Objective: Brain Computer Interfaces (BCI) provide a muscle independent interaction channel making them particularly valuable for individuals with severe motor impairment. Thus, different BCI systems and applications have been proposed as assistive technology (AT) solutions for such patients. The most prominent system for communication utilizes event-related potentials (ERP) obtained from the electroencephalogram (EEG) to allow for communication on a character-by-character basis. Yet in their current state of technology, daily life use cases of such systems are rare. In addition to the high EEG preparation effort, one of the main reasons is the low information throughput compared to other existing AT solutions. Furthermore, when testing BCI systems in patients, a performance drop is usually observed compared to healthy users. Patients often display a low signal-to-noise ratio of the recorded EEG and detection of brain responses may be aggravated due to internally (e.g. spasm) or externally induced artifacts (e.g. from ventilation devices). Consequently, practical BCI systems need to cope with mani-fold inter-individual differences. Whilst these high demands lead to increasing complexity of the technology, daily life use of BCI systems requires straightforward setup including an easy-to-use graphical user interface that nonprofessionals can handle without expert support. Research questions of this thesis: This dissertation project aimed at bringing forward BCI technology toward a possible integration into end-users' daily life. Four basic research questions were addressed: (1) Can we identify performance predictors so that we can provide users with individual BCI solutions without the need of multiple, demanding testing sessions? (2) Can we provide complex BCI technology in an automated, user-friendly and easy-to-use manner, so that BCIs can be used without expert support at end-users' homes? (3) How can we account for and improve the low information transfer rates as compared to other existing assistive technology solutions? (4) How can we prevent the performance drop often seen when bringing BCI technology that was tested in healthy users to those with severe motor impairment? Results and discussion: (1) Heart rate variability (HRV) as an index of inhibitory control (i.e. the ability to allocate attention resources and inhibit distracting stimuli) was significantly related to ERP-BCI performance and accounted for almost 26% of variance. HRV is easy to assess from short heartbeat recordings and may thus serve as a performance predictor for ERP-BCIs. Due to missing software solutions for appropriate processing of artifacts in heartbeat data (electrocardiogram and inter-beat interval data), our own tool was developed that is available free of charge. To date, more than 100 researchers worldwide have requested the tool. Recently, a new version was developed and released together with a website (www.artiifact.de). (2) Furthermore, a study of this thesis demonstrated that BCI technology can be incorporated into easy-to-use software, including auto-calibration and predictive text entry. Naïve, healthy nonprofessionals were able to control the software without expert support and successfully spelled words using the auto-calibrated BCI. They reported that software handling was straightforward and that they would be able to explain the system to others. However, future research is required to study transfer of the results to patient samples. (3) The commonly used ERP-BCI paradigm was significantly improved. Instead of simply highlighting visually displayed characters as is usually done, pictures of famous faces were used as stimulus material. As a result, specific brain potentials involved in face recognition and face processing were elicited. The event-related EEG thus displayed an increased signal-to-noise ratio, which facilitated the detection of ERPs extremely well. Consequently, BCI performance was significantly