In Alzheimer's disease (AD), abnormal accumulations of beta-amyloid are present in the brain and degenerating neurons exhibit cytoskeletal aberrations (neurofibrillary tangles). Roles for beta-amyloid in the neuronal degeneration of AD have been suggested based on recent data obtained in rodent studies demonstrating neurotoxic actions of beta- amyloid. However, the cellular mechanism of action of beta-amyloid is unknown, and there is no direct information concerning the biological activity of beta-amyloid in human neurons. We now report on experiments in human cerebral cortical cell cultures that tested the hypothesis that beta-amyloid can destabilize neuronal calcium regulation and render neurons more vulnerable to environmental stimuli that elevate intracellular calcium levels. Synthetic beta-amyloid peptides (beta APs) corresponding to amino acids 1–38 or 25–35 of the beta-amyloid protein enhanced glutamate neurotoxicity in cortical cultures, while a peptide with a scrambled sequence was without effect. beta APs alone had no effect on neuronal survival during a 4 d exposure period. beta APs enhanced both kainate and NMDA neurotoxicity, indicating that the effect was not specific for a particular subtype of glutamate receptor. The effects of beta APs on excitatory amino acid (EAA)-induced neuronal degeneration were concentration dependent and required prolonged (days) exposures. The beta APs also rendered neurons more vulnerable to calcium ionophore neurotoxicity, indicating that beta APs compromised the ability of the neurons to reduce intracellular calcium levels to normal limits. Direct measurements of intracellular calcium levels demonstrated that beta APs elevated rest levels of calcium and enhanced calcium responses to EAAs and calcium ionophore. The neurotoxicity caused by EAAs and potentiated by beta APs was dependent upon calcium influx since it did not occur in calcium-deficient culture medium. Finally, the beta APs made neurons more vulnerable to neurofibrillary tangle-like antigenic changes induced by EAAs or calcium ionophore (i.e., increased staining with tau and ubiquitin antibodies). Taken together, these data suggest that beta-amyloid destabilizes neuronal calcium homeostasis and thereby renders neurons more vulnerable to environmental insults.

Abstract: Steroid hormones, particularly estrogens and glucocorticoids, may play roles in the pathogenesis of neurodegenerative disorders, but their mechanisms of action are not known. We report that estrogens protect cultured hippocampal neurons against glutamate toxicity, glucose deprivation, FeSO 4 toxicity, and amyloid β‐peptide (Aβ) toxicity. The toxicity of each insult was significantly attenuated in cultures pretreated for 2 h with 100 n M ‐10 µ M 17β‐estradiol, estriol, or progesterone. In contrast, corticosterone exacerbated neuronal injury induced by glutamate, FeSO 4 , and Aβ. Several other steroids, including testosterone, aldosterone, and vitamin D, had no effect on neuronal vulnerability to the different insults. The protective actions of estrogens and progesterone were not blocked by actinomycin D or cycloheximide. Lipid peroxidation induced by FeSO 4 and Aβ was significantly attenuated in neurons and isolated membranes pretreated with estrogens and progesterone, suggesting that these steroids possess antioxidant activities. Estrogens and progesterone also attenuated Aβ‐ and glutamate‐induced elevation of intracellular free Ca 2+ concentrations. We conclude that estrogens, progesterone, and corticosterone can directly affect neuronal vulnerability to excitotoxic, metabolic, and oxidative insults, suggesting roles for these steroids in several different neurodegenerative disorders.

The β-amyloid precursor protein (βAPP) is a membrane-spanning glycoprotein that is the source of the β-amyloid peptide (βAP) which accumulates as senile plaques in the brains of patients with Alzheimer's disease. βAPP is normally processed such that a cleavage occurs within the βAP, liberating secreted forms of βAPP (APPss) from the cell. The neuronal functions of these forms are unknown. We now report that APPss have a potent neuroprotective action in cultured rat hippocampal and septal neurons and in human cortical neurons. APPs695 and APPs751 protected neurons against hypoglycemic damage, and the neuroprotection was abolished by antibodies to a specific region common to both APPs695 and APPs751. APPss caused a rapid and prolonged reduction in [Ca2+]1 and prevented the rise in [Ca2+]i that normally mediated hypoglycemic damage. APPss also protected neurons against glutamate neurotoxicity, effectively raising the excitotoxic threshold. APPss may normally play excitoprotective and neuromodulatory roles. Alternative processing of APPss in Alzheimer's disease may contribute to neuronal degeneration by compromising the normal function of APPss and by promoting the deposition of βAP.

