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Neuroligine (NL) sind vorwiegend postsynaptisch lokalisierte transmembrane Adhäsionsmoleküle, die in Wechselwirkung mit dem präsynaptisch lokalisierten Protein Neurexin eine wichtige Rolle in der Reifung und Funktion von Synapsen spielen. Es existieren verschiedene NL-Isoproteine (NL-1 – NL-4), die sich in ihrer Assoziation zu exzitatorischen und inhibitorischen Synapsen unterscheiden. Die funktionelle und klinische Relevanz der Neuroligine belegen beispielhaft Mutationen des Isotyps NL 4, welche mit neuropsychiatrischen Erkrankungen wie Autismus-Spektrum-Störungen assoziiert vorkommen. Anhand eines durch Ausschalten des human-orthologen NL-4-Gens generierten Mausmodells (NL 4 Knockout, NL 4 KO) konnte in vorhergehenden Studien die Bedeutung einer immunhistochemisch beobachteten Lokalisation von NL 4 an glycinergen Synapsen der Retina für die inhibitorische synaptische Übertragung nachgewiesen werden. Im Unterschied dazu konnte kein Zusammenhang zwischen einer in Schicht IV des Barrel-Kortex nachweisbaren Lokalisation von NL-4 mit inhibitorischen Synapsen hergestellt werden. Deshalb, und aufgrund der in Schicht IV dominierenden exzitatorischen Verschaltung von thalamischen Projektionen und den kolumnenassoziierten Rückverschaltungen aus dem Neokortex, lässt sich eine Interaktion von NL-4 mit exzitatorischen Synapsen in diesem Areal vermuten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde anhand der NL-4-KO-Modellmaus der Frage nachgegangen, inwiefern NL-4 die exzitatorische synaptische Übertragung im Barrel-Kortex beeinflusst. Dafür wurden mit Hilfe der Patch-Clamp-Technik abgeleitete AMPA-Rezeptor-vermittelte exzitatorische postsynaptische Ströme (EPSC) von bedornten Sternzellen, Sternpyramiden- und Pyramidenzellen der Schicht IV ausgewertet und zwischen NL-4-Wildtyp- (NL 4-WT) und NL 4 KO-Neuronen verglichen. Dabei zeigten NL 4-KO-Neurone signifikant veränderte Parameter der EPSC-Kinetik. Die Abfallszeit war in NL 4 KO-Neuronen signifikant länger, das maximale Gefälle und die maximale Steigung signifikant flacher gegenüber NL-4-WT-Kontrollen. Diese Veränderungen sprechen für eine funktionelle Relevanz von NL-4 für die AMPA-Rezeptor-vermittelte synaptische Übertragung auf exzitatorische Neurone in Schicht IV des Barrel-Kortex. Das Muster der in NL-4-KO-Neuronen veränderten EPSC-Kinetik weist dabei auf eine Modulation der biophysikalischen AMPA-Rezeptoreigenschaften hin und könnte mit Veränderungen der synaptisch exprimierten AMPA-Rezeptor-TARP-Subtypen in Zusammenhang stehen, die über Proteine der postsynaptischen Dichte (wie PSD-95 und S SCAM) mit Neuroliginen interagieren.

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The transmission of sex pheromone-mediated signals is essential for goldfish reproduction. However, the neural pathways underlying this reproductive signalling pathway in the goldfish brain is not well described. Lesioning experiments have shown previously that two brain areas, the preoptic area (POA) and the ventral telencephali pars ventralis (Vv) in particular, are important for reproduction. We used patch clamp electrophysiology to study the electrical activities of POA and Vv neurons. Based on the intrinsic properties of these neurons, we suggest there are five different functional classes of POA neurons and a single class of Vv neurons. In addition, by electrically stimulating the olfactory bulb (OB), we were able to show that this primary sensory structure makes monosynaptic glutamatergic connections with both POA and Vv neurons. While electrophysiology measures signalling events occurring at short time scales on the order of milliseconds to minutes, we were also interested in studying sex pheromone signalling in the goldfish brain over a long time scale. Thus, we describe changes in gene expression in male goldfish exposed to waterborne sex pheromones (17alpha,20beta dihydroxy-4-pregene-3-one and Prostaglandin-F2alpha) over 6 hours. We perform cDNA microarrays on Prostaglandin-F2alpha-treated fish to study the rapid modulation of transcription and define the signalling pathways affected. Our microarrays showed that 71 genes were differentially regulated (67 up and 4 down). Through gene ontology enrichment analysis, we found that these genes were involved in various biological processes such as RNA processing, neurotransmission, neuronal development, apoptosis, cellular metabolism and sexual reproduction. RT-PCRs were performed to validate our microarrays and to facilitate direct comparisons of the effects of the two sex pheromones, 17alpha,20beta dihydroxy-4-pregene-3-one and Prostaglandin-F2alpha. By combining electrophysiology and gene expression analyses, we were able to study sex-pheromone signalling on two different time scales. One short, occurring on the order of milliseconds to minutes, that involves electrical activities in the brain through the glutamatergic amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionate and N-methyl-D-aspartate receptors; and the other long occurring several hours later that involves changes in the gene expression levels of calmodulin and ependymin among other genes underlying neuroplasticity. Reproductive neuroplasticity in the goldfish may therefore require the activation of glutamatergic receptors which then activate downstream signals like calmodulin and ependymin to transform the sex pheromones-mediate signal into gene expression.

