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- Department of Nuclear Medicine, Kanazawa University (1)
- Institut für Biopsychologie, Universität Dresden (1)
- Institut für Neurowissenschaften der Universität Mailand (1)
- Interdisziplinäres Zentrum für Klinische Forschung (IZKF) (1)
- Interdisziplinäres Zentrum für Klinische Forschung (IZKF) Würzburg (1)
- Johns Hopkins School of Medicine, Baltimore, MD, U.S. (1)
- Johns Hopkins University School of Medicine (1)
- Maastricht University, Department of Psychiatry and Neuropsychology (1)
- Translationale soziale Neurowissenschaften (1)
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- N-8985-2015 (1)
Fibroblasts isolated from a skin biopsy of a healthy 46-year-old female were infected with Sendai virus containing the Yamanaka factors to produce transgene-free human induced pluripotent stem cells (iPSCs). CRISPR/Cas9 was used to generate isogenic cell lines with a gene dose-dependent deficiency of CDH13, a risk gene associated with neurodevelopmental and psychiatric disorders. Thereby, a heterozygous CDH13 knockout (CDH13\(^{+/-}\)) and a CDH13 null mutant (CDH13\(^{-/-}\)) iPSC line was obtained. All three lines showed expression of pluripotency-associated markers, the ability to differentiate into cells of the three germ layers in vitro, and a normal female karyotype.
Single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the ADGRL3 gene have been significantly associated with the development of ADHD, the aetiology of which remains poorly understood. The rs1397547 SNP has additionally been associated with significantly altered ADGRL3 transcription. We therefore generated iPSCs from two wild type ADHD patients, and two ADHD patients heterozygous for the risk SNP. With this resource we aim to facilitate further investigation into the complex and heterogenous pathology of ADHD. Furthermore, we demonstrate the feasibility of using magnetic activated cell sorting to allow the unbiased selection of fully reprogrammed iPSCs.
Neurodevelopmental disorders, including attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) and autism spectrum disorder (ASD) are disorders of mostly unknown etiopathogenesis, for which both genetic and environmental influences are expected to contribute to the phenotype observed in patients. Changes at all levels of brain function, from network connectivity between brain areas, over neuronal survival, synaptic connectivity and axonal growth, down to molecular changes and epigenetic modifications are suspected to play a key roles in these diseases, resulting in life-long behavioural changes.
Genome-wide association as well as copy-number variation studies have linked cadherin-13 (CDH13) as a novel genetic risk factor to neuropsychiatric and neurodevelopmental disorders. CDH13 is highly expressed during embryonic brain development, as well as in the adult brain, where it is present in regions including the hippocampus, striatum and thalamus (among others) and is upregulated in response to chronic stress exposure. It is however unclear how CDH13 interacts with environmentally relevant cues, including stressful triggers, in the formation of long-lasting behavioural and molecular changes. It is currently unknown how the environment influences CDH13 and which long term changes in behaviour and gene expression are caused by their interaction. This work therefore investigates the interaction between CDH13 deficiency and neonatal maternal separation (MS) in mice with the aim to elucidate the function of CDH13 and its role in the response to early-life stress (ELS).
For this purpose, mixed litters of wild-type (Cdh13+/+), heterozygous (Cdh13+/-) and homozygous knockout (Cdh13-/-) mice were maternally separated from postnatal day 1 (PN1) to postnatal day 14 (PN14) for 3 hours each day (180MS; PN1-PN14). In a first series of experiments, these mice were subjected to a battery of behavioural tests starting at 8 weeks of age in order to assess motor activity, memory functions as well as measures of anxiety. Subsequently, expression of RNA in various brain regions was measured using quantitativ real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR). A second cohort of mice was exposed to the same MS procedure, but was not behaviourally tested, to assess molecular changes in hippocampus using RNA sequencing.
Behavioural analysis revealed that MS had an overall anxiolytic-like effect, with mice after MS spending more time in the open arms of the elevated-plus-maze (EPM) and the light compartment in the light-dark box (LDB). As a notable exception, Cdh13-/- mice did not show an increase of time spent in the light compartment after MS compared to Cdh13+/+ and Cdh13+/- MS mice. During the Barnes-maze learning task, mice of most groups showed a similar ability in learning the location of the escape hole, both in terms of primary latency and primary errors. Cdh13-/- control (CTRL) mice however committed more primary errors than Cdh13-/- MS mice. In the contextual fear conditioning (cFC) test, Cdh13-/- mice showed more freezing responses during the extinction recall, indicating a reduced extinction of fear memory. In the step-down test, an impulsivity task, Cdh13-/- mice had a tendency to wait longer before stepping down from the platform, indicative of more hesitant behaviour. In the same animals, qRT-PCR of several brain areas revealed changes in the GABAergic and glutamatergic systems, while also highlighting changes in the gatekeeper enzyme Glykogensynthase-Kinase 3 (Gsk3a), both in relation to Cdh13 deficiency and MS. Results from the RNA sequencing study and subsequent gene-set enrichment analysis revealed changes in adhesion and developmental genes due to Cdh13 deficiency, while also highlighting a strong link between CDH13 and endoplasmatic reticulum function. In addition, some results suggest that MS increased pro-survival pathways, while a gene x environment analysis showed alterations in apoptotic pathways and migration, as well as immune factors and membrane metabolism. An analysis of the overlap between gene and environment, as well as their interaction, highlighted an effect on cell adhesion factors, underscoring their importance for adaptation to the environment.