Abstract

 NGF and bFGF have recently been shown to have biological activity in central neurons, but their normal functions and mechanisms of action are unknown. Since central neurons are particularly vulnerable to hypoglycemia that occurs with ischemia or insulin overdose, we tested the hypothesis that growth factors can protect neurons against hypoglycemic damage. NGF and bFGF each prevented glucose deprivation-induced neuronal damage in human cerebral cortical and rat hippocampal cell cultures (EGF was ineffective). Protection was afforded when the growth factors were administered before (NGF and bFGF) or up to 12 hr following (NGF) the onset of hypoglycemia. Direct measurements of intracellular calcium levels and manipulations of calcium influx demonstrated that sustained elevations in intracellular calcium levels mediated the hypoglycemic damage. NGF and bFGF each prevented the hypoglycemia-induced elevations of intracellular calcium. These findings indicate that growth factors can stabilize neuronal calcium homeostasis in central neurons and thereby protect them against environmental insults.

Abstract We are increasingly aware of the effects of ethnoracial stress on health, with emerging interest in the potential for intergenerational transmission before birth. Here, we investigate the effect of maternal prenatal discrimination and acculturation experiences on fetal growth, birth outcomes, and functional connectivity in the infant brain. In pregnant adolescent women, we collected self-report measures of acculturation (tailored to an adolescent and Latinx population), discrimination, and maternal distress (i.e., stress and depressive symptoms; n=165). Fetal growth were obtained via electronic health records (n=92), and infant amygdala seed connectivity was assessed using functional magnetic resonance imaging (n=38). We found that greater maternal prenatal assimilation to the host culture was associated with slower fetal growth, lower gestational age at birth, and weaker amygdala-fusiform connectivity. Maternal prenatal discrimination was associated with weaker amygdala-prefrontal connectivity. Together, these results suggest intergenerational effects of ethnoracial stressors on the growth and neural development of future generations.

Few human studies have assessed the association of prenatal maternal immune activation (MIA) with measures of brain development and psychiatric risk in newborn offspring. Our goal was to identify the effects of MIA during the 2nd and 3rd trimesters of pregnancy on newborn measures of brain metabolite concentrations, tissue microstructure, and motor development. This was a prospective longitudinal cohort study conducted with nulliparous pregnant women who were aged 14 to 19 years and recruited in their 2nd trimester, as well as their children who were followed through 14 months of age. MIA was indexed by maternal interleukin-6 (IL-6) and C-reactive protein (CRP) in both trimesters of pregnancy. Primary outcomes included: (1) newborn brain metabolite concentrations as ratios to creatine (N-acetylaspartate (NAA)/creatine (Cr) and choline (Cho)/Cr) measured using Magnetic Resonance Spectroscopy; (2) newborn fractional anisotropy and mean diffusivity, measured using Diffusion Tensor Imaging; and (3) indices of motor development, assessed prenatally and postnatally at ages 4- and 14-months. Maternal IL-6 and CRP levels associated significantly with both metabolites in the putamen, thalamus, insula, and the internal capsule. Maternal IL-6 associated significantly with fractional anisotropy in the putamen, caudate, thalamus, insula, and precuneus, and with mean diffusivity in the inferior parietal and middle temporal gyrus. CRP associated significantly with fractional anisotropy in the thalamus, insula, and putamen. Significant associations were found in common regions across imaging modalities, though the direction of associations differed by immune marker. In addition, both maternal IL-6 and CRP (in both trimesters) prenatally associated significantly with offspring motor development at 4- and 14-months of age. The left thalamus mediated effects of IL-6 on postnatal motor development. These findings demonstrate that levels of MIA in mid- to late pregnancy in a generally healthy sample associate with tissue characteristics in newborn brain regions that primarily support motor integration and coordination, as well as behavioral regulation. Those brain effects may contribute to differences in motor development.