Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Auteursnaam op omslag: Dick Kraaij Met bibliogr., lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

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

Chemical synapses are a physically and functionally varied type of cell-cell contact specialized in conducting communication between neurons. They are the smallest "computational" unit of the brain and are often classified as electrical and chemical, and they can be distinguished based on their transmission mechanism. These categories could be further broken into many kinds, each having a specific structure-function repertoire that is hypothesized to provide neural networks with distinct computational capabilities. Heterogeneity refers to the variety of structures and functions present in a particular category of synapses. Contributing factors for this heterogeneity may be the synaptic vesicles, the active zone (AZ), the synaptic cleft, the postsynaptic density, and the glial processes associated with the synaptic contacts. Each of these five structural modules has its own set of functions, and their combination determines the spectrum of functional heterogeneity at mammalian excitatory synapses. This work focused on the changes in AZ protein expression after chemical induction of plasticity with forskolin in synaptic contacts of the hippocampal mossy fibers. With the nanoscopic resolution provided by dSTORM, along with the multicolor SIM imaging capabilities, changes in expression of key presynaptic AZ components were analyzed. Using SIM imaging along with a standardized stimulation protocol in acute brain slices from male 16-week old Thy1-mEGFP (Lsi1) mice, the changes of the key AZ proteins Bassoon, Munc 13-1 and Tomosyn were investigated 30 min after stimulation with forskolin (50 μM for 30 min). Forskolin induced changes in these proteins largely in small synaptic contacts whereas no clear changes were detected in large mossy fiber boutons. However, due to the high variability it cannot be ruled out that forskolin may differentially modify AZ protein composition depending on experimental circumstances such as age and gender of mice or the time point and duration of forskolin stimulation. The dSTORM data demonstrated feasibility to perform single molecule 3D imaging of hippocampal presynaptic AZs and allowed quantitative mapping of molecular changes in AZ proteins after induction of plasticity. The findings suggest high heterogeneity in mossy fiber synaptic contacts that may have an impact on the function of neural networks. These imaging approaches may now be used to identify potential differences in functional molecular rearrangements of synaptic proteins in healthy and diseased brain (e.g. after induction of traumatic brain injury). / Chemische Synapsen sind eine physikalisch und funktionell vielfältige Art von Zell-Zell-Kontakten, die auf die Kommunikation zwischen Neuronen spezialisiert sind. Sie sind die kleinste " computational " Einheit des Gehirns und werden oft als elektrisch und chemisch klassifiziert, und sie können auf der Grundlage ihres Übertragungsmechanismus unterschieden werden. Diese Kategorien lassen sich weiter in viele Arten unterteilen, die jeweils ein spezifisches Struktur-Funktions-Repertoire aufweisen, von dem angenommen wird, dass es neuronale Netze mit unterschiedlichen Berechnungsfähigkeiten ausstattet. Heterogenität bezieht sich auf die Vielfalt der Strukturen und Funktionen, die in einer bestimmten Kategorie von Synapsen vorhanden sind. Die wichtigsten Gründe für diese Heterogenität sind molekulare und strukturelle Unterschiede in synaptischen Vesikel, der aktiven Zone (AZ), synaptischem Spalt, postsynaptischer Dichte und der mit der Synapse verbundenen glialen Prozesse. Jedes dieser fünf strukturellen Module hat seine eigenen Funktionen, und ihre Kombination bestimmt das Spektrum der funktionellen Heterogenität an exzitatorischen Synapsen von Säugetieren. Diese Arbeit konzentrierte sich auf Änderungen der AZ Proteine nach chemischer Induktion von Plastizität an hippocampalen Moosfasersynapsen mittels superhochauflösende Fluoreszenzmikroskopie. Mit der nanoskopischen Auflösung von dSTORM und der Mehrfarben-SIM-Bildgebung könnten Proteine in der präsynaptischen AZ abgebildet werden. Mithilfe der SIM-Bildgebung wurden Veränderungen in der Expression von AZ-Proteine Bassoon, Munc 13-1 und Tomosyn nach der Induktion von Plastizität mit Forskolin an akuten Hirnschnitten von 16-Wochen alten männlichen Thy1-mEGFP (Lsi1) Mäusen analysiert. Forskolin reduzierte die Expression von Bassoon, Munc-13-1 und Tomosyn hauptsächlich in kleinen Moosfasersynapsen. Aufgrund der hohen Variabilität kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass Forskolin die Expression der AZ-Proteine abhängig von den experimentellen Bedingungen, wie z.B. dem Alter oder dem Geschlecht der Mäuse oder der Zeitpunkt und der Dauer der Forskolin-Stimulation unterschiedlich verändern könnte. Die dSTORM-Daten zeigten, dass es möglich ist, eine Einzelmolekül-3D-Bildgebung präsynaptischer aktiver Zonen in Hippocampus durchzuführen. Die Methode ermöglichte eine quantitative Analyse der molekularen Veränderungen in AZ-Proteinen nach Induktion von Plastizität. Die Ergebnisse deuten auf eine große Heterogenität der Moosfasersynapsen, die einen Einfluss auf die Funktion neuronaler Netzwerke haben könnte. Diese bildgebenden Verfahren können nun eingesetzt werden, um potenzielle Unterschiede in den funktionellen molekularen Änderungen synaptischer Proteine im gesunden und pathologischen Gehirn (z. B. nach einer traumatischen Schädelverletzung) zu untersuchen.

Proefschrift Erasmus Universiteit Rotterdam. / Thesis Erasmus University Rotterdam. Met bibliogr., lit. opg. - Met samenvatting in het Duits, Engels, Frans, Italiaans, Nederlands en Spaans. With bibliogr., with a summary in Dutch.

