnte in Gegenwart von 7,8 DHF eine Veränderung der intrinsischen neuronalen Zellmembraneigenschaften beobachtet werden. Dies wurde deutlich in der Erhöhung des Eingangwiderstandes und der Frequenz der induzierten Aktionspotentiale. Die chronische Applikation von 7,8 DHF in vivo bestätigte die selektive Wirkung von 7,8 DHF auf das GABAerge System. rnDie Rolle des BDNF-TrkB-Signalweges in der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen ist bisher wenig verstanden. Eine häufig beschriebene elektrophysiologische Veränderung nach kortikaler Verletzung ist eine Reduktion in der GABAergen Hemmung. Im zweiten Abschnitt dieser Doktorarbeit wurde hierzu die Funktion des BDNF-TrkB-Signalweges auf die GABAerge Hemmung nach kortikaler Verletzung untersucht. Es wurde ein "ex-vivo/in-vitro“ Laser-Läsions Modell verwendet, wobei mittels eines Lasers im visuellen Kortex von WT und heterozygoten BDNF (+/−) Mäusen eine definierte, reproduzierbare Läsion induziert wurde. Nachfolgende elektrophysiologische Messungen ergaben, dass die Auswirkung einer Verletzung des visuellen Kortex auf die GABAerge Funktion signifikant von der basalen BDNF Konzentration im Kortex abhängt. Des weiteren konnte beobachtet werden, dass nach kortikaler Verletzung in WT Mäusen sowohl die Frequenz der basalen inhibitorischen, postsynaptischen Potentiale (mIPSCs) reduziert war, als auch ein erhöhtes Paired-Pulse Verhältnis vorlag. Diese Ergebnisse deuten auf Veränderungen der präsynaptischen Funktion inhibitorischer Synapsen auf Pyramidalneurone hin. Im Gegensatz dazu konnte in BDNF (+/−) mice Mäusen eine erhöhte und gleichzeitig verlängerte mIPSC-Amplitude beobachtet werden, induziert durch Reizung afferenter Nervenfasern. Hieraus lässt sich schließen, dass kortikale Verletzungen in BDNF (+/−) mice Mäusen Auswirkungen auf die Eigenschaften von postsynaptischen GABAA-Rezeptoren haben. Die nachfolgende Gabe eines TrkB-Rezeptor Antagonisten bestätigte diese Ergebnisse für das GABAerge System post-Läsion. Dies zeigt auch, dass die Änderungen der synaptischen Hemmung nicht auf eine Reduktion der BDNF-Konzentration zurückzuführen sind. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass der BDNF-TrkB Signalweg eine wichtige Rolle in der Reorganisation der GABAergen Hemmung nach kortikalen Verletzungen spielt. So könnte ein TrkB-Rezeptor Agonist, wie das kürzlich entdeckte 7,8-DHF, über eine Modulation der BDNF-TrB Signalkaskade pharmakologisch die funktionelle Reorganisation des Kortex nach einer fokalen Gehirnverletzung fördern. rnrn

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.

On the experimental behaviour of a silty sand and its modelling through Generalized Plasticity.

La tesi contiene uno studio sperimentale sul comportamento di una sabbia limosa del sottosuolo della laguna veneta e propone un'interpretazione dei risultati sperimentali ottenuti alla luce dei presupposti teorici di un approccio costitutivo avanzato noto come "Plasticità Generalizzata". Il programma sperimentale è consistito nella realizzazione di prove edometriche e prove triassiali su campioni di sabbia provenienti dal sito di Treporti, situato in prossimità della bocca di Lido. La risposta sperimentale, in termini di modulo volumetrico, è stata messa a confronto con i risultati di alcuni studi di letteratura, con particolare riferimento a quelli condotti da Jefferies & Been (2000). La disponibilità di prove di compressione edometrica realizzate nella cella K0 e la conseguente possibilità di valutare il coefficiente di spinta a riposo ha permesso di interpretare le prove in termini di tensione media efficace p' e di verificare l'applicabilità al caso in esame degli approcci di letteratura disponibili, spesso sviluppati a partire da prove di compressione isotropa effettuate in cella triassiale. Il comportamento tenso-deformativo osservato è stato successivamente simulato con un modello costitutivo per sabbie sviluppato nell'ambito della Plasticità Generalizzata. In particolare sono state utilizzate tre diverse formulazioni, che costituiscono un avanzamento dell'iniziale modello costitutivo proposto da Pastor, Zienkiewicz e Chan (1990), basate sull'uso di un parametro di stato del materiale definito rispetto alle condizioni di Stato Critico. Dal confronto tra previsioni del modello e risposta sperimentale è stato possibile individuare la formulazione che meglio simula il comportamento meccanico osservato sia in compressione edometrica sia in prove di taglio ed è stato proposto un set di parametri costitutivi ritenuti rappresentativi del terreno studiato.

