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Parkinson’s disease (PD), which is the most common motor neurodegenerative disorder has attracted a tremendous amount of research advancement amid the challenges of the lack of an appropriate model that summate all the features of the human disease. Nevertheless, an aspect of the disease that is yet to be fully elucidated is the role of the immune system particularly the adaptive arm in the pathogenesis of PD. The focus of this study therefore was to characterize the contribution of lymphocytes in PD using the AAV1/2-A53T-α-synuclein mouse model of the disease that encodes for human mutated A53T-α-synuclein. This model was suitable for this research because it reflects more faithfully the molecular pathology underlying the human disease by exhibition of insoluble α-synuclein containing Lewy-like protein aggregates as compared to the more classical toxin models used in PD research. The outcome of this study showed that stereotaxic delivery of pathogenic α-synuclein via a viral vector into the substantia nigra engender the invasion of activated CD4+ and CD8+ T lymphocytes in the brain. The invasion of activated T cells in the brain especially in the substantia nigra then results in enhanced microglial activation and the disintegration of dopaminergic neurons. In addition, it was also discovered that CD4+ T cells augmented dopaminergic cell death to a greater extent than CD8+ T cells although; axonal degeneration occurred relatively independent from T cells contribution. The ex vivo and in vitro, experiments also indicated that the T cells were not only activated but they were specific to the mutated human α-synuclein antigen. As a result, they demonstrated selectivity in inducing more cell death to primary hippocampal neurons transduced with AAV1/2-A53T-α-synuclein vector than neurons with empty viral vector infection. The mechanism of T cell induced neuronal cell loss could not be attributed to the presence of cytokines neither was it mediated through MHC I and II. On the whole, this research has established that the presence of pathogenic α-synuclein in the substantia nigra has the potential to trigger immune responses that involve the transmigration of adaptive immune cells into the brain. The infiltration of the T cells consequently has a detrimental effect on the survival of dopaminergic neurons and the progression of the disease, Der M. Parkinson (PD) ist die am häufigsten auftretende motorische neurodegenerative Erkrankung weltweit. Trotz des Fehlens eines geeigneten Tiermodells, das alle Merkmale der menschlichen Krankheit widerspiegelt, kann die Parkinsonforschung in letzter Zeit einen enormen Fortschritt verzeichnen. Dennoch ist ein Aspekt der Krankheit, der noch nicht vollständig geklärt wurde, die Rolle von Immunzellen, insbesondere des adaptiven Arms in der Pathogenese der PD. Der Fokus dieser Studie lag daher auf der Charakterisierung des Beitrags von T-Zellen in der PD unter Verwendung des humanen mutierten AAV1/2-A53T-α- Synuclein-Mausmodells der Parkinsonkrankheit. Dieses Modell war für die vorliegende Arbeit optimal geeignet, da es die molekulare Pathologie der menschlichen Krankheit im Gegensatz zu den klassischen Toxinmodellen in der PD-Forschung besser widerspiegelt. Das Ergebnis dieser Studie zeigte, dass die stereotaktische Injektion von pathogenem α-synuclein über einen viralen Vektor in die Substantia nigra die Infiltration aktivierter CD4+ - und CD8+ T-Lymphozyten im Gehirn hervorruft. Die Einwanderung aktivierter T-Zellen im Gehirn, insbesondere in der Substantia nigra, führte begleitet durch eine verstärkte Mikroglia- Aktivierung zum Verlust dopaminerger Neurone. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass CD4+ T-Zellen den Untergang von dopaminergen Neuronen in einem größeren Ausmaß als CD8+ T-Zellen verursachten. Interessanterweise trat die axonale Degeneration dopaminerger Fasern im Striatum relativ unabhängig von den T-Zellen auf. Durch ex vivo und in vitro Experimente konnte nachgewiesen werden, dass die T-Zellen nicht nur aktiviert waren, sondern auch antigenspezifisch gegen das mutierte humane α-Synuclein-Antigen reagierten. Als Ergebnis zeigten sie Selektivität bei der Herbeiführung eines höheren Zelltods für Dabei zeigten AAV1/2-A53T-α-Synuclein-Vektor transduzierte primäre Hippocampus-Neurone einen verstärkten Zelltod durch Inkubation mit T-Zellen aus dem Gehirn von AAV1/2-A53T- α-Synuclein-Vektor injizierten Mäusen als Neurone nach Injektion mit leerem AAV. Der Mechanismus des durch T-Zellen induzierten neuronalen Zellverlusts konnte nicht auf das Vorhandensein von Zytokinen zurückgeführt werden. Insgesamt konnte diese Arbeit zeigen, dass das Vorhandensein von pathogenem α-synuclein in der Substantia nigra in dem AAV1/2- A53T-α-synuclein Mausmodell des PD das Potenzial hat, Immunreaktionen auszulösen, welche die Transmigration adaptiver Immunzellen in das Gehirn und einen konsekutiven Verlust dopaminerger Neurone verursachen.

The aggregation of a-synuclein (a-syn) is inseparably connected to Parkinson’s disease (PD). It is now well-established that certain forms of a-syn aggregates, oligomers and fibrils, can exert neurotoxicity in synucleinopathies. With the exception of rare familial forms, the vast majority of PD cases are idiopathic. Understanding the earliest molecular mechanisms that cause initial a-syn misfolding could help to explain why PD affects only some individuals and others not. Factors that chaperone the transition of a-syn’s physiological to pathological function are of particular interest, since they offer opportunities for intervention. The relationship between a-syn and lipids represents one of those factors. Membrane interaction is crucial for normal cellular function, but lipids also induce the aggregation of a-syn, causing cell toxicity. Also, disease-causing or risk-factor mutations in genes related to lipid metabolism like PLA2G6, SCARB2 or GBA1 highlight the close connection between PD and lipids. Despite the clear link, the ambivalent interaction has not been studied sufficiently so far. In this review, we address how a-syn interacts with lipids and how they can act as key factor for orchestrating toxic conversion of a-syn. Furthermore, we will discuss a scenario in which initial a-syn aggregation is determined by shifts in lipid/a-syn ratio as well as by dyshomeostasis of membrane bound/unbound state of a-syn., publishedVersion

