Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met bibliogr., lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Der entorhinale Cortex (EC) nimmt eine zentrale Stellung im limbischem System ein und ist darüber hinaus eine Verbindungsstelle zwischen Hippocampus und Cortex. Um die Eigenschaften der Projektionszellen im EC genauer zu charakterisieren, führten wir intrazelluläre Ableitungen an den Neuronen der oberflächlichen (Schicht II und III) und der tiefen (Schicht IV-VI) Schichten durch, von denen etwa ein Viertel während der Ableitung mit dem Farbstoff Biozytin gefärbt werden konnten. In Schicht III des medialen EC fanden wir vier unterschiedliche Zelltypen, von denen zwei als Projektionsneurone (Typ 1 und Typ 2) charakterisiert wurden. Die Projektionszellen der Schicht III besitzen eine niedrige Schwelle zur Auslösung synaptisch evozierter Aktionspotentiale. Daneben konnten wir zwei weitere Typen von Zellen (Typ 3 und Typ 4) bestimmen, deren Somata in der Schicht III lagen, die aber nicht in den Hippocampus projizierten, sondern lokal im EC verschaltet waren. In den tiefen Schichten des EC fanden sich zur Area Dentata (AD) projezierende bipolare und multipolare Neurone, die trotz der morphologischen Ähnlichkeit mit GABAergen Interneuronen die typischen elektrophysiologischen und neurochemischen Eigenschaften von Prinzipalzellen des EC besitzen. Diese Neurone können vermutlich Funktionen von sowohl Lokal- als auch Projektionszellen übernehmen und dementsprechend die schnelle Informationsübertragung zwischen den tiefen und oberflächlichen Schichten einerseits und zwischen EC und AD andererseits ausüben. Um der Frage nachzugehen, unter welchen Bedingungen die Schicht II- und III-Projektionszellen aktiviert werden, führten wir repetitive synaptische Reizungen im EC durch. Hochfrequente repetitive synaptische Reizung (> 10 Hz) führt zu einer bevorzugten Aktivierung der Schicht II-Zellen. Hingegen werden die Schicht III-Zellen bei niedrigeren Reizfrequenzen (< 6 Hz) bevorzugt aktiviert und Schicht II-Zellen gleichzeitig gehemmt. Dies läßt vermuten, daß der Informationstransfer zwischen EC und Hippocampus frequenzabhängig gesteuert wird. / The entorhinal cortex (EC) occupies a key position in the limbic system because it functions as a relay station between the hippocampus and cortex. To analyze the properties of the projection cells of the EC we used intracellular recordings from superficial (layers II and III) and deep layers (layers IV-VI). Intracellular electrodes contained the marker biocytin and the labeled neurons were processed for posthoc anatomical identification. We can classify medial EC layer III cells into four different types. Type 1 and 2 cells were projection cells. These cells exhibited a low threshold of action potential generation upon synaptic stimulation. We identified the two other, presumed local circuit type 3 and type 4 cells, whose axons remained within the EC. In deep EC layers we described bipolar and multipolar neurons which form projections from the deep layers of the EC to the dentate gyrus (DG). Despite the morphological similarity of these cells to those of GABAergic interneurons in the EC, their electrophysiological characteristics were similar to those of principal neurons. We conclude that neurons of the deep layers of the EC that project to the DG may function both as local circuit and projection neurons thereby providing a rapid transfer of information from deep layers of the EC to the DG and superficial layers of the EC. We next studied how the separate pathways from layers II and III of the EC to the hippocampus are preferentially effective as a function of stimulation frequency. High frequency (>10 Hz) synaptic activation of the EC was more effective at eliciting action potentials from layer II EC neurons. In contrast, during low frequency (

