Showing papers in "Neuroforum in 2019"

Artificial Intelligence in Basic and Clinical Neuroscience: Opportunities and Ethical Challenges

Abstract: Abstract The analysis of large amounts of personal data with artificial neural networks for deep learning is the driving technology behind new artificial intelligence (AI) systems for all areas in science and technology. These AI methods have evolved from applications in computer vision, the automated analysis of images, and now include frameworks and methods for analyzing multimodal datasets that combine data from many different source, including biomedical devices, smartphones and common user behavior in cyberspace. For neuroscience, these widening streams of personal data and machine learning methods provide many opportunities for basic data-driven research as well as for developing new tools for diagnostic, predictive and therapeutic applications for disorders of the nervous system. The increasing automation and autonomy of AI systems, however, also creates substantial ethical challenges for basic research and medical applications. Here, scientific and medical opportunities as well ethical challenges are summarized and discussed.

Learning to navigate – how desert ants calibrate their compass systems

Abstract: Abstract Navigating through the environment is a challenging task that animals cope with on a daily basis. Many animal species have impressive capabilities to navigate in complex or even harsh environments. Cataglyphis desert ants are a famous example. These ants use a remarkable navigational repertoire to find their way home after far-reaching foraging trips. How do naïve ants calibrate their visual navigational systems? The ants perform stereotyped sequences of learning walks before switching from tasks inside the darkness of their nest, to foraging under bright sunlight. Here, naïve ants align nest-directed views using the earth’s magnetic field as a compass reference. Neuronal plasticity was mapped in two visual pathways to higher brain centers during this transition. Both their first exposure to light, and the performance of learning walks lead to distinct changes in synaptic circuits along both visual pathways, reflecting calibration and memory formation in the ants’ visual compass systems.

Fight or flee? Lessons from insects on aggression

Abstract: Abstract Aggression between members of the same species serves to secure resources, but the costs can quickly outweigh benefits. Hence, for aggression to be evolutionarily adaptive, animals must decide when best to flee, rather than fight. How its done, is arguably best understood in crickets. These insects implement the decision by simply modulating the behavioural threshold to flee. This threshold is raised by potentially rewarding experiences (e. g. resource possession), via the amine octopamine, so that the animal is less prone to flee and persists longer in fighting. Conversely, the threshold is lowered by nitric oxide, released in response to aversive stimuli (e. g. the opponent’s agonistic signals), thus increasing the tendency to flee. A cricket then flees, when the sum of its opponent’s actions exceeds the threshold. Subsequently, serotonin keeps the threshold low, so that losers remain submissive; possibly by inhibiting dopamine, which is necessary for recovery of aggression in losers.

Psychological and neuroscientific advances to understand Internet Use Disorder

Abstract: Zusammenfassung Internet-Nutzungsstörung (INS; in der jüngeren Vergangenheit zumeist als „Internet-Sucht“ benannt) stellt ein viel diskutiertes Thema weltweit dar. Besonders mit der Aufnahme der Diagnose Gaming Disorder im ICD-11 der Weltgesundheitsbehörde ist das nächste Level einer oftmals emotional geführten Debatte über die Natur der Verhaltenssüchte erreicht worden. Um den Leser aktuelle Einsichten in den aktuellen Stand der Dinge bezüglich dieses Themenbereiches zu vermitteln, wird in der vorliegenden Übersichtarbeit zunächst zusammengefasst, was über die INS bekannt ist und auch wie sich das Störungsbild entwickelt. Zusätzlich wird versucht, das relativ neue Phänomen der Smartphone-Nutzungsstörung (für viele eher bekannt als „Smartphone-Sucht“) in dem großen Themenkomplex der INS zu verorten. Über diese theoretischen und diagnostischen Aspekte hinausgehend, gibt der vorliegende Artikel eine Übersicht über neurowissenschaftliche Erkenntnisse, die dabei helfen, die INS besser zu charakterisieren. Viele unterschiedliche Methoden der Neurowissenschaften wurden bereits eingesetzt, um die biologischen Grundlagen der INS zu entschlüsseln. Die Magnetresonanztomographie (MRT) stand dabei in der Vergangenheit besonders im Fokus, so dass Befunde aus der MRT-Forschung auch im Fokus dieses Übersichtsartikel stehen werden. Der Artikel endet mit Limitationen der aktuellen empirischen Forschung. Zusätzlich wird ein Ausblick auf die nächsten Schritte in dem lebhaften Forschungsfeld der INS gegeben.