increased. (4) The good results of this new face-flashing paradigm achieved with healthy participants transferred well to users with neurodegenerative disease. Using a face paradigm boosted information throughput. Importantly, two users who were highly inefficient with the commonly used paradigm displayed high accuracy when exposed to the face paradigm. The increased signal-to-noise ratio of the recorded EEG thus helped them to overcome their BCI inefficiency. Significance: The presented work at hand (1) successfully identified a physiological predictor of ERP-BCI performance, (2) proved the technology ready to be operated by naïve nonprofessionals without expert support, (3) significantly improved the commonly used spelling paradigm and (4) thereby displayed a way to effectively prevent BCI inefficiency in patients with neurodegenerative disease. Additionally, missing software solutions for appropriate handling of artifacts in heartbeat data encouraged development of our own software tool that is available to the research community free of charge. In sum, this thesis significantly improved current BCI technology and enhanced our understanding of physiological correlates of BCI performance. / Zielsetzung: Gehirn-Computer Schnittstellen (engl. Brain-Computer Interface, BCI) bilden einen muskel-unabhängigen Interaktionskanal, was sie besonders für Menschen mit starken, motorischen Einschränkungen wertvoll macht. Daher wurden verschiedene BCI-Systeme und -Anwendungen als unterstützende Technologien (UT) für diese Patienten vorgeschlagen. Das am häufigsten verwendete System zu Kommunikationszwecken basiert auf ereigniskorrelierten Potentialen (EKP) des Elektroenzephalogramms (EEG) und ermöglicht es Buchstabe für Buchstabe zu kommunizieren. Zum derzeitigen Stand der Technik sind Berichte über alltägliche Verwendung von BCI-Systemen jedoch selten. Zusätzlich zu dem hohen Präparationsaufwand, der mit dem Messen eines EEGs verbunden ist, ist eine der Hauptursachen der verhältnismäßig geringe Informationstransfer im Vergleich zu anderen existierenden UT-Lösungen. Zudem wird häufig beobachtet, dass das BCI-Kontrollvermögen bei Patienten deutlich niedriger ist als bei gesunden Nutzern. Das EEG von Patienten weißt häufig ein niedrigeres Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf und die Erkennung von Hirnantworten kann durch interne (z. B. Spasmus) oder externe Artefakte (z. B. von einem Beatmungsgerät herrührend) zusätzlich erschwert werden. Somit müssen praxisrelevante BCI-Systeme mit einer Vielfalt von interindividuellen Unterschieden klar kommen. Obschon diese hohen Anforderungen zu einer zunehmend komplexeren Technologie führen, erfordert der Alltagsgebrauch von BCI-Systemen einen einfachen Aufbau inklusive leicht zu bedienender, grafischer Benutzeroberfläche, die von Laien, ohne Unterstützung von Experten, bedient werden kann. Forschungsfragestellungen dieser Dissertationsschrift: Das Dissertationsprojekt bezweckte die Weiterentwicklung von BCI-Systemen, um den Weg für eine Integration in das tägliche Leben von Benutzern zu bahnen. Vier grundlegende Forschungsfragestellungen wurden adressiert: (1) Können Prädiktoren des BCI-Kontrollvermögens gefunden werden, sodass Nutzer mit individuell angepassten BCI-Lösungen versorgt werden können, ohne dass mehrfache, anstrengende Testsitzungen notwendig sind? (2) Kann komplexe BCI-Technologie auf automatisierte, nutzerfreundliche und leicht zu bedienende Weise bereitgestellt werden, sodass BCIs, ohne die Unterstützung von Experten, zuhause verwendet werden können? (3) Wie kann man den im Vergleich zu anderen existierenden UT-Lösungen niedrigen Informationstransferraten begegnen und sie erhöhen? (4) Wie kann ein Abfall des Kontrollvermögens verhindert werden, der häufig in Erscheinung tritt, wenn man BCI-Technologie, die an Gesunden getestet wurde, zu Patienten mit starken motorischen Einschränkungen bringt? Ergebnisse und Diskussion: (1) Herzratenvariabilität als