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ADAM10: Alzheimer a-Sekretase und neurobiologischer Regulator
Authors: Prox Johannes , Saftig Paul 
Published: April 2017

Zusammenfassung
Als ein auslösender Faktor der Alzheimer-Erkrankung wird die „pathologische“, amy­loidogene Prozessierung des Amyloiden Vorläuferproteins (APP) betrachtet, welches proteolytisch durch die b-Sekretase und anschließend durch den γ-Sekretasekomplex prozessiert wird. Dies führt zur Freisetzung des Amyloiden b-Peptides, welches neu­rotoxisch ist und teilweise ursächlich für die Erkrankung gemacht wird. Aufgrund der Fähigkeit, APP innerhalb der toxischen Peptidsequenz zu schneiden, wird der Metalloproteinase ADAM10 als Gegenspieler dieses krankheitsauslösenden Weges be­sondere Bedeutung zugeschrieben. ADAM10 ist auch bei der membrannahen Spaltung der extrazellulären Domänen einer Reihe wichtiger Zelladhäsionsproteine und bei der aktivierenden Proteolyse des bei Entwicklungsprozessen bedeutenden Notch-Rezeptors beteiligt. Untersuchungen an ADAM10-defizienten Mäusen zeigten auch eine Rolle der Protease bei der korrekten Bildung und Funktion von Synapsen. Eine pharmakolo­gische Aktivierung von ADAM10 wird als therapeutisches Ziel für die Prävention von Morbus Alzheimer diskutiert. Aufgrund der mannigfaltigen Aufgaben von ADAM10 im Gehirn wird es dabei wichtig sein, ein geeignetes therapeutisches Fenster zu finden.
Riesensynapsen im zentralen Hörsystem
Authors: Felmy Felix , Künzel Thomas 
Published: April 2017

Abstract
Giant synapses in the central auditory system.
Giant synapses occur in four nuclei of the auditory brainstem. They are characterized by numerous active zones concentrated on the soma of the postsynaptic neuron and by rapid postsynaptic currents. At these sites, in the ventral cochlear nucleus, the medial and lateral nucleus of the trapezoid body and the ventral nucleus of the lateral lemniscus, faithful preservation of the temporal relation of action potentials to the sound - inter­cellular precision - is of uttermost importance for neuronal function. The precision of action potential transfer is supported by the largely unimodal integration and by the homogeneity of the single postsynaptic compartment. Due to the much more rapid time constant of the synaptic currents compared to the membrane time constant, membrane capacitance dominates postsynaptic integration, enhancing precision of action potential generation. Taken together, the properties of these giant synapses reduce the temporal jitter of the transmission of information in these auditory circuits.
Perspective tendencies in development of small scale processing of gas resources
Authors: Arutyunov Vladimir S. , Savchenko Valery I. , Sedov Igor V. , Nikitin Alexey V. , Fokin Ilya G. , Makaryan Iren A. , Berzigiyarov Parvaz K. , Aldoshin Sergey M. 
Published: April 2017

Abstract
This paper analyses alternative routes for production of chemicals from different hydrocarbon gases by their direct, without syngas production, oxidative conversion to oxygenates or ethylene. Main of these routes are direct oxidation of methane to methanol (DMTM) and selective oxy-cracking of heavier natural or associated petroleum gas components which can be used for production of high value-added petrochemicals (in combination with carbonylation processes) and fuel gases, useful for gas piston engines. The advantages and practical capabilities of such technologies are discussed.
Wie das Gehirn hören lernt – Gehörlosigkeit und das bionische Ohr
Authors: Kral A. , Lenarz Thomas 
Published: April 2017