The first cortical circuits: Subplate neurons lead the way and shape cortical organization

Abstract: Abstract The cerebral cortex is essential for our sensory experiences and conscious thought. Its neural connections, in particular sensory areas of the cerebral cortex, are shaped and sculpted by our early sensory experiences. Onset of these first sensory experiences of the world mark an important developmental event, enabling our worldy interactions to shape the makeup of our cerebral cortex. These long-lasting effects of early sensory experience are particularly striking in human communication, since early exposure to the mother’s language is required to detect all nuances in the underlying sounds. Early interactions with the world are mediated by a key set of neurons, subplate neurons, which remain part of the developing cerebral cortex until most of them disappear at later stages of development. They play a crucial role in the developing mammalian brain. Here I review the circuitry and functional roles of cortical subplate neurons, focusing on their purpose in the development of primary sensory cortices.

Friend or foe? – B cells in stroke

Abstract: Abstract Stroke is one of the leading causes of mortality and morbidity worldwide. Upon cerebral ischemia, an inflammatory reaction takes place in the brain. Infiltration of different immune cell subsets as well as activation of resident microglia cells have been shown to have both beneficial and detrimental effects on stroke outcome. For a long time, research in the field of adaptive immunity after stroke has mostly focused on T lymphocytes and only recently, several publications shed light on the importance of B lymphocytes in the acute and chronic phases of ischemic stroke. In this review, we will focus on the role of B cells in the ischemic brain and describe possible antibody-dependent and antibody-independent mechanisms in the development of post-stroke cognitive deficits.

Alpha-synuclein as therapeutic target in Parkinson’s disease

Abstract: Zusammenfassung 180 Jahre vergingen zwischen James Parkinson’s “An essay on the shaking palsy” und der Entdeckung der zentralen Rolle von alpha-synuclein in der Pathogenese von Parkinson’s disease (PD). Der Identifikation einer PD verursachenden Mutation im alpha-synuclein Gen folgte rasch der Nachweis des Proteins in Lewy Körperchen, den charakteristischen Proteineinschlüssen im Gehirn der Patienten. Trotz vieler ungeklärter Fragen, Forschungsergebnisse zur Entstehung, Ausbreitung und Neurotoxizität der alpha-synuclein Pathologie geben Hoffnung auf die Entwicklung einer Krankheits-modifizierenden Therapie, über die Dopaminersatztherapie hinaus. Die Hypothese, dass alpha-synuclein Pathologie sich ähnlich wie ein Prion ausbreitet, wird kontrovers diskutiert, und initiierte viele interessante neue Forschungsansätze und therapeutische Zielstrukturen. Dieser Übersichtsartikel fasst die Evidenz für eine zentrale Rolle von alpha-synuclein in der Pathogenese der PD zusammen, gefolgt von einer Diskussion neuer Therapiestrategien.

The Neuroscience of Creativity

Abstract: Abstract While earlier neuroscience studies on creativity have been criticized due to their heterogeneity of findings, recent studies in this field have converged to some common practices and methodological approaches, which have greatly contributed to enhance both the reliability and reproducibility of findings in this field. Relevant neuroscience findings suggest that creative cognition requires a conglomerate of neurocognitive processes involving executive functions, memory processes, internally-focused attention, or spontaneous modes of thought. Studies investigating creativity in more naturalistic, real-life settings reveal some overlap with conventional creative ideation, but also indicate that creativity and its underlying neural mechanisms are specific to the particular domain. Another trend in the neuroscience of creativity is concerned with approaches to enhance creativity, involving a broad diversity of interventions ranging from cognitively-oriented techniques to interventions using physical activity.

The gut-brain axis: microglia in the spotlight

Abstract: Summary Microbiome research has grown significantly in the last decade, highlighting manifold implications of the microbiota to the host’s health. The gut microbiota is connected to the brain through several avenues that allow their interaction. Thus, recent studies have attemtpted to characterize these connections and enhance our understanding of the so called ‘gut-brain-axis’. Microglia, the central nervous system resident macrophages, are crucial for the proper development and maintenance of brain functions. As immune cells, they are in the spotlight for relaying signals between the microbiota and cells of the brain. In this review, we contemplate on interactions between the gut microbiota and microglia, and their influence on brain functions in health and disease.

