TY - THES A1 - Kroker, Katja T1 - Establishment and validation of hippocampal LTP for characterization of memory enhancing drugs as potential treatment of Alzheimer’s disease T1 - Etablierung und Validierung hippocampalen LTPs zur Charakterisierung gedächtnissteigernde Substanzen zur potentiellen Behandlung der Alzheimer’schen Erkrankung N2 - Die Alzheimer’sche Erkrankung ist eine neurodegenerative Erkrankung des Gehirns. Um geeignete Medikamente für die Behandlung der Alzheimer’schen Erkrankung zu finden, werden experimentelle Modellsysteme zur Erforschung von Substanzkandidaten verwendet. Ein solches experimentelles System ist die hippocampale Langzeitpotenzierung (LTP), welche ein anerkanntes in vitro Modell für die Erforschung der zugrundeliegenden zellulären Prozesse der Gedächtnisbildung ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Etablierung und Validierung von LTP in hippocampalen Hirnschnitten der Ratte um gedächtnissteigernde Substanzen zur potentiellen Behandlung der Alzheimer’schen Erkrankung zu charakterisieren. Dazu wurde zunächst ein Messsystem zur parallelen Charakterisierung mehrerer Schnitte aufgebaut, das Messungen bis zu sieben Stunden erlaubt (Kapitel 2). Dann wurden unterschiedliche Protokolle etabliert um Früh- und Spätphasen-LTP zu generieren. Dabei würde Frühphasen-LTP konzeptionell eher mit dem Kurzzeitgedächtnis einhergehen, während Spätphasen-LTP dem Langzeitgedächtnis gleichkommen würde (Kapitel 3). Da in Alzheimer-Patienten hauptsächlich ein Defizit cholinerger und glutamaterger Neurone vorliegt, wurden die validierten LTP Formen benutzt, um solche Substanzen zu analysieren, die potentiell cholinerge und/oder glutamaterge neuronale Funktion erhöhen. Die Effekte zweier ausschließlich cholinerge Funktion erhöhender Substanzen wurden analysiert: Der α4β2 nicotinische Acetylcholin-Rezeptor Agonist TC-1827 (Kapitel 4) und der Acetylcholinesterase-Inhibitor Donepezil (Kapitel 5). Beide Substanzen erhöhten Frühphasen-LTP, aber hatten keinen Effekt auf Spätphasen-LTP. Desweiteren wurden zwei Substanzen getestet, die ausschließlich mit glutamaterger Funktion interferieren: Der metabotrope Glutamatrezeptor 5 positiv allosterische Modulator ADX-47273 (Kapitel 3) und der Phosphodiesterase (PDE) 9A-Inhibitor BAY 73-6691 (Kapitel 5). ADX-47273 erhöhte Spätphasen-LTP, aber hatte keinen Effekt auf Frühphasen-LTP, wohingegen BAY 73-6691 eine erhöhende Wirkung auf beide LTP Formen aufwies und sogar Früh- in Spätphasen-LTP umwandelte. Die gleichen Effekte, wie bei dem PDE9A-Inhibitor, konnten auch mit dem partiellen α7 nicotinische Acetylcholin-Rezeptor Agonisten SSR180711 (Kapitel 4) demonstriert werden. SSR180711 wirkt sowohl auf cholinerge, als auch auf glutamaterge neuronale Funktion. Dann wurde die Fähigkeit der Substanzen überprüft, durch lösliche Aβ Oligomere verschlechtertes LTP zu verbessern (Kapitel 6). Lösliche Aβ Oligomere, auch als amyloid-β derived diffusible ligands (ADDLs) bezeichnet, werden zurzeit als eine mutmaßliche Ursache der Alzheimer’schen Erkrankung angesehen. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass ADDLs Früh- und Spätphasen-LTP in verschiedenem Ausmaß vermindern. Donepezil und TC-1827 konnten die durch ADDLs induzierten Defizite bei Frühphasen-LTP geringfügig wiederherstellen, aber sie hatten keinen Einfluss auf das durch ADDLs verschlechterte Spätphasen-LTP. Im Gegensatz dazu, konnten sowohl SSR180711 als auch BAY 73-6691 ein durch ADDLs verschlechtertes Früh- und Spätphasen-LTP komplett wiederherstellen. ADX-47273 hatte keinen positiven Effekt auf Frühphasen-LTP, welches durch ADDLs verschlechtert worden war, konnte aber ein durch ADDLs verschlechtertes Spätphasen-LTP teilweise wiederherstellen. Somit wurde der vorherige Befund der Arbeit bestätigt: Substanzen, welche die glutamaterge Funktion verbessern, scheinen nicht nur wirksamer im Bezug auf LTP-Erhöhung zu sein als Substanzen die ausschließlich cholinerge Funktion erhöhen, sondern sie sind auch in der Lage, durch lösliche Aβ Oligomere verursachte Defizite bei LTP zu verbessern. Aus einem präklinischen Blickwinkel und basierend auf den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit weisen demnach Substanzen, die glutamaterge Funktionen verbessern, ein hohes therapeutisches Potential als alternative Ansätze bezüglich kognitiver Defizite auf. Möglicherweise könnten sie sogar wirksamere Ansätze für die symptomatische Behandlung der Alzheimer’schen Erkrankung darstellen, als derzeitige Behandlungen, die ausschließlich cholinerge Funktion verbessern. N2 - Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease of the brain. Today AD is the most common form of dementia in elderly people. It is clinically characterized by a progressive loss of memory and later on a decline in higher cognitive functions. The pathological hallmarks of AD, consistently demonstrated in brain tissue of patients, are extracellular amyloid-β (Aβ plaques, intracellular neurofibrillary tangles of tau protein and a profound loss of mainly cholinergic and glutamatergic synapses and ultimatively neurons. Estimates foresee that more than 80 million individuals will be affected by the disease by 2040 due to population