610 Medizin und Gesundheit
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Physical exercise can convey a protective effect against cognitive decline in ageing and Alzheimer’s disease. While the long-term health-promoting and protective effects of exercise are encouraging, it’s potential to induce neuronal and vascular plasticity in the ageing brain is still poorly understood. It remains unclear whether exercise slows the trajectory of normal ageing by modifying vascular and metabolic risk factors and/or consistently boosts brain function by inducing structural and neurochemical changes in the hippocampus and related medial temporal lobe circuitry—brain areas that are important for learning and memory. Hence, it remains to be established to what extent exercise interventions in old age can improve brain plasticity above and beyond preservation of function. Existing data suggest that exercise trials aiming for improvement and preservation may require different outcome measures and that the balance between the two may depend on exercise intensity and duration, the presence of preclinical Alzheimer’s disease pathology, vascular and metabolic risk factors and genetic variability.
Recombinant human erythropoietin (EPO) improves cognitive performance in neuropsychiatric diseases ranging from schizophrenia and multiple sclerosis to major depression and bipolar disease. This consistent EPO effect on cognition is independent of its role in hematopoiesis. The cellular mechanisms of action in brain, however, have remained unclear. Here we studied healthy young mice and observed that 3-week EPO administration was associated with an increased number of pyramidal neurons and oligodendrocytes in the hippocampus of similar to 20%. Under constant cognitive challenge, neuron numbers remained elevated until >6 months of age. Surprisingly, this increase occurred in absence of altered cell proliferation or apoptosis. After feeding a \(^{15}\)N-leucine diet, we used nanoscopic secondary ion mass spectrometry, and found that in EPO-treated mice, an equivalent number of neurons was defined by elevated \(^{15}\)N-leucine incorporation. In EPO-treated NG2-Cre-ERT2 mice, we confirmed enhanced differentiation of preexisting oligodendrocyte precursors in the absence of elevated DNA synthesis. A corresponding analysis of the neuronal lineage awaits the identification of suitable neuronal markers. In cultured neurospheres, EPO reduced Sox9 and stimulated miR124, associated with advanced neuronal differentiation. We are discussing a resulting working model in which EPO drives the differentiation of non-dividing precursors in both (NG2+) oligodendroglial and neuronal lineages. As endogenous EPO expression is induced by brain injury, such a mechanism of adult neurogenesis may be relevant for central nervous system regeneration.
The active place avoidance task is a dry-arena task used to assess spatial navigation and memory in rodents. In this task, a subject is put on a rotating circular arena and avoids an invisible sector that is stable in relation to the room. Rotation of the arena means that the subject's avoidancemust be active, otherwise the subject will be moved in the to-be-avoided sector by the rotation of the arena and a slight electric shock will be administered. The present experiment explored the effect of variable arena rotation speed on the ability to avoid the to-be-avoided sector. Subjects in a group with variable arena rotation speed learned to avoid the sector with the same speed and attained the same avoidance ability as rats in a group with a stable arena rotation speed. Only a slight difference in preferred position within the room was found between the two groups. No difference was found between the two groups in the dark phase, where subjects could not use orientation cues in the room. Only one rat was able to learn the avoidance of the to-be-avoided sector in this phase. The results of the experiment suggest that idiothetic orientation and interval timing are not crucial for learning avoidance of the to-be-avoided sector. However, idiothetic orientation might be sufficient for avoiding the sector in the dark.
Ziel der Studie war die Exploration von Funktionen des Kurzzeitgedächtnisses bei lese-rechtschreibschwachen Kindern (LRS) im Vergleich zu einer schriftsprachlich normal entwickelten Kontrollgruppe (KG). Gedächtnisfunktionen sollten im Hinblick auf Entwicklungsveränderungen über eine Altersspanne von acht bis dreizehn Jahren untersucht werden. Bei einem möglichen Gedächtnisdefizit sollte überprüft werden, ob dieses sich nur bei schriftsprachähnlichem Material äußerte oder ob es sich um ein allgemeineres Defizit handelte. Insgesamt 65 lese-rechtschreibschwache und schriftsprachlich normal entwickelte Kinder der Altersgruppen 8-9 Jahre, 10-11 Jahre und 12-13 Jahre wurden Aufgaben zur Gedächtnisspanne, zur Benennungsgeschwindigkeit und zur Suchrate unterzogen. In den Aufgaben zur Gedächtnisspanne und zur Benennungsgeschwindigkeit zeigten die lese-rechtschreibschwachen Kinder deutlich schlechtere Leistungen als die Kontrollgruppe, und beide untersuchten Gruppen verbesserten sich in ihren Leistungen mit ansteigendem Alter. Hinweise für ein schriftsprachorientiertes Defizit im Falle der Rechtschreibschwachen ließen sich den Aufgaben zur Gedächtnisspanne und zur Suchrate entnehmen. Zusammenfassend bestätigen die vorliegenden Ergebnisse Defizite in Funktionen des Kurzzeitgedächtnisses bei LRS. Über die untersuchte Altersspanne hinweg kam es nicht zu einer Annäherung der Leistungen der Rechtschreibschwachen an die der Kontrollgruppe, was für ein bleibendes Defizit im Fall der LRS spricht. Um zu eindeutigen Ergebnissen hinsichtlich der Schriftsprachabhängigkeit der Gedächtnisdefizite bei LRS kommen zu können, müssen weitere Studien abgewartet werden.
Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, daß das olfaktorische Kurzzeitgedächtnis von Drosophila melanogaster in den Pilzkörpern lokalisiert ist. Zu Beginn dieser Doktorarbeit war bekannt, daß die Pilzkörper notwendig für das Geruchsgedächtnis sind. Drei unabhängige Methoden der Ablation bzw. Veränderung der biochemischen Eigenschaften der Pilzkörper hatten zu dem selben Ergebnis geführt, daß funktionierende Pilzkörper unentbehrlich für den Aufbau eines Geruchsgedächtnisses sind. Noch informativer als ein Experiment, in dem durch Zerstörung einer Struktur eine Leistung unmöglich gemacht wird ist der umgekehrte Weg, der durch einen gewebespezifischen „rescue“ die Leistung wiederherstellt. Dazu wurde in dieser Arbeit das wildtypische Allel des Gens rutabaga in rut-mutanten Fliegen mit Hilfe des Gal4/UAS-Systems ausschließlich in den Pilzkörpern, bzw., im Gegenexperiment, nur außerhalb der Pilzkörper zur Expression gebracht. rut kodiert für die Adenylatcyclase I, die mit synaptischer Plastizität bei Drosophila, Aplysia und Mäusen in Verbindung gebracht wird. Man geht davon aus, daß synaptische Plastizität die molekulare Grundlage für Lernen und Gedächtnis ist. Die AC I stellt cAMP her, dessen Menge und präzise Regulation die Übertragungsstärke an Neuronen beeinflußt. Eine Störung dieses Signalweges z. B. durch die rut-Mutation führt zu einer Beeinträchtigung des Gedächtnisses bei Drosophila. rut wurde mit Hilfe des in Drosophila etablierten Gal4/UAS-Systems exprimiert: Der gewebespezifisch aktive Hefe-Transkriptionsfaktor Gal4 führt dazu, daß das hinter einen Gal4-spezifischen UAS-Promotor klonierte wildtypische rut-Gen in denjenigen Zellen transkribiert wird, in denen der Transkriptionsfaktor vorhanden ist. Dies wurde in einer rut-Mutante durchgeführt, so daß in allen anderen Zellen keine funktionierende AC I vorhanden war. Die rut-abhängige synaptische Plastizität wurde damit ausschließlich auf die gewünschten Regionen beschränkt. Das Expressionsmuster der Gal4-Linien wurde durch Immuncytochemie (Anti-Tau) sichtbar gemacht. Diese Fliegen wurden in einem klassischen Konditionierungsexperiment auf ihr Geruchs-Gedächtnis untersucht. Dazu wurden einer Gruppe von Fliegen nacheinander 2 Gerüche präsentiert, von denen einer mit Elektroschocks gepaart war. Nach ca. 2 min konnten diese Fliegen sich für einen der beiden Gerüche entscheiden, die nun gleichzeitig aus 2 unterschiedlichen Richtungen dargeboten wurden. Je nach Lernleistung entschieden sich mehr oder weniger Fliegen für den vorher unbestraften Geruch. Es ergab sich, daß der Ort im Gehirn, an dem die wildtypische AC I exprimiert wurde, über die Höhe des Gedächtniswertes entschied: Die AC I ausschließlich in den Pilzkörpern gewährte ein völlig normales Gedächtnis, wogegen die AC I außerhalb der Pilzkörper das Gedächtnis nicht gegenüber der rut-Mutante verbessern konnte. Die Analyse der Expressionsverteilung von insgesamt 9 getesteten Fliegenlinien mißt überdies dem -Lobus des Pilzkörpers eine besondere Bedeutung bei und läßt den Schluß zu, daß das hier untersuchte Gedächtnis ausschließlich in den -Loben lokalisiert ist. Dieses erfolgreiche rut-„rescue“ - Experiment zeigt, daß rut-abhängige synaptische Plastizität ausschließlich in den Pilzkörpern ausreichend für ein wildtypisches Gedächtnis ist. Dieses Ergebnis vervollständigt die Erkenntnisse von den Pilzkörper-Ablationsexperimenten insofern, als nun die Aussage zutrifft, daß die Pilzkörper notwendig und hinreichend für das olfaktorische Kurzzeitgedächtnis sind.