The neuroimmunological synapse: from synaptic homeostasis to brain disease

Abstract: Zusammenfassung Mikroglia sind Zellen des angeborenen Immunsystems im zentralen Nervensystem, die eine bedeutende Rolle bei entzündlichen Veränderungen im Nervengewebe spielen. Ursprünglich galt die Annahme, dass Mikrogliazellen ihre Funktion erst nach Aktivierung durch pathologische Stimuli aufnehmen. Neuere Studien deuten darauf hin, dass Mikroglia physiologische Funktionen bei neuronalen Entwicklungsprozessen oder synaptischen Anpassungsreaktionen hat. Basierend auf dem Konzept, dass die Freisetzung mikroglialer Faktoren synaptische Eigenschaften tripartiter Synapsen (Präsynapse, Postsynapse, Astrozyt) beeinflussen kann, wurde der Begriff der neuroimmunologischen Synapse geprägt. Unter Bedingungen, bei denen der Aktivitätszustand der Mikroglia durch endogene oder exogene pathologische Stimuli verändert wird, kann dadurch das physiologische Zusammenspiel von Mikroglia, Astrozyten und Nervenzellen an Synapsen gestört sein, wodurch krankhafte Prozesse im zentralen Nervensystem angestoßen, befördert oder erhalten werden können.

Small domain, large consequences: the axon initial segment as a key player in neuronal excitability

Abstract: Abstract The axon initial segment (AIS) is a crucial axonal domain for neuronal function – it allows neurons to generate action potentials, maintain their polarity or modulate their own excitability, thereby adapting to sudden and more long-term changes in network state. Although the AIS has been a well-described structure in neurons with work dating back to the 1960s, its fundamental role in neuronal function has only really been appreciated in the last decade. It is therefore no surprise that the AIS now also emerges as a hub for the onset of various pathophysiological conditions. In this review, we will focus on AIS development, function, and plasticity in the context of neuronal network activity and will highlight recent results that indicate a role for the AIS in the regulation and fine-tuning of input-output relations in single neurons.

Non Vitae Sed Scholae Discimus? Schooling Fosters Intelligence

Abstract: Zusammenfassung Intelligenz ist wichtig für schulischen Erfolg. Fördert Beschulung jedoch auch die Intelligenz? In diesem Übersichtsartikel präsentieren wir Evidenz dafür, dass sowohl die Schulbesuchsdauer als auch die Beschulungsqualität die Leistung in Intelligenztests beeinflussen. Zudem werden differentielle Effekte beleuchtet. Der Beschulungseffekt ist für akademische Ausbildungsgänge ausgeprägter als für nicht-akademische und zeigt sich in verschiedenen Intelligenzfacetten und Altersgruppen, wobei er für jüngere Kinder am stärksten zu sein scheint. Die Beschulungsdauer ist mit Alterseffekten auf die Intelligenz konfundiert, und verschiedene Beschulungszweige bringen das Problem eines selektiven Intakes von Schülern mit sich. Daher stellt der vorliegende Beitrag außerdem Untersuchungs-Designs vor, mit deren Hilfe diese Probleme gelöst werden konnten. Abschließend wird resümiert, dass der Beschulungseffekt kein Artefakt darstellt, sondern die Folge einer „echten“ Intelligenzsteigerung ist.

Neuromodulation of early sensory processing in the olfactory system

Abstract: Zusammenfassung In jedem Moment sind wir von einer Vielzahl von Informationen umgeben, die gleichzeitig von mehreren Sinnen empfangen werden. Eine enorme Menge an Daten muss daher in unserem Gehirn gleichzeitig verarbeitet werden, um unsere Umwelt richtig zu verstehen. Eine Anpassung der sensorischen Verarbeitung ist wichtig, um unsere Wahrnehmung kontextabhängig optimieren zu können, d. h. um adäquate Verhaltensreaktionen zu ermöglichen, muss eine effiziente sensorische Verarbeitung relevanter Stimuli gefördert und unwichtige Signale unterdrückt werden. Die zugrundeliegenden Mechanismen der sensorischen Informationsmodulation sind, insbesondere in frühen sensorischen Schaltkreisen, weitgehend unbekannt. Die Fähigkeit, diese Prozesse selektiv manipulieren zu können, wäre sowohl für die Grundlagenforschung als auch die translationale biomedizinische Forschung von großem Vorteil. Hier betrachten wir das olfaktorische System der Vertebraten als Modellsystem für die Untersuchung früher sensorische Verarbeitung und demonstrieren die Komplexität neuromodulatorischer Vorgänge anhand dieses Systems.

