Computational models combined with electrophysiological studies have informed our understanding about the role of hippocampal subfields (dentate gyrus, DG; CA subfields, subiculum) and Medial Temporal Lobe (MTL) cortex (entorhinal, perirhinal, parahippocampal cortices) during working memory (WM) tasks. Only recently have functional neuroimaging studies begun to examine under which conditions the MTL are recruited for WM processing in humans, but subfield contributions have not been examined in the WM context. High-resolution fMRI is well suited to test hypotheses regarding the recruitment of MTL subregions and hippocampal subfields. This dissertation describes three experiments using high-resolution fMRI to examine the role of hippocampal subfields and MTL structures in humans during WM. Experiment 1 investigated MTL activity when participants performed a task that required encoding and maintaining overlapping and non-overlapping stimulus pairs during WM. During encoding, activity in CA3/DG and CA1 was greater for stimulus pairs with overlapping features. During delay, activity in CA1 and entorhinal cortex was greater for overlapping stimuli. These results indicate that CA3/DG and CA1 support disambiguating overlapping representations while CA1 and entorhinal cortex maintain these overlapping items. Experiment 2 investigated MTL activity when participants performed a WM task that required encoding and maintaining either low or high WM loads. The results show a load effect in entorhinal and perirhinal cortex during the delay period and suggest that these regions act as a buffer for WM by actively maintaining novel information in a capacity-dependent manner. Experiment 3 investigated MTL activity when participants performed a WM task that required maintaining similar and dissimilar items at different loads. Analysis of a load by similarity interaction effect revealed areas of activity localized to the CA1 subfield. CA1 showed greater activity for higher WM loads for dissimilar, but not similar stimuli. Our findings help identify hippocampal and MTL regions that contribute to disambiguation in a WM context and regions that are active in a capacity-dependent manner which may support long-term memory formation. These results help inform our understanding of the contributions of hippocampal subfields and MTL subregions during WM and help translate findings from animal work to the cognitive domain of WM in humans.

The effects of spermine, an endogenous polyamine, were examined in area CA1 of the rat hippocampal slice preparation. Spermine, at low millimolar concentrations, rapidly and potently depressed NMDA and K/AMPA-mediated population EPSPs, and GABA-mediated monosynaptic population IPSPs. These effects contrast with its well-known potentiation of NMDA currents at lower concentrations. Our results raise the possibility that the large intracellular stores of spermine that are released after various neural insults could act as an endogenous neuroprotective mechanism by limiting excessive calcium entry.

Submitted by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2016-08-19T14:12:14Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1783924 bytes, checksum: cd370846eb175ca5a7541394c0b1e78d (MD5) / Made available in DSpace on 2016-08-19T14:12:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1783924 bytes, checksum: cd370846eb175ca5a7541394c0b1e78d (MD5) Previous issue date: 2016-03-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Episodic memory is a declarative type of memory rich in temporal and spatial contexts. This type of memory has been atributed only to humans, but animals have been demonstrating an episodic-like memory, based on behavioural criteria and, considered as a memory for a particular event (“what”) that happened in a particular place (“where”) and in a particular time (“when”). To be considered as an episodic-like memory, these behavioural aspects must be evoked in an integrative and associative way, excluding any possibility of being evoked separately. For a long time it has been demonstrated that the medial temporal lobe (MTL) is important for processes involving episodic-like memory characteristics and, the hippocampus and other areas, such as the perirhinal, postrhinal, entorhinal and medial prefrontal cortices seem to be involved in one or more of episodic-like memory behavioural aspects. In this work we sought to investigate the role of the hippocampal subfield CA1 with bilateral infusions