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Neuroligin-3 (Nlgn3), a neuronal adhesion protein implicated in autism spectrum disorder (ASD), is expressed at excitatory and inhibitory postsynapses and hence may regulate neuronal excitation/inhibition balance. To test this hypothesis, we recorded field excitatory postsynaptic potentials (fEPSPs) in the dentate gyrus of Nlgn3 knockout (KO) and wild-type mice. Synaptic transmission evoked by perforant path stimulation was reduced in KO mice, but coupling of the fEPSP to the population spike was increased, suggesting a compensatory change in granule cell excitability. These findings closely resemble those in neuroligin-1 (Nlgn1) KO mice and could be partially explained by the reduction in Nlgn1 levels we observed in hippocampal synaptosomes from Nlgn3 KO mice. However, unlike Nlgn1, Nlgn3 is not necessary for long-term potentiation. We conclude that while Nlgn1 and Nlgn3 have distinct functions, both are required for intact synaptic transmission in the mouse dentate gyrus. Our results indicate that interactions between neuroligins may play an important role in regulating synaptic transmission and that ASD-related neuroligin mutations may also affect the synaptic availability of other neuroligins.
Neurogenesis of hippocampal granule cells (GCs) persists throughout mammalian life and is important for learning and memory. How newborn GCs differentiate and mature into an existing circuit during this time period is not yet fully understood. We established a method to visualize postnatally generated GCs in organotypic entorhino-hippocampal slice cultures (OTCs) using retroviral (RV) GFP-labeling and performed time-lapse imaging to study their morphological development in vitro. Using anterograde tracing we could, furthermore, demonstrate that the postnatally generated GCs in OTCs, similar to adult born GCs, grow into an existing entorhino-dentate circuitry. RV-labeled GCs were identified and individual cells were followed for up to four weeks post injection. Postnatally born GCs exhibited highly dynamic structural changes, including dendritic growth spurts but also retraction of dendrites and phases of dendritic stabilization. In contrast, older, presumably prenatally born GCs labeled with an adeno-associated virus (AAV), were far less dynamic. We propose that the high degree of structural flexibility seen in our preparations is necessary for the integration of newborn granule cells into an already existing neuronal circuit of the dentate gyrus in which they have to compete for entorhinal input with cells generated and integrated earlier.
Der Gyrus dentatus ist eine anatomische Region im Hippocampus und besitzt die einzigartige Fähigkeit auch im adulten Gehirn lebenslang neue Nervenzellen zu generieren. Dieser Prozess wird als adulte Neurogenese bezeichnet, stellt eine besondere Form struktureller Plastizität dar und es wurde gezeigt, dass adult neugebildete Körnerzellen im Gyrus dentatus essentiell am Prozess des hippocampalen Lernens und der Gedächtnisausbildung beteiligt sind. Es wird vermutet, dass neue Körnerzellen aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften verstärkt auf neue Informationsmuster reagieren können und darauf spezialisiert sind Muster, die eine hohe Ähnlichkeit zueinander haben zu separieren und diese Unterschiede zu kodieren. Obwohl bereits eine Vielzahl von wissenschaftlichen Studien zum Verständnis der Entwicklung und Funktion adult neugebildeter Körnerzellen beitragen konnte, bestehen immer noch Unklarheiten darin, wie sich diese neuen Nervenzellen strukturell entwickeln, wann es zu einer funktionellen Integration kommt und wie diese beiden Prozesse miteinander zusammenhängen. In den vorliegenden Arbeiten wurde die strukturelle Entwicklung und synaptische Integration adult neugebildeter Körnerzellen in das bestehende hippocampale Netzwerk der Ratte und Maus unter in vivo Bedingungen untersucht. Zur Beantwortung dieser Fragen wurden Methoden aus der Anatomie, Histologie und in vivo Elektrophysiologie kombiniert. Der Nachweis neuer Körnerzellen erfolgte entweder durch immunhistologische Färbungen gegen spezifische Marker für unreife und reife Körnerzellen, Markierungen mit Bromdesoxyuridin oder retro- bzw. adenovirale intrazerebrale Injektionen und Expression von GFP. Es wurde eine in vivo Stimulation des Tractus perforans in der anästhesierten Ratte zur Langzeitpotenzierung der Körnerzellsynapsen und anschließend eine immunhistologische Analyse der Expression von synaptischen Aktivitäts- und Plastizitätsmarkern in neugebildeten und reifen Körnerzellen nach der Stimulation durchgeführt. Zusätzlich wurden detaillierte drei-dimensionale Rekonstruktion dendritischer Bäume erstellt und dendritische Dornenfortsätze an retroviral markierten Zellen analysiert.
Die vorliegenden Daten belegen den generellen Verlauf der Entwicklung neugeborener Körnerzellen in zwei unterschiedliche Phasen: eine frühe dendritische Reifung und eine späte funktionelle und synaptische Integration. Neugeborene Körnerzellen zeigten ein rasches dendritisches Auswachsen, dass innerhalb der ersten drei bis vier Wochen abgeschlossen war. Während dieses Wachstumsprozesses passieren Dendriten nacheinander die Körnerzellschicht und anschließend die innere, mittlere und äußere Molekularschicht. Dadurch sind sie innerhalb ihrer morphologischen Entwicklungsphasen anatomisch auf spezifische präsynaptische Partner limitiert. In der wissenschaftlichen Literatur wird eine transiente kritische Phase beschrieben, in der neugeborene Körnerzellen eine starke Plastizität und sensitivere synaptische Erregbarkeit aufweisen. Obwohl die vorliegenden Resultate keine direkten Hinweise auf eine stärkere bzw. sensitivere Plastizität neugeborener Körnerzellen liefern, konnte eine Phase zwischen vier und fünf Wochen identifiziert werden, in der neue Körnerzellen einen sprunghaften Anstieg in ihrer Fähigkeit zur Expression synaptischer Aktivitätsmarker (z.B. Arc und c-fos) und Ausbildung struktureller Plastizität (Dendriten und Dornenfortsätze) zeigten. Die präsentierten Resultate machen deutlich, dass Dornenfortsätze neuer Körnerzellen nach elf Wochen eine vergleichbare Dichte, Größenverteilung und Plastizität aufzeigen, die vergleichbar mit denen vorhandener Körnerzellen sind. Die Fähigkeit zur dendritischen Plastizität nach synaptischer Aktivierung zeigten jedoch nur neugeborene Körnerzellen zwischen der vierten und fünften Woche. Diese Ergebnisse implizieren, dass die Integration neugebildeter Körnerzellen kontinuierlich verläuft und obwohl die vorliegenden Daten die Existenz einer dendritischen Plastizität und einen sprunghaften Anstieg synaptischer Plastizität in der vierten und fünften Woche belegen, wurden keine weiteren Hinweise auf eine transiente kritische Phase gefunden. Des Weiteren zeigten dendritische Bäume von gereiften adult neugeborenen und reifen Körnerzellen Unterschiede, die daraufhin deuten, dass neue Körnerzellen eine eigene Subpopulation darstellen.