Zusammenfassung Die Verarbeitung sensorischer Information kann sowohl im Kortex als auch im Thalamus durch den Verhaltenskontext, z. B. durch aktive Fortbewegung, moduliert werden. Solch aktives Verhalten verbessert die Kodierung sensorischer Reize und die Wahrnehmung, besonders während Aktivitäten von moderater Intensität. Der Modulation sensorischer Verarbeitung durch Fortbewegung scheint eine Kombination von Mechanismen zugrunde zu liegen, unter anderem neuromodulatorische Einflüsse, die Aktivität spezifischer, inhibitorischer Interneurone, sowie top-down- oder motorische Rückprojektionen. Neue experimentelle Ansätze, die es Mäusen erlauben, sich trotz Kopffixation auf Laufbällen oder –bändern fortzubewegen, ermöglichte es in den letzten Jahren, die neuronalen Schaltkreise und zellulären Elemente, die der Modulation durch Verhaltenskontext zugrunde liegen, eingehend zu untersuchen. Dieser Übersichtsartikel fasst den momentanen Stand dieser Studien zusammen und beleuchtet wichtige offenen Fragen.
Abstract Altruism is a puzzling phenomenon, especially for Biology and Economics. Why do individuals reduce their chances to provide some of the resources they own to others? The answer to this question can be sought at ultimate or proximate levels of explanation. The Social Neurosciences attempt to specify the brain mechanisms that drive humans to act altruistically, in assuming that overtly identical behaviours can be driven by different motives. The research has shown that activations and functional connectivities of the Anterior Insula and the Temporoparietal Junction play specific roles in empathetic versus strategic forms of altruism, whereas the dorsolateral prefrontal cortex, among other regions, is involved in norm-oriented punitive forms of altruism. Future research studies could focus on the processing of ambiguity and conflict in pursuit of altruistic intentions.
Zusammenfassung Altruismus ist ein verblüffendes Phänomen, vor allem aus Sicht der Biologie und der Ökonomie. Warum geben Individuen anderen etwas von ihren Ressourcen ab und verringern damit ihre eigenen Möglichkeiten? Die Antwort auf diese Frage kann auf ultimater oder proximater Ebene gesucht werden. Die Sozialen Neurowissenschaften versuchen, die Gehirnmechanismen zu spezifizieren, die Menschen dazu antreiben, altruistisch zu handeln, denn äußerlich gleiches Verhalten kann durch unterschiedliche Motive bedingt sein. Aktivierungen und funktionelle Konnektivitäten der Anterioren Insula und der Temporoparietalen Junction spielen bestimmbare Rollen bei empathiebasiertem versus strategischem Altruismus, während der dorsolaterale präfrontale Kortex, neben anderen Regionen, bei punitiven Formen von Altruismus involviert ist. Zukünftige Forschungsarbeiten könnten sich auf die Verarbeitung von Ambiguität und Konflikt in der Verfolgung altruistischer Absichten beziehen.
Abstract Processing of sensory information can be modulated in both cortex and thalamus by behavioral context, such as locomotion. During active behaviors, coding of sensory stimuli and perception are improved, in particular during physical activity of moderate intensity. These locomotion-related modulations seem to arise from a combination of mechanisms, including neuromodulation, the recruitment of inhibitory interneurons, and specific top-down or motor-related inputs. The application of new experimental methods in mice during walking under head-fixation on treadmills made it possible to study the circuit and cellular basis underlying modulations by behavioral context with unprecedented detail. This article reviews the current state of these studies and highlights some important open questions.
Zusammenfassung Für das Verständnis von Struktur und Funktion unseres Nervensystems ist es wichtig zu verstehen, wie sich dessen Zellen koordinieren, um ein funktionelles Organ zu bilden und aufrechtzuerhalten. Neurone und Oligodendrozyten stellen im Zentralnervensystem ein besonderes Duo dar – Oligodendrozyten myelinisieren Axone, indem sie diese eng umwickeln. Diese Interaktion reguliert Reizleitungsgeschwindigkeiten zwischen Neuronen und unterstützt axonales Überleben. Trotz dieser Bedeutung gibt es große Lücken in unserem Verständnis von Bildung, Remodellierung und Regeneration myelinisierter Axone. Zebrafische sind wegen ihrer Eignung für Lebendzellmikroskopie und genetische Manipulationen ein zunehmend populärer Modellorganismus. Hier geben wir eine Übersicht über dieses Forschungsfeld, zeigen, wie mit Zebrafischen Mechanismen der Myelinisierung erforscht wurden, und wie offene Fragen zur Kontrolle von Axon-Oligodendrozyten Interaktionen für Nervensystemfunktion in Zukunft untersucht werden können.