aging worldwide underlining the high medical need for this disease. In order to find suitable drugs for the treatment of AD, experimental model systems are utilized to explore potential drug candidates. Such an experimental system is hippocampal long-term potentiation (LTP), which is widely accepted as an in vitro model of cellular processes fundamentally involved in memory formation. The present thesis focuses on the establishment and validation of LTP in rat hippocampal slices to characterize memory enhancing drugs as a potential treatment of AD. First, a multi-slice recording system was set up enabling stable measurements of LTP for up to seven hours from several slices simultaneously (chapter 2). Then, distinct protocols to induce early and late CA1 LTP, resembling short-term and long-term memory, were established. They were validated by addressing the hallmarks accepted for these forms of LTP: protein-synthesis independence and NMDA receptor dependence without contribution of L-VDCCs for early LTP, as opposed to protein-synthesis and NMDA / L-VDCCs dependence for late LTP (chapter 3). As in AD patients a loss of mainly cholinergic and glutamatergic synapses is obvious, these validated forms of LTP were used to study drugs potentially being able to enhance cholinergic and/or glutamatergic neuronal functions. The effects of two drugs exclusively interfering with cholinergic function on LTP were tested: the α4β2 nicotinic acetylcholinergic receptor agonist TC-1827 (chapter 4) and the acetylcholine esterase inhibitor donepezil (chapter 5). Both drugs were found to increase early LTP, but to not affect late LTP. Furthermore, two drugs exclusively interfering with glutamatergic function were analyzed: the metabotropic glutamate 5 receptor postive allosteric modulator ADX-47273 (chapter 3) and the phosphodiesterase (PDE) 9A inhibitor BAY 73-6691 (chapter 5). ADX-47273 increased late LTP, but had no effect on early LTP, whereas BAY 73-6691 showed enhancing effects on both early and late LTP and even transformed early into late LTP. The same effects like for the PDE9A inhibitor were observed for the α7 nicotinic acetylcholinergic receptor partial agonist SSR180711 (chapter 4), which interferes with both, cholinergic and glutamatergic function. Thus, drugs facilitating glutamatergic function or both glutamatergic and cholinergic function seem to be more efficacious in enhancing LTP than drugs facilitating solely cholinergic function. To evaluate whether this finding also proves true for experimental circumstances mimicking decreased cognitive function together with pathophysiology in AD patients, the ability of the drugs to ameliorate LTP impaired by soluble Aβ oligomer was analyzed (chapter 6). Soluble Aβ oligomers, also referred to as amyloid-β derived diffusible ligands (ADDLs), are thought to a putative cause of AD. Here, they were demonstrated to impair early and late LTP to different extents by exclusively targeting NMDA receptors and/or their signaling. These results further contribute to the hypothesis that soluble Aβ oligomers cause synaptic dysfunction which might lead to cognitive decline seen in AD patients. Regarding drug effects, donepezil and TC-1827 slightly restored ADDLs induced impairment of early LTP, but had no effect on late LTP impaired by ADDLs. In contrast, both, SSR180711 and BAY 73-6691 completely rescued early as well as late LTP impaired by ADDLs. ADX-47273 had no restoring effect on ADDLs induced early LTP impairment, but partially restored late LTP impaired by ADDLs. Thus, the earlier finding of the present thesis was confirmed: drugs facilitating glutamatergic function not only seem to be more efficacious in enhancing LTP than drugs facilitating solely cholinergic function, but are also superior in ameliorating soluble Aβ oligomer induced LTP deficits. Therefore, from a preclinical perspective and based on the results of the present thesis, drugs interfering with glutamatergic function seem to have a high therapeutic potential as alternative treatment concerning cognitive deficits. Probably, they represent more efficacious approaches for the symptomatic treatment of AD than current treatments solely facilitating cholinergic function. KW - Alzheimerkrankheit KW - Long-term potentiation KW - hippocampus KW - rat KW - learning and memory KW - Langzeitpotenzierung KW - Hippocampus KW - Ratte KW - Wirkstoff Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85412 ER - TY - THES A1 - Yang, Zhenghong T1 - A systematic study of learned helplessness in Drosophila melanogaster T1 - Eine systematische Untersuchung der erlernten Hilflosigkeit in Drosophila melanogaster N2 - The learned helplessness phenomenon is a specific animal behavior induced by prior exposure to uncontrollable aversive stimuli. It was first found by Seligman and Maier (1967) in dogs and then has been reported in many other species, e.g. in rats (Vollmayr and Henn, 2001), in goldfishes (Padilla, 1970), in cockroaches (Brown, 1988) and also in fruit flies (Brown, 1996; Bertolucci, 2008). However, the learned helplessness effect in fruit flies (Drosophila melanogaster) has not been studied in detail. Thus, in this doctoral