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Die vorgelegte Dissertation behandelt den Einfluss homöostatischer Adaption auf die Informationsverarbeitung und Lenrprozesse in neuronalen Systemen. Der Begriff Homöostase bezeichnet die Fähigkeit eines dynamischen Systems, bestimmte interne Variablen durch Regelmechanismen in einem dynamischen Gleichgewicht zu halten. Ein klassisches Beispiel neuronaler Homöostase ist die dynamische Skalierung synaptischer Gewichte, wodurch die Aktivität bzw. Feuerrate einzelner Neuronen im zeitlichen Mittel konstant bleibt. Bei den von uns betrachteten Modellen handelt es sich um eine duale Form der neuronalen Homöostase. Das bedeutet, dass für jedes Neuron zwei interne Parameter an eine intrinsische Variable wie die bereits erwähnte mittlere Aktivität oder das Membranpotential gekoppelt werden. Eine Besonderheit dieser dualen Adaption ist die Tatsache, dass dadurch nicht nur das zeitliche Mittel einer dynamischen Variable, sondern auch die zeitliche Varianz, also die stärke der Fluktuation um den Mittelwert, kontrolliert werden kann. In dieser Arbeit werden zwei neuronale Systeme betrachtet, in der dieser Aspekt zum Tragen kommt.
Das erste behandelte System ist ein sogennantes Echo State Netzwerk, welches unter die Kategorie der rekurrenten Netzwerke fällt. Rekurrente neuronale Netzwerke haben im Allgemeinen die Eigenschaft, dass eine Population von Neuronen synaptische Verbindungen besitzt, die auf die Population selbst projizieren, also rückkoppeln. Rekurrente Netzwerke können somit als autonome (falls keinerlei zusätzliche externe synaptische Verbindungen existieren) oder nicht-autonome dynamische Systeme betrachtet werden, die durch die genannte Rückkopplung komplexe dynamische Eigenschaften besitzen. Abhängig von der Struktur der rekurrenten synaptischen Verbindungen kann beispielsweise Information aus externem Input über einen längeren Zeitraum gespeichert werden. Ebenso können dynamische Fixpunkte oder auch periodische bzw. chaotische Aktivitätsmuster entstehen. Diese dynamische Vielseitigkeit findet sich auch in den im Gehirn omnipräsenten rekurrenten Netzwerken und dient hier z.B. der Verarbeitung sensorischer Information oder der Ausführung von motorischen Bewegungsmustern. Das von uns betrachtete Echo State Netzwerk zeichnet sich dadurch aus, dass rekurrente synaptische Verbindungen zufällig generiert werden und keiner synaptischen Plastizität unterliegen. Verändert werden im Zuge eines Lernprozesses nur Verbindungen, die von diesem sogenannten dynamischen Reservoir auf Output-Neuronen projizieren. Trotz der Tatsache, dass dies den Lernvorgang stark vereinfacht, ist die Fähigkeit des Reservoirs zur Verarbeitung zeitabhängiger Inputs stark von der statistischen Verteilung abhängig, die für die Generierung der rekurrenten Verbindungen verwendet wird. Insbesondere die Varianz bzw. die Skalierung der Gewichte ist hierbei von großer Bedeutung. Ein Maß für diese Skalierung ist der Spektralradius der rekurrenten Gewichtsmatrix.
In vorangegangenen theoretischen Arbeiten wurde gezeigt, dass für das betrachtete System ein Spektralradius nahe unterhalb des kritischen Wertes von 1 zu einer guten Performance führt. Oberhalb dieses Wertes kommt es im autonomen Fall zu chaotischem dynamischen Verhalten, welches sich negativ auf die Informationsverarbeitung auswirkt. Der von uns eingeführte und als Flow Control bezeichnete duale Adaptionsmechanismus zielt nun darauf ab, über eine Skalierung der synaptischen Gewichte den Spektralradius auf den gewünschten Zielwert zu regulieren. Essentiell ist hierbei, dass die verwendete Adaptionsdynamik im Sinne der biologischen Plausibilität nur auf lokale Größen zurückgreift. Dies geschieht im Falle von Flow Control über eine Regulation der im Membranpotential der Zelle auftretenden Fluktuationen. Bei der Evaluierung der Effektivität von Flow Control zeigte sich, dass der Spektralradius sehr präzise kontrolliert werden kann, falls die Aktivitäten der Neuronen in der rekurrenten Population nur schwach korreliert sind. Korrelationen können beispielsweise durch einen zwischen den Neuronen stark synchronisierten externen Input induziert werden, der sich dementsprechend negativ auf die Präzision des Adaptionsmechanismus auswirkt.