Zusammenfassung Die Übersetzung von schmerzhaften Reizen in Schmerzempfindungen wird durch mehrere periphere und zentrale Signalwege des Nervensystems verwirklicht. Man nimmt heute an, dass die Organisation dieser Signalwege die beiden Hauptfunktionen der Schmerzwahrnehmung wiederspiegeln: die Bewertung von schmerzhaften Reizen (wo, was, wie stark) und die Generierung negativer Emotionen. Experimentelle Befunde deuten darauf hin, dass aufsteigende Schmerzsignale über zwei Hauptwege im thalamokortikalen (TK) System verlaufen, die diese beiden Funktionen erfüllen. Wir diskutieren daher hier die strukturellen und funktionellen Befunde, die zu der Auffassung führten, dass diskriminierende Schmerzbewertung im lateralen TK-Weg ausgeführt wird, während der mediale TK-Weg schmerzassoziierte aversive Emotionen generiert. Obwohl der Schwerpunkt dieses Übersichtsartikels auf akuter Schmerzverarbeitung liegt, gehen wir zum Schluss darauf ein, wie Veränderungen in diesen Signalwegen zu pathologischen Schmerzempfindungen bei Menschen und Tiermodellen führen können.
Abstract:γ-aminobutyric acid (GABA) mediates synaptic inhibition in the adult brain, but acts as a predominantly depolarizing and partially excitatory neurotransmitter in immature neurons. Recent
Zusammenfassung Im April 2016 nahm das neue internationale Graduiertenkolleg 2150 (IRTG 2150) mit dem Titel „Neuronale Grundlagen der Modulation von Aggression und Impulsivität im Rahmen von Psychopathologie“ offiziell seine Arbeit auf. Institutionell setzt sich das internationale GRK zusammen aus (1) der Jülich-Aachen-Research-Alliance (JARA), einer Vernetzung der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich, speziell der Sektion JARA-BRAIN, sowie (2) der renommierten University of Pennsylvania in den USA. Beide Standorte verbindet eine seit vielen Jahren bestehende enge wissenschaftliche Beziehung, die auf einer erfolgreichen Zusammenarbeit im vorangehenden gemeinsamen Internationalen Graduiertenkolleg zu Schizophrenie und Autismus (IRTG 1328, Sprecher: Frank Schneider) beruht und die in diesem neuen Verbund weiter ausgebaut werden soll. Das Graduiertenkolleg dient der wissenschaftlich-akademischen Qualifizierung auf dem Gebiet der klinischen, translationalen, molekularen und systemischen Neurowissenschaften. Zwölf Professoren aus unterschiedlichen wissenschaftlichen Disziplinen, wie Medizin, Psychologie, Biologie, Elektrotechnik und Physik bekommen jeweils eine Doktorandenstelle von der DFG finanziert. Hinzu kommen aktuell zehn assoziierte Doktoranden und fünf Medizinstudenten, die in Deutschland promovieren sowie weitere zehn Doktoranden, die an der University of Pennsylvania eingeschrieben sind. Mehrere Postdocs auf beiden Seiten vervollständigen die Gruppe.
Zusammenfassung Chronischer Schmerz stellt eine große Herausforderung für die Medizin und die Grundlagenforschung dar. Periphere und zentrale nozizeptive Netzwerke zeigen eine erhebliche Plastizität bei pathologischen Krankheitsbildern. Krankheitsbedingte Plastizität kann sowohl auf struktureller als auch auf funktioneller Ebene stattfinden. Diese Veränderungen betreffen individuelle Moleküle, Synapsen, zelluläre Funktion und die Netzwerkaktivität. Die funktionelle Plastizität an der ersten Synapse der Schmerzbahn im spinalen Hinterhorn ist gut belegt. Aktuelle Studien haben auch den Mechanismus, der dem strukturellen Umbau spinaler synaptischer Dorne zugrunde liegt, aufgedeckt. Dieser Übersichtsartikel konzentriert sich auf Plastizitätsphänomene im Rückenmark in Modellen des chronischen Schmerzes und diskutiert deren molekulare Determinanten, funktionale Relevanz und potenziellen Beitrag zu existierenden wie auch neuartigen therapeutischen Konzepten.
Abstract The multifunctional regulatory protein activin is a member of the transforming growth factor-β family. In the adult brain, activin serves as a neuroprotective factor in acute and chronic brain damage, but it also regulates brain circuits under physiological conditions. This review will highlight activin as a master molecule at excitatory and inhibitory CNS synapses and discuss how synaptic tuning by activin impacts on cognitive functions and affective behavior. By augmenting NMDA receptor function and adjusting spine morphology and density, activin strengthens hippocampal long-term potentiation (LTP), leading to improved performance in rodent learning and memory tasks. Disruption of activin signaling not only impairs cognitive functions, but also engenders a low-anxiety phenotype, which has been linked to alterations in GABAergic inhibition. Finally, accumulating evidence implicates activin as a putative endogenous antidepressant as well as a target of antidepressant treatment.