study, we investigated systematically learned helplessness behavior of Drosophila for the first time. Three groups of flies were tested in heatbox. Control group was in the chambers experiencing constant, mild temperature. Second group, master flies were punished in their chambers by being heated if they stopped walking for 0.9s. The heat pulses ended as soon as they resumed walking again. A third group, the yoked fly, was in their chambers at the same time. However, their behavior didn’t affect anything: yoked flies were heated whenever master flies did, with same timing and durations. After certain amount of heating events, yoked flies associated their own behavior with the uncontrollability of the environment. They suppressed their innate responses such as reducing their walking time and walking speed; making longer escape latencies and less turning around behavior under heat pulses. Even after the conditioning phase, yoked flies showed lower activity level than master and control flies. Interestingly, we have also observed sex dimorphisms in flies. Male flies expressed learned helplessness not like female flies. Differences between master and yoked flies were smaller in male than in female flies. Another interesting finding was that prolonged or even repetition of training phases didn’t enhance learned helplessness effect in flies. Furthermore, we investigated serotonergic and dopaminergic nervous systems in learned helplessness. Using genetic and pharmacological manipulations, we altered the levels of serotonin and dopamine in flies’ central nervous system. Female flies with reduced serotonin concentration didn’t show helpless behavior, while the learned helplessness effect in male flies seems not to be affected by a reduction of serotonin. Flies with lower dopamine level do not display the learned helplessness effect in the test phase, suggesting that with low dopamine the motivational change in learned helplessness in Drosophila may decline faster than with a normal dopamine level. N2 - Das „learned helplessness“ Phänomen ist ein spezifisches Verhalten nach vorheriger Exposition von unkontrollierbaren aversiven Stimuli induziert. Es wurde zuerst von Seligman und Maier (1967) bei Hunden und dann in vielen anderen Tierarten berichtet, z.B. in Ratten (Vollmayr und Henn, 2001), in Goldfische (Padilla , 1970), in Kakerlaken (Brown, 1988) sowie in Fruchtfliegen (Brown, 1996; Bertolucci, 2008). Allerdings wurde das learned helplessness Phänomen in Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster) noch nicht genau erforscht. Somit wird in dieser Doktorarbeit haben wir erlernten learned helplessness von Drosophila zum ersten Mal systematisch untersucht. Drei Gruppen von Fliegen wurden in Heatbox getestet. Die Kontrollgruppe war in den Kammern erlebter konstant milder Temperatur. Die zweite Master Gruppe wurde in ihren Kammern erhitzt, wenn sie blieb stehen für 0,9 s. Die Hitze endete, sobald sie sich wieder bewegten. Eine dritte Gruppe, die Yoked Fliegen, war in ihren Kammern gleichzeitig. Doch ihr Verhalten keine Auswirkungen auf die Hitze hatte: Yoked Fliegen wurden erhitzt, wenn Master Fliegen wurden, mit gleichen Zeitpunkt und Dauer. Nach gewissen Hitze Veranstaltungen, Yoked Fliegen assoziierten ihre eigenen Verhalten mit der Unkontrollierbarkeit der Umwelt. Sie unterdrückte ihre angeborene Reaktionen, wie die Verringerung ihrer Laufaktivität; verlängerte mehr Fluchtlatenzzeiten und weniger Umdrehen Verhalten unter Hitzen. Auch nach der Konditionierungsphase zeigte Yoked Fliegen niedrigeren Aktivität als Master und Kontrolle Fliegen. Interessanterweise haben wir auch Sex Dimorphismus in Fliegen beobachtet. Male Fliegen haben learned helplessness nicht wie weibliche Fliegen ausgedrückt. Die Unterschiede zwischen den Master und Yoked Fliegen waren bei männlichen kleiner als bei weiblichen Fliegen. Ein weiteres interessantes Ergebnis war, dass längere oder sogar wiederholte Trainingsphasen die lerned helplessness Wirkung bei Fliegen nicht verstärken könnten. Darüber hinaus haben wir serotonergen und dopaminerge Nervensysteme in learned helplessness erforscht. Mit genetischen und pharmakologischen Manipulationen, haben wir das Niveau von Serotonin und Dopamin im zentralen Nervensystem der Fliegen geändert. Weibliche Fliegen mit reduzierten Serotoninkonzentration zeigten kein hilflos Verhalten, während die learned helplessness Wirkung in männlichen Fliegen schien nicht durch eine Reduktion von Serotonin beeinflusst zu werden. Fliegen mit niedrigerer Dopamin Konzentration zeigten keine learned helplessness Wirkung in der Testphase an, was darauf hindeutet, dass mit niedrigen Dopamin die Motivationsänderung in learned helplessness in Drosophila kann schneller als mit einem normalen Dopaminspiegel sinken. KW - Taufliege KW - Gelernte Hilflosigkeit KW - Drosophila KW - learned helplessness KW - depression KW - learning and memory Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-112424 ER - TY - THES A1 - Scholl, Christina T1 - Cellular and molecular mechanisms contributing to behavioral transitions and learning in the honeybee T1 - Zelluläre und molekulare Mechanismen, die zu Verhaltensänderungen und Lernen