Personal View – The Evolution of Neurochemistry

Abstract: Abstract This esssay is a personal account of the evolution of Neurochemistry in the past century. It describes in parallel the authors way from chemistry to biochemistry and finally to Neurochemistry and the progress of a most exciting chapter of the Life Sciences. It covers the successful time period of reductionist research (by no means comprehensively), which lay the ground for the recent and future systems approach. This development promises answers to fundamental questions of our existence as human beings.

Single-cell RNA-Sequencing in Neuroscience

Abstract: Summary Technical innovations in the last decade have allowed to sequence transcriptomes of single cells. Single-cell RNA-sequencing (scRNA-seq) has since then opened the window to a deeper understanding of cellular identity and is becoming a widely used method in molecular biology. In neuroscience, scRNA-seq has broad applications, for example in determining cellular diversity in different brain regions and in revealing transcriptomic variations across brain disorders. The method consists of several steps: isolation and lysis of single cells, reverse transcription of RNAs, amplification of cDNAs, and next-generation sequencing. The large datasets can subsequently be analysed using different bioinformatic tools to deduce biological meaning. Current developments aim to integrate scRNA-seq into cellular network analysis through multimodal analysis, spatial localisation and perturbation experiments, in order to understand brain physiology and pathology.

Impact of Diet and the Gut Microbiome on Neurodegeneration and Regeneration in Neurological Disorders

Abstract: Zusammenfassung Aktuelle Forschungsergebnisse im Bereich neurodegenerativer Erkrankungen deuten vermehrt darauf hin, dass die Ernährung und damit assoziiert die Zusammensetzung des Darm-Mikrobioms einen entscheidenden Einfluss auf die Entstehung und den Verlauf verschiedenster Krankheiten haben. Die sogenannte Darm-Hirn Achse, oder präziser die Darm-Mikrobiom-Hirn Achse hat dadurch deutlich an Aufmerksamkeit gewonnen. Dabei kann der Darm das zentrale Nervensystem auf unterschiedliche Weisen beeinflussen, I) direkt durch bakterielle Bestandteile und Metaboliten von Bakterien, II) durch Manipulation der im Körper zirkulierenden Immunzellen, oder III) durch direkten Kontakt, z. B. über den N. vagus. Fortschritte auf dem Gebiet der Molekularbiologie, wie das Next Generation Sequencing ermöglichen aufgrund ihres hohen Auflösungsvermögens die genaue Identifikation von Bakterien und die Kompositionen ganzer Mikrobiome. Dadurch ist es möglich, die Interaktionen zwischen dem intestinalen Mikrobiom, dem Metabolom und dem Darm- assoziierten Immunsystem detailliert zu erforschen. In dieser Arbeit diskutieren wir den Einfluss des Mikrobioms, der Ernährung und den damit verbundenen Gesundheitszustand auf die Neuroregeneration. Der Fokus liegt dabei auf der Möglichkeit, wie dieses Wissen in Zukunft für therapeutische Zwecke genutzt werden kann.

Guardians of neuroimmunity – Toll-like receptors and their RNA ligands

Abstract: Abstract RNA-sensing Toll-like receptors (TLRs) are mostly associated with the recognition of viruses. However, over the last years it has become clear that the function and relevance of these receptors are far more complex. They are essential for the recognition of bacteria, fungi and parasites, leading to transcriptional activation of central nervous system (CNS) resident and invading myeloid cells during infectious meningitis and encephalitis. Moreover, host-derived RNA species interact with TLRs. Injured CNS neurons release small RNAs, e. g. microRNAs, into the extracellular space. Neighboring neurons and microglia take up these RNA molecules via the endosomal route, which provides the opportunity for activation of endosomal TLRs. This process contributes to neuroinflammation and further neuronal injury, thus closing the vicious cycle of CNS damage, as it may occur in numerous CNS disorders including neurodegenerative diseases.