Index des inhibitorischen Kontrollvermögens (die Fähigkeit Aufmerksamkeitsressourcen bereitzustellen und ablenkende Reize zu inhibieren) wurde zu EKP-BCI-Kontrollvermögen in einen signifikanten Bezug gesetzt und klärte beinahe 26% der Varianz auf. HRV ist leicht aus kurzen Aufzeichnungen des Herzschlags zu erheben und könnte daher als Prädiktor des EKP-BCI-Kontrollvermögens dienen. Aufgrund fehlender Softwarelösungen für angemessene Artefaktbehandlung in Aufzeichnungen des Herzschlags (Elektrokardiogramm und Interbeat-Intervall Daten) wurde ein eigenes Programm entwickelt, das frei erhältlich ist. Bis heute wurde es von mehr als 100 Wissenschaftlern weltweit angefordert. Unlängst wurde zudem eine neue Version entwickelt, die zusammen mit einer Website veröffentlicht wurde (www.artiifact.de). (2) Des Weiteren zeigte eine Studie dieser Dissertation, dass BCI-Technologie samt Auto-Kalibration und Wortvervollständigung in eine leicht zu bedienende Software integriert werden kann. Ungeschulte, gesunde Probanden waren in der Lage die Software ohne Unterstützung von Experten zu bedienen und buchstabierten mit dem auto-kalibrierten BCI erfolgreich Wörter. Sie gaben an, dass die Bedienung der Software leicht zu tätigen sei und dass sie in der Lage wären, das System anderen zu erklären. Jedoch muss zukünftige Forschung klären, ob sich die Ergebnisse auf Patienten übertragen lassen. (3) Das häufig verwendete EKP-BCI-Paradigma wurde signifikant verbessert. Statt - wie normalerweise getätigt - visuell präsentierte Buchstaben einfach aufleuchten zu lassen, wurden Bilder berühmter Gesichter als Stimulationsmaterial verwendet. Hierdurch wurden spezifische Gehirnpotentiale der Gesichtserkennung und -verarbeitung ausgelöst. Das ereigniskorrelierte EEG wies daher ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis auf, was die Detektion von EKPs stark vereinfachte. Infolgedessen war das BCI-Kontrollvermögen signifikant erhöht. (4) Die guten Ergebnisse dieses neuen Gesichter-Stimulus-Paradigmas, die mit gesunden Probanden erreicht wurden, ließen sich gut auf Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen übertragen. Die Verwendung eines Gesichter-Paradigmas erhöhte den Informationstransfer erheblich. Zwei Nutzer, die sehr ineffizient im Umgang mit dem herkömmlichen BCI-System waren, erreichten zudem ein hohes Kontrollvermögen mit dem Gesichter-Paradigma. Das erhöhte Signal-zu-Rausch-Verhältnis des aufgezeichneten EEGs half ihnen somit ihre BCI Ineffizienz zu überwinden. Signifikanz: Die hier vorgestellte Arbeit (1) identifizierte einen physiologischen Prädiktor des EKP-BCI-Kontrollvermögens, (2) zeigte, dass die Technologie bereit ist für die Verwendung durch ungeschulte Laien ohne Unterstützung von Experten, (3) verbesserte das herkömmliche Kommunikationsparadigma signifikant, und (4) zeigte hierdurch einen Weg auf, die BCI Ineffizienz von Patienten mit neurodegenerativen Erkrankungen effektiv zu verhindern. Die fehlende Softwarelösung zur angemessenen Behandlung von Artefakten in Aufzeichnungen des Herzschlags animierte zudem zur Entwicklung einer eigenen Anwendung, die der Wissenschaftsgemeinschaft kostenfrei zur Verfügung gestellt wird. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass dieses Dissertationsprojekt somit derzeitige BCI-Technologie signifikant verbesserte und unser Verständnis physiologischer Korrelate des BCI-Kontrollvermögens erweiterte.