of the GABAA agonist muscimol, in an integrative episodic-like memory task. 24 naïve male wistar rats, ranging from 3 to 4 months, weighing 270-360g and kept in controlled coditions, were used as subjects. This task is done in an open-field and it depends on the tendency of rats to explore novelty. There were three trials: sample 1, sample 2 and test. Each one had a duration of five minutes and the intertrial interval was of 1 hour. In sample 1, rats were allowed to explore four novel objects (A) in specific locations. In sample 2, four new objects (B) were disposed in the open-field, where two of them were placed in locations previously occupied by objects “A”, and two of them were placed in new positions. In the test trial, animals were exposed to four copies of previously seen objects, where two of them were stationary to its initial position (A1 and B1) and another two were displaced (A2 and B2). The pattern of exploration expected to this task is of A1>B1 (temporal pattern), B2>B1 (spatial pattern) and A1>A2 (integrative pattern). Animals of the control group did evoked an episodic-like memory in the test trial, while the animals in the experimental group didn’t. This was not influenced by a lack of exploration in the muscimol group. Histology showed that the cannulae and niddle tips were placed in the right positions. Altogether, our data provides evidence that CA1 plays an essential role in the recollection of the episodic-like memory components, although it’s not clear if it does by having a role in the recognition of objects alone, or on the association of temporal and spatial aspects of episodic-like memory. / A memória episódica é uma memória declarativa rica em contexto espacial e temporal. Este tipo de memória tem sido atribuído apenas a humanos, mas alguns animais têm demonstrado uma memória similar à episódica, baseada em critérios que podem ser mostrados através do comportamento e, tida como a memória para eventos (“o quê”) que ocorreram em um devido local (“onde”) e num determinado espaço de tempo (“quando”). Para ser considerada uma memória similar à episódica, estes aspectos comportamentais devem ser evocados de forma integrada e associativa, não havendo a possibilidade de se recordar cada aspecto separado. Há algum tempo tem sido demonstrado que o lobo temporal medial (LTM) é importante para processos que envolvem características da memória similar à episódica e, o hipocampo e áreas como os córtices perirrinal, pósrrinal, entorrinal e pré-frontal medial parecem estar envolvidas em um ou mais dos aspectos comportamentais deste tipo de memória. Neste trabalho nós procuramos avaliar o papel da área hipocampal CA1 em uma tarefa de memória similar à episódica integrativa dos três aspectos comportamentais através da inativação bilateral com o agonista GABAA muscimol. Para tal, utilizamos 24 ratos wistar machos de 3 a 4 meses de idade, pesando entre 270-360g e mantidos em condições controladas. Esta tarefa é realizada em uma arena circular e é baseada no paradigma da novidade, que aponta que em estado saudável, ratos sempre vão preferir explorar algo novo. Foram realizadas três sessões na tarefa: a sessão de amostra 1, amostra 2 e teste. Cada sessão teve duração de cinco minutos e o intervalo entre sessões foi de uma hora. Na sessão de amostra 1 foi permitido que o animal explorasse quatro objetos novos (A) em disposições específicas. Na sessão de amostra 2 quatro novos objetos (B) foram expostos, sendo dois alocados em posições ocupadas pelos objetos “A” e dois em novas posições. Na sessão de teste os animais entraram em contato dois objetos da primeira sessão e, dois objetos da segunda sessão, onde um objeto de cada sessão era estacionário em relação à sua posição inicial (A1 e B1) e outro objeto era deslocado (A2 e B2). O padrão de exploração esperado para esta tarefa é de A1>B1 (padrão temporal), B2>B1 (padrão espacial) e A1>A2 (padrão integrativo). Os animais do grupo controle conseguiram evocar o episódio na sessão de teste da tarefa, enquanto que os animais do grupo experimental não conseguiram e, isto não foi influenciado por uma falta de motivação em explorar por parte do grupo experimental. Um exame histológico verificou a posição correta das cânulas e agulhas de infusão para a área CA1. Concluímos que CA1 é importante para a resolução da tarefa, mas não fica claro se o é por influenciar no reconhecimento de objetos, ou porque influenciou diretamente no processamento dos aspectos espacial e temporal.

