Bakgrund: Smärta definieras som en subjektiv upplevelse där upplevelsen till viss del formas i hjärnan genom komplexa processer. Långvarig stress har visat sig leda till förändring i smärtkänsligheten vilket kanske förklaras av att akut stress förändrar aktivitet i främre delar av hjärnan. Anterior cingulate cortex (ACC) är ett frontalt hjärnområde med en roll i den emotionella upplevelsen av smärta. Det finns indikationer på förändringar i ACC av den hämmande transmittorsubstansen GABA, och den stimulerande transmittorsubstansen glutamat, vid vissa smärttillstånd.  Motiv: I dagsläget saknas kunskap om hur stress påverkar smärtkänslighet samt hur det påverkar grundnivåerna av transmittorsubstanserna GABA och glutamat.  Syfte: Att studera samband mellan skattad stress och skattad smärta, samt studera samband mellan skattad stress, smärta, GABA och glutamat i två ACC regioner.  Metod: En experimentell pilotstudie med kvantitativ design utfördes med 10 friska deltagare. Percieved Stress Questionnaire användes för skattning av stressnivåer före smärtprovokation och Numeric Rating Scale användes för att skatta smärta vid smärtprovokation. GABA- och glutamatnivåer i två ACC regioner mättes med hjälp av Magnetic Resonans Spectroscopi.  Resultat: Spearmans test visade att det fanns ett signifikant positivt samband mellan skattad stress och skattad smärta (r=.86, p=.001). Det fanns även signifikant positivt samband mellan skattad stress och glutamat (r=.778, p=.008), skattad smärta och glutamat (r=.729, p=.017). Samt ett signifikant negativt samband mellan skattad stress och GABA (r= -.687, p=.028), skattad smärta och GABA (r=-.667, p=.035) i två ACC regioner.  Konklusion: Resultatet indikerar att sambandet mellan stress och smärta kan förklaras av förändringar i transmittorsubstansnivåer i två ACC regioner. Denna kunskap kan bidra till ökad förståelse hos vårdpersonalen för individuella skillnader i smärtkänslighet och hur komplex situationen kring patienter med smärta är, vilket motiverar till omvårdnadsåtgärder som minskar stress och smärta. / Background: Pain is defined as a subjective experience that some extent is formed through complex processes in the brain. Prolonged stress can affect pain sensitivity, which may be explained by changes in frontal parts of the brain. The anterior cingulate cortex (ACC) is a frontal brain area that plays a role in the emotional experience of pain. In certain pain conditions, there are indications of changes in the neurotransmitter level GABA and glutamate in ACC. Motive: At present, there is a lack of knowledge about how stress affects pain sensitivity and how it affects the basic levels of the neurotransmitter GABA and glutamate in ACC.  Aim: To study the correlation between rated stress and pain, and study the correlation between rated stress, pain, GABA, and glutamate in ACC.  Methods: An experimental pilot study was performed with 10 healthy participants. The Perceived Stress Questionnaire was used to rate stress levels before pain provocation and the Numeric Rating Scale was used to rate pain during pain provocation. GABA and glutamate levels were measured in ACC by Magnetic Resonance Spectroscopy.  Result: Spearman´s test showed a significant positive correlation between rated stress and rated pain (r = .86, p = .001). There was a significant positive relationship between rated stress and glutamate (r = .778, p = .008), rated pain and glutamate (r = .729, p = .017) and a significant negative correlation between rated stress and GABA (r = -.687, p = .028), rated pain and GABA (r = -.667, p = .035) in ACC.  Conclusion: The results indicate that the correlation between stress and pain can be explained by changes in transmitter levels in the ACC region. This knowledge can contribute to increased understanding among healthcare professionals for individual differences in pain sensitivity and the complexity of pain conditions.

