Wir haben im Hippocampus von transgenen Mäusen, die grün fluoreszierendes Protein (GFP) unter der Kontrolle eines Promotors für Nestin exprimieren, mutmaßliche Neuronale Vorläuferzellen identifiziert. Wir haben bereits in früheren Arbeiten gezeigt, dass Nestin-GFP exprimierende Vorläuferzellen in der subgranularen Zone des adulten Gyrus Dentatus sich in zwei Subpopulationen entsprechend ihrer morphologischen Eigenschaften einteilen lassen. Eine kleine, morphologisch unterscheidbare Population von Vorläuferzellen mit neuronalen Eigenschaften erhielt GABAergen, aber keinen glutamatergen Input, dies widerspiegelt die Situation während der Entwicklung des Gehirns. Außerdem haben wir ecto-nucleotidase NTPDase2 und functionelle P2X Rezeptoren in hippocampalen Vorläuferzellen identifiziert. Wir haben auch das Verhalten Nestin exprimierender Zellen bis zu 8 Wochen nach 30 minütiger Occlusion der mittleren cerebralen Arterie (MCAo)/reperfusion und im murinen experimentellen Glioblastom Modell untersucht. Neben den bereits publizierten Ergebnissen, die ich auch in meiner Doktorarbeit vorgestellt habe, habe ich die elektrophysiologischen Eigenschaften der Nestin-GFP-exprimierenden Zellen in der Amygdala und im CA 1 des Hippocampus untersucht. / Using transgenic mice that express green fluorescent protein (GFP) under control of the nestin promoter, the putative precursor cells were identified. We have previously shown that nestin-GFP expressing precursor cells in the adult subgranular zone of hippocampal dentate gyrus could be divided into two distinct subpopulations based on morphological criteria. A small, morphological distinct population of precursor cells with neuronal properties received GABAergic, but not glutamatergic input similar as in brain development. We identified ecto-nucleotidase NTPDase2 and functional P2X receptors at hippocampal progenitor cells. We also studied the fate of nestin-GFP-expressing cells up to 8 weeks after 30 mins occlusion of the middle cerebral artery (MCAo)/reperfusion and in murine experimental glioblastoma model. Except for the published results which was included in this PhD dissertation, I also studied the electrophysiology properties of nestin-GFP-expression cells in amygdala and in Ca1 of hippocampus.

Neuronale Verbindungen verändern sich abhängig von unseren Wahrnehmungen (synaptische Plastizität) - womöglich die Grundlage für Lernen und Gedächtnis. Diese zellulären Prozesse werden jedoch stark reguliert, und können durch den Zustand des Organismus beeinflusst werden. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Mechanismus durch den zelluläre Lernprozesse in Pyramidalzellen durch lokale hemmende Neurone moduliert werden können. Dazu werden biophysikalische Modelle einzelner Zellen in Mikroschaltkreisen zu Rate gezogen. Der erste Teil dieser Arbeit zeigt, dass hemmende Neurone die Lernsignale in den Dendriten der Pyramidalzelle nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip modulieren. Demnach könnten sie einen binären Schalter für das Lernen darstellen. Im Speziellen modulieren sie ein wichtiges dendritisches Lernsignal: das rückwärts-gerichtete Aktionspotenzial, das die Synapsen über neuronale Aktivität unterrichten kann. Die Hemmung muss zeitlich genau erfolgen wenn es um die Blockierung dieses rückwärts-gerichteten Signals geht; insbesondere, wenn der betrachtete Mechanismus der Lernregulierung gleichzeitig den vorwärts-gerichteten Informationsfluss erhalten soll. Wie diese Arbeit zeigt, kann die gewünschte Taktung dennoch erreicht werden, wenn die hemmenden Neurone in einem gängigen inhibitorischen Feedforward-Schaltkreis eingebettet sind. In einem solchen Schaltkreis werden die hemmenden Neurone und die Pyramidenzellen von der gleichen vorgeschalteten Zellpopulation erregt, sodass die Pyramidalzelle erst erregende und dann hemmende Reize erfährt, was die genaue Taktung zwischen Erregung und Hemmung ermöglicht. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Frage ob und wie solche zeitlich regulierten Feedforward-Schaltkreise im Gehirn etabliert werden können. Es wird demonstriert, dass konkrete Lernregeln für hemmende Synapsen in diesen Schaltkreisen diese so formen kann, dass sie für die individuellen zeitlichen Bedingungen der modulierten Zelle angemessen sind. / The neural correlate of learning is thought to be the experience-dependent adjustment of neuronal connections – synaptic plasticity. However, cellular processes mediating these changes are highly regulated, and can be influenced by the state of the organism. Limiting learning to behaviorally relevant episodes is useful if new experiences can overwrite old memories. In this thesis, we use computational modeling to explore a mechanism by which cellular learning processes in principal neurons can be modulated by another cell type: local inhibitory neurons. Although these cells are known to play a role for learning, the cellular mechanisms by which they influence synaptic plasticity are not completely understood. The aim is hence to shed light onto the cellular mechanisms underlying the regulation