Zusammenfassung
In der Geschichte der Neurowissenschaft bietet das Hören die einmalige Gelegenheit, die menschliche Hirnentwicklung mit und ohne sensorische Reize zu untersuchen. Dies ist durch eine Neuroprothese, das Cochlea- Implantat, möglich. Das Implantat kann das nicht funktionierende Innenohr ersetzen. In den letzten Jahren wurden so die Grundlagen vom Lernen, sensiblen Entwicklungsphasen und cross-modaler Reorganisation parallel bei Menschen und im Tiermodell mit hoch konsistenten Ergebnissen untersucht. Dadurch lernten wir, dass das gehörlose Gehirn nach der Geburt eine komplexe Anpassung an die Gehörlosigkeit durchläuft, mit einer Vielzahl von Veränderungen in auditiven und nicht-auditiven Funktionen. Diese passen das Gehirn an den Zustand der Gehörlosigkeit optimal an, reduzieren aber den späteren Erfolg der prothetischen Therapie des Hörens und schließen sensible Entwicklungsphasen. Solche kritische Phasen sind nicht nur die Folge einer reduzierten synaptischen Plastizität, sondern auch eine Folge von Veränderungen der integrativen Funktionen des Hörens und der höheren kognitiven Funktionen.
Welche Typen von neokortikalen GABAergen Nervenzellen existieren wirklich?
Authors: Staiger J. F. , Möck Martin , Prönneke Alvar , Witte Mirko 
Published: April 2017

Zusammenfassung
Der Neokortex wird als diejenige Struktur im Gehirn angesehen, die für die Programmierung höherer Hirnfunktionen wie bewusster Wahrnehmung von Sinneseindrucken, Lernen und Gedächtnis sowie Ausführung von zielgerichtetem Verhalten verantwortlich ist. Kortikale Schaltkreise, die diese Funktionen ermöglichen, werden erstens durch eine größere Population von erregenden, so genannten Prinzipalneuronen (i.e., glutamaterge Pyramidenzellen; ca. 80-85 %) gebildet, die langreichweitige Projektionen aufbauen. Allerdings geben sie aber auch lokale Kollateralen ab, welche den Hauptanteil der lokalen exzitatorischen Schaltkreise ausmachen. Eine zweite, mit 15-20 % deutlich kleinere Population von inhibitorischen oder lokalen Interneuronen (i.e. GABAergen Nervenzellen) tragt ebenfalls sehr ausgiebig zum Aufbau kortikaler Mikroschaltkreise bei. Diese Population kann entsprechend ihrer Lokalisation in spezifischen Arealen, Schichten oder Kolumnen, die alle spezifische Input-Output-Eigenschaften aufweisen, aber auch entsprechend ihrer Morphologie, Elektrophysiologie oder Molekülexpression und subzellulärer Zielzellspezifität weiter unterteilt werden. In dieser Übersichtsarbeit schlagen wir vor, dass im Neokortex von Nagern diese Population von GABAergen Neuronen sinnvollerweise in drei Subpopulationen und in sechs verschiedene Grundtypen eingeteilt werden kann und zwar auf Grund ihrer eigenständigen Axonverteilungsmuster und ihrer subzellulären Zielzellspezifität: i) Axo-axonische (Chandelier) Zellen, ii) Korbzellen, iii) Martinotti- Zellen, iv) Bipolar/doppeltgebüschelte Zellen, v) Neurogliaforme Zellen und vi) Projektionsneurone. Diese verschiedenen Typen von GABAergen Neuronen beeinflussen grundlegend die Arbeitsweise der kortikalen Schaltkreise für sinnvolles Verhalten dadurch , dass sie Vorwarts- und Rückwartshemmung sowie Disinhibition ausüben. Damit halten sie übermäßige Erregung in Schach, modulieren den Wirksamkeitsgrad der neuronalen Informationsverarbeitung und öffnen räumliche wie auch zeitliche Fenster für Inputkontrolle oder Aktionspotenzialgenerierung.
Neuron-Glia Synapsen im Gehirn: Eigenschaften, Diversität und Funktionen von NG2 Glia
Authors: Steinhäuser Christian , Dietrich Dirk 
Published: April 2017

