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.

In this thesis we use computational neural network models to examine the dynamics and functionality of the CA3 region of the mammalian hippocampus. The emphasis of the project is to investigate how the dynamic control structures provided by inhibitory circuitry and cellular modification may effect the CA3 region during the recall of previously stored information. The CA3 region is commonly thought to work as a recurrent auto-associative neural network due to the neurophysiological characteristics found, such as, recurrent collaterals, strong and sparse synapses from external inputs and plasticity between coactive cells. Associative memory models have been developed using various configurations of mathematical artificial neural networks which were first developed over 40 years ago. Within these models we can store information via changes in the strength of connections between simplified model neurons (two-state). These memories can be recalled when a cue (noisy or partial) is instantiated upon the net. The type of information they can store is quite limited due to restrictions caused by the simplicity of the hard-limiting nodes which are commonly associated with a binary activation threshold. We build a much more biologically plausible model with complex spiking cell models and with realistic synaptic properties between cells. This model is based upon some of the many details we now know of the neuronal circuitry of the CA3 region. We implemented the model in computer software using Neuron and Matlab and tested it by running simulations of storage and recall in the network. By building this model we gain new insights into how different types of neurons, and the complex circuits they form, actually work. The mammalian brain consists of complex resistive-capacative electrical circuitry which is formed by the interconnection of large numbers of neurons. A principal cell type is the pyramidal cell within the cortex, which is the main information processor in our neural networks. Pyramidal cells are surrounded by diverse populations of interneurons which have proportionally smaller numbers compared to the pyramidal cells and these form connections with pyramidal cells and other inhibitory cells. By building detailed computational models of recurrent neural circuitry we explore how these microcircuits of interneurons control the flow of information through pyramidal cells and regulate the efficacy of the network. We also explore the effect of cellular modification due to neuronal activity and the effect of incorporating spatially dependent connectivity on the network during recall of previously stored information. In particular we implement a spiking neural network proposed by Sommer and Wennekers (2001). We consider methods for improving associative memory recall using methods inspired by the work by Graham and Willshaw (1995) where they apply mathematical transforms to an artificial neural network to improve the recall quality within the network. The networks tested contain either 100 or 1000 pyramidal cells with 10% connectivity applied and a partial cue instantiated, and with a global pseudo-inhibition.We investigate three methods. Firstly, applying localised disynaptic inhibition which will proportionalise the excitatory post synaptic potentials and provide a fast acting reversal potential which should help to reduce the variability in signal propagation between cells and provide further inhibition to help synchronise the network activity. Secondly, implementing a persistent sodium channel to the cell body which will act to non-linearise the activation threshold where after a given membrane potential the amplitude of the excitatory postsynaptic potential (EPSP) is boosted to push cells which receive slightly more excitation (most likely high units) over the firing threshold. Finally, implementing spatial characteristics of the dendritic tree will allow a greater probability of a modified synapse existing after 10% random connectivity has been applied throughout the network. We apply spatial characteristics by scaling the conductance weights of excitatory synapses which simulate the loss in potential in synapses found in the outer dendritic regions due to increased resistance. To further increase the biological plausibility of the network we remove the pseudo-inhibition and apply realistic basket cell models with differing configurations for a global inhibitory circuit. The networks are configured with; 1 single basket cell providing feedback inhibition, 10% basket cells providing feedback inhibition where 10 pyramidal cells connect to each basket cell and finally, 100% basket cells providing feedback inhibition. These networks are compared and contrasted for efficacy on recall quality and the effect on the network behaviour. We have found promising results from applying biologically plausible recall strategies and network configurations which suggests the role of inhibition and cellular dynamics are pivotal in learning and memory.

Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. / Ο ιππόκαμπος στον αρουραίο είναι μια δομή σε C-σχήμα που εκτείνεται από τον διαφραγματικό πυρήνα προσθιοραχιαία έως τον κροταφικό λοβό οπισθιοκοιλιακά. Παρόλο που από παλιά θεωρείτο ως ομοιογενής δομή, έχουν παρατηρηθεί πολλές διαφορές σε όλα τα επίπεδα οργάνωσης μεταξύ του διαφραγματικού και του κροταφικού ιππόκαμπου. Οι βενζοδιαζεπίνες δρουν στις θέσεις δέσμευσης των βενζοδιαζεπινών, οι οποίες είναι αλλοστερικά συνδεδεμένες με το σύμπλοκο του GABAA, όπου ενισχύουν την δράση του GABA στους GABAA υποδοχείς, αυξάνοντας τη συχνότητα ανοίγματος του διαύλου των ιόντων χλωρίου (Cl-) και έχοντας μικρή μόνο επίδραση στο χρόνο ανοίγματος ή στην αγωγιμότητα του διαύλου. Προηγούμενη μελέτη υποδεικνύει ότι η έκφραση των α1-, β2- και γ2-υπομονάδων ήταν μικρότερη, ενώ αντίθετα η έκφραση των α2-, α5- και β1-υπομονάδων ήταν μεγαλύτερη στον κροταφικό ιπποκάμπο σε σύγκριση με τον διαφραγματικό ιππόκαμπο. Σύμφωνα με προηγούμενες μελέτες που αφορούν την συνέκφραση των υπομονάδων στο σύμπλοκο του GABAA υποδοχέα τα αποτελέσματα μας υποδηλώνουν ότι ο α1β2-υποτύπος του GABAA υποδοχέα επικρατεί στον διαφραγματικό ιππόκαμπο (ΔΙ), ενώ ο α2β1-υπότυπος κυριαρχεί στον κροταφικό ιππόκαμπο (ΚΙ). Επιπλέον, φαρμακολογικές μελέτες έχουν δείξει ότι η καταπραϋντική δράση της diazepam πραγματοποιείται μέσω των GABAA υποδοχέων, που περιέχουν την α1-υπομονάδα, ενώ η αγχολυτική δράση της πραγματοποιείται μέσω των υποδοχέων που φέρουν την α2-υπομονάδα. Επομένως, η μελέτη των φαρμακολογικών ιδιοτήτων των υποτύπων του GABAΑ υποδοχέα δίνει την δυνατότητα στο να σχεδιαστούν ειδικά φάρμακα τα οποία θα βελτιώνουν το κλινικό προφίλ ασθενειών, όπως το άγχος, η αϋπνία ή η επιληψία, δρώντας σε εξειδικευμένους υποτύπους του GABAΑ υποδοχέα. Ο στόχος της συγκεκριμένης εργασίας ήταν να μελετηθούν οι φαρμακολογικές ιδιότητες των υποτύπων του συμπλόκου του GABAA υποδοχέα/βενζοδιαζεπινών στον διαφραγματικό σε σύγκριση με τον κροταφικό ιππόκαμπο επίμυος. Έτσι, για τη μελέτη των θέσεων δέσμευσης των βενζοδιαζεπινών μεταξύ του διαφραγματικού και κροταφικού ιπποκάμπου χρησιμοποιήθηκε ο ευρέως φάσματος αγωνιστής των θέσεων δέσμευσης των βενζοδιαζεπινών, [3H]-flunitrazepam, σε μια αυτοραδιογραφική μελέτη. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκαν εξειδικευμένα φάρμακα, που δεσμεύονται σε συγκεριμένους υποτύπους του GABAA υποδοχέα, όπως το zolpidem (ειδικός αγωνιστής των GABAA υποδοχέων, που περιέχουν την α1-υπομονάδα), το etomidate (ειδικός θετικός αλλοστερικός ρυθμιστής των GABAA υποδοχέων, που περιέχουν τη β2-υπομονάδα) και το L-655,708 (ειδικός αντίστροφος αγωνιστής των GABAA υποδοχέων, που περιεχούν την α5-υπομονάδα) σε μια αυτοραδιγραφική κινητική μελέτη. Τα αποτελέσματα μας έδειξαν ότι οι τομές που προέρχονταν από τον ΚΙ συγκρινόμενες με αυτές από τον ΔΙ είχαν: Α) μειωμένη δέσμευση της [3H]-flunitrazepam στις CA1, CA3 και DG περιοχές, Β) μικρότερη χημική συγγένεια της δέσμευση της [3H]-flunitrazepam στη CA1 περιοχή, Γ) καμία διαφορά στον αριθμό των θέσεων δέσμευσης, Δ) μεγαλύτερες τιμές IC50 και EC50 για το zolpidem και το etomidate, αντίστοιχα και Ε) μικρότερες τιμές IC50 για το L-655,708. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν διαφορετικές φαραμκολογικές ιδιότητες των υποτύπων του GABAΑ/ΒΖ υποδοχέα μεταξύ του ΔΙ και ΚΙ, ενώ επιβεβαιώνεται και ενισχύεται προηγούμενη μελέτη που υποδηλώνει ότι ο α1β2-υποτύπος του GABAA υποδοχέα επικρατεί στον διαφραγματικό ιππόκαμπο (ΔΙ), ενώ ο α2β1-υπότυπος κυριαρχεί στον κροταφικό ιππόκαμπο (ΚΙ). Η μελέτη αυτή είναι πιθανό να τυγχάνει ιδιαίτερης κλινικής αξίας, στην κατεύθυνση της ακριβέστερης ρύθμισης των αποτελεσματικών δόσεων των διάφορων μορίων που δρουν στις θέσεις δέσμευσης των βενζοδιαζεπινών των α1- και α2-υποτύπων του GABAA υποδοχέα. / The hippocampus in the rat appears grossly as an elongated structure with its long axis bending in a C-shaped manner from the septal nuclei rostrodorsally to the incipient temporal lobe caudoventrally. The long axis of the hippocampal formation is referred as the dorsoventral axis. Although hippocampus has been traditionally thought as a homogeneous structure, several studies have been demonstrated differences at several organization levels (from the behavioural to the cellular) between its dorsal (DH) and ventral (VH) pole. Pharmacological studies have shown that the α1-GABAA receptor subtype is associated with the sedative and anticonvulsant effects of benzodiazepines (BZs), whereas the α2-subtype is associated with the anxiolytic effects of BZs. Recent data have demonstrated a differential distribution of the GABAA receptor subunits between DH and VH, with the α1/β2 GABAA receptor subtype dominating in the DH and the α2/β1 subtype prevailing in the VH. We therefore study possible differences in the pharmacological properties and receptor binding parameters of the GABAA/BZ receptor subtypes between DH and VH, by examining: 1a) the specific binding of [3H]-flunitrazepam (BZ sites agonist), by using quantitative autoradiography, b) the kinetic parameters of [3H]-flunitrazepam specific binding, by using the “wipe off” technique and 2) the competitive displacement of [3H]-flunitrazepam binding by using zolpidem (a specific agonist of α1-subtype) and L-655,708 (a specific inverse agonist of α5-subtype) and the enhancement of [3H]-flunitrazepam binding by using etomidate (a selective positive modulator of β2- subunit), in an autoradiographical saturation kinetic study. Our results showed in VH compared to the DH: A) lower level of [3H]-flunitrazepam binding in CA1, CA3 and DG regions, B) higher KD value for [3H]-flunitrazepam specific binding in CA1 region and no differences in the Bmax value, C) higher IC50 and EC50 values for zolpidem and etomidate, respectively and D) lower IC50 values for L-655,708. In conclusion, the lower affinity of GABAA receptors for [3H]-flunitrazepam binding, the higher IC50 and EC50 values for zolpidem and etomidate, respectively, as well as the lower IC50 values for L-655,708 observed in VH compared to DH, support the evidence that the α1/β2-GABAA receptor subtype dominates in DH and the α2/β1-subtype prevails in VH and suggest differential pharmacological effects of the benzodiazepines in DH compared to VH, which could be of clinical relevence for the more accuate adjustment of the effective dose of α1- and α2-subtype specific BZ binding sites’ ligands.