Personal View: The barn owl — a specialist for studying sensory systems

Abstract: Abstract In this personal view article, the impact of an auditory specialist, the barn owl, to our understanding of sensory processing, especially auditory processing, is discussed from the perspective of a long-lasting career. In times when research on model systems such as the mouse or the fruit fly, both generalists for most of the behaviors examined, celebrates big successes, one may ask what the work on animals occupying specialized niches, “specialists”, can contribute to advance our knowledge about sensory systems. A specialist in this context is an animal that occupies a certain ecological niche and shows corresponding adaptations in anatomy and physiology. This article presents a personal view on the impact of the work on such a specialist. In my article I shall focus on audition in the barn owl, a specialist for hunting by listening. I started my scientific career in 1979, working with houseflies, and have worked with barn owls since my time as a postdoc at the California Institute of Technology (“Caltech”, Pasadena, CA, USA) in 1985. My interest in specialists derived from my work as an ornithologist when I realized that adaptations like the long and curved bill of the curlew help animals to occupy certain ecological niches. I wanted to understand in a formal sense, and in comparison to engineering, how evolution shapes such specializations.

CNS myeloid cell heterogeneity at the single-cell level

Abstract: Abstract The cellular composition of the central nervous system (CNS) is highly complex and dynamic. Regulation of this complexity is increasingly recognized to be spatially and temporally dependent during development, homeostasis and disease. Context-dependent cellular heterogeneity was shown for neuroectodermal cells as well as the myeloid compartment of the CNS. The brain myeloid compartment comprises microglia and other CNS-associated macrophages. These are brain-resident cells with critical roles in brain development, maintenance, and immune responses during states of disease. Profiling of CNS myeloid cell heterogeneity has been greatly facilitated in the past years by development of high-throughput technologies for single-cell analysis. This review summarizes current insights into heterogeneity of the CNS myeloid cell population determined by single-cell RNA sequencing and mass cytometry. The results offer invaluable insights into CNS biology and will facilitate the development of therapies for neurodegenerative and neuroinflammatory pathologies.

DFG-Research Unit 2795: “Synapses under Stress: Early events induced by metabolic failure at glutamatergic synapses”

Abstract: The brain is one of the major energy consumers of the human body. Most of the ATP is used by the Na+/K+-ATPase (NKA; Fig. 1) which sets the Na+ and K+ gradients across the plasma membrane and compensates for changes in intraand extracellular Na+ and K+ concentrations occurring upon activation of voltageand ligand-gated channels (Sweadner 1989). The inwardly-directed Na+ gradient generated by the NKA also provides the energy for a plethora of secondary active transporters, e. g. the sodium/calcium exchanger (NCX) and various transporters that terminate synaptic transmission via efficient re-uptake of neurotransmitters (Rose and Chatton 2016; Somjen 2002) (Fig. 1). Other ATP-consuming ion transporters, such as the plasma membrane Ca2+-ATPase, are vital for intracellular Ca2+ homeostasis (Harris et al. 2012). The vacuolar-type H+-ATPase (v-ATPase) creates the proton gradient necessary for neurotransmitter accumulation in presynaptic vesicles (Cotter et al. 2015) (Fig. 1).

Autoantibodies Against NMDA Receptors – Janus-Faced Molecules?

Abstract: Zusammenfassung Wie schon der römische Gott des Anfangs und des Endes, Janus, könnten auch Antikörper (AB) gegen N-Methyl-D-aspartatrezeptoren (NMDAR) zwei Gesichter besitzen und duale Effekte vermitteln, wenn sie Zugang zum zentralen Nervensystem erhalten. In den letzten Jahren rückten Autoantikörper gegen die obligatorische NMDAR-Untereinheit GluN1 zunehmend in den Fokus von Ärzten, da GuN1-Antikörper (GluN1-AB) in der Cerebrospinalflüssigkeit als diagnostisches Kriterium für die sogenannte anti-NMDAR-Enzephalitis genutzt werden. Jedoch sind GluN1-AB auch im Blutserum vieler gesunder Menschen vorhanden. Mittlerweile haben zahlreiche Studien die Häufigkeit, die Epitope und den molekularen Wirkmechanismus von GluN1-AB verschiedener Ursprünge und Immunglobulinklassen analysiert. Interessanterweise vermitteln GluN1-AB die Quervernetzung und Internalisierung von NMDAR. In diesem Übersichtsartikel werden wir vorstellen, wie GluN1-AB Neurone potentiell vor den neurotoxischen Prozessen einer Übererregung der exzitatorischen Neurotransmission schützen, jedoch ebenfalls psychose-ähnliche Zustände auslösen können. Zusätzlich werden wir die Pathogenität von GluN1-AB mit Bezug auf entzündliche Prozesse genauer betrachten.