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Decreased oligodendrocyte number in hippocampal subfield CA4 in schizophrenia: a replication study
(2022)
Hippocampus-related cognitive deficits in working and verbal memory are frequent in schizophrenia, and hippocampal volume loss, particularly in the cornu ammonis (CA) subregions, was shown by magnetic resonance imaging studies. However, the underlying cellular alterations remain elusive. By using unbiased design-based stereology, we reported a reduction in oligodendrocyte number in CA4 in schizophrenia and of granular neurons in the dentate gyrus (DG). Here, we aimed to replicate these findings in an independent sample. We used a stereological approach to investigate the numbers and densities of neurons, oligodendrocytes, and astrocytes in CA4 and of granular neurons in the DG of left and right hemispheres in 11 brains from men with schizophrenia and 11 brains from age- and sex-matched healthy controls. In schizophrenia, a decreased number and density of oligodendrocytes was detected in the left and right CA4, whereas mean volumes of CA4 and the DG and the numbers and density of neurons, astrocytes, and granular neurons were not different in patients and controls, even after adjustment of variables because of positive correlations with postmortem interval and age. Our results replicate the previously described decrease in oligodendrocytes bilaterally in CA4 in schizophrenia and point to a deficit in oligodendrocyte maturation or a loss of mature oligodendrocytes. These changes result in impaired myelination and neuronal decoupling, both of which are linked to altered functional connectivity and subsequent cognitive dysfunction in schizophrenia.
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.
Brain serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) system dysfunction is implicated in exaggerated fear responses triggering various anxiety-, stress-, and trauma-related disorders. However, the underlying mechanisms are not well understood. Here, we investigated the impact of constitutively inactivated 5-HT synthesis on context-dependent fear learning and extinction using tryptophan hydroxylase 2 (Tph2) knockout mice. Fear conditioning and context-dependent fear memory extinction paradigms were combined with c-Fos imaging and electrophysiological recordings in the dorsal hippocampus (dHip). Tph2 mutant mice, completely devoid of 5-HT synthesis in brain, displayed accelerated fear memory formation and increased locomotor responses to foot shock. Furthermore, recall of context-dependent fear memory was increased. The behavioral responses were associated with increased c-Fos expression in the dHip and resistance to foot shock-induced impairment of hippocampal long-term potentiation (LTP). In conclusion, increased context-dependent fear memory resulting from brain 5-HT deficiency involves dysfunction of the hippocampal circuitry controlling contextual representation of fear-related behavioral responses.
Juvenile neuronal ceroid lipofuscinosis (JNCL or Batten disease) caused by mutations in the CLN3 gene is the most prevalent inherited neurodegenerative disease in childhood resulting in widespread central nervous system dysfunction and premature death. The consequences of CLN3 mutation on the progression of the disease, on neuronal transmission, and on central nervous network dysfunction are poorly understood. We used Cln3 knockout (Cln3\(^{Δex1-6}\)) mice and found increased anxiety-related behavior and impaired aversive learning as well as markedly affected motor function including disordered coordination. Patch-clamp and loose-patch recordings revealed severely affected inhibitory and excitatory synaptic transmission in the amygdala, hippocampus, and cerebellar networks. Changes in presynaptic release properties may result from dysfunction of CLN3 protein. Furthermore, loss of calbindin, neuropeptide Y, parvalbumin, and GAD65-positive interneurons in central networks collectively support the hypothesis that degeneration of GABAergic interneurons may be the cause of supraspinal GABAergic disinhibition.