Neuronal polarity selection by topography-induced focal adhesion control

Interaction between differentiating neurons and the extracellular environment guides the establishment of cell polarity during nervous system development. Developing neurons read the physical properties of the local substrate in a contact-dependent manner and retrieve essential guidance cues. In previous works we demonstrated that PC12 cell interaction with nanogratings (alternating lines of ridges and grooves of submicron size) promotes bipolarity and alignment to the substrate topography. Here, we investigate the role of focal adhesions, cell contractility, and actin dynamics in this process. Exploiting nanoimprint lithography techniques and a cyclic olefin copolymer, we engineered biocompatible nanostructured substrates designed for high-resolution live-cell microscopy. Our results reveal that neuronal polarization and contact guidance are based on a geometrical constraint of focal adhesions resulting in an angular modulation of their maturation and persistence. We report on ROCK1/2-myosin-II pathway activity and demonstrate that ROCK-mediated contractility contributes to polarity selection during neuronal differentiation. Importantly, the selection process confined the generation of actin-supported membrane protrusions and the initiation of new neurites at the poles. Maintenance of the established polarity was independent from NGF stimulation. Altogether our results imply that focal adhesions and cell contractility stably link the topographical configuration of the extracellular environment to a corresponding neuronal polarity state.

The effect of alternative neuronal differentiation pathways on PC12 cell adhesion and neurite alignment to nanogratings

During development and regeneration of the mammalian nervous system, directional signals guide differentiating neurons toward their targets. Soluble neurotrophic molecules encode for preferential direction over long distances while the local topography is read by cells in a process requiring the establishment of focal adhesions. The mutual interaction between overlapping molecular and topographical signals introduces an additional level of control to this picture. The role of the substrate topography was demonstrated exploiting nanotechnologies to generate biomimetic scaffolds that control both the polarity of differentiating neurons and the alignment of their neurites. Here PC12 cells contacting nanogratings made of copolymer 2-norbornene ethylene (COC), were alternatively stimulated with Nerve Growth Factor, Forskolin, and 8-(4-chloro-phenylthio)-2'-O-methyladenosine-3',5'-cyclic (8CPT-2Me-cAMP) or with a combination of them. Topographical guidance was differently modulated by the alternative stimulation protocols tested. Forskolin stimulation reduced the efficiency of neurite alignment to the nanogratings. This effect was linked to the inhibition of focal adhesion maturation. Modulation of neurite alignment and focal adhesion maturation upon Forskolin stimulation depended on the activation of the MEK/ERK signaling but were PkA independent. Altogether, our results demonstrate that topographical guidance in PC12 cells is modulated by the activation of alternative neuronal differentiation pathways.

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.

Structural plasticity in the language system related to increased second language proficiency

While functional changes linked to second language learning have been subject to extensive investigation, the issue of learning-dependent structural plasticity in the fields of bilingualism and language comprehension has so far received less notice. In the present study we used voxel-based morphometry to monitor structural changes occurring within five months of second language learning. Native English-speaking exchange students learning German in Switzerland were examined once at the beginning of their stay and once about five months later, when their German language skills had significantly increased. We show that structural changes in the left inferior frontal gyrus are correlated with the increase in second language proficiency as measured by a paper-and-pencil language test. Contrary to the increase in proficiency and grey matter, the absolute values of grey matter density and second language proficiency did not correlate (neither on first nor on second measurement). This indicates that the individual amount of learning is reflected in brain structure changes, regardless of absolute proficiency.