Motorisches Lernen in Drosophila melanogaster

In der vorliegenden Arbeit wurden die durch Training induzierten motorischen Gedächtnisleistungen der Taufliege Drosophila melanogaster beim Überklettern von acht symmetrisch verteilten Lücken auf einem rotierenden Ring untersucht. Durch den auf sie einwirkenden optischen Fluss der vorbeiziehenden äußeren Umgebung wurden die Fliegen angeregt, diesem optomotorischen Reiz entgegenzuwirken und die Lücken laufend zu überqueren. Durch Training verbessert und langfristig gelernt wird die kompensatorische Lückenüberquerung X+ gegen die Rotation. In der aus diesem Training erhaltenen Lernkurve war eine überdurchschnittlich hohe Leistungsverbesserung nach einem einzigen Trainingslauf mit einem zeitlichen Bestand von ca. 40 Minuten abzulesen, um danach vom motorischen Gedächtnisspeicher trainierter Fliegen nicht mehr abgerufen werden zu können. Nach einer Ruhephase von einem bis mehreren Tagen wurden die Fliegen auf mögliche Langzeitlernleistungen untersucht und diese für verschiedene Intervalle nachgewiesen. Sowohl die Leistungsverbesserung während des Trainings, als auch der Lerneffekt nach 24h bleiben in mutanten rutabaga2080 sowie rut1 Fliegen aus. Betroffen ist das Gen der Adenylylzyklase I, ein Schlüsselprotein der cAMP-Signalkaskade, die u.a. im olfaktorischen und visuellen Lernen gebraucht wird. Damit ergab sich die Möglichkeit die motorischen Gedächtnisformen durch partielle Rettung zu kartieren. Die motorische Gedächtniskonsolidierung ist schlafabhängig. Wie sich herausstellte, benötigen WTB Fliegen nur eine Dunkelphase von 10h zwischen einem ersten Trainingslauf und einem Testlauf um signifikante Leistungssteigerungen zu erzielen. In weiterführenden Versuchen wurden die Fliegen nachts sowie tagsüber mit einer LED-Lampe oder in einer Dunkelkammer, mit einem Kreisschüttler oder einer Laborwippe depriviert, mit dem Ergebnis, dass nur jene Fliegen ihre Leistung signifikant gegenüber einem ersten Trainingslauf verbessern konnten, welche entweder ausschließlich der Dunkelheit ausgesetzt waren oder welchen die Möglichkeit gegeben wurde, ein Gedächtnis zunächst in einer natürlichen Schlafphase zu konsolidieren (21Uhr bis 7Uhr MEZ). In weiteren Experimenten wurden die experimentellen Bedingungen entweder während des Trainings oder des Tests auf eine Fliege und damit verbunden auf eine erst durch das Training mögliche motorische Gedächtniskonsolidierung einwirken zu können, untersucht. Dazu wurden die Experimentparameter Lückenweite, Rotationsrichtung des Lückenringes, Geschwindigkeit des Lückenringes sowie die Verteilung der acht Lücken auf dem Ring (symmetrisch, asymmetrisch) im Training oder beim Gedächtnisabruf im Testlauf verändert. Aus den Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass die Lückenweite langzeitkonsolidiert wird, die Rotationsrichtung kurzzeitig abgespeichert wird und die Drehgeschwindigkeit motivierend auf die Fliegen wirkt. Die symmetrische Verteilung der Lücken auf dem Ring dient der Langzeitkonsolidierung und ist als Trainingseingang von hoher Wichtigkeit. Mit Hilfe verschiedener Paradigmen konnten die Leistungsverbesserungen der Fliegen bei Abruf eines Kurz- bzw. Langzeitgedächtnisses hochauflösend betrachtet werden (Transfer). Die Konzentration, mit der eine WTB Fliege eine motorische Aufgabe - die Überquerung von Lücken entgegengesetzt der Rotationsrichtung - durchführt, konnte mit Hilfe von Distraktoreizen bestimmt werden. Wie sich herausstellte, haben Distraktoren einen Einfluss auf die Erfolgsquote einer Überquerung, d.h. mit zunehmender Distraktionsstärke nahm die Wahrscheinlichkeit einer Lückenüberquerung ab. Die Ablenkungsreize wirkten sich weiterhin auf die Vermessung einer Lücke aus, in dem entweder "peering"-artigen Bewegungen im Training durchgeführt wurden oder je nach Reizstärke ausschließlich nur jene Lücken vermessen wurden, welche auch überquert werden sollten.