Ablation of BRaf Impairs Neuronal Differentiation in the Postnatal Hippocampus and Cerebellum
(2013)
This study focuses on the role of the kinase BRaf in postnatal brain development. Mice expressing truncated, non-functional BRaf in neural stem cell-derived brain tissue demonstrate alterations in the cerebellum, with decreased sizes and fuzzy borders of the glomeruli in the granule cell layer. In addition we observed reduced numbers and misplaced ectopic Purkinje cells that showed an altered structure of their dendritic arborizations in the hippocampus, while the overall cornus ammonis architecture appeared to be unchanged. In male mice lacking BRaf in the hippocampus the size of the granule cell layer was normal at postnatal day 12 (P12) but diminished at P21, as compared to control littermates. This defect was caused by a reduced ability of dentate gyrus progenitor cells to differentiate into NeuN positive granule cell neurons. In vitro cell culture of P0/P1 hippocampal cells revealed that BRaf deficient cells were impaired in their ability to form microtubule-associated protein 2 positive neurons. Together with the alterations in behaviour, such as autoaggression and loss of balance fitness, these observations indicate that in the absence of BRaf all neuronal cellular structures develop, but neuronal circuits in the cerebellum and hippocampus are partially disturbed besides impaired neuronal generation in both structures.
The purpose of this study was to evaluate whether spatial hippocampus-dependent learning is affected by the serotonergic system and stress. Therefore, 5-HTT knockout (-/-), heterozygous (+/-) and wildtype (+/+) mice were subjected to the Barnes maze (BM) and the Morris water maze (WM), the latter being discussed as more aversive. Additionally, immediate early gene (IEG) expression, hippocampal adult neurogenesis (aN), and blood plasma corticosterone were analyzed.
While the performance of 5-HTT-/- mice in the BM was undistinguishable from both other genotypes, they performed worse in the WM. However, in the course of the repeated WM trials 5-HTT-/- mice advanced to wildtype level. The experience of a single trial of either the WM or the BM resulted in increased plasma corticosterone levels in all genotypes. After several trials 5-HTT-/- mice exhibited higher corticosterone concentrations compared with both other genotypes in both tests. Corticosterone levels were highest in 5-HTT-/- mice tested in the WM indicating greater aversiveness of the WM and a greater stress sensitivity of 5-HTT deficient mice.
Quantitative immunohistochemistry in the hippocampus revealed increased cell counts positive for the IEG products cFos and Arc as well as for proliferation marker Ki67 and immature neuron marker NeuroD in 5-HTT-/- mice compared to 5-HTT+/+ mice, irrespective of the test. Most differences were found in the suprapyramidal blade of the dentate gyrus of the septal hippocampus. Ki67-immunohistochemistry revealed a genotype x environment interaction with 5-HTT genotype differences in naïve controls and WM experience exclusively yielding more Ki67-positive cells in 5-HTT+/+ mice. Moreover, in 5-HTT-/- mice we demonstrate that learning performance correlates with the extent of aN.
Overall, higher baseline IEG expression and increased an in the hippocampus of 5-HTT-/- mice together with increased stress sensitivity may constitute the neurobiological correlate of raised alertness, possibly impeding optimal learning performance in the more stressful WM.