Overall, the stress model resulted in increased stress resilience in Cdh13+/+ and Cdh13+/- mice, a change absent in Cdh13-/- mice, suggesting a role of CDH13 during programming and adaptation to early-life experiences, that can results in long-lasting consequences on brain functions and associated behaviours. These changes were also visible in the RNA sequencing, where key pathways for cell-cell adhesion, neuronal survival and cell-stress adaptation were altered. In conclusion, these findings further highlight the role of CDH13 during brain development, while also shedding light on its function in the adaptation and response during (early life) environmental challenges.
Serotonin (5-HT) is an important modulator of many physiological, behavioural and developmental processes and it plays an important role in stress coping reactions. Anxiety disorders and depression are stress-related disorders and they are associated with a malfunction of the 5-HT system, in which the 5-HT transporter (5-HTT) plays an important role. 5-Htt knockout (KO) mice represent an artificially hyperserotonergic environment, show an increased anxiety-like behaviour and seem to be a good model to investigate the role of the 5-HT system concerning stress reactions and anxiety disorders. As synaptic proteins (SPs) seem to be involved in stress reactions, the effect of acute immobilization stress on the expression of the three SPs Synaptotagmin (Syt) I, Syt IV and Syntaxin (Stx) 1A was studied in the 5-Htt KO mouse model as well as the expression of the two immediate early genes (IEGs) FBJ osteosarcoma oncogene (c-Fos) and fos-like antigen 2 (Fra-2). Additionally, the expression of the corticotrophin releasing hormone (CRH) and its two receptors CRHR1 and CRHR2 was investigated as part of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) stress system. Based on gender- and genotype-dependent differences in corticosterone levels, expression differences in the brain were investigated by performing a quantitative real time-PCR study using primer pairs specific for these SPs and for the IEGs c-Fos and Fra-2 in five different brain regions in 5-Htt KO and 5-Htt wild-type (WT) mice. Mainly gender-dependent differences could be found and weaker stress effects on the expression of SPs could be demonstrated. Regarding the expression of IEGs, stress-, gender- and genotype-dependent differences were found mainly in the hypothalamus. Also in the hypothalamus, gender effects were found concerning the expression of CRH and its both receptors. Additionally, in a second study, male 5-Htt WT and male 5-Htt deficient mice were subjected to a resident-intruder-paradigm which stresses the animals through a loser experience. The morphological changes of neurons were subsequently analyzed in Golgi-Cox-stained sections of limbic brain areas in stressed and unstressed animals of both genotypes using the computer-based microscopy system Neurolucida (Microbrightfield, Inc.). While no differences concerning dendritic length, branching patterns and spine density were found in the hippocampus and no differences concerning dendritic length and branching patterns could be shown in the cingulate cortex (CG), pyramidal neurons in the infralimbic cortex (IL) of stressed 5-Htt WT mice displayed longer dendrites compared to unstressed 5-Htt WT mice. The results indicate that, although in this model drastic alterations of neuronal morphology are absent, subtle changes can be found in specific brain areas involved in stress- and anxiety-related behaviour which may represent neural substrates underlying behavioural phenomena.
Background: Panic disorder is common (5% prevalence) and females are twice as likely to be affected as males. The heritable component of panic disorder is estimated at 48%. Glutamic acid dehydrogenase GAD1, the key enzyme for the synthesis of the inhibitory and anxiolytic neurotransmitter GABA, is supposed to influence various mental disorders, including mood and anxiety disorders. In a recent association study in depression, which is highly comorbid with panic disorder, GAD1 risk allele associations were restricted to females. Methodology/Principal Findings: Nineteen single nucleotide polymorphisms (SNPs) tagging the common variation in GAD1 were genotyped in two independent gender and age matched case-control samples (discovery sample n = 478; replication sample n = 584). Thirteen SNPs passed quality control and were examined for gender-specific enrichment of risk alleles associated with panic disorder by using logistic regression including a genotype6gender interaction term. The latter was found to be nominally significant for four SNPs (rs1978340, rs3762555, rs3749034, rs2241165) in the discovery sample; of note, the respective minor/risk alleles were associated with panic disorder only in females. These findings were not confirmed in the replication sample; however, the genotype6gender interaction of rs3749034 remained significant in the combined sample. Furthermore, this polymorphism showed a nominally significant association with the Agoraphobic Cognitions Questionnaire sum score. Conclusions/Significance: The present study represents the first systematic evaluation of gender-specific enrichment of risk alleles of the common SNP variation in the panic disorder candidate gene GAD1. Our tentative results provide a possible explanation for the higher susceptibility of females to panic disorder.
