Effects of environmental complexity on neurogenesis in the hippocampal dentate gyrus

Introduction. Postnatal neurogenesis in the hippocampal dentate gyrus, can be modulated by numerous determinants, such as hormones, transmitters and stress. Among the factors positively interfering with neurogenesis, the complexity of the environment appears to play a particularly striking role. Adult mice reared in an enriched environment produce more neurons and exhibit better performance in hippocampus-specific learning tasks. While the effects of complex environments on hippocampal neurogenesis are well documented, there is a lack of information on the effects of living under socio-sensory deprivation conditions. Due to the immaturity of rats and mice at birth, studies dealing with the effects of environmental enrichment on hippocampal neurogenesis were carried out in adult animals, i.e. during a period of relatively low rate of neurogenesis. The impact of environment is likely to be more dramatic during the first postnatal weeks, because at this time granule cell production is remarkably higher than at later phases of development. The aim of the present research was to clarify whether and to what extent isolated or enriched rearing conditions affect hippocampal neurogenesis during the early postnatal period, a time window characterized by a high rate of precursor proliferation and to elucidate the mechanisms underlying these effects. The experimental model chosen for this research was the guinea pig, a precocious rodent, which, at 4-5 days of age can be independent from maternal care. Experimental design. Animals were assigned to a standard (control), an isolated, or an enriched environment a few days after birth (P5-P6). On P14-P17 animals received one daily bromodeoxyuridine (BrdU) injection, to label dividing cells, and were sacrificed either on P18, to evaluate cell proliferation or on P45, to evaluate cell survival and differentiation. Methods. Brain sections were processed for BrdU immunhistochemistry, to quantify the new born and surviving cells. The phenotype of the surviving cells was examined by means of confocal microscopy and immunofluorescent double-labeling for BrdU and either a marker of neurons (NeuN) or a marker of astrocytes (GFAP). Apoptotic cell death was examined with the TUNEL method. Serial sections were processed for immunohistochemistry for i) vimentin, a marker of radial glial cells, ii) BDNF (brain-derived neurotrofic factor), a neurotrophin involved in neuron proliferation/survival, iii) PSA-NCAM (the polysialylated form of the neural cell adhesion molecule), a molecule associated with neuronal migration. Total granule cell number in the dentate gyrus was evaluated by stereological methods, in Nissl-stained sections. Results. Effects of isolation. In P18 isolated animals we found a reduced cell proliferation (-35%) compared to controls and a lower expression of BDNF. Though in absolute terms P45 isolated animals had less surviving cells than controls, they showed no differences in survival rate and phenotype percent distribution compared to controls. Evaluation of the absolute number of surviving cells of each phenotype showed that isolated animals had a reduced number of cells with neuronal phenotype than controls. Looking at the location of the new neurons, we found that while in control animals 76% of them had migrated to the granule cell layer, in isolated animals only 55% of the new neurons had reached this layer. Examination of radial glia cells of P18 and P45 animals by vimentin immunohistochemistry showed that in isolated animals radial glia cells were reduced in density and had less and shorter processes. Granule cell count revealed that isolated animals had less granule cells than controls (-32% at P18 and -42% at P45). Effects of enrichment. In P18 enriched animals there was an increase in cell proliferation (+26%) compared to controls and a higher expression of BDNF. Though in both groups there was a decline in the number of BrdU-positive cells by P45, enriched animals had more surviving cells (+63) and a higher survival rate than controls. No differences were found between control and enriched animals in phenotype percent distribution. Evaluation of the absolute number of cells of each phenotype showed that enriched animals had a larger number of cells of each phenotype than controls. Looking at the location of cells of each phenotype we found that enriched animals had more new neurons in the granule cell layer and more astrocytes and cells with undetermined phenotype in the hilus. Enriched animals had a higher expression of PSA-NCAM in the granule cell layer and hilus Vimentin immunohistochemistry showed that in enriched animals radial glia cells were more numerous and had more processes.. Granule cell count revealed that enriched animals had more granule cells than controls (+37% at P18 and +31% at P45). Discussion. Results show that isolation rearing reduces hippocampal cell proliferation but does not affect cell survival, while enriched rearing increases both cell proliferation and cell survival. Changes in the expression of BDNF are likely to contribute to he effects of environment on precursor cell proliferation. The reduction and increase in final number of granule neurons in isolated and enriched animals, respectively, are attributable to the effects of environment on cell proliferation and survival and not to changes in the differentiation program. As radial glia cells play a pivotal role in neuron guidance to the granule cell layer, the reduced number of radial glia cells in isolated animals and the increased number in enriched animals suggests that the size of radial glia population may change dynamically, in order to match changes in neuron production. The high PSA-NCAM expression in enriched animals may concur to favor the survival of the new neurons by facilitating their migration to the granule cell layer. Conclusions. By using a precocious rodent we could demonstrate that isolated/enriched rearing conditions, at a time window during which intense granule cell proliferation takes place, lead to a notable decrease/increase of total granule cell number. The time-course and magnitude of postnatal granule cell production in guinea pigs are more similar to the human and non-human primate condition than in rats and mice. Translation of current data to humans would imply that exposure of children to environments poor/rich of stimuli may have a notably large impact on dentate neurogenesis and, very likely, on hippocampus dependent memory functions.