Die Parkinson-Krankheit ist eine hochgradig einschränkende Erkrankung, die klassischerweise durch die Degeneration dopaminerger Mittelhirnneurone der Substantia nigra gekennzeichnet wird. Der daraus resultierende Mangel an striatonigralem Dopamin wird als ursächlich für das Entstehen der kardinalen Parkinson-Symptomatik – Bradykinesie, Rigidität und Ruhezittern – aufgefasst. Neuere Untersuchungen belegen jedoch, dass es sich bei der Parkinson-Krankheit um eine Multisystemerkrankung handelt. So kommt es nicht nur zur Degeneration im striatonigralen System, sondern auch zu ausgeprägten Zellverlussten in vielen weiteren Hirnregionen. Histopathologisch ist die Parkinson-Krankheit durch das Vorhandensein sogenannter Lewy-Körperchen oder –Neurite gekennzeichnet. Es handelt sich hierbei um intrazytoplasmatische proteinhaltige Einschlüsse, die hauptsächlich aus aggregiertem α-Synuclein bestehen. Zwei neuronale Strukturen, die im Rahmen der Parkinson-Krankheit sowohl eine ausgeprägte Lewy-Pathologie besitzen, wie auch eine prominente Neurodegeneration aufweisen, sind der noradrenerge locus coeruleus und der neurochemisch heterogene pedunculopontine Kern. Bemerkenswerterweise beschränken sich im pedunculopontinen Kern Lewy-Pathologie und Neurodegeneration jedoch überwiegend auf die cholinerge Zellpopulation, so weisen die GABAergen und glutamatergen Zellgruppen kaum Lewy-Pathologie auf und bleiben auch von der neurodegeneration weitestgehend verschont. Die hier vorliegende Dissertation verfolgte zwei Hauptziele. Zum einen sollte untersucht werden, ob das selektive Vulnerabilitätsmuster der cholinergen Subpopulation des pedunculopontinen Kerns in einem Mausmodell, welches auf der intrazerebralen Injektion von präformierten α-Synuclein-Fibrillen basiert, reproduziert werden kann. Zweitens sollte das hirnweite Ausbreitungsmuster von zwei fokal induzierten α-Synucleinopathie-Mausmodellen im Hinblick auf die verwendete Methodik zur Initiierung des Aggregationsprozesses (vektor-vermittelte Überexpression vs. α-Synuclein-Fibrillenmodell) verglichen werden. Im ersten Teil der Studie wurde durch gezielte intrazerebrale Injektion von präformierten α-Synuclein-Fibrillen eine fokale α-Synucleinopathie im pedunculopontinen Kern induziert. Die gewonnenen Daten zeigen, dass es durch die Injektion der α-Synuclein-Fibrillen zu einer Rekrutierung und Fehlfaltung von endogenem α-Synuclein kam, was zu Lewy-Körperchen artigen Aggregaten in neuronalen Perikarya und Axonen führte. Interessanterweise waren die beobachteten Einschlusskörperchen immunreaktiv gegen S129-phosphoryliertes α-Synuclein, p62 positiv und resistent gegen Proteinase K Verdauung. Es konnte hierdurch gezeigt werden, dass die experimentell induzierte α-Synuclein-Pathologie mehrere Schlüsselmerkmale der humanen Lewy-Pathologie besaß. Bemerkenswerterweise war die Hauptlast der Lewy-ähnlichen Pathologie und der quantifizierte Zellverlust auf die cholinerge Subpopulation des pedunculopontinen Kerns beschränkt. Die nicht-cholinergen Neurone blieben größtenteils von der Aggregatbildung verschont und wiesen zu keinem untersuchten Zeitpunkt einen Zellverlust auf. Interessanterweise kam es sowohl bei Fibrillen injezierten als auch bei monomer α-Synuclein (Kontrolle) injizierten Tieren zur Induktion einer reaktiven Mikrogliose, obwohl in der Kontrollgruppe keine α-Synuclein-Pathologie beobachtet wurde. Unsere Analysen zeigten weiterhin, dass die Bildung der α-Synuclein-Pathologie nicht nur auf die unmittelbare Nähe der Injektionsstelle beschränkt war, sondern sich sich über beträchtliche Entfernungen in andere Hirnregionen ausbreitete. Da die Aggregate nur in neuronalen Zellkörpern entfernter Gehirnregionen gefunden wurden, die alle innerhalb des neuronalen Netzwerkes des Pedunculopontinen Kerns lagen, kann aus den Daten geschlossen werden, dass sich die α-Synucleinopathie innerhalb des Konnektoms des Pedunculopontinen Kerns ausbreitet. Im zweiten Teil der Dissertation wurde erstmals eine fokale α-Synucleinopathie im Locus coeruleus durch intrazerebrale Injektion von Adeno-assoziierten viralen Vektoren induziert, die das Gen für humanes mutiertes A53T-α-Synuclein oder Luciferase (Kontrollprotein) enthielten. Die hierdurch gewonnenen Daten zeigten, dass es im Rahmen einer lokalen Überexpression von humanem α-Synuclein zu einer raschen axonalen Ausbreitung des Proteins kommt. Die Analyse des Ausbreitungsmusters konnte aufzeigen, dass die gehirnweite α-Synucleinopathie auf die Outputregionen des noradrenergen locus coeruleus beschränkt war und gleichzeitig keine Hinweise auf eine Zell-zu-Zell-Übertragung von menschlichem α-Synuclein vorlagen. Hieraus schlussfolgerten wir, dass die induzierte Pathologie das noradrenerge locus coeruleus System im untersuchten Zeitrahmen von 9 Wochen nicht verließ. Desweiteren zeigte sich im Rahmen der stereologischen Quantifizierung der dopaminergen Substantia nigra Neurone, in dem relativ kurzen Zeitraum von 9 Wochen, kein signifikanter Zellverlust. Zusammengefasst belegen die hier vorgestellten Studien, dass cholinerge pedunculopontine Neurone signifikant vulnerabler gegenüber einer mittels α-Synuclein-Fibrillen induzierten α-Synucleinopathie sind als nicht-cholinerge Neurone. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass das hirnweite Progressionsmuster der Pathologie in den zwei untersuchten α-Synucleinopathie-Modellen signifikant unterschiedlich ist. Während im Fibrillenmodell das α-Synucleinopathiemuster mit einer Zell-zu-Zell-Übertragung von pathologischen α-Synuclein-Spezies vereinbar war, konnte im überexpressionsbasierten Modell lediglich ein axonaler Transport von α-Synuclein, aber nicht eine Zell-zu-Zell-Übertragung nachgewiesen werden. Die innerhalb dieser Dissertation durchgeführten Studien stellen daher einen wertvollen Ausgangspunkt für die weitere Erforschung von zellulären Vulnerabilitätsfaktoren und Mechanismen des Krankheitsverlaufs dar., Parkinson's disease is a highly debilitating disorder classically characterized by the degeneration of dopaminergic midbrain neurons of the substantia nigra. The resulting nigrostriatal dopamine deficiency is thought to be responsible for the onset of the cardinal Parkinson's motor symptomtomatology; bradykinesia, rigidity, and resting tremor. However, recent studies show that Parkinson's disease is a multisystem disorder. Thus, it comes not only to degeneration in the nigrostriatal system, but also to pronounced cell loss in many other brain regions. Histopathologically, Parkinson's disease is characterized by the presence of so-called Lewy bodies or neurites. These are intracytoplasmic proteinaceous inclusions consisting mainly of aggregated α-synuclein. Two neuronal structures that both have pronounced Lewy pathology in Parkinson's disease and prominent neurodegeneration are the noradrenergic locus coeruleus and the neurochemically heterogeneous pedunculopontine nucleus. Remarkably, in the pedunculopontine nucleus Lewy pathology and neurodegeneration are predominantly restricted to the cholinergic cell population, while the GABAergic and glutamatergic cell groups exhibit only minor Lewy pathology and are largely spared of neurodegeneration. The present dissertation pursued two main goals. On the one hand, we investigated whether the selective vulnerability pattern of the cholinergic subpopulation of the pedunculopontine nucleus could be reproduced in a mouse model based on the intracerebral injection of preformed α-synuclein fibrils. Second, the brain-spreading pattern of two focal-induced α-synucleinopathy mouse models were compared with respect to the methodology used to initiate the aggregation process (vector-mediated overexpression vs. α-synuclein fibril model). In the first part of the study, we used a targeted intracerebral injection of preformed α-synuclein fibrils to induce a focal α-synucleinopathy in the pedunculopontine nucleus. Our data show that the injection of α-synuclein fibrils resulted in the recruitment and misfolding of endogenous α-synuclein leading to formation of Lewy body-like aggregates in neuronal perikarya and axons. Interestingly, the observed inclusion bodies were immunoreactive for S129-phosphorylated α-synuclein, p62 positive and resistant to proteinase K digestion. We thereby showed that the experimentally induced α-synuclein pathology possessed several key features of human Lewy pathology. Remarkably, the major burden of Lewy-like pathology and quantified cell loss was limited to the cholinergic subpopulation of the pedunculopontine nucleus, while the non-cholinergic neurons were largely spared of Lewy pathology and degeneration at any investigated time-point. Interestingly, in both fibril and monomer-α-synuclein (control) injected animals, induction of reactive microgliosis occurred, although no α-synuclein pathology was observed in the control group. Our analysis also showed that the formation of α-synuclein pathology was not limited to the immediate vicinity of the site of injection, but propageted over considerable distances to other interconnected brain regions. Since α-synuclein positive aggregates were found in neuronal cell bodies of distant brain regions, which lay all within the neuronal network of the pedunculopontine nucleus, it can be concluded that the α-synucleinopathy spread only within the neural network of the pedunculopontine nucleus. In the second part of the thesis, focal α-synucleinopathy was induced in the locus coeruleus by intracerebral injection of adeno-associated viral vectors containing the gene for human mutant A53T-α-synuclein or luciferase (control protein). The obtained data showed that local overexpression of human α-synuclein led to widespread propagation of the protein consistent with anterograde axonal transport. Analysis of the α-synuclein propagation pattern demonstrated that the brain-wide α-synucleinopathy was confined to the output regions of the noradrenergic locus coeruleus. Furthermore, there was no evidence of cell-to-cell transmission of human α-synuclein. Based on these findings we concluded that the induced Lewy-like pathology did not leave the noradrenergic locus coeruleus system in the studied time frame of 9 weeks. In addition, unbiased stereological quantification of the dopaminergic substantia nigra revealed no significant cell loss at the relatively short time-frame of 9 weeks. In conclusion, the studies presented in this dissertation show that cholinergic pedunculopontine neurons are significantly more vulnerable to α-synuclein fibril-induced α-synucleinopathy than non-cholinergic neurons. In addition, we were able to show that the brain-wide progression pattern of Lewy-like pathology is significantly different between the two studied α-synucleinopathy models. While in the fibril model the α-synucleinopathy pattern was consistent with cell-to-cell transmission of pathological α-synuclein species, we only observed axonal transport of α-synuclein but not cell-to-cell transmission in the overexpression-based model. The studies carried out within this dissertation therefore provide a valuable starting point for the further investigation of cellular vulnerability factors and mechanisms of disease progression.

