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Patienten mit Depression zeigen typischerweise eine Beeinträchtigung kognitiver Funktionen, vor allem im Bereich der exekutiven Funktionen. Als neuroanatomisches Korrelat konnte den exekutiven Funktionen der präfrontale Kortex zugeordnet werden. In den bisherigen bildgebenden Untersuchungen bei depressiven Patienten konnte vor allem eine Hypofrontalität festgestellt werden. Durch verschiedene neuropsychologische Tests konnten kognitive Defizite vor allem im visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnis gezeigt werden. Als neuroanatomisches Korrelat konnte dem Arbeitsgedächtnis der DLPFC zugeordnet werden. Die bisher durchgeführten kombinierten Untersuchungen bei depressiven Patienten lieferten jedoch keine einheitlichen Ergebnisse. Mittelpunkt unserer Untersuchung war es deshalb mittels NIRS während der Durchführung eines Tests für das visuell-räumliche und das objektbezogene Arbeitsgedächtnis sowohl bei einer Patientengruppe mit unipolarer Depression als auch bei einer gesunden Kontrollgruppe die Aktivierungsmuster des präfrontalen Kortex zu ermitteln. Für den Zusammenhang zwischen der Hirnaktivierung und der Schwere der depressiven Erkrankung konnten keine signifikanten Korrelationen gezeigt werden. Dies spricht gegen den „state“-Charakter und für den „trait“-Charakter der Hypofrontalität bei einer depressiven Erkrankung. Die bezüglich der Verhaltensdaten gerechneten Varianzanalysen zeigten eine deutliche Schwierigkeitsabstufung zwischen den drei Bedingungen (OWM>VWM>KON). Der fehlende Interaktionseffekt Gruppe x Bedingung, also eine höhere Reaktionszeit der Patienten während allen Aufgaben und nicht nur während OWM und VWM deutet auf eine allgemeine Verlangsamung im Sinne einer psychomotorischen Verlangsamung hin und nicht wie erwartet auf ein besonderes Defizit im Bereich kognitiver Funktionen. Interaktionseffekte bei den bildgebenden Daten bei gleichzeitig fehlenden Interaktionsnachweisen bei den Verhaltensdaten deuten an, dass die funktionellen Daten unabhängig von den Verhaltensdaten interpretiert werden können. Ein kognitives Defizit für beide Komponenten des visuell-räumlichen Arbeitsgedächtnisses bei Patienten mit einer depressiven Erkrankung zeigt sich in unserer Untersuchung also weniger über die Verhaltensdaten als vielmehr über die verminderte Hirnaktivierung während OWM und VWM. Im Gruppenvergleich konnte in den ROI-Analysen für OWM und VWM wie erwartet ein spezieller Arbeitsgedächtniseffekt gezeigt werden, also eine höhere Aktivierung der Kontrollgruppe speziell für die Arbeitsgedächtnisaufgaben. Es wurde also insgesamt in unserer Untersuchung eine präfrontale Hypoaktivierung bei Patienten mit einer depressiven Erkrankung festgestellt.
Bei Kindern mit Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) konnten Defizite in der Leistung des Arbeitsgedächtnisses nachgewiesen werden. In zahlreichen funktionell bildgebenden Studien zeigte sich außerdem ein mit dem Arbeitsgedächtnis assoziierter Unterschied in der präfrontalen Aktivierung im Vergleich zu Gesunden. Bisher wurde jedoch noch nicht näher analysiert, ob diese Defizite von der Komponente (visuell-räumliches (SWM) oder visuell-bildliches Arbeitsgedächtnis (OWM)) oder dem Prozess des Arbeitsgedächtnisses (untergeordnete Speichersysteme oder zentrale Exekutive) abhängig sind. Diese Arbeit ist die erste, die mit der funktionellen Nah-Infrarot Spektroskopie (fNIRS) das Arbeitsgedächtnis bei Kindern mit ADHS untersucht. Dabei war das Hauptziel zum einen die Replikation von Gruppenunterschieden in Verhalten und präfrontaler Aktivierung und zum anderen die Gewinnung näherer Informationen über die differentielle Ausprägung der präfrontalen Defizite bei ADHS. Die Stichprobe bestand aus 19 Kindern mit ADHS vom kombinierten Typ (DSM-IV) und 19 Kontrollkindern, die vergleichbar waren nach Alter (8-15 Jahre), Geschlecht, Händigkeit und Intelligenz. Das von uns gewählte Paradigma differenzierte zwischen Aufgaben zum OWM und SWM, innerhalb derer wiederum zwei prozessabhängige Phasen (Speicherung und Abgleich) unterschieden wurden, und enthielt zusätzlich eine Kontrollaufgabe (CON). Die präfrontale Aktivierung wurde mittels fNIRS über die Konzentrationsänderungen der Chromophoren oxygeniertes Hämoglobin (O2Hb) und deoxygeniertes Hämoglobin (HHb) bestimmt. Es zeigte sich ein signifikant unterschiedliches Verhalten abhängig von der Bedingung (CON > SWM > OWM). Eine typische präfrontale Aktivierung des Arbeitsgedächtnisses mit der höchsten Aktivierung im dorsolateralen präfrontalen Kortex (DLPFC) beschränkte sich auf die Abgleichphase. Weder in Hinblick auf das Verhalten noch auf die präfrontale Aktivierung konnten signifikante Gruppenunterschiede nachgewiesen werden. Für das Nichtauftreten von Gruppenunterschieden können verschiedene mögliche Gründe angeführt werden. Unter anderem legten explorative Analysen nahe, dass Kinder mit ADHS und gesunde Kinder unterschiedlichen Reifungsprozessen unterliegen. Auch scheint die chronische Einnahme der ADHS-Standardmedikation einen Einfluss auf die Hirnaktivität zu nehmen. Die Diskussion unserer Ergebnisse stellt zusammen mit der Offenlegung von Kritikpunkten an unserer sowie an vorhergehenden Studien einen wichtigen Ansatzpunkt zur Versuchsoptimierung in zukünftigen Arbeiten dar. Darüber hinaus ist weitere Forschung nötig, um detailliertere Kenntnisse über den Einfluss von Alter, Reifungsprozessen, chronischer MPH-Medikation, ADHS-Subtypen und dem Aufgabendesign zu erlangen.
Neural responses to a working memory task in acute depressed and remitted phases in bipolar patients
(2023)
(1) Cognitive impairments such as working memory (WM) deficits are amongst the most common dysfunctions characterizing bipolar disorder (BD) patients, severely contributing to functional impairment. We aimed to investigate WM performance and associated brain activation during the acute phase of BD and to observe changes in the same patients during remission. (2) Frontal brain activation was recorded using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) during n-back task conditions (one-back, two-back and three-back) in BD patients in their acute depressive (n = 32) and remitted (n = 15) phases as well as in healthy controls (n = 30). (3) Comparison of BD patients during their acute phase with controls showed a trend (p = 0.08) towards lower dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) activation. In the remitted phase, BD patients showed lower dlPFC and ventrolateral prefrontal cortex (vlPFC) activation (p = 0.02) compared to controls. No difference in dlPFC and vlPFC activation between BD patients’ phases was found. (4) Our results showed decreased working memory performance in BD patients during the working memory task in the acute phase of disease. Working memory performance improved in the remitted phase of the disease but was still particularly attenuated for the more demanding conditions.
Disorder-relevant but task-unrelated stimuli impair cognitive performance in social anxiety disorder (SAD); however, time course and neural correlates of emotional interference are unknown. The present study investigated time course and neural basis of emotional interference in SAD using event-related functional magnetic resonance imaging (fMRI). Patients with SAD and healthy controls performed an emotional stroop task which allowed examining interference effects on the current and the succeeding trial. Reaction time data showed an emotional interference effect in the current trial, but not the succeeding trial, specifically in SAD. FMRI data showed greater activation in the left amygdala, bilateral insula, medial prefrontal cortex (mPFC), dorsal anterior cingulate cortex (ACC), and left opercular part of the inferior frontal gyrus during emotional interference of the current trial in SAD patients. Furthermore, we found a positive correlation between patients' interference scores and activation in the mPFC, dorsal ACC and left angular/supramarginal gyrus. Taken together, results indicate a network of brain regions comprising amygdala, insula, mPFC, ACC, and areas strongly involved in language processing during the processing of task-unrelated threat in SAD. However, specifically the activation in mPFC, dorsal ACC, and left angular/supramarginal gyrus is associated with the strength of the interference effect, suggesting a cognitive network model of attentional bias in SAD. This probably comprises exceeded allocation of attentional resources to disorder-related information of the presented stimuli and increased self-referential and semantic processing of threat words in SAD.