of synaptic plasticity. In the first part of this thesis, it is shown that inhibitory neurons can modulate dendritic signals for plasticity in principal neurons in an all-or-none manner. Thereby, inhibition can provide a binary switch for plasticity, which, as further demonstrated, can be specific for inputs arriving via different neural pathways. An important dendritic signal for plasticity is the backpropagating action potential, which informs synapses about neuronal activity and can be modulated by inhibition. We show that the timing requirement for inhibition of theses signals is tight; especially if modulation of plasticity via this mechanism ought to preserve forward-directed stimulus processing in the same neuron. Yet, we demonstrate that the desired timing can be accomplished if inhibition is embedded in a common inhibitory feedforward circuit. The second part of this thesis addresses the question whether and how appropriately timed inhibitory feedforward circuits can be established. We demonstrate that particular plasticity rules at inhibitory synapses can shape microcircuits to become properly adjusted to the individual timing requirements of the modulated neuron.

In der synaptischen Vesikelmembran adulter Neuronen bildet Synaptobrevin mit Synaptophysin den Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex. Der Komplex wird im Gegensatz zum SNARE-Komplex nicht in embryonalen Membranen gebildet, sondern erst während der neuronalen Entwicklung hochreguliert. Dabei erfährt Synaptophysin wahrscheinlich eine posttranslationale Modifizierung, die durch einen niedermolekularen Faktor bewirkt wird. Der Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex spielt eine entscheidende Rolle innerhalb der Präsynapse bei der Bereitstellung von Synaptobrevin zur Bindung seiner SNARE-Partner an der Plasmamembran. Im Zustand erhöhter exozytotischer Aktivität der Synapse beschleunigt der Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex die Rekrutierung von Synaptobrevin für eine erneute Bildung des SNARE-Komplexes und ermöglicht damit schnelle Exozytose-Endozytose-Zyklen bei erhöhter präsynaptischer Stimulation. Der Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex und der SNARE-Komplex schließen sich gegenseitig aus. Synaptische Membranen sind aus Lipiden und Proteinen aufgebaut, welche miteinander in Wechselwirkungen stehen. Innerhalb der Membranen formieren sich Subdomänen wie Lipid Rafts die durch eine besondere Lipidzusammensetzung stabilisiert werden und mit speziellen Proteinen bevorzugt assoziieren. Durch die spezielle Organisation des Membranaufbaus können die Prozesse der Endozytose und der Exozytose zum Teil reguliert werden. Synaptische Vesikel, die zu den kleinsten Zellorganellen zählen, zeigen einen besonders hohen membranären Cholesterolgehalt. Synaptophysin ist ein integrales Membranprotein synaptischer Vesikel und konnte zusätzlich als spezifisch cholesterolbindendes Protein identifiziert werden. Durch die Assoziation mit cholesterolreichen Nanodomänen der synaptischen Vesikelmembran könnten die Funktionen von Synaptophysin bei der Membranstabilisation und im Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex der synaptischen Vesikelmembran beeinflusst werden. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass nach Cholesterolverminderung der Membranen von CHOp38-Zellen und PC12-Zellen mittels Filipin und Methyl-ß-cyclodextrin Synaptophysin in dem Detergens Triton X-100 unlöslicher wird. Die Cholesterolverminderung der Membranen von Neuronen aus Rattengehirngewebe und Hippokampuskulturen mittels Methyl-ß-cyclodextrin und Lovastatin führte weiterhin zu einer verminderten Bildung des Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplexes in der synaptischen Vesikelmembran. Somit scheint die Cholesterolassoziation von Synaptophysin und damit die Organisation der synaptischen Vesikelproteine innerhalb von Membrandomänen entscheidend an der Regulation der Proteininteraktionen im Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex beteiligt zu sein. Zusätzlich trägt Synaptophysin durch seine Cholesterolbindung wahrscheinlich zur Stabilisierung des hohen Krümmungsgrades der Membran der synaptischen Vesikel bei. Die Auswirkungen des verminderten Cholesterolgehaltes auf Synaptophysin und den Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplex konnten auch bei homozygoten Mausmutanten für die Niemann-Pick Krankheit nachgewiesen werden. Der Cholesterolgehalt synaptischer Vesikel ist also für die Bildung des Synaptophysin-Synaptobrevin-Komplexes entscheidend und beeinflusst direkt die synaptische Effizienz. / Synaptobrevin interacts with synaptophysin in membranes of adult small synaptic vesicles and forms the synaptophysin/synaptobrevin complex. In contrast to the SNARE complex the synaptophysin/synaptobrevin complex only occurs in adult rat brain but is absent in embryonic brain. Changes in the binding properties of synaptophysin are probably induced by a factor of low molecular weight and correlate with posttranslational modifications of the protein. The synaptophysin/synaptobrevin