Ionotrope Glutamatrezeptoren steuern exzitatorische Prozesse im Gehirn. Der AMPA-Rezeptor ist der schnellste Glutamatrezeptor und reguliert die Signaltransduktion in hochfrequenten Bereichen. Um die Konformationen des Rezeptors für die Aktivierung aufzuschlüsseln, wurden die Ligandenbindedomänen (LBD), mit künstlichen Metallbrücken verlinkt. Die tetramerische LBD-Schicht hat mehrere Freiheitsgrade. Sie reichen vom Schließen der LBD durch Ligandenbindung, bis hin zu den verschiedenen Konformationsmöglichkeiten innerhalb des Tetramers. Die bereits publizierte T1-Mutante wurde verlinkt und auf Einzelkanalebene elektrophysiologisch untersucht. Anschließend wurde T1 mit einer Mutante (DKD-3H) verglichen die durch molekulardynamische Simulationen identifiziert wurde. Die Eigenschaften von T1 und DKD-3H wurden mit einem natürlich vorkommenden AMPAR-Linker, namens Con ikot ikot, verglichen. Meeresschnecken der Gattung Conus setzen das Polypeptid zur Fischjagd ein. Zur Analyse wurde eine Software entwickelt, speziell für Ströme von ligandengesteuerten Ionenkanälen mit multiplen Leitfähigkeiten (www.github.com/AGPlested/ASCAM). Durch Verlinkung in T1 konnten drei präaktive Konformationen aufgeschlüsselt werden und die schnelle Aktivierung im sub-Millisekundenbereich verschwindet ganz. Obwohl die Metall-koordinierenden Residuen von T1 und DKD-3H nah beieinander liegen, konnte für DKD-3H nur eine einzelne präaktive Konformation gefunden werden. Es deutet darauf hin, dass die LBD-Schicht von AMPA-Rezeptoren hochdynamisch ist da die geringe Abweichung große Auswirkungen auf den Phänotypen des Rezeptors hat. LBD-Verlinkung mit Con-ikot-ikot ergab einen EC50 von ~5 nM. Alle drei Verlinkungsarten resultierten in einer reduzierten Offenwahrscheinlichkeit. Einzelkanalanalysen von T1 und Con-ikot-ikot-gebundenen AMPA-Rezeptoren unterstützen die Hypothese, dass die veränderten Phänotypen aus dem Wechselspiel der LBDs innerhalb der LBD-Schicht resultieren. / Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) mediate excitatory neurotransmission in the mammalian brain. The AMPA-type receptor is the fastest iGluR member, activating at the sub-millisecond time scale. In this study, ligand-binding domains (LBDs), where AMPAR activation is initialised, were cross-linked with artificially introduced metal bridges to trap and investigate conformational states of the receptor before- and during activation. The tetrameric LBD layer has multiple degrees of freedom, from closure of individual clamshells and their conformational arrangement within the dimers and the tetramer. The previously studied T1 mutant was cross-linked at the single-channel level and compared to a second cross-linking mutant (DKD 3H) that was predicted on a molecular dynamics approach. T1 and DKD 3H were to the effects of a naturally occurring AMPAR-specific LBD cross-linker (Con ikot ikot) from a fish-hunting snail of the genus Conus. Single-channel recordings were analysed with a newly developed software dedicated to ligand-gated ion channels with conductances in the low pA range and multiple subconductance levels (www.github.com/AGPlested/ASCAM). Trapping of the T1 mutant revealed three pre-active conformational states that were not described for AMPARs before. Fast activation in the sub-millisecond range disappears fully indicating that these conformations proceed too fast in non-restricted wild-type receptors to be resolved. Although the metal-coordinating residues of T1 and DKD 3H are in close proximity, DKD 3H yielded one single pre-active state. A slightly distinct register of the bridge results in largely different phenotypes. Cross-linking with con ikot ikot identified an EC50 of ~5 nM. All three cross-linking approaches reduced open probability. The results support the hypothesis that the altered phenotypes are not a result of singly restricted LBDs but the dynamics of the tetrameric LBD-layer as one unit.