Das serotonerge System des Gehirns mit seinen Projektionen ins limbische System ist an der Pathogenese der Depression und anderer neuropsychiatrischer Erkrankungen beteiligt. Bei der serotonergen Neurotransmission spielt der Serotonintransporter (5-HTT) eine wichtige Rolle und ist auch therapeutischer Angriffspunkt verschiedener Antidepressiva. Das Tiermodell der 5-HTT-Knockout(KO)-Maus dient der Untersuchung des serotonergen Systems. Diese Tiere besitzen neben einem verstärkten Angst-ähnlichen Verhalten auch erhöhte 5-HT-Konzentrationen im synaptischen Spalt. Lange Zeit war man der Meinung, dass nahezu alle Nervenzellen während der Embryogenese bis kurz nach der Geburt gebildet werden. Neuere Untersuchungen konnten Neurogenese jedoch auch im Gehirn adulter Tiere und auch des Menschen nachweisen. Eine wichtige Gehirnregion mit adulter Neurogenese (aN) bis ins hohe Alter ist der Gyrus dentatus (GD) des Hippocampus. Der Hippocampus ist zentraler Teil des limbischen Systems und hat Schlüsselfunktionen bei Lernprozessen und der Gedächtnisbildung und unterliegt durch seine serotonerge Innervation auch dem Einfluss von 5-HT. Die Zusammenfassung dieser Beobachtungen führte zu folgender Arbeitshypothese: Eine erniedrigte Zahl von 5-HTT führt zu chronisch erhöhten 5-HT-Spiegeln im synaptischen Spalt. Die damit verbundene Stimulation des serotonergen Systems führt zu einer veränderten aN. Ziel der vorliegenden Arbeit war die quantitative Bestimmung von Proliferation, Überleben und Migration neu entstandener Zellen in der KZS des GD von heterozygoten (HET) und homozygoten 5-HTT-Mäusen (KO), die mit Wildtyptieren (WT) verglichen wurden. Dabei wurden ältere Mäusen mit einem Durchschnittsalter von 13,8 Monaten verwendet. In der Gruppe zur Untersuchung der Proliferation wurden die Versuchstiere (n=18) 24 h nach Injektionen mit BrdU getötet und histologische Schnitte des Hippocampus post mortem untersucht. In der Gruppe zur Untersuchung der Überlebensrate und Migration wurden die Mäuse (n=18) 4 Wochen nach den BrdU-Injektionen getötet. Im Proliferationsversuch wurde ein signifikanter Unterschied bei der Konzentration BrdU-markierter Zellkerne in der SGZ zwischen KO-Mäusen im Vergleich zu WT-Tieren gefunden, wobei HET-Mäuse ebenfalls eine signifikant höhere Konzentration BrdU-markierter Zellkerne in der SGZ gegenüber WT-Mäusen zeigten. In diesem Experiment ist somit ein positiver Einfluss des heterozygoten und homozygoten 5-HTT-KO auf die Entstehungsrate neuer Zellen im GD des Hippocampus im Vergleich zu den WT-Tieren feststellbar. Im Versuch zur Feststellung der Überlebensrate neu gebildeter Zellen im Hippocampus nach vier Wochen zeigten KO-Mäuse gegenüber WT- und HET-Mäusen keine signifikant höhere Zahl BrdU-markierter Zellkerne. Auch bei der Untersuchung der Migration war beinahe die Hälfte der BrdU-markierten Zellen von der SGZ in die KZS eingewandert. Ein signifikanter Unterschied zwischen den verschiedenen 5-HTT-Genotypen zeigte sich nicht. Offenbar hat der heterozygote oder homozygote 5-HTT-KO keinen Einfluss auf die Überlebensrate und das Migrationsverhalten neu entstandener Zellen. Bei den in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zur aN in 5-HTT-KO-Mäusen konnte weder bei der Gruppe zur Untersuchung der Proliferation von neuronalen Vorläuferzellen noch bei der Untersuchung der Überlebensrate oder Migration eine Abhängigkeit der ermittelten Konzentration BrdU-positiver Zellen vom Geschlecht oder Alter gefunden werden. Es zeigte sich jedoch eine signifikante negative Korrelation zwischen dem Gewicht der Tiere und dem Anteil gewanderter Zellen im Migrationsversuch, d.h. leichtere Tiere hatten tendenziell einen höheren Anteil von in die KZS eingewanderten Zellen. Zusammengefasst zeigt die vorliegende Arbeit zum einen, dass ältere KO- oder HET-Mäuse im Vergleich zu WT-Tieren eine erhöhte Proliferationsrate von neuronalen Vorläuferzellen aufweisen. Zum anderen konnte ein indirekter Zusammenhang zwischen dem Gewicht der Versuchstiere und der Anzahl von in die KZS eingewanderten Zellen nachgewiesen werden. Bei einer Vergleichsuntersuchung in unserem Hause mit zwei Gruppen jüngerer adulter 5-HTT-KO Mäuse mit einem Durchschnittalter von 7 Wochen und 3 Monaten konnte die Beobachtung einer erhöhten Proliferation nicht gemacht werden. Wir gehen deshalb davon aus, dass in diesem 5-HTT-KO Modell nur in höherem Alter eine veränderte 5-HT-Homöostase zu einer verstärkten Proliferation von neuronalen Vorläuferzellen führt.