Gen-Umwelt-Interaktionen haben einen wichtigen Stellenwert für das Verständnis der Entstehung psychiatrischer Erkrankungen. Für die Catechol-O-Methyltransferase (COMT)konnte kürzlich gezeigt werden, dass diese die Gehirnaktivität moduliert, während der Verarberitung negativer Stimuli. Für positive Stimuli konnte kein Effekt nachgewiesen werden. In der vorliegenden Arbeit sollte nun geprüft werden, ob Lebensereignisse, als ein Umweltfaktor, für die emotionale Verarbeitung eine Rolle spielen. Um das herauszufinden untersuchten wir 81 gesunde Probanden mittels EEG während der Darbietung positiver und negativer emotionaler Bilder. Wie erwartet moduliert COMT die EPN (early posterior negativity) für negative Bilder, aber nicht für positive. Unter Berücksichtigung der Lebensereignisse konnte der fehlende Effekt der COMT bei der positiven Bedingung aufgelöst werden. Eine hohe Lebensereignis-Last führt dabei zu einer verminderten Gehirnaktivität für positive Stimuli, was sich aber nur für den Met/Met-Genotyp zeigt. Relevant scheint das vor allem für die Entwicklung von Depressionen zu sein, da depressive Patienten häufig ihre Umwelt als weniger positiv bewerten.
Die Suche nach potentiellen Kandidatengenen für die Schizophrenie und die Bipolare Störung ist ein stark umforschtes Feld der modernen Psychiatrie. Das Fzd3-Gen findet sich auf dem Chromosom 8p21 und liegt auf einem Hotspot für Schizophrenien und bipolare Psychosen. Nach positiven, aber auch negativen Assoziationsanalysen für Einzelmarker und deren Haplotyp in asiatischen Populationen, untersuchten wir in einer Fall-Kontroll-Studie drei SNPs und deren Haplotyp bei 192 Patienten mit einer chronischen Schizophrenie, sowie bei 56 Patienten die an einer Bipolaren Störung litten. Als Vergleichsgruppe dienten 284 gesunde Blutspender. In vorliegender Studie ließen sich die Befunde der asiatischen Untersuchungen weder auf der Ebene der Einzelmarker, noch auf der Ebene der Haplotypen replizieren.
Angststörungen gehören zu den häufigsten psychischen Erkrankungen.
Da Arbeiten der letzten Jahre starke Evidenz dafür liefern, dass die Allelvariationen von CRHR1 rs17689918 (Weber et al., 2016) und GLRB rs7688285 (Deckert et al., 2017) hierbei eine entscheidende Rolle einnehmen könnten, insgesamt die Datenlage dazu jedoch eher spärlich ist, hat sich diese Arbeit mit den Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) dieser beiden Gene beschäftigt. In dieser Studie wurden gesunde Teilnehmende jeweils in Risikogruppen entsprechend ihrer Allelausprägung eingeteilt. Sie durchliefen ein neues Paradigma, angelehnt an den NPU-Threat-Test. In der Antizipationsphase der vorhersehbaren oder unvorhersehbaren Bedingung wurde schließlich ihre Angstreaktion durch Startle-Messungen und Erfassung der Hautleitfähigkeit (EDA) aufgezeichnet. Diese Studie konnte bzgl. der CRHR1-Variationen zeigen, dass die Risikogruppe (Tragende des Allels A) nicht so gut zwischen realer Gefahr und Sicherheit unterscheiden kann. Diese Erkenntnis gilt wie bei Weber und Kollegen nur für die Frauen der Stichprobe. Ähnliches gilt für die GLRB-Varianten: Auch hier kommt es zu einer verstärkten physiologischen Angstreaktion in ungefährlichen Situationen in dem Sinne, dass die Risikogruppe (ebenfalls Tragende des A-Allels) zwischen realer Gefahr und Sicherheit nicht wie die Kontrollgruppe unterscheiden kann. Die vorliegenden Ergebnisse sind im Einklang mit vorausgehenden Studien und konnten diese weiter ergänzen.
