Mechanismen hochfrequenter synaptischer Übertragung

Die schnelle und präzise Informationsverarbeitung unseres Nervensystems basiert auf hochfrequenter synaptischer Übertragung zwischen Nervenzellen. Hierbei löst der Einstrom von Calcium-Ionen (Ca2+) die Fusion Transmittergefüllter Vesikel an spezialisierten präsynaptischen Nervenendigungen aus. Obwohl viele der hieran beteiligten Proteine bekannt sind, ist deren zeitliches und räumliches Zusammenspiel und deren Regulation durch Ca2+ bisher ungenügend verstanden. Mit präsynaptischen Ableitungen von hippokampalen Moosfasersynapsen wurde ein großer Vorrat an fusionsbereiten Vesikeln gefunden, die schnell fusionieren können. Um die molekularen Mechanismen zu verstehen, die an der Fusion einer hohen Anzahl synaptischer Vesikel innerhalb weniger Millisekunden beteiligt sind, wurden die genetischen Möglichkeiten der Fruchtfliege Drosophila melanogaster genutzt. Es zeigte sich, dass das Protein Bruchpilot in Drosophila am Aufbau der Cytomatrixstruktur beteiligt ist, dass die Anreicherung von Bruchpilot an der Freisetzungsstelle und die Größe des postsynaptischen Glutamatrezeptorfeldes lokal äußerst spezifisch aufeinander abgestimmt werden, und dass Bruchpilot maßgeblich an der Vesikelnachladung beteiligt ist. Die Funktion der Vesikelnachladung konnte auf intramolekularem Niveau einem bestimmten Teil des Bruchpilot Moleküls (dem C-Terminus) zugeordnet werden. Um diese an Invertebraten gewonnen Befunde auf Synapsen des zentralen Nervensystems von Wirbeltieren zu übertragen, wurden cerebelläre Moosfasersynapsen untersucht, an denen hochfrequente synaptische Übertragung und schnelle Vesikelnachladung beschrieben wurden. Obwohl das Drosophila-Protein Bruchpilot kein direktes Sequenzhomolog bei Vertebraten hat, erschien das Invertebraten-spezifische Cytomatrixprotein Bassoon ein interessanter Kandidat zu sein, der bei der hochfrequenten synaptischen Übertragung eine ähnliche Funktion ausführen könnte. In der Tat zeigte die mechanistische Untersuchung von Bassoonmutanten, dass Bassoon die Nachladerate an Synapsen des zentralen Nervensystems beschleunigt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind von Bedeutung für unser Verständnis schneller Informationsverarbeitung in unserem Nervensystem und sollten neue Aspekte für unser Verständnis der Pathophysiologie neurologischer Erkrankungen eröffnen

Gradients in the mammalian cerebellar cortex enable Fourier-like transformation and improve storing capacity

Cerebellar granule cells (GCs) make up the majority of all neurons in the vertebrate brain, but heterogeneities among GCs and potential functional consequences are poorly understood. Here, we identified unexpected gradients in the biophysical properties of GCs in mice. GCs closer to the white matter (inner-zone GCs) had higher firing thresholds and could sustain firing with larger current inputs than GCs closer to the Purkinje cell layer (outer-zone GCs). Dynamic Clamp experiments showed that inner- and outer-zone GCs preferentially respond to high- and low-frequency mossy fiber inputs, respectively, enabling dispersion of the mossy fiber input into its frequency components as performed by a Fourier transformation. Furthermore, inner-zone GCs have faster axonal conduction velocity and elicit faster synaptic potentials in Purkinje cells. Neuronal network modeling revealed that these gradients improve spike-timing precision of Purkinje cells and decrease the number of GCs required to learn spike-sequences. Thus, our study uncovers biophysical gradients in the cerebellar cortex enabling a Fourier-like transformation of mossy fiber inputs