Study on the regulation of mRNA expression of GABA transporters (GAT-1 and GAT-3) in rat brain

The submitted work concentrated on the study of mRNA expression of two distinct GABA transporters, GAT-1 and GAT-3, in the rat brain. For the detection and quantification of the chosen mRNAs, appropriate methods had to be established. Two methods, ribonuclease protection assay (RPA) and competitive RT-PCR were emloyed in the present study. Competitive RT-PCR worked out to be 20 times more sensitive as RPA. Unlike the sensitivity, the fidelity of both techniques was comparable with respect to their intra- and inter-assay variability.The basal mRNA levels of GAT-1 and GAT-3 were measured in various brain regions. Messenger RNAs for both transporters were detected in all tested brain regions. Depending on the region, the observed mRNA level for GAT-1 was 100-300 higher than for GAT-3. The GAT-1 mRNA levels were similar in all tested regions. The distribution of GAT-3 mRNA seemed to be more region specific. The strongest GAT-3 mRNA expression was detected in striatum, medulla oblongata and thalamus. The lowest levels of GAT-3 were in cortex frontalis and cerebellum.Furthermore, the mRNA expression for GAT-1 and GAT-3 was analysed under altered physiological conditions; in kindling model of epilepsy and also after long-term treatment drugs modulating GABAergic transmission. In kindling model of epilepsy, altered GABA transporter function was hypothesised by During and coworkers (During et al., 1995) after observed decrease in binding of nipecotic acid, a GAT ligand, in hippocampus of kindled animals. In the present work, the mRNA levels were measured in hippocampus and whole brain samples. Neither GAT-1 nor GAT-3 showed altered transcription in any tested region of kindled animals compared to controls. This leads to conclusion that an altered functionality of GABA transporters is involved in epilepsy rather than a change in their expression.The levels of GAT-1 and GAT-3 mRNAs were also measured in the brain of rats chronically treated with diazepam or zolpidem, GABAA receptor agonists. Prior to the molecular biology tests, behavioural analysis was carried out with chronically and acutely treated animals. In two tests, open field and elevated plus-maze, the basal activity exploration and anxiety-like behaviour were analysed. Zolpidem treatment increased exploratory activity. There were observed no differencies between chronically and acutely treated animals. Diazepam increased exploratory activity and decresed anxiety-like behaviour when applied acutely. This effect disappeard after chronic administration of diazepam. The loss of effect suggested a development of tolerance to effects of diazepam following long-term administration. Double treatment, acute injection of diazepam after chronic diazepam treatment, confirmed development of a tolerance to effects of diazepam. Also, the mRNAs for GAT-1 and GAT-3 were analysed in cortex frontalis, hippocampus, cerebellum and whole brain samples of chronically treated animals. The mRNA levels for any of tested GABA transporters did not show significant changes in any of tested region neither after diazepam nor zolpidem treatment. Therefore, changes in GAT-1 and GAT-3 transcription are probably not involved in adaptation of GABAergic system to long-term benzodiazepine administration and so in development of tolerance to benzodiazepines.

Characterisation of the cell-transistor coupling

Die Verbindung von elektrisch aktiven, lebenden Zellen zu extrazellulären Sensorsystemen eröffnet vielfälige Möglichkeiten im Bereich der Biosensorik. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum tieferen Verständnis der elektrischen Kopplungsmechanismen zwischen den biologischen und elektronischen Teilen solcher Hybridsysteme. Es wurden dazu drei Hauptbereiche bearbeitet:Ein System zur extrazellulären Signalableitung an lebenden Zellen bestehend aus einem Sensorchip, einem Vorverstärkerkopf und einem Hauptverstärker wurde weiterentwickelt.Als Sensoren wurden entweder Metallmikroelektroden-Chips mit 64 Kanälen oder Feldeffekt Transistoren-Chips mit 16 Kanälen (FET) eingesetzt. Es wurden zusätzlich spezielle FET Sensoren mit Rückseitenkontakten hergestellt und eingesetzt.Die elektrische Kopplung von einzelnen Nervenzellen der neuronalen Zell-Linien SH-SY5Y und TR14 oder primär kultivierten Neuronen aus dem Hirnstamm oder dem Hippocampus von embryonalen Ratten mit den extrazellulären Sensoren wurde untersucht. In der 'whole-cell' Patch-Clamp Technik wurden die Beiträge der spannungsgesteuerten Na+- und K+-Ionenkanäle zur extrazellulären Signalform identifiziert. Die Simulation der Signale mit einem Ersatzschaltkreis (Punkt-Kontakt Modell), der in PSPICE implementiert wurde, deutet auf eine starke Abhängigkeit der Signalformen in bezug auf Konzentrationsänderungen von Na+- und K+-Ionen im Volumenbereich zwischen Zelle und den ionensensitiven Transistoren hin. Ein empirisch erweitertes Punkt-Kontakt Modell wurde daraufhin vorgestellt.Im dritten Teil der Arbeit wurden Zellschichten von Kardiomyocyten embryonaler Ratten auf den extrazellulären Sensoren kultiviert. Die Eignung eines solchen Hybridsensors als Modellherz fuer das pharmazeutische Screeing wurde durch Messungen mit Herzstimulanzien und -relaktanzien bestätigt.