Degeneration of dopaminergic neurons in the substantia nigra causes the motor symptoms of Parkinson’s disease. The mechanisms underlying this age-dependent and region-selective neurodegeneration remain unclear. Here we identify Cav2.3 channels as regulators of nigral neuronal viability. Cav2.3 transcripts were more abundant than other voltage-gated Ca2+ channels in mouse nigral neurons and upregulated during aging. Plasmalemmal Cav2.3 protein was higher than in dopaminergic neurons of the ventral tegmental area, which do not degenerate in Parkinson’s disease. Cav2.3 knockout reduced activity-associated nigral somatic Ca2+ signals and Ca2+-dependent after-hyperpolarizations, and afforded full protection from degeneration in vivo in a neurotoxin Parkinson’s mouse model. Cav2.3 deficiency upregulated transcripts for NCS-1, a Ca2+-binding protein implicated in neuroprotection. Conversely, NCS-1 knockout exacerbated nigral neurodegeneration and downregulated Cav2.3. Moreover, NCS-1 levels were reduced in a human iPSC-model of familial Parkinson’s. Thus, Cav2.3 and NCS-1 may constitute potential therapeutic targets for combatting Ca2+- dependent neurodegeneration in Parkinson’s disease., publishedVersion

Diese kumulative Dissertation fasst drei von Fachleuten begutachtete Veröffentlichungen zusammen, die sich mit verschiedenen Aspekten der prodromalen und manifesten Phase der Parkinson-Krankheit befassen, wobei der Schwerpunkt der Dissertation auf der Betroffenheit des noradrenergen locus coeruleus liegt. Die erste Veröffentlichung stellt einen Originalartikel dar, der die Etablierung und Charakterisierung des weltweit ersten α-Synuclein-Überexpressionsmodells im noradrenergen locus coeruleus der Maus beschreibt. In den Veröffentlichungen zwei und drei wird die Bedeutung des locus coeruleus im Kontext der prodromalen Krankheitsphase und die Heterogenität der betroffenen mesencephalen und extramesencephalen dopaminergen Systeme im Rahmen der manifesten Parkinson-Krankheit erörtert. Die erste Veröffentlichung mit dem Titel “A53T-α-synuclein overexpression in murine locus coeruleus induces Parkinson’s disease-like pathology in neurons and glia” beschreibt die Etablierung des ersten α-Synucleinopathie-Mausmodells im noradrenergen locus coeruleus. Die gewonnenen Daten zeigen, dass eine viral vermittelte fokale Überexpression von humanem A53T-α-Synuclein im murinen locus coeruleus eine zeitabhängige Neurodegeneration noradrenerger locus coeruleus Neurone auslöste, begleitet von einer zunehmenden Phosphorylierung des überexprimierten α-synuclein und Bildung von Proteinase-K resistenten α-synuclein-Aggregaten. Es zeigte sich zudem eine Akkumulation von Ubi-1- und p62-positiven Einschlüssen in Mikrogliazellen sowie eine Induktion einer fortschreitenden Mikro- und Astrogliose. Abgesehen von dieser lokalen Pathologie beobachteten wir zahlreiche α-synuclein-positive Axone in locus coeruleus-Projektionsregionen, was auf einen schnellen anterograden axonalen Transport von A53T- α-synuclein hinweist. Die zweite Veröffentlichung mit dem Titel “The locus coeruleus – another vulnerability target in Parkinson’s disease” befasst sich mit der Rolle des noradrenergen locus coeruleus-Systems im Rahmen der prodromalen und manifesten Parkinson-Krankheit. Im Rahmen dieser Publikation stellen wir eine umfassende Beschreibung der neuroanatomischen Grundlagen des locus coeruleus-Systems und seiner Beteiligung im Rahmen der Parkinson-Krankheit bereit, fassen die relevantesten Vulnerabilitätsfaktoren zusammen und listen alle Tierstudien, die bisher zur Untersuchung der locus coeruleus-Pathologie in der experimentellen Parkinson-Forschung durchgeführt wurden. Darüber hinaus geben wir einen therapeutischen Ausblick darauf, wie die noradrenerge Substitutionstherapie bereits an manifesten Parkinson-Patienten erfolgreich getestet wurde und wie eine locus coeruleus-Dysfunktion für die Entwicklung krankheitsmodifizierender Therapieansätze und Progressionsmarker von Nutzen sein kann. In der dritten Veröffentlichung mit dem Titel “Mesencephalic and extramesencephalic dopaminergic systems in Parkinson’s disease“ gebe ich zunächst einen historischen Überblick über die wichtigsten Meilensteine der Pathogenese und Therapie der Parkinson-Krankheit, analysiere dann die dopaminerge Grundlage der kardinalen motorischen Symptomatik und fasse die anatomischen Merkmale der zehn dopaminergen Systeme und ihre Beteiligung an der Parkinson-Krankheit zusammen. Zudem veranschauliche ich wie neue dopaminerge Bildgebungstechniken zur Optimierung der Differentialdiagnose und des pathogenetischen Wissens beigetragen haben, und erläutere, wie die dopaminerge Substitutionstherapie die kardinalmotorische Symptomatik verbessert und gleichzeitig eine Reihe neuer hyperdopaminerger Symptome hervorruft., This cumulative dissertation summarizes three peer-reviewed publications addressing different aspects of the prodromal and manifest phase of Parkinson’s disease with special emphasis on the vulnerability of the noradrenergic locus coeruleus. The first publication represents an original article describing the establishment and characterization of the first ever α-synuclein overexpression mouse model for the locus coeruleus. Narrative articles two and three discuss the importance of the locus coeruleus in context of prodromal Parkinson’s disease, and the heterogeneity of the affected mesencephalic and extramesencephalic dopaminergic systems in manifest Parkinson’s disease. The first publication entitled “A53T-α-synuclein overexpression in murine locus coeruleus induces Parkinson’s disease-like pathology in neurons and glia” describes the establishment of the first locus coeruleus α-synucleinopathy mouse model. The data show that viral vector mediated focal overexpression of human A53T-α-synuclein triggered time-dependent neurodegeneration of noradrenergic locus coeruleus neurons, accompanied by progressive α-synuclein phosphorylation, formation of proteinase K-resistant α-synuclein-aggregates, accumulation of Ubi-1- and p62-positive inclusions in microglial cells and induction of progressive micro- and astrogliosis. Apart from this local pathology, we observed abundant α-synuclein positive axons in LC output regions, indicating rapid anterograde axonal transport of A53T-α-synuclein. The second publication entitled “The locus coeruleus – another vulnerability target in Parkinson’s disease” addresses the role of the locus coeruleus noradrenergic system in prodromal and manifest Parkinson’s disease. Within this review we provide a comprehensive description of the neuroanatomical basis of the locus coeruleus system and its implication in Parkinson’s disease, summarize highly relevant vulnerability factors, and list all animal studies conducted so far investigating locus coeruleus pathology in experimental research. Further, we provide a therapeutic outlook on how noradrenergic replacement therapy has already been successfully tested in manifest Parkinson’s disease patients and how locus coeruleus dysfunction can be of use for the development of disease modifying therapy approaches and disease progression biomarkers. Within the third publication entitled “Mesencephalic and extramesencephalic dopaminergic systems in Parkinson’s disease”, we provide a historical overview over the key milestones of Parkinson’s disease pathogenesis and therapy, dissect the dopaminergic basis of the cardinal parkinsonian motor symptomatology, summarize the anatomical features of the ten dopaminergic systems of the mammalian central nervous system and their involvement in Parkinson’s disease, illustrate how the advanced dopaminergic imaging techniques contribute to optimized differential diagnosis and pathogenetic knowledge, and explain how dopaminergic replacement therapy improves the cardinal motor symptomatology while simultaneously inducing a new set of symptoms based on a hyperdopaminergic status.