Im Gegensatz zum peripheren Nervensystem (PNS) ist die Regenerationsfähigkeit im adulten zentralen Nervensystem (ZNS) von Vertebraten sehr eingeschränkt. Diese eingeschrängte Regenerationsfähigkeit wird im Wesentlichen durch das Vorhandensein von Myelin im adulten ZNS determiniert. Einerseits ist dieses Lipid für die Stabilisierung und Ernährung von Axonen sowie für die schnelle Reizweiterleitung unbedingt notwendig, andererseits stellt es den größten Inhibitor axonaler Regeneration dar. Myelin ist außerdem Zielstruktur diverser ZNS Pathologien, wie z.B. der Multiplen Sklerose. Für das Verständnis dieser Pathologien sowie der auswachsinhibitorischen Wirkung von Myelin wurde der Hippocampus als eine der plastischten ZNS Regionen gewählt. Dazu waren genaue Kenntnisse der Myeloarchitektur dieses Gebietes notwendig. Nach Etablierung einer zuverlässigen Detektierung für Myelin konnten in der vorliegenden Arbeit detailliert Myelinisierungsvorgänge im sich entwickelnden, im adulten und im deafferenzierten Hippocampus der Ratte analysiert werden. Während der Entwicklung erreichen die ersten entorhinale Axone den Hippocampus bereits am embryonal Tag 17 (E17); Myelin kann jedoch erst am postnatal Tag 17 (P17) lichtmikrokopisch nachgewiesen werden. Die Anzahl myelinisierter Fasern erreicht um den P25 ein Verteilungsmuster, welches dem von adulten Tieren gleicht. Nach Entorhinaler Cortex Läsion (ECL), bei der die Durchtrennung des Tractus perforans (PP) eine Denervation des Hippocampus bewirkt, kommt es zu einem langanhaltenden Verlust von Myelin. Zehn Tage nach Läsion (10 dal), also zum Zeitpunkt maximaler Aussprossung (Sprouting), kommt es zu einem Wiederkehren myelinisierter Fasern. Mehrere myelin-assoziierte Proteine, mit wachstumshemmenden Eigenschaften sind bekannt, wie z.B. die Familie der Nogo Gene (Nogo; englisch, kein Durchkommen). Diese werden ganz entschieden für den Verlust der Regenerationsfähigkeit des adulten ZNS verantwortlich gemacht. In der vorliegenden Arbeit wird die Expression der drei Nogo Gene (Nogo-A, -B, - C) und deren Rezeptor (Ng66R) während der postnatalen Entwicklung, im adulten ZNS sowie nach Läsion beschrieben. Ein erster überraschender Befund war die neuronale Expression der Nogos, die bisher nur in Oligodendrocyten nachgewiesen worden war. Zu einem Zeitpunkt, an dem entorhinale Fasern bereits in den Hippocampus eingewachsen, aber noch nicht myelinisiert sind (P0), wird Nogo-A, -B und Ng66R mRNA mit Ausnahme der Körnerzellschicht des Gyrus dentatus in allen Zellschichten des sich entwickelnden Hippocampus detektiert. Nogo-C und myelin basic protein (MBP) mRNA, werden erst am P15 expremiert, zu einem Zeitpunkt also, an dem myelinisierte Fasern erstmalig im Hippocampus auftreten. MBP wird ausschließlich in glialen, Nogo-C hingegen hauptsächlich in neuronalen Zellen exprimiert. Nach Deafferenzierung zeigt sich eine dynamische und Isoform- spezifische Regulation aller Nogo Transkripte. So zeigen die als erste von der Deafferenzierung betroffenen Körnerzellen zu Beginn der Waller`schen Degeneration sowie der neuronalen und glialen Antwort, eine starke Erhöhung aller Nogo Transkripte. Zum Zeitpunkt der maximalen Aussprossung kam es zu einem signifikanten Abfall der Nogo-C und Ng66R mRNA Expression, währendessen Nogo-A und Nogo-B bereits wieder das Kontrollniveau erreicht hatten. Vor allem im contralateralen Hippocampus, dem Hauptquellgebiet sproutender Fasern, imponierte die Runterregulation von Ng66R mRNA und zeigte erst nach Abschluß von axonalen Sproutingprozessen und der Synapsenformation wieder vergleichbare Werte mit den Kontrolltieren. Diese Korrelation der erniedrigten Ng66R Expression im contralateralen Hippocampus und dem axonalen Einwachsen in den deafferenzierten Hippocampus, läßt eine reduzierte axonale Ansprechbarkeit auf den Neuriten-Auswachshemmer Nogo-A vermuten, da bekannt ist, dass Axone, die kein Ng66R exprimieren, nicht durch die Nogo Gene im Wachstum gehemmt werden. Zusammenfassend kommt es während der Entwicklung und in der Reorganisationsphase zu einer spezifischen und geordneten Myelinisierung im Hippocampus. Die neuronale Expression von Nogo- A, -B und -C in einer so plastischen ZNS- Region unterstützt die Hypothese, dass den Nogo- Genen neben der reinen Hemmung von axonalen