Zentrale cholinerge Wirkungen von Hyperforin, einem Inhaltsstoff des Johanniskrauts

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Wirkung von Hyperforin, einem Johanniskraut-Inhaltsstoff, auf das zentrale cholinerge System. Da der HACU Na+-abhängig operiert und Hyperforin den transmembranären Na+-Gradienten verringert, wurde an Rattenkortex-Synaptosomen in vitro geprüft, ob der HACU durch Hyperforin gehemmt wird. Es wurde gefunden, dass Hyperforin den HACU mit einer Hemmkonstante IC50 von 8.5 µM inhibiert. Da die de novo-ACh-Synthese direkt HACU-Aktivitäts-abhängig ist, wurde in vivo mittels Mikrodialyse-Technik verifziert, ob die cholinerge Transmission beeinflusst wird. Lokale Infusionen von 100 µM Hyperforin in das Striatum resultierten in einer Reduktion der ACh-Freisetzung bei parallelem Ch-Spiegel-Anstieg bedingt durch die HACU-Inhibition. Infusionen niedrigerer Konzentration (10 und 30 µM) führten hingegen zu einer konzentrations-abhängigen Stimulation der ACh-Freisetzung bei simultaner Ch-Spiegel-Senkung. Systemische Applikation von 1 und 10 mg/kg i.p. resultierten in einer verstärkten ACh-Freisetzung im Striatum und im Hippokampus; diese Dosen führen zu therapeutisch relevanten Plasmaspiegeln. Die Ergebnisse im Striatum und im Hippokampus erklären die motilitätsverringernden Effekte im Tierexperiment bzw. die benignen Effekte in Verhaltensmodellen für Lernen und Gedächtnis. Die vergleichende Analyse der Mikrodialyse-Experimente ergab, dass eine antidepressive Johanniskraut-Begleitmedikation bei Parkinson ungünstig, jedoch Alzheimer günstig zu bewerten ist.

Applicazione della neurodiagnostica avanzata allo studio dei disturbi psicologici nelle malattie infiammatorie croniche intestinali

Background and aim Ulcerative Colitis (UC) and Crohn’s Disease (CD), collectively labelled as inflammatory bowel disease (IBD), are idiopathic, chronic inflammatory disorder of the bowel with a remitting and relapsing course. IBD are associated to poor emotional functioning and psychological distress. We have investigated the brain involvement in patients with IBD using functional magnetic resonance imaging (fMRI). Materials and methods We developed an emotional visual task to investigate the emotional functioning in 10 UC patients and 10 healthy controls (HC). Furthermore, we have compared the brain stress response between a group of 20 CD patients and a group of 18 HC. Finally, we evaluated potential morphological differences between 18 CD patients and 18 HC in a voxel based morphometry (VBM) study. Results We found brain functional changes in UC patients characterized by decreased activity in the amygdala in response to positive emotional stimuli. Moreover, in CD patients, the brain stress response and habituation to stressful stimuli were significantly different in the medial temporal lobe (including the amygdala and hippocampus), the insula and cerebellum. Finally, in CD patients there were morphological abnormalities in the anterior mid cingulated cortex (aMCC). Conclusion IBD are associated to functional and morphological brain abnormalities. The previous intestinal inflammatory activity in IBD patients might have contributed to determine the functional and morphological changes we found. On the other hand, the dysfunctions of the brain structures we found may influence the course of the disease. Our findings might have clinical implications. The differences in the emotional processing may play a role in the development of psychological disorders in UC patients. Furthermore, in CD patients, the different habituation to stress might contribute to stress related inflammatory exacerbations. Finally, the structural changes in the aMCC might be involved in the pain symptoms associated to the bowel disorder.

