Bisherige Forschung hat zwischen zwei Gedächtnissystemen unterschieden: dem sog. deklarativen Gedächtnis (DG), welches sich durch die Fähigkeit vergangene Lebensereignisse bewusst zu erinnern auszeichnet und mit dem lobus temporalis medialis (MTL) in Verbindung steht, und dem prozeduralen Gedächtnis (PG), welches erlernte Fertigkeiten beinhaltet und mit dem Corpus striatum assoziiert ist. Weitere Studien haben ergeben, dass Alterung von neurologischen Schäden in beiden Systemen, erhöhter Aktivität im MTL und einer relativ geringeren Beeinträchtigung des PG begleitet ist. Hyperaktivität im MTL wurde dabei sowohl mit verbesserten als auch verschlechterten Gedächtnisleistungen in Verbindung gebracht. Die hier vorgelegte Dissertation befasst sich mit dem Einfluss von Alterung auf die Beziehungen zwischen o. g. Hirnnetzwerken und prozeduralen bzw. deklarativen Gedächtnisfähigkeiten. Studie I zeigte, dass Altersunterschiede in einer prozeduralen Gedächtnisaufgabe graduell im Verlaufe des Trainings entstehen und vmtl. mit negativen Einflüssen von Alterung auf den Übergang von PG zu DG in Zusammenhang stehen. Zwei striatal-dopaminerge genetische Polymorphismen, rs907094 auf DARPP-32 und VNTR auf DAT, wirkten sich dabei auf das DG älterer aber nicht jüngerer Erwachsener aus. In Studie II wurden Beeinträchtigungen im neuronalen Vorhersagefehler, einem neuronales Lernsignal im Striatum, in älteren Probanden gefunden. Studie III konnte teilweise intaktes PG in einer räumlichen Gedächtnisaufgabe demonstrieren, wobei der Polymorphismus rs17070145 auf WWC1, der sich auf Lanzeitpotenzierung im MTL auswirkt, diese Altersunterschiede modulierte. In Studie IV wurden neuronale Repräsentationen und Komputationen während einer räumlichen Gedächtnisaufgabe untersucht. Während jüngere Probanden in dieser Studie Anzeichen von MTL-basiertem DG zeigten, zeigten ältere Teilnehmer Evidenz von PG. Die neuronalen Signaturen älterer Erwachsener wurden jedoch am stärksten im MTL beobachtet. / Previous research has distinguished between a declarative memory system that stores flexible representations and is subserved by the medial-temporal lobe (MTL) and a procedural memory system that expresses past experiences through skills and is based mainly on the striatum. Investigations into age-related changes in these memory systems indicated a complex pattern of neural degradation in both systems, elevated MTL activity as well as partially spared procedural memory functions in older adults. A literature review further suggests that MTL overactivity can be caused by factors which are either beneficial or detrimental for memory. The present dissertation investigated the effects of human aging on the relations of brain functions to declarative and procedural memory. In Study I, age differences in a procedural memory task gradually emerged over the course of training and were linked to negative effects of aging on the transition from procedural to declarative memory. In addition, this study showed that striatal dopaminergic genetic polymorphisms, rs907094 on DARPP-32 and VNTR on DAT, affected declarative knowledge in older but not younger adults. Study II indicated that prediction error signals in the human brain, a neural computation associated with striatal learning functions, were partially impaired in older adults. Study III demonstrated partially intact procedural memory in older adults in a spatial memory task, whereby age differences were modulated by a polymorphism influencing long-term potentiation in the MTL (rs17070145 on WWC1). Finally, Study IV showed hat that neural representations and computations subserving spatial memory qualitatively differed between younger and older adults. The performance and neural activation of younger adults showed unique properties of MTL-dependent declarative memory. Older adults, in contrast, showed behavioral and neural indications of procedural memory but the localization of the neural signatures peaked in the MTL.