Deep brain stimulation (DBS) of the subthalamic nucleus (STN) is a well-established symptomatic treatment for Parkinson’s diseases (PD). However, knowledge on local electrophysiological biomarkers within the STN and their cortical connectivity profile is still scarce. Such information would be necessary for optimal positioning of the DBS leads based on PD network pathophysiology. This thesis describes the introduction and exploration of a novel technique for electrophysiological measurements during DBS surgery. Combined electroencephalography (EEG) with stepwise local field potentials recordings during insertion of the DBS lead was performed intraoperatively, thereby, allowing to capture local STN and cortico-subthalamic physiology with high speactral and spatial specificity. Our results revealed that strong beta oscillatory activity in the STN was located more dorsally than the STN-ipsilateral motor network phase coupling; the respective frequency bands were in the low and high beta-band, respectively. Moreover, the spot within the STN, where this STN-cortical phase coupling occurred, correlated highly with the STN spot where the phase of beta oscillations modulated the amplitude of high-frequency oscillations. This STN location was furthermore, characterized by information flowed from the ipsilateral motor cortex to the STN in the high beta-band suggesting a pathologically synchronized network with a direct STN-motor cortex connection via the hyperdirect pathway. Interestingly, the very same STN spot showed a resonance like responses to electrical stimulation suggesting a decoupling of pathologically synchronized STN-motor cortex connectivity during therapeutic DBS. In conclusion, this PhD thesis provides first evidence that macroelectrode recordings with the chronic electrode concurrent with EEG recordings are a reliable method for STN localization during DBS surgery. Additionally, combining LFP and EEG recordings during mapping of STN offered a new way of DBS targeting on the basis of pathological local biomarkers and network activity.

Intracellular accumulation of α-synuclein (α-syn) and formation of Lewy bodies are neuropathological characteristics of Parkinson’s disease (PD) and related α-synucleinopathies. Oligomerization and spreading of α-syn from neuron to neuron have been suggested as key events contributing to the progression of PD. To directly visualize and characterize α-syn oligomerization and spreading in vivo, we generated two independent conditional transgenic mouse models based on α-syn protein complementation assays using neuron-specifically expressed split Gaussia luciferase or split Venus yellow fluorescent protein (YFP). These transgenic mice allow direct assessment of the quantity and subcellular distribution of α-syn oligomers in vivo. Using these mouse models, we demonstrate an age-dependent accumulation of a specific subtype of α-syn oligomers. We provide in vivo evidence that, although α-syn is found throughout neurons, α-syn oligomerization takes place at the presynapse. Furthermore, our mouse models provide strong evidence for a transsynaptic cell-to-cell transfer of de novo generated α-syn oligomers in vivo., publishedVersion

Freezing phenomena including freezing of gait (FOG) highly disturb the quality of life in patients with Parkinson’s disease (PD). Conventional therapy, like L-DOPA and deep brain stimulation of the subthalamic nucleus (STN-DBS) cannot satisfactorily relieve these symptoms, although it ameliorates most motor symptoms like rigidity and bradykinesia. These motor symptoms are primarily caused by degeneration of dopaminergic cells in the substantia nigra, which induces pathologically increased inhibitory output from the basal ganglia. STN-DBS may reduce the excessive basal ganglia output, however the working mechanism of STN-DBS and the influence on the neuromuscular network effects need further elucidation. In this context, we found that STN-DBS could lower pathologically increased low-frequency intermuscular synchronization during continuous finger tapping. Furthermore, STN-DBS strengthened the corticospinal connection during continuous finger tapping, displayed by the increased corticomuscular coherence in the tapping frequency. With respect to freezing phenomena, it is necessary to further elucidate the pathophysiological mechanism. We therefore introduced a dual task to trigger upper limb freezing (ULF). Offline we defined criteria to detect freezing episodes from the biomechanical recording. We observed that during ULF cortical activity was increased in the alpha band compared to continuous finger tapping. During ULF, this increased alpha cortical activity started over the contralateral sensorimotor cortex and spread to the contralateral frontal cortex and the ipsilateral parietal cortex during the freezing episode. Furthermore, we observed that a higher number of ULF episodes was associated with an increased cortico-cortical beta synchronization. These findings ‒ increased alpha activity and increased beta synchronization ‒ could probably function as biomarker to predict freezing phenomena. This will enable us to decipher pathophysiological mechanisms of freezing phenomena further. Consequently, using this knowledge may improve therapy to meet the therapeutic need.

