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Im Gehirn gemessene Extrazelluläre Feldpotentiale (EFPs) sind ein wichtiges Maß für neuronale Aktivität. In vielen Fällen ist der genaue physiologische Ursprung dieser Potentiale unbekannt oder umstritten. Der auditorische Hirnstamm der Schleiereule bietet eine ausgezeichnete Möglichkeit, die EFPs und ihren Ursprung zu untersuchen. Der Hirnstamm der Eule ist ideal, weil das Feldpotential in ihm sehr stark ist, weil die zugrundeliegende Anatomie wohl-untersucht ist, und weil das Potential sehr einfach durch auditorische Stimulation gesteuert werden kann. In dieser Arbeit präsentiere ich zwei Beispiele, in welchen ich mir die einzigartigen Eigenschaften der Schleiereule zunutze mache, um das EFP zu erforschen. Das erste Beispiel behandelt Axone, und ich zeige, dass neuronale Aktivität in Axonbündeln, welche eine charakteristische Endzone besitzen, ein starkes Dipolmoment erzeugen kann. Im zweiten Beispiel behandele ich Synapsen. Aus den EFPs der Synapsen konnte ich die Merkmale der synaptischen Kurzzeitplastizität extrahieren. Die Methoden und Erkenntnisse die ich entwickelt habe sind auf andere Organismen übertragbar und erweitern das Verständnis vom Einfluss unterschiedlicher anatomischer Strukturen auf das EFP. / Extracellular field potentials (EFPs) recorded in the brain are an important indicator of neural activity for neuroscientists. In many cases, their physiological basis is unknown or debated. The barn owl auditory brainstem provides an excellent opportunity to study these EFPs and their origins. The barn owl auditory brainstem is ideal because the field potentials are very large and very easily controlled by the auditory stimulus, and the underlying anatomy is well known. Here I present two examples of exploiting the unique properties of the EFP in the barn owl auditory brainstem. The first is concerned with axons, where I show that activity in axon bundles with characteristic termination zones generates strong dipole moments. The second example is concerned with synaptic currents, from which I was able to extract a signature of short-term plasticity. The methods and insights I developed are applicable to other organisms as well, and contribute to the general understanding of the roles different anatomical structures can play in the generation of EFPs.

Um zu verstehen, wie das Gehirn von Säugetieren funktioniert, untersuchen wir wie neuronale Aktivität einerseits zu Kognition beträgt und andererseits komplexe Verhaltensweisen ermöglicht. Im Fokus dieser Doktorarbeit stehen dabei zwei Regionen der Großhirnrinde der Ratte: der parahippocampale Cortex und der motorische Cortex. Im ersten Teil haben wir neuronale Schaltkreise im parahippocampalen Cortex und in den oberen Schichten des enthorhinalen Cortex untersucht, während Ratten ihre Umgebung räumlich erkunden. Diese beiden Regionen tragen wesentlich zum Orientierungssinn bei. Dabei haben wir herausgefunden, dass anatomische Identität und Einbindung in den Microschaltkreis einerseits räumliche neuronale Signale, wie zum Beispiel der Aktivität von grid cells, border cells und head-direction cells, bestimmen. Andererseits tragen diese beiden Eigenschaften auch zur temporalen Präzision neuronaler Signale bei, wie zum Beispiel in Form von spike bursts, theta Modulation und phase precession. Im zweiten Teil dieser Doktorarbeit untersuchen wir die Aktivität von Neuronen im Vibrissen Motorcortex während komplexer Bewegungsabläufe der Schnurrhaare, die dem natürlichen Repertoire der Ratte entstammen: eigeninitiierte Bewegungen in freier Luft, Berührung von Artgenossen zur sozialen Interaktion und das Abtasten von Objekten. Dabei haben wir herausgefunden, dass neuronale Aktivität im Motorcortex während der Bewegung der Schnurrhaare unterdrückt ist, dass elektrische Microstimulation zum Rückzug der Schnurrhaare führt und, dass pharmakologische Blockade Bewegung der Schnurrhaare fördert. Um diese überraschende Beobachtung in einen breiteren Kontext zu integrieren, endet dieser Teil mit einer Bewertung der Literatur zu der bewegungsunterdrückenden Wirkung von Motorcortex Aktivität bei Nagetieren, Primaten und Menschen. / In order to understand how the mammalian brain works, we must investigate how neural activity contributes to cognition and generates complex behavioral output. In this thesis I present work, which focuses on two regions