Auswachsen weitere Funktionen zuzuordnen sind. So scheinen sie vor allem während der Entwicklung und während der Stabilisierungsphase der hippocampalen Reorganisation eine wichtige Rolle einzunehmen. Die hier dargestellten Daten zeigen auf, dass vor einem therapeutischen Einsatz von Nogo- Antagonisten nach Schädigung deren Verträglichkeit bzw. unerwünschte Nebeneffekte ausgeschlossen werden müssen. / Compared to the peripheral neuronal system (PNS) the reorganisation capacity in the adult central neuronal system (CNS) is highly restricted. One important reason for the lack of reorganisation is the existence of myelin in the CNS. Myelin is crucial for the stabilization of axonal projections in the developing and adult mammalian brain. However, myelin components also act as a non-permissive and repellent substrate of outgrowing axons. In these thesis the appearance of mature, fully myelinated axons during hippocampal development and following entorhinal cortex lesion with the myelin-specific marker Black Gold is reported. Althrough entorhinal axons enter the hippocampal formation at the embryonic day 17, light and ultrastructural analysis revealed that mature myelinated fibres in the hippocampus occur in the second postnatal week. During postnatal development, increasing numbers of myelinated fibers appear and the distribution of myelinated fibers at postnatal day 25 was similar to that found in the adult. After entorhinal cortex lesion, a specific anterograde denervation in the hippocampus takes place, accompanied by a long- lasting loss of myelin. Quantitative analysis of myelin and myelin breakdown products at different time points after lesion revealed a temporally close correlation to the degeneration and reorganisation phases in the hippocampus. In conclusion, it could be shown that the appearance of mature axons in the hippocampus is temporally regulated during development. Reappearing mature axons were found in the hippocampus following axonal sprouting. Various myelin-associated proteins, with neurite inhibition properties are known. One is the family of Nogo genes (no go). They are distinctly responsible for the lack of reorganisation. In these thesis the expression pattern of Nogo-A, Nogo-B, Nogo-C and Nogo-66 receptor (Ng66R) mRNA during hippocampal development and lesion induced axonal sprouting is reported. The first surprising result was the neuronal expression of all Nogos, who were supposed to be only expressed by oligodendrocytes. Nogo-A, Nogo-B and Ng66R transcrips preceded the process of myelination and were highly expressed at postnatal day zero (P0) in all principal hippocampal cell layers, with the exception of dentate granule cells. Only a slight Nogo-C expression was found at P0 in the principal cell layers of the hippocampus. During adulthood, all Nogo splice variants and their receptor were expressed in the neuronal cell layers of the hippocampus, in contrast to the myelin basic protein mRNA expression pattern, which revealed a neuronal source of Nogo gene expression in addition to oligodendrocytes. After hippocampal denervation, the Nogo genes showed an isoform-specific temporal regulation. All Nogo genes were strongly regulated in the hippocampal cell layers, wheras the Ng66R transcrips showed a significant increase in the contralateral cortex. These data could be confirmed on protein levels. Futhermore, Nogo-A expression was up-regulated after kainat- induced seizure. These data show that neurons express Nogo genes with a clearly distinguishable pattern during development. This expression is further dynamically and isoform-specifically altered after lesioning during the early phase of structural rearrangements. Thus, these results indicate a role for Nogo-A, -B and –C during development and during stabilisation phase of hippocampal reorganization. Taken together with these data, the findings that neurons in a highly plastic brain region express Nogo genes supports the hypothesis that Nogo may function beyond its known neuronal growth inhibition activity in shaping neuronal circuits.