Das Phänomen der adulten Neurogenese existiert auch bei Säugetieren während der gesamten Ontogenese. In den letzten Jahren wurden viele physiologische und pathologische Faktoren bestimmt, die einen Einfluss auf die adulte Neurogenese haben. Ein bedeutender Einfluss auf die adulte Neurogenese übt dabei der 5-HT-Spiegel aus. 5-HT reguliert nicht nur während der embryonalen Entwicklung die Zellproliferation, Migration und Differenzierung, sondern ist auch ein wichtiger Faktor bei der adulten Neurogenese. Dabei wirkt 5-HT über den 5-HT1A-Rezeptor positiv auf die Stammzellproliferation und die adulte Neurogenese. Durch eine Therapie mit Antidepressiva kommt es ebenfalls zu einer 5-HT-Erhöhung im Extrazellularraum, dessen anregende Wirkung auf die Proliferation adulter Stammzellen im Gehirn nachgewiesen werden konnte. Darüber hinaus spielt 5-HT auch eine große Rolle bei neurophysiologischen Vorgängen im ZNS, die im Zusammenhang mit Emotionen, Lernen und Motorik stehen. Eine wichtige Grundlage der Depressionsforschung ist die Monoamin-Mangel-Hypothese, welche niedrige 5-HT-Spiegel als Ursache der Depression ansieht. In dieser Arbeit sollte der Einfluss eines existenten lebenslang erhöhten extrazellulären 5-HT-Spiegel auf die Neurogenese und vor allem auf die Differenzierungsrichtung neu gebildeter Zellen untersucht werden. Als Modell wurde eine transgene Mauslinie verwendet, bei der durch Knockout des 5-HTT ein permanent erhöhter extrazellulärer 5-HT-Spiegel vorliegt. Die Stammzellproliferation konnte eindeutig durch eine Markierung sich teilender Zellen mit BrdU nachgewiesen werden. Kolokalisationsstudien mit Hilfe von Immunofluoreszenzfärbungen und der anschließenden Darstellung mit dem Konfokalen Lasermikroskop konnten die Neubildung von Neuronen und Gliazellen und deren Migration an ihren funktionellen Ort darstellen. Es konnte kein signifikanter Unterschied in der Anzahl von im Hippocampus neu gebildeten Neuronen und Astrozyten zwischen Wildtyp- und 5-HTT-KO-Mäusen nachgewiesen werden. Auch die Lokalisation der neu entstandenen und 48 Tage nach BrdU-Applikation nachgewiesenen Zellen war bei den Wildtyp- und 5-HTT-KO-Tieren annähernd gleich. Die überwiegende Zahl mit 70% befand sich in der SGZ, 10 - 15% waren in der KZS lokalisiert und ein kleiner Teil befand sich im Hilus. Wir sind erst am Anfang des Verständnisses der exakten molekularen Mechanismen in der neuroendokrinen Interaktion zwischen Neuronen und deren Transmitter, vor allem dem an zentraler Stelle stehenden 5-HT. Neue Techniken, die nicht nur die morphologische, sondern auch die funktionelle Darstellung der neuronalen und neurophysiologische Tätigkeit liefern, werden in Zukunft neue Erkenntnisse bringen.