A Comparative Study of “Foot Culture” in Japan

Hyperpolarization-activated cyclic-nucleotide-gated (HCN) channels control electrical rhythmicity and excitability in the heart and brain, but the function of HCN channels at the subcellular level in axons remains poorly understood. Here, we show that the action potential conduction velocity in both myelinated and unmyelinated central axons can be bidirectionally modulated by a HCN channel blocker, cyclic adenosine monophosphate (cAMP), and neuromodulators. Recordings from mouse cerebellar mossy fiber boutons show that HCN channels ensure reliable high-frequency firing and are strongly modulated by cAMP (EC50 40 µM; estimated endogenous cAMP concentration 13 µM). In addition, immunogold-electron microscopy revealed HCN2 as the dominating subunit in cerebellar mossy fibers. Computational modeling indicated that HCN2 channels control conduction velocity primarily by altering the resting membrane potential and are associated with significant metabolic costs. These results suggest that the cAMP-HCN pathway provides neuromodulators with an opportunity to finely tune energy consumption and temporal delays across axons in the brain

Peripherally-derived LGI1-reactive monoclonal antibodies cause epileptic seizures in vivo

One striking clinical hallmark in patients with autoantibodies to leucine-rich glioma inactivated 1 (LGI1) is the very frequent focal seizure semiologies, including faciobrachial dystonic seizures (FBDS), in addition to the amnesia. Polyclonal serum IgGs have successfully modelled the cognitive changes in vivo but not seizures. Hence, it remains unclear whether LGI1-autoantibodies are sufficient to cause seizures. We tested this with the molecularly precise monoclonal antibodies directed against LGI1 (LGI1-mAbs), derived from patient circulating B cells. These were directed towards both major domains of LGI1, LRR and EPTP and infused intracerebroventricularly over 7 days into juvenile male Wistar rats using osmotic pumps. Continuous wireless EEG was recorded from a depth electrode placed in hippocampal CA3 plus behavioural tests for memory and hyperexcitability were performed. Following infusion completion (Day 9), post-mortem brain slices were studied for antibody binding and effects on Kv1.1. The LGI1-mAbs bound most strongly in the hippocampal CA3 region and induced a significant reduction in Kv1.1 cluster number in this subfield. By comparison to control-Ab injected rats video-EEG analysis over 9 days revealed convulsive and non-convulsive seizure activity in rats infused with LGI1-mAbs, with a significant number of ictal events. Memory was not impaired in the novel object recognition test. Peripherally-derived human LGI1-mAbs infused into rodent CSF provide strong evidence of direct in vivo epileptogenesis with molecular correlations. These findings fulfill criteria for LGI1-antibodies in seizure causation

Quantitative super-resolution imaging of Bruchpilot distinguishes active zone states

The precise molecular architecture of synaptic active zones (AZs) gives rise to different structural and functional AZ states that fundamentally shape chemical neurotransmission. However, elucidating the nanoscopic protein arrangement at AZs is impeded by the diffraction-limited resolution of conventional light microscopy. Here we introduce new approaches to quantify endogenous protein organization at single-molecule resolution in situ with super-resolution imaging by direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). Focusing on the Drosophila neuromuscular junction (NMJ), we find that the AZ cytomatrix (CAZ) is composed of units containing ~137 Bruchpilot (Brp) proteins, three quarters of which are organized into about 15 heptameric clusters. We test for a quantitative relationship between CAZ ultrastructure and neurotransmitter release properties by engaging Drosophila mutants and electrophysiology. Our results indicate that the precise nanoscopic organization of Brp distinguishes different physiological AZ states and link functional diversification to a heretofore unrecognized neuronal gradient of the CAZ ultrastructure

Maturation of active zone assembly by Drosophila Bruchpilot

Synaptic vesicles fuse at active zone (AZ) membranes where Ca2+ channels are clustered and that are typically decorated by electron-dense projections. Recently, mutants of the Drosophila melanogaster ERC/CAST family protein Bruchpilot (BRP) were shown to lack dense projections (T-bars) and to suffer from Ca2+ channel–clustering defects. In this study, we used high resolution light microscopy, electron microscopy, and intravital imaging to analyze the function of BRP in AZ assembly. Consistent with truncated BRP variants forming shortened T-bars, we identify BRP as a direct T-bar component at the AZ center with its N terminus closer to the AZ membrane than its C terminus. In contrast, Drosophila Liprin-α, another AZ-organizing protein, precedes BRP during the assembly of newly forming AZs by several hours and surrounds the AZ center in few discrete punctae. BRP seems responsible for effectively clustering Ca2+ channels beneath the T-bar density late in a protracted AZ formation process, potentially through a direct molecular interaction with intracellular Ca2+ channel domains