Beim Testen des Netzwerks in einem Lernszenario wirkte sich dieser Effekt aber nicht negativ auf die Performance aus: Die optimale Performance wurde unabhängig von der stärke des korrelierten Inputs für einen Spektralradius erreicht, der leicht unter dem kritischen Wert von 1 lag. Dies führt uns zu der Schlussfolgerung, dass Flow Control unabhängig von der Stärke der externen Stimulation in der Lage ist, rekurrente Netze in einen für die Informationsverarbeitung optimalen Arbeitsbereich einzuregeln.
Bei dem zweiten betrachteten Modell handelt es sich um ein Neuronenmodell mit zwei Kompartimenten, welche der spezifischen Anatomie von Pyramidenneuronen im Kortex nachempfunden ist. Während ein basales Kompartiment synaptischen Input zusammenfasst, der in Dendriten nahe des Zellkerns auftritt, repräsentiert das zweite apikale Kompartiment die im Kortex anzutreffende komplexe dendritische Baumstruktur. In früheren Experimenten konnte gezeigt werden, dass eine zeitlich korrelierte Stimulation sowohl im basalen als auch apikalen Kompartiment eine deutlich höhere neuronale Aktivität hervorrufen kann als durch Stimulation nur einer der beiden Kompartimente möglich ist. In unserem Modell können wir zeigen, dass dieser Effekt der Koinzidenz-Detektion es erlaubt, den Input im apikalen Kompartiment als Lernsignal für synaptische Plastizität im basalen Kompartiment zu nutzen. Duale Homöostase kommt auch hier zum Tragen, da diese in beiden Kompartimenten sicherstellt, dass sich der synaptische Input hinsichtlich des zeitlichen Mittels und der Varianz in einem für den Lernprozess benötigten Bereich befindet. Anhand eines Lernszenarios, das aus einer linearen binären Klassifikation besteht, können wir zeigen, dass sich das beschriebene Framework für biologisch plausibles überwachtes Lernen eignet.
Die beiden betrachteten Modelle zeigen beispielhaft die Relevanz dualer Homöostase im Hinblick auf zwei Aspekte. Das ist zum einen die Regulation rekurrenter neuronaler Netze in einen dynamischen Zustand, der für Informationsverarbeitung optimal ist. Der Effekt der Adaption zeigt sich hier also im Verhalten des Netzwerks als Ganzes. Zum anderen kann duale Homöostase, wie im zweiten Modell gezeigt, auch für Plastizitäts- und Lernprozesse auf der Ebene einzelner Neuronen von Bedeutung sein. Während neuronale Homöostase im klassischen Sinn darauf beschränkt ist, Teile des Systems möglichst präzise auf einen gewünschten Mittelwert zu regulieren, konnten wir Anhand der diskutierten Modelle also darlegen, dass eine Kontrolle des Ausmaßes von Fluktuationen ebenfalls Einfluss auf die Funktionalität neuronaler Systeme haben kann.
Heart valve disease is a major clinical problem worldwide. Cardiac valve development and homeostasis need to be precisely controlled. Hippo signaling is essential for organ development and tissue homeostasis, while its role in valve formation and morphology maintenance remains unknown. VGLL4 is a transcription cofactor in vertebrates and we found it was mainly expressed in valve interstitial cells at the post-EMT stage and was maintained till the adult stage. Tissue specific knockout of VGLL4 in different cell lineages revealed that only loss of VGLL4 in endothelial cell lineage led to valve malformation with expanded expression of YAP targets. We further semi-knockout YAP in VGLL4 ablated hearts, and found hyper proliferation of arterial valve interstitial cells was significantly constrained. These findings suggest that VGLL4 is important for valve development and manipulation of Hippo components would be a potential therapy for preventing the progression of congenital valve disease.