Zusammenfassung
NG2- Gliazellen repräsentieren einen häufig vorkommenden glialen Zelltyp im Gehirn, der das Proteoglykan NG2 exprimiert, dessen funktionelle Bedeutung jedoch weitgehend unklar ist. Ein Großteil dieser Zellen ist auch im erwachsenen Gehirn noch teilungsaktiv. Diese Zellen besitzen eine Vielzahl von Ionenkanalen und Transmitter-Rezeptoren, die es ihnen ermöglichen, neuronale Aktivität zu detektieren. Bemerkenswerterweise werden NG2 - Gliazellen durch glutamaterge und GABAerge Neurone synaptisch innerviert. Da die postsynaptischen glialen Strome vergleichsweise klein sind, kommt der räumlichen und zeitlichen Integration dieser Signale möglicherweise eine wichtige Rolle zu. In der weißen Hirnsubstanz differenzieren viele NG2 - Gliazellen in Oligodendrozyten , und vermutlich wird dieser Prozess über die Aktivität der Neuron-Glia -Synapsen beeinflusst. Es zeichnet sich immer deutlicher ab, dass sich die Eigenschaften der NG2 - Glia in verschiedenen Hirnregionen unterscheiden, obgleich wir die Bedeutung dieser Heterogenität noch nicht verstehen.
Vielfalt lokaler Interaktionen zwischen Astrozyten und Neuronen
Authors: Henneberger Christian , Petzold Gabor C. 
Published: April 2017

Zusammenfassung
Der schnelle Signalaustausch zwischen Neuronen und Astrozyten auf synaptischer Ebene wird gegenwärtig intensiv untersucht. Astrozyten reagieren auf sehr verschiedene Formen neuronaler Aktivität mit zytosolischen Ca2+ -Signalen. Gleichzeitig kommt es nach Zunahme der astrozytären Ca2+ -Konzentration zu einer ganzen Reihe von Veränderungen sowohl der erregenden als auch der hemmenden synaptischen Übertragung. Wir geben hier einen kurzen Überblick über die Heterogenität der Ca2+ -abhängigen Kommunikation zwischen Astrozyten und Neuronen im Hippocampus und diskutieren, welche Mechanismen in Anbetracht dieser Vielfältigkeit einen spezifischen Informationsaustausch zwischen Astrozyten und Neuronen auf der Ebene einzelner Synapsen gewährleisten können.
Einfluss der Extrazellulären Matrix auf plastische Prozesse in jungen und alten Gehirnen. Extrazelluläre Matrix und Hirnplastizität
Authors: Frischknecht Renato , Happel Max F.K. 
Published: April 2017

Zusammenfassung
Die Balance zwischen struktureller Stabilität und funktioneller Flexibilität synaptischer Schaltkreise passt sich im Gehirn höherer Vertebraten ständig an die verschiedenen Lebensumstände an. Zunächst herrscht im juvenilen Hirnstadium hohe strukturelle Plastizität. Als kritischer Schritt in der Hirnreifung gilt die Entstehung der Extrazellulären Matrix (ECM, aus dem Englischen extracellular matrix ), welche das Potenzial für neuronale Plastizität und Regeneration als strukturstabilisierende Einheit limitiert. Neueste Forschungen haben erst begonnen, den Einfluss dieser vermeintlichen Limitierung adulter Plastizität auf lernabhängige Plastizität, lebenslange Gedächtnisanpassungen und höhere kognitive Funktionen zu untersuchen. In diesem Übersichtsartikel fassen wir aktuelle Befunde zusammen, welche die aktivitätsabhängige Modulation der ECM als Schlüsselelement für die Regulation lernabhängiger Plastizität im adulten Gehirn beschreiben. Die experimentelle Modifikation der ECM in lokalen neuronalen Schaltkreisen kann darüber hinaus als Werkzeug genutzt werden, um kurze Zeitfenster aktivitätsabhängiger neuronaler Reorganisationen zu ermöglichen. Wir diskutieren die Einflüsse dieser Verfahren auf entwicklungsabhängige Plastizität sowie Möglichkeiten der kognitiv flexibleren Auswahl wahrend unterschiedlicher Lern- und Verhaltensoptionen. Diese Befunde bieten Implikationen für neue regenerative und therapeutische Konzepte basierend auf zielgerichteter Neuroplastizität.
Form follows function: Aktin-bindende Proteine als wichtige Regulatoren erregender Synapsen
Authors: Rust Marco B. , Michaelsen-Preusse Kristin 
Published: April 2017