Zentralnervöse Lernvorgänge hängen wesentlich von der Plastizität der synaptischen Übertragung ab. Synapsen verändern ihre Effizienz sowohl durch Änderungen in der Freisetzungswahrscheinlichkeit von Neurotransmittern als auch durch Variabilität der postsynaptischen Rezeptorausstattung. Darüberhinaus gibt es seit einiger Zeit Hinweise, dass auch die Konzentration des Neurotransmitters in synaptischen Terminalen variieren kann und dadurch die Freisetzungswahrscheinlichkeit von Vesikeln verändert wird. Um den Zusammenhang zwischen der Füllung synaptischer Vesikel und ihrer Dynamik im Vesikelzyklus besser zu verstehen, habe ich zunächst ein Computermodell entwickelt. Ich habe gefunden, dass nur eine Modifikation des Nachschubs von Vesikeln aus der Reservepopulation in die Population unmittelbar freisetzbarer Vesikel die experimentell gemessene Abhängigkeit der Freisetzungswahrscheinlichkeit von der präsynaptischen Transmitterkonzentration reproduzieren kann, nicht jedoch ein direkter Effekt auf die Freisetzungsrate. Einer der im Modell simulierten Mechanismen für den beobachteten Effekt des vesikulären Füllungszustandes auf die Vesikelfreisetzung besteht in einer Rückwirkung des freigesetzten Transmitters auf ionotrope Autorezeptoren. Diesen Mechanismus habe ich anschliessend an GABAergen Synapsen in der CA3-Region des Hippocampus untersucht. Tatsächlich habe ich durch patch-clamp Messungen herausgefunden, dass sowohl die Antwortwahrscheinlichkeit auf extrazelluläre Stimulation als auch die Frequenz von spontanen Vesikelfreisetzungen nach Applikation des GABAA Rezeptor-Agonisten Muscimol signifikant verringert ist. Diese Befunde weisen darauf hin, dass GABA seine eigene Freisetzung über ionotrope Autorezeptoren hemmt. Direkte Messungen der Vesikelfreisetzungen sind an GABAergen Synapsen nur durch bildgebende Verfahren möglich. Mit Hilfe von Zwei-Photonen Mikroskopie ist es mir erstmalig gelungen, im Hirnschnitt die spontane Fusion von Vesikeln zu untersuchen. Diese Methode könnte für eine Reihe von Fragestellungen relevant sein. Dabei hat sich gezeigt, dass nach Applikation von Muscimol die spontane Abnahme der Fluoreszenz vorher angefärbter synaptischer Vesikel ausschliesslich in perisomatischen (überwiegend GABAergen) synaptischen Boutons signifikant verringert ist. Zusammenfassend habe ich bei der experimentellen Prüfung von Vorhersagen eines Computermodells durch patch-clamp Untersuchungen und durch eine neue Methode mit funktioneller Bildgebung Hinweise auf funktionelle präsynaptische GABAA Rezeptoren an GABAergen Terminalen der CA3-Region des Hippocampus gefunden, die eine negative Rückwirkung auf die Freisetzung von Vesikeln ausüben. / Learning processes depend on synaptic plasticity. Synaptic efficacy depends both on the probability of transmitter release and on the variability of postsynaptic receptors. Furthermore, recent data suggest that the transmitter concentration in presynaptic terminals may be an additional variable influencing the release probability of synaptic vesicles. To better understand the relationship between vesicular filling and vesicular dynamics, I first developed a computer model. I found that only a modification of the replenishment of the readily releasable pool from a reserve pool reproduces the experimentally observed dependence of vesicular release on the presynaptic transmitter concentration, but not a direct effect on the release rate. One of the simulated mechanisms consists in a feedback of released transmitter on ionotropic autoreceptors. I investigated this mechanism in the CA3 region of the hippocampus. Indeed, using patch-clamp recordings I observed that application of the GABAA receptor agonist muscimol decreases significantly the response probability to extracellular stimulation as well as the frequency of spontaneous transmitter release. These results suggest that GABA inhibits its own release via ionotropic autoreceptors. Direct measurements of GABAergic vesicular release are only possible by imaging techniques. Using two-photon microscopy, I was (to my knowledge) the first one to investigate spontaneous vesicle fusion in brain slices. This method could be relevant to a variety of topics. I found out that application of muscimol leads to a significant decrease of fusion-associated fluorescence decay in perisomatic (mostly GABAergic) synaptic boutons. Taken together, I used patch-clamp recordings and a new application of two-photon microscopy to verify predictions of a computer model. The results suggest a negative feedback of GABA release via presynaptic GABAA receptors in the CA3 region of the hippocampus.