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Der neuronale Zelluntergang bei einer Vielzahl von Krankheiten des ZNS, wie z.B. Morbus Alzheimer (AD) und Temporallappenepilepsie (TLE), wird mit oxidativem Stress sowie Fehlfunktionen von Kaliumkanälen in Verbindung gebracht. In dieser Studie soll die selektive neuronale Sensitivität auf oxidativen Stress durch die Messung der oxidativen Modulation von Kaliumströmen untersucht werden. Dabei werden sternförmige Neuronen der zweiten Schicht des entorhinalen Kortex (EC) (bei AD bereits früh geschädigt) mit pyramidalen Neuronen der dritten Schicht des EC (früh geschädigt bei TLE) sowie hippocampalen pyramidalen Neuronen der CA1 Region (bei AD und TLE erst spät geschädigt) miteinander verglichen. Mittels patch-clamp Ganzzellmessung zeigt diese Studie die differentielle Hemmung spannungsabhängiger transienter (IA) und „delayed-rectifier“ K+-Ströme (IK(V)) durch Arachidonsäure (AA) und Wasserstoffperoxid (H2O2). Die intrazelluläre Applikation von AA (1 pM) reduzierte IA in Neuronen des entorhinalen Kortex signifikant stärker verglichen mit Neuronen des CA1. ETYA imitiert diesen Effekt, dies schliesst die Metabolite der AA als Mediatoren des Effekts auf Kaliumkanäle aus. Weder AA noch ETYA reduzierten IK(V). Im Gegensatz dazu reduzierte H2O2 IA in Neuronen des CA1 effektiver als in Neuronen der Schichten II und III des entorhinalen Kortex. Die Reduktion des IA, vermittelt durch AA, wurde durch Radikalfänger (Glutathion, Ascorbinsäure, Vitamin E Analogon Trolox) blockiert. Dabei verstärkten manche dieser Antioxidantien den Effekt der AA, dies legt eine komplexere Modulation dieser Ströme in Schnitten verglichen mit Kulturen nahe. Dies sollte bei der Entwicklung antioxidativer Therapien von AD und TLE berücksichtigt werden. Bei der heterologer Expression von Kv1.4 und Kv4.2 in HEK-293 Zellen wurden funktionelle Kanäle gebildet und A-Typ Ströme ausgelöst. Diese Ströme wurden nach der Applikation von 1 pM AA stark reduziert. ROS scheinen neben ihrer zellschädigenden Wirkung physiologische Prozesse zu regulieren, indem sie eine Reihe von Signalwegen beeinflussen. Da spannungsabhängige Kaliumkanäle vielen wichtigen zellulären Funktionen zugrundeliegen, könnte die Modulation dieser Kanäle durch ROS einen Mechanismus für die Feinabstimmung zellulärer Prozesse darstellen. / Oxidative stress and dysfunction of potassium channels are believed to play a role in neuronal death in a number of CNS diseases (e.g. Alzheimer’s disease, epilepsy). The present study addresses selective neuronal vulnerability to oxidative stress by studying oxidative modulation of potassium channels in entorhinal cortex (EC) layer II stellate neurons (cell loss early in AD) and layer III pyramidal neurons (early damage in TLE), in comparison to hippocampal CA1 pyramidal neurons (late damage in TLE and AD). Using whole-cell patch-clamp, differential inhibition of transient IA and delayed rectifier K+-currents IK(V) by arachidonic acid (AA) and H2O2 was demonstrated. Intracellular AA (1 pM) reduced IA in EC neurons significantly stronger than in CA1 neurons. AA affected the voltage dependence of steady-state inactivation as well. ETYA mimicked the effect of AA, excluding its metabolites as mediators of IA modulation. Neither AA nor ETYA reduced IK(V). In contrast, a non-lipid oxidizing agent, H2O2 reduced IA more effectively and robustly attenuated IK(V) in CA1, compared to EC neurons. AA-mediated reduction of IA was blocked by free radical scavengers (glutathione, ascorbic acid, Trolox). Antioxidants did not simply inhibit AA and H2O2 effects. In particular, they even enhanced AA effects, suggesting more complex modulation of these currents in slices, compared to culture. Moreover, intracellular antioxidants, themselves, influenced maximal conductance and voltage-conductance characteristics of IA and IK(V). This should be considered in design of anti-oxidative therapies in AD and TLE. Heterologous expression of Kv1.4 and of Kv4.2 cDNA in HEK-293 cells formed functional channels and elicited A-type currents, which shared similar biophysical characteristics with native IA from the hippocampus. These currents were strongly decreased upon administration of 1pM AA, demonstrating that at least one of multiple sites for AA action is situated on the pore-forming alfa-subunit of the A-channel. In conclusion, beside contribution to cell damage, ROS may regulate physiological processes by acting on different signalling pathways. Since voltage-gated K+-channels underlie many important cellular functions modulation of these channels by ROS would represent a mechanism for fine tuning of cellular processes.