Photography-based taxonomy is inadequate, unnecessary, and potentially harmful for biological sciences

The question whether taxonomic descriptions naming new animal species without type specimen(s) deposited in collections should be accepted for publication by scientific journals and allowed by the Code has already been discussed in Zootaxa (Dubois & Nemésio 2007; Donegan 2008, 2009; Nemésio 2009a–b; Dubois 2009; Gentile & Snell 2009; Minelli 2009; Cianferoni & Bartolozzi 2016; Amorim et al. 2016). This question was again raised in a letter supported by 35 signatories published in the journal Nature (Pape et al. 2016) on 15 September 2016. On 25 September 2016, the following rebuttal (strictly limited to 300 words as per the editorial rules of Nature) was submitted to Nature, which on 18 October 2016 refused to publish it. As we think this problem is a very important one for zoological taxonomy, this text is published here exactly as submitted to Nature, followed by the list of the 493 taxonomists and collection-based researchers who signed it in the short time span from 20 September to 6 October 2016

Research and Design of a Routing Protocol in Large-Scale Wireless Sensor Networks

无线传感器网络，作为全球未来十大技术之一，集成了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理和自组织网技术，可实时感知、采集、处理、传输网络分布区域内的各种信息数据，在军事国防、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等领域具有十分广阔的应用前景。 本文研究分析了无线传感器网络的已有路由协议，并针对大规模的无线传感器网络设计了一种树状路由协议，它根据节点地址信息来形成路由，从而简化了复杂繁冗的路由表查找和维护，节省了不必要的开销，提高了路由效率，实现了快速有效的数据传输。 为支持此路由协议本文提出了一种自适应动态地址分配算——ADAR（AdaptiveDynamicAddre...As one of the ten high technologies in the future, wireless sensor network, which is the integration of micro-sensors, embedded computing, modern network and Ad Hoc technologies, can apperceive, collect, process and transmit various information data within the region. It can be used in military defense, biomedical, environmental monitoring, disaster relief, counter-terrorism, remote control of haz...学位：工学硕士院系专业：信息科学与技术学院通信工程系_通信与信息系统学号：2332007115216

Mechanismen hochfrequenter synaptischer Übertragung

Die schnelle und präzise Informationsverarbeitung unseres Nervensystems basiert auf hochfrequenter synaptischer Übertragung zwischen Nervenzellen. Hierbei löst der Einstrom von Calcium-Ionen (Ca2+) die Fusion Transmittergefüllter Vesikel an spezialisierten präsynaptischen Nervenendigungen aus. Obwohl viele der hieran beteiligten Proteine bekannt sind, ist deren zeitliches und räumliches Zusammenspiel und deren Regulation durch Ca2+ bisher ungenügend verstanden. Mit präsynaptischen Ableitungen von hippokampalen Moosfasersynapsen wurde ein großer Vorrat an fusionsbereiten Vesikeln gefunden, die schnell fusionieren können. Um die molekularen Mechanismen zu verstehen, die an der Fusion einer hohen Anzahl synaptischer Vesikel innerhalb weniger Millisekunden beteiligt sind, wurden die genetischen Möglichkeiten der Fruchtfliege Drosophila melanogaster genutzt. Es zeigte sich, dass das Protein Bruchpilot in Drosophila am Aufbau der Cytomatrixstruktur beteiligt ist, dass die Anreicherung von Bruchpilot an der Freisetzungsstelle und die Größe des postsynaptischen Glutamatrezeptorfeldes lokal äußerst spezifisch aufeinander abgestimmt werden, und dass Bruchpilot maßgeblich an der Vesikelnachladung beteiligt ist. Die Funktion der Vesikelnachladung konnte auf intramolekularem Niveau einem bestimmten Teil des Bruchpilot Moleküls (dem C-Terminus) zugeordnet werden. Um diese an Invertebraten gewonnen Befunde auf Synapsen des zentralen Nervensystems von Wirbeltieren zu übertragen, wurden cerebelläre Moosfasersynapsen untersucht, an denen hochfrequente synaptische Übertragung und schnelle Vesikelnachladung beschrieben wurden. Obwohl das Drosophila-Protein Bruchpilot kein direktes Sequenzhomolog bei Vertebraten hat, erschien das Invertebraten-spezifische Cytomatrixprotein Bassoon ein interessanter Kandidat zu sein, der bei der hochfrequenten synaptischen Übertragung eine ähnliche Funktion ausführen könnte. In der Tat zeigte die mechanistische Untersuchung von Bassoonmutanten, dass Bassoon die Nachladerate an Synapsen des zentralen Nervensystems beschleunigt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind von Bedeutung für unser Verständnis schneller Informationsverarbeitung in unserem Nervensystem und sollten neue Aspekte für unser Verständnis der Pathophysiologie neurologischer Erkrankungen eröffnen

