Thesis (Ph.D. in Neuroscience) -- University of Colorado, 2005. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 116-128). Free to UCDHSC affiliates. Online version available via ProQuest Digital Dissertations;

Thesis (Ph.D. in Neuroscience) -- University of Colorado, 2005. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 96-111). Free to UCDHSC affiliates. Online version available via ProQuest Digital Dissertations;

Thesis (M.D)--University of Hong Kong, 1999. / Includes bibliographical references (leaves 80-124) Also available in print.

Thesis (Ph.D. in Neuroscience) -- University of Colorado at Denver and Health Sciences Center, 2005. / Typescript. Includes bibliographical references (leaves 114-131).

Thesis (M.S.) -- University of Texas Southwestern Medical Center at Dallas, 2006. / Not embargoed. Vita. Bibliography: 29-32.

Thesis (M. Phil.)--University of Hong Kong, 2005. / Title proper from title frame. Also available in printed format.

Thesis (Ph.D.)--Duquesne University, 2009. / Title from document title page. Abstract included in electronic submission form. Includes bibliographical references (p. 123-151) and index.

Το γλουταμινικό οξύ αποτελεί τον κύριο διεγερτικό νευροδιαβιβαστή στο Κεντρικό Νευρικό Σύστημα των θηλαστικών, παίζοντας σημαντικό ρόλο σε διαδικασίες μάθησης και μνήμης, αλλά και σε διεργασίες διεγερσιμοτοξικότητας. Το γλουταμινικό οξύ ασκεί τις δράσεις του μέσω δύο ομάδων υποδοχέων, των ιοντοτρόπων και των μεταβοτροπικών υποδοχέων. Οι ιοντοτρόποι υποδοχείς είναι δίαυλοι ιόντων, των οποίων η ενεργοποίηση προκαλεί ταχεία διεγερτική νευροδιαβίβαση και διακρίνονται σε δύο μεγάλες υποομάδες ,τους NMDA και τους μη- NMDA υποδοχείς. Οι μεταβοτροπικοί υποδοχείς, συνδέονται με G-πρωτεΐνες και προκαλούν αργή συναπτική νευροδιαβίβαση μέσω ενεργοποίησης δεύτερων αγγελιοφόρων. Διακρίνονται σε τρεις μεγάλες ομάδες: το Group I που περιλαμβάνει τους mGluR1 και mGluR5, οι οποίοι ενεργοποιούν την Φωσφολιπάση C (PLC), το Group II που περιλαμβάνει τους mGluR 2 και 3 και το Group III που περιλαμβάνει τους mGluRs 4, 6, 7και 8, οι οποίοι ρυθμίζουν αρνητικά την αδενυλική κυκλάση. Οι μεταβοτροπικοί υποδοχείς διαδραματίζουν σημαντικό νευροτροποποιητικό ρόλο σε ολόκληρο τον εγκέφαλο και αποτελούν στόχο για θεραπευτική αγωγή διαφόρων ψυχιατρικών και νευρολογικών διαταραχών όπως το άγχος, η κατάθλιψη, το σύνδρομο του εύθραυστου Χ και η σχιζοφρένεια. Στον ιππόκαμπο, μια δομή όπου διενεργούνται διεργασίες μάθησης και μνήμης, οι mGluR5 υποδοχείς είναι οι πλέον άφθονοι από την οικογένεια των Group I Μεταβοτροπικών υποδοχέων και παίζουν ρόλο στη ρύθμιση της συναπτικής πλαστικότητας και χωρικής μάθησης. Όπως έχει δειχθεί από ηλεκτροφυσιολογικές μελέτες, μια από τις πιο αξιοσημείωτες επιδράσεις των mGluR5 υποδοχέων είναι η ενίσχυση των NMDA-εξαρτώμενων ρευμάτων. Η δράση τους αυτή φαίνεται να παίζει ρόλο στη δημιουργία του LTP ( μακροχρόνια συναπτική ενίσχυση), καθώς η χορήγηση του ειδικού ανταγωνιστή των mGluR5 υποδοχέων (ΜΡΕΡ) σε ιππόκαμπειους νευρώνες επίμυος, αναστέλλει την επαγωγή του LTP. Στο ραβδωτό σώμα, οι mGluR5 υποδοχείς βρίσκονται υπό τον έλεγχο των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης, με τους οποίους σχηματίζουν ετεροδιμερή συμπλέγματα Α2Α-mGluR5 υποδοχέων. Στον ιππόκαμπο, οι Α2Α υποδοχείς αδενοσίνης εκφράζονται σε πολύ χαμηλά επίπεδα, ενώ είναι ελάχιστα