Zusammenfassung
1) Fragestellung und zentrale Untersuchung
Unter der Hypothese, dass die Transportrate des Glukosetransporters Typ 3 (GLUT3)
abhängig von der Kopienanzahl (CNV) des für ihn kodierenden Gens SLC2A3 ist,
wurden Zelllinien mit drei Kopien (Duplikation) mit Kontroll-Zelllinien mit nur zwei Kopien
bezüglich ihrer Glukoseaufnahme miteinander verglichen (n=2; N=9). Hierzu wurde die
zelluläre Glukoseaufnahme mittels radioaktiv markierter 2-Desoxyglukose in via
Eppstein-Barr-Virus immortalisierten lymphoblastoiden Zelllinien (EBV-LCLs)
gemessen. In den initialen Untersuchungen zeigt sich, dass das Protokoll an manchen
Stellen zu viel Spielraum lässt. Die Methode wird daraufhin standardisiert und bezüglich
einiger Parameter angepasst: g-Zentrifugeneinstellung, Mischen/Aliquotieren,
Zellanzahl, Replikatanzahl, Inkubationszeit/-intervalle und Durchführungsdauer.
2) Wichtigste Ergebnisse
Die funktionelle Untersuchung zur Duplikation des SLC2A3-Gens in Patienten mit
Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörung (ADHS) zeigt schließlich im
dynamischen Aushungerungsversuch der EBV-LCLs über vier Tage (Vergleich t2 zu t1)
statistisch für die Gruppen eine deutliche Differenz mit mittlerer Effektstärke (Lineares
Gemischtes Modell; p = 0,06; Cohens d = 0,37).
Zum zweiten Messzeitpunkt (t2) zeigt sich statistisch zwischen den Gruppen eine sehr
signifikante Differenz mit hoher Effektstärke (Lineares Gemischtes Modell; p < 0,006;
Cohens d = 0,55).
Damit konnte in dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass die SLC2A3-Duplikation
neben dem Gendosiseffekt auf mRNA-Ebene auch hypermorph funktionelle
Veränderungen auf zellulärer Ebene nach sich zieht. Nachfolgende Untersuchungen
sollten vor diesem Hintergrund mögliche Kofaktoren investigieren und auf Alterationen
in nachgeschalteten Signalwegen abzielen.
NOS1, das für die neuronale Stickstoffmonoxidsynthase (NOS-I) kodierende Gen, konnte bislang durch eine stetig wachsende Zahl an Untersuchungen mit verschiedenen Pathomechanismen bedeutsamer neurologischer und psychiatrischer Erkrankungen in Verbindung gebracht werden. Der Dinukleotid-Polymorphismus im Promotergen von NOS1, für welchen in der Population verschieden lange Allelen existieren, war bislang bezüglich der durch ihn vermittelten Wirkungen kaum untersucht. Um die Relevanz und Funktionalität des Promoterpolymorphismus NOS1 Ex1f-VNTR zu erforschen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Reportergen-Assay durchgeführt, der den Einfluss verschieden langer Allele auf transkriptionaler Ebene verdeutlichen sollte. Hierfür wurden NOS1 Exon 1f-Promoterregionen mit unterschiedlich langen VNTRs in einen Luciferase-Genvektor kloniert und der Einfluss der verschiedenen Allellängen auf die Aktivität des Reportergens ermittelt. Hierbei zeigte sich der Einfluss der Allele dergestalt, dass das Vorhandensein kurzer Allele des NOS1 Ex1f-VNTR in verminderter Aktivität des Reportergens resultierte. Durchgeführte Stimulationsversuche mit Östrogen und Forskolin ergaben hingegen keine signifikante Änderung der Transkriptionsaktivität. Im DNA-Microarray konnten mit kurzen Allelen des NOS1 Ex1f-VNTR assozierte Alterationen im Transkriptom des humanen Brodmann-Areals 46 nachgewiesen werden, was Wechselwirkungen zwischen dem Vorhandensein kurzer Allele des NOS1 Ex1f-VNTR und der Gentranskription psychiatrisch relevanter Gene demonstriert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass der NOS1 Ex1f-VNTR Einfluss auf transkriptionaler Ebene ausübt und mit psychiatrischen Krankheiten assoziiert ist, was ihn weiterhin zu einem wichtigen Forschungsobjekt macht und in die Gruppe klinisch bedeutsamer Polymorphismen einreiht.
Bereits in vorausgegangenen Studien konnte nachgewiesen werden, dass das Stathmin-Gen eine entscheidende Rolle im Hinblick auf erlernte und angeborene Angstreaktionen spielt. So konnte Frau Dr. Julia Katharina Heupel in ihrer Arbeit aus dem Jahr 2013 eine Assoziation eines (TAA)n-Polymorphismus, welcher sich ca. 2 kb upstream des ersten Exons des Stathmin-Gens und ca. 4 kb upstream des Translationsstarts befindet, mit Cluster-C-Persönlichkeitsstörungen belegen.