in der Honigbiene beitragen N2 - The honeybee Apis mellifera is a social insect well known for its complex behavior and the ability to learn tasks associated with central place foraging, such as visual navigation or to learn and remember odor-reward associations. Although its brain is smaller than 1mm² with only 8.2 x 105 neurons compared to ~ 20 x 109 in humans, bees still show amazing social, cognitive and learning skills. They express an age – related division of labor with nurse bees staying inside the hive and performing tasks like caring for the brood or cleaning, and foragers who collect food and water outside the hive. This challenges foragers with new responsibilities like sophisticated navigation skills to find and remember food sources, drastic changes in the sensory environment and to communicate new information to other bees. Associated with this plasticity of the behavior, the brain and especially the mushroom bodies (MBs) - sensory integration and association centers involved in learning and memory formation – undergo massive structural and functional neuronal alterations. Related to this background my thesis on one hand focuses on neuronal plasticity and underlying molecular mechanisms in the MBs that accompany the nurse – forager transition. In the first part I investigated an endogenous and an internal factor that may contribute to the nurse - forager phenotype plasticity and the correlating changes in neuronal network in the MBs: sensory exposure (light) and juvenile hormone (JH). Young bees were precociously exposed to light and subsequently synaptic complexes (microglomeruli, MG) in the MBs or respectively hemolymph juvenile hormone (JH) levels were quantified. The results show that light input indeed triggered a significant decrease in MG density, and mass spectrometry JH detection revealed an increase in JH titer. Interestingly light stimulation in young bees (presumably nurse bees) triggered changes in MG density and JH levels comparable to natural foragers. This indicates that both sensory stimuli as well as the endocrine system may play a part in preparing bees for the behavioral transition to foraging. Considering a connection between the JH levels and synaptic remodeling I used gene knockdown to disturb JH pathways and artificially increase the JH level. Even though the knockdown was successful, the results show that MG densities remained unchanged, showing no direct effect of JH on synaptic restructuring. To find a potential mediator of structural synaptic plasticity I focused on the calcium-calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) in the second part of my thesis. CaMKII is a protein known to be involved in neuronal and behavioral plasticity and also plays an important part in structural plasticity reorganizing synapses. Therefore it is an interesting candidate for molecular mechanisms underlying MG reorganization in the MBs in the honeybee. Corresponding to the high abundance of CaMKII in the learning center in vertebrates (hippocampus), CaMKII was shown to be enriched in the MBs of the honeybee. Here I first investigated the function of CaMKII in learning and memory formation as from vertebrate work CaMKII is known to be associated with the strengthening of synaptic connections inducing long term potentiation and memory formation. The experimental approach included manipulating CaMKII function using 2 different inhibitors and a specific siRNA to create a CaMKII knockdown phenotype. Afterwards bees were subjected to classical olfactory conditioning which is known to induce stable long-term memory. All bees showed normal learning curves and an intact memory acquisition, short-term and mid-term memory (1 hour retention). However, in all cases long-term memory formation was significantly disrupted (24 and 72 hour retention). These results suggests the necessity of functional CaMKII in the MBs for the induction of both early and late phases of long-term memory in honeybees. The neuronal and molecular bases underlying long-term memory and the resulting plasticity in behavior is key to understanding higher brain function and phenotype plasticity. In this context CaMKII may be an important mediator inducing structural synaptic and neuronal changes in the MB synaptic network. N2 - Die Honigbiene Apis mellifera ist ein soziales Insekt, das bekannt ist für sein komplexes Verhalten und seine Fähigkeiten, Aufgaben in Bezug auf zentrales Sammelverhalten, zum Beispiel visuelle Navigation oder die Assoziation Duft – Belohnung, zu lernen, ist. Obwohl das Bienengehirn kleiner als 1mm² ist und im Vergleich zum dem des Menschen mit ~ 20 x 109 Neuronen nur 8.2 x 105 Neurone besitzt, verfügen Bienen trotzdem über beeindruckende soziale, kognitive und Lernfähigkeiten. Sie praktizieren eine altersabhängige Arbeitsteilung mit Ammen, die im Stock bleiben und Aufgaben wie das Versorgen der Brut übernehmen, und Sammlerinnen, die außerhalb des Stockes Futter und Wasser suchen. Dies fordert die Sammlerinnen zu neuen Aufgaben heraus, zum Beispiel hochentwickelte Navigation, drastischen Änderungen der sensorischen Umwelt, Lernen neuer Assoziationen und die Vermittlung der neuen Informationen an