Introdução. O transplante de células é possibilidade terapêutica promissora para muitas doenças neurológicas. Nos últimos anos, a possibilidade do isolamento de células-tronco dos tecidos adultos, por exemplo da medula-óssea, atrai a atenção da comunidade científica, estratégia que minimiza os problemas éticos relativos ao uso de tecido fetal para implantes visando ao tratamento de doenças neurológicas. Entretanto, a eficiência da transdiferenciação de células-tronco mesenquimais em neurônios, bem como os mecanismos envolvidos nesse processo, permanecem desconhecidos. A obtenção de neurônios maduros ocorreu somente em sistemas de co-cultura, o que induz a questão se a diferenciação representa um potencial das células per si, ou se é possível somente devido à fusão com neurônios maduros. Objetivos. No presente trabalho, pretendeu-se verificar o potencial de as células-tronco mesenquimais tornarem-se neurônios e esclarecer os possíveis mecanismos envolvidos nesse processo. Material e métodos. Células-tronco mesenquimais foram isoladas de 20 doadores voluntários normais e caracterizadas por análise de separação celular ativada por fluorescência. A multipotencialidade foi investigada ao se diferenciar as células em condrócitos e osteócitos. A capacidade de auto-renovação foi confirmada pelo ensaio de incorporação de BrdU. Ulteriormente, as células foram diferenciadas por uma semana em meio contendo AMPc, IBMX, ou combinação de ambos, e os resultados foram comparados com o cultivo em meio básico. Diferentes bloqueadores de Ca2+ ou inibidores de PKA foram usados como tentativa de se impedir a diferenciação, ocorrência que foi mensurada com imunocitoquímica para NF-200 (marcador de neurônios maduros). O registro eletrofisiológico por meio de patch clamp foi usado para se confirmar o fenótipo neuronal. As figuras foram configuradas em microscopia confocal. Para análise estatística foi utilizada ANOVA com teste post-hoc. Resultados. As células isoladas expressaram CD90, 105, 44 e 13 mas foram negativas para CD34 e 45. Isto significa que não são de origem hematopoiética; 98,74 ± 0,43% das células incorporaram BrdU em 24 horas. Após o isolamento, foi possível diferenciá-las em condrócitos ou osteócitos. Em situação controle, não foram evidenciadas células positivas para NF200. Por outro lado, ocorreu positividade em 10,75% ± 1,35 (p<0,0001) das células sob IBMX e, em 15,18% ± 1,12, sob a combinação cAMP e IBMX (p<0,0001). Foram registradas correntes de Na+ e K+ dependentes de voltagem, mas não potenciais de ação. A diferenciação foi inibida com PKAi (5,73% ± 0,42, p<0,0001), nifedipina (5,79% ± 0,98, p<0,0001), Ni2+ (7,06% ± 1,68, p<0,0001) e Cd2+ (0 ± 0, p<0,0001). Discussão. Isolou-se uma população de células-tronco estromais da medula-óssea de seres humanos que se mostrou multipotencial e auto-renovável. O aumento da concentração de AMPc no meio elevou a concentração de neurônios para 15%. A diferenciação parece depender da via PKA mas também envolve a concentração intracelular de Ca2+. Conclusão. O correto entendimento de como as células-tronco mesenquimais diferenciam-se pode contribuir para aumentar a eficácia do método e, talvez um dia, tornar possível o uso dessa ferramenta no campo clínico. / Introduction. Cell transplantation has been considered a promising therapeutic approach for many neurological diseases. The possibility of isolation of stem cells from adult tissues, i.e. bone marrow, has attracted the attention of the scientific community in the recent years. This strategy is interesting on avoiding the ethical issues regarding the use of fetal tissue for neural implants. Moreover, the efficiency of the transdifferentiation of mesenchymal stem cells (MSCs) into neurons, and the mechanisms involved in this process remain largely unknown. The obtention of mature neurons was described only in coculture systems, what raised the question if the differentiation is a potential of the cells itself, or if it is possible only due to fusion with mature neurons. Objectives. In the present investigation, we aimed to verify the potential of MSCs to differentiate into neurons, and also to clarify the possible mechanisms involved on it. Material and methods. MSCs were isolated from 20 healthy human subjects and characterized by FACS-analysis. Multipotentiality was addressed by differentiating them into chondrocytes and osteocytes. The self-renewal capacity was confirmed with BrdU-incorporation assay. Afterwards, cells were differentiated for 1 week in a medium containing cAMP, IBMX, or a combination of both, and the results were compared with cells treated in basal-medium condition. Different Ca2+-blockers and PKA-inhibitor peptide were used on an attempt to impair differentiation, which was quantified with NF-200 immunostaining (a marker of mature neurons). Patch-clamp recording was used to confirm neuronal phenotype. Pictures were taken in confocal microscope. For statistical analysis ANOVA with a post-hoc test was used. Results. The isolated cells expressed CD90, 105, 44, and 13, but were negative for CD34 and 45, meaning that they were non-hematopoiethic; 98.74 ± 0.43 % of them incorporated BrdU in 6hs. After isolation, they differentiated into chondrocytes and osteocytes. In