Sie vermutete, dass eine Hochregulation der Expression des Stathmin-Gens ein Risikofaktor für die Entstehung von Cluster C Persönlichkeitsstörungen darstellen könnte.
Da sich der beschriebene Polymorphismus in der Promotor-Region des Stathmin-Gens befindet, ist eine allelspezifische Auswirkung auf die Genexpression vorstellbar. Um diese Vermutung zu stützen, wurde in dieser Arbeit die Auswirkung zweier Allele des STR-Polymorphismus im Bereich der Promotorregion des Stathmin-Gens im Hinblick auf die Promotoraktivität untersucht.
Hierzu wurde die zu untersuchende Sequenz zunächst mittels Polymerase-Ketten-Reaktion vervielfältigt und anschließend in einen pGL4.23.Vektor kloniert.
Im Anschluss daran erfolgte die Untersuchung der Promotoraktivität mittels eines Luciferase-Assays in der humanen Neuroblastomzelllinie SH-SY5Y.
Nach statischer Auswertung der Messreihen zeigte sich eine signifikant höhere Luciferase-Aktivität des STR-Polymorphismus (TAA)12 im Vergleich zu dem STR-Polymorphismus (TAA)13.
Hierdurch kann von einer höheren Promotoraktivität bei dem Genotyp (TAA)12 gegenüber dem Genotyp (TAA)13 ausgegangen werden.
Zusammenfassend unterstützen die Ergebnisse dieser Arbeit die These, dass es sich bei dem Stathmin-Gen um ein Suszeptibilitätsgen für die Entstehung von Cluster C Persönlichkeitsstörungen handeln könnte.
Objective. Several neuroscience tools showed the involvement of auditory cortex in chronic tinnitus. In this proof-of-principle study we probed the capability of functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) for the measurement of brain oxygenation in auditory cortex in dependence from chronic tinnitus and from intervention with transcranial magnetic stimulation. Methods. Twenty-three patients received continuous theta burst stimulation over the left primary auditory cortex in a randomized sham-controlled neuronavigated trial (verum = 12; placebo = 11). Before and after treatment, sound-evoked brain oxygenation in temporal areas was measured with fNIRS. Brain oxygenation was measured once in healthy controls (n = 12). Results. Sound-evoked activity in right temporal areas was increased in the patients in contrast to healthy controls. Left-sided temporal activity under the stimulated area changed over the course of the trial; high baseline oxygenation was reduced and vice versa. Conclusions. By demonstrating that rTMS interacts with auditory evoked brain activity, our results confirm earlier electrophysiological findings and indicate the sensitivity of fNIRS for detecting rTMS induced changes in brain activity. Moreover, our findings of trait-and state-related oxygenation changes indicate the potential of fNIRS for the investigation of tinnitus pathophysiology and treatment response.
Sodium-glucose transporters (SGLT) belong to the solute carrier 5 family, which is characterized by sodium dependent transport of sugars and other solutes. In contrast, the human SGLT3 (hSGLT3) isoform, encoded by SLC5A4, acts as a glucose sensor that does not transport sugar but induces membrane depolarization by Na\(^{+}\) currents upon ligand binding. Whole-exome sequencing (WES) of several extended pedigrees with high density of attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) identified a triplet ATG deletion in SLC5A4 leading to a single amino acid loss (ΔM500) in the hSGLT3 protein imperfectly co-segregating with the clinical phenotype of ADHD. Since mutations in homologous domains of hSGLT1 and hSGLT2 were found to affect intestinal and renal function, respectively, we analyzed the functional properties of hSGLT3[wt] and [ΔM500] by voltage clamp and current clamp recordings from cRNA-injected Xenopus laevis oocytes.
The cation conductance of hSGLT3[wt] was activated by application of glucose or the specific agonist 1-desoxynojirimycin (DNJ) as revealed by inward currents in the voltage clamp configuration and cell depolarization in the current clamp mode. Almost no currents and changes in membrane potential were observed when glucose or DNJ were applied to hSGLT3[ΔM500]-injected oocytes, demonstrating a loss of function by this amino acid deletion in hSGLT3. To monitor membrane targeting of wt and mutant hSGLT3, fusion constructs with YFP were generated, heterologously expressed in Xenopus laevis oocytes and analyzed for membrane fluorescence by confocal microscopy. In comparison to hSGLT3[wt] the fluorescent signal of mutant [ΔM500] was reduced by 43% indicating that the mutant phenotype might mainly result from inaccurate membrane targeting. As revealed by homology modeling, residue M500 is located in TM11 suggesting that in addition to the core structure (TM1-TM10) of the transporter, the surrounding TMs are equally crucial for transport/sensor function.