Mechanismen hochfrequenter synaptischer Übertragung

Die schnelle und präzise Informationsverarbeitung unseres Nervensystems basiert auf hochfrequenter synaptischer Übertragung zwischen Nervenzellen. Hierbei löst der Einstrom von Calcium-Ionen (Ca2+) die Fusion Transmittergefüllter Vesikel an spezialisierten präsynaptischen Nervenendigungen aus. Obwohl viele der hieran beteiligten Proteine bekannt sind, ist deren zeitliches und räumliches Zusammenspiel und deren Regulation durch Ca2+ bisher ungenügend verstanden. Mit präsynaptischen Ableitungen von hippokampalen Moosfasersynapsen wurde ein großer Vorrat an fusionsbereiten Vesikeln gefunden, die schnell fusionieren können. Um die molekularen Mechanismen zu verstehen, die an der Fusion einer hohen Anzahl synaptischer Vesikel innerhalb weniger Millisekunden beteiligt sind, wurden die genetischen Möglichkeiten der Fruchtfliege Drosophila melanogaster genutzt. Es zeigte sich, dass das Protein Bruchpilot in Drosophila am Aufbau der Cytomatrixstruktur beteiligt ist, dass die Anreicherung von Bruchpilot an der Freisetzungsstelle und die Größe des postsynaptischen Glutamatrezeptorfeldes lokal äußerst spezifisch aufeinander abgestimmt werden, und dass Bruchpilot maßgeblich an der Vesikelnachladung beteiligt ist. Die Funktion der Vesikelnachladung konnte auf intramolekularem Niveau einem bestimmten Teil des Bruchpilot Moleküls (dem C-Terminus) zugeordnet werden. Um diese an Invertebraten gewonnen Befunde auf Synapsen des zentralen Nervensystems von Wirbeltieren zu übertragen, wurden cerebelläre Moosfasersynapsen untersucht, an denen hochfrequente synaptische Übertragung und schnelle Vesikelnachladung beschrieben wurden. Obwohl das Drosophila-Protein Bruchpilot kein direktes Sequenzhomolog bei Vertebraten hat, erschien das Invertebraten-spezifische Cytomatrixprotein Bassoon ein interessanter Kandidat zu sein, der bei der hochfrequenten synaptischen Übertragung eine ähnliche Funktion ausführen könnte. In der Tat zeigte die mechanistische Untersuchung von Bassoonmutanten, dass Bassoon die Nachladerate an Synapsen des zentralen Nervensystems beschleunigt. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind von Bedeutung für unser Verständnis schneller Informationsverarbeitung in unserem Nervensystem und sollten neue Aspekte für unser Verständnis der Pathophysiologie neurologischer Erkrankungen eröffnen