Le disulfure de diméthyle (DMDS), molécule volatile libérée par les Allium, est un fumigant prometteur en remplacement du bromure de méthyle. Par l'utilisation des techniques d'électrophysiologie (patch-clamp), de biologie moléculaire et d'imagerie calcique sur neurones d'insectes, nous avons identifié de nouvelles cibles altérées par le DMDS à une faible concentration (1 µM). Le DMDS modifie l'activité spontanée régulière des DUM neurones en des bouffées de potentiels d'action séparées par des phases de silence. Cette altération de fréquence est la conséquence d'effets sur plusieurs cibles. Nous avons montré que le DMDS décale la dépendance vis-à-vis du potentiel de l'activation et de l'inactivation du courant Na2 vers de potentiels plus négatifs, rendant la cellule plus excitable. Dans un deuxième temps nous avons mis en évidence que le DMDS induit une augmentation de la concentration en calcium intracellulaire via l'activation des canaux TRPg et une sortie de calcium des stocks intracellulaires. Cette variation de calcium module, en cloche, les courants potassium dépendants du calcium (KCa). Grâce à l'étude du mode d'action du DMDS sur DUM neurones et au développement de nouvelles techniques associant la biologie moléculaire à l'électrophysiologie, nous avons apporté de nouveaux arguments en faveur de l'existence de deux courants KCa distincts. Parallèlement, grâce à une technique d'électroencéphalographie par télémétrie sur souris, nous avons révélé que le DMDS est susceptible d'engendrer des anomalies de l'activité électroencéphalographique.

Dans le néocortex murin, la division des cellules précurseurs a lieu dès le stade E11 et donne naissance aux premiers neurones pionniers dont les cellules de Cajal-Retzius. L'activité électrique spontanée, portée par les canaux ioniques, joue un rôle prépondérant dans le développement du système nerveux central. Comprendre la place des canaux ioniques et de la signalisation calcique dans les phases précoces de le neurogenèse était l'objectif principal de mon projet. Nous avons montré l'apparition précoce de canaux sodiques dépendants du voltage dans 55% des cellules neuronales à E13, dont les cellules de Cajal-Retzius. En parallèle, nous avons observé des activités calciques spontanées dans les cellules proliférantes et neuronales au même stade. La conception d'un logiciel d'imagerie nous a permis d'analyser statistiquement ces activités et d'identifier les canaux ioniques impliqués. Alors que les synapses ne sont pas encore formées, nous avons observé la mise en place d'activités synchrones au sein du néocortex et démontré l'existence de communications paracrines entre les cellules. De plus, nous avons identifié l'existence d'une cascade de signalisation où la dépolarisation des récepteurs glycinergiques active les canaux sodiques présents sur les neurones pionniers. Dans ces neurones, l'influx sodique entraîne une augmentation de calcium cytoplasmique via un échangeur Na+/Ca2+ puis une exocytose glutamatergique dont le libération paracrine induit l'activation d'autres cellules néocorticales. L'utilisation de la culture organotypique de cerveau nous a laissé entrevoir une implication physiologique majeure de cette cascade de signalisation dans la corticogenèse.

The transmission of sex pheromone-mediated signals is essential for goldfish reproduction. However, the neural pathways underlying this reproductive signalling pathway in the goldfish brain is not well described. Lesioning experiments have shown previously that two brain areas, the preoptic area (POA) and the ventral telencephali pars ventralis (Vv) in particular, are important for reproduction. We used patch clamp electrophysiology to study the electrical activities of POA and Vv neurons. Based on the intrinsic properties of these neurons, we suggest there are five different functional classes of POA neurons and a single class of Vv neurons. In addition, by electrically stimulating the olfactory bulb (OB), we were able to show that this primary sensory structure makes monosynaptic glutamatergic connections with both POA and Vv neurons. While electrophysiology measures signalling events occurring at short time scales on the order of milliseconds to minutes, we were also interested in studying sex pheromone signalling in the goldfish brain over a long time scale. Thus, we describe changes in gene expression in male goldfish exposed to waterborne sex pheromones (17alpha,20beta dihydroxy-4-pregene-3-one and Prostaglandin-F2alpha) over 6 hours. We perform cDNA microarrays on Prostaglandin-F2alpha-treated fish to study the rapid modulation of transcription and define the signalling pathways affected. Our microarrays showed that 71 genes were differentially regulated (67 up and 4 down). Through gene ontology enrichment analysis, we found that these genes were involved in various biological processes such as RNA processing, neurotransmission, neuronal development, apoptosis, cellular metabolism and sexual reproduction. RT-PCRs were performed to validate our microarrays and to facilitate direct comparisons of the effects of the two sex pheromones, 17alpha,20beta dihydroxy-4-pregene-3-one and Prostaglandin-F2alpha. By combining electrophysiology and gene expression analyses, we were able to study sex-pheromone signalling on two different time scales. One short, occurring on the order of milliseconds to minutes, that involves electrical activities in the brain through the glutamatergic amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionate and N-methyl-D-aspartate receptors; and the other long occurring several hours later that involves changes in the gene expression levels of calmodulin and ependymin among other genes underlying neuroplasticity. Reproductive neuroplasticity in the goldfish may therefore require the activation of glutamatergic receptors which then activate downstream signals like calmodulin and ependymin to transform the sex pheromones-mediate signal into gene expression.

Diss. (sammanfattning) Umeå : Umeå universitet, 2009. / Härtill 5 uppsatser. Även tryckt utgåva.

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