Zusammenfassung Activin ist ein multifunktionales regulatorisches Protein und gehört zur Transforming Growth Factor-β-Familie. Im adulten Gehirn fördert Activin neuronales Überleben bei akuter und chronischer Schädigung. Der Faktor reguliert neuronale Schaltkreise aber auch unter physiologischen Bedingungen. Activin soll hier als ein Master-Molekül vorgestellt werden, das erregende und hemmende Synapsen im ZNS in einer Weise beeinflusst, die kognitive Leistungen fördert und die Gemütslage stabilisiert. Activin unterstützt Lernen und Gedächtnis durch Verstärkung der synaptischen Plastizität, wobei NMDA-Rezeptoren und die Dendriten-Morphologie wichtige Angriffspunkte darstellen. Eine gentechnische Blockade des Activin-Signalwegs senkt über eine Veränderung der GABA-Wirkung das Angstverhalten. Außerdem mehren sich Hinweise, dass Activin als endogenes Antidepressivum und Mediator antidepressiver Therapien fungieren könnte.
Abstract Despite advances in the treatment of fear-, anxiety- and trauma-related disorders, a considerable proportion of patients shows only partial long-term therapeutic benefit with existing treatments. A promising option in improving therapy is speeding up and boosting the effect of exposure-based therapy (EBT) by pharmacological interventions. Here, we will discuss select examples of novel concepts in augmenting fear extinction, the central mechanisms of EBT. Based on accumulating knowledge from animal and human studies concerning the neurocircuitries and neurobiological mechanisms underlying successful fear extinction, diverse potential pharmacological targets have been identified to optimize the efficacy of fear extinction. We focus here on selected examples of these targets and present translational evidence for strengthening fear inhibitory learning by using L-DOPA and D-cycloserine. Furthermore, the potential of HDAC inhibitors and microRNAs (e. g. miR-144) as epigenetic targets, as well as neuropeptide S as a model substance with combined acute anxiolytic and extinction-facilitating properties are discussed. The presented mechanisms represent promising novel strategies that may be useful in the future for augmenting the efficacy and improving the acceptance of EBT in the treatment of anxiety disorders, although further work remains to be done in characterising the underlying modes of action and safety aspects.
Abstract Chronic pain is a major health problem and a challenge to clinical practice and basic science. Various avenues in the somatosensory nociceptive pathway undergo extensive plasticity in pathological disease states. Disease-induced plasticity spans various levels of complexity, ranging from individual molecules, synapses, cellular function and network activity, and is characterized not only by functional changes, but also by structural reorganisation. Functional plasticity has been well-studied at the first synapse in the pain pathway in the spinal dorsal horn, and recent studies have also uncovered mechanisms underlying structural remodeling of spinal synaptic spines. This review will focus on plasticity phenomena in the spinal cord observed in chronic pain models and discuss their molecular determinants, functional relevance and potential towards contributing to existing as well as novel therapeutic concepts.
Zusammenfassung Die neurowissenschaftliche Forschung hat enorme Fortschritte in der Entschlüsselung der neuronalen Codes unserer Sinneswahrnehmung erzielt. Von Einzelzellen in der Sehrinde des Affen bis zu Aktivitätsmustern in neuronalen Schaltkreisen korreliert elektrische Aktivität über verschiedene Ebenen mit Wahrnehmung. Der Schlüssel zum Verständnis, wie neuronale Signale unseren visuellen Eindruck der Welt bestimmen, sind kausale Interventionen, die direkt auf Neuronen und Schaltkreise einwirken und die Wahrnehmung eindeutig und vorhersagbar verändern. Die effektivste und zuverlässigste Interventionsmethode in Primaten bleibt die invasive elektrische Mikrostimulation. Sie kann das Aussehen selbst von komplexen Objekten vorhersagbar verändern. Solche künstlichen Signale können systematisch mit visuell evozierten Reizen und kontextuellen Signalen wie Belohnung integriert werden. Die Skalierung dieser Interventionsmethoden bietet Optionen für die Entwicklung von Neuroprothesen in der Hirnrinde.