Bildgebende Studien haben gezeigt, dass bei schizophrenen Patienten Positivsymptome mit Veränderungen mesolimbischer Aktivierungsmuster unter Einbeziehung des Nucleus accumbens in Zusammenhang stehen. Hierbei ist von besonderem Interesse, dass der Nucleus accumbens Teil des Belohnungssystems ist, wobei die integrale „Bewertung“ belohnungsanzeigender Reize präfrontalen kortikalen Strukturen, insbesondere dem anterioren Zingulum, zuzurechnen ist. Bereits in der Antizipationsphase potentiell belohnender Reize, werden vermutlich zur Berechnung von Prädiktionsabweichungen dopaminerge Signale in der VTA generiert und modulieren den Nucleus accumbens. Es gibt zahlreiche Hinweise, dass glutamaterge Neurone des anterioren Zingulums die Dopaminausschüttung im Nucleus accumbens beeinflussen, und dass diese Modulation bei Erkrankungen wie der Schizophrenie beeinträchtigt ist. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mittels funktioneller Magnetresonanztomographie und Protonen Magnetresonanzspektroskopie, Hinweise über den Zusammenhang zwischen der glutamatergen Neurotransmission des ACC und belohnungsassoziierter Dopaminausschüttung im Nucleus accumbens bei 23 gesunden Probanden und bei 23 unmedizierten schizophrenen Patienten zu erlangen. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die gegenseitige Modulation von anteriorem Zingulum und Nucleus accumbens bei schizophrenen Patienten gestört ist. Dieses und weitere Ergebnisse wurden im theoretischen Rahmen der NMDA-Rezeptor-Hypoaktivität und einer gestörten Balance zwischen Dopamin-D1- und Dopamin-D2-Rezeptor-Aktivität als pathophysiologische Korrelate schizophrener Erkrankungen diskutiert. / Imaging studies have demonstrated that for schizophrenic patients a correlation exists between positive symptoms and changes in the patterns of mesolimbic activity. Especially the changes in the ncl. accumbens (Nac) were interpreted in connection with the reward system. The signals indicating reward are thought to be processed by the anterior cingulum (ACC). These structures attribute meaning to the reward signals. In the anticipation phase of a potentially rewarding stimulus, dopaminergic signals from the VTA are generated in prediction of expected or aberrant outcome, thus modulating the Nac. Data indicate a direct modulation of the Nac. by glutamatergic neurons of the anterior cingulum. A major aim of this thesis is to establish a connection between the reward associated dopaminergic signals of the ncl. accumbens and the glutamatergic projections of the acc in unmedicated schizophrenic patients and healthy controls. The methods included measurements of proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) and functional MRI-scans done at a 3-Tesla tomograph. The paradigm applied was a modified version of the monetary incentive delay paradigm (Knutson et al. 2000). In healthy volunteers we found a significant negative correlation between the glutamate concentration in the ACC and the BOLD-contrast in the Nac (reward versus neutral), in contrast to the findings in schizophrenic patients. A significant higher BOLD-contrast was seen in the anticipation phase in healthy controls. The results were incorporated in a model of NMDA-R-Hypoaktivity. In addition to discussing the functional aspects for the structures involved the model was further expanded to include the hypothesis of a disturbed balance between dopamine-D1- and -D2-receptor activity and a dysfunctional hippocampal gating-process. The so constructed model suggests a profound striato-thalamo-cortical filter disturbance as the basis of the observed aberrations in the reward processing in schizophrenic disorders.

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Ionenkanäle spielen eine wichtige Rolle in vielen physiologischen Prozessen. Während manche Kanäle hochspezifisch für eine Ionensorte sind, sind andere Kanäle weniger selektiv. Tetramere Ionenkanäle weisen eine gemeinsame Grundarchitektur auf, von der nur ionotrope Glutamatrezeptoren (iGluRs) abweichen, deren Struktur im Vergleich zu den anderen invertiert ist. Eine Untergruppe der iGluRs stellen α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid Rezeptoren (AMPARs) dar, welche im Zentralnervensystem von Wirbeltieren die Mehrheit der exzitatorischen Neurotransmission übernehmen. Eine einzelne posttranskriptionelle Veränderung (Glutamin zu Arginin) an der Spitze des Selektivitätsfilters (SF, Q/R Stelle) von AMPAR-Typ 2 (GluA2) macht den Kanal quasi undurchlässig für Ca2+. Das Ziel dieser Arbeit war das Erstellen einer GluA2-Kanalchimäre mit Hilfe des bakteriellen Kanals NaK. Mutation rund um die Q/R Stelle wurden nicht toleriert von der Chimäre, während C-terminale Mutationen des SF stabil waren und für strukturelle Studien verwendet wurden. Die Entfernung einer Aminosäure im Vergleich zum NaK Wildtyp erzeugte eine Begradigung des SF und eine Erweiterung der wassergefüllten Ausbuchtung. Überraschenderweise kristallisierten die NaK Chimären überwiegend in zweifach symmetrischer Anordnung. Vor allem im SF