Interaction between APOE4 genotype and environmental risk factors in Alzheimer's disease

Alzheimer's disease (AD) is probably caused by both genetic and environmental risk factors. The major genetic risk factor is the E4 variant of apolipoprotein E gene called apoE4. Several risk factors for developing AD have been identified including lifestyle, such as dietary habits. The mechanisms behind the AD pathogenesis and the onset of cognitive decline in the AD brain are presently unknown. In this study we wanted to characterize the effects of the interaction between environmental risk factors and apoE genotype on neurodegeneration processes, with particular focus on behavioural studies and neurodegenerative processes at molecular level. Towards this aim, we used 6 months-old apoE4 and apoE3 Target Replacement (TR) mice fed on different diets (high intake of cholesterol and high intake of carbohydrates). These mice were evaluated for learning and memory deficits in spatial reference (Morris Water Maze (MWM)) and contextual learning (Passive Avoidance) tasks, which involve the hippocampus and the amygdala, respectively. From these behavioural studies we found that the initial cognitive impairments manifested as a retention deficit in apoE4 mice fed on high carbohydrate diet. Thus, the genetic risk factor apoE4 genotype associated with a high carbohydrate diet seems to affect cognitive functions in young mice, corroborating the theory that the combination of genetic and environmental risk factors greatly increases the risk of developing AD and leads to an earlier onset of cognitive deficits. The cellular and molecular bases of the cognitive decline in AD are largely unknown. In order to determine the molecular changes for the onset of the early cognitive impairment observed in the behavioural studies, we performed molecular studies, with particular focus on synaptic integrity and Tau phosphorylation. The most relevant finding of our molecular studies showed a significant decrease of Brain-derived Neurotrophic Factor (BDNF) in apoE4 mice fed on high carbohydrate diet. Our results may suggest that BDNF decrease found in apoE4 HS mice could be involved in the earliest impairment in long-term reference memory observed in behavioural studies. The second aim of this thesis was to study possible involvement of leptin in AD. There is growing evidence that leptin has neuroprotective properties in the Central Nervous System (CNS). Recent evidence has shown that leptin and its receptors are widespread in the CNS and may provide neuronal survival signals. However, there are still numerous questions, regarding the molecular mechanism by which leptin acts, that remain unanswered. Thus, given to the importance of the involvement of leptin in AD, we wanted to clarify the function of leptin in the pathogenesis of AD and to investigate if apoE genotype affect leptin levels through studies in vitro, in mice and in human. Our findings suggest that apoE4 TR mice showed an increase of leptin in the brain. Leptin levels are also increased in the cerebral spinal fluid of AD patients and apoE4 carriers with AD have higher levels of leptin than apoE3 carriers. Moreover, leptin seems to be expressed by reactive glial cells in AD brains. In vitro, ApoE4 together with Amyloid beta increases leptin production by microglia and astrocytes. Taken together, all these findings suggest that leptin replacement might not be a good strategy for AD therapy. Our results show that high leptin levels were found in AD brains. These findings suggest that, as high leptin levels do not promote satiety in obese individuals, it might be possible that they do not promote neuroprotection in AD patients. Therefore, we hypothesized that AD brain could suffer from leptin resistance. Further studies will be critical to determine whether or not the central leptin resistance in SNC could affect its potential neuroprotective effects.

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.

Different addictive drug exposure induces selective alterations of the Endogenous Opioid System : modulation of transcription and epigenetic mechanisms

Drug addiction manifests clinically as compulsive drug seeking, and cravings that can persist and recur even after extended periods of abstinence. The fundamental principle that unites addictive drugs is that each one enhances synaptic DA by means that dissociate it from normal behavioral control, so that they act to reinforce their own acquisition. Our attention has focused on the study of phenomena associated with the consumption of alcohol and heroin. Alcohol has long been considered an unspecific pharmacological agent, recent molecular pharmacology studies have shown that acts on different primary targets. Through gene expression studies conducted recently it has been shown that the classical opioid receptors are differently involved in the consumption of ethanol and, furthermore, the system nociceptin / NOP, included in the family of endogenous opioid system, and both appear able to play a key role in the initiation of alcohol use in rodents. What emerges is that manipulation of the opioid system, nociceptin, may be useful in the treatment of addictions and there are several evidences that support the use of this strategy. The linkage between gene expression alterations and epigenetic modulation in PDYN and PNOC promoters following alcohol treatment confirm the possible chromatin remodeling mechanism already proposed for alcoholism. In the second part of present study, we also investigated alterations in signaling molecules directly associated with MAPK pathway in a unique collection of postmortem brains from heroin abusers. The interest was focused on understanding the effects that prolonged exposure of heroin can cause in an individual, over the entire MAPK cascade and consequently on the transcription factor ELK1, which is regulated by this pathway. We have shown that the activation of ERK1/2 resulting in Elk-1 phosphorylation in striatal neurons supporting the hypothesis that prolonged exposure to substance abuse causes a dysregulation of MAPK pathway.

