Volume 24, Issue 1

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.

Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disease. Its classic major motor-symptoms are caused by the progressive loss of dopamine in the striatum, and of dopamine (DA) releasing neurons in the midbrain, particularly within the Substantia nigra (SN). The cause for PD is still unclear, hampering the development of curative therapies. However multiple genetic and environmental PD trigger factors have been identified, pointing to a common, mutually interdependent pathomechanism of cell-specific metabolic dysfunction and altered gene expression. Here, we summarize and discuss these emerging PD-pathomechanisms, that could provide novel potential therapeutic targets, with a focus on altered Ca 2+ homeostasis and nucleolar function. We discuss how animal models with impaired nucleolar ribosomal RNA synthesis can enable identification of novel cell-specific vulnerability factors, and how complex homeostatic adaptation of SN DA neurons could enable a flexible adjustment of their functional activity to metabolic needs, but also might render them particularly vulnerable to degenerative triggers and cell-death in PD.

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.

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 Während der Entwicklung führt das Zusammenwirken von Erfahrung und genetisch festgelegter Information zur Ausbildung und Optimierung neuronaler Schaltkreise und Verhaltensweisen. Daher üben Lebensbedingungen einen großen Einfluss auf das Gehirn aus. Bis heute häufen sich Nachweise dafür, dass die Haltung von Tieren in sogenannten „stimulierenden/angereicherten“ Käfigen erhebliche Auswirkungen auf das Gehirn auf molekularer, anatomischer und funktionaler Ebene hat, im Vergleich zu Tieren, die in „Standard“käfigen gehalten werden. In unserem Artikel geben wir einen kurzen Überblick dieses Forschungsgebietes und beschreiben die Unterschiede der Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Plastizität des visuellen Systems von Nagern, die in stimulierenden Käfigen gehalten werden im Vergleich zu Nagern aus Standardkäfigen. Außerdem gehen wir kurz auf Studien ein, die in vergleichbarer Weise die Auswirkungen von „angereicherten“ Lebensbedingungen bei Menschen untersuchen. Zusammenfassend ist festzustellen, dass Studienergebnisse immer im Kontext mit den Haltungsbedingungen der Versuchstiere gesehen werden müssen.

During development, experience continuously interacts with genetic information to shape and optimize neuronal circuits and behaviour. Therefore, environmental conditions have a powerful impact on the brain. To date, accumulating evidence shows that raising animals in a so-called “enriched environment” elicits remarkable effects on the brain across molecular, anatomical, and functional levels when compared to animals raised in a “standard cage” environment. In our article, we provide a brief review of the field and illustrate the different results of “enriched” versus standard cage-raised rodents with examples from visual system plasticity. We also briefly discuss parallel studies of enrichment effects in humans. Collectively, these data highlight that results should always be considered in the context of the animals’ environment.

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.

Neuroscientific research has made tremendous progress towards unravelling the neuronal codes that underlie our rich sensory perception and experience. From single neurons in primates’ visual brain that predict perceptual choices to activity patterns in defined neuronal circuits, electrical activity across different levels correlates with perception. The key to how neuronal signals give rise to our visual experience lies in causal interventions directly applied to neurons and circuits, interventions that alter perception naturalistically and in predictable ways. The most powerful and reliable intervention method in primates remains invasive electrical micro-stimulation, which can change selectively the appearance of visual objects defined by more than one visual cue. Such artificial signals are integrated with visually evoked stimuli and with contextual factors like reward. Scaling up these methodologies presents opportunities for vision replacement through cortical neuro-prosthetics.

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.

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.