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Sutherland, Sparks and Lehmann (2010) proposed a new theory of memory consolidation, termed Distributed Reinstatement Theory (DRT), where the hippocampus (HPC) is needed for initial encoding but some types of memories are established in non-HPC systems through post-learning HPC activity. An evaluation of the current methodology of temporary inactivation was conducted experimentally. By permanently implanting two bilateral guide cannulae in the HPC and infusing ropivacaine cellular activity could be reduced by 97%. Rats were trained in a context-fear paradigm. Six learning episodes distributed across three days made the memory resistant to HPC inactivation while three episodes did not. Blocking post-learning HPC activity following three of six training sessions failed to reduce the rat’s memory of the fearful context. These results fail to support DRT and indicate that one or more memory systems outside the HPC can acquire context memory without HPC post-event activity. / x, 85 leaves : ill. ; 29 cm

Die Neubildung von Neuronen persistiert lebenslang in der Subgranularzellschicht des Hippocampus und der Subventrikularzone des Großhirns und wird als adulte Neuroge-nese bezeichnet. Es wird vermutet, dass diese beim erwachsenen Menschen einen rele-vanten Einfluss auf degenerative Veränderungen, verschiedene neurologische Krank-heitsbilder und auf die (Dys-)Funktion des Gedächtnisses hat. Im Tiermodell wurde eine Verringerung der Neurogenese nach chronischer Morphingabe nachgewiesen. Vorarbeiten zeigten einen Zusammenhang zwischen chronischem Heroinmissbrauch und reaktiver Astrogliose, Mikrogliose und einer vermehrten Expression des polysialylated neural cell adhesion molecule im humanen Hippocampus. Daraus leitet sich die Hypothese ab, dass chronischer Heroinmissbrauch, als Modell für eine Abhängigkeitserkrankung, einen Einfluss auf die adulte humane Neurogenese hat. Es wurden in Formalin fixierte Gewebeproben aus dem Hippocampus von Verstorbenen mit einer letalen Heroinintoxikation und mit bekanntem Heroinmissbrauch (n = 20) un-tersucht und mit einer nach Alter und Geschlecht angepassten Kontrollgruppe (n = 28) verglichen. Hierbei wurden spezifische Neurogenesemarker mittels immunhistochemi-scher Methoden angewendet und ausgewertet. Es bestand eine generell sehr geringe zelluläre Proliferationsrate und eine signifikante Reduktion Musashi-1 positiver neuro-naler Vorläuferzellen bei gleichzeitig unveränderter Anzahl Nestin positiver reifender und Calretinin positiver migrierender postmitotischer Neurone. Zudem wurde ein ver-ändertes Calretinin-Expressionsmuster als Hinweis auf eventuelle funktionelle neuronale Defizite bei Drogenabhängigen festgestellt. Der potentielle Einfluss von chronischem Heroinmissbrauch auf die adulte humane Neurogenese wird erstmals gezeigt. Die Ergebnisse weisen auf eine negative Beeinflus-sung im Stadium neuronaler Vorläuferzellen und der Zellfunktion migrierender Neurone in der Fallgruppe im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe hin. Diese Hemmung der Neurogenese könnte eine Erklärungsmöglichkeit für kognitive Defizite und Funktionsstörungen des Gedächtnisses infolge chronischen Drogenkonsums bieten und zugleich eine Bedeutung bei der Entstehung von Abhängigkeitserkrankungen haben. Insofern könnte sich hier ein Ansatzpunkt für zukünftige Therapiestrategien derartiger Erkrankungen oder ihrer Folgen bieten.

Title from first page of PDF document. Includes bibliographical references (p. 22-31).

Genetic and environmental protective factors and risks modulate brain structure and function in neurodegenerative diseases and their preclinical stages. We wanted to investigate whether the years of formal education, a proxy measure for cognitive reserve, would influence hippocampal structure in Alzheimer’s disease patients, and whether apolipoprotein Eε4 (APOE4) carrier status and a first-degree family history of the disease would change a possible association. Fifty-eight Alzheimer’s disease patients underwent 3T magnetic resonance imaging. We applied a cortical unfolding approach to investigate individual subregions of the medial temporal lobe. Among patients homozygous for the APOE4 genotype or carrying both APOE4 and family history risks, lower education was associated with a thinner cortex in multiple medial temporal regions, including the hippocampus. Our data suggest that the years of formal education and genetic risks interact in their influence on hippocampal structure in Alzheimer’s disease patients.