Transgenic mice as a tool for depression research: examples from the endocannabinoid and the corticotropin-releasing hormone system

Major depression belongs to the most serious and widespread psychiatric disorders in today’s society. There is a great need for the delineation of the underlying molecular mechanisms as well as for the identification of novel targets for its treatment. In this thesis, transgenic mice of the endocannabinoid and the corticotropin-releasing hormone (CRH) system were investigated to determine the putative role of these systems for depression-like phenotypes in mice. In the first part of the thesis, we found that the endocannabinoid system was prominently involved in a brain region-specific and temporally controlled manner in acute as well as in chronic stress processing. Genetic deletion in combination with pharmacological intervention revealed the importance of a fully functional endocannabinoid system for efficient neuroendocrine and behavioral stress coping. Accordingly, cannabinoid type 1 (CB1) receptor-deficient mice displayed several depression-like symptoms and molecular alterations, including “behavioral despair”, stress hormone hypersecretion and decreased glucocorticoid receptor and brain-derived neurotrophic factor expression in the hippocampus. However, the endocannabinoid system was dispensable for the efficacy of currently used antidepressant drugs. To facilitate future endocannabinoid research, a transgenic mouse was generated, which overexpressed the CB1 receptor protein fused to a fluorescent protein. In the second part of the thesis, conditional brain region-specific CRH overexpressing mice were evaluated as a model for pathological chronic CRH hyperactivation. Mutant mice showed aberrant neuroendocrine and behavioral stress coping and hyperarousal due to CRH-induced activation of the noradrenergic system in the brain. Mutant mice appeared to share similarities with naturally occurring endogenous CRH activation in wild-type mice and were sensitive to acute pharmacological blockade of CRH receptor type 1 (CRH-R1). Thus, CRH overexpressing mice serve as an ideal in vivo tool to evaluate the efficacy of novel CRH-R1 antagonists. Together, these findings highlight the potential of transgenic mice for the understanding of certain endo-phenotypes (isolated symptoms) of depression and their molecular correlates.

Zelluläre Kontrolle adulter Neurogenese - Expression und Funktion des VEGF-Rezeptor-1 (Flt-1) im adulten Säugerhirn

Neurale Stammzellen sind im adulten Säugerhirn in der Subventrikulären Zone (SVZ) der Lateralventrikel und dem Hippokampus lokalisiert. In der SVZ entstandene neurale Zellen migrieren entlang eines von Astrozyten umgebenen Pfades, dem Rostralmigratorischen Strom (RMS), zum Olfaktorischen Bulbus (OB), wo sie zu olfaktorischen Interneuronen differenzieren. Vaskuläre Wachstumsfaktoren, wie VEGF-A beeinflussen die adulte Neurogenese. Die vorliegende Arbeit beschreibt erstmalig detailliert die spezifische Expression des VEGF-Rezeptor-1 (VEGFR-1) in den Regionen olfaktorischer und hippokampaler Neurogenese des adulten ZNS. Die Ergebnisse zeigen, dass VEGFR-1 im adulten Hirn hauptsächlich in GFAP-positiven Zellen in der SVZ, dem RMS, dem OB, dem Corpus callosum und dem Hippokampus exprimiert ist. In vivo-Analysen transgener Mäuse (Flt-1TK-/-), denen die Signaltransduktionsdomäne des VEGFR-1 fehlt, demonstrieren hier erstmals eine Rolle des VEGFR-1 in adulter Neurogenese. Flt-1TK-/- weisen eine erhöhte Proliferation neuronaler Vorläuferzellen der SVZ auf. Im RMS ist jedoch 6 Tage nach BrdU-Administration die Anzahl markierter Zellen im Vergleich zum Wildtyp (wt) um 47,97% reduziert, ohne dass es zu einer Akkumulation in der SVZ kommt. Zusammen mit der in Kulturversuchen stark erhöhten Migrationsgeschwindigkeit von Neuroblasten der Flt-1TK-/- und einer verminderten Abwanderung von Zellen aus dem RMS ins Corpus callosum der Flt-1Tk-/-, weist dies auf eine gesteigerte Migration zum OB hin. Tatsächlich war der OB der Flt-1TK-/-, vor allem die Plexiform- und Periglomerulärzellschicht (PGL), signifikant vergrößert. Im OB der transgenen Tiere migrieren zudem signifikant mehr BrdU-markierte Zellen in die PGL. Dort differenzieren signifikant mehr Neurone als im wt. Subtypisierungen zeigen, zudem eine erhöhte Differenzierung in dopaminerge Interneurone in der PGL der Flt-1TK-/-. Im Gehirn Flt-1TK-/- war die Konzentration von VEGF-A erhöht. Intrazerebroventrikuläre Infusion von VEGF-A in wt-Tiere erbrachte den eindeutigen Nachweis, dass die Erhöhung der VEGF-A-Konzentration im Gehirn der Flt-1TK-/- ursächlich für die in diesen Tieren beobachtete Reduktion der BrdU-positiven Zellen im RMS ist. Dies ist gleichzeitig der erste Nachweis einer Wirkung von VEGF-A auf Neuroblasten im RMS in vivo unter physiologischen Bedingungen. Die erhöhte VEGF-A-Konzentration könnte auch den anderen hier dargelegten Effekten zugrunde liegen. VEGFR-1 ist somit ein regulatorischer Faktor für die adulte olfaktorische Neurogenese und spielt eine potentielle Rolle in der Differenzierung dopaminerger Interneurone.

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).