Zytotoxische CD8+ T-Lymphozyten spielen in vielen inflammatorischen, aber auch primär neurodegenerativen Erkrankungen eine wichtige Rolle. Daher besitzt die Fragestellung inwiefern CD8+ ZTL Neurone direkt schädigen und ggf. welche mechanistischen Aspekte dieser Schädigung zugrunde liegen, eine hohe Relevanz. Um diese Fragestellung eingehender zu beleuchten, wurde mit dem OT-I-System gearbeitet. Dieses gut vorcharakterisierte CD8+ T-Zell-Modell besitzt den Vorteil, dass diese transgenen Zellen nur eine Peptidsequenz des Ovalbumin (OVA) Protein als spezifisches Antigen erkennen. Zunächst wurden in der vorliegenden Arbeit Co-Kultivierungs-Experimente durchgeführt. Hierzu wurden akut isolierte murine Hippokampus-Neurone unter verschiedenen Bedingungen mit OT-I Lymphozyten co-kultiviert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass unter Antigenpräsentation der Neurone signifikant mehr Neurone in die Apoptose/Nekrose geführt werden, als unter Kontroll-Bedingungen, in denen entweder kein Antigen oder ein Antigen, das nicht von OT-I Lymphozyten erkannt wird, präsentiert wird. Nachdem die Antigen-abhängigen zytotoxischen Effekte auf Neurone gezeigt werden konnten, wurde mithilfe elektrophysiologischer Techniken die mechanistischen und funktionellen Konsequenzen des direkten neuronalen/OT-I-vermittelten Zellkontakts untersucht. Bei diesem experimentellen Ansatz wurde durch elektrisches Auslenken eines Neurons nach Kontakt mit einem OT-I Lymphozyt die passiven elektrischen Parameter der Neuronenmembran gemessen. In diesen Messungen konnte gezeigt werden, dass nach unmittelbarem Kontakt eines Neurons mit einem OT-I Lymphozyt der neuronale Membranwiderstand reduziert wird bzw. die Leitfähigkeit der Zellmembran erhöht wird. Diese Änderung der neuronalen Membran-Leitfähigkeit findet in einem Zeitraum von 10 min nach dem Zell-Zell-Kontakt statt. Auch hier konnte gezeigt werden, dass dieser Einfluss von OT-I Lymphozyten auf Neurone strikt Antigen-abhängig ist. Zur Untersuchung des Mechanismus der OT-I T-Lymphozyten auf Neurone wurde das Augenmerk auf verschiedene T-Zell-induzierte Apoptosewegegelegt. Es konnte gezeigt werden, dass durch Blockieren der Fas/FasL-Interaktion mittels eines Antikörpers kein Unterschied, weder in der neuronalen Apoptoserate nach Co-Kultivierung, noch eine Änderung der passiven neuronalen Membran-Leitfähigkeit auftritt. Weiterhin wurde die Rolle der von T-Zellen sezernierten Granula Perforin und Granzym B untersucht. Um den Einfluss dieser Granula aufzuklären, wurden OT-I Lymphozyten verwendet, die entweder defizient für Perforin oder Granzym B waren. In diesem experimentellen Ansatz wurde gezeigt, dass ausschließlich Perforin für die Erniedrigung des passiven neuronalen Membran-Widerstandes verantwortlich ist. Diese Erhöhung der neuronalen Membranleitfähigkeit führte aber nicht direkt zum neuronalen Zelltod. Vielmehr wurde durch die einhergehende Depolarisation des Neurons die elektrische Aktivität der Zelle vermindert, sodass es zu einem sogenannten „electrical silencing“ kommt. Dieser Umstand konnte auch in der Betrachtung der spontanen Netzwerkaktivität von Neuronenkulturen gezeigt werden. Hierfür wurden hoch dichte Neuronenkulturen auf MEA-Chips kultiviert. Mit Hilfe dieser MEA konnten die Summenfeldpotentiale der Neuronenkulturen detektiert werden. Hierbei wurde beobachtet, dass nach Beladung der Neuronen mit dem spezifischen OT-I-Antigen und OT-I Zellen eine Verringerung der spontanen Netzwerkaktivität einhergeht. Auch in diesem Effekt konnte eine Antigen-Spezifität nachgewiesen werden. Da der Prozess der zellulären Apoptose mit einem Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration einhergeht, und Perforin als Ca2+-durchlässiger unselektiver Porenbildner fungiert, wurden zur Überprüfung der Hypothese calcium imaging-Experimente durchgeführt. Analog zu den elektrophysiologischen Messungen wurde gezeigt, dass nach direktem Zell-Zell-Kontakt zwischen Neuron und OT-I Lymphozyt eine Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration zu messen ist. Dass diese Änderung des neuronalen Ca2+-Einstroms durch Perforin-abhängige Membranporen hervorgerufen wird, konnte durch die Verwendung von Perforin-defizienten OT-I Lymphozyten bewiesen werden. Unter Verwendung von Perforin-defizienten OT-I Lymphozyten wurde keine Änderung der neuronalen Ca2+-Konzentration ermittelt. Weiterhin wurde in diesem experimentellen Ansatz gezeigt, dass auch der OT-I-vermittelte neuronale Ca2+-Anstieg strikt Antigen-abhängig ist.Zusammengefasst konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass MHC-I/Antigen-vermittelte CD8+ Lymphozyten-Interaktion mit einem Neuron zu „electrical silencing“ des Neurons führt. Dieser Prozess ist klar Perforin-abhängig, führt jedoch nicht zum unmittelbaren Zelltod des Neurons. / Cytotoxic CD8+ T cells are considered as important effector cells contributing to neuronal damage in inflammatory and primary degenerative disorders in the CNS. Hence, it is highly relevant to know to what extent CD8+ T-lymphocytes can contribute to neuronal damage in these disorders. To challenge this question, we used the murine OT-I system. The advantage of this well-characterized transgenic model is that OT-I CD8+ T-lymphocytes are restricted to one single antigen – one peptide sequence of Ovalbumin (Ova). In a first set of experiments, OT-I lymphocytes were co-cultured with neurons that presented Ova in a MHC-I specific context on their surface. As control, neurons without any antigen or neurons that presented a scrambled peptide form (SIY) were used. These co-culture experiments indicates that neuronal killing by OT-I lymphocytes is a MHC-I and antigen-dependent mechanism. To clarify the underlying mechanism and the functionally consequences in this OT-I/neuron interaction, we performed electrophysiological patch-clamp analysis to measure the influence from one single OT-I T-cell on a single neuron. For this purpose, we established a special protocol to stimulate the neuronal membrane to measure the passive electrical parameters after a direct OT-I contact. These measurements revealed a significant antigen restricted reduction in neuronal membrane resistance. This effect could be detected within 10 min after the direct cell-cell contact. To challenge the underlying cellular mechanisms we analyzed several known apoptosis pathways. In a first set of experiments, we investigated the Fas/FasL interaction. To answer this question, we used a blocking FasL antibody, to interrupt this pathway. These experiments showed no changes in neuronal apoptosis, neither in co-cultivation experiments nor in the electrophysiological situation. As next step we investigate the role of CD8+ lymphocyte derived granula perforin and granzyme B. Therefore we used OT-I T-cells that are either deficient for perforin or granzyme B. Using these experimental conditions, we could show that only perforin is responsible for changing passive electrical parameters. However, these reductions in neuronal membrane resistance did not lead immediately in neuronal cell death, but rather led to a depolarization and therefore to an electrical silencing of the neuron. This electrical silencing was also shown to occur in the spontaneous network activity in a neuronal network. The network activity was measured on a high density neuron network cultivated on a MEA. These MEA measurements revealed a decrease in the total spike activity after loading of OT-I lymphocytes on an antigen presenting neuronal network. Due to the increase of the intracellular Ca2+ level in the process of cell death and the Ca2+ selectivity of perforin membrane pores, we hypothesized that neuronal silencing and neuronal cell death elicited by perforin pores might lead to an intracellular Ca2+ increase. To proof this hypothesis we established a calcium imaging experiment in an OT-I/neuron contact situation. These measurements were done in the same manner as the electrophysiological measurements. Ca2+ imaging indicated increasing Ca2+ levels in neurons after application of perforin releasing OT-I lymphocytes. Furthermore, these experiments revealed a strictly antigen dependence for Ca2+ increase in target cells. In conclusion, we could show that MHC-I/antigen-mediated CD8+ lymphocyte interactions with neurons led to their electrical silencing. This process was perforin dependent. However this process was not causally linked to neuronal cell death.

Regensburg, Univ., Diss., 2008.

München, Techn. Univ., Diss., 2008.

