Loss of transforming growth factor-beta 2 leads to impairment of central synapse function

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The formation of functional synapses is a crucial event in neuronal network formation, and with regard to regulation of breathing it is essential for life. Members of the transforming growth factor-beta (TGF-β) superfamily act as intercellular signaling molecules during synaptogenesis of the neuromuscular junction of <it>Drosophila </it>and are involved in synaptic function of sensory neurons of <it>Aplysia</it>.</p> <p>Results</p> <p>Here we show that while TGF-β2 is not crucial for the morphology and function of the neuromuscular junction of the diaphragm muscle of mice, it is essential for proper synaptic function in the pre-Bötzinger complex, a central rhythm organizer located in the brainstem. Genetic deletion of TGF-β2 in mice strongly impaired both GABA/glycinergic and glutamatergic synaptic transmission in the pre-Bötzinger complex area, while numbers and morphology of central synapses of knock-out animals were indistinguishable from their wild-type littermates at embryonic day 18.5.</p> <p>Conclusion</p> <p>The results demonstrate that TGF-β2 influences synaptic function, rather than synaptogenesis, specifically at central synapses. The functional alterations in the respiratory center of the brain are probably the underlying cause of the perinatal death of the TGF-β2 knock-out mice.</p

Loss of transforming growth factor-beta 2 leads to impairment of central synapse function

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The formation of functional synapses is a crucial event in neuronal network formation, and with regard to regulation of breathing it is essential for life. Members of the transforming growth factor-beta (TGF-β) superfamily act as intercellular signaling molecules during synaptogenesis of the neuromuscular junction of <it>Drosophila </it>and are involved in synaptic function of sensory neurons of <it>Aplysia</it>.</p> <p>Results</p> <p>Here we show that while TGF-β2 is not crucial for the morphology and function of the neuromuscular junction of the diaphragm muscle of mice, it is essential for proper synaptic function in the pre-Bötzinger complex, a central rhythm organizer located in the brainstem. Genetic deletion of TGF-β2 in mice strongly impaired both GABA/glycinergic and glutamatergic synaptic transmission in the pre-Bötzinger complex area, while numbers and morphology of central synapses of knock-out animals were indistinguishable from their wild-type littermates at embryonic day 18.5.</p> <p>Conclusion</p> <p>The results demonstrate that TGF-β2 influences synaptic function, rather than synaptogenesis, specifically at central synapses. The functional alterations in the respiratory center of the brain are probably the underlying cause of the perinatal death of the TGF-β2 knock-out mice.</p

The role of transforming growth factors-beta (TGF-β) in the development of synapses