τα βιβλιογραφικά δεδομένα για την πιθανή αλληλεπίδρασή τους με τους mGluR5 υποδοχείς. Προκειμένου να διερευνήσουμε το μοριακό μηχανισμό μέσω του οποίου οι mGluR5 υποδοχείς του γλουταμινικού οξέος ενισχύουν τα ρεύματα των NMDA υποδοχέων στον ιππόκαμπο επίμυος, εξετάσαμε την in vitro επίδραση της ενεργοποίησης των mGluR5, στο επίπεδο φωσφορυλίωσης της NR2B υπομονάδας του NMDA υποδοχέα, στα κατάλοιπα τυροσίνη-1472 και σερίνη-1303. Εν συνεχεία, διερευνήσαμε in vitro, την ενδεχόμενη αλληλεπίδραση των mGluR5 και Α2Α υποδοχέων στον ιππόκαμπο, μελετώντας την επίδραση της διέγερσης ή της αναστολής τους στην mGluR5-επαγόμενη φωσφορυλίωση των NMDA υποδοχέων. Τέλος, προκειμένου να ανιχνεύσουμε το ενδοκυττάριο μονοπάτι μεταγωγής σήματος των mGluR5 υποδοχέων στον ιππόκαμπο, εξετάσαμε την επίδραση της ενεργοποίησης των mGluR5 υποδοχέων στο επίπεδο φωσφορυλίωσης της ERK ½ κινάσης καθώς και την επίδραση της διέγερσης των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης στην ενεργοποίηση αυτή. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η διέγερση των mGluR5 υποδοχέων του γλουταμινικού οξέος με τον ειδικό αγωνιστή τους, CHPG, επάγει μια ισχυρή φωσφορυλίωση του καταλοίπου τυροσίνη- 1472 της NR2B υπομονάδας, η οποία είναι εξειδικευμένη στη θέση αυτή δεδομένου ότι δεν εμφανίζονται στο κατάλοιπο σερίνη-1303. Σύμφωνα με τα υπάρχοντα βιβλιογραφικά δεδομένα, η φωσφορυλίωση του καταλοίπου τυροσίνη -1472 της NR2B υπομονάδας, παίζει ρόλο στη μετακίνηση του υποδοχέα στη μεμβράνη και στην ορθή τοποθέτηση του στη σύναψη (trafficking). Συγκεκριμένα, η φωσφορυλίωση στη θέση αυτή καταστέλλει την κλαθρίνη-εξαρτώμενη ενδοκυττάρωση των NMDA υποδοχέων, με αποτέλεσμα τη συσσώρευσή τους στη συναπτική μεμβράνη. Η συσσώρευση των NR2B-NMDA υποδοχέων και η σωστή τοποθέτηση τους στη συναπτική μεμβράνη προάγει τις NMDA εξαρτώμενες αποκρίσεις. Το γεγονός αυτό, συμφωνεί με τα ηλεκτροφυσιολογικά δεδομένα που δείχνουν ότι η διέγερση των mGluR5, ενισχύει τα ρεύματα των NMDA υποδοχέων και προάγει την επαγωγή του LTP στον ιππόκαμπο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματά μας, θεωρούμε ότι η φωσφορυλίωση στη τυροσίνη-1472, αποτελεί το μοριακό μηχανισμό ( ή μέρος αυτού), μέσω του οποίου η ενεργοποίηση των mGluR5 υποδοχέων προάγει τα ρεύματα των NMDA διαύλων. Είναι ενδιαφέρον ότι, οι mGluR5 υποδοχείς του γλουταμινικού οξέος φαίνεται να βρίσκονται υπό τον έλεγχο των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης και στον ιππόκαμπο, όπως και στο ραβδωτό σώμα, καθώς τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι φαρμακευτική αναστολή των Α2Α υποδοχέων εξασθενεί σημαντικά την 10 ικανότητα των ιπποκάμπειων mGluR5 να ελέγχουν τις NMDA-επαγόμενες απαντήσεις. Άρα στον ιππόκαμπο φαίνεται ότι οι Α2Α υποδοχείς δρουν αδειοδοτικά για τη λειτουργία των mGluR5 υποδοχέων ως προς τη ρύθμιση των NMDA-επαγόμενων απαντήσεων. Τέλος, τα αποτελέσματά μας καταδεικνύουν ότι η ενεργοποίηση των mGluR5 υποδοχέων, με το ειδικό αγωνιστή τους CHPG, στον ιππόκαμπο, επάγει τη φωσφορυλίωση της ERK 1/2 κινάσης με τρόπο δοσοεξαρτώμενο. Η επαγωγή αυτή δεν υπόκειται στον έλεγχο των Α2Α υποδοχέων αδενοσίνης, καθώς η φαρμακευτική αναστολή τους δεν είχε επίδραση στα επίπεδα φωσφορυλίωσης της ERK 1/2 κινάσης. Η λειτουργική σημασία της ενεργοποίησης αυτής δεν είναι ακόμα γνωστή και αποτελεί στόχο μελλοντικών πειραμάτων μας. / --