Zusammenfassung Morbus Alzheimer ist eine degenerative Erkrankung des zentralen Nervensystems, welche durch ein progressives Absterben von Nervenzellen und Synapsen zu schweren Gedächtnis- und Orientierungsstörungen führt. Lösliche β-Amyloid-Oligomere sind eine hoch neurotoxische Vorstufe der bei Alzheimer gebildeten β-Amyloid-Fibrillen. Die Bindung dieser β-Amyloid-Oligomere an synaptische Insulinrezeptoren führt zu einer neuronalen Insulinresistenz und trägt entscheidend zur Verschlechterung der kognitiven Leistung bei. Insulinrezeptoren befinden sich in der Zellmembran. Diese besteht aus einer Lipiddoppelschicht und weist eine hohe Konzentration von glykosylierten Lipiden, sogenannten Gangliosiden, auf. Ganglioside steuern die Aktivität von Insulinrezeptoren durch dynamische molekulare Interaktionen und begünstigen die durch β-Amyloid-Oligomere ausgelöste Insulinresistenz. Somit kann eine Hemmung der Gangliosidbiosynthese Nervenzellen vor den schädlichen Wirkungen der β-Amyloid-Oligomere schützen.
Zusammenfassung Stressbedingte psychische Erkrankungen wie Angst, Depression, chronischer Schmerz oder Sucht können großes individuelles Leid sowie hohe gesellschaftliche und wirtschaftliche Folgekosten nach sich ziehen. Fortschritte in unserem Verständnis der zugrunde liegenden Krankheitsmechanismen und insbesondere in der Entwicklung neuer Therapien waren trotz großer Forschungsanstrengungen in den letzten Jahrzehnten nur begrenzt; stressbedingte Erkrankungen sind immer noch weit verbreitet. Wir glauben daher, dass es an der Zeit ist, pathophysiologische Forschung durch einen alternativen Ansatz zu ergänzen, der darin besteht, Schutzmechanismen zu untersuchen, die die Aufrechterhaltung der psychischen Gesundheit während und nach Lebenskrisen (z.B. potenziell traumatisierende Ereignisse, schwierige Lebensumstände oder Lebensumbrüche, körperliche Erkrankungen) unterstützen. Eine Fokussierung auf Resilienz anstatt auf Krankheit stellt einen Paradigmenwechsel in der psychischen Gesundheitsforschung dar und birgt Chancen für die Entwicklung von Präventionsstrategien. Mit unserer SFB-Initiative möchten wir zu diesem Paradigmenwechsel beitragen, indem wir (i) eine kohärente Theorie für die neurobiologische Erforschung der Resilienz gegen stressbedingte psychische Störungen entwickeln (Ziel 1 des SFB), (ii) neurobiologische Resilienzmechanismen identifizieren und besser verstehen (Ziel 2) und (iii) die auf diese Weise gewonnenen Einsichten für neue oder verbesserte Präventionen nutzbar machen (Ziel 3).
Zusammenfassung Morbus Parkinson (MP) ist die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung. Die klassische MP-Motorsymptomatik wird durch einen progressiven Dopaminverlust im Striatum verursacht, bzw. durch den fortschreitenden Verlust von Dopamin-ausschüttenden (DA) Neuronen im Mittelhirn (insbesondere in der Substantia nigra, SN, auch schwarze Substanz genannt). Da die Ursache für den MP immer noch unklar ist, stehen derzeit keine kurativen Therapien zur Verfügung. Es konnten aber eine Reihe von genetischen und umweltbedingten Triggerfaktoren identifiziert werden, die auf einen gemeinsamen, komplexen Pathomechanismus hinweisen, wobei metabolische Dysfunktion und geänderte Genexpression von besonderer Bedeutung sind. In diesem Artikel fassen wir diesen sich abzeichnenden Pathomechanismus zusammen, der die Grundlage für neuartige Therapiestrategien liefern könnte. Wir fokussieren uns auf geänderte Kalziumhomöostase sowie nukleoläre Funktion. Wir diskutieren, wie Tiermodelle mit beeinträchtigter Synthese von ribosomaler RNS im Nukleolus zur Identifizierung neuer zellspezifischer Vulnerabilitätsfaktoren beitragen können, wie komplexe homöostatische Adaptationsmechanismen der SN DA Neuronen eine flexible Anpassung ihrer funktionellen Aktivität an die metabolischen Bedürfnisse ermöglichen können, und wie genau diese Mechanismen SN DA Neurone besonders vulnerabel gegenüber degenerativen Triggerfaktoren und Zelltod im MP machen.
Zusammenfassung Die Netzhaut im Auge führt bereits komplexe Berechnungen aus, um nur verhaltensrelevante Informationen aus unserer Umgebung an das Gehirn weiterzuleiten. Diese Berechnungen werden von zahlreichen Zelltypen durchgeführt, die sich zu komplexen Schaltkreisen zusammenschließen. Neue experimentelle und statistische Methoden erlauben es, die neuronale Vielfalt in der Netzhaut detailliert zu erfassen und zu verstehen – das Ziel, eine vollständige Liste der Zelltypen und damit der „Bauteile“ der Netzhaut zu erstellen, rückt nun in greifbare Nähe. In diesem Artikel geben wir einen Überblick über den aktuellen Stand dieses Unterfangens und zeigen mögliche zukünftige Forschungsrichtungen auf.
