@phdthesis{RuedtvonCollenberg2021,
  author    = {R{\"u}dt von Collenberg, Cora Freifrau},
  title     = {The role of Ciliary Neurotrophic Factor in hippocampal synaptic plasticity and learning},
  doi       = {10.25972/OPUS-20664},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-206646},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Ciliary neurotrophic factor (Cntf) acts as a differentiation and survival factor for different types of neurons and glial cells. It is expressed by peripheral Schwann cells and astrocytes in the central nervous system and mediates its effects via a receptor complex involving CntfRα, LifRß and gp130, leading to downstream activation of Stat3. Recent studies by our group have shown that Cntf modulates neuronal microtubule dynamics via Stat3/stathmin interaction. In a mouse model for motor neuron disease, i.e. pmn, Cntf is able to rescue axonal degeneration through Stat3/stathmin signaling. While these findings suggest a role of Cntf in controlling axonal functions in the neuromuscular system, additional data indicate that Cntf might also play a role in synaptic plasticity in the hippocampus. Electrophysiological recordings in hippocampal organotypic cultures and acute slices revealed a deficit in long-term potentiation (LTP) in Cntf -/- mice. This deficit was rescued by 24 h stimulation with Cntf, combined with an acute application of Cntf during LTP-measurements indicating that Cntf is both necessary and sufficient for hippocampal LTP, and possibly synaptic plasticity. Therefore, Cntf knockout mice were investigated to elucidate this possible role of Cntf in hippocampal LTP and synaptic plasticity. First, we validated the presence of Cntf in the target tissue: in the hippocampus, Cntf was localized in Gfap-positive astrocytes surrounding small blood vessels in the fissure and in meningeal areas close to the dentate gyrus. Laser micro-dissection and qPCR analysis showed a similar distribution of Cntf-coding mRNA validating the obtained immunofluorescent results. Despite the strong LTP deficit in organotypic cultures, in vivo behavior of Cntf -/- mice regarding hippocampus-dependent learning and anxiety-related paradigms was largely inconspicuous. However, western blot analysis of hippocampal organotypic cultures revealed a significant reduction of pStat3 levels in Cntf -/- cultures under baseline conditions, which in turn were elevated upon Cntf stimulation. In order to resolve and examine synaptic structures we turned to in vitro analysis of cultured hippocampal neurons which indicated that pStat3 is predominantly located in the presynapse. In line with these findings, presynapses of Cntf -/- cultures were reduced in size and when in contact to astrocytes, contained less pStat3 immunoreactivity compared to presynapses in wildtype cultures. In conclusion, our findings hypothesize that despite of a largely inconspicuous behavioral phenotype of Cntf -/- mice, Cntf appears to have an influence on pStat3 levels at hippocampal synapses. In a next step these two key questions need to be addressed experimentally: 1) is there a compensatory mechanism by members of the Cntf family, possibly downstream of pStat3, which explains the in vivo behavioral results of Cntf -/- mice and can likewise account for the largely inconspicuous phenotype in CNTF-deficient humans? 2) How exactly does Cntf influence LTP through Stat3 signaling? To unravel the underlying mechanism further experiments should therefore investigate whether microtubule dynamics downstream of Stat3 and stathmin signaling are involved in the Cntf-induced modulation of hippocampal synaptic plasticity, similar to as it was shown in motoneurons.},
  subject      = {Hippocampus},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Stieb2011,
  author    = {Stieb, Sara Mae},