andere Bienen. Diese phänotypische Plastizität geht mit stark strukturellen und funktionell neuronalen Veränderungen im Gehirn und vor allem in den Pilzkörpern – sensorische Integrierungszentren, die an Lernen und Gedächtnisbildung beteiligt sind – einher. Passend dazu liegt ein Schwerpunkt meiner Arbeit darauf, die neuronale Plastizität und die molekularen Mechanismen im Pilzkörper, die mit der Wandlung der Amme hin zur Sammlerin zusammen hängen, zu untersuchen. Im ersten Teil werden ein endogener und ein interner Faktor, die zum Ammen - Sammlerinnen Übergang und den damit einhergehenden Änderungen im neuronalen Netzwerk beitragen könnten, untersucht: sensorische Input (Licht) und Juvenilhormon (JH). Junge Bienen wurden frühzeitig dem Licht ausgesetzt und anschließend synaptische Komplexe (Mikroglomeruli, MG) in den Pilzkörpern beziehungsweise JH aus der Hämolymphe quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss des Lichts tatsächlich eine plastische Verringerung der MG-Dichte auslöst und massenspektrometrische Messungen eine Zunahme an der JH-Menge in der Hämolymphe zeigen. Interessanterweise führt die Stimulation der jungen Ammen mit Licht zu Änderungen in der MG-Dichte und zu JH-Mengen, die vergleichbar sind mit den Werten bei natürlichen Sammlerinnen sind. Dies weist darauf hin, dass sowohl sensorische Stimuli als auch das Hormonsystem einen Beitrag zu der Vorbereitung der Bienen auf die bevorstehende Verhaltensänderung leisten. Um eine Verbindung zwischen der JH-Menge und synaptischen Umstrukturierungen in Betracht zu ziehen, habe ich einen Gen-Knockdown eingesetzt, um JH-Signalwege zu manipulieren und dadurch die JH-Menge künstlich zu erhöhen. Obwohl der Knockdown erfolgreich war, zeigen die Ergebnisse keinen direkten Zusammenhang zwischen der JH-Menge und einer synaptischer Umgestaltung. Um einen möglichen Vermittler von struktureller Plastizität zu finden, habe ich den Fokus im zweiten Teil meiner Arbeit auf die Calcium-Calmodulin-abhängige Protein-Kinase II (CaMKII) gerichtet. CaMKII ist ein Protein, das für seine Rolle sowohl in neuronaler und Verhaltensplastizität als auch in struktureller Plastizität bekannt ist. Daher ist es ein interessanter Kandidat, um molekulare Mechanismen zu untersuchen, die bei der MG-Umstrukturierung in den Pilzkörpern beteiligt sind. In Übereinstimmung mit dem hohen Vorkommen der CaMKII in Lernzentren in Vertebraten (Hippocampus) kommt CaMKII auch in hohem Maß in den Pilzkörpern der Biene vor. In dieser Arbeit habe ich zuerst die Funktion der CaMKII in Lernvorgängen und bei der Gedächtnisbildung untersucht, da bekannt ist, dass CaMKIII mit verstärkten synaptischen Verbindungen, die Langzeitpotenzierung und Gedächtnisbildung auslösen, in Zusammenhang gebracht wird. Der experimentelle Ansatz beinhaltet die Manipulation der CaMKII mit zwei verschiedenen Inhibitoren und einer spezifische siRNA, um einen CaMKII-Knockdown-Phänotyp zu erzeugen. Alle Substanzen wurden über den medialen Ocellartrakt injiziert, um zu gewährleisten, dass sie den Pilzkörper erreichen. Anschließend wurde eine klassische olfaktorische Konditionierung durchgeführt, die ein stabiles Langzeitgedächtnis induziert. Alle Bienen zeigten ein normales Lernverhalten, Kurzzeitgedächtnis und Mittelzeitgedächtnis (eine Stunde Speicherung) waren intakt. Jedoch war in allen Fällen das Langzeitgedächtnis beschädigt (24 und 72 Stunden Speicherung). Diese Ergebnisse legen nahe, dass CaMKII in den Pilzkörpern essentiell für das Auslösen von frühen und späten Formen des Langzeitgedächtnisses der Biene ist. Die neuronalen und molekularen Grundlagen des Langzeitgedächtnis sind der Schlüssel, um höhere Gehirnfunktionen und phänotypische Plastizität zu verstehen. CaMKII könnte ein wichtiger Vermittler sein, um strukturelle und neuronale synaptische Änderungen im Netzwerk des Pilzkörpers auszulösen. KW - Biene KW - honeybee KW - learning and memory KW - division of labor KW - Lernen KW - Molekularbiologie Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-115527 ER - TY - JOUR A1 - Grünblatt, Edna A1 - Bartl, Jasmin A1 - Iuhos, Diana-Iulia A1 - Knezovic, Ana A1 - Trkulja, Vladimir A1 - Riederer, Peter A1 - Walitza, Susanne A1 - Salkovic-Petrisic, Melita T1 - Characterization of cognitive deficits in spontaneously hypertensive rats, accompanied by brain insulin receptor dysfunction JF - Journal of Molecular Psychiatry N2 - Background The spontaneously hypertensive rat (SHR) has been used to model changes in the central nervous system associated with cognitive-related disorders. Recent human and animal studies indicate a possible relationship between cognitive deficits, insulin resistance and hypertension. We aimed to investigate whether cognitively impaired SHRs develop central and/or peripheral insulin resistance and how their cognitive performance is influenced by the animal’s sex and age as well as strains used for comparison (Wistar and Wistar-Kyoto/WKY). Methods Three and seven-month-old SHR, Wistar, and WKY rats were studied for their cognitive performance using Morris Water Maze (MWM) and Passive Avoidance tests (PAT). Plasma glucose and insulin were obtained after oral glucose tolerance tests. Cerebral