Die transformierenden Wachstumsfaktoren-beta (TGF-β) stellen eine Superfamilie von Proteinen dar, die in der Entwicklung und Differenzierung des Nervensystems unterschiedlichste Funktionen erfüllen. Ihre Rolle in der Synaptogenese in Säugetieren ist jedoch bislang nur teilweise untersucht und insbesondere zur Funktion der Isoformen TGF-β1, -β2 und -β3 liegen keine Befunde vor. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, die biologische Bedeutung von TGF-β2 in der Entstehung und Funktion von Synapsen zu untersuchen. Als Modell dienten dabei embryonale TGF-β2-defiziente Mäuse, in denen Synapsen des peripheren und zentralen Nervensystems untersucht wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Innervation des Zwerchfells, die Faszikulation des Nervus phrenicus und die Morphologie der neuromuskulären Endplatte durch die Deletion von TGF-β2 nicht beeinträchtigt wurden. Es wurde jedoch eine signifikant reduzierte Anzahl von neuromuskulären Endplatten festgestellt und in vitro-Experimente mit C2C12-Zellen gaben einen Hinweis darauf, dass diese Reduzierung durch einen Verlust an Agrin-stabilisierten Azetylcholin-Rezeptor-Clustern verursacht sein könnte. Dies führte zu der Hypothese, dass TGF-β2 an der neuromuskulären Endplatte als Ko-Faktor für Agrin die Nerv-Muskel-Interaktion modulieren könnte. Die TGF β2-defizienten Embryonen wiesen eine ausgeprägte Disorganisation des Zwerchfellmuskels und eine gestörte Differenzierung der Muskelzellen auf. Dies bestätigte die Annahme, dass TGF-β2 an der Differenzierung von Myoblasten beteiligt ist.In einer elektrophysiologischen Untersuchung des Prä-Bötzinger-Komplexes, der Teil des respiratorischen Systems der ventralen Medulla ist, wurde in TGF-β2-defizienten Embryonen eine signifikant erniedrigte Netzwerk-Aktivität festgestellt. Diese konnte auf eine verminderte glutamaterge und GABAerge/glyzinerge Transmission zurückgeführt werden. Gleichzeitig ist durch diese Beobachtung der Verlust der Atemtätigkeit der TGF-β2-defizienten Tiere zu erklären, die in dieser Arbeit ebenfalls belegt wurde und die wahrscheinlich zur kongenitalen Zyanose der Tiere führt. Der verminderten synaptischen Transmission lag keine verminderte Anzahl von Synapsen und damit wahrscheinlich kein Defekt in der Synaptogenese zugrunde. Es wurde deshalb geprüft, ob die verminderte Transmission durch eine beeinträchtigte synaptische Funktion wie zum Beispiel eine veränderte Mobilität der Neurotransmitter-Vesikel verursacht werden könnte. In hippokampalen Neuronen wurde daher der Einfluss von TGF-β auf die Phosphorylierung von Synapsin untersucht, da diese zu einer Umverteilung der Vesikel in den synaptischen Terminalien beiträgt. Es konnte eine erhöhte Phosphorylierung verschiedener Synapsin-Isoformen nach akuter Behandlung mit TGF-β und eine Hypophosphorylierung nach Blockierung des TGF-β-Rezeptor Typ I demonstriert werden. Dies gibt einen Hinweis darauf, dass auch TGF-β2 in vivo über die Phosphorylierung von Synapsin die Beweglichkeit der Vesikel und damit die effiziente synaptische Transmission modulieren könnte.Die Ergebnisse dieser Arbeit beleuchten Aspekte der biologischen Bedeutung von TGF-β2 an peripheren und zentralen Synapsen in Säugetieren und weisen darauf hin, dass TGF-β2 ähnlich wie glass bottom boat in Drosophila und TGF-β1 in Aplysia die Interaktion von Prä- und Postsynapse und die Funktion von Synapsen modulieren kann