Specific PET-ligands for selected 5-HT and GABA A-receptor subtypes = PET-Liganden mit Spezifität für definierte 5-HT und GABA A-Rezeptor-Subtypen

Für diese Arbeit wurden sechs neue Benzodiazepinderivate, TC07, TC08, TC09, TC10, TC11 und TC12, hergestellt. Diese wurden mittels Radioligandenbindungsassay sowohl auf ihre Bindungseigenschaften für Membranen des Cerebellum, des Hippo-campus und des Cortex der Ratte hin untersucht, als auch für Membranen von HEK293 Zellen, die transient rekombinante GABAA Rezeptoren exprimierten. Zusätz-lich wurden kompetitive in situ Rezeptorautoradiographien an Rattenhirnschnitten mit den Liganden [3H]Ro15-4513 und [3H]R015-1788 durchgeführt. Zusammen ergaben sich aus diesen Experimenten deutliche Hinweise auf eine Selektivität der Verbindun-gen TC07, TC11 und TC12 für a5-Untereinheiten enthaltende GABAA Rezeptoren mit a5-Affinitäten im niedrigen nanomolaren Bereich. In vivo Bindungsexperimente in Ratten, mit [3H]Ro15-1788 als Tracer und TC07 als Kompetitor, ergaben, dass TC07 mehr [3H]Ro15-1788 im Vorderhirn als im Cerebellum verdrängt. Bezog man die regionale Verteilung der a5-Untereinheit des GABAA Rezep-tors im Rattenhirn mit ein – sehr wenige a5-Untereinheiten im Cerebellum, etwa 20 % der GABAA Rezeptor-Untereinheiten im Hippocampus – untermauerten diese Ergeb-nisse die Vermutung, TC07 könne a5-selektiv sein. Diese Daten bestätigten darü-berhinaus, dass TC07 die Blut-Hirn-Schranke passieren kann. Für elektrophysiologische Messungen mit TC07 und TC12 wurden die oben erwähnten transient transfizierten HEK293 Zellen verwendet, welche die GABAA Rezeptor Unte-reinheitenkombination a5b3g2 exprimierten. Das Dosis-Antwort Verhalten ergab keinen signifikanten Effekt für TC12. Die Daten von TC07 dagegen lassen auf einen schwach negativ modulatorischen Effekt schließen, was, zumindest theoretisch, die Möglichkeit eröffnet, TC07 auch als sogenannten cognitive enhancer einzusetzen. Der errechnete Ki-Wert lag in derselben Größenordnung wie der Ki-Wert, der anhand der Bindungsas-saydaten errechnet wurde. Insgesamt rechtfertigen die bisherigen Ergebnisse die radiochemische Markierung mit 18F von drei der sechs getesteten Verbindungen in der Reihenfolge TC07, TC12 und TC11. Des Weiteren wurde [18F]MHMZ, ein potentiell 5-HT2A selektiver Ligand und PET-Tracer einschließlich Vorläufer und Referenzverbindungen, mit hohen Ausbeuten syn-thetisiert (Herth, Debus et al. 2008). Autoradiographieexperimente mit Rattenhirn-schnitten zeigten hervorragende in situ Bindungseigenschaften der neuen Verbindung. Die Daten wiesen eine hohe Selektivität für 5-HT2A Rezeptoren in Verbindung mit einer niedrigen unspezifischen Bindung auf. [18F]MHMZ erfährt in vivo eine schnelle Metabo-lisierung, wobei ein polarer aktiver Metabolit entsteht, welcher vermutlich nicht die Blut-Hirn-Schranke passieren kann. Transversale, sagittale und coronale Kleintier-PET-Bilder des Rattenhirns zeigten eine hohe Anreicherung im frontalen Cortex und im Striatum, während im Cerebellum so gut wie keine Anreicherung festzustellen war. Diese Verteilung deckt sich mit der bekann-ten Verteilung der 5-HT2A Rezeptoren. Die in vivo Anreicherung scheint sich ebenfalls gut mit der Verteilung der in den Autoradiographieexperimenten gemessenen Bindung zu decken. Nach Berechnungen mit dem 4-Parameter Referenzgewebe Modell beträgt das Bindungspotential (BP) für den frontalen Cortex 1,45. Das Cortex zu Cerebellum Verhältnis wurde auf 2,7 nach 30 Minuten Messzeit bestimmt, was bemerkenswert nah an den von Lundkvist et al. für [11C]MDL 100907 publizierten Daten liegt. Abgesehen von der etwas niedrigeren Affinität waren die gemessenen in vitro, in situ und in vivo Daten denen von [3H]MDL 100907 und [11C]MDL 100907 sehr ähnlich, so dass wir ein [18F]Analogon in der Hand haben, das die bessere Selektivität von MDL 100907 verglichen mit Altanserin mit der längeren Halbwertszeit und den besse-ren Eigenschaften für die klinische Routine von 18F verglichen mit 11C verbindet. Die Ergebnisse von [18F]MHMZ rechtfertigenden weitere Experimente, um diesen Liganden für die klinische Routine am Menschen nutzbar zu machen.