cortex, hippocampus, and striatum status of insulin-receptor (IR) β-subunit and glycogen synthase kinase-3β (GSK3β) and their phosphorylated forms were obtained via ELISA. Results SHRs performed poorly in MWM and PAT in comparison to both control strains but more pronouncedly compared to WKY. Females performed poorer than males and 7-month-old SHRs had poorer MWM performance than 3-month-old ones. Although plasma glucose levels remained unchanged, plasma insulin levels were significantly increased in the glucose tolerance test in 7-month-old SHRs. SHRs demonstrated reduced expression and increased activity of IRβ-subunit in cerebral cortex, hippocampus, and striatum with different regional changes in phospho/total GSK3β ratio, as compared to WKYs. Conclusion Results indicate that cognitive deficits in SHRs are accompanied by both central and peripheral insulin dysfunction, thus allowing for the speculation that SHRs might additionally be considered as a model of insulin resistance-induced type of dementia. KW - spontaneously hypertensive rat KW - age KW - control strain KW - gender KW - glycogen synthase kinase-3β KW - insulin resistance KW - learning and memory Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-149593 VL - 3 IS - 6 ER - TY - JOUR A1 - Grob, Robin A1 - Heinig, Niklas A1 - Grübel, Kornelia A1 - Rössler, Wolfgang A1 - Fleischmann, Pauline N. T1 - Sex-specific and caste-specific brain adaptations related to spatial orientation in Cataglyphis ants JF - Journal of Comparative Neurology N2 - Cataglyphis desert ants are charismatic central place foragers. After long-ranging foraging trips, individual workers navigate back to their nest relying mostly on visual cues. The reproductive caste faces other orientation challenges, i.e. mate finding and colony foundation. Here we compare brain structures involved in spatial orientation of Cataglyphis nodus males, gynes, and foragers by quantifying relative neuropil volumes associated with two visual pathways, and numbers and volumes of antennal lobe (AL) olfactory glomeruli. Furthermore, we determined absolute numbers of synaptic complexes in visual and olfactory regions of the mushroom bodies (MB) and a major relay station of the sky-compass pathway to the central complex (CX). Both female castes possess enlarged brain centers for sensory integration, learning, and memory, reflected in voluminous MBs containing about twice the numbers of synaptic complexes compared with males. Overall, male brains are smaller compared with both female castes, but the relative volumes of the optic lobes and CX are enlarged indicating the importance of visual guidance during innate behaviors. Male ALs contain greatly enlarged glomeruli, presumably involved in sex-pheromone detection. Adaptations at both the neuropil and synaptic levels clearly reflect differences in sex-specific and caste-specific demands for sensory processing and behavioral plasticity underlying spatial orientation. KW - antennal lobe KW - synaptic plasticity KW - polymorphism KW - optic lobes KW - mushroom bodies KW - learning and memory KW - central complex Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257299 VL - 529 IS - 18 ER - TY - JOUR A1 - Fleischmann, Pauline N. A1 - Grob, Robin A1 - Rössler, Wolfgang T1 - Magnetosensation during re-learning walks in desert ants (Cataglyphis nodus) JF - Journal of Comparative Physiology A N2 - At the beginning of their foraging careers, Cataglyphis desert ants calibrate their compass systems and learn the visual panorama surrounding the nest entrance. For that, they perform well-structured initial learning walks. During rotational body movements (pirouettes), naïve ants (novices) gaze back to the nest entrance to memorize their way back to the nest. To align their gaze directions, they rely on the geomagnetic field as a compass cue. In contrast, experienced ants (foragers) use celestial compass cues for path integration during food search. If the panorama at the nest entrance is changed, foragers perform re-learning walks prior to heading out on new foraging excursions. Here, we show that initial learning walks and re-learning walks are structurally different. During re-learning walks, foragers circle around the nest entrance before leaving the nest area to search for food. During pirouettes, they do not gaze back to the nest entrance. In addition, foragers do not use the magnetic field as a compass cue to align their gaze directions during re-learning walk pirouettes. Nevertheless, magnetic alterations during re-learning walks under manipulated panoramic conditions induce changes in nest-directed views indicating that foragers are still magnetosensitive in a cue conflict situation. KW - path integration KW - landmark panorama KW - learning and memory KW - magnetic compass KW - navigation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-266556 SN - 1432-1351 VL - 208 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Klinke, Christopher Matthias T1 - Experimental investigation of the effect of distal stress induction on threat conditioning in humans T1 - Experimentelle Untersuchung des Effektes von distaler Stressinduktion auf Threat-Konditionierung beim