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Cannabinoid receptor CB1 mediates baseline and activity-induced survival of new neurons in adult hippocampal neurogenesis
(2010) Wolf, Susanne A; Bick-Sander, Anika; Fabel, Klaus; Leal-Galicia, Perla; Tauber, Svantje; Ramírez-Rodríguez, Gerardo; Müller, Anke; Melnik, Andre; Waltinger, Tim P; Ullrich, Oliver; Kempermann, Gerd; Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC) Berlin-Buch, Berlin, Germany; gerd.kempermann@crt-dresden.de
Background: Adult neurogenesis is a particular example of brain plasticity that is partially modulated by the endocannabinoid system. Whereas the impact of synthetic cannabinoids on the neuronal progenitor cells has been described, there has been lack of information about the action of plant-derived extracts on neurogenesis. Therefore we here focused on the effects of _9-tetrahydrocannabinol (THC) and Cannabidiol (CBD) fed to female C57Bl/6 and Nestin-GFP-reporter mice on proliferation and maturation of neuronal progenitor cells and spatial learning performance. In addition we used cannabinoid receptor 1 (CB1) deficient mice and treatment with CB1 antagonist AM251 in Nestin-GFP-reporter mice to investigate the role of the CB1 receptor in adult neurogenesis in detail. Results: THC and CBD differed in their effects on spatial learning and adult neurogenesis. CBD did not impair learning but increased adult neurogenesis, whereas THC reduced learning without affecting adult neurogenesis. We found the neurogenic effect of CBD to be dependent on the CB1 receptor, which is expressed over the whole dentate gyrus. Similarly, the neurogenic effect of environmental enrichment and voluntary wheel running depends on the presence of the CB1 receptor. We found that in the absence of CB1 receptors, cell proliferation was increased and neuronal differentiation reduced, which could be related to CB1 receptor mediated signaling in Doublecortin (DCX)-expressing intermediate progenitor cells. Conclusion: CB1 affected the stages of adult neurogenesis that involve intermediate highly proliferative progenitor cells and the survival and maturation of new neurons. The pro-neurogenic effects of CBD might explain some of the positive therapeutic features of CBD-based compounds.
Chronic treatment with melatonin stimulates dendrite maturation and complexity in adult hippocampal neurogenesis of mice
(Aug. 2005- : Oxford : Wiley, 2011) Ramirez-Rodriguez, Gerardo; Ortíz-López, Leonardo; Domínguez-Alonso, Aline; Benítez-King, Gloria A.; Kempermann, Gerd; Laboratory of Neurogenesis, Department of Neuropharmacology, National Institute of Psychiatry. Mexico DF, Mexico; gbernabe@imp.edu.mx
Formación de neuronas nuevas en el hipocampo adulto: neurogénesis
(Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Calz. México-Xochimilco 101, Col. San Lorenzo Huipulco, Tlalpan, México, D.F. Tel. 4160-5000., 2007) Ramírez-Rodríguez, Gerardo; Benítez-King, Gloria; Kempermann, Gerd; Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente. Departamento de Neurofarmacología, Subdirección de Investigaciones Clínicas, México D.F.; Gerardo-Ramírez.Rodriguez@mdc-berlin.de
El hallazgo de la formación de neuronas nuevas revolucionó el concepto de que el cerebro era el único órgano incapaz de regenerarse y, por lo tanto, que era estático. Este concepto implica que el cerebro es un órgano plástico que responde a diversos factores, los cuales pueden influir positiva o negativamente en la formación de neuronas nuevas, las cuales a su vez pueden generar un efecto benéfico para el cerebro. Desde 1966 se encontraron evidencias que apoyaban la formación de neuronas nuevas en el cerebro. Veinte años después, los estudios continuaron para confirmar esos primeros hallazgos. Desde entonces se sabe que existen dos regiones en el cerebro adulto donde se lleva a cabo la formación de neuronas nuevas: el bulbo olfatorio y el hipocampo. Estas neuronas nuevas derivan de las células pluripotenciales residentes en la zona subventricular de los ventrículos laterales y en la zona subgranular del giro dentado, respectivamente. Estas dos regiones del cerebro presentan características importantes que permiten que se lleve a cabo el proceso de formación de neuronas nuevas llamado neurogénesis. La neurogénesis es un proceso complejo que involucra diversas etapas, como la proliferación de las células pluripotenciales, la migración, la diferenciación, la sobrevivencia de las neuronas nuevas, así como la integración de éstas en los circuitos neuronales existentes. Los cambios morfológicos de las células que participan en el proceso