  title     = {Synaptic plasticity in visual and olfactory brain centers of the desert ant Cataglyphis},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-85584},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {W{\"u}stenameisen der Gattung Cataglyphis wurden zu Modellsystemen bei der Erforschung der Navigationsmechanismen der Insekten. Ein altersabh{\"a}ngiger Polyethismus trennt deren Kolonien in Innendienst-Arbeiterinnen und kurzlebige lichtausgesetzte Fourageure. Nachdem die Ameisen in strukturlosem oder strukturiertem Gel{\"a}nde bis zu mehrere hundert Meter weite Distanzen zur{\"u}ckgelegt haben, k{\"o}nnen sie pr{\"a}zise zu ihrer oft unauff{\"a}lligen Nest{\"o}ffnung zur{\"u}ckzukehren. Um diese enorme Navigationsleistung zu vollbringen, bedienen sich die Ameisen der sogenannten Pfadintegration, welche die Informationen aus einem Polarisationskompass und einem Entfernungsmesser verrechnet; des Weiteren orientieren sie sich an Landmarken und nutzen olfaktorische Signale. Im Fokus dieser Arbeit steht C. fortis, welche in Salzpfannen des westlichen Nordafrikas endemisch ist - einem Gebiet, welches vollst{\"a}ndig von anderen Cataglyphis Arten gemieden wird. Die Tatsache, dass Cataglyphis eine hohe Verhaltensflexibilit{\"a}t aufweist, welche mit sich drastisch {\"a}ndernden sensorischen Anforderungen verbunden ist, macht diese Ameisen zu besonders interessanten Studienobjekten bei der Erforschung synaptischer Plastizit{\"a}t visueller und olfaktorischer Gehirnzentren. Diese Arbeit fokussiert auf plastische {\"A}nderungen in den Pilzk{\"o}rpern (PK) - sensorischen Integrationszentren, die mutmaßlich an Lern- und Erinnerungsprozessen, und auch vermutlich am Prozess des Landmarkenlernens beteiligt sind - und auf plastische {\"A}nderungen in den synaptischen Komplexen des Lateralen Akzessorischen Lobus (LAL) - einer bekannten Relaisstation in der Polarisations-Leitungsbahn. Um die strukturelle synaptische Plastizit{\"a}t der PK in C. fortis zu quantifizieren, wurden mithilfe immunozytochemischer F{\"a}rbungen die pr{\"a}- und postsynaptischen Profile klar ausgepr{\"a}gter synaptischer Komplexe (Mikroglomeruli, MG) der visuellen Region (Kragen) und der olfaktorischen Region (Lippe) der PK-Kelche visualisiert. Die Ergebnisse legen dar, dass eine Volumenzunahme der PK-Kelche w{\"a}hrend des {\"U}bergangs von Innendiensttieren zu Fourageuren von einer Abnahme der MG-Anzahl im Kragen und, mit einem geringeren Anteil, in der Lippe - dieser Effekt wird als Pruning bezeichnet - und einem gleichzeitigen Auswachsen an Dendriten PK-intrinsischer Kenyonzellen begleitet wird. Im Dunkeln gehaltene Tiere unterschiedlichen Alters zeigen nach Lichtaussetzung den gleichen Effekt und im Dunkel gehaltene, den Fourageuren altersm{\"a}ßig angepasste Tiere weisen eine vergleichbare MG-Anzahl im Kragen auf wie Innendiensttiere. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die immense strukturelle synaptische Plastizit{\"a}t in der Kragenregion der PK-Kelche haupts{\"a}chlich durch visuelle Erfahrungen ausgel{\"o}st wird und nicht ausschließlich mit Hilfe eines internen Programms abgespielt wird. Ameisen, welche unter Laborbedingungen bis zu einem Jahr alt wurden, zeigen eine vergleichbare Plastizit{\"a}t. Dies deutet darauf hin, dass das System {\"u}ber die ganze Lebensspanne eines Individuums flexibel bleibt. Erfahrene Fourageure wurden in Dunkelheit zur{\"u}ckgef{\"u}hrt, um zu untersuchen, ob die lichtausgel{\"o}ste synaptische Umstrukturierung reversibel ist, doch ihre PK zeigen nur einige die Zur{\"u}ckf{\"u}hrung widerspiegelnde Plastizit{\"a}tsauspr{\"a}gungen, besonders eine {\"A}nderung der pr{\"a}synaptischen Synapsinexprimierung. Mithilfe immunozytochemischer F{\"a}rbungen, konfokaler Mikroskopie und 3D-Rekonstruktionen wurden die pr{\"a}- und postsynaptischen Strukturen synaptischer Komplexe des LAL in C. fortis analysiert und potentielle strukturelle {\"A}nderungen bei Innendiensttieren und Fourageuren quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Komplexe aus postsynaptischen, in einer zentralen Region angeordneten Forts{\"a}tzen bestehen, welche umringt sind von einem pr{\"a}synaptischen kelchartigen Profil. Eingehende und ausgehende Trakte wurden durch Farbstoffinjektionen identifiziert: Projektionsneurone des Anterioren Optischen Tuberkels kontaktieren Neurone, welche in den Zentralkomplex ziehen. Der Verhaltens{\"u}bergang wird von einer Zunahme an synaptischen Komplexen um ~13\% begleitet. Dieser Zuwachs suggeriert eine Art Kalibrierungsprozess in diesen potentiell kr{\"a}ftigen synaptischen Kontakten, welche vermutlich eine schnelle und belastbare Signal{\"u}bertragung in der Polarisationsbahn liefern. Die Analyse von im Freiland aufgenommener Verhaltenweisen von C. fortis enth{\"u}llen, dass die Ameisen, bevor sie mit ihrer Fouragiert{\"a}tigkeit anfangen, bis zu zwei Tage lang in unmittelbarer N{\"a}he des Nestes Entdeckungsl{\"a}ufe unternehmen, welche Pirouetten {\"a}hnliche Drehungen beinhalten. W{\"a}hrend dieser Entdeckungsl{\"a}ufe sammeln die Ameisen Lichterfahrung und assoziieren m{\"o}glicherweise den Nesteingang mit spezifischen Landmarken oder werden anderen visuellen Informationen, wie denen des Polarisationsmusters, ausgesetzt und adaptieren begleitend ihre neuronalen Netzwerke an die bevorstehende Herausforderung. Dar{\"u}ber hinaus k{\"o}nnten die Pirouetten einer Stimulation der an der Polarisationsbahn beteiligten neuronalen Netzwerke dienen. Videoanalysen legen dar, dass Lichtaussetzung nach drei Tagen die Bewegungsaktivit{\"a}t der Ameisen heraufsetzt. Die Tatsache, dass die neuronale Umstrukturierung in visuellen Zentren wie auch die Ver{\"a}nderungen im Verhalten im selben Zeitrahmen ablaufen, deutet darauf hin, dass ein Zusammenhang zwischen struktureller synaptischer Plastizit{\"a}t und dem Verhaltens{\"u}bergang von der Innendienst- zur Fouragierphase bestehen k{\"o}nnte. Cataglyphis besitzen hervorragende visuelle Navigationsf{\"a}higkeiten, doch sie nutzen zudem olfaktorische Signale, um das Nest oder die Futterquelle aufzusp{\"u}ren. Mithilfe konfokaler Mikroskopie und 3D-Rekonstruktionen wurden potentielle Anpassungen der prim{\"a}ren olfaktorischen Gehirnzentren untersucht, indem die Anzahl, Gr{\"o}ße und r{\"a}umliche Anordnung olfaktorischer Glomeruli im Antennallobus von C. fortis, C. albicans, C. bicolor, C. rubra, und C. noda verglichen wurde. Arbeiterinnen aller Cataglyphis-Arten haben eine geringere Glomeruli-Anzahl im Vergleich zu denen der mehr olfaktorisch-orientierten Formica Arten - einer Gattung nah verwandt mit Cataglyphis - und denen schon bekannter olfaktorisch-orientierter Ameisenarten. C. fortis hat die geringste Anzahl an Glomeruli im Vergleich zu allen anderen Cataglyphis-Arten und besitzt einen vergr{\"o}ßerten Glomerulus, der nahe dem Eingang des Antennennerves lokalisiert ist. C. fortis M{\"a}nnchen besitzen eine signifikant geringere Glomeruli-Anzahl im Vergleich zu Arbeiterinnen und K{\"o}niginnen und haben einen hervorstechenden M{\"a}nnchen-spezifischen Makroglomerulus, welcher wahrscheinlich an der Pheromon-Kommunikation beteiligt ist. Die Verhaltensrelevanz des vergr{\"o}ßerten Glomerulus der Arbeiterinnen bleibt schwer fassbar. Die Tatsache, dass C. fortis Mikrohabitate bewohnt, welche von allen anderen Cataglyphis Arten gemieden werden, legt nahe, dass extreme {\"o}kologische Bedingungen nicht nur zu Anpassungen der visuellen F{\"a}higkeiten, sondern auch des olfaktorischen Systems gef{\"u}hrt haben. Die vorliegende Arbeit veranschaulicht, dass Cataglyphis ein exzellenter Kandidat ist bei der Erforschung neuronaler Mechanismen, welche Navigationsfunktionalit{\"a}ten zugrundeliegen, und bei der Erforschung neuronaler Plastizit{\"a}t, welche verkn{\"u}pft ist mit der lebenslangen Flexibilit{\"a}t eines individuellen Verhaltensrepertoires.},
  subject      = {Neuroethologie},
  language  = {en}
}