Stathmin and Cluster C personality disorders, panic disorder and agoraphobia

Es wurde bereits mehrfach vermutet, dass das auf dem Chromosomabschnitt 1p36.11 lokalisierte Stathmin-Gen, welches durch seine Funktion als Regulator der Mikrotubulidynamik für die neuronale Plastizität bei Vertebraten eine entscheidende Rolle spielt, für die Angstentstehung von essentieller Bedeutung sein könnte. Zum einen wurde von Shumyatsky und Kollegen der Befund erbracht, dass Stathmin-defiziente Mäuse weder angeborene noch erlernte Furcht zeigten. Zum anderen konnten Brocke und Mitarbeiter für gesunde Probanden nachweisen, dass zwei Promotor-SNPs rs182455 und rs213641 mit der Induktion von Angst und psychosozialem Stress assoziiert sind. Aus diesen Gründen, die Stathmin zu einem ausgezeichneten Kandidatengen für angstrelevante Erkrankungen machen, wurde in der vorliegenden Arbeit eine Fall-Kontroll-Studie durchgeführt, die den oben genannten rs182455 und einen neu identifizierten Promotor-Polymorphismus in Form eines STR-Bereichs analysierte. Das untersuchte Patientenkollektiv bestand aus 642 Patienten mit Persönlichkeitsstörungen, von denen 115 eine „ängstliche“ Cluster C Persönlichkeitsstörung aufwiesen. Des Weiteren wurden 239 Patienten mit einer Panikstörung und komorbider Agoraphobie und eine Kontrollgruppe aus 239 gesunden Blutspendern analysiert. Methodisch wurde hierbei zunächst eine Sequenzierung des Stathmin-Gens zur genaueren Analyse des STR-Bereichs durchgeführt. Die Genotypisierung des STR-Bereichs erfolgte anschließend mit Hilfe drei verschiedener PCR-Ansätze und einer Kapillar-Gelelektrophorese. Die Genotypisierung des rs182455 wurde mittels PCR, einem nachfolgenden Restriktionsverdau und einer Gelelektrophorese durchgeführt. Abschließend wurden die Allelfrequenzen des rs182455 und des STR-Bereichs auf eine mögliche Assoziation mit Persönlichkeitseigenschaften, Persönlichkeitsstörungen und Panikstörung und Agoraphobie statistisch untersucht. Die in dieser Arbeit durchgeführten Assoziationsanalysen von rs182455 zeigen zum einen eine signifikante Assoziation mit der TPQ Dimension „reward dependence“ (p=0,009), insbesondere mit der Subskala „Bindung“, mit der NEO-PI-R Dimension Extraversion (p=0,035), insbesondere mit den Facetten „Wärme“ und „Geselligkeit/Zusammenleben“. Bezüglich der NEO-PI-R Dimension Neurotizismus ergab sich bei geschlechtsgetrennten Analysen eine signifikante Assoziation für die Facette „Ängstlichkeit“ bei Frauen (p=0,026). Zum anderen wurde bei geschlechtsgetrennten Analysen eine signifikante Assoziation mit Cluster C Persönlichkeitsstörungen bei weiblichen Patienten (p=0,025) nachgewiesen. Darüber hinaus zeigte sich eine signifikante Assoziation des rs182455 mit der Panikstörung, wobei diese Assoziation insbesondere auf die Patienten mit Agoraphobie zurückzuführen ist (p=0,041). Die Assoziationsanalysen des STR-Bereichs, der aus einem ATC-Insertionspolymorphismus und einer TAA-Trinukleotidwiederholung besteht, ergaben bezüglich der NEO-PI-R Dimension Neurotizismus im Hinblick auf die Facette „Ängstlichkeit“ ebenfalls eine signifikante Assoziation (p=0,011) mit dem ATC-Insertionspolymorphismus. Im Hinblick auf Cluster C Persönlichkeitsstörungen zeigte sich bei geschlechtsgetrennten Analysen eine signifikante Assoziation des ATC-Insertionspolymorphismus (p=0,019) bei weiblichen Patienten und eine signifikante Assoziation mit der Trinukleotid-Wiederholung TAA (p=0,031). Bezüglich des ATC-Insertionspolymorphismus wurde darüber hinaus eine signifikante Assoziation des STR-Bereichs mit der Panikstörung (p=0,020) und komorbider Agoraphobie (p=0,024) nachgewiesen. Diese Resultate bestätigen die Annahme, dass dem Stathmin-Gen für die Angstentstehung und für die Genese angstrelevanter Erkrankungen möglicherweise eine Bedeutung zukommt. Die Assoziation mit den Persönlichkeitseigenschaften „Ängstlichkeit“, „Bindung“, „Wärme“ und „Geselligkeit/Zusammenleben“, die eventuell als maternale Eigenschaften gewertet werden können, entspricht ebenfalls dem Modell der Stathmin-defizienten Maus, da außer dem Nichtvorhandensein angeborener oder erlernter Furcht weibliche Stathmin-defiziente Mäuse die Aufzucht der Jungtiere vernachlässigen. Dies könnte auch eine mögliche Erklärung für den Geschlechtereffekt im Sinne einer Frauenwendigkeit darstellen, der sich insbesondere für die genannten Persönlichkeitseigenschaften und für die Cluster C Persönlichkeitsstörungen, aber auch für die Panikstörung und Agoraphobie detektieren ließ. Zusammenfassend sprechen diese Daten für die Hypothese, dass es sich bei Stathmin um ein geschlechtsspezifisches Suszeptibiltätsgen für Cluster C Persönlichkeitsstörungen und die Panikstörung und Agoraphobie handelt.Stathmin, a gene located on chromosome 1p36.11 and enriched in the amygdala, seems to control learned and innate fear and to play also a role in maternal behaviours in mice. Two recent studies argued for stathmin as a regulator of affective control processes and especially anxiety processing in humans. A case-control study of one of these SNPs (rs182455) as well as another polymorphism in the transcriptional control region of stathmin was conducted in 642 patients with personality disorders, 115 of them suffered from Cluster C personality disorders, in 239 patients suffering from panic disorder and agoraphobia and in 239 controls. Both promoter polymorphisms were specifically and significantly associated with panic disorder and agoraphobia as well as with Cluster C personality disorders, however the rs182455 only yielded a significant association within the female subsample. Furthermore both polymorphisms were significantly associated with the Revised NEO Personality Inventory (NEO-PI-R) neuroticism facet “anxiety” and the rs182455 again only yielded a significant association within the female subsample. Rs182455 also showed a significant association with the NEO-PI-R dimension “extraversion” and especially with the facets “warmth” and “gregariousness” and the Tridimensional Personality Questionnaire (TPQ) dimension “reward dependence” especially with the subscale “attachment”. The stathmin variation is associated with Cluster C personality disorders and “anxiety” as well as with “warmth”, “gregariousness” and “attachment”, which may be considered as maternal traits. All the results showed a gender effect, some even only yielded significant results in the female subsample. In conclusion stathmin may constitute a susceptibility gene with a gender effect for panic disorder and agoraphobia and for Cluster C personality disorders