The long-chain fatty acid receptor FFAR1 is highly expressed in pancreatic β-cells. Synthetic FFAR1 agonists can be used as antidiabetic drugs to promote glucose-stimulated insulin secretion (GSIS). However, the physiological role of FFAR1 in β-cells remains poorly understood. Here we show that 20-HETE activates FFAR1 and promotes GSIS via FFAR1 with higher potency and efficacy than dietary fatty acids such as palmitic, linoleic, and α-linolenic acid. Murine and human β-cells produce 20-HETE, and the ω-hydroxylase-mediated formation and release of 20-HETE is strongly stimulated by glucose. Pharmacological inhibition of 20-HETE formation and blockade of FFAR1 in islets inhibits GSIS. In islets from type-2 diabetic humans and mice, glucose-stimulated 20-HETE formation and 20-HETE-dependent stimulation of GSIS are strongly reduced. We show that 20-HETE is an FFAR1 agonist, which functions as an autocrine positive feed-forward regulator of GSIS, and that a reduced glucose-induced 20-HETE formation contributes to inefficient GSIS in type-2 diabetes.
Rhabdomyosarcoma (RMS) cells have recently been reported to be sensitive to oxidative stress. Therefore, we investigated whether concomitant inhibition of the two main antioxidant defense pathways, that is, the thioredoxin (TRX) and the glutathione (GSH) systems, presents a new strategy to trigger cell death in RMS. In this study, we discover that GSH-depleting agents, i.e. γ-glutamylcysteine synthetase inhibitor, buthionine sulfoximine (BSO) or the cystine/glutamate antiporter inhibitor erastin (ERA), synergize with thioredoxin reductase (TrxR) inhibitor auranofin (AUR) to induce cell death in RMS cells. Interestingly, AUR causes accumulation of ubiquitinated proteins when combined with BSO or ERA, in line with recent reports showing that AUR inhibits the proteasome besides TrxR. Consistently, AUR/BSO or AUR/ERA cotreatment increases ubiquitination and expression of the short-lived proteins NOXA and MCL-1, accompanied by increased binding of NOXA to MCL-1. Notably, NOXA knockdown significantly rescues RMS cells from AUR/BSO- or AUR/ERA-induced cell death. In addition, AUR acts together with BSO or ERA to stimulate BAX/BAK and caspase activation. Of note, BSO or ERA abolish the AUR-stimulated increase in GSH levels, leading to reduced GSH levels upon cotreatment. Although AUR/BSO or AUR/ERA cotreatment enhances reactive oxygen species (ROS) production, only thiol-containing antioxidants (i.e., N-acetylcysteine (NAC), GSH), but not the non-thiol-containing ROS scavenger α-Tocopherol consistently suppress AUR/BSO- and AUR/ERA-stimulated cell death in both cell lines. Importantly, re-supply of GSH or its precursor NAC completely prevents AUR/ERA- and AUR/BSO-induced accumulation of ubiquitinated proteins, NOXA upregulation and cell death, indicating that GSH depletion rather than ROS production is critical for AUR/BSO- or AUR/ERA-mediated cell death. Thus, by demonstrating that GSH-depleting agents enhance the antitumor activity of AUR, we highlight new treatment options for RMS by targeting the redox homeostasis.
Spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2) is an autosomal dominantly inherited neurodegenerative disorder with preferential affection of Purkinje neurons, which are known as integrators of calcium currents. The expansion of a polyglutamine (polyQ) domain in the RNA-binding protein ataxin-2 (ATXN2) is responsible for this disease, but the causal roles of deficient ATXN2 functions versus aggregation toxicity are still under debate. Here, we studied mouse mutants with Atxn2 knockout (KO) regarding their cerebellar global transcriptome by microarray and RT-qPCR, in comparison with data from Atxn2-CAG42-knock-in (KIN) mouse cerebellum. Global expression downregulations involved lipid and growth signaling pathways in good agreement with previous data. As a novel effect, downregulations of key factors in calcium homeostasis pathways (the transcription factor Rora, transporters Itpr1 and Atp2a2, as well as regulator Inpp5a) were observed in the KO cerebellum, and some of them also occurred subtly early in KIN cerebellum. The ITPR1 protein levels were depleted from soluble fractions of cerebellum in both mutants, but accumulated in its membrane-associated form only in the SCA2 model. Coimmunoprecipitation demonstrated no association of ITPR1 with Q42-expanded or with wild-type ATXN2. These findings provide evidence that the physiological functions and protein interactions of ATXN2 are relevant for calcium-mediated excitation of Purkinje cells as well as for ATXN2-triggered neurotoxicity. These insights may help to understand pathogenesis and tissue specificity in SCA2 and other polyQ ataxias like SCA1, where inositol regulation of calcium flux and RORalpha play a role.