a control situation, no NF200 positive cell was seen. On the other hand, 10.75% ± 1.35 (p<.0001) of positivity was seen under IBMX and 15.18% ± 1.12 in the combination of cAMP with IBMX (p<.0001). Na+ and K+-voltage gated currents were recorded. Differentiation was impaired with PKAi (5.73% ± 0.42, p<.0001), nifedipin (5.79% ± 0.98, p<.0001), Ni2+ (7.06% ± 1.68, p<.0001), and Cd2+ (0 ± 0, p<.0001). Discussion. We were able to isolate a population of stromal stem cells from the bone marrow of human subjects, since they were multipotential and self-renewable. Increasing the concentration of cAMP raised the percentage of neurons up to 15%. The differentiation seems to be dependent on the PKA pathway, but also involved the intracellular concentration of Ca2+. Conclusions. The complete understanding of how MSC differentiate can contribute to increase the efficiency of the method and thus make possible to use this powerful tool in the clinical practice.

Les hélicases à ARN de la famille DEAH/RHA sont impliquées dans la plupart des processus essentiels à la vie tels que l'épissage, la biogenèse des ribosomes, la réplication, la transcription ou encore la détection d’ARN viraux. Ces enzymes sont capables de catalyser la dissociation de duplexes d'ARN, la réorganisation de structures secondaires ou de remodeler des complexes ARN-protéines. L'hélicase DEAH/RHA Prp43 présente la particularité d'être bifonctionnelle. Prp43 est impliquée dans l'épissage des Pré-ARNm, où elle assure le recyclage du spliceosome et du lasso, mais aussi dans la biogenèse des ribosomes où elle est impliquée dans la maturation des deux sous-unités. Prp43 est activée et régulée par cinq partenaires protéiques : Ntr1, Gno1, Pfa1, RBM5 et GPATCH2. Ces partenaires protéiques présentent tous un domaine G-patch et sont capables de stimuler les activités hélicase et ATPase de Prp43. La structure cristallographique de Prp43 en complexe avec l'ADP a été résolue au laboratoire. Cette structure a mis en évidence un mode de fixation du nucléotide inédit chez les autres hélicases, notamment au niveau de la base qui s'empile entre la phénylalanine 357 (F357) du domaine RecA2 et l'arginine 159 (R159) du domaine RecA1. Les déterminants de l'activation de Prp43 par les protéines à domaine G-patch demeurent méconnus. Dans ce travail, nous avons cherché à déterminer quel était le rôle de l’empilement de la base dans l’activation de Prp43. Nous présentons ici plusieurs structures cristallographiques de Prp43 en complexe avec tous les nucléotides diphosphates(NDP) et les désoxynucléotides triphosphates (dNDP). Ces structures ont permis de conclure qu'il y avait des différences dans l’empilement de la base selon le (d)NDP considéré. Des dosages d'activité NTPase de Prp43 avec et sans son partenaire protéique Pfa1 montrent que lorsque la base ne s'empile pas avec la F357 et la R159, l'activité de l'enzyme n'est pas correctement régulée par son partenaire protéique. Les dosages d’activité enzymatique sur les mutants ponctuels F357A et R159A révèlent que le résidu F357 permet de moduler l’activité de Prp43. Tous ces résultats nous ont permis de mettre en évidence un modèle de la régulation de Prp43 par les protéines à domaines G-patch et d'expliquer l'importance du mode de fixation de la base à l'enzyme dans cette régulation. / RNA helicases from the DEAH/RHA family are involved in most of essential processes of life such as pre-mRNA splicing, ribosome biogenesis, replication, transcription or viral RNA sensing. These enzymes are able to catalyze RNA unwinding, secondary structures reorganization or RNA-protein complexes remodeling. The DEAH/RHA helicase Prp43 is remarkable because it is bifunctional, as it is involved both in pre-mRNA splicing, where it is responsible of spliceosome and lariat recycling and in the biogenesis of the two ribosomal subunits. Prp43 is activated by five protein partners: Ntr1, Gno1, Pfa1, RBM5 and GPATCH2. These protein partners all possess a G-patch domain and are able to stimulate helicase and ATPase activity of Prp43. The structure of Prp43 in complex with ADP has been solved by X-ray crystallography. The structure reveals that the nucleotide is bound to the enzyme in a novel mode that has never been observed in other known helicase structures. The specific feature of this binding mode is the base, stacked between phenylalanine (F357) from RecA2 domain and an arginine (R159) from RecA1 domain. Features of the activation of Prp43 by G-patch proteins are unclear. In this work, we investigated the role of base stacking in the activation of Prp43. We present several structures of Prp43 bound to all the nucleotide diphosphates (NDP) and deoxynucleotide diphosphates (dNTP). These results indicate that there are differences in stacking according to the (d)NDP bound to the enzyme. NTPase activity assays revealed that when stacking is weakened, Prp43 activity cannot be properly regulated by its protein partner Pfa1. Moreover, point mutations F357A and R159A show that stacking of F357 permits to modulate Prp43 activity. All these results allow us to propose a model of NTPase activity activation of Prp43 by G-patch proteins and to highlight the importance of base stacking in this regulation.