Charakterisierung der neuroprotektiven Eigenschaften des Corticotropin-Releasing-Hormons

Das Corticotropin Releasing Hormon (CRH) ist ein zentraler Mediator des neuroendokrinen Systems von Säugetieren und kontrolliert die physiologische Stressreaktion des Körpers. Zudem zeigten in vitro Daten, dass es Neuroprotektion gegenüber oxidativem Stress induzieren kann. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals ein neuroprotektiver Effekt des CRH in vivo gezeigt werden. Die Überexpression des CRH im ZNS von Mäusen konnte Nervenzellen in vivo vor Exzitotoxizität schützen; nach Injektion des Exzitotoxins Kainat verkürzte die CRH-Überexpression die Dauer der epileptischen Anfälle, schützte die Neurone der betroffenen Hippocampusregion vor Zelltod und verhinderte die bei Exzitotoxizität und vielen neurodegenerativen Erkrankungen auftretende Neuroinflammation. Desweiteren konnten in CRH-überexprimierenden Tieren erhöhte BDNF-Proteinspiegel nachgewiesen werden. BDNF, ein bedeutender neurotropher Faktor im ZNS, vermittelt daher teilweise die CRH-induzierte Neuroprotektion gegenüber der Exzitotoxizität in vivo. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Connexin43, dem Haupt-Gap Junction-Protein der Astrozyten, ein neues CRH-Zielgen im ZNS identifiziert. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass CRH sowohl die Expression des Connexin43-Gens als auch den Connexin43-Proteinspiegel in vitro und in vivo erhöht. Diese Effekte werden über die Aktivierung des CRH-Rezeptor 1 und nachfolgend der PKA- und MAPK-Signalwege vermittelt. In Übereinstimmung mit der Hochregulation des Connexin43-Proteinspiegels verstärkte CRH auch die interzelluläre Kommunikation über Gap Junctions. Physiologisch hat diese CRH-induzierte Verstärkung der astrozytären Gap Junction-Kommunikation eine große Bedeutung für die Neuroprotektion, da eine Hochregulation der interzellulären Kommunikation schnell toxische Moleküle verdünnt, Energiesubstrate und protektive Faktoren verteilt und Ionen abpuffert. Dadurch werden Schädigungen durch oxidativen Stress in den Zellen reduziert, was über die Analyse der Proteincarbonylierung gezeigt wurde. Die Relevanz der astrozytären Gap Junction-Kommunikation für das Überleben der Neurone konnte in organotypischen hippocampalen Schnitten und in Neuron-Astrozyten-Co-Kulturen deutlich gemacht werden. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnenen Daten zeigen, dass die Stress-induzierte Sekretion von CRH im ZNS zur verstärkten Expression neuroprotektiver Moleküle wie BDNF und Connexin43 beiträgt. Diese vermögen Neurone gegenüber toxischen Einflüssen zu schützen und zum Erhalt ihrer Funktion beizutragen. Die protektiven CRH-Effekte könnten speziell bei chronischen neurodegenerativen Krankheiten wie der Alzheimerschen Demenz und der Parkinsonschen Krankheit hilfreich sein.

Lernassoziierte Genexpression im murinen Hippokampus

Die bei Lern- und Gedächtnisvorgängen ablaufenden neurobiologischen Prozesse sind in ihrer Funktion bis heute nur unzureichend verstanden, wobei besonders die Rolle der lernabhängigen Genexpression unklar ist. Wiederholungen im Lernprozess fördern die Bildung von stabilen Gedächtnisinhalten. Die Lerneffiktivität kann hierbei durch lernfreie Zeitintervalle, insbesondere durch eingeschobene Schalfperioden, zusätzlich gesteigert werden. Entsprechend kann man den mehrtägigen Morris Water Maze (MWM)-Test mit einer verborgenen Plattform als einen mehrstufigen räumlichen Lernprozess bezeichnen. Dieser Test ist Hippokampus-abhängig und produziert Langzeitgedächtnisspuren in Nagern. Für diese Studie wurden FVB/NxC57Bl/6-Mäuse der F1-Generation über vier Tage in der MWM trainiert, das Erlernte in einem Probe Trial an Tag 5 überprüft und die Tiere gemäß ihrer Lernleistung in die beiden Gruppen „gute“ und „schlechte Lerner“ eingeteilt. Eine Analyse der hippokampalen Expression von Kandidatengenen per Microarray und Real-Time PCR erfolgte eine, sechs beziehungsweise 24 Stunden nach dem jeweils letzten Trainingslauf eines Tages. Durch den Vergleich von Schwimmkontrollen mit Test-naiven Mäusen wurde eine gleichgeschaltete, mit dem impliziten Lernen der MWM-Erfahrung der Tiere assoziierte unspezifische Genexpression festgestellt. Beim Vergleich der Schwimmkontrollen (ohne Plattform) mit den trainierten Tieren (verborgene Plattform mit konstanter Lokalisation) wurde in guten Lernern zu bestimmten Zeitpunkten eine Hochregulation von Genen, die mit Lernen und Gedächtnis (PP1, Kibra), neuronaler Aktivität (mt-CO1), Epigenetik (Dnmt3a, Dnmt3b) und neurodegenerativen Erkrankungen (Mapt, Sorl1) assoziiert sind, gefunden. Im Hippokampus der schlechten Lerner wurde eine im Vergleich zu den guten Lernern gesteigerte Synthese der mRNA von Genen festgestellt, die mit Lernen und Gedächtnis (Reelin, PP1, Kibra), Epigenetik (Dnmt1, Dnmt3a, Dnmt3b) und neurodegenerativen Erkrankungen (Mapt, Sorl1, APP) in Zusammenhang stehen. Diese Studie liefert somit den bisher ersten Hinweis, dass während eines mehrtägigen MWM-Lernprozesses eine abnormal erhöhte de novo-mRNA-Synthese mit verminderter Lernleistung in Zusammenhang steht.