Tau ist ein Mikrotubuli-assoziiertes Protein, das die Polymerisation von Tubulin fördert und die Mikrotubuli stabilisiert. Folglich wird angenommen, dass Tau essentiell für die neuronale Morphogenese ist, vor allem für die Axonenausbildung und -aufrechterhaltung. Mittels tangentieller Nissl-gefärbter Schnitte von Mäusegehirnen konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass Tau-knockout Mäuse die regelhafte thalamokortikale Barthaar-projektion („Barrel“ Konfiguration) entwickeln. Der Einfluss von Tau auf die Entstehung von Dendriten wurde anhand von Golgi-gefärbten Präparaten untersucht. Die Sholl-Analyse der gefärbten CA1-Pyramidenzellen zeigte, dass die Komplexität apikaler Dendriten durch das Fehlen von Tau reduziert wurde, während die Basaldendriten unbeeinflusst blieben. Das Tau-Protein scheint demzufolge unwesentlich für die Entstehung von axonalen Verbindungen im embryonalen Gehirn zu sein, ist aber beteiligt an der Steuerung des dendritischen Verzweigungsmusters. Ferner wurde beobachtet, dass sowohl die adulte Neurogenese, als auch die Mikrotubuli-Stabilität in den Apikal- und Basaldendriten und die Synapsen von dem Fehlen des Tau-Proteins unbeeinflusst blieben. In primären Zellkulturen aus dem Kleinhirn von Tau-knockout und Tau-wildtyp Mäusen konnten zwischen den zwei Genotypen keine signifikanten Unterschiede in der Länge oder im Verzweigungsmuster der Dendriten und der Axone von Körnerzellen beobachtet werden. Die Untersuchung der Effekte einzelner Tau-Isoformen auf die Morphologie von N2A-Zellen zeigte, dass es Unterschiede sowohl zwischen Tau-defizienten und Tau-positiven Zellen, als auch zwischen Zellen mit den verschiedenen Tau-Isoformen gibt. Das Tau-Protein übt demnach in vivo einen wichtigen Einfluss auf die Morphologie der Nervenzellen und besonders der Dendriten aus, welcher in vitro weiter analysiert wurde.

Lokale Pyramidenzellen sind die Hauptneurone des Hippocampus und können durch ihre Position und die Morphologie ihrer Dendriten als CA1 und CA3 Pyramidenzellen identifiziert werden. Die Dendriten der exzitatorischen Pyramidenzellen sind mit postsynaptischen Vorwölbungen, den so genannten Spines, bedeckt, welche in einem spezifischen Verteilungsmuster angeordnet sind. Neurotoxine wie das C3 Toxin von Clostridium botulinum sind funktionelle Substanzen, die die neuronale Morphologie verändern und die neuronale Funktion beeinflussen können. In dieser Studie wurden die morphologischen Veränderungen von intrazellulär mit Biocytin gefüllten CA1 Pyramidenzellen qualitativ und quantitativ analysiert. Die hippocampalen Schnittkulturen, in denen sich bekanntermaßen Pyramidenzellen ähnlich entwickeln wie in vivo, wurden dazu herangezogen, die Effekte der C3bot Toxin-Applikation auf die Verzweigung der Dendriten sowie Anzahl und Dichte der dendritischen Spines zu untersuchen. Drei Gruppen von Zellen wurden verglichen: Erstens Neurone, die in serumhaltigem Medium inkubiert worden waren, zweitens Nervenzellen, die in einem Medium ohne Serum inkubiert worden waren und drittens Zellen, die unter Serumentzug dem C3bot Toxin ausgesetzt worden waren. Die Inkubation dauerte 14 Tage, während die Dauer der Toxinexposition zwischen vier und sechs Stunden betrug. Mit Hilfe eines Computers wurden zweidimensionale Nachbildungen der biocytin-markierten CA1 Pyramidenzellen erstellt, und die Gesamtlänge der Dendriten, die Anzahl der dendritischen Verzweigungspunkte und die Gesamtzahl und Dichte der dendritischen Spines gemessen und statistisch ausgewertet. Signifikante Unterschiede wurden zwischen der mit C3 Toxin behandelten Gruppe und der serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe beobachtet. Diese signifikanten morphologischen Veränderungen traten selektiv an den Apikaldendriten der toxinbehandelten CA1 Pyramidenzellen auf. Aus der Behandlung resultierte eine Reduktion der Anzahl apikaler Verzweigungspunkte, der Anzahl der apikalen Spines, der Gesamtzahl (basal und apikal addiert) der Spines sowie der Gesamtspinedichte. Im Gegensatz dazu ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen der toxinbehandelten Gruppe und der ohne Serum inkubierten Kontrollgruppe, obwohl der Serumentzug im Vergleich zur serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe die Entwicklung der Zellen beeinflusste. Auf Grundlage der beobachteten Veränderungen können wir schließen, dass die Behandlung mit C3 bot einen starken Einfluss selektiv auf die Morphologie der Apikaldendriten ausübt. Der Mechanismus, der dieser selektiven Empfindlichkeit der Apikaldendriten gegenüber dem C3 bot Toxin zugrunde liegt, wird Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

