Directly to content
  1. Publishing |
  2. Search |
  3. Browse |
  4. Recent items rss |
  5. Open Access |
  6. Jur. Issues |
  7. DeutschClear Cookie - decide language by browser settings

Micro-Electrode-Array recordings : a tool to study calcium signaling pathways involved in neuronal network plasticity and late phase long-term potentiation

Freitag, Eckehard

German Title: Mikro-Elektroden-Array Messungen : eine Methode um Kalzium Signalwege, welche bei der neuronalen Netzwerkplastizität and der Spätphase der Langzeitpotenzierung wichtig sind, zu untersuchen

[img]
Preview
PDF, English
Download (6Mb) | Terms of use

Citation of documents: Please do not cite the URL that is displayed in your browser location input, instead use the persistent URL or the URN below, as we can guarantee their long-time accessibility.

Abstract

The molecular mechanisms of many biological signaling pathways are highly conserved in evolution and are, often, regulated by second messengers. One of the most important second messengers is calcium, Ca2+. The huge diversity of calcium-regulated signaling pathways spans from fertilization of the oocyte over the activation of the immune system right up to the activity-regulated transmitter release in neurons. Furthermore, it is known that in cultured neurons, increases in nuclear calcium concentrations are of vital importance for CREB-mediated gene transcription. Those genes control, among other phenomena, neuronal survival and certain forms of learning and memory. The hippocampal formation is essential for spatial memory and associative learning, and has been extensively characterized in terms of its circuitry and molecular mechanisms which underlie plasticity. The potentiation of Schaffer collateral – CA1 synapses by the activation of NMDAR-mediated postsynaptic signaling cascades is known as long-term potentiation (LTP) and serves as a model for learning and memory in the mammalian central nervous system. The induction of LTP requires postsynaptic calcium influx, the activation of calcium-dependent kinases and relative signaling cascades. These processes are now well-understood but less is known about the mechanisms which make LTP persistent for hours and days. The objective of this study was to establish procedures, by means of Micro-Electrode-Arrays (MEAs), which allow studying especially the signaling pathways involved in the CREB-regulated transcription-dependent late phase of LTP (L-LTP). In one study I cultured primary hippocampal neurons for two weeks on MEAs and analyzed spontaneous activity of these networks by extracellular recordings. The spontaneous activity pattern strongly influences neuronal network information processing and thus modulation of neuronal network activity, e.g. upon external stimulations, is likely to be a basic feature of processes involved in learning and memory. In this part I could show that the specific inhibition of nuclear calcium signaling (and the associated inhibition of CREB-mediated gene transcription) alters the periodic activity pattern of developing neuronal networks. Moreover, I demonstrated that one target gene of the nuclear calcium signaling pathway, vegf-d, is involved in keeping neuronal networks fire. Interestingly, so far VEGF-D has been mainly known as a growth factor important for angiogenesis and lymphatogenesis. In another study I tried to transfer the results of my work on neuronal networks to acute slice preparations, a system closer to the in vivo condition. Acute hippocampal slices enabled detailed studies concerning the initiation of LTP but less is known about the mechanisms that make LTP persist for extended time periods. This is partly due to the difficulty of maintaining stable recordings over several hours from acute slice preparations. MEAs offer stable extracellular field recordings from many points on a brain slice. I could show that on MEAs LTP induced by high-frequency stimulation lasted four hours and longer, and was NMDA receptor- as well as translation-sensitive. To investigate whether the expression of late phase LTP is nuclear calcium-sensitive and which genes exactly are necessary for the maintenance phase of LTP I established virus-mediated gene transfer into the hippocampus of adult rats to generate genetically modified animals. In summary, I established two novel methods suitable to investigate especially the signaling pathways important for the maintenance phase of LTP in hippocampal neurons. Both methods can be used to screen for candidate genes involved in L-LTP.

Translation of abstract (German)