Zusammenfassung
Aktin-Filamente (F-Aktin) sind ein wesentlicher struktureller Bestandteil erregender Synapsen. In erregenden Synapsen ist F-Aktin sowohl in präsynaptischen Endigungen als auch in dendritischen Dornen (spines) angereichert. Aktin-Dynamik - der räumlich und zeitlich kontrollierte Auf- und Abbau von F-Aktin - ist wichtig für zahlreiche prä- und postsynaptische Prozesse. Folglich wurde für Aktin-Dynamik-regulierende Aktin-bindende Proteine (ABPs) angenommen, dass diese wichtig für die Funktion und Struktur erregender Synapsen sind. Unter Verwendung von Knockout-Mausmodellen sowie mittels Genmodifikationen (loss- und gain-offunction) in akuten Hirnschnitten und in dissoziierten Neuronenkulturen wurden in den letzten Jahren die vielseitigen, synaptischen Funktionen für Mitglieder zweier wichtiger ABP-Familien, ADF/Cofilin und Profilin, entdeckt. Nach einer kurzen Einführung in die Funktion chemischer Synapsen und in Aktin-Dynamik werden wir aktuelle Ergebnisse zur synaptischen Funktion von ADF/Cofilin und Profilin in diesem Übersichtsartikel zusammenfassen und diskutieren. Abschließend werden wir zukünftige Ausrichtungen und Perspektiven in diesem Forschungsfeld aufzeigen.
Verknüpfung von Struktur und Aktivität im menschlichen Gehirn: Theorien helfen, aus komplexen DatenWissen zu generieren
Authors: Stefanovski L. , Ritter P. 
Published: April 2017

Zusammenfassung
Um die menschliche Kognition wirklich zu verstehen, ist es von essenzieller Bedeutung, das Gehirn in all seinen multiplen Ebenen zu studieren. Das Gebiet der Computational Connectomics eröffnet einen neuen Zweig in den Neurowissenschaften, in dem versucht wird, verschiedene empirische Beobachtungen mit einem mathematischen Modell des Gehirns zu erklären. Eine bemerkenswerte Innovation stellt hier die Plattform The Virtual Brain (TVB) dar. Sie ermöglicht die Modellierung und Simulation des vollständigen menschlichen Gehirns. Dabei wird die individuelle Konnektivität einer Person, also ein Gerüst von langen Nervenfaserbündeln im Gehirn, mit biologisch realistischen Modellen der lokalen Neuronenpopulationen kombiniert. Das Virtual Brain erlaubt die Simulation und Vorhersage der globalen neuronalen Aktivität, die sich in der gesamten kortikalen und sub-kortikalen grauen Substanz entfaltet. Dabei werden auch diejenigen Signale simuliert, die wir bei individuellen Personen mit invasiven und nichtinvasiven Methoden messen können. TVB wird aktuell genutzt, um strukturelle und funktionelle Veränderungen im erkrankten Gehirn zu untersuchen. Es wurden bereits Erfolge in der Erforschung des Schlaganfalls und der Epilepsie verbucht. Die durch TVB ermöglichten personenbezogenen neuronalen Modelle eröffnen neue Möglichkeiten zur sicheren und effizienten personalisierten Diagnostik, Prognostik und Therapie bei verschiedenen neurologischen und kognitiven Erkrankungen
ADAM10: α-secretase in Alzheimer’s disease and regulator of neurobiology
Authors: Saftig P. , Prox J. 
Published: April 2017

Abstract
Proteolytic and amyloidogenic processing of amyloid precursor protein (APP) by β- and γ-secretases are pathological hallmarks of Alzheimer’s disease (AD). These proteolytic activities lead to release of the amyloid-β pep­tides believed to cause neurological pathol­ogy and be linked to pathological progres­sion in AD. Due to its capability to cleave APP within the toxic peptide sequence, the metalloproteinase ADAM10 (“a disintegrin and me­talloprotease”) is a known antagonist of the disease-causing pathway. ADAM10 also plays a major role in the ectodomain shedding of a number of important cell surface proteins. In addition, ADAM10 is involved in the proteolytic activation cascade of the Notch receptor, which is of crucial function in develop­mental processes. The study of ADAM10-deficient mice also revealed that ADAM10 regulates synaptic function and synaptogenesis. Pharmacological activation of ADAM10 is postulated to represent a valuable strategy for prevention of AD. However, due to the multiple roles of ADAM10 in the brain, it will be challenging to find a suitable therapeutic window.
Transcranial brain stimulation: potential and limitations
Authors: Paulus W. 
Published: April 2017