Die Proliferation von in der Subgranulärzone des Gyrus dentatus ansässigen neuralen Stammzellen ist der erste Schritt der Neuentstehung von Nervenzellen im adulten Organismus, der so genannten adulten Neurogenese, die in bestimmten neurogenen Nischen des ZNS von Säugetieren und des Menschen vorkommt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass das Enzym endotheliale Stickstoffmonoxidsynthase (NOS-III bzw. eNOS) bzw. durch NOS-III gebildetes Stickstoffmonoxid (NO) die Proliferation neuraler Stamm- bzw. Vorläuferzellen im Gyrus dentatus des Hippokampus positiv reguliert, da Mäuse, bei denen das Gen für dieses Enzym deletiert ist, über eine signifikant erniedrigte Stammzellproliferation verfügen. NOS-III-Knockout-Mäuse zeigen außerdem erhöhte Volumina von Substrukturen des Gyrus dentatus. Biometrische Faktoren, wie z. B. Alter, Geschlecht, Körpergewicht, Umgebungsbedingungen, hatten dagegen keinen signifikanten Einfluss auf die adulte Neurogenese. Die Abnahme der adulten Neurogenese bei NOS-III-Knockout-Tieren ist fast vollständig auf die Reduktion der Stammzellproliferation in der Subgranulärzone des Gyrus dentatus zurückzuführen. Ein Netto-Zuwachs an neu gebildeten Neuronen 4 Wochen nach Proliferation kann jedoch durch NOS-III nicht bewirkt werden, was auf eine komplexe Regulation der adulten Neurogenese hinweist. Die Stammzellproliferation im adulten murinen Gyrus dentatus wird jedoch vermutlich unter anderem über im Endothel gebildetes NO (als gasförmiges, parakrines Signalmolekül) vermittelt.
Es existiert bereits eine Vielzahl von tierexperimentellen Studien bezüglich Einflussfaktoren auf die adulte Neurogenese. Nachdem die Teilungsfähigkeit von neuralen Stammzellen Ende der 1990er Jahre auch im adulten humanen Gehirn nachgewiesen wurde, war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, adulte Neurogenese bei psychischen Erkrankungen zu quantifizieren bzw. den Ein-fluss medikamentöser Therapien auf die adulte Neurogenese zu untersuchen. Diese Studie stellt dabei die bislang einzige Arbeit dar, die sich mit der humanen adulten Neurogenese bei psychischen Erkrankungen beschäftigt. Mittels Doppelfärbungen von Ki67 und BrdU an Mausgewebe wurde zunächst nachgewiesen, dass das Ki67-Antigen ein zuverlässiger Marker für sich teilende Zellen ist, woraufhin die Färbeprozedur problemlos auf Humangewebe übertragen werden konnte. Die Quantifizierung von Ki67 positiven Zellen erfolgte entlang der Körnerzellschicht in einem definierten Abstand in der Einheit Zellen pro Millimeter. Die Ergebnisse der hier vorliegenden Studie widersprechen in mehrfacher Hinsicht den Hypothesen, die sich aus tierexperimentellen Studien ergeben. Während die neurale Stammzellproli-feration bei schizophrenen Psychosen signifikant vermindert ist, findet sich kein Unterschied bei affektiven Erkrankungen im Vergleich zu Kontrollen. Weder wird die „Neurogenese-Hypothese“ der Depression bestätigt, noch zeigte sich ein Effekt antidepressiv oder antipsychotisch wirksamer Pharmaka auf die Rate adulter Neurogenese, da eine pharmakologische Therapie jedweder Art keinen Einfluss auf die Zahl Ki67 positiver Zellen hatte. Deshalb scheint eine Steigerung der adulten Neurogenese kein Wirkmechanismus dieser Medikamente zu sein. Ein überraschendes Ergebnis jedoch ist die signifikant reduzierte Rate adulter Neurogenese bei an Schizophrenie erkrankten Patienten. Aufgrund der sehr begrenzten Anzahl untersuchter Patienten ist die vorliegende Studie in ihrer Aussagekraft jedoch eingeschränkt und muss daher an einem größeren Patientenkollektiv wiederholt werden. Eine Vielzahl von Fragen bzgl. des Stellenwerts der adulten Neurogenese bei psychischen Erkrankungen bleibt darüber hinaus weiter ungeklärt, was die Durchführung weiterer Studien am adulten humanen Gehirn verlangt.