The idiopathic Parkinson’s Disease (PD) is a very common neurodegenerative disorder. There is no causal treatment available so far. Lewy bodies, the characteristic feature in surviving nigral neurons, are one of the pathologic hallmarks in PD. Aggregates of fibrillated α-Synuclein (α-Syn), a 140 amino-acids-long protein that is mainly expressed at presynaptic terminals in the CNS, are the major components of Lewy bodies. Recently, natural occurring autoantibodies against α-Syn (nAB α-Syn) were de- tected in the peripheral blood of PD patients and controls (Papachroni et al., 2007). In our group, we affinity-purified nABs α-Syn from intravenous immuno- globulins (IVIG) for further characterization. Since the physiological function of the nAB α-Syn in the human organism is still poorly known, the aim of this project was to specify the interaction of the nABs α-Syn with α-Syn-fragments for providing better understanding and possible treatment application of the nABs α-Syn. This was tested with truncated α-Syn-fragments representing the functional regions of the protein: residues 1-60 (N-terminal domain), residues 1-95 (N- terminal domain + NAC-region), residues 61-140 (NAC-region + C-terminal domain), residues 96-140 (C-terminal domain) and NACP112 (alternative splicing-induced deletion variant lacking amino acids 103-130). The fragments were either freshly prepared or aged for 7 days. First, the epitop(s) on α-Syn for the nAB α-Syn should to be determined. Therefore, binding properties of nAB α-Syn and α-Syn-fragments were analysed in antigen-antibody-binding-assays such as ELISA and Dot Blot. However, neither epitopes for the nAB α-Syn nor clear binding characteristics of the nAB α-Syn to the α-Syn-fragment regions could be identified. The differing binding properties in the assays points to the coexistence of linear and conformational epitopes. Second, the influence of the α-Syn-fragments on cell integrity and viability was tested on primary murine cortical neurons and primary murine microglia using LDH- and MTT-assays. The fragments 1-95, 61-140 and α-Syn 112 decreased cell viability in the primary neuronal culture as measured by MTT-assay. These cytotoxic α-Syn-fragments were subsequently preincubated with the nAB α-Syn-fragments and then added to the primary neuronal culture. There was a rescue effect on the α-Syn-fragments 1-95 and α-Syn 112 as shown by increased cell viabilty. Though, the same rescue effect was attained by preincubation with IVIG. Third, α-Syn-fragments added extracellularly to a primary murine micoglia culture were compared in their ability to induce the release of the proin- flammatory cytokines (TNFα and IL-6). Nearly all α-Syn-fragments (except for 1-60 for IL-6) induced the release of these two cytokines. Subsequently, the impact of the nAB α-Syn on the cytokine realease was determined. There was a highly significant reduction of the TNFα- and IL-6 release by preincubation with the nAB α-Syn (except for 61-140 for TNFα). These results underline for the first time the possible anti-inflammatory effect of the nAB α-Syn on α-Syn-induced microglia activation. Furthermore the findings point to a possible neuroprotective potential for the nAB α-Syn and similarly for IVIG. The overactivation of microglia is an important pathomechanism in PD. Modulating the microglia activity, for example by blocking the release of proinflammatory cytokines with the nAB α-Syn, may therefore provide an important therapeutic target. Further research has to be carried out for the exploration of the nAB α-Syn anti-inflammatory potential., Das idiopathische Parkinson-Syndrom (IPS) gehört zu den häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen und trotz intensiver Bemühungen stehen bislang noch keine kausalen Therapiemöglichkeiten zur Verfügung. Lewy-Körperchen, eine der typischen Veränderungen in überlebenden nigralen Neuronen, gelten als pathologische Kennzeichen des IPS. Aggregate von fibrilliertem α-Synuclein (α-Syn), einem aus 140 Aminosäuren (AS) bestehendes Protein, das überwiegend in den präsynaptischen Terminalen von Neuronen im ZNS lokalisiert ist, stellen dabei den Hauptanteil solcher Lewy-Körperchen dar. Kürzlich wurden im Serum von Parkinsonpatienten natürlich vorkommende Autoantikörper gegen humanes α-Syn (nAK α-Syn) nachgewiesen (Papachroni et al., 2007). Solche nAK α-Syn konnten in der Arbeitsgruppe für Neurologische Therapieforschung mittels einer Affinitätssäule aus intravenösen Immunglobuli- nen (IVIG) isoliert und näher charakterisiert werden. Die physiologische Funktion dieser nAK α-Syn im menschlichen Organismus ist bislang kaum bekannt. Ziel dieser Arbeit war es daher, durch genauere Unter- suchung der nAK α-Syn-α-Synuclein-Interaktion eine Grundlage für deren besseres Verständnis und mögliche therapeutische Anwendung zu schaffen. Dafür wurden den einzelnen funktionellen Domänen von α-Syn entsprechende α-Syn-Fragmente verwendet: AS 1-60 (N-terminale Domäne), AS 1-95 (N- terminale Domäne + NAC-Region), AS 61-140 (NAC-Region + C-terminale Domäne), AS 96-140 (C-terminale Domäne) sowie die durch alternatives Spleißen entstehende Deletionsmutante α-Syn 112. Diese α-Syn-Fragmente wurden sowohl frisch als auch 7 Tage gealtert ausgetestet. Erstens sollte untersucht werden, an welche(s) Epitop(e) der α-Syn-Fragmente die nAK α-Syn binden. Dazu wurde das Bindungsverhalten von nAK α-Syn und α-Syn-Fragmenten in Antigen-Antikörper-Bindungsassays mittels ELISA und Dot Blot analysiert. Jedoch konnten weder Epitop(e) für die nAK α-Syn noch ein eindeutiges Bindungsmuster der nAK α-Syn an die einzelnen α-Synuclein-Regionen identifiziert werden. Das unterschiedliche Bindungsverhalten in den hier durchgeführten Bindungsassays scheint auf das gleichzeitige Vorliegen linearer sowie konformationaler Epitope hinzudeuten. Zweitens wurde die Wirkung der α-Synuclein-Fragmente auf die Zellintegrität und mitochondriale Vitalität von primären murinen kortikalen Neuronen und primären murinen Mikroglia in LDH- und MTT-Assay getestet. Bei den α-Syn-Fragmenten 1-95, 61-140 sowie α-Syn 112 konnte eine deutliche proliferationsschädigende Wirkung an neuronalen Zellen im MTT-Assay nachgewiesen werden. Diese zytotoxischen α-Syn-Fragmente wurden dann in einem weiteren Schritt vor Zugabe zu den neuronalen Zellen mit den nAK α-Syn vorinkubiert. Diese hatten auf die α-Syn-Fragmente 1-95 und α-Syn 112 einen neuroprotektiven Einfluss. Dieser Effekt ließ sich allerdings auch durch Vorinkubation der α- Syn-Fragmente mit IVIG beobachten. Drittens wurde untersucht, ob die extrazellulär zugegebenen α-Syn-Fragmente eine Ausschüttung proinflammatorischer Zytokine (TNFα und IL-6) in primären murinen Mikroglia induzieren können. Da dies bei fast allen α-Syn-Fragmenten der Fall war (bis auf 1-60 für IL-6), wurde dann der Einfluss der nAK α-Syn auf die Zytokinausschüttung beurteilt. Durch Vorinkubation mit den nAK α-Syn konnte die α-Syn-Fragment-induzierte TNFα- und IL-6-Ausschüttung deutlich signifikant reduziert werden (bis auf 61-140 für TNFα). Dies weist erstmalig darauf hin, dass die nAK α-Syn einen entscheidenden anti-inflammatorischen Einfluss auf die durch α-Syn ausgelöste Mikrogliaaktivierung haben. Weiterhin scheinen sie zusammen mit IVIG neuroprotektives Potenzial zu besitzen. Die überschiessende Reaktion der Mikroglia spielt eine wichtige Rolle in der Pathogenese des IPS. Daher kann eine modulatorische Beeinflussung der Mikrogliaaktivität, beispielsweise durch Hemmung der Ausschüttung proinflammatorischer Zytokine, einen wichtigen therapeutischen Ansatzpunkt beim IPS darstellen. Für diese Modulation könnten die nAK α-Syn geeignet sein. Für die genauere Überprüfung ihres anti-inflammatorischen Potenzials sind weitere Studien nötig.