Menschen N2 - Stress constitutes a major risk factor for the development of psychiatric disorders, such as PTSD and anxiety disorders, by shifting the brain into a state of sensitization and makes it more vulnerable when being exposed to further aversive events. This was experimentally in-vestigated in rodents by examining the effect of a distal stress induction on threat conditioning, where stress impaired extinction learning and caused spontaneous recovery. However, this effect has never been experimentally investigated in humans, so far. Thus, the aim of this dissertation was to investigate the effect of distal stress on threat conditioning in humans. Therefore, two subsequent studies were conducted. For both studies, the threat conditioning paradigm comprised threat acquisition, extinction learning, and re-extinction. In the threat acquisition phase, two geometrical shapes were used as conditioned stimulus (CS), from which one (CS+) was paired with a painful electric stimulus (unconditioned stimulus, US), but not the other one (CS-). During extinction learning 24 h later and re-extinction seventeen days later, CSs were again presented but without any US delivery. In Study 1, 69 participants underwent either a stress (socially evaluated cold pressor test; SECPT) or sham protocol 10 days prior to threat conditioning. Furthermore, context effects were examined by placing the stress protocol in the same context (context-A stress, and sham group) or a different context (context-B stress group) than conditioning. Results revealed that the context-A, but not context-B, stress group displayed impaired safety learning (i.e. potenti-ation towards CS-) for startle response during threat acquisition. Moreover, the same stress group showed impaired threat extinction, evident in sustained CS discrimination in valence and arousal ratings during extinction learning, and memory recall. In sum, distal stress on the one hand impaired safety learning during threat conditioning on a level of startle response. On the other hand, stress impaired threat extinction on a level of ratings. Noteworthy, the effect of distal stress was only found when the stressor was placed in the same context as later threat learning. Hence, suggesting that the combination of stressor and stressor-associated context exerted the effect on threat extinction. In Study 2, it was examined if distal stress induction could also have an impact on threat and extinction processes without the necessity of context association. Therefore, the same stress (n = 45) or sham protocol (n = 44) as in Study 1 was conducted in a different context than and 24 h prior to a threat conditioning paradigm. Similar to Study 1, weakened extinction learning was found in fear ratings for the stress (vs. sham) group, which was indicated by persistent CS+/CS- differentiation after the first block of extinction trials. Alterations in safety learning towards the CS- during threat acquisition were only supported by significant correlations between stress measures on the stress day and conditioned startle response of the CS- during acquisition. Taken together, in two subsequent studies this dissertation provided first evidence of impaired threat extinction after distal stress induction in humans. Furthermore, impairments in safety learning, as can be observed in PTSD, were additionally demonstrated. Interestingly, the effects were boosted and more profound when associating the stressor to the later learning context. These results have clinical implications as they can be translated to the notion that prior stress exposure makes an individual more vulnerable for later aversive events. N2 - Stress stellt einen Hauptrisikofaktor für die Entstehung einer psychiatrischen Erkrankung, insbesondere PTSD und Angststörungen, dar. Dieser Prozess wird vermittelt über einen Wechsel des Gehirns in einen Zustand der Sensibilisierung, welcher das Individuum vulnerabler bei der Exposition eines weiteren aversiven Ereignisses macht. Experimentell ließ sich dies in Tierstudien durch Untersuchungen des Effektes von distalem Stress auf Threat-Konditionierung nachweisen. Die Ergebnisse der Studien weisen auf ein verschlechtertes Extinktionslernen und dessen Abruf aufgrund der Stressinduktion hin. Experimentelle Untersuchungen dieses Effektes beim Menschen fehlen jedoch bislang. Daher hat sich diese Dissertation das Ziel gesetzt, eben diesen Effekt von distalem Stress auf Threat-Konditionierung im Menschen zu untersuchen. Hierzu wurden zwei aufeinander aufbauende Studien durchgeführt. In beiden Studien wurden differenzielle Threat-Konditionierungsparadigmen verwendet, welche aus den Phasen der Threat-Akquisition, des Extinktionslernens und der Re-Extinktion bestanden. In der Threat-Akquisitionsphase wurden zwei geometrische Figuren als konditionierte Stimuli (CS) verwendet. Eine dieser Figuren (CS+) wurde mit einem leicht schmerzhaften elektrischen Stromreiz (unkonditionierter Stimulus, US) gekoppelt, wohingegen solch eine Paarung mit der anderen Figur (CS-) ausblieb. Während des Extinktionslernens und der Re-Extinktion, welche jeweils 24 h und 17 Tage nach der Akquisition stattfanden, wurden beide CSs ohne