Les ganglions de la base (GB) forment un réseau de structures sous-corticales impliquées dans la motricité volontaire, mais aussi dans des aspects plus cognitifs et motivationnels du comportement moteur. La dopamine est un neuromodulateur essentiel au bon fonctionnement de ce réseau. La synapse cortico-sous-thalamique (cortico-NST) est une synapse glutamatergique (excitatrice) transmettant les informations corticales au noyau sous-thalamique (NST), ce qui forme la première partie d’une des trois voies des GB : la voie hyperdirecte. La voie cortico-NST est impliquée dans des tâches de type « go-no-go » (arrêt d’un acte moteur débuté) et dans les effets bénéfiques de la stimulation cérébrale profonde du NST sur les symptômes de la maladie de Parkinson. Cependant, les propriétés des synapses cortico-NST ne sont pas connues. Ce manque d’informations provient, en partie, de l’anatomie particulière de cette voie, qui rend l’étude in vitro de la synapse cortico-NST difficile. L’utilisation de l’optogénétique nous a permis de contourner ce problème. En associant cette technique à l’électrophysiologie sur tranches de cerveaux de rongeur, nous avons mis en évidence un effet inhibiteur des récepteurs dopaminergiques D5 sur la transmission cortico-NST. Nous montrons également que les propriétés de plasticité à court terme de cette synapse lui permettent de réduire l’influence des messages corticaux à haute fréquence sur le NST. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montrent que l’optogénétique est un bon moyen d’étudier la synapse cortico-NST in vitro et contribuent à améliorer la compréhension des propriétés de la cette synapse. / Basal ganglia (BG) are a group of subcortical nuclei involved in action selection and in cognitive and motivational aspects of motor behavior. Dopamine is essential for proper functioning of BG. The cortico-subthalamic (cortico-STN) synapse is a glutamatergic (excitatory) synapse involved in signal transmission from cortex to subthalamic nucleus (STN). The cortico-STN synapse is the first synapse in the hyperdirect pathway, one of the three pathways of BG. Even if the cortico-STN pathway is involved in “go-no-go” tasks (stopping of an already started motor act) and in the beneficial effects of the high frequency stimulation of the STN on Parkinsonian symptoms, properties of the cortico-STN synapse are not well described. The lack of data is due, at least in part, to the specific anatomy of the cortico-STN pathway which does not allow the use of standard methods in vitro. The use of optogenetics allowed us to circumvent this issue. By coupling this approach with electrophysiology on brain slices in rodents, we show that dopaminergic D5 receptors stimulation reduces glutamatergic transmission at cortico-STN synapses. We also show that short-term plasticity properties of this synapse reduce the influence of high frequency cortical inputs on the STN. Our findings indicate that optogenetics enables studying the cortico-STN synapse in vitro and contributes to improving our knowledge of the properties of the synapse.