of the cerebral cortex of rats: parahippocampal cortex and motor cortex. In the first part of the thesis we investigate neural circuits in the parasubiculum and the superficial medial enthorhinal cortex, two structures that play a key role in spatial cognition. Briefly, we find that the in these regions, anatomical identity and microcircuit embedding is a major determinant of both spatial discharge patterns (such as the discharge patterns of grid cells, border cells and head-direction cells) and temporal coding features (such as spike bursts, theta-modulation and phase precession). In the second part of the thesis we investigate the activity of neurons in vibrissa motor cortex during complex motor behaviors, which play a vital role in rat ecology: self-initiated bouts of exploratory whisking in air, whisking to touch conspecifics during social interactions and whisking to palpate objects. Briefly, we find that neural activity decreases during whisking behaviors, that microstimulation leads to whisker retraction and that pharmacological blockade increases whisker movement. Thus, our observations collectively suggest that a primary role of vibrissa motor cortex activity is to suppress whisking behaviors. The second part of the thesis concludes with a literature review of motor suppressive effects of motor cortical activity across rodents, primates and humans to put this unexpected finding in a broader context.

PB2 ist ein essentieller Bestandteil der trimeren RNA abhängigen RNA Polymerase von Influenzaviren und ist bekannt für seine Schlüsselrolle in der Bestimmung des Viruswirtsspektrums. Diese Arbeit diente der Identifizierung neuer Interaktionspartner von PB2 eines saisonalen und eines hochpathogenen Influenzavirus Stammes im Kontext infizierter humaner alveolar Epithelzellen (A549) unter Einsatz massenspektrometrischer Analysen. Die anschließende Untersuchung ausgewählter zellulärer Interaktoren hatte zum Ziel, deren Einfluss auf den Replikationszyklus der Influenzaviren zu bestimmen, sowie Unterschiede in ihrer Relevanz für das saisonale und das hochpathogene Virus aufzuzeigen. Die Erzeugung und Nutzung von Influenzaviren die einen Strep-tag an ihrem PB2 Protein tragen ermöglichte eine Anreicherung von PB2 und seiner Interaktionspartner. Die anschließende massenspektrometrische Analyse identifizierte 22 potentielle PB2 Interaktionspartner. Eine Auswahl an 13 Proteinen wurde tiefer gehend analysiert und eine Komplexbildung mit PB2 konnte für 9 Proteine bestätigt werden. Darüber hinaus zeigten 11 Proteine einen Polymerase stimulierenden bzw. hemmenden Effekt. Das Polymerase stimulierende Protein HSPA8 wurde zur weiteren Untersuchung ausgewählt. Während ein Einfluss von HSPA8 auf den hochpathogenen Influenzastamm nicht abschließend geklärt werden konnte, wurde seine Bedeutung für den Vermehrungszyklus des saisonalen Stammes aufgezeigt. Die Überexpression von HSPA8 führte zu einer Steigerung der Polymerase-Aktivität, wohingegen die Erniedrigung des HSPA8 Spiegels in einer Verringerung der viralen Replikation und der Polymerase-Aktivität resultierte. Interessanterweise führte die Erniedrigung des HSPA8 Spiegels auch zu stark verminderter PB2-Expression, jedoch nur im Falle des saisonalen Influenzastammes. Dieser Befund deutet auf eine Rolle von HSPA8 als PB2-Chaperon, notwendig für Proteinstabilität von saisonalen aber nicht hochpathogenen Influenzaviren, hin. / PB2 is an essential component of the influenza virus trimeric RNA dependent RNA polymerase and is known to play a key role in virus host range determination. Here, a combined affinity-purification/mass spectrometric approach was performed to identify novel interaction partners of PB2 of seasonal and highly pathogenic viral strains in infected human alveolar epithelial cells (A549). The subsequent analysis of selected cellular interaction partners aimed to determine the influence of these proteins on the replication cycle, as well as to determine differences in their relevance for the seasonal and the highly pathogenic influenza virus strain. Generation and use of recombinant influenza viruses carrying a Strep-tag at their PB2 protein allowed for enrichment of PB2 and its interaction partners. The subsequent mass spectrometric analysis identified 22 potential PB2 interaction partners. A selection of 13 proteins was further analyzed, and co-precipitation with PB2 was confirmed