Axon growth, a fundamental process of neuron development, is regulated by both intrinsic and external guidance signals. Impairment of axon growth and maintenance is implicated in the pathogenesis of neurodegenerative disorders such as Amyotrophic Lateral Sclerosis and Alzheimer’s disease (AD). Axon growth is driven by several post-transcriptional RNA processing mechanisms, including alternative splicing, polyadenylation, subcellular localization, and translation. These mechanisms are controlled by RNA-binding proteins (RBPs) through interacting with their target RNAs in a sequence-dependent manner. In this study, we investigate the cytosolic functions of two neuronal RBPs, Ptbp2 and hnRNP R, which are essential for axon growth in motoneurons. Polypyrimidine tract binding protein 2 (Ptbp2) contributes to neuronal differentiation and axonogenesis by modulating different splicing programs to adjust the level of proteins involved in these processes. While the nuclear functions of Ptbp2 in alternative splicing have been studied in more detail, the cytosolic roles of Ptbp2 associated with axon growth have remained elusive. In the first part of the study, we show that Ptbp2 is present in cytosolic fractions of motoneurons including axons and axon terminals. Depletion of Ptbp2 impairs axon growth and growth cone maturation in cultured embryonic mouse motoneurons. Moreover, Ptbp2 knockdown affects the level of piccolo protein in the growth cone of cultured motoneurons. We detect Ptbp2 as a top interactor of the 3' UTR of the Hnrnpr transcript encoding the RBP hnRNP R. This interaction results in axonal localization of and thereby local translation of Hnrnpr mRNA in motoneurons. Consequently, axonal synthesis of hnRNP R was diminished upon depletion of Ptbp2 in motoneurons. We present evidence that Ptbp2 through cooperation with translation factor eIF5A2 controls hnRNP R synthesis. Additionally, we observe that re-expression of hnRNP R in Ptbp2-deficient motoneurons rescued axon growth defect while Ptbp2 overexpression failed to normalize the axon elongation defect observed in hnRNP R-deficient motoneurons. Our findings pinpoint axonal synthesized hnRNP R as a mediator of Ptbp2 functions in axon growth. In the second part of this study, we identify hnRNP R binds to the 3' UTR of microtubule-associated tau (Mapt) transcript encoding tau protein and regulates the axonal translocation and translation of Mapt mRNA. Tau protein has a central role in neuronal microtubule assembly and stability. However, in AD, the accumulation of abnormally hyperphosphorylated tau protein leads to axon outgrowth defects. Loss of hnRNP R reduces axonal tau protein but not the total level of tau. We observe that the brains of 5xFAD mice, as a mouse model of AD, deficient for hnRNP R contain lower phospho-tau and amyloid-β plaques. Likewise, Neurons treated with blocking antisense oligonucleotides (ASO) to prevent binding of hnRNP R to Mapt mRNA show reduced axonal Mapt mRNA and consequently newly synthesized tau protein levels. We show that blocking Mapt mRNA transport to axons impairs axon elongation. Our data thus suggest that reducing tau levels selectively in axons, a major subcellular site of tangle formation, might represent a novel therapeutic approach for the treatment of AD. / Axonwachstum ist ein grundlegender Prozess der Neuronenentwicklung und wird sowohl durch intrinsische als auch externe Leitsignale reguliert. Eine Beeinträchtigung des Axonwachstums und der Aufrechterhaltung von Axonen ist mit der Pathogenese neurodegenerativer Erkrankungen wie der Amyotrophen Lateralsklerose und der AlzheimerKrankheit (AD) verbunden. Mehrere posttranskriptionelle RNA-Verarbeitungsmechanismen, darunter alternatives Spleißen, Polyadenylierung, subzelluläre Lokalisierung und