Abstract
The brain adapts to new requirements in response to activity, learning or reactions to environmental stimuli by continuous reorgani­zation. These reorganization processes can be facilitated and augmented, or also inhibit­ed and prevented, by transcranial neurostim­ulation. The most common methods are electrical or magnetic stimulation. However, few studies have dealt with the newer methods using near infrared or ultrasound stimulation.
Transcranial magnetic stimulation (TMS) allows the pain-free transfer of very short bursts of high intensity electrical energy through the skull and can induce action po­tentials. By varying the number and intensity of the stimuli, and the stimulus sequence, repetitive TMS (rTMS) can induce either inhib­itory or facilitatory effects in the brain. A differentiation is made between short-lived interference with ongoing brain activity, and plastic changes that persist for a longer period beyond the end of the stimulation.
Weaker electric fields in the 1 mA range can be applied painlessly through the skull. These probably exert their effects by modulating neuronal membranes and influencing the spontaneous firing rate of cortical neu­rons. They encompass the range from tran­scranial direct current stimulation (tDCS) to high frequency alternating current stimulation (tACS) in the kilohertz range. In view of the multitude of physically possible stimulation algorithms, hypothesis-driven protocols based on cellular or neuronal network characteristics are particularly popular, in the effort to narrow the choices in a meaningful manner. Examples are theta burst stimulation or tACS in the so-called “ripple” frequen­cy range. It is, of course, not possible to selectively stimulate individual neurons using transcranial stimulation techniques; however selective after-effects can be achieved when used in combination with neuropharmacologically active drugs. The use of these methods for neuroenhancement is now a topic of intense discussion.
Pigeons as a model species for cognitive neuroscience
Authors: Güntürkün O. , Stüttgen M.C. , Manns M. 
Published: April 2017

Abstract
Deeper understanding of the neuronal basis of behavior and its evolution requires inves­tigation of model organisms taken from dif­ferent taxonomic groups. The merits of this comparative approach are highlighted by re­search on birds: while their cognitive capaci­ties have long been underestimated, research on avian model systems more recently has begun to provide central insights into the functional organization of the brain. In partic­ular, domesticated homing pigeons (Colum­ba livia) have been used as a model for the study of the psychological processes under­lying learning, memory, and choice behav­ior, and much of current animal learning the­ory is based on findings with pigeons. More­over, the vast amount of available behavior­al and anatomical data has rendered the pi­geon one of the key model species of behav­ioral and comparative neuroscience. This ar­ticle illustrates some insights gained from re­search with pigeons with applicability be­yond the class of aves.
L-type calcium channels in the auditory system
Authors: Nothwang H.G. , Engel J. , Knipper M. , Friauf E. 
Published: April 2017