Parkinson's disease is a common neurodegenerative disease characterised by the loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta and the formation of ��-synuclein aggregates found in Lewy bodies throughout the brain. Several ��-synuclein transgenic mouse models have been generated, as well as viral-mediated overexpression of wild-type and mutated ��-synuclein to mimic the disease and to delineate the pathogenic pathway of ��-synuclein-mediated toxicity and neurodegeneration. In this review, we will recapitulate what we have learned about the function of ��-synuclein and ��-synuclein-mediated toxicity through studies of transgenic animal models, inducible animal models and viral-based models. ��� In Copyright http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/ �� In Copyright http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/, publishedVersion

Cellular plasticity, the generation of new neurons and glia, persists up to adulthood in the mammalian adult central nervous system and is altered upon disease processes. In particular, the present thesis focusses on a subgroup of neurodegenerative diseases characterized by accumulation of the protein α-synuclein (α-syn). These synucleinopathies include Parkinson’s disease (PD) and multiple system atrophy (MSA), two related movement disorders presenting with severe neuronal loss. The aim of this thesis was to unravel the impact of α-syn on adult neuro- and oligodendrogenesis. To address the question of how α-syn influences neurogenesis, transgenic mice overexpressing human wild-type or mutant forms of α-syn under the control of different promoters were developed to mimic some of the underlying neuropathology of PD. One of the earliest neurological symptoms associated with PD is an olfactory deficit highlighting the importance of the olfactory bulb (OB). The generation of new cells was assessed in this neurogenic region using 5-bromo-2'-deoxyuridine (BrdU) to label newly generated cells in mice overexpressing human wild-type α-syn under the regulatable control (tet-off) of the calcium/calmodulin-dependent protein kinase IIα-promoter (CaMK). We observed a decrease in OB neurogenesis in transgenic animals compared to controls. After cessation of transgene expression we detected an increase in newly generated cells both in granular (GCL) and glomerular (GLOM) layers of the OB. This led to a rescue of newly generated neurons within the GLOM, but not in the GCL suggesting diverse effects of α-syn in both interneuronal layers of the OB. Glial differentiation did not account to the observed phenotype in the GCL, as no alterations in newly generated astrocytes or microglia were observed. Interestingly, BrdU+ particles detected within microglial cells were predominantly associated close to the cellular membrane and thus resembling phagocytosed nuclear fragments of BrdU+ cells. Additional to neurogenesis, cellular plasticity in the adult central nervous system also comprises oligodendrogenesis. The maturation from an undifferentiated platelet derived growth factor α receptor (PDGFRα)+ phenotype to mature myelin basic protein (MBP)+ producing oligodendrocytes is influenced by numerous signals. We hypothesize that α-syn present in glial cytoplasmic inclusions (GCI) within perifascicular and perineuronal oligodendrocytes in MSA affects adult oligodendrogenesis. Using BrdU in mice overexpressing human wild-type α-syn under the control of the MBP promoter, we detected an age-dependent increase of dividing cells within the striatum and the cortex, both non-neurogenic regions with an increased load of GCIs. The striatum, only, showed increased numbers of immature PDGFRα+ oligodendroglia suggesting an endogenous, region-specific delayed maturation. Phenotyping of BrdU+ cells resulted in immature oligodendroglia and microglia, without newly generated astroglia or neurons in all regions analyzed. Although we observed myelin loss within the corpus callosum, there was no loss of mature glutathione-S-transferase π (GSTπ)+ oligodendrocytes in this region or the adjacent striatum, however in cortical regions. To dissect underlying molecular mechanisms of intracellular α-syn, we generated an oligodendroglial cell line (CG4) stably expressing human wild-type α-syn. Here, intracellular α-syn delays the maturation of CG4 cells by a distinct upregulation of the transcription factors hairy enhancer of split-5 (Hes5) followed by a profound downregulation of myelin-gene regulatory factor (MRF) with low levels of MBP during differentiation. These findings implicate a delayed oligodendrogenesis mirrored by a stage-specific transcriptional control of α-syn during oligodendroglial differentiation in MSA and its models. Cellular plasticity in adult neuro- and oligodendrogenesis is influenced by α-syn during disease processes. The findings of this thesis might be subjected to future studies contributing to understand the clinical presentation of synucleinopathies and to develop new therapeutic approaches. Zelluläre Plastizität im zentralen Nervensystem bezeichnet den Prozess der Generierung neuer Neurone und Gliazellen, der bei Säugern bis ins Erwachsenenalter hinein anhält und im Verlauf verschiedener Krankheiten verändert sein kann. Die vorliegende Promotion beschäftigt sich vor allem mit einer speziellen Untergruppe von neurodegenerativen Erkrankungen, die durch die Akkumulation des Proteins α-Synuklein (α-syn) gekennzeichnet ist. Zu diesen sogenannten Synukleinopathien gehören das sporadische Parkinson Syndrom (Parkinson’s disease, PD) und die Multisystematrophie (MSA), zwei Bewegungserkrankungen mit schwerem neuronalen Zellverslust. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss von α-syn auf die adulte Neuro- und Oligodendrogenese zu untersuchen. Um den Einfluss von α-syn auf die adulte Neurogenese zu untersuchen, wurden transgene Mäuse, die humanes Wildtyp oder mutierte Formen von α-syn unter der Kontrolle verschiedener Promotern überexprimieren, generiert und die zugrundeliegende Neuropathologie von PD untersucht. Eines der ersten klinischen Symptome von PD ist eine Beeinträchtigung des Geruchssinns, was die Bedeutung des Bulbus olfaktorius (OB) beim Beginn dieser Erkrankung unterstreicht. Die Generierung neuer Zellen wurde mit Hilfe von 5-Brom-2-desoxyuridin (BrdU) in dieser neurogenen Region untersucht. Damit wurden sich neu gebildete Zellen in Mäusen markiert, die humanes Wildtyp α-syn unter der regulierbaren Kontrolle (tet-off) des Calcium/Calmodulin-abhängigen Proteinkinase IIα –Promoters überexprimieren. Wir beobachteten einen Abfall der Neurogenese im OB in transgenen Tieren gegenüber Kontrolltieren. Nach der Abschaltung des Transgens, stellten wir eine Vermehrung von neugebildeten Zellen in der granulären (granular cell layer, GCL) und glomerulären Zellschicht (glomerular cell layer, GLOM) des OB fest. In Folge dessen kam es zu einer erfolgreichen Wiederherstellung von neugenerierten Neuronen innerhalb der GLOM, aber nicht in der GCL. Des Weiteren wurde keine veränderte Differenzierung zu Astrozyten oder Mikroglia beobachtet, was dieses Phänomen auch als Ursache für den beobachteten Phänotyp in der GCL, nämlich die fehlende Wiederherstellung von neu generierten Neuronen nach Abschalten des Transgens, ausschließt. Interessanterweise wurden jedoch BrdU+ Partikel innerhalb von Mikrogliazellen gefunden, die häufig mit der Zellmembran assoziiert waren und daher phagozytierten nukleären Fragmenten BrdU+ Zellen darstellen können. Zelluläre Plastizität des adulten zentralen Nervensystems findet neben Neuronen auch bei Oligodendrozyten statt. Die Reifung von einem undifferenzierten platelet derived growth factor α receptor (PDGFRα)+ Phänotyp zu reifen myelin basic protein (MBP)+ produzierenden Oligodendrozyten wird vielseitig beeinflusst. Wir vermuten, dass auch α-syn, das bei der MSA in glialen zytoplasmatischen Einschlüssen (glial cytoplasmic inclusion, GCI) innerhalb von Oligodendrozyten vorkommt, die adulte Oligodendrogenese beeinflusst. Mittels BrdU-Injektionen in Mäuse, die humanes Wildtyp α-syn unter der Kontrolle des MBP-Promotors überexprimieren, beobachteten wir einen Alters-abhängigen Anstieg von sich teilenden Zellen innerhalb des Striatums und des Kortex. Diese beiden nicht-neurogenen Regionen zeichnen sich durch ihren hohen Gehalt an GCIs aus. Nur im Striatum stellten wir eine Erhöhung von unreifen PDGFRα+ Oligodendrozyten fest, was eine endogene, regionspezifische Verzögerung der Reifung vermuten lässt. Bei der Untersuchung des Phänotyps der BrdU+ Zellen fanden wir neugenerierte unreife Oligodendrozyten und Mikroglia, aber keine Astrozyten oder Neurone in allen untersuchten Regionen. Obwohl wir einen Myelinverlust innerhalb des Corpus Callosum beobachteten, gab es keinen Verlust an reifen Glutathione-S-Transferase π (GSTπ)+ Oligodendrozyten in dieser Region oder dem benachbarten Striatum, jedoch aber im Kortex. Um die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen von intrazellulärem α-syn zu analysieren, benutzten wir eine oligodendrogliale Zelllinie (CG4), die humanes Wildtyp α-syn stabil überexprimiert. Intrazelluläres α-syn verzögert die Reifung von CG4-Zellen durch eine Hochregulierung des Transkriptionsfaktors Hes 5 (factors hairy enhancer of split-5) und einer starken Herunterregulierung von MRF (myelin-gene regulatory factor) bei niedrigen MBP-Leveln während der Differenzierung. Diese Ergebnisse lassen auf eine verzögerte oligodendrogliale Differenzierung schließen, die sich in einer Stadiumsspezifischen Transkriptionskontrolle von α-syn während der oligodendroglialen Differenzierung bei MSA und ihren Modellen widerspiegelt.