Die molekularen Mechanismen vieler biologischer Signalwege sind evolutionär hochkonserviert und werden oft durch zelluläre Botenstoffe, „second messenger“, reguliert. Einer der weitverbreitetsten und bestuntersuchtesten „second messenger“ ist Kalzium, Ca2+. Die enorme Diversität von Kalzium als Botenstoff reicht von der Befruchtung der weiblichen Eizelle über die Aktivierung des Immunsystems bis hin zur aktivitäts-regulierten Signalübertragung zwischen Nervenzellen. Weiterhin ist bekannt, dass der Anstieg der Kalziumkonzentration im Zellkern in kultivierten Nervenzellen von entscheidender Bedeutung für die Expression von Genen ist, die durch den Transkriptionsfaktor CREB reguliert werden. Diese Gene sind u.a. für das Überleben von Nervenzellen als auch für die Ausprägung bestimmter Gedächtnisformen verantwortlich. Die Hippocampusformation ist essenziell für das räumliche Gedächtnis und das assoziative Lernen. Sie wurde hinsichtlich ihrer Verschaltung sowie der molekularen Mechanismen, die neuronaler Plastizität zugrunde liegen, umfassend charakterisiert. Die Potenzierung von Schaffer Collateralen – CA1 Synapsen durch die spezifische Aktivierung NMDA-Rezeptor-abhängiger Signalwege ist als Langzeitpotenzierung (LTP) bekannt und stellt ein weithin anerkanntes Modellsystem für hippocampusabhängige Lernvorgänge dar. Die Induktion von LTP durch postsynaptischen Kalziumeinstrom, die Aktivierung Kalzium-abhängiger Kinasen und deren Signalkaskaden ist bereits sehr gut untersucht und verstanden; jedoch ist wenig über die Prozesse bekannt, welche LTP für Stunden und Tage persistent machen. Das Ziel dieser Arbeit war es, mit Hilfe von Mikro-Elektroden-Arrays (MEAs) Verfahren zu etablieren, die es erlauben, speziell die in der CREB-regulierte gentranskriptionsabhängige Spätphase von LTP (L-LTP) involvierten Signalwege zu charakterisieren. In einer ersten Studie habe ich primäre hippocampale Nervenzellen über eine Zeit von zwei Wochen auf MEAs kultiviert und die basale elektrische Aktivität der sich entwickelnden neuronalen Netzwerke durch extrazelluläre Messungen analysiert. Durch zufälliges oder gesteuertes Auftreten spontaner Aktionspotentiale oder Bursts von Aktionspotentialen kommunizieren Nervenzellen in Netzwerken untereinander und prozessieren Informationen. Weiterhin können sie ihre Aktivität als Antwort auf interne und externe Einflüsse modellieren. Dies erfolgt vermutlich über die gleichen Signalwege, welche in hippocampale Lern- und Gedächtnisprozesse involviert sind. In diesem Teil meiner Arbeit habe ich gezeigt, dass durch die spezifische Blockade von Kalziumsignalwegen im Zellkern (und die damit verbundende Inhibierung CREB-regulierter Gentranskription) die typischen elektrischen Aktivitätsmuster von neuronalen Netzwerken während deren Entwicklung geändert werden. Desweiteren konnte ich H. ECKEHARD FREITAG DISSERTATION ZUSAMMENFASSUNG - 9 - zeigen, dass dabei besonders die Expression des Gens vegf-d nötig ist; ein Gen, dessen Bedeutung bisher hauptsächlich in der Angiogenese und Lymphatogenese beschrieben wurde. In einer zweiten Studie versucht ich meine Erkenntnisse aus der Arbeit mit neuronalen Netzwerken auf ein System zu übertragen, das der in vivo Situation ähnlicher ist: der Präparation frischer, „akuter“ Gehirnschnitte. Akute Hippocampusschnitte ermöglichten sehr fundierte Studien zur LTP-Induktion, die Untersuchung der transkriptionsabhängigen Spätphase ist bekanntermaßen allerdings recht schwierig, da dafür von diesen Präparaten über viele Stunden stabile Signale aufgezeichnet werden müssen. Dies wird durch LTP-Messungen mit MEAs gewährt. Durch hochfrequente Stimulation induziertes L-LTP war für mehr als vier Stunden stabil und darüber hinaus NMDA-Rezeptor- sowie translationssensitiv. Um in diesen Gehirnschnitten L-LTP hinsichtlich einer möglichen Kernkalzium-Sensitivität und CREB-regulierten Genexpression untersuchen zu können, wurde die stereotaktische Applikation viraler Vektoren in den Hippocampus adulter Ratten etabliert. In dieser Studie wurden zwei neuartige Verfahren entwickelt, die geeignet sind, um in hippocampalen Nervenzellen speziell die Signalwege zu untersuchen, die bei der Ausprägung des Langzeitgedächtnisses von Bedeutung sein können. Beide Verfahren können in dieser Form für nachfolgende Screeningversuche verwendet werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bading, Prof. Dr. Hilmar
Date of thesis defense: 11. December 2009
Date Deposited: 25. Aug 2011 10:26
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisziplinäres Zentrum für Neurowissenschaften
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: MEA , VEGFDMEA , VEGFD
About | FAQ | Contact | Imprint |
OA-LogoLogo der Open-Archives-Initiative