In conclusion, our findings indicate that the deletion [ΔM500] in hSGLT3 inhibits membrane targeting and thus largely disrupts glucose-induced sodium conductance, which may, in interaction with other ADHD risk-related gene variants, influence the risk for ADHD in deletion carriers.
Prävention ist der zentrale Hebel, um dem gesundheitspolitischen und sozialen Problem der Alzheimer-Krankheit (AD) zu begegnen. Ein Ansatz ist der Einsatz krankheitsmodifizierender Therapien in der präklinischen Krankheitsphase. Zwei mögliche Früherkennungsmethoden sind die somatosensibel evozierten Potenziale des Nervus vagus (VSEP) und das Aufmerksamkeitsblinzeln (Attentional Blink, ATB). Beide werden möglicherweise über den Locus coeruleus vermittelt, der sehr früh im Krankheitsverlauf strukturelle Veränderungen aufweist.
Ziel der Arbeit war es, Korrelationen zwischen den Parametern beider Methoden zu untersuchen. Hierfür mussten individuumspezifische ATB-Parameter entwickelt werden. Außerdem wurden Korrelationen mit psychometrischen Parametern der Demenzdiagnostik und Gruppenunterschiede zwischen Personen mit und ohne Mild Cognitive Impairment (MCI) analysiert.
Es wurden insgesamt 108 Teilnehmer der „Vogel-Studie“, einer prospektiven Längsschnittstudie zur Frühdiagnostik dementieller Erkrankungen, untersucht. Die VSEP wurden mittels der durch Fallgatter et al. (2003) entwickelten Technik bestimmt. Die ATB-Messung erfolgte in einem an Zylberberg et al. (2012) angelehnten Versuchsablauf.
Die gemessenen Parameter siedelten sich zwischen dem aus der Literatur bekannten Wertebereich gesunder und an Alzheimer-Demenz erkrankter Probanden an. Auffallend war das Auftreten von Attentional Masking Errors (AME), die bisher ausschließlich bei Patienten mit Alzheimer- und Lewy-Body-Demenz beschrieben wurden. Somit sprechen die Ergebnisse für eine beginnende Alzheimer-Pathologie im untersuchten Studienkollektiv. Es konnten keine signifikanten Korrelationen zwischen VSEP- und ATB-Parametern nachgewiesen werden. Die explorative Analyse weist auf zahlreiche Zusammenhänge zwischen ATB-Parametern und psychometrischen Tests hin. 16 % der Probanden erfüllten die Kriterien eines MCI (Portet et al., 2006). Wie in der vorbestehenden Literatur ergaben sich auch in dieser Arbeit keine signifikanten Gruppenunterschiede zwischen Probanden mit und ohne MCI.
Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstützen die bestehende Evidenz dahingehend, dass beide Methoden frühe subklinische Alzheimer-Pathologien detektieren könnten. Insbesondere AME scheinen ein vielversprechender Parameter zu sein. Weiterführende Ergebnisse zum Vorhersagewert der einzelnen Parameter wird das Follow-Up der „Vogel-Studie“ erbringen.
Einführung. In der vorliegenden Studie untersuchten wir durch funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) präfrontale Hirnoxygenierung während Ableistung von Sprachaufgaben. FNIRS weist über Bestimmung von Konzentrationsunterschieden von sauerstoffbeladenes (OxyHb) und sauerstofffreies Hämoglobin (DeoxyHb) regionale Blutflussänderungen nach und lässt somit validen Rückschluss auf Hirnaktivität zu. Bereits in früheren Studien konnte nachgewiesen werden, dass Patienten mit Alkoholkrankheit verminderte präfrontale Hirnaktivität zeigen. Teil 2 der Studie untersucht den im Untersuchungsgebiet liegenden Schläfenmuskel (musculus temporalis) auf Einflüsse auf die Methode fNIRS.
Methoden. Wir verglichen 15 entgiftete Patienten mit Alkoholkrankheit (Patientengruppe, PG) mit passenden 15 gesunden Kontrollprobanden (Kontrollgruppe, KG)bezüglich deren Hirn- und Muskelaktivität während Ableistung Wortflüssigkeitsaufgabe (VFT; engl. Verbal Fluency Task). Bestimmte, insbesondere präfrontale Hirnareale wurden durch phonologische und semantische Testsaufgaben (TA´s), ebenso durch eine Kontrollaufgabe (KA), (Wochentag aufzählen) aktiviert. Durch EMG wurde während Durchführung der Aufgabe die Aktivität des musculus temporalis gemessen. Wir verwendeten zur Datenanalyse sowohl von fNIRS wie auch EMG eine 2x2x2x6 Varianzanalyse (ANOVA) mit Zwischensubjektfaktor „Gruppe“ und Innersubjektfaktoren „Bedingung“, „Seite“ und „Zeit“, gerechnet wurde dies für jeweils Oxy- und DeoxyHb sowie den phonologischen sowie semantischen Teil.