complex plays an important role within the presynaptic terminal promoting synaptobrevin to bind its SNARE partners at the plasma membrane. In times of increased synaptic activity at the synapse the synaptophysin/synaptobrevin complex accelerates the recruitment of synaptobrevin to form new SNARE complexes and allows for fast exocytotic/endocytotic cycles. The synaptophysin/synaptobrevin complex and the SNARE complex are mutually exclusive. Major constituents of synaptic membranes are lipids and proteins which are subjected to continuous interactions. Within the membrane form specialized environments known as lipid rafts that are stabilized through tightly packed lipids and proteins that associate preferentially with these domains. The characteristic organisation of membrane structures is crucial for regulating the process of endocytosis and exocytosis. Synaptic vesicles are among the smallest cell organelles and are especially enriched in cholesterol. The integral membrane protein synaptophysin in addition was identified as a major specifically cholesterol-binding protein. Lateral association with cholesterol enriched subunits of the synaptic vesicle membrane may contribute to mediate the functions of synaptophysin in stabilising membrane structures and may in part regulate synaptophysin/synaptobrevin complex formation. Here we show that depletion of the cholesterol content of CHOp38 cell and PC12 cell membranes by Filipin and Methyl-ß-cyclodextrin significantly changes the solubility of synaptophysin in non-ionic detergents like Triton X-100. After cholesterol depletion of adult rat brain and primary cultures of mouse hippocampus by Methyl-ß-cyclodextrin and the HMGCoA-reductase inhibitor Lovastatin the synaptophysin/synaptobrevin complex was seen to be downregulated. Thus, the synaptophysin/synaptobrevin interaction critically depends on high cholesterol content of the synaptic vesicle membrane. Thereby, synaptophysin likely contributes to stabilise the high membrane curvature of synaptic vesicles. The effects of cholesterol depletion on functional properties of synaptophysin and the synaptophysin/synaptobrevin complex could also be shown on homozygous littermates of the mouse model of Niemann-Pick type C disease. Our investigation indicates that the cholesterol content of synaptic vesicles appears to be important for the fusion of the synaptophysin/synaptobrevin complex and directly affects synaptic efficiency.

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Several studies reported training-induced improvements in executive function tasks and also observed transfer to untrained tasks. However, the results are mixed and there is a large interindividual variability within and across studies. Given that training-related performance changes would require modification, growth or differentiation at the cellular and synaptic level in the brain, research on critical moderators of brain plasticity potentially explaining such changes is needed. In the present study, a pre-post-follow-up design (N = 122) and a 3-weeks training of two response inhibition tasks (Go/NoGo and Stop-Signal) was employed and genetic variation (Val66Met) in the brain-derived neurotrophic factor (BDNF) promoting differentiation and activity-dependent synaptic plasticity was examined. Because Serotonin (5-HT) signaling and the interplay of BDNF and 5-HT are known to critically mediate brain plasticity, genetic variation in the 5-HTT gene-linked polymorphic region (5-HTTLPR) was also addressed. The overall results show that the kind of training (i.e., adaptive vs. non-adaptive) did not evoke genotype-dependent differences. However, in the Go/NoGo task, better inhibition performance (lower commission errors) were observed for BDNF Val/Val genotype carriers compared to Met-allele ones supporting similar findings from other cognitive tasks. Additionally, a gene-gene interaction suggests a more impulsive response pattern (faster responses accompanied by higher commission error rates) in homozygous l-allele carriers relative to those with the s-allele of 5-HTTLPR. This, however, is true only in the presence of the Met-allele of BDNF, while the Val/Val genotype seems to compensate for such non-adaptive responding. Intriguingly, similar results were obtained for the Stop-Signal task. Here, differences emerged at post-testing, while no differences were observed at T1. In sum, although no genotype-dependent differences between the relevant training groups emerged suggesting no changes in the trained inhibition function, the observed genotype-dependent performance changes from pre- to post measurement may reflect rapid learning or memory effects linked to BDNF and 5-HTTLPR. In line with ample evidence on BDNF and BDNF-5-HT system interactions to induce (rapid) plasticity especially in hippocampal regions and in response to environmental demands, the findings may reflect genotype-dependent differences in the acquisition and consolidation of task-relevant information, thereby facilitating a more adaptive responding to task-specific requirements.

