Neurogenesis and Spatial Memory The dentate gyrus of the hippocampus is one of two sites in the brain where new neurons are produced throughout life. Adult-born neurons integrate into the dentate gyrus circuitry and are thought to play a role in learning and memory. However, their contribution to hippocampal function remains unclear. Clelland et al. (p. 210 ) disrupted neurogenesis in mice and used two behavioral tasks to test for impairment in the formation of uncorrelated episodic memory representations. In one task, two arms were presented and the mice were rewarded for choosing the most recently visited arm in an earlier sequence; in the second task, animals were rewarded for choosing a certain location on a touch screen. Ablation of neurogenesis affected discrimination performance in both tasks but only when the arms or screen locations were close to one another. Neurogenesis is thus necessary for spatial pattern separation in the dentate gyrus.

The aggregation of proteins into oligomers and amyloid fibrils is characteristic of several neurodegenerative diseases, including Parkinson disease (PD). In PD, the process of aggregation of α-synuclein (α-syn) from monomers, via oligomeric intermediates, into amyloid fibrils is considered the disease-causative toxic mechanism. We developed α-syn mutants that promote oligomer or fibril formation and tested the toxicity of these mutants by using a rat lentivirus system to investigate loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra. The most severe dopaminergic loss in the substantia nigra is observed in animals with the α-syn variants that form oligomers (i.e., E57K and E35K), whereas the α-syn variants that form fibrils very quickly are less toxic. We show that α-syn oligomers are toxic in vivo and that α-syn oligomers might interact with and potentially disrupt membranes.

Plethora of Secretory Amyloids Protein aggregation and the formation of amyloids are associated with several dozen pathological conditions in humans, including Alzheimer's disease, Parkinson's disease, and type II diabetes. In addition, a few functional amyloid systems are known: the prions of fungi, the bacterial protein curli, the protein of chorion of the eggshell of silkworm, and the amyloid protein Pmel-17 involved in mammalian skin pigmentation. Now Maji et al. (p. 328 , published online 18 June) propose that endocrine hormone peptides and proteins are stored in an amyloid-like state in secretory granules. Thus, the amyloid fold may represent a fundamental, ancient, and evolutionarily conserved protein structural motif that is capable of performing a wide variety of functions contributing to normal cell and tissue physiology.

Abstract To study how adult hippocampal neurogenesis might originate from the proliferation of stem or progenitor cells in vivo, we have used transgenic mice expressing green fluorescent protein (GFP) under the nestin promoter to identify these cells. Having described an astrocyte‐like type 1 cell with low proliferative activity, a characteristic morphology, vascular end feet, and passive electrophysiological properties, we focused here on the large population of nestin‐GFP‐expressing type 2 cells, which lack all these features. Type 2 cells were highly proliferative and showed signs suggestive of their involvement in the neuronal lineage. They could be subclassified by the absence (type 2a) or presence (type 2b) of a coexpression of the early neuronal marker doublecortin. A third type of proliferating cells was doublecortin positive but nestin‐GFP negative (type 3). We believe that type 2a, 2b, and 3 cells mirror a marker progression during earliest neuronal development. This view is supported by the increasing coexpression of the early granule cell‐specific marker Prox‐1. The low proliferative activity of type 1 cells showed little change over time or under “neurogenic interventions,” such as a challenge by environmental complexity (ENR) or voluntary physical activity (RUN). However, RUN led to a significant increase of type 2 cells labeled with the proliferation marker bromodeoxyuridine (BrdU). ENR did not cause increased cell proliferation or an increased number of BrdU‐labeled type 2 cells, but both ENR and RUN resulted in more newly generated cells lacking nestin‐GFP immunoreactivity and expressing Prox‐1. These findings allow us to break down what was broadly perceived as “proliferation” in earlier experiments into the relative contribution of several cell types, representing the earliest steps of neuronal development. J. Comp. Neurol. 467:455–463, 2003. © 2003 Wiley‐Liss, Inc.