Untersuchungen zur Expression und Lokalisation der respiratorischen Proteine Neuroglobin (Ngb) und Cytoglobin (Cygb) in Säugern

Die vorliegende Dissertation beinhaltet Untersuchungen zur Expression und Funktion der respiratorischen Proteine Neuroglobin (Nbg) und Cytoglobin (Cygb) in Vertebraten. rnrnUm die Expression der Globine während der Entwicklung des Säugerhirns zu untersuchen, wurden die Hirne von Maus-Embryonen ab dem Fötalstadium MF10 bis zum Tag eins nach der Geburt (T1) mit Adulttieren verglichen. Quantifiziert wurde sowohl die mRNA- als auch die Protein-Expression. Beide Globine zeigten im Verlauf der Entwicklung einen stetigen Anstieg der mRNA-Expression, wobei Ngb zu Beginn in zehnfach höherer Konzentration vorlag und im zeitlichen Verlauf einen 130-fachen Anstieg zeigte. Cygb zeigte lediglich einen 16-fachen Anstieg bis zum Adultstadium. Auf Proteinebene konnte die Expressionszunahme beider Globine im Laufe der Entwicklung bestätigt werden. Weder in den hypoxieresistenten Frühembryonalstadien noch während der mit Sauerstoff-Stress verbundenen Geburt zeigte sich ein Expressionsmaximum. Dies spricht gegen eine Globin-Funktion in der Oxidanz-Abwehr. Eher ist zumindest Ngb mit der Reifung der Neurone und dem damit einhergehenden, gesteigerten oxidativen Stoffwechsel assoziiert.rnrnDes Weiteren sollte die zelluläre und intrazelluläre Lokalisation beider Globine anhand einer primären Zellkultur aus dem Hippocampus pränataler Ratten und in immortalen Zelllinien untersucht werden. Neuroglobin wurde dabei nur in Neuronen, nicht jedoch in Gliazellen nachgewiesen. Das Färbemuster war in allen Ngb-exprimierenden Zellen zytoplasmatisch. Cytoglobin wurde in der Primärkultur in den Neuronen jedoch ebenso in den mit anti-GFAP markierten Gliazellen beobachtet. In beiden Zellpopulationen war auch der Kern durch das CyGB-Antiserum markiert. rnEine genauere Untersuchung der intrazellulären Lokalisation sollte durch die Transfektion von Globin-pEGFP-Fusionsproteinen erfolgen. Nach Transfektion der Fusionskonstrukte wurde die GFP-Färbung bei beiden Globinen sowohl im Zytoplasma als auch im Kern beobachtet. Eine rein nukleäre Lokalisation, die insbesondere für Cygb von anderen Autoren postuliert wurde, konnte somit ausgeschlossen werden. rnrnIn primären Zellkulturen aus Cerebellum und Kortex, die mit Hilfe von Paraquat oxidativem Stress ausgesetzt wurden, wurde der Verlauf der Globin-mRNA-Expression mit dem unregulierten 18s rRNA-Referenzgen und mit den Antioxidanz-Enzymen Cu-Zn-SOD und Gpx verglichen. Neuroglobin zeigte einen Expressionsverlauf ähnlich dem der beiden Antioxidanz-Enzyme, jedoch liegt seine mRNA im Hirngewebe in hundertfach niedrigerer Menge als Cu-Zn-SOD und Gpx vor. Cytoglobin zeigte keine Veränderung der Expression. Eine Funktion der Globine im Sinne einer ROS-Abwehr kann aus den Befunden nicht abgeleitet werden. rnrnUntersuchungen von Tumor und Normalgewebe mittels eines cDNA-Cancer-Arrays zeigten, dass NGB in Tumoren verschiedenen Ursprungs nicht exprimiert wird, CyGB dagegen keine Änderung seiner Expression in Tumor versus Normalgewebe erfährt. Eine Induktion der beiden Globine z.B. durch Hypoxie in soliden Tumoren kann daher ausgeschlossen werden.rn