Proefschrift Rijksuniversiteit Groningen. / Met lit.opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Die Spinalen Muskelatrophie (SMA) ist eine neurodegenerative Krankheit, die durch einen Mangel an Survival Motor Neuron (SMN) Protein verursacht wird. Die vorliegende Dissertation vergleicht drei SMA-Mausmodelle, um festzustellen, ob sich die Pathologien und die zeitliche Abfolge gleichen. Das SMN-Delta7-Modell zeigt umfassende Defekte im motorischen System, einschließlich der Degeneration von Motoneuronen, sowie der Denervierung von spinalen exzitatorischen Synapsen und neuromuskulären Endplatten. Im Gegensatz dazu weist das Taiwanese Modell milde Motoneuron-Pathologien, aber einen frühen Verlust zentraler Synapsen auf. Beim intermediären Smn2B/- Modell treten starke Pathologien in zentralen exzitatorischen Synapsen und Neuromuskulären Endplatten auf, gefolgt von einem späten Absterben der Motoneurone, das p53-abhängig ist. Diese Ereignisse korrelieren mit einer SMN-abhängigen Störung der Splicing-Regulation bestimmter mRNAs. Die Studie liefert eine Wissensgrundlage für zukünftige Untersuchungen und identifiziert die zentrale exzitatorische Synaptopathie als Schlüsselmerkmal der motorischen Pathologie bei SMA.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis .................................................................................................. III Abkürzungsverzeichnis.................................................................................................IV 1 Bibliographische Zusammenfassung............................................................... 1 2 Einführung ......................................................................................................... 2 2.1 Der sensomotorische Schaltkreis im Rückenmark .................................... 2 2.2 Grundlagen der spinalen Muskelatrophie (SMA)....................................... 6 2.3 Mechanismen der Motoneurondegeneration in SMA ................................ 9 2.4 Die Rolle peripherer und zentraler Synapsen in SMA…………………….11 3 Ziele der Arbeit................................................................................................. 16 4 Publikationsmanuskript .................................................................................. 17 5 Zusammenfassung .......................................................................................... 45 6 Literaturverzeichnis………………………………………………………………….50 7 Anlagen ............................................................................................................ 55 7.1 Supplemental Material ............................................................................. 55 7.2 Erklärung über den wissenschaftlichen Beitrag des Promovenden zur Publikation................................................................................................ 66 7.3 Selbstständigkeitserklärung ..................................................................... 67 7.4 Lebenslauf................................................................................................ 68 7.5 Publikationen............................................................................................ 70 7.6 Danksagung ............................................................................................. 71

Im Gehirn gemessene Extrazelluläre Feldpotentiale (EFPs) sind ein wichtiges Maß für neuronale Aktivität. In vielen Fällen ist der genaue physiologische Ursprung dieser Potentiale unbekannt oder umstritten. Der auditorische Hirnstamm der Schleiereule bietet eine ausgezeichnete Möglichkeit, die EFPs und ihren Ursprung zu untersuchen. Der Hirnstamm der Eule ist ideal, weil das Feldpotential in ihm sehr stark ist, weil die zugrundeliegende Anatomie wohl-untersucht ist, und weil das Potential sehr einfach durch auditorische Stimulation gesteuert werden kann. In dieser Arbeit präsentiere ich zwei Beispiele, in welchen ich mir die einzigartigen Eigenschaften der Schleiereule zunutze mache, um das EFP zu erforschen. Das erste Beispiel behandelt Axone, und ich zeige, dass neuronale Aktivität in Axonbündeln, welche eine charakteristische Endzone besitzen, ein starkes Dipolmoment erzeugen kann. Im zweiten Beispiel behandele ich Synapsen. Aus den EFPs der Synapsen konnte ich die Merkmale der synaptischen Kurzzeitplastizität extrahieren. Die Methoden und Erkenntnisse die ich entwickelt habe sind auf andere Organismen übertragbar und erweitern das Verständnis vom Einfluss unterschiedlicher anatomischer Strukturen auf das EFP. / Extracellular field potentials (EFPs) recorded in the brain are an important indicator of neural activity for neuroscientists. In many cases, their physiological basis is unknown or debated. The barn owl auditory brainstem provides an excellent opportunity to study these EFPs and their origins. The barn owl auditory brainstem is ideal because the field potentials are very large and very easily controlled by the auditory stimulus, and the underlying anatomy is well known. Here I present two examples of exploiting the unique properties of the EFP in the barn owl auditory brainstem. The first is concerned with axons, where I show that activity in axon bundles with characteristic termination zones generates strong dipole moments. The second example is concerned with synaptic currents, from which I was able to extract a signature of short-term plasticity. The methods and insights I developed are applicable to other organisms as well, and contribute to the general understanding of the roles different anatomical structures can play in the generation of EFPs.

Memristive devices are popular among neuromorphic engineers for their ability to emulate forms of spike-driven synaptic plasticity by applying specific voltage and current waveforms at their two terminals. In this paper, we investigate spike-timing dependent plasticity (STDP) with a single pairing of one presynaptic voltage spike and one postsynaptic voltage spike in a BiFeO3 memristive device. In most memristive materials the learning window is primarily a function of the material characteristics and not of the applied waveform. In contrast, we show that the analog resistive switching of the developed artificial synapses allows to adjust the learning time constant of the STDP function from 25ms to 125μs via the duration of applied voltage spikes. Also, as the induced weight change may degrade, we investigate the remanence of the resistance change for several hours after analog resistive switching, thus emulating the processes expected in biological synapses. As the power consumption is a major constraint in neuromorphic circuits, we show methods to reduce the consumed energy per setting pulse to only 4.5 pJ in the developed artificial synapses.

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