Abstract
The voltage-activated L-type calcium chan­nels Cav1.2 and Cav1.3 mediate Ca2+ influx into neurons at the soma or at dendrites, whereas they are not observed at the pre­synapse. Surprisingly, in the inner ear, Cav1.3 is indispensable for signal transmission from the presynaptic cochlear inner hair cells to the postsynaptic auditory nerve fibers. Due to Cav1.3 channel clustering at ribbons, i.e., specific presynaptic structures of the hair cells, they promote Ca2+ influx, which triggers calcium-dependent fusion of synaptic vesi­cles with the plasma membrane. Mutations in Cacna1d, a gene that encodes Cav1.3, re­sult in deafness because release of the neu­rotransmitter glutamate at the synapses is abolished. Moreover, studies of the auditory pathway have revealed that Cav1.3 plays an important part in the central auditory system as well. Absence of the channel results in se­vere changes in auditory pathway cytoarchi­tecture and in abnormal electrophysiological performance of auditory neurons. Further­more, developmental refinement of tonotop­ic inhibitory projections in sound localization circuits is disrupted. These aberrations are as­sociated with abnormal sound processing in the auditory pathway. This goes to show that the Cav1.3 channel is essential for in­ner ear functioning as well as auditory path­way development and performance. Cac­na1d therefore represents a prototypal deaf­ness-associated gene, in which mutations re­sult in both peripheral and central audito­ry deficiencies. This, in turn, has implications for auditory rehabilitation using cochlear im­plants that address only peripheral dysfunc­tions. Exploratory research into the closely re­lated Cav1.2 isoform points to an important role of this channel in acoustic trauma. Cav1.2 is mainly expressed in the auditory nerve, but apparently not essential for normal audito­ry function. Loss of function of the channel, however, does influence the effects of trau­matic noise exposure. Loss of this channel in­duced by noise trauma results in reduced au­ditory threshold increase-as compared with the control group. This phenomenon points to the fact that Cav1.2-mediated Ca2+ influx is involved in noise trauma-induced damage. Deeper insight into this function might result in new therapeutic approaches.
Giant synapses in the central auditory system
Authors: Felmy F. , Künzel T. 
Published: April 2017

Abstract
Giant synapses occur in four nuclei of the au­ditory brainstem. They are characterized by numerous active zones concentrated on the soma of the postsynaptic neuron and by rap­id postsynaptic currents. At these sites, in the ventral cochlear nucleus, the medial and lat­eral nucleus of the trapezoid body and the ventral nucleus of the lateral lemniscus, faith­ful preservation of the temporal relation of action potentials to the sound-intercellu­lar precision-is of the utmost importance for neuronal function. The precision of action potential transfer is supported by the large­ly unimodal integration and homogeneity of the single postsynaptic compartment. Due to the much more rapid time constant of the synaptic currents compared with the mem­brane time constant, membrane capacitance dominates postsynaptic integration, enhanc­ing precision of action potential generation. Taken together, the properties of these gi­ant synapses reduce the temporal jitter of the transmission of information in these audito­ry circuits.
Hereditary hearing loss in humans: the importance of genetic approaches for clinical medicine and basic science
Authors: Kubisch C. 
Published: April 2017

Abstract
Hereditary hearing loss is one of the most common monogenic diseases in humans and, depending on the severity of symptoms and age of onset, dysfunction of one of the main sensory systems can cause significant problems for the affected individual and his/her social environment. The diagnostic work­up of hearing impairment is complicated by a pronounced phenotypic variability and ex­tensive genetic heterogeneity. Nevertheless, many forms of monogenic hearing impair­ment have been elucidated in recent years by genetic approaches. In addition to improved counselling and medical management of pa­tients and families, these research findings have contributed significantly to the identi­fication of functionally relevant molecules of the inner ear and have thus helped us to bet­ter understand the molecular physiology of hearing and the pathophysiology of hearing impairment.
Optogenetic analyses of neuronal network function and synaptic transmission in Caenorhabditis elegans
Authors: Gottschalk A. 
Published: April 2017

Abstract
The transparent nematode Caenorhabditis elegans, with its anatomically well-defined nervous system comprising 302 neurons that regulate quantifiable behaviors, is an ideal model system for the development and ap­plication of optogenetic methods. Optoge­netically modified neurons can be acutely ex­cited or inhibited by light and the effects on a distinct behavior observed. Special light­ing systems allow the manipulation of several nerve cells that act as “nodes” of small neural circuits, with different colors of light, so as to control different optogenetic tools indepen­dently and simultaneously. In addition, ge­netically encoded optical sensors for neuro­nal activity make it possible to draw conclu­sions even when the optogenetic interven­tion causes no obvious behavioral change. The stimulation of quantifiable behaviors permits the analysis of the function of genes necessary in the corresponding neuron for the encoding or amplification of the primary signal. Finally, following optogenetic stimu­lation, the function of chemical synapses and their proteins can also be analyzed by elec­trophysiology or electron microscopy.