Das erwachsene Gehirn enthält neuronale, multipotente Stammzellen, aus denen in den beiden bekannten neurogenen Regionen des Gehirn, im Hippocampus und im olfaktorischen System, neue Nervenzellen hervorgehen. Aus Transplantationsstudien und anderen Untersuchungen weiß man, daß es die zelluläre Umgebung ist, die die neurogene Permissivität und damit die Entwicklung einer reifen neuen Nervenzelle aus einer Stamm- oder Vorläuferzelle, bestimmt. Die Schlüsselfrage lautet daher: Was macht eine neurogene Region neurogen? Neurogenität ist mehr als die Präsenz von neuralen Stammzellen. Die aktivitätsabhängige Regulation adulter hippocampaler Neurogenese stellt eine physiologische, positive Modulation von Neurogenität im erwachsenen Gehirn dar. Aktivitätsabhängige Regulation adulter hippocampaler Neurogenese ist vielstufig und kein An/Aus-Phänomen. Die unterschiedlichen Stufen der Regulation unterliegen unterschiedlicher genetischer Determination und unterschiedlicher Empfindlichkeit auf aktivitätsabhängige Stimuli. Die Steuerung des Überlebens neugeborener Zellen stellt möglicherweise den entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einem neuen Neuron dar. Die aktivitätsabhängige Selektion durch eine überlebensfördernde Wirkung rekrutiert jedoch aus einem Pool proliferierender Vorläuferzellen, die das neurogene Potential darstellen. Die subtile Regulation adulter hippocampaler Neurogenese durch funktionsabhängige Stimuli legt eine Relevanz für hippocampale Funktion, insbesondere Lern- und Gedächtnisvorgänge nahe. Entsprechend muß aber auch eine Bedeutung für hippocampale Pathologie diskutiert werden. Das Verständnis darüber, wie Neurogenität funktions- und aktivitätsabhängig modulierbar ist, ist von größter Relevanz für die Frage, ob und wie sich Neurogenese aus ruhenden neuronalen Stamm- und Vorläuferzellen auch außerhalb neurogener Regionen induzieren und in therapeutischer Absicht nutzen läßt. / The adult brain contains neuronal, multipotent stem cells. In two neurogenic regions of the adult brain, hippocampus and olfactory system, new neurons are generated from these stem cells. From transplantation studies and other investigations it is known that the cellular microenvironment provides the neurogenic permissiveness and determines the development of a mature new neuron from a stem or progenitor cell. Thus, the key question is, what defines a neurogenic region as neurogenic, if it is not the presence of neural stem cells alone. The activity-dependent regulation of adult hippocampal neurogenesis represents a physiologic and positive modulation of neurogenic permissiveness in the adult brain. Activity-dependent regulation of adult hippocampal neurogenesis occurs on multiple steps and is not an on/off phenomenon. The different levels of regulation are differentially influenced by genetic determination and different susceptibility to activity-dependent stimuli. The regulation of the survival of a newly generated cells might be the key step in the development of a new neuron. The activity-dependent recruitment of new neurons by means of a survival-promoting effect acts upon a pool of proliferating progenitor cells, which represent the neurogenic potential. The subtle regulation of adult neurogenesis by functional stimuli suggests a relevance of adult hippocampal neurogenesis for hippocampal function, in particular learning and memory. Accordingly, a potential relevance for hippocampal pathology has to be considered. Insights on how neurogenic permissiveness can be modulated in response to functional stimuli has important implications for the question, if and how neurogenesis from quiescent neuronal stem or progenitor cells can be induced inside and outside of neurogenic regions of the adult brain and can be used for therapeutic purposes.