Translation, steuern das Axonwachstum. RNA-bindende Proteine (RBPs) steuern diese Mechanismen, indem sie sequenzabhängig mit ihren Ziel-RNAs interagieren. In dieser Studie untersuchen wir die zytosolischen Funktionen von zwei neuronalen RBPs, Ptbp2 und hnRNP R, die für das Axonwachstum in Motoneuronen essentiell sind. Das Polypyrimidin-Trakt-Bindungsprotein 2 (Ptbp2) trägt zur neuronalen Differenzierung und Axonogenese bei, indem es verschiedene Spleißprogramme moduliert, um die Menge der an diesen Prozessen beteiligten Proteine anzupassen. Während die nukleären Funktionen von Ptbp2 beim alternativen Spleißen detaillierter untersucht wurden, sind die zytosolischen Rollen von Ptbp2 im Zusammenhang mit dem Axonwachstum noch unklar. Im ersten Teil der Studie zeigen wir, dass Ptbp2 in zytosolischen Fraktionen von Motoneuronen einschließlich Axonen und Axonterminals vorhanden ist. Die Reduktion von Ptbp2 beeinträchtigt das Axonwachstum und die Reifung der Wachstumskegel in kultivierten embryonalen Motoneuronen von Mäusen. Darüber hinaus beeinflusst der Ptbp2-Knockdown den Gehalt an Piccolo-Protein im Wachstumskegel kultivierter Motoneuronen. Wir identifizierten Ptbp2 als Top-Interaktor der 3'-UTR des Hnrnpr-Transkripts, welches das RBP hnRNP R kodiert. Diese Interaktion führt zur axonalen Lokalisierung und damit zur lokalen Translation der Hnrnpr-mRNA in Motoneuronen. Folglich wurde die axonale Synthese von hnRNP R durch Depletion von Ptbp2 in Motoneuronen verringert. Wir legen Beweise dafür vor, dass Ptbp2 durch die Zusammenarbeit mit dem Translationsfaktor eIF5A2 die hnRNP R-Synthese steuert. Darüber hinaus beobachten wir, dass die erneute Expression von hnRNP R in Motoneuronen mit Ptbp2-Mangel den Axonwachstumsdefekt rettete, während die Überexpression von Ptbp2 den auch bei Motoneuronen mit hnRNP R-Mangel beobachteten Axonwachstumsdefekt nicht normalisieren konnte. Unsere Ergebnisse zeigen, dass axonal synthetisiertes hnRNP R ein Vermittler der Ptbp2-Funktionen beim Axonwachstum ist. Im zweiten Teil dieser Studie beobachteten wir, dass hnRNP R an die 3'-UTR des Mikrotubuliassoziierten Tau-Transkripts (Mapt) bindet, welches das Protein tau kodiert. Die hnRNP RMapt Interaktion bewirkt die axonale Translokation und Translation der Mapt-mRNA. Tau spielt eine zentrale Rolle beim Aufbau und der Stabilität neuronaler Mikrotubuli. Bei AD führt die Anhäufung von abnormal hyperphosphoryliertem tau-Protein jedoch zu neuronaler Degeneration. Der Verlust von hnRNP R verringert das axonale tau-Protein, jedoch nicht den Gesamtspiegel von tau. Wir beobachten, dass die Gehirne von 5xFAD-Mäusen, einem AD Mausmodell, durch Reduktion von hnRNP R geringere Mengen an Phospho-tau- und Amyloidβ-Plaques aufweisen. Ebenso zeigen Neuronen, die mit blockierenden ntisenseOligonukleotiden (ASO) behandelt wurden, um die Bindung von hnRNP R an Mapt-mRNA zu verhindern, verringerte axonale Mapt-mRNA Mengen und reduzierte Mengen an neu synthetisiertem tau-Protein. Unsere Daten legen daher nahe, dass die selektive Reduzierung des tau-Spiegels in Axonen, einem wichtigen subzellulären Ort der Neurofibrillenbildung, einen neuen therapeutischen Ansatz für die Behandlung der AD darstellen könnte.

Die Basis der vorliegenden kumulativen Arbeit bilden vier wissenschaftliche Publikationen. Im Mittelpunkt steht dabei die Vibrationssensibilität des Menschen. Diese Modalität der Hautwahrnehmung besitzt insbesondere am Fuß eine große Relevanz für jegliche Bewegung und Haltung. Die ersten zwei Publikationen thematisieren Anpassungen der Haut der Fußsohle an physiologische Belastungen bei Gesunden (Publikation 1) und erkrankungsbezogene Prozesse im Zuge eines Diabetes mellitus bzw. einer diabetischen peripheren Neuropathie (Publikation 2) und deren Zusammenhänge mit der Vibrationssensibilität. Da die