Physiologie eines erlernten Körpermodells in Drosophila melanogaster

In der vorliegenden Dissertation wird ein Körpergrößengedächtnis untersucht. Es wird dargestellt, wie diese Information über die Reichweite der Fliege beim Lückenklettern unter kotrollierten Umweltbedingungen erworben und prozessiert wird. Zusätzlich wird geklärt, welche biochemischen Signale benötigt werden, um daraus ein lang anhalten-des Gedächtnis zu formen. Adulte Fliegen sind in der Lage, ihre Körperreichweite zu lernen. Naive Fliegen, die in der Dunkelheit gehalten wurden, versuchen erfolglos, zu breite Lücken zu überqueren, während visuell erfahrene Fliegen die Kletterversuche an ihre Körpergröße anpassen. Erfahrene kleine Fliegen scheinen Kenntnis ihres Nachteils zu haben. Sie kehren an Lückenbreiten um, welche ihre größeren Artgenos-sen durchaus noch versuchen. Die Taufliegen lernen die größenabhängige Reichweite über die visuelle Rückmeldung während des Laufens (aus Parallaxenbewegung). Da-bei reichen 15 min in strukturierter, heller Umgebung aus. Es gibt keinen festgelegten Beginn der sensiblen Phase. Nach 2 h ist das Gedächtnis jedoch konsolidiert und kann durch Stress nicht mehr zerstört oder durch sensorische Eingänge verändert werden. Dunkel aufgezogene Fliegen wurden ausgewählten Streifenmustern mit spezifischen Raumfrequenzen ausgesetzt. Nur die Insekten, welche mit einem als „optimal“ klassi-fizierten Muster visuell stimuliert wurden, sind in der Lage, die Körperreichweite einzu-schätzen, indem die durchschnittliche Schrittlänge in Verbindung mit der visuellen Wahrnehmung gebracht wird. Überraschenderweise ist es sogar mittels partieller Kompensation der Parallaxen möglich, naive Fliegen so zu trainieren, dass sie sich wie kleinere Exemplare verhalten. Da die Experimente ein Erlernen der Körperreich-weite vermuten lassen, wurden lernmutante Stämme beim Lückenüberwinden getes-tet. Sowohl die Ergebnisse von rut1- und dnc1-Mutanten, als auch das defizitäre Klet-tern von oc1-Fliegen ließ eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade in der Protocerebralbrücke (PB) vermuten. Rettungsexperimente der rut1- und dnc1-Hinter-gründe kartierten das Gedächtnis in unterschiedliche Neuronengruppen der PB, wel-che auch für die visuelle Ausrichtung des Kletterns benötigt werden. Erstaunlicher-weise haben laterale lokale PB-Neurone und PFN-Neurone (Projektion von der PB über den fächerförmigen Körper zu den Noduli) verschiedene Erfordernisse für cAMP-Signale. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass hohe Mengen an cAMP/PKA-Signalen in den latero-lateralen Elementen der PB benötigt werden, wäh-rend kolumnäre PFN-Neurone geringe oder keine Mengen an cAMP/PKA erfordern. Das Körperreichweitengedächtnis ist vermutlich das am längsten andauernde Ge-dächtnis in Drosophila. Wenn es erst einmal konsolidiert ist hält es länger als drei Wo-chen.rnAußerdem kann die Fruchtliege Drosophila melanogaster trainiert werden, die kom-plexe motorische Aufgabe des Lückenkletterns zu optimieren. Die trainierten Fliegen werden erfolgreicher und schneller beim Überqueren von Lücken, welche größer sind als sie selbst. Dabei existiert eine Kurzeitkomponente (STM), die 40 min nach dem ersten Training anhält. Nach weiteren vier Trainingsdurchläufen im Abstand von 20 min wird ein Langzeitgedächtnis (LTM) zum Folgetag geformt. Analysen mit Mutati-onslinien wiesen eine Beteiligung der cAMP-abhängigen Lernkaskade an dieser Ge-dächtnisform auf. Rettungsexperimente des rut2080-Hintergrunds kartierten sowohl das STM, als auch das LTM in PFN-Neuronen. Das STM kann aber ebenso in den alpha- und beta- Loben der Pilzkörper gerettet werden.rnLetztendlich sind wildtypische Fliegen sogar in der Lage, sich an einen Verlust eines Mittelbeintarsuses und dem einhergehenden Fehlen des Adhäsionsorgans am Tarsusende anzupassen. Das Klettern wird zwar sofort schlechter, erholt sich aber bis zum Folgetag wieder auf ein normales Niveau. Dieser neue Zustand erfordert ein Ge-dächtnis für die physischen Möglichkeiten, die nur durch plastische Veränderungen im Nervensystem des Insekts erreicht werden können.