Ergebnisse. Beide Gruppen lieferten eine vergleichbare Menge an Worten, Hirnaktivierung zeigte sich bei beiden Gruppen signifikant höher in den Testaufgaben (phonologisch > semantisch). Die PG zeigte verminderte Hirnaktivierung präfrontal im phonologischen, vergleichbare Hirnaktivität im semantischen Teil. Beide Gruppen zeigten vergleichbare Muskelaktivität, jeweils signifikant höher in den jeweiligen Testaufgaben. Es zeigten sich keine systematischen Assoziationen (Korrelation nach Pearson) zwischen fNIRS und EMG.
Schlussfolgerungen. Insgesamt konnten vorherige Studien mit Nachweis niedrigerer präfrontaler Hirnoxygenierung bei entgifteten Patienten mit Alkoholkrankheit gegenüber gesunden Kontrollen bestätigt werden. Die Mehraktivierung beider Gruppen während phonologischer Aufgabe gründet in dem höheren intelektuellen Anspruch der Aufgabe, dies erklärt auch den Gruppenunterschied in speziell dieser Aufgabe. Durch eine vergleichbare Muskelaktivität der beiden Gruppen sowie fehlende Assoziationen zwischen fNIRS und EMG sehen wir keinen Einfluss von Muskelaktivität auf die Hirnaktivitätsmessung durch fNIRS. Auch eine valide Untersuchung von psychiatrisch kranken Probandengruppen wie Patienten mit Alkoholkrankheit ist hierdurch gut möglich. Die Studie befürwortet den künftigen Einsatz und weitere methodische Untersuchungen zur Messung mit fNIRS, einem validen, artefaktunempfindlichen, handlichen und relativ günstigen Messinstrument.
Oligodendrocytes provide metabolic and functional support to neuronal cells, rendering them key players in the functioning of the central nervous system. Oligodendrocytes need to be newly formed from a pool of oligodendrocyte precursor cells (OPCs). The differentiation of OPCs into mature and myelinating cells is a multistep process, tightly controlled by spatiotemporal activation and repression of specific growth and transcription factors. While oligodendrocyte turnover is rather slow under physiological conditions, a disruption in this balanced differentiation process, for example in case of a differentiation block, could have devastating consequences during ageing and in pathological conditions, such as multiple sclerosis. Over the recent years, increasing evidence has shown that epigenetic mechanisms, such as DNA methylation, histone modifications, and microRNAs, are major contributors to OPC differentiation. In this review, we discuss how these epigenetic mechanisms orchestrate and influence oligodendrocyte maturation. These insights are a crucial starting point for studies that aim to identify the contribution of epigenetics in demyelinating diseases and may thus provide new therapeutic targets to induce myelin repair in the long run.
Social contact is an integral part of daily life. Its health-enhancing effects include reduced negative affective experiences of fear and anxiety, a phenomenon called social buffering. This dissertation studied different forms of social contact and their anxiety-buffering effects with diverse methodologies.
The laboratory-based first study investigated minimal social contact in the context of pain relief learning. Results showed that the observed decreased autonomic and increased subjective fear responses following pain relief learning were independent of social influence. The minimalistic and controlled social setting may have prevented social buffering. Study 2 targeted social buffering in daily life using Ecological Momentary Assessment. We repeatedly assessed individuals’ state anxiety, related cardiovascular responses, and aspects of social interactions with smartphones and portable sensors on five days. Analyses of over 1,500 social contacts revealed gender-specific effects, e.g., heart rate-reducing effects of familiarity in women, but not men. Study 3 examined anxiety, loneliness, and related social factors in the absence of social contact due to social distancing. We constructed and validated a scale measuring state and trait loneliness and isolation, and analysed its link to mental health. Results include a social buffering-like relation of lower anxiety with more trait sociability and sense of belonging.
In sum, the studies showed no fear reduction by minimal social contact, but buffering effects relating to social and personal factors in more complex social situations. Anxiety responses during daily social contacts were lower with more familiar or opposite-gender interaction partners. During limited social contact, lower anxiety related to inter-individual differences in sociability, social belonging, and loneliness. By taking research from lab to life, this dissertation underlined the diverse nature of social contact and its relevance to mental health.
Emotional-associative learning processes such as fear conditioning and extinction are highly relevant to not only the development and maintenance of anxiety disorders (ADs), but also to their treatment. Extinction, as the laboratory analogue to behavioral exposure, is assumed a core process underlying the treatment of ADs. Although exposure-based treatments are highly effective for the average patient suffering from an AD, there remains a gap in treatment efficacy with over one third of patients failing to achieve clinically significant symptom relief. There is ergo a pressing need for intensified research regarding the underlying neural mechanisms of aberrant emotional-associative learning processes and the neurobiological moderators of treatment (non-)response in ADs.