Neuronal nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are key players in both cognitive and autonomic processes. In the cognitive domains of the brain, destruction of cholinergic inputs or disruption of nAChR function result in cognitive deficits as observed in Alzheimer's disease, schizophrenia, brain trauma and aging. By contrast, moderate activation of nAChRs supports neuroprotection and improves cognitive functions. In addition, neuronal nAChRs are also expressed in important autonomic centers such as the nucleus of the solitary tract (NTS) and the dorsal motor nucleus of the vagus (DMV) that support autonomic visceral reflexes and homeostasis. In this study, the underlying mechanisms of nAChR activation and its pharmacology were investigated in the hippocampus and the NTS, critical brain regions supporting cognitive and autonomic functions, respectively. Specific Aim 1 of this study was to determine the capacity of physiological levels of choline to activate α7 nAChRs in hippocampal CA1 pyramidal neurons and interneurons. A weak persistent activation of α7 nAChRs can be neuroprotective. These levels of activation can be achieved by selective or non-selective α7 nAChR agonists or inhibitors of ACh esterase (AChEI). However, nicotinic agonists desensitize α7 nAChRs while AChEI produces side effects limiting their overall clinical and pre-clinical effectiveness. These limitations can be avoided by using a novel class of drugs; type-II positive allosteric modulators of α7 nAChRs (α7-PAMs) such as PNU-120596 (i.e., PNU). At physiological levels, choline alone is ineffective as an α7 agonist because of its low concentration in the cerebrospinal fluid (~10 µM) and low potency for α7 activation (EC50~1.5 mM). However, the results pertaining to Specific Aim 1 demonstrate that in the presence of PNU (1-5 µM) , 10 µM choline produces persistent α7 activation expressed on CA1 pyramidal and interneurons which may be fine-tuned to achieve optimal neuroprotection and cognitive benefits. Specific Aim 2 was to test the novel concept that PNU mediated changes in α7 receptor kinetics can alter the biophysical properties of α7 channel-drug interactions and thereby increase the probability and the apparent affinity of open channel block. The results of this study suggest that the compounds (e.g., Bicuculline) that do not potently interact with α7 ion channels in the absence of PNU begin to interact potently in its presence. These emergent properties of α7 channel-drug interactions in the presence of PNU need to be recognized in drug development as they may lead to unanticipated side effects and serious misinterpretation of data. Specific Aim 3 investigated the pharmacology and mechanisms of action of pre-synaptic non-α7 and α7 nAChRs in the caudal NTS neurons. Although, activation of nAChRs is known to enhance pre-synaptic release of glutamate in subsets of caudal NTS neurons, its mechanism of action has been elusive. However, the results from this study demonstrated that nicotine-mediated enhancement of glutamate release requires Ca2+ influx via nAChRs but does not require any contribution from voltage-gated Ca2+ ion channels (VGCCs) and presynaptic Ca2+ stores. Moreover, both functional α7 and non-α7 nAChRs were found to contribute to the presynaptic effects of nicotine in subsets of NTS neurons. However, co-expression of α7 and non-α7 nAChRs on the same glutamatergic presynaptic terminals was not detected. Collectively, these studies may help in developing new therapeutic strategies to selectively target nAChR-associated pathways that support cognitive and autonomic functions in health and disease.

Memory formation and recall depend on a complex circuit that includes the hippocampus and associated cortical regions. The goal of this thesis was to understand how two of the cortical connections, the medial entorhinal cortex (MEC) and medial prefrontal cortex (mPFC), influence spatial and nonspatial activity in the hippocampus. Cells in the MEC exhibit prominent spatially selective activity and have been hypothesized to drive place representation in the hippocampus. In Experiment 1 the MEC was transiently inactivated using the inhibitory opsin ArchaerhodopsinT (ArchT), and simultaneous recordings from CA1 were made as rats ran on an elliptical track. In response to MEC disruption some cells in the hippocampus shifted the preferred location of activity, some changed firing rate and others were unaffected. The new representation that developed following MEC disruption remained stable despite the fact that inhibition was transient. If the MEC is the source of spatial activity in the hippocampus the activity would be either time-locked to periods of inhibition or unstable throughout the period of inconsistent input. These results show that the MEC guides spatial representation in the hippocampus but does not directly drive spatial firing. The mPFC is generally thought to guide behavior in response to contextual elements. Experiment 2 examined the interaction between the mPFC and the hippocampus as rats performed a contextual discrimination task. Recordings were made in CA1, and the mPFC was disrupted using ArchT during the odor sampling phase of the discrimination. As animals perform this task neurons in the hippocampus respond to a conjunction of odor and location which indicates an association of what and where information in the hippocampus. Optogenetic disruption of the mPFC led to a decrease in nonspatial representation. Individual cells showed lower levels of odor selectivity, but there was no change in the level of spatial representation. This indicates that the mPFC is important for determining how the hippocampus represents nonspatial information but does not alter the spatial representation. The results are discussed within a model of memory formation that includes binding spatial and nonspatial information in the hippocampus.