Parkinson’s disease (PD) is the second most common neurodegenerative disorder. Despite ongoing efforts, the knowledge of the etiology and underlying mechanisms resulting in the neurodegenerative processes (e.g., loss of dopaminergic neurons) remains incomplete. Since therapeutic intervention is still limited to symptomatic relief and mainly focused on the dopamine system, the understanding of the role of other, non-dopaminergic systems during pathogenesis of PD has to be improved for identifying new targets for treatment. Neurotransmitter receptors are major targets for pharmaceutical interventions in numerous neurological and psychiatric disorders, since distinct changes of receptors are often found in such diseases. In case of PD, the dominant role of changes in dopaminergic neurotransmission is well known. The possible involvement of other transmitter systems and their receptors, however, is not well understood. Therefore, the aim of this study was the analysis of the density and distribution of neurotransmitter receptors for glutamate, GABA, acetylcholine, adrenaline, serotonin, dopamine and adenosine in the brains of three well established mouse models of PD. The Pitx3 aphakia mouse served as a model exhibiting crucial hallmarks of PD on the neuropathological, symptomatic and pharmacological level. Additionally, Parkin and DJ-1 knockout mice were analyzed as models for hereditary parkinsonism by exhibiting PD associated gene mutations. Quantitative receptor autoradiography was used to comprehensively investigate the density and distribution of glutamate, GABA, acetylcholine, adrenaline, serotonin, dopamine and adenosine receptors in eleven different brain regions (i.e., the olfactory bulb, the motor, somatosensory, piriform and visual cortices, the hippocampal regions CA1, CA2/3 and dentate gyrus, the striatum, the substantia nigra and the cerebellum). Differential quantitative changes of neurotransmitter receptor densities were demonstrated for the three different animal models of PD compared to controls. In general, receptor density changes were similar between Parkin and DJ-1 knockout mice, indicating pathologic mechanisms occurring likewise in both models. GABAB receptor densities were increased in several regions of all investigated PD models (i.e., the piriform cortex, the dentate gyrus, the visual cortex and the substantia nigra). Thus, the increase in GABAB receptors seems to be a common reaction during pathogenesis of PD. The densities of nicotinic acetylcholine, serotonergic 5-HT1A and 5-HT2 receptors were demonstrated to be considerably reduced in Pitx3 aphakia mouse brains (i.e., the nicotinic acetylcholine receptor in the striatum, CA2/3 and the dentate gyrus; the serotonergic 5-HT1A receptor in the olfactory bulb, CA1 and the dentate gyrus; the 5-HT2 receptor in the striatum). A complex pattern of receptor changes in the striatum of Pitx3 aphakia, Parkin and DJ-1 knockout mice, respectively, correlates with the behavioral findings in these mice, and indicates differential interactions and dependencies between the different receptor systems in PD. Taken together, the present findings of neurotransmitter receptor density changes in Pitx3 aphakia, Parkin and DJ-1 knockout mice, respectively, provide novel data on the up- and down-regulation of GABA, acetylcholine, and 5-HT receptor expression in animal models of PD, and thereby highlight the often neglected impact of non-dopaminergic systems in the molecular pathology of Parkinson’s disease.

Parkinson´s disease (PD) is a common neurodegenerative disorder of unknown cause. The key feature of PD is the preferential loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta. Recent literature suggests that initial pathologic manifestations could be found in the spinal cord and the olfactory bulb. Although PD is traditionally thought of as a disease of neurons several observations indicate that astrocytes are active contributors to the initiation or progression of PD. To elucidate the PD pathogenesis different mouse lines carrying PD-inducing gene mutations have been generated. One line carries a homozygous deletion of parkin Exon3 and two transgenic lines overexpress human doubly mutated \(\alpha\)-synuclein (A30P, A53T). In summary, this work strengthens the hypotheses that the spinal cord could and the olfactory bulb could be early contributors to the disease progression in PD. Furthermore, mitochondrial damage in glial cells could play a key role in the progression of PD.