Joint Experiment for Crop Assessment and Monitoring (JECAM) - Test Site DEMMIN 2018

Joint Experiment for Crop Assessment and Monitoring (JECAM) - Test Site DEMMIN 2018 Project Overview: Test site and project tea

The climate and soil moisture network at TERENO Northeastern German Lowland Observatory - DEMMIN

The goal of the TERENO initiative is the long-term monitoring and documentation of proposed climate change, changes in land use, social-economic developments and anthropogenic influences on terrestrial ecosystems. Therefore long-term observations of multitemporal environmental parameters at different scale are the basis for gathering information on changes of the available water resources, material flows, or further ecological changes. The Durable Environmental Multidisciplinary Monitoring Information Network (DEMMIN®) located in the North-east of Germany was installed by German Aerospace Center in 1999 for Calibration and Validation of Remote Sensing data at agricultural areas. Due to its physiographic composition and typical agricultural management the area is a perfect test site for monitoring of relevant environmental parameters. Since 2009 the DEMMIN test field of 50 x 50 km is part of the Northeastern German Lowland Observatory (TERENONE), which is coordinated by Helmholtz Centre Potsdam – GFZ German Research Centre for Geosciences. Because of the remote sensing focus of the DEMMIN test sites it is a perfect area to evaluate the potential of linking ground based in-situ data with remote sensing data analysis with view to the COPERNICUS initiative of the European Union (EU) and the European Space Agency (ESA)

Artificial Intelligence in Education

This book contains a collection of 19 systematic literature reviews conducted by Cognitive Science students in the "Artificial Intelligence in Education" seminar in the winter term of 2021/2022. From a Cognitive Science and Artificial Intelligence (AI) perspective, the book investigates the state of the art of research on applying AI technology in educational settings as well as the strengths, weaknesses, opportunities, and threats of these applications. The four larger areas covered by the studies are "Didactics and Ethics", "Methods and Technologies", "Extended Reality and Robots", and "Addressing Special Needs"