Regulating our immediate feelings, needs, and urges is a task that we are faced with every day in our lives. The effective regulation of our emotions enables us to adapt to society, to deal with our environment, and to achieve long‐term goals. Deficient emotion regulation, in contrast, is a common characteristic of many psychiatric and neurological conditions. Particularly anxiety disorders and subclinical states of increased anxiety are characterized by a range of behavioral, autonomic, and neural alterations impeding the efficient down‐regulation of acute fear. Established fear network models propose a downstream prefrontal‐amygdala circuit for the control of fear reactions but recent research has shown that there are a range of factors acting on this network. The specific prefrontal cortical networks involved in effective regulation and potential mediators and modulators are still a subject of ongoing research in both the animal and human model. The present research focused on the particular role of different prefrontal cortical regions during the processing of fear‐relevant stimuli in healthy subjects. It is based on four studies, three of them investigating a different potential modulator of prefrontal top‐down function and one directly challenging prefrontal regulatory processes. Summarizing the results of all four studies, it was shown that prefrontal functioning is linked to individual differences in state anxiety, autonomic flexibility, and genetic predisposition. The T risk allele of the neuropeptide S receptor gene, a recently suggested candidate gene for pathologically elevated anxiety, for instance, was associated with decreased prefrontal cortex activation to particularly fear‐relevant stimuli. Furthermore, the way of processing has been found to crucially determine if regulatory processes are engaged at all and it was shown that anxious individuals display generally reduced prefrontal activation but may engage in regulatory processes earlier than non‐anxious subjects. However, active manipulation of prefrontal functioning in healthy subjects did not lead to the typical behavioral and neural patterns observed in anxiety disorder patients suggesting that other subcortical or prefrontal structures can compensate for an activation loss in one specific region. Taken together, the current studies support prevailing theories of the central role of the prefrontal cortex for regulatory processes in response to fear‐eliciting stimuli but point out that there are a range of both individual differences and peculiarities in experimental design that impact on or may even mask potential effects in neuroimaging research on fear regulation.
Angststörungen gehören zu den häufigsten psychischen Erkrankungen in Deutschland, dabei könnten Hirnstimulationstechniken unterstützend zu bisherigen Therapieverfahren Anwendung finden. Für die Entstehung und Behandlung von Angststörungen spielen die Prozesse der Konditionierung und Extinktion eine große Rolle, wobei im präfrontalen Kortex eine erhöhte Aktivität gemessen werden kann. 51 gesunde Probanden nahmen an einem Furchtkonditionierungsexperiment mit zwei männlichen Gesichtern als CS+ und CS- sowie einem Schrei als aversiven Stimulus teil. Es wurde untersucht, inwieweit die bilaterale transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) des dorsolateralen präfrontalen Kortex die Extinktion moduliert. Die Stimulation erfolgte mittels tDCS links-kathodal über Position F3, rechts-anodal über Position F4 für 20 Minuten mit 2 mA und einer Elektrodengröße von 35 cm². Es wurden die Hautleitfähigkeit und der Startle-Reflex als physiologische Parameter der Furcht erfasst sowie Valenz und Arousal für die Stimuli durch subjektive Ratings erhoben. Bei den erfolgreich konditionierten Probanden (n = 28) kam es in der verum-tDCS-Gruppe während der frühen Extinktion zu einer signifikanten Zunahme der Hautleitfähigkeit auf CS-. Möglicherweise wurde durch die tDCS-Stimulation des dorsolateralen präfrontalen Kortex eine Furchtgeneralisierung ausgelöst. Ein anderer Erklärungsansatz für die gefundenen Ergebnisse ist die Modulation von Aufmerksamkeitsprozessen durch die Stimulation. Weitere Forschung ist nötig, bevor eine klinische tDCS-Anwendung bei Patienten mit Angststörungen möglich ist.