de la neurogénesis han permitido identificar diversas características dependiendo de los marcadores proteicos expresados temporalmente. Estos marcadores pueden ser proteínas estructurales como los componentes del citoesqueleto (microtúbulos, microfilamentos y filamentos intermedios), proteínas asociadas a dichos componentes o factores de transcripción. Las células pluripotenciales presentan características de la glía radial, que expresan el marcador conocido como proteína fibrilar acídica de la glía (GFAP, por sus siglas en inglés), así como el marcador para células no diferenciadas que es la nestina. Los diferentes estadios de desarrollo de las células durante el proceso de formación de neuronas nuevas han sido caracterizados en ambas regiones que presentan neurogénesis constitutiva. En la zona subgranular del giro dentado, las células pluripotenciales expresan nestina, la proteína de unión a lípidos del cerebro (BLBP, en inglés) y GFAP. Esta población celular se caracteriza por tener una baja tasa de división celular. Una vez que estas células se dividen, dan lugar a una población que se amplifica rápidamente, de la cual se generan por división simétrica las células progenitoras de tipo 2 y 3. Las células progenitoras tipo 2a y 2b presentan procesos neuríticos cortos paralelos a la zona granular del giro dentado; en cambio, las de tipo 3 presentan procesos largos integrados en la capa granular. Durante esta etapa se inician los eventos de migración y de diferenciación temprana, y las células expresan la proteína asociada a microtúbulos doblecortina, el factor de transcripción “Prox1” y la proteína nuclear neuronal específica “NeuN”. Una vez que las células salen del ciclo celular, se generan las neuronas inmaduras caracterizadas por procesos dendríticos largos que cruzan la capa granular del giro dentado. Estas neuronas inmaduras van a diferenciarse en su totalidad para integrarse en los circuitos neuronales. En este estadio final, las nuevas neuronas expresan marcadores específicos, como la proteína de unión a calcio llamada calbindina, así como propiedades electrofisiológicas similares a las neuronas viejas. La formación de neuronas nuevas está modulada finamente para evitar una alteración de los circuitos neuronales. El nicho es uno de los factores que intervienen en la regulación de la neurogénesis. Está constituido por las células pluripotenciales, los astrocitos y las células endoteliales. Los tres componentes del nicho trabajan en sincronía: 1. para mantener la población de células pluripotenciales; 2. los astrocitos modulan la proliferación de las células pluripotenciales y de las células que amplifican rápidamente, así como la migración de estas células a través de la acción de diversos factores secretados por los astrocitos, y 3. para mantener la población de astrocitos y de células endoteliales. Otros factores involucrados en la formación de neuronas nuevas son los neurotransmisores (GABA, glutamato, serotonina, dopamina), las hormonas (la prolactina y la hormona de crecimiento), los factores de crecimiento (factor de crecimiento de fibroblastos, siglas en inglés: FGF; factor de crecimiento epidermal, siglas en inglés: EGF), las neurotrofinas (factor derivado de cerebro, siglas en inglés: BDNF); neurotrofina 3, siglas en inglés: NT3). Se ha demostrado que hay factores sociales que también pueden modular el proceso de la neurogénesis, como la actividad física, el ambiente enriquecido y la interacción social. Aun cuando la formación de neuronas nuevas es influida positivamente por los factores antes mencionados, este proceso puede ser modulado de forma negativa por factores como el estrés psicológico. Este disminuye la formación de neuronas nuevas, o bien en las enfermedades psiquiátricas tales como la depresión, suceso que es revertido con el uso de fármacos antidepresivos. Recientemente, se describió que la falta de sueño afecta negativamente la formación de neuronas nuevas. Efecto similar surten las drogas de abuso. Además, existe información sobre lo que sucede en las enfermedades neurodegenerativas en relación con la formación de nuevas neuronas. En esta revisión se mencionan los diferentes aspectos del proceso de formación de neuronas nuevas, así como los factores que lo modulan de forma positiva o negativa. Asimismo, revisaremos algunas evidencias en que se ha reportado que la neurogénesis disminuye en la depresión y en las enfermedades neurodegenerativas. Finalmente se hace una breve mención de la posible función de estas nuevas neuronas en el hipocampo y su relación con los procesos de aprendizaje y memoria.