La mémoire est définie comme une activité biologique et psychique qui permet d'emmagasiner, de conserver et restituer des informations. La formation de la mémoire à long terme a lieu en plusieurs étapes : acquisition, consolidation. Une fois consolidée, la mémoire peut être réactivée puis reconsolidée. C'est un processus dynamique qui au cours de la vie d'un individu peut subir des altérations physiologiques (vieillissement) ou pathologiques (maladies neurodégénératives, syndrome de stress post traumatique (PTSD)). Dans un premier temps nous avons caractérisé du point de vue comportemental les souris Werner (WRN), un modèle de vieillissement accéléré. Nos résultats ont montré que les souris WRN de différents âges (3, 5 et 8 mois) ne présentaient aucun problème moteur ni d'anxiété, deux paramètres altérés chez des souris âgées de 21 mois. Ces souris ne montrent pas non plus de déficit de mémoire non hippocampo-dépendante mais par contre présentent des déficits de mémoire hippocampo-dépendante. En termes d'intégrité fonctionnelle de l'hippocampe, les souris Werner sont capables de stocker l'information après un apprentissage mais à partir de 8 mois, elles présentent un déficit de flexibilité comportementale dans les tests de mémoire spatiale et contextuelle, un défaut caractéristique des animaux agés. Nos résultats montrent qu'au niveau comportemental, les souris WRN sont un bon modèle pour étudier le vieillissement car elles présentent dès 8 mois des déficits comparables à des souris normales âgées sans effets confondants liés à des troubles de la locomotion ou de l'anxiété. Dans un second temps nous avons évalué l'effet d'un système neuropeptidergique, le système nociceptine (peptide N/OFQ, récepteur NOP), sur la mémoire à long terme. Nous avons tout d'abord montré que différents agonistes du récepteur NOP inhibaient spécifiquement la reconsolidation de la mémoire aversive de type contextuelle dans le test du conditionnement de peur. Cet effet inhibiteur a également été observé dans un test hippocampo-dépendant non aversif, le test de localisation d'objet. Puisque l'activation des récepteurs NOP produit un effet amnésiant on peut émettre l'hypothèse que leur inhibition par des antagonistes pourrait favoriser l'apprentissage et la mémoire. Nos premiers résultats montrent en effet que l'injection d'un antagoniste NOP améliore les performances dans le test de localisation d'objet chez des souris Tg2576, modèles d'une forme familiale de la maladie d'Alzheimer. L'ensemble de ces résultats valident l'intérêt du système nociceptinergique en tant que cible thérapeutique pour atténuer les formes pathologiques de mémoire aversive comme dans le cas du PTSD ou au contraire améliorer les performances mnésiques chez les patients Alzheimer. / Memory can be defined as a biological and psychic activity that allows the acquisition, storage and retrieval of information. Long-term memory formation takes place in several stages: acquisition, consolidation. Once consolidated, the memory can be reactivated and then reconsolidated. Memory is a dynamic process that can undergo physiological (aging) or pathological alterations (neurodegenerative diseases, post-traumatic stress disorder (PTSD)) during the life of an individual. In a first step, we characterized the behavior of Werner mice (WRN), a model of accelerated aging. Our results showed that WRN mice of different ages (3, 5 and 8 months) showed no motor problems or anxiety, two parameters altered in 21-month-old mice. These mice also showed no non hippocampus-dependent memory deficit but showed hippocampus- dependent memory deficits. In terms of functional integrity of the hippocampus, Werner mice are able to store information after learning, but from 8 months onwards, they lack behavioral flexibility in spatial and contextual memory tests, a feature also observed in physiological aging. Our results show that at the behavioral level, WRN mice are a good model for studying aging because they show from 8 months deficits comparable to normal elderly mice without confounding effects related to locomotion or anxiety. Secondly, we evaluated the effect of a neuropeptidergic system, the nociceptin system (N/OFQ peptide, NOP receptor) on long-term memory. We first showed that differentagonists of the NOP receptor inhibit the reconsolidation of aversive memory in the fear conditioning paradigm.. This inhibitory effect was also observed in a non- aversive hippocampus-dependent task, the object location test. Since activation of NOP receptors produces an amnestic effect, it can be hypothesized that their inhibition by antagonists could promote learning and memory. Indeed, our first results show that the injection of a NOP antagonist improves the performance in the object location test in Tg2576 mice, a model of familial Alzheimer's disease. All these results validate the interest of the nociceptinergic system as a therapeutic target to attenuate pathological forms of aversive memory as in the case of PTSD, or on the contrary improve memory performance in Alzheimer patients.