Variability of lung function predicts loss of asthma control following withdrawal of inhaled corticosteroid treatment

BACKGROUND One aspect of a multidimensional approach to understanding asthma as a complex dynamic disease is to study how lung function varies with time. Variability measures of lung function have been shown to predict response to beta(2)-agonist treatment. An investigation was conducted to determine whether mean, coefficient of variation (CV) or autocorrelation, a measure of short-term memory, of peak expiratory flow (PEF) could predict loss of asthma control following withdrawal of regular inhaled corticosteroid (ICS) treatment, using data from a previous study. METHODS 87 adult patients with mild to moderate asthma who had been taking ICS at a constant dose for at least 6 months were monitored for 2-4 weeks. ICS was then withdrawn and monitoring continued until loss of control occurred as per predefined criteria. Twice-daily PEF was recorded during monitoring. Associations between loss of control and mean, CV and autocorrelation of morning PEF within 2 weeks pre- and post-ICS withdrawal were assessed using Cox regression analysis. Predictive utility was assessed using receiver operator characteristics. RESULTS 53 out of 87 patients had sufficient PEF data over the required analysis period. The mean (389 vs 370 l/min, p<0.0001) and CV (4.5% vs 5.6%, p=0.007) but not autocorrelation of PEF changed significantly from prewithdrawal to postwithdrawal in subjects who subsequently lost control, and were unaltered in those who did not. These changes were related to time to loss of control. CV was the most consistent predictor, with similar sensitivity and sensitivity to exhaled nitric oxide. CONCLUSION A simple, easy to obtain variability measure of daily lung function such as the CV may predict loss of asthma control within the first 2 weeks of ICS withdrawal.

Brain metabolite composition in relation to cognitive function and dystrophin mutations in boys with Duchenne muscular dystrophy

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is a hereditary X-linked recessive disorder affecting the synthesis of dystrophin, a protein essential for structural stability in muscle. Dystrophin also occurs in the central nervous system, particularly in the neocortex, hippocampus and cerebellum. Quantitative metabolic analysis by localized (1) H MRS was performed in the cerebellum (12 patients and 15 controls) and a temporo-parietal location (eight patients and 15 controls) in patients with DMD and healthy controls to investigate possible metabolic differences. In addition, the site of individual mutations on the dystrophin gene was analyzed and neuropsychological cognitive functions were examined. Cognitive deficits in the patient group were found in line with earlier investigations, mainly concerning verbal short-term memory, visuo-spatial long-term memory and verbal fluency, but also the full-scale IQ. Causal mutations were identified in all patients with DMD. Quantitative MRS showed consistent choline deficits, in both cerebellar white matter and temporo-parietal cortex, as well as small, but significant, metabolic abnormalities for glutamate and total N-acetyl compounds in the temporo-parietal region. Compartment water analysis did not reveal any abnormalities. In healthy subjects, choline levels were age related in the cerebellum. The choline deficit contrasts with earlier findings in DMD, where a surplus of choline was postulated for the cerebellum. In patients, total N-acetyl compounds in the temporo-parietal region were related to verbal IQ and verbal short-term memory. However, choline, the putative main metabolic abnormality, was not found to be associated with cognitive deficits. Furthermore, in contrast with the cognitive performance, the metabolic brain composition did not depend significantly on whether or not gene mutations concerned the expression of the dystrophin isoform Dp140, leading to the conclusion that the effect of the missing Dp140 isoform on cognitive performance is not mediated through the observed metabolite composition, or is caused by local effects beyond the resolution accessible to MRS investigations.