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Après le vieillissement, le diabète Mellitus de type 2 (DMT2) est le facteur de risque le plus important pour développer la maladie d'Alzheimer (MA). Le DMT2 est une maladie métabolique caractérisée par une hyperglycémie et une résistance à l’insuline qui se développe vers la cinquantaine et est fortement favorisée par l’obésité. Nous avons exploré l’impact potentiel du DMT2 sur le développement de la MA chez le Rat. Pour cela, nous avons utilisé un régime alimentaire cafétéria (RC) couplé à des injections de faibles doses de Streptozotocine (STZ) (STZ-CD). Les rats STZ-CD montrent des signes classiques de DMT2 et des déficits légers de consolidation en mémoire de reconnaissance spatiale. Afin d'imiter le développement des stades précoces de la MA, la moitié des rats reçoivent une infusion intracérébrale de peptides β-amyloïdes solubles (Aβ) qui ne conduisent pas à des déficits mnésiques durables. Par contre, le phénotype DMT2 chez les rats STZ-CD exacerbe les déficits mnésiques observés avec le peptide Aβ en les prolongeant dans le temps. L’enrichissement environnemental pendant une période critique de 2 semaines après l’infusion d’Aβ est capable de compenser les déficits mnésiques induits par le peptide Aβ et/ou le traitement STZ-CD ; mais d’une manière limitée dans le temps. Des analyses biochimiques dans l’aire CA1 de l’hippocampe ont été effectuées pour explorer de possibles altérations de la voie PI3K, de marqueurs de la cascade amyloïde et du DMT2. Le peptide Aβ seul induit peu de changements durables ; le phénotype DMT2 seul est associé à des changements pour quelques protéines-clé, largement en liaison avec le régime cafétéria. Par contre, la majorité des modifications dysfonctionnelles de protéines est observée chez les rats montrant un phénotype de type DMT2 et recevant le peptide Aβ. Ces altérations, similaires à celles rapportées chez des patients atteints de la MA et chez des modèles animaux de la MA, concernent notamment des protéines de la voie PI3K-Akt impliquée dans des fonctions comme l’autophagie et l’inflammation et des marqueurs de la MA. L’altération de ces protéines pourrait contribuer aux déficits mnésiques durables observés et mettre en lumière des mécanismes moléculaires induits par le DMT2 et promouvant un milieu neuronal favorisant le développement d’un stade précoce de la maladie d'Alzheimer. / Following aging, type 2 Diabetes Mellitus (T2DM) is the most important risk factor of developing Alzheimer’s disease (AD). It is a metabolic disorder characterised by hyperglycemia and insulin resistance that develops in middle age and is promoted largely by obesity. In this study, we used a T2DM rat model to assess the potential impact T2DM may have on the development of AD. Rats were fed cafeteria-style diet (CD) coupled with low dose injections of Streptozotocin (STZ)(STZ-CD). We found that STZ-CD treated rats showed classic signs of T2DM and a modest deficit in consolidation of spatial recognition memory. In order to mimic the development of early stage AD, half of the rats were infused with a soluble oligomeric amyloid beta (Aβ), which alone was not sufficient to induce long-lasting memory deficits. Interestingly, the T2DM phenotype exacerbated the memory deficits induced by Aβ infusion by prolonging these deficits. Environmental enrichment during a critical two-week period following infusion of Aβ rescued memory deficits induced by Aβ and/or STZ-CD treatment; however, this was time-limited. Biochemical analyses were conducted mainly in proteins involved in the PI3K-Akt signalling pathway and markers of AD and T2DM in CA1 of the hippocampus. Aβ alone induced few long-lasting changes; T2DM phenotype alone induced some changes that were largely mediated by CD treatment alone; however, the majority of dysfunctional regulation of proteins was observed in rats showing a T2DM phenotype that were infused with Aβ. More importantly, many of these changes are similar to those reported in brains of AD patients or rodent models of the disease; notably key proteins in the PI3K-Akt signaling pathway that mediate functions such as autophagy, inflammation and markers of AD. Dysregulation of these proteins may contribute to the long-lasting memory deficits seen in this model, which may provide evidence of molecular mechanisms induced by T2DM that could promote a dysfunctional neuronal environment favouring the development of early stages of Alzheimer’s disease.