Leung, Yeung Yeung. / Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 2010. / Includes bibliographical references (leaves 134-154). / Abstracts in English and Chinese. / CONTENTS --- p.i / ACKNOWLEDGEMENTS --- p.iv / ABSTRACT --- p.v / 論文摘要 --- p.viii / LIST OF FIGURES --- p.x / LIST OF TABLES --- p.xiv / LIST OF ABBREVIATIONS --- p.xv / Chapter 1. --- INTRODUCTION --- p.1 / Chapter 1.1 --- Brain iron function and diseases --- p.1 / Chapter 1.1.1 --- Function of iron in the brain --- p.1 / Chapter 1.1.2 --- Iron involved oxidative damage --- p.2 / Chapter 1.1.3 --- Role of iron in neurodegenerative diseases --- p.6 / Chapter 1.1.4 --- Role of iron in Alzheimer's disease --- p.7 / Chapter 1.1.5 --- Deleterious effects of iron in memory function --- p.9 / Chapter 1.2 --- Iron regulation in the brain --- p.10 / Chapter 1.2.1 --- Transport and storage of brain iron --- p.10 / Chapter 1.2.2 --- Iron homeostasis in the brain --- p.14 / Chapter 1.2.3 --- Transport of iron in axon and synapse --- p.17 / Chapter 1.3 --- The hippocampus --- p.19 / Chapter 1.3.1 --- Hippocampus and memory function --- p.19 / Chapter 1.3.2 --- Structure of the hippocampus --- p.20 / Chapter 1.3.3 --- Cell composition in the hippocampus --- p.26 / Chapter 1.3.4 --- Wiring in the hippocampus --- p.28 / Chapter 1.4 --- Synaptic plasticity and long term potentiation --- p.30 / Chapter 1.4.1 --- Basic theory of synaptic plasticity --- p.30 / Chapter 1.4.2 --- Types of synaptic plasticity --- p.30 / Chapter 1.4.3 --- The discovery of long term potentiation --- p.31 / Chapter 1.4.4 --- Long term potentiation --- p.32 / Chapter 1.4.5 --- Cellular mechanism of long term potentiation --- p.33 / Chapter 1.4.6 --- Role of reactive oxygen species in long term potentiation --- p.36 / Chapter 1.5 --- Aim of the study --- p.38 / Chapter 2. --- MATERIALS AND METHODS --- p.39 / Chapter 2.1 --- Rat model of iron overload --- p.39 / Chapter 2.2 --- Multi-electrode field potential measurement --- p.40 / Chapter 2.2.1 --- Acute preparation of hippocampal slices --- p.40 / Chapter 2.2.2 --- Multi-electrode array recording system --- p.41 / Chapter 2.2.3 --- Recording of field excitatory postsynaptic potentials --- p.42 / Chapter 2.2.4 --- Induction of LTP --- p.47 / Chapter 2.2.5 --- Recording of paired-pulse ratio --- p.48 / Chapter 2.3 --- Whole cell patch-clamp recordings --- p.50 / Chapter 2.4 --- Biochemical assays --- p.57 / Chapter 2.4.1 --- Preparation of brain homogenate --- p.57 / Chapter 2.4.2 --- Total iron measurement --- p.57 / Chapter 2.4.3 --- Protein carbonyl measurement --- p.58 / Chapter 2.4.4 --- Determination of reactive oxygen species --- p.60 / Chapter 2.5 --- Drugs and data analysis --- p.61 / Chapter 3. --- RESULTS --- p.62 / Chapter 3.1 --- The acute effects of extracellular iron on synaptic transmission and long-term synaptic plasticity in the hippocampus in vitro --- p.63 / Chapter 3.1.1 --- Effects of ferric ion on basal synaptic transmission --- p.63 / Chapter 3.1.1.1 --- Effect of FAC on basal fEPSPs --- p.63 / Chapter 3.1.1.2 --- Comparison with the effect of AC on basal fEPSPs --- p.69 / Chapter 3.1.2 --- Effects of ferric ion on long-term synaptic plasticity --- p.72 / Chapter 3.1.2.1 --- Effect of acute FAC treatment on LTP --- p.72 / Chapter 3.1.2.2 --- Comparison with the effect of AC on LTP --- p.75 / Chapter 3.1.3 --- Effects of ferric chloride --- p.78 / Chapter 3.1.4 --- Effects of ascorbic acid on the action of FAC --- p.81 / Chapter 3.2 --- "The acute, in vitro effect of extracellular iron on the membrane properties and excitability of hippocampal CA1 neurons" --- p.86 / Chapter 3.2.1 --- Membrane input resistance --- p.86 / Chapter 3.2.2 --- Voltage-Current relationship --- p.88 / Chapter 3.2.3 --- Membrane excitability --- p.90 / Chapter 3.2.3.1 --- Threshold current --- p.90 / Chapter 3.2.3.2 --- Action potential firing frequency --- p.92 / Chapter 3.2.4 --- Action potential characteristics --- p.95 / Chapter 3.2.4.1 --- "Action potential amplitude, area and width" --- p.95 / Chapter 3.2.4.2 --- Rise and decay kinetics of action potential --- p.98 / Chapter 3.3 --- The chronic effects of iron-loading in the brain on hippocampal long-term synaptic plasticity --- p.100 / Chapter 3.3.1 --- Validation of the iron-overload model --- p.100 / Chapter 3.3.1.1 --- Short-term (1 week) treatment --- p.100 / Chapter 3.3.1.2 --- Long-term (4 weeks) treatment --- p.103 / Chapter 3.3.2 --- Effects of chornic iron-overloading on LTP --- p.105 / Chapter 3.3.2.1 --- Short term iron treatment --- p.105 / Chapter 3.3.2.2 --- Long term iron treatment --- p.108 / Chapter 3.3.3 --- Oxidative stress measurement --- p.111 / Chapter 3.3.3.1 --- Protein oxidation --- p.111 / Chapter 3.3.3.2 --- Reactive oxidative species level --- p.116 / Chapter 4. --- DISCUSSION --- p.120 / Chapter 4.1 --- "Acute, in vitro effects" --- p.121 / Chapter 4.2 --- "Chronic, in vivo effects" --- p.125 / Chapter 5. --- REFERENCES --- p.134

Diese Doktorarbeit führt ein hierarchisches Modell für das unüberwachte Lernen aus quasi-natürlichen Videosequenzen ein. Das Modell basiert auf den Lernprinzipien der Langsamkeit und Spärlichkeit, für die verschiedene Ansätze und Implementierungen vorgestellt werden. Eine Vielzahl von Neuronentypen im Hippocampus von Nagern und Primaten kodiert verschiedene Aspekte der räumlichen Umgebung eines Tieres. Dazu gehören Ortszellen (place cells), Kopfrichtungszellen (head direction cells), Raumansichtszellen (spatial view cells) und Gitterzellen (grid cells). Die Hauptergebnisse dieser Arbeit basieren auf dem Training des hierarchischen Modells mit Videosequenzen aus einer Virtual-Reality-Umgebung. Das Modell reproduziert die wichtigsten räumlichen Codes aus dem Hippocampus. Die Art der erzeugten Repräsentationen hängt hauptsächlich von der Bewegungsstatistik des simulierten Tieres ab. Das vorgestellte Modell wird außerdem auf das Problem der invaranten Objekterkennung angewandt, indem Videosequenzen von simulierten Kugelhaufen oder Fischen als Stimuli genutzt wurden. Die resultierenden Modellrepräsentationen erlauben das unabhängige Auslesen von Objektidentität, Position und Rotationswinkel im Raum. / This thesis introduces a hierarchical model for unsupervised learning from naturalistic video sequences. The model is based on the principles of slowness and sparseness. Different approaches and implementations for these principles are discussed. A variety of neuron classes in the hippocampal formation of rodents and primates codes for different aspects of space surrounding the animal, including place cells, head direction cells, spatial view cells and grid cells. In the main part of this thesis, video sequences from a virtual reality environment are used for training the hierarchical model. The behavior of most known hippocampal neuron types coding for space are reproduced by this model. The type of representations generated by the model is mostly determined by the movement statistics of the simulated animal. The model approach is not limited to spatial coding. An application of the model to invariant object recognition is described, where artificial clusters of spheres or rendered fish are presented to the model. The resulting representations allow a simple extraction of the identity of the object presented as well as of its position and viewing angle.

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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