Imagery of a moving object: the role of occipital cortex and human MT/V5+

Visual imagery – similar to visual perception – activates feature-specific and category-specific visual areas. This is frequently observed in experiments where the instruction is to imagine stimuli that have been shown immediately before the imagery task. Hence, feature-specific activation could be related to the short-term memory retrieval of previously presented sensory information. Here, we investigated mental imagery of stimuli that subjects had not seen before, eliminating the effects of short-term memory. We recorded brain activation using fMRI while subjects performed a behaviourally controlled guided imagery task in predefined retinotopic coordinates to optimize sensitivity in early visual areas. Whole brain analyses revealed activation in a parieto-frontal network and lateral–occipital cortex. Region of interest (ROI) based analyses showed activation in left hMT/V5+. Granger causality mapping taking left hMT/V5+ as source revealed an imagery-specific directed influence from the left inferior parietal lobule (IPL). Interestingly, we observed a negative BOLD response in V1–3 during imagery, modulated by the retinotopic location of the imagined motion trace. Our results indicate that rule-based motion imagery can activate higher-order visual areas involved in motion perception, with a role for top-down directed influences originating in IPL. Lower-order visual areas (V1, V2 and V3) were down-regulated during this type of imagery, possibly reflecting inhibition to avoid visual input from interfering with the imagery construction. This suggests that the activation in early visual areas observed in previous studies might be related to short- or long-term memory retrieval of specific sensory experiences.

Aging and experience in the recognition of musical transpositions

The authors examined the effects of age, musical experience, and characteristics of musical stimuli on a melodic short-term memory task in which participants had to recognize whether a tune was an exact transposition of another tune recently presented. Participants were musicians and nonmusicians between ages 18 and 30 or 60 and 80. In 4 experiments, the authors found that age and experience affected different aspects of the task, with experience becoming more influential when interference was provided during the task. Age and experience interacted only weakly, and neither age nor experience influenced the superiority of tonal over atonal materials. Recognition memory for the sequences did not reflect the same pattern of results as the transposition task. The implications of these results for theories of aging, experience, and music cognition are discussed.

Neuropsychological problems after paediatric stroke: two year follow-up of Swiss children

AIM: The aim of this study was to obtain information about neurological and cognitive outcome for a population-based group of children after paediatric ischaemic stroke. METHODS: Data from the Swiss neuropaediatric stroke registry (SNPSR), from 1.1.2000 to 1.7.2002, including children (AIS 1) and neonates (AIS 2). At 18-24 months after a stroke, a follow-up examination was performed including a history, neurological and neuropsychological assessment. RESULTS: 33/48 children (22 AIS 1, 11 AIS 2) participated in the study. Neurological outcome was good in 16/33. After childhood stroke mean IQ levels were normal (94), but 6 children had IQ < 85 (50-82) and neuropsychological problems were present in 75%. Performance IQ (93) was reduced compared to verbal IQ (101, p = 0.121) due to problems in the domain of processing speed (89.5); auditory short-term memory was especially affected. Effects on school career were common. Outcome was worse in children after right-sided infarction. Children suffering from stroke in mid-childhood had the best prognosis. There was no clear relationship between outcome and localisation of the lesion. After neonatal stroke 7/11 children showed normal development and epilepsy indicated a worse prognosis in the remaining 4. CONCLUSION: After paediatric stroke neuropsychological problems are present in about 75% of children. Younger age at stroke as well as an emergence of epilepsy were predictors for worse prognosis.

Intelligence is related to specific processes in visual change detection: Fixed-links modeling of hit rate and reaction time

By means of fixed-links modeling, the present study identified different processes of visual short-term memory (VSTM) functioning and investigated how these processes are related to intelligence. We conducted an experiment where the participants were presented with a color change detection task. Task complexity was manipulated through varying the number of presented stimuli (set size). We collected hit rate and reaction time (RT) as indicators for the amount of information retained in VSTM and speed of VSTM scanning, respectively. Due to the impurity of these measures, however, the variability in hit rate and RT was assumed to consist not only of genuine variance due to individual differences in VSTM retention and VSTM scanning but also of other, non-experimental portions of variance. Therefore, we identified two qualitatively different types of components for both hit rate and RT: (1) non-experimental components representing processes that remained constant irrespective of set size and (2) experimental components reflecting processes that increased as a function of set size. For RT, intelligence was negatively associated with the non-experimental components, but was unrelated to the experimental components assumed to represent variability in VSTM scanning speed. This finding indicates that individual differences in basic processing speed, rather than in speed of VSTM scanning, differentiates between high- and low-intelligent individuals. For hit rate, the experimental component constituting individual differences in VSTM retention was positively related to intelligence. The non-experimental components of hit rate, representing variability in basal processes, however, were not associated with intelligence. By decomposing VSTM functioning into non-experimental and experimental components, significant associations with intelligence were revealed that otherwise might have been obscured.