In lokalen neokortikalen Netzwerken stellen GABAerge Interneurone die Quelle der Inhibition dar, wobei sie inhibitorische Verbindungen mit benachbarten exzitatorischen und anderen inhibitorischen Neuronen bilden. Man geht davon aus, dass synaptische Transmission in vivo als Folge spontaner Aktionspotentiale während aktiven depolarisierten Erregungszuständen des Netzwerks auftritt. Ziel dieser Studie war es monosynaptische inhibitorische Verbindungen in vivo zu detektieren um den Zusammenhang zwischen der Konnektivität kortikaler Interneurone und deren Spontanaktivität untersuchen zu können. Dafür wurden von zwei bis drei benachbarten GABAergen Interneuronen gleichzeitig gezielte elektrophysiologische Ganz-Zell-Ableitungen unter visueller Kontrolle des Zwei-Photonen-Mikroskops gemacht. Die Ableitungen wurden an Zellen in Schicht 2/3 des primären somatosensorischen Kortex der Vorderpfote von Mäusen durchgeführt, welche mit Urethan narkotisiert waren. Hierbei wurden zwei Mauslinien eingesetzt, um elektrophysiologische Ableitungen von genetisch identifizierten Interneuronen zu erhalten. GAD67-GFP Mäuse wurden genutzt, um Interneurone allgemein und unabhängig von ihrem Subtyp untersuchen zu können. Die Züchtung der dreifach transgenen Linie GIN-VIPcre-Ai9 erlaubte gezielte Ableitungen von SST und VIP Zellen. In beiden Linien konnten monosynaptische inhibitorische Verbindungen zwischen Interneuronen detektiert werden, wobei die Konnektivitätsrate zwischen ''nicht-schnell'' feuernden Interneuronen in GAD67-GFP Mäusen höher war als für SST und VIP Zellen. Die inhibitorische synaptische Transmission wurde jeweils stark vom aktuellen Erregungszustand des Kortex moduliert wobei ein Anstieg der IPSP-Amplitude während depolarisierter Zustände des Netzwerks festgestellt wurde. Es konnten subtyp-spezifische Korrelationen in der Aktivität neokortikaler Interneurone beobachtet werden, welche sich im unterschwelligen Membranpotential und auch der spontanen Feuerrate der Zellen zeigte. / GABAergic interneurons provide the source of inhibition in local neocortical networks, where they form inhibitory connections with nearby excitatory and other inhibitory neurons. In cortical circuits in vivo synaptic transmission is thought to emerge during depolarized active network states, when spontaneous spiking can occur. The aim of this study was to identify monosynaptic inhibitory connections in vivo in order to relate interneuron connectivity to their spontaneous activity. Therefore simultaneous two-photon targeted whole-cell recordings were made from two to three neighboring layer 2/3 GABAergic interneurons in the forepaw primary somatosensory cortex of urethane anesthetized mice. Two different mouse strains were used to record from genetically identified interneurons: in GAD67-GFP animals interneurons could be examined regardless to their subtype. Breeding of the triple transgenic mouse line GIN-VIPcre-Ai9 allowed to specifically target SST and VIP cells. Monosynaptic inhibitory connections could be identified in both mouse lines, with higher connectivity rates of non-fast spiking interneurons recorded in GAD67-GFP animals than for SST and VIP cells. Overall, the ongoing state of the cortex powerfully modulated inhibitory synaptic transmission, with IPSPs increasing in amplitude in depolarized network states. Subtype-specific correlations in the activity of neocortical interneurons could be observed and were reflected in the subthreshold and also spontaneous firing activity of cells.

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