Major depression (MD) and posttraumatic stress disorder (PTSD) share common brain mechanisms and treatment strategies. Nowadays, the dramatically developing COVID-19 situation unavoidably results in stress, psychological trauma, and high incidence of MD and PTSD. Hence, the importance of the development of new treatments for these disorders cannot be overstated. Herbal medicine appears to be an effective and safe treatment with fewer side effects than classic pharmaca and that is affordable in low-income countries. Currently, oxidative stress and neuroinflammation attract increasing attention as important mechanisms of MD and PTSD. We investigated the effects of a standardized herbal cocktail (SHC), an extract of clove, bell pepper, basil, pomegranate, nettle, and other plants, that was designed as an antioxidant treatment in mouse models of MD and PTSD. In the MD model of “emotional” ultrasound stress (US), mice were subjected to ultrasound frequencies of 16–20 kHz, mimicking rodent sounds of anxiety/despair and “neutral” frequencies of 25–45 kHz, for three weeks and concomitantly treated with SHC. US-exposed mice showed elevated concentrations of oxidative stress markers malondialdehyde and protein carbonyl, increased gene and protein expression of pro-inflammatory cytokines interleukin (IL)-1β and IL-6 and other molecular changes in the prefrontal cortex as well as weight loss, helplessness, anxiety-like behavior, and neophobia that were ameliorated by the SHC treatment. In the PTSD model of the modified forced swim test (modFST), in which a 2-day swim is followed by an additional swim on day 5, mice were pretreated with SHC for 16 days. Increases in the floating behavior and oxidative stress markers malondialdehyde and protein carbonyl in the prefrontal cortex of modFST-mice were prevented by the administration of SHC. Chromatography mass spectrometry revealed bioactive constituents of SHC, including D-ribofuranose, beta-D-lactose, malic, glyceric, and citric acids that can modulate oxidative stress, immunity, and gut and microbiome functions and, thus, are likely to be active antistress elements underlying the beneficial effects of SHC. Significant correlations of malondialdehyde concentration in the prefrontal cortex with altered measures of behavioral despair and anxiety-like behavior suggest that the accumulation of oxidative stress markers are a common biological feature of MD and PTSD that can be equally effectively targeted therapeutically with antioxidant therapy, such as the SHC investigated here.
In Vivo Imaging of Stepwise Vessel Occlusion in Cerebral Photothrombosis of Mice by \(^{19}\)F MRI
(2011)
Background
\(^{19}\)F magnetic resonance imaging (MRI) was recently introduced as a promising technique for in vivo cell tracking. In the present study we compared \(^{19}\)F MRI with iron-enhanced MRI in mice with photothrombosis (PT) at 7 Tesla. PT represents a model of focal cerebral ischemia exhibiting acute vessel occlusion and delayed neuroinflammation.
Methods/Principal Findings
Perfluorocarbons (PFC) or superparamagnetic iron oxide particles (SPIO) were injected intravenously at different time points after photothrombotic infarction. While administration of PFC directly after PT induction led to a strong \(^{19}\)F signal throughout the entire lesion, two hours delayed application resulted in a rim-like \(^{19}\)F signal at the outer edge of the lesion. These findings closely resembled the distribution of signal loss on T2-weighted MRI seen after SPIO injection reflecting intravascular accumulation of iron particles trapped in vessel thrombi as confirmed histologically. By sequential administration of two chemically shifted PFC compounds 0 and 2 hours after illumination the different spatial distribution of the \(^{19}\)F markers (infarct core/rim) could be visualized in the same animal. When PFC were applied at day 6 the fluorine marker was only detected after long acquisition times ex vivo. SPIO-enhanced MRI showed slight signal loss in vivo which was much more prominent ex vivo indicative for neuroinflammation at this late lesion stage.
Conclusion
Our study shows that vessel occlusion can be followed in vivo by \(^{19}\)F and SPIO-enhanced high-field MRI while in vivo imaging of neuroinflammation remains challenging. The timing of contrast agent application was the major determinant of the underlying processes depicted by both imaging techniques. Importantly, sequential application of different PFC compounds allowed depiction of ongoing vessel occlusion from the core to the margin of the ischemic lesions in a single MRI measurement.
Genome wide association meta-analysis identified ST3GAL3, a gene encoding the beta-galactosidase-alpha-2,3-sialyltransferase-III, as a risk gene for attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD). Although loss-of-function mutations in ST3GAL3 are implicated in non-syndromic autosomal recessive intellectual disability (NSARID) and West syndrome, the impact of ST3GAL3 haploinsufficiency on brain function and the pathophysiology of neurodevelopmental disorders (NDDs), such as ADHD, is unknown. Since St3gal3 null mutant mice display severe developmental delay and neurological deficits, we investigated the effects of partial inactivation of St3gal3 in heterozygous (HET) knockout (St3gal3±) mice on behavior as well as expression of markers linked to myelination processes and sialylation pathways. Our results reveal that male St3gal3 HET mice display cognitive deficits, while female HET animals show increased activity, as well as increased cognitive control, compared to their wildtype littermates. In addition, we observed subtle alterations in the expression of several markers implicated in oligodendrogenesis, myelin formation, and protein sialylation as well as cell adhesion/synaptic target glycoproteins of ST3GAL3 in a brain region- and/or sex-specific manner. Taken together, our findings indicate that haploinsufficiency of ST3GAL3 results in a sex-dependent alteration of cognition, behavior and markers of brain plasticity.