for 9 proteins. Moreover, an inhibitory or stimulatory effect on polymerase activity was observed for 11 proteins. The polymerase stimulating protein HSPA8 was selected for further investigation. While the influence of HSPA8 on the highly pathogenic strain remained unclear, its importance for seasonal influenza virus life cycle was demonstrated. Overexpression of HSPA8 resulted in increased polymerase activity while HSP8 knock down resulted in reduction of viral replication and viral polymerase activity. Intriguingly, the knock down of HSPA8 led to a strong decrease of PB2 protein expression. However, this was only observed for seasonal PB2. These results indicate a role of HSPA8 as a PB2 chaperone, necessary for protein stability of seasonal but not highly pathogenic influenza virus.

In dieser Doktorarbeit behandle ich verschiedene Persönlichkeitsaspekte von jugendlichen Zitronenhaien (Negaprion brevirostris). Ich habe wiederholt Individuen in einem neuartigen Testfeld untersucht. Diese Experimente zeigten, dass jugendliche Zitronenhaie sich konstant verschieden verhalten. Außerdem konnte ich durch eine wiederkehrende Exposition in dem neuartigen Testfeld ein Gewöhnungsverhalten aufzeigen. Gewöhnung war ein Indikator, dass dieser Test es möglich macht, Reaktionen auf Veränderungen zu erforschen. Und endlich zeigte dieses Experiment dass Individuen verschiedene Gewöhnungsraten besitzen. Zweitens testete ich konsistente individuelle Verschiedenheiten in einigen der sozialen Verhaltensweisen über Zeiträume von einigen Tagen bis Perioden von vier Monaten. Während des neuerlichen Tests von Individuen wurde die Zusammensetzung der Gruppen geändert, um sicher zu gehen, dass die Wiederholbarkeit nicht vom gleichen sozialen Umfeld zwischen den wiederholten Versuchen kam. Hier wiederum fand ich, dass jugendliche Zitronenhaie Persönlichkeitsdifferenzen in ihrem sozialen Umfeld besaßen und dies trotz der veränderten Gruppen und einer viermonatigen Periode zwischen den Tests. Drittens testete ich die Präsenz eines Verhaltenssyndroms zwischen der Sozialisierung und der Reaktion auf ein neues Testfeld unter Berücksichtigung einer möglichen Variation dieses Syndroms durch Ontogenese und den Fangplatz. Dazu untersuchte ich noch die Dauerhaftigkeit von individuellen Unterschieden in verschiedenen Altersklassen und von verschiedenen Fangplätzen. Ich fand eine starke negative Korrelation zwischen der Soziabilität und der Reaktion auf Ungewohntes bei den Haien, in einer von zwei getesteten Kinderstuben, aber nur wenn sie älter als ein Jahr waren. Dazu fand ich, dass Haie, die weniger als ein Jahr alt waren, keine langdauernde Verhaltenskonsistenz zum Gegensatz zu älteren Haien zeigten. / In this thesis, I investigated different aspects of personality in juvenile lemon sharks (Negaprion brevirostris). I repeatedly tested individuals in a novel open field test. This experiment showed that juvenile lemon sharks consistently differ in their behavior. In addition, repeated exposures to the novel open field, allowed me to demonstrate the presence of habituation. Habituation was used as an indication that this test can be used to investigate reaction to novelty. Finally, this experiment also revealed that individuals have variable rates of habituation. Second, I tested consistent individual differences in some aspects of their social behavior over a few days up to a four-month period. While retesting individuals, group composition was changed to insure that repeatability was not due to the repetition of the same social environment between tests. Here again, I found that juvenile lemon sharks showed personality differences in their social behavior and this despite group composition changes and a four-month period between tests. Third, I tested the presence of a behavioral syndrome between sociability and reaction to a novel open field while considering potential variation in this syndrome through ontogeny and locations of capture. In addition, I investigated the maintenance of individual differences in different age classes and locations of capture. I found a significant negative correlation between sociability and reaction to novelty in sharks from one of the two nurseries tested but only when they were older than a year. In addition, I found that young of year sharks did not demonstrate long term consistency in their behavior as opposed to older sharks.

