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Titel: The role of the TRPM4 channel in hippocampal synaptic transmission and the development of genetically-encoded tools for mapping neuronal and synaptic activity
Sonstige Titel: Die Rolle des TRPM4-Kanals bei der synaptischen Übertragung im Hippocampus und die Entwicklung genetisch kodierter Werkzeuge zur Kartierung neuronaler und synaptischer Aktivität
Sprache: Englisch
Autor*in: Fearey, Brenna C.
Schlagwörter: TRPM4; Synapse; Sensor; Hippocampus
Erscheinungsdatum: 2020
Tag der mündlichen Prüfung: 2020-09-18
Zusammenfassung: 
In the brain, calcium plays a crucial role in neural activity and downstream signaling pathways that can lead to long term changes to connectivity. In dysfunction calcium plays a role in the different pathways leading to cell death. In this thesis I present two projects connected to calcium signaling in neurons. In project 1, I hypothesized that the monovalent cationic transient receptor potential melastatin 4 (TRPM4) channel, which activated by internal calcium, may boost excitatory synaptic transmission in the healthy hippocampus. Using calcium imaging and electrophysiology I found no effect of the TRPM4 antagonists 9-phenanthrol and glibenclamide on synaptic transmission in hippocampal slices from healthy mice. TRPM4 is reported to contribute to disease severity in the murine experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) model of multiple sclerosis and to neuronal cell death in models of excitotoxicity and traumatic brain injury. In slices from wild type EAE mice, glibenclamide reduced excitatory synaptic potentials. This effect was absent in TRPM4 deficient mice. I conclude that TRPM4 plays a limited role in basal hippocampal synaptic transmission but in EAE a glibenclamide-sensitive TRPM4 effect is apparent. It is well-established in systems neuroscience that distinct neuronal ensembles participate in the formation of memory or drive action however it r mains challenging to follow or label these ensembles with high spatial and temporal resolution. Recently the tool CaMPARI was developed which permanently photoconverts from green to red only the presence of both elevated calcium and violet light (395 nm-405nm). CaMPARI enables marking of active neuronal however it photoconverts in low calcium, exhibits slow kinetics and following fixation most fluorescence is lost. My collaborates and I developed CaMPARI2 with improved brightness, higher photoconversion contrast and improved amenability for immunohistochemical methods, including an antibody specifically against the red CaMPARI2 species. In addition to neuronal ensembles, synaptic ensembles are hypothesized to mediate the changes in connectivity that occurs during learning or other plasticity-related behaviors. However, it remains technically challenging to identify all of the active synapses in tissue. My co-authors and I created SynTagMA, a synaptic tag for mapping activity, by targeting CaMPARI2 to the pre- or postsynapse. All synapses active within 2 seconds before violet light illumination will be photoconverted from green to red. PreSynTagMA can be used to discriminate between active and inactive axons. PostSynTagMA can be used to take a snapshot of synapses active just prior to photoconversion. As SynTagMA allows for high resolution activity mapping, we demonstrated how to identify and follow the fluorescence of synapses over time in an automated fashion. These photoconvertible tools allow for a new method for iteratively mapping active neurons and synapses in vitro and in vivo.

Im Gehirn spielt Kalzium eine entscheidende Rolle bei der neuronalen Aktivität und den nachgeschalteten Signalwegen, die zu langfristigen Veränderungen der Konnektivität führen können. Bei Funktionsstörungen spielt Kalzium eine Rolle in den verschiedenen Bahnen, die zum Zelltod führen. In dieser Arbeit stelle ich zwei Projekte vor, die im Zusammenhang mit der Kalzium-Signalübertragung in Nervenzellen stehen. In Projekt 1 stellte ich die Hypothese auf, dass der durch internes Kalziumaktivierte monovalente kationische Transientenrezeptorpotenzial-Kanal Melastatin 4 (TRPM4) die exzitatorische synaptische Übertragung im gesunden Hippocampus verstärken könnte. Mit Hilfe von Kalzium-Bildgebung und Elektrophysiologie fand ich keine Wirkung der TRPM4-Antagonisten 9-Phenanthrol und Glibenclamid auf die synaptische Übertragung in Hippocampusschnitten von gesuden Mäusen. Es wird berichtet, dass TRPM4 zur Schwere der Erkrankung im experimentellen Modell der experimentellen Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) der Multiplen Sklerose bei Mäusen und zum neuronalen Zelltod in Modellen von Exzitotoxizität und traumatischen Hirnverletzungen beiträgt. In Schnitten von EAE-Wildtyp-Mäusen reduzierte Glibenclamid exzitatorische synaptische Potentiale. Dieser Effekt fehlte bei TRPM4-defizienten Mäusen. Ich schließe daraus, dass TRPM4 eine begrenzte Rolle bei der basalen synaptischen Übertragung im Hippocampus spielt, aber bei EAE zeigt sich ein Glibenclamid-sensitiver TRPM4-Effekt. Es ist in der Systemneurologie gut etabliert, dass verschiedene neuronale Ensembles an der Bildung von Gedächtnis- oder Antriebsaktionen beteiligt sind, aber es bleibt eine Herausforderung, diese Ensembles mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu verfolgen oder zu etikettieren. Vor kurzem wurde das Werkzeug CaMPARI entwickelt, das permanent nur das Vorhandensein von sowohl erhöhtem Kalzium als auch violettem Licht (395 nm-405nm) von grün nach rot photokonvertiert. CaMPARI ermöglicht die Markierung aktiver Neuronen, wandelt jedoch in kalziumarmes Licht um, weist eine langsame Kinetik auf und nach der Fixierung geht die meiste Fluoreszenz verloren. Meine Mitarbeiter und ich entwickelten CaMPARI2 mit verbesserter Helligkeit, höherem Photokonversionskontrast und verbesserter Zugänglichkeit für immunhistochemische Methoden, einschließlich eines Antikörpers, der spezifisch gegen die rote CaMPARI2-Spezies gerichtet ist.
Zusätzlich zu den neuronalen Ensembles werden synaptische Ensembles angenommen, um die Veränderungen der Konnektivität zu vermitteln, die während des Lernens oder anderer plastizitätsbezogener Verhaltensweisen auftreten. Es bleibt jedoch technisch anspruchsvoll, alle aktiven Synapsen im Gewebe zu identifizieren. Meine Koautoren und ich schufen SynTagMA, ein synaptisches Tag zur Kartierung der Aktivität, indem wir CaMPARI2 auf die Prä- oder Postsynapse zielten. Alle Synapsen, die innerhalb von 2 Sekunden vor der Beleuchtung mit violettem Licht aktiv sind, werden von grün nach rot photokonvertiert. PreSynTagMA kann zur Unterscheidung zwischen aktiven und inaktiven Axonen verwendet werden. PostSynTagMA kann verwendet werden, um eine Momentaufnahme von Synapsen zu machen, die unmittelbar vor der Fotokonversion aktiv waren. Da SynTagMA ein hochauflösendes Aktivitäts-Mapping ermöglicht, haben wir gezeigt, wie die Fluoreszenz von Synapsen automatisch identifiziert und über die Zeit verfolgt werden kann. Diese photokonvertierbaren Werkzeuge ermöglichen eine neue Methode zur iterativen Kartierung aktiver Neuronen und Synapsen in vitro und in vivo.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/8522
URN: urn:nbn:de:gbv:18-107439
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Lohr, Christian (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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