Ständig kontrollieren wir das Ergebnis unserer Handlungen. Ist das Ergebnis ein anderes als erwartet, wird dies als Fehler erkannt und es erfolgt dann der Versuch, das Verhalten entsprechend anzupassen. Die zugrunde liegenden elektrophysiologischen Korrelate können mittels Ereignis-korrelierter Potentiale untersucht werden (ERN, „error-related negativity“ und Pe, „error positivity“). Offenkundige und latente Dysfunktionen der Handlungsüberwachung, die unter anderem durch pathologische Veränderungen der kortikalen Exzitabilität bedingt werden, konnten bei Patienten mit neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen beobachtet werden. Die Modulation der für die Fehlerverarbeitung relevanten Hirnregionen des medialen präfrontalen Kortex wäre deshalb wünschenswert und soll in der vorliegenden Arbeit untersucht werden. Eine Möglichkeit zur Modulation zerebraler Erregbarkeit stellt die Transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) dar. In unserer Untersuchung haben wir den Effekt von tDCS bei 48 gesunden Teilnehmern getestet, die drei Gruppen randomisiert zugeordnet wurden (anodale, kathodale und SHAM-Stimulation). Während einer 22-minütigen Stimulation mit tDCS über dem medialen frontalen Kortex führten die Probanden eine modifizierte Eriksen Flanker Aufgabe aus. Parallel dazu wurde ein EEG zur Analysierung der ERN und Pe aufgenommen. Es konnte gezeigt werden, dass kathodale Stimulation im Vergleich zu anodaler und SHAM Stimulation die Amplitude von Subkomponenten der Pe verringert, während kein Effekt auf die ERN nachgewiesen werden konnte. Bei der Untersuchung der Modulation der Fehlerverarbeitung durch transkranielle Stimulation mit tDCS konnten wir somit Hinweise auf einen kathodal-inhibitorischen Effekt auf die kortikale Exzitabilität bei gesunden Probanden finden, was Perspektiven für eine zukünftige Modulation der zugrunde liegenden neuronalen Netzwerke eröffnet. Trotzdem werden weitere Studien notwendig sein, um zu klären, inwieweit der Effekt auf die späte Pe auch von funktioneller Relevanz ist. Zukünftige Studien werden die (Patho)physiologie zugrunde liegender Fehlerüberwachungssysteme auf Zell- und Systemebene weiter untersuchen müssen, um eine Optimierung der stimulations-induzierten Effekte erreichen zu können und um tDCS als eine mögliche wertvolle Therapieoption für Patienten mit Dysfunktionen der Fehlerverarbeitung etablieren zu können.
Extinction is an important mechanism to inhibit initially acquired fear responses. There is growing evidence that the ventromedial prefrontal cortex (vmPFC) inhibits the amygdala and therefore plays an important role in the extinction of delay fear conditioning. To our knowledge, there is no evidence on the role of the prefrontal cortex in the extinction of trace conditioning up to now. Thus, we compared brain structures involved in the extinction of human delay and trace fear conditioning in a between-subjects-design in an fMRI study. Participants were passively guided through a virtual environment during learning and extinction of conditioned fear. Two different lights served as conditioned stimuli (CS); as unconditioned stimulus (US) a mildly painful electric stimulus was delivered. In the delay conditioning group (DCG) the US was administered with offset of one light (CS+), whereas in the trace conditioning group (TCG) the US was presented 4s after CS+ offset. Both groups showed insular and striatal activation during early extinction, but differed in their prefrontal activation. The vmPFC was mainly activated in the DCG, whereas the TCG showed activation of the dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) during extinction. These results point to different extinction processes in delay and trace conditioning. VmPFC activation during extinction of delay conditioning might reflect the inhibition of the fear response. In contrast, dlPFC activation during extinction of trace conditioning may reflect modulation of working memory processes which are involved in bridging the trace interval and hold information in short term memory.