Diese Dissertation befasst sich mit dem Einfluss von Resonanz und Synchronisation auf die Präzision und die Zuverlässigkeit von Rezeptorneuronen. Präzision von individuellen Neuronen an der Peripherie eines Nervensystems, beispielsweise in sensorischen Neuronen, ist äusserst wichtig für höhere Stufen der Verarbeitung. Verschiedene Formen von Resonanz können dazu führen, dass sich die Präzision eines Neurons erhöht. Hier wird neuronale Timing-Resonanz untersucht: diese kommt vor, wenn ein Neuron für Signale mit Frequenzen um seine Resonanzfrequenz - seiner Feuerrate - Aktionspotentiale (Spikes) mit höherer Präzision produziert, als für andere Frequenzen. Mit Hilfe von elektrophysiologischen Experimenten an auditorischen Rezeptorneuronen der Heuschrecke Locusta migratoria werden Spike-Antworten gewonnen, welche mit verschiedenen Zuverlässigkeitsmassen auf ihre Präzision untersucht werden. Verschiedene auditorische Stimulus-Typen und Stimulus-Parameter werden verwendet, um Kopplungsverhältnisse zwischen der Stimulusfrequenz und der Spike-Antwort und deren Einfluss auf Spike-Zeiten-Zuverlässigkeit, Phasen-Kopplung und Spike-Jitter zu untersuchen. Dabei werden durch Variation der Stimulusamplitude sogenannte Arnold-Zungen sichtbar. Der deutlichste Effekt ist für Stimulusfrequenzen in der Nähe der mittleren Feuerrate zu sehen, wo die Breite der Arnold-Zunge ansteigt, wenn die Stimulusamplitude erhöht wird und erhöhte Werte für die Zuverlässigkeitsmasse vorhanden sind. / This thesis deals with the effect of resonance and synchronisation on the precision and reliability of receptor neurons. Precision of individual neurons at the periphery of a nervous system, for example sensory neurons, is very important for later stages of processing. Different forms of resonance lead to an increase of precision in a neuron. Here, we examine neuronal timing resonance: a neuron produces action potentials (spikes) with greater precision around its resonance frequency - its firing rate - than at other frequencies. By using electrophysiological experiments on auditory receptor neurons of the locust Locusta migratoria, spike responses are generated whose precision is investigated using different reliability measures. Different types of auditory stimuli and stimulus parameters are used to examine locking of the spike response to the frequency of the stimulus, and the influence this locking has on spike time reliability, phase coupling and spike jitter. By varying the stimulus amplitude, so-called Arnold tongues become visible. The most prominent effect is seen for stimulus frequencies around the average firing rate, where the width of the Arnold tongue and the values of the reliability measures increases for increasing stimulus amplitudes.