Background: Adverse effects of dopaminergic medication (DA; levodopa and dopamine agonists) on impulsive behaviour and decision-making in patients with Parkinson’s disease (PD) have been repeatedly reported. Deep brain stimulation (DBS) is increasingly used for the treatment of parkinsonian motor symptoms, but the excellent efficacy of DBS contrasts with a growing number of reports that the treatment may result in behavioural complications. Aims: We investigated impulsive behaviour under different therapeutic treatments. Methods: Fifteen patients with PD with DBS (PD-DBS) were assessed with electrical stimulation switched on and off, respectively. Data were compared with those of 15 patients with PD without DBS implantation under DA medication (PD-DA), matched for age and disease duration. Impulsive behaviour (gambling performance) was measured together with neuropsychological assessments regarding depression, current mood and cognitive performance. Results: PD-DA patients performed worse in the gambling task than DBS patients with electrical stimulation turned off. A significant interaction of performance and medication was observed. When DBS was turned on, the differences in performance were less pronounced. Conclusion: For gambling performance, the medication dose mainly explains differences in impulsive behaviour. Although DBS had a minor negative effect on impulsive behaviour, the positive effect of a reduced DA dosis after DBS might reduce impulse control abnormalities. © In Copyright http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/, publishedVersion

Parkinson´s disease (PD) is a common neurodegenerative disorder of unknown cause. The key feature of PD is the preferential loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta. Recent literature suggests that initial pathologic manifestations could be found in the spinal cord and the olfactory bulb. Although PD is traditionally thought of as a disease of neurons several observations indicate that astrocytes are active contributors to the initiation or progression of PD. To elucidate the PD pathogenesis different mouse lines carrying PD-inducing gene mutations have been generated. One line carries a homozygous deletion of parkin Exon3 and two transgenic lines overexpress human doubly mutated α-synuclein (A30P, A53T). In summary, this work strengthens the hypotheses that the spinal cord could and the olfactory bulb could be early contributors to the disease progression in PD. Furthermore, mitochondrial damage in glial cells could play a key role in the progression of PD.

In the present study the striatal 6-OHDA model of Parkinsons disease was characterized in mice with regard to the time-course of dopaminergic cell loss, dopamine concentrations in the substantia nigra and the striatum, hydroxylation products in substantia nigra and striatum as an indicator of oxidative stress behavioural impairment., In der vorliegenden Arbeit wurde eines der häufigsten Tiermodelle der Parkinson-Forschung - das striatale 6-OHDA-Modell - im Zeitverlauf über 8 Wochen unter Berücksichtigung von dopaminergem Zellverlust, Dopaminkonzentration, Radikalentstehung als Marker für oxidativen Stress sowie Verhaltensbeeinträchtigungen an der Maus charakterisiert.

Das pathologische Hauptmerkmal des Morbus Parkinson (PD) ist der Verlust dopaminerger Neurone in der \(\textit {Substantia nigra pars compacta}\). Diese Degeneration geht mit ultrastrukturellen Veränderungen der Mitochondrien einher. Um die Rolle der Gliazellen in PD zu untersuchen, habe ich primäre Astrozyten von transgenen Mäusen analysiert, die PD-induzierende Genmutationen im \(\it parkin-\) oder \(\it alpha-synuclein\)-Gen tragen. Transgene Astrozyten weisen sowohl ultrastrukturelle als auch funktionelle Defizite der Mitochondrien auf. Desweiteren konnten diese Zellen in indirekten Kokultur-Experimenten die neuronale Differenzierung nicht positiv beeinflussen. Morphometrische Analysen zeigten, dass Neurone, die mit nicht-transgenen Astrozyten kultiviert wurden, längere Fortsätze entwickeln und größere Flächen in der Zellkultur belegen. Diese neurotrophen Effekte fehlten in Kokulturen mit transgenen Astrozyten. Daraus lässt sich schließen, dass Gliazellen eine wichtige Rolle in der Pathogenese des PD spielen. The pathological hallmark of Parkinson`s disease (PD) is the loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta which is accompanied by ultrastructural changes of mitochondria. To investigate the potential role of glial cells in PD I analyzed primary astrocytes derived from transgenic mice carrying PD-inducing gene mutations either in the parkin or alpha-synuclein gene. Transgenic astrocytes displayed ultrastructural and functional changes of mitochondria. Furthermore, transgenic astrocytes failed to influence neuronal differentiation in indirect co-culture experiments. Morphometric analyses showed that neurons co-cultured with non-transgenic astrocytes develop longer processes and larger neuronal areas. These neurotrophic effects were lacking in co-cultures with transgenic astrocytes. Taken together, these results give support to the assumption that glial cells contribute to the early pathogenesis of PD.

Morbus Parkinson (PD) ist eine der häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen, gekennzeichnet durch progressiven Verlust dopaminerger Neurone. Mitochondrien scheinen an der Pathogenese beteiligt zu sein und weisen strukturelle Schäden in Neuronen von Mäusen auf, die mutiertes humanes Synuklein exprimieren und/oder eine Deletion im Parkin Gen tragen. Diese Studie zeigt, dass veränderte Mitochondrien nicht auf Neurone begrenzt sind. Gliazellen haben Regionen- und Zelltyp-abhängige mitochondriale Schäden, die früher und vermehrt auftreten als in Neuronen. Dabei sind sie auf das zentrale Nervensystem beschränkt und die Anzahl ist unabhängig vom Expressionslevel des Transgens. Die Anfälligkeit für ein mitochondriales Toxin wird durch strukturell geschädigte Mitochondrien nicht gesteigert. Gliale Mitochondrien sind anfällig für pathologische Veränderungen induziert durch Synuklein und Parkin Mutationen. Die erhalten Daten unterstreichen die Bedeutung der Gliazellen in der Pathogenese von PD. Parkinson´s disease (PD) is one of the most common neurodegenerative disorders, characterized by a progressive loss of dopaminergic neurons. Mitochondria are assumed to be involved in PD pathogenesis and are structurally altered in neurons of mice expressing human mutated synuclein and/or carrying a deletion in the parkin gene. This study shows that abnormal mitochondria are not restricted to neurons. Glial cells exhibit regional and cell type dependent mitochondrial damage, which occurs earlier and increased compared to neurons. Thereby, it is restricted to the central nervous system and the amount of altered mitochondria is independent of the synuclein transgene expression level. Moreover, in the transgenic mice structural mitochondrial changes do not increase the cellular susceptibility for mitochondrial toxins. Glial mitochondria are prone to pathological changes induced by synuclein and parkin mutations. The obtained data underline the importance of glial cells in PD pathogenesis.

The presynaptic protein α-synuclein is involved in several neurodegenerative diseases, including Parkinson's disease (PD). In rare familial forms of PD, causal mutations (PARK1) as well as multiplications (PARK4) of the α-synuclein gene have been identified. In sporadic, idiopathic PD, abnormal accumulation and deposition of α-synuclein might also cause degeneration of dopaminergic midbrain neurons, the clinically most relevant neuronal population in PD. Thus, cell-specific quantification of α-synuclein expression-levels in dopaminergic neurons from idiopathic PD patients in comparison to controls would provide essential information about contributions of α-synuclein to the etiology of PD. However, a number of previous studies addressing this question at the tissue-level yielded varying results regarding α-synuclein expression. To increase specificity, we developed a cell-specific approach for mRNA quantification that also took into account the important issue of variable RNA integrities of the individual human postmortem brain samples. We demonstrate that PCR –amplicon size can confound quantitative gene-expression analysis, in particular of partly degraded RNA. By combining optimized UV-laser microdissection- and quantitative RT–PCR-techniques with suitable PCR assays, we detected significantly elevated α-synuclein mRNA levels in individual, surviving neuromelanin- and tyrosine hydroxylase-positive substantia nigra dopaminergic neurons from idiopathic PD brains compared to controls. These results strengthen the pathophysiologic role of transcriptional dysregulation of the α-synuclein gene in sporadic PD., publishedVersion