US-Paarung wiederholt präsentiert. In der ersten Studie durchliefen 69 Probanden entweder ein Stress- (Sozial-evaluativer Cold Pressor Test, SECPT) oder ein Sham-Kontrollprotokoll, welches zehn Tage vor dem Threat-Konditionierungsparadigma stattfand. Darüber hinaus wurden Kontexteffekte untersucht. Dieses wurde durch die Platzierung des Stressprotokolls, entweder im gleichen (Kontext-A Stress & Shamgruppe) oder in einem anderen Kontext (Kontext-B Stressgruppe) als das Lernparadigma, realisiert. Die Ergebnisse demonstrieren für die Kontext-A Stressgruppe im Gegensatz zur Kontext-B Stressgruppe während der Akquisitionsphase ein verschlechtertes Sicherheitslernen (d.h. eine Potenzierung der konditionierten Reaktionen des CS-) in der Startle-Reaktion. Darüber hinaus demonstrierte dieselbe Stressgruppe verschlechterte Extinktion, was sich in persistierender CS-Diskrimination in Valenz- und Arousalratings während des Extinktionslernens und des Gedächtnisabrufes äußerte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass distaler Stress einerseits das Sicherheitslernen während der Akquisitionsphase auf der Ebene der Startle-Reaktion verschlechterte. Andererseits verschlechterte Stress die Extinktion und verstärkte die Furchtrückkehr auf der Ebene der subjektiven Ratings. Allerdings ist wichtig zu erwähnen, dass diese Effekte des distalen Stresses nur gefunden wurden, wenn der Stressor im gleichen Kontext wie das Konditionierungsparadigma appliziert wurde. Dieses lässt vermuten, dass die Kombination aus Stressor und stressor-assoziiertem Kontext den verschlechternden Effekt auf die Extinktion ausübten. In der zweiten Studie wurde darauf aufbauend untersucht, ob distale Stressinduktion einen Einfluss auf Threat- und Extinktionsprozesse, auch ohne die Notwendigkeit der Kontextassoziation, haben kann. Hierfür wurden das gleiche Stress- (n = 45) und Sham-Kontrollprotokoll (n = 44) wie in Studie 1 durchlaufen. In diesem Fall jedoch in einem anderen Kontext und 24 h vor dem Konditionierungsparadigma. Vergleichbar mit Studie 1 konnte abgeschwächtes Extinktionslernen für die Stress- im Vergleich zur Shamgruppe festgestellt werden. Es zeigte sich nur für die Stressgruppe eine anhaltende CS+/CS- Differenzierung in den Furchtratings nach dem ersten Block des Extinktionslernens. Unterschiede im Sicherheitslernen bezüglich des CS- während der Akquisitionsphase ließen sich nicht finden. Jedoch deuten signifikante Korrelation zwischen Stressmaßen am Stresstag und der konditionierten Startle-Reaktion auf den CS- während der Akquisition auf einen Einfluss von Stress auf das Sicherheitslernen hin. Zusammengefasst liefern die Studien dieser Dissertation erste Evidenzen für verschlechterte Extinktionsprozesse nach distaler Stressinduktion beim Menschen. Darüber hinaus konnten Einbußen im Sicherheitslernen aufgrund des Stressors verzeichnet werden. Hervorzuheben ist, dass der Stresseffekt durch die Assoziation zwischen Stressor und Konditionierungskontext verstärkt wurde. Die Ergebnisse dieser Dissertation haben klinische Relevanz, da sie erste experimentelle Evidenzen am Menschen für die Annahme liefern, dass vorherige Stresserfahrungen ein Individuum vulnerabler für späteres aversives Lernen machen. KW - Stress KW - Stress KW - Lernen KW - threat conditioning KW - learning and memory KW - Furcht KW - Assoziatives Lernen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-225562 ER - TY - JOUR A1 - Huestegge, Lynn A1 - Pieczykolan, Aleks A1 - Koch, Iring T1 - A Gestalt account of human behavior is supported by evidence from switching between single and dual actions JF - Scientific Reports N2 - The question of how behavior is represented in the mind lies at the core of psychology as the science of mind and behavior. While a long-standing research tradition has established two opposing fundamental views of perceptual representation, Structuralism and Gestalt psychology, we test both accounts with respect to action representation: Are multiple actions (characterizing human behavior in general) represented as the sum of their component actions (Structuralist view) or holistically (Gestalt view)? Using a single-/dual-response switch paradigm, we analyzed switches between dual ([A + B]) and single ([A], [B]) responses across different effector systems and revealed comparable performance in partial repetitions and full switches of behavioral requirements (e.g., in [A + B] → [A] vs. [B] → [A], or [A] → [A + B] vs. [B] → [A + B]), but only when the presence of dimensional overlap between responses allows for Gestalt formation. This evidence for a Gestalt view of behavior in our paradigm challenges some fundamental assumptions in current (tacitly Structuralist) action control theories (in particular the idea that all actions are represented compositionally with reference to their components), provides a novel explanatory angle for understanding complex, highly synchronized human behavior (e.g., dance), and delimitates the degree to which complex behavior can be analyzed in terms of its basic components. KW - cognitive neuroscience KW - human behaviour KW - learning and memory Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-357862 VL - 13 ER -