The present study investigated changes in cortical oxygenation during mental arithmetic using near-infrared spectroscopy (NIRS). Twenty-nine male volunteers were examined using a 52-channel continuous wave system for analyzing activity in prefrontal areas. With the help of a probabilistic mapping method, three regions of interest (ROIs) on each hemisphere were defined: The inferior frontal gyri (IFG), the middle frontal gyri (MFG), and the superior frontal gyri (SFG). Oxygenation as an indicator of functional brain activation was compared over the three ROI and two levels of arithmetic task difficulty (simple and complex additions). In contrast to most previous studies using fMRI or NIRS, in the present study arithmetic tasks were presented verbally in analogue to many daily life situations. With respect to task difficulty, more complex addition tasks led to higher oxygenation in all defined ROI except in the left IFG compared to simple addition tasks. When compared to the channel positions covering different gyri of the temporal lobe, the observed sensitivity to task complexity was found to be restricted to the specified ROIs. As to the comparison of ROIs, the highest oxygenation was found in the IFG, while MFG and SFG showed significantly less activation compared to IFG. The present cognitive-neuroscience approach demonstrated that NIRS is a suitable and highly feasible research tool for investigating and quantifying neural effects of increasing arithmetic task difficulty.
Despite fine tuning voluntary movement as the most prominently studied function of the cerebellum, early human studies suggested cerebellar involvement emotion regulation. Since, the cerebellum has been associated with various mood and anxiety-related conditions. Research in animals provided evidence for cerebellar contributions to fear memory formation and extinction. Fear and anxiety can broadly be referred to as defensive states triggered by threat and characterized by multimodal adaptations such as behavioral and cardiac responses integrated into an intricately orchestrated defense reaction. This is mediated by an evolutionary conserved, highly interconnected network of defense-related structures with functional connections to the cerebellum. Projections from the deep cerebellar nucleus interpositus to the central amygdala interfere with retention of fear memory. Several studies uncovered tight functional connections between cerebellar deep nuclei and pyramis and the midbrain periaqueductal grey. Specifically, the fastigial nucleus sends direct projections to the ventrolateral PAG to mediate fear-evoked innate and learned freezing behavior. The cerebellum also regulates cardiovascular responses such as blood pressure and heart rate-effects dependent on connections with medullary cardiac regulatory structures. Because of the integrated, multimodal nature of defensive states, their adaptive regulation has to be highly dynamic to enable responding to a moving threatening stimulus. In this, predicting threat occurrence are crucial functions of calculating adequate responses. Based on its role in prediction error generation, its connectivity to limbic regions, and previous results on a role in fear learning, this review presents the cerebellum as a regulator of integrated cardio-behavioral defensive states.
Background: During early prenatal stages of brain development, serotonin (5-HT)-specific neurons migrate through somal translocation to form the raphe nuclei and subsequently begin to project to their target regions. The rostral cluster of cells, comprising the median and dorsal raphe (DR), innervates anterior regions of the brain, including the prefrontal cortex. Differential analysis of the mouse 5-HT system transcriptome identified enrichment of cell adhesion molecules in 5-HT neurons of the DR. One of these molecules, cadherin-13 (Cdh13) has been shown to play a role in cell migration, axon pathfinding, and synaptogenesis. This study aimed to investigate the contribution of Cdh13 to the development of the murine brain 5-HT system.
Methods: For detection of Cdh13 and components of the 5-HT system at different embryonic developmental stages of the mouse brain, we employed immunofluorescence protocols and imaging techniques, including epifluorescence, confocal and structured illumination microscopy. The consequence of CDH13 loss-of-function mutations on brain 5-HT system development was explored in a mouse model of Cdh13 deficiency.
Results: Our data show that in murine embryonic brain Cdh13 is strongly expressed on 5-HT specific neurons of the DR and in radial glial cells (RGCs), which are critically involved in regulation of neuronal migration. We observed that 5-HT neurons are intertwined with these RGCs, suggesting that these neurons undergo RGC-guided migration. Cdh13 is present at points of intersection between these two cell types. Compared to wildtype controls, Cdh13-deficient mice display increased cell densities in the DR at embryonic stages E13.5, E17.5, and adulthood, and higher serotonergic innervation of the prefrontal cortex at E17.5.
Conclusion: Our findings provide evidence for a role of CDH13 in the development of the serotonergic system in early embryonic stages. Specifically, we indicate that Cdh13 deficiency affects the cell density of the developing DR and the posterior innervation of the prefrontal cortex (PFC), and therefore might be involved in the migration, axonal outgrowth and terminal target finding of DR 5-HT neurons. Dysregulation of CDH13 expression may thus contribute to alterations in this system of neurotransmission, impacting cognitive function, which is frequently impaired in neurodevelopmental disorders including attention-deficit/hyperactivity and autism spectrum disorders.