The current thesis focuses on different applications of the fundamental principles of fear conditioning and extinction by using two example cases of ADs from two different multicenter trials. First, we targeted alterations in fear acquisition, extinction, and its recall as a function of psychopathology in panic disorder (PD) patients compared to healthy subjects using fMRI. Second, exposure-based therapy and pre-treatment patient characteristics exerting a moderating influence on this essential learning process later on (i.e. treatment outcome) were examined using multimodal functional and structural neuroimaging in spider phobia.
We observed aberrations in emotional-associative learning processes in PD patients compared to healthy subjects indicated by an accelerated fear acquisition and an attenuated extinction recall. Furthermore, pre-treatment differences related to defensive, regulatory, attentional, and perceptual processes may exert a moderating influence on treatment outcome to behavioral exposure in spider phobia. Although the current results need further replication, on an integrative meta level, results point to a hyperactive defensive network system and deficient emotion regulation processes (including extinction processes) and top-down control in ADs. This speaks in favor of transdiagnostic deficits in important functional domains in ADs.
Deficits in transdiagnostic domains such as emotion regulation processes could be targeted by enhancing extinction learning or by means of promising tools like neurofeedback. The detection of pre-treatment clinical response moderators, for instance via machine learning frameworks, may help in supporting clinical decision making on individually tailored treatment approaches or, respectively, to avoid ineffective treatment and its related financial costs. In the long run, the identification of neurobiological markers which are capable of detecting non-responders a priori represents an ultimate goal.
Coffin-Lowry syndrome is a rare syndromic form of X-linked mental retardation caused by heterogeneous loss-of-function mutations in the gene RPS6KA3 that encodes the RSK2 protein. Clinical features are delayed motor development, small height, progressive skeletal malformations and mental retardation.
Rsk2 deficiency affects behavioral, cellular and molecular functions. To characterize and investigate how this deficiency affects these functions, we made a series of experiments using Rsk2-deficient mice as the animal model for Coffin-Lowry syndrome.
We applied a battery of behavioral tests and included the use of the IntelliCage for the first time as a behavioral paradigm to study anxiety-like behavior and depression-like behavior in Rsk2-deficient mice. Results from the conventional behavioral tests and from the IntelliCage indicate that Rsk2-deficient mice may have an anti-anxiety and anti-depressive phenotype.
We evaluated in Rsk2 deficient mice the relative gene expression of a set of genes coding for proteins related to RSK2 which are involved in fear memory, synaptic plasticity, neurogenesis, learning, emotional behavior and stress. We found gene expression alterations in the prefrontal cortex and striatum. These results suggest that RSK2 may be involved in the expression of the genes.
RSK2 is known to be related to monoamine neurotransmitter function. We measured the levels of dopamine, serotonin and noradrenaline/norepinephrine and their metabolites in different brain regions of Rsk2-deficient mice. We found differences in the dopaminergic and noradrenergic systems suggesting an increased or decreased activity of these neurotransmission systems as a result of Rsk2 deficiency.
Adult neurogenesis is a form of neuronal plasticity and a multi-step process of cell development. We explored if this form of neuronal plasticity was affected by Rsk2-deficiency. Our results indicate that adult hippocampal neurogenesis is not influenced by lifelong Rsk2 deficiency. It would be worth to analyze in the future other aspects of neuroplasticity.
We have confirmed, that behavioral characteristics of Rsk2-deficient mice make them an interesting model to study the Coffin-Lowry syndrome by extending the behavioral characterization on the emotional level. Furthermore, we have extended the characterization of the model on a molecular level, opening new opportunities to study and understand the pathophysiological basis of the Coffin-Lowry syndrome.
Fractal phenomena can be found in numerous scientific areas including neuroscience. Fractals are structures, in which the whole has the same shape as its parts. A specific structure known as pink noise (also called fractal or 1/f noise) is one key fractal manifestation, exhibits both stability and adaptability, and can be addressed via the Hurst exponent (H). FMRI studies using H on regional fMRI time courses used fractality as an important characteristic to unravel neural networks from artificial noise. In this fMRI-study, we examined 103 healthy male students at rest and while performing the 5-choice serial reaction time task. We addressed fractality in a network associated with waiting impulsivity using the adaptive fractal analysis (AFA) approach to determine H. We revealed the fractal nature of the impulsivity network. Furthermore, fractality was influenced by individual impulsivity in terms of decreasing fractality with higher impulsivity in regions of top-down control (left middle frontal gyrus) as well as reward processing (nucleus accumbens and anterior cingulate cortex). We conclude that fractality as determined via H is a promising marker to quantify deviations in network functions at an early stage and, thus, to be able to inform preventive interventions before the manifestation of a disorder.