New granule cells are born throughout life in the dentate gyrus of the hippocampal formation. Given the fundamental role of the hippocampus in processes underlying certain forms of learning and memory, it has been speculated that newborn granule cells contribute to cognition. However, previous strategies aiming to causally link newborn neurons with hippocampal function used ablation strategies that were not exclusive to the hippocampus or that were associated with substantial side effects, such as inflammation. We here used a lentiviral approach to specifically block neurogenesis in the dentate gyrus of adult male rats by inhibiting WNT signaling, which is critically involved in the generation of newborn neurons, using a dominant-negative WNT (dnWNT). We found a level-dependent effect of adult neurogenesis on the long-term retention of spatial memory in the water maze task, as rats with substantially reduced levels of newborn neurons showed less preference for the target zone in probe trials >2 wk after acquisition compared with control rats. Furthermore, animals with strongly reduced levels of neurogenesis were impaired in a hippocampus-dependent object recognition task. Social transmission of food preference, a behavioral test that also depends on hippocampal function, was not affected by knockdown of neurogenesis. Here we identified a role for newborn neurons in distinct aspects of hippocampal function that will set the ground to further elucidate, using experimental and computational strategies, the mechanism by which newborn neurons contribute to behavior.

We here show that the early postmitotic stage of granule cell development during adult hippocampal neurogenesis is characterized by the transient expression of calretinin (CR). CR expression was detected as early as 1 day after labeling dividing cells with bromodeoxyuridine (BrdU), but not before. Staining for Ki-67 confirmed that no CR-expressing cells were in cell cycle. Early after BrdU, CR colocalized with immature neuronal marker doublecortin; and later with persisting neuronal marker NeuN. BrdU/CR-labeled cells were negative for GABA and GABAA1 receptor, but early on expressed granule cell marker Prox-1. After 6 weeks, no new neurons expressed CR, but all contained calbindin. Stimuli inducing adult neurogenesis have limited (enriched environment), strong (voluntary wheel running), and very strong effects on cell proliferation (kainate-induced seizures). In these models the induction of cell proliferation was paralleled by an increase of CR-positive cells, indicating the stimulus-dependent progression from cell division to a postmitotic stage.

Adult neural stem and progenitor cells (NSPCs) show high levels of fatty acid synthase (Fasn)-dependent de novo lipogenesis, a process that is controlled by Spot14 to regulate the rate of proliferation; this indicates a functional coupling between the regulation of lipid metabolism and adult NSPC proliferation. The mechanisms by which the cellular metabolic program controls the proliferative activity of endogenous stem cells, such as the neural stem and progenitor cells (NSPCs) in the mammalian brain, are unknown. Sebastian Jessberger and colleagues now report a connection between de novo lipid biosynthesis and NSPC proliferation in the brain. Specifically, they find that fatty acid synthase is highly active during adult neurogenesis in the hippocampus. The Spot14 gene is highly expressed in proliferating NSPCs, thereby limiting the availability of the fatty acid synthase substrate malonyl-CoA and suppressing lipidogenesis and neural differentiation. Mechanisms controlling the proliferative activity of neural stem and progenitor cells (NSPCs) have a pivotal role to ensure life-long neurogenesis in the mammalian brain1. How metabolic programs are coupled with NSPC activity remains unknown. Here we show that fatty acid synthase (Fasn), the key enzyme of de novo lipogenesis2, is highly active in adult NSPCs and that conditional deletion of Fasn in mouse NSPCs impairs adult neurogenesis. The rate of de novo lipid synthesis and subsequent proliferation of NSPCs is regulated by Spot14, a gene previously implicated in lipid metabolism3,4,5, that we found to be selectively expressed in low proliferating adult NSPCs. Spot14 reduces the availability of malonyl-CoA6, which is an essential substrate for Fasn to fuel lipogenesis. Thus, we identify here a functional coupling between the regulation of lipid metabolism and adult NSPC proliferation.

Neural stem cells (NSCs) in the adult hippocampus divide infrequently, and the molecules that modulate their quiescence are largely unknown. Here, we show that bone morphogenetic protein (BMP) signaling is active in hippocampal NSCs, downstream of BMPR-IA. BMPs reversibly diminish proliferation of cultured NSCs while maintaining their undifferentiated state. In vivo, acute blockade of BMP signaling in the hippocampus by intracerebral infusion of Noggin first recruits quiescent NSCs into the cycle and increases neurogenesis; subsequently, it leads to decreased stem cell division and depletion of precursors and newborn neurons. Consistently, selective ablation of Bmpr1a in hippocampal NSCs, or inactivation of BMP canonical signaling in conditional Smad4 knockout mice, transiently enhances proliferation but later leads to a reduced number of precursors, thereby limiting neuronal birth. BMPs are therefore required to balance NSC quiescence/proliferation and to prevent loss of the stem cell activity that supports continuous neurogenesis in the mature hippocampus.

Abstract 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.