kam es zu ausgeprägter lokaler Asymmetrie, unabhängig von der Ionenzusammensetzung. Um die Flexibilität des SF näher zu untersuchen, wurden Aminosäuren von NaK in GluA2 integriert und mithilfe von Patch-clamp Elektrophysiologie untersucht. Gleichsam wie in NaK, wurden Mutationen an der Filterspitze nicht toleriert, wohingegen die C-terminale Hälfte problemlos ausgetauscht werden konnte. Die funktionelle Integrität der NaK Chimäre wurde mithilfe von Einzelkanalmessungen in Bilayern überprüft. Zusätzlich wurden, auf Basis der gelösten Strukturen, Molekulardynamiksimulationen durchgeführt, welche einen dynamischen Einblick in den Permeationsmechanismus erlauben. / Ion channels play an important role in many physiological processes, for example the generation of action potentials. While some channels display high selectivity for one ion species, others are more promiscuous. All tetrameric cation channels share the same principal architecture, but the transmembrane domain of ionotropic glutamate receptors (iGluRs) is inverted relative to the other members. A subfamily of iGluRs, α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors (AMPARs), mediates the vast majority of excitatory neurotransmission in the vertebrate central nervous system. In AMPA-type 2 iGluRs (GluA2), a single post-transcriptional modification (glutamine to arginine) at the tip of the selectivity filter (SF, Q/R site) renders the channel Ca2+ impermeable. The aim of this thesis was therefore to create an AMPAR pore mimic by using the bacterial channel NaK. Unfortunately, mutations around the Q/R site abolished expression of the NaK-GluA2 chimera, while C-terminal mutations of the SF were stable and could be used for structural studies. The shortening of the SF by one amino acid caused a straightening and opened an extended water-filled vestibule. Strikingly, most of the tested chimeras exhibited twofold symmetry with strong local asymmetry in the mutated part of the SF independent of the ion type present. For functional tests, residues from NaK wt were also swapped into GluA2. N-terminal mutations abolished the current response, whereas C-terminal mutations behaved wt-like. Single-channel bilayer experiments confirmed the functional integrity of the NaK-GluA2 chimera. Additionally, extensive molecular dynamics simulations, based on the solved structures, were carried out alongside. In summary, it could be demonstrated that the SF of the non-selective NaK-GluA2 chimera is highly flexible and accommodated all tested ions. Ion binding is accompanied by local asymmetric rearrangements, possibly creating an energetically simple way to allow permeation.

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I hjärnan finns neuron och gliaceller. Förut trodde man att neuroner var dem enda som hade en viktig funktion i hjärnan men på senare tid har upptäckt att gliaceller har en större betydande roll än man tidigare trott. Gliaceller är ett samlingsnamn som innefattar bland annat microglia celler, oligodendrocyter och astrocyter. Östrogen är ett steroidhormon som har många viktiga funktioner i kroppen som bland annat reproduktionen, immunförsvaret, skelettet och endokrina system. Östrogen binder till östrogenreceptorer och de finns 3 stycken olika som kallas för östrogenreceptor alfa (α), östrogenreceptor beta (β) och G-proteinkopplade östrogenreceptor (GRP30). Alla dessa östrogenreceptorer har man funnit i hjärnan. Syftet med detta projektarbete är att ge en djupare förståelse om östrogens signalering i hjärnans gliaceller och om östrogens signalering kan ge någon relevant funktion till framtida farmakologiska behandlingar.  Systematisk litteraturstudie gjordes och sökningar på databasen PubMed. Begränsade antalet träffar med sökord, inklusionskriterier och exklusionskriterier. Artiklar granskades sedan via ett urvalssystem och relevanta artiklar användes för att besvara syfte och frågeställningar.  Östrogensignaleringen på gliaceller har många olika effekter. En signalering på östrogenreceptor β på oligodendrocyter leder till mognad, differentiering, bättre överlevd och att remyeliniseringen aktiverades. Medan en östrogens signalering på microglia cellens östrogenreceptorer α, β och GRP30 leder dämpning av inflammation och förbättrad kognitiv funktion. Östrogensignaleringen på astrocyter ger flera olika effekter såsom metabolismen av glukos, progesteron syntesen, glutamattransportören GLT-1, tillväxtfaktorn TGF-α, upptaget av glutamat samt ökad proteinproduktion av AMPA-receptor. Den nya kunskapen om östrogens signalering på hjärnans gliaceller kan leda till framtida farmakologiska behandlingar vid hjärnskada och ischemisk stroke. Östrogenet har visat på neuronskyddande effekter via signalering på gliaceller. Svagheten är att de endast är djurstudier som ligger till grund för kunskapen om östrogens signalering på gliaceller. I framtiden skulle det behövas styrkas med studier gjorda på människa. En styrka är att djurstudierna ger en fingervisning om östrogen signaleringen eftersom hjärnans uppbyggnad är likvärdig.