Vibrationssensibilität im Anwendungsfall Diabetes mellitus zur Diagnose neuronaler Abbauprozesse dient, diskutiert Publikation drei das Potential zusätzlicher, niedriger und hoher Vibrationsfrequenzen zur Frühdiagnose neurodegenerativer Prozesse. Die vierte Publikation beleuchtet schließlich die Wirkung einer nicht spürbaren, elektrischen Rauschstimulation auf die durch Diabetes mellitus herabgesetzte Vibrationssensibilität. Die übergreifende Diskussion im Rahmen dieser Arbeit verbindet genannte Veröffentlichungen und leitet praxisbezogene Schlussfolgerungen ab.:Inhaltsverzeichnis Bibliografische Beschreibung III Abstract IV Inhaltsverzeichnis V Abbildungsverzeichnis VI Tabellenverzeichnis VII Abkürzungsverzeichnis VIII 1. Einleitung 2 1.1 Struktur der Arbeit 9 2. Theorie der Arbeit 11 2.1 Diabetes mellitus 11 2.2 Diabetische periphere Neuropathie 13 2.3 Die unbehaarte Haut 17 2.4 Die kutane Sensibilität 20 2.5 Die Mechanorezeptoren der unbehaarten Haut (LTMR) 21 Merkel-Zellen-Neuriten-Komplex (SA I-LTMR) 21 Ruffini-Körperchen (SA II-LTMR) 22 Meissner-Körperchen (FA I-LTMR) 22 Pacini-Körperchen (FA II-LTMR) 23 2.6 Reizleitung und zentrale Verschaltung der Mechanorezeptoren 24 3. Methodische Hinweise 27 3.1 Das Shaker- Messsystem 27 3.2 Die Erfassung der mechanischen Hauteigenschaften 30 4. Eigene Beiträge 33 4.1 Erste Publikation 33 4.2 Zweite Publikation 37 4.3 Dritte Publikation 41 4.4 Vierte Publikation 46 5. Diskussion 52 5.1 Biomechanische Hauteigenschaften und Vibrationssensibilität 53 5.2 Biomechanische Beiträge zur Früherkennung 63 5.3 Unterschwelliges, elektrisches Rauschen 73 6. Schlussbemerkung 81 Literaturverzeichnis 83 Anhang 104 / This cumulative dissertation is based on four scientific publications. The focus hereby is on vibration sensitivity. This modality of skin perception, especially at the foot, has a great relevance for any movement and posture. The first two publications address adaptations of plantar skin to physiological load in healthy subjects (publication 1) and disease-related processes in the course of diabetes mellitus and diabetic peripheral neuropathy (publication 2) and their correlations with vibration sensitivity. Since vibration sensitivity is used to diagnose neural degeneration processes in diabetes mellitus, publication three discusses the potential of additional low and high vibration frequencies for the early diagnosis of neurodegenerative processes. Finally, the fourth publication highlights the effect of subliminal electrical noise stimulation on vibration sensitivity, which is decreased by diabetes mellitus. The overarching discussion in this work connects the publications mentioned and derives practice-related conclusions.:Inhaltsverzeichnis Bibliografische Beschreibung III Abstract IV Inhaltsverzeichnis V Abbildungsverzeichnis VI Tabellenverzeichnis VII Abkürzungsverzeichnis VIII 1. Einleitung 2 1.1 Struktur der Arbeit 9 2. Theorie der Arbeit 11 2.1 Diabetes mellitus 11 2.2 Diabetische periphere Neuropathie 13 2.3 Die unbehaarte Haut 17 2.4 Die kutane Sensibilität 20 2.5 Die Mechanorezeptoren der unbehaarten Haut (LTMR) 21 Merkel-Zellen-Neuriten-Komplex (SA I-LTMR) 21 Ruffini-Körperchen (SA II-LTMR) 22 Meissner-Körperchen (FA I-LTMR) 22 Pacini-Körperchen (FA II-LTMR) 23 2.6 Reizleitung und zentrale Verschaltung der Mechanorezeptoren 24 3. Methodische Hinweise 27 3.1 Das Shaker- Messsystem 27 3.2 Die Erfassung der mechanischen Hauteigenschaften 30 4. Eigene Beiträge 33 4.1 Erste Publikation 33 4.2 Zweite Publikation 37 4.3 Dritte Publikation 41 4.4 Vierte Publikation 46 5. Diskussion 52 5.1 Biomechanische Hauteigenschaften und Vibrationssensibilität 53 5.2 Biomechanische Beiträge zur Früherkennung 63 5.3 Unterschwelliges, elektrisches Rauschen 73 6. Schlussbemerkung 81 Literaturverzeichnis 83 Anhang 104