Melatonin Modulates Cell Survival of New Neurons in the Hippocampus of Adult Mice
(Elsevier Science INC, 360 Park Ave South, New York, NY 10010-1710 USA, 2009) Ramírez-Rodríguez, Gerardo; Klempin, Friederike; Babu, Harish; Benítez-King, Gloria; Kempermann, Gerd; Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC) Berlin-Buch, Berlin, Germany; gerd.kempermann@crt-dresden.de
Regulation of adult hippocampal neurogenesis is influenced by circadian rhythm, affected by the manipulation of sleep, and is disturbed in animal models of affective disorders. These observations and the link between dysregulation of the circadian production of melatonin and neuropsychiatric disorders prompted us to investigate the potential role of melatonin in controlling adult hippocampal neurogenesis. In vitro, melatonin increased the number of new neurons derived from adult hippocampal neural precursor cells in vitro by promoting cell survival. This effect was partially dependent on the activation of melatonin receptors as it could be blocked by the application of receptor antagonist luzindole. There was no effect of melatonin on cell proliferation. Similarly, in the dentate gyrus of adult C57BL/6 mice in vivo, exogenous melatonin (8_mg/kg) also increased the survival of neuronal progenitor cells and post-mitotic immature neurons. Melatonin did not affect precursor cell proliferation in vivo and also did not influence neuronal and glial cell maturation. Moreover, melatonin showed antidepressant-like effects in the Porsolt forced swim test. These results indicate that melatonin through its receptor can modulate the survival of newborn neurons in the adult hippocampus, making it the first known exogenously applicable substance with such specificity
Systems genetics analysis of a recombinant inbred mouse cell culture panel reveals Wnt pathway member Lrp6 as a regulator of adult hippocampal precursor cell proliferation
(Oxford University Press, 2016) Kannan, Suresh; Nicola, Zeina; Overall, Rupert W.; Ichwan, Muhammad; Ramírez-Rodríguez, Gerardo; Grzyb, Anna N.; Patone, Giannino; Saar, Kathrin; Hübner, Norbert; Kempermann, Gerd; CRTD-Center for Regenerative Therapies Dresden, Technische Universität Dresden, Dresden, Germany; gerd.kempermann@dzne.de (Gerd Kempermann)
The α Domain of Small Heat Shock Protein b8 (Hspb8) Acts as Survival and Differentiation Factor in Adult Hippocampal Neurogenesis
(2013) Ramírez-Rodríguez, Gerardo; Babu, Harish; Klempin, Friederike; Krylyshkina, Olga; Baekelandt, Veerle; Gijsbers, Rik; Debyser, Zeger; Overall, Rupert; Nicola, Zeina; Fabel, Klaus; Kempermann, Gerd; Instituto Nacional de Psiquiatría Ramón de la Fuente Muñiz, Calz, México-Xochimilco 101, Col. Sn Lorenzo Huipulco 14370, México, D.F., Mexico; gerd.kempermann@crt-dresden.de
Adult hippocampal neurogenesis is to a large degree controlled at the level of cell survival, and a number of potential mediators of this effect have been postulated. Here, we investigated the small heat shock protein Hspb8, which, because of its pleiotropic prosurvival effects in other systems, was considered a particularly promising candidate factor. Hspb8 is, for example, found in plaques of Alzheimer disease but exerts neuroprotective effects. We found that expression of Hspb8 increased during differentiation in vitro and was particularly associated with later stages (48–96 h) of differentiation. Gain-of-function and loss-of-function experiments supported the hypothesis that Hspb8 regulates cell survival of new neurons in vitro. In the dentate gyrus of adult mice in vivo, lentiviral overexpression of Hspb8 doubled the surviving cells and concomitantly promoted differentiation and net neurogenesis without affecting precursor cell proliferation. We also discovered that the truncated form of the crystallin domain of Hspb8 was sufficient to affect cell survival and neuronal differentiation in vitro and in vivo. Precursor cell experiments in vitro revealed that Hspb8 increases the phosphorylation of Akt and suggested that the prosurvival effect can be produced by a cell-autonomous mechanism. Analysis of hippocampal Hspb8 expression in mice of 69 strains of the recombinant inbred set BXD revealed that Hspb8 is a cis-acting gene whose expression was associated with clusters of transcript enriched in genes linked to growth factor signaling and apoptosis. Our results strongly suggest that Hspb8 and its _-crystallin domain might act as pleiotropic prosurvival factor in the adult hippocampus.
Variability of doublecortin-associated dendrite maturation in adult hippocampal neurogenesis is independent of the regulation of precursor cell proliferation
(2006) Plümpe, Tobias; Ehninger, Dan; Steiner, Barbara; Klempin, Friederike; Jessberger, Sebastian; Brandt, Moritz; Römer, Benedikt; Ramírez Rodríguez, Gerardo; Kronenberg, Golo; Kempermann, Gerd; Max Delbrück Center for Molecular Medicine (MDC) Berlin-Buch, Germany; gerd.kempermann@mdc-berlin.de
Background: In the course of adult hippocampal neurogenesis most regulation takes place during the phase of doublecortin (DCX) expression, either as pro-proliferative effect on precursor cells or as survival-promoting effect on postmitotic cells. We here obtained quantitative data about the proliferative population and the dynamics of postmitotic dendrite development during the period of DCX expression. The question was, whether any indication could be obtained that the initiation of dendrite development is timely bound to the exit from the cell cycle. Alternatively, the temporal course of morphological maturation might be subject to additional regulatory events. Results: We found that (1) 20% of the DCX population were precursor cells in cell cycle, whereas more than 70% were postmitotic, (2) the time span until newborn cells had reached the most mature stage associated with DCX expression varied between 3 days and several weeks, (3) positive or negative regulation of precursor cell proliferation did not alter the pattern and dynamics of dendrite development. Dendrite maturation was largely independent of close contacts to astrocytes. Conclusion: These data imply that dendrite maturation of immature neurons is initiated at varying times after cell cycle exit, is variable in duration, and is controlled independently of the regulation of precursor cell proliferation. We conclude that in addition to the major regulatory events in cell proliferation and selective survival, additional micro-regulatory events influence the course of adult hippocampal neurogenesis.