Die vorliegende Dissertation verfolgt das Ziel, die von Nervenzellen maximal erreichte Signalrate zu bestimmen. Außerdem werden die bislang weitgehend unbekannten Anpassungen einer Synapse an die Anforderungen hochfrequenter Signalübertragung untersucht. Die maximale Übertragungsrate spielt im zentralen Nervensystem eine wichtige Rolle für die Codierung und Verarbeitung von Informationen. Neben den Grundlagen der synaptischen Übertragung und der neuronalen Informationscodierung werden in der Einleitung die anatomischen Gegebenheiten der Kleinhirnrinde und der Moosfaser-Körnerzell-Synapse vorgestellt. Präsynaptische patch-clamp-Messungen von Moosfaserboutons und die erstmals durchgeführten Messungen von präsynaptischen Boutons und postsynaptischen Körnerzellen („Paarableitungen“) werden erläutert. Mit Hilfe dieser Methoden wird gezeigt, dass die Kommunikation zwischen Nervenzellen mit Raten von bis zu einem Kilohertz stattfinden kann. Hierbei ist die präsynaptische Freisetzung von Botenstoffen schneller und effizienter als bisher bekannt. Ein einzigartiges Repertoire präsynaptischer Mechanismen wird charakterisiert und bildet die Grundlage der nachgewiesenen, hochfrequenten Informationsübertragung.:Abbildungsverzeichnis .......................................................................................... III Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................ IV 1 Bibliographische Zusammenfassung .......................................................... 1 2 Einführung ..................................................................................................... 2 2.1 Der cerebelläre Cortex und die Moosfaser-Körnerzell-Synapse ............... 2 2.2 Grundlagen der synaptischen Übertragung .............................................. 5 2.3 Informationscodierung im Nervensystem .................................................. 6 2.4 Etablierung von Ableitungen an der Moosfaser-Körnerzell- Synapse .................................................................................................... 9 2.5 Quellen der Einführung ........................................................................... 13 3 Ziele der Arbeit ............................................................................................ 16 4 Publikationsmanuskript .............................................................................. 16 5 Zusammenfassung ...................................................................................... 29 6 Anlagen ........................................................................................................ 34 6.1 Supplemental Material ............................................................................ 34 6.2 Erklärung über den wissenschaftlichen Beitrag des Promovenden zur Publikation ............................................................................................... 54 6.3 Selbstständigkeitserklärung .................................................................... 55 6.4 Lebenslauf ............................................................................................... 56 6.5 Publikationen ........................................................................................... 58 6.6 Danksagung ............................................................................................ 59

Kardiovaskuläre Erkrankungen in Deutschland führen die Todesursachenstatistik an (19,1 % 2013) und verursachen die höchsten Krankheitskosten (14,5 % 2008) (Statistisches Bundesamt, 2015a,b). Im Rahmen von ischämischen Ereignissen am Herzen kann es zu Rhythmusstörungen kommen. In der Therapie dieser Störungen werden traditionell klassische Antiarrhythmika mit Wirkort Ionenkanal eingesetzt, welche jedoch stets ein proarrhythmisches Potenzial aufweisen. Im Fokus der Forschung der letzten Jahre stehen deswegen Peptide wie AAP10 (Antiarrhythmisches Peptid 10), welche direkt an den Gap Junctions ansetzen. In Radioligandenbindungsstudien konnte gezeigt werden, dass Desipramin AAP10 von seinem Rezeptor verdrängen kann. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Desipramin auf die Gap Junction-Leitfähigkeit in adulten humanen atrialen Kardiomyozyten bestimmt (Jozwiak 2012). Die Bestimmung der Leitfähigkeit erfolgte durch die Technik des Double-Cell-Voltage-Clamp. Es konnte gezeigt werden, dass Desipramin die elektrische Kopplung in humanen Kardiomyozyten, welche vorab durch CO2-induzierte Azidose partiell entkoppelt wurden, erhöht. Weiterhin wurde in der Mapping-Analyse mit dem Langendorff-System gezeigt, dass Desipramin in ischämischen Gebieten am ganzen Kaninchenherzen eine Reduktion der Homogenität und eine Steigerung der Dispersion verhindern kann. In anschließend hergestellten Western Blots aus Gewebeproben derselben Kaninchenherzen ließ sich eine verminderte Dephosphorylierung von Connexin 43 in ischämischen Gebieten unter Desipramin nachweisen. Ebenso vermag Desipramin eine Lateralisierung des Connexin 43 entlang der Zellmembran zu verhindern. Die Ergebnisse zeigen, dass Desipramin die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Herzrhythmusstörungen unter ischämischen Bedingungen signifikant verringern und damit möglicherweise zur Senkung der Morbidität und Mortalität von Herzkreislauferkrankungen beitragen kann.

No description available.

La locomotion spontanée a une forte influence sur l’état du réseau hippocampique et joue un rôle crucial lors de l’intégration de l'information spatiale. Différents états d'attention ou de comportement au cours de l'éveil peuvent modifier la réponse des neurones aux stimuli sensoriels ainsi que les performances dans les tâches associées. Au cours du mouvement (mov.) le potentiel de champ local de l’hippocampe est caractérisé par des oscillations de fréquence thêta et les cellules pyramidales (CPs) présentent une décharge spécifique à la localisation de l'animal dans un environnement donné. Cependant, les déterminants intracellulaires liés à l'activation des cellules pyramidales de CA1 pendant du mov. sont peu connus. Dans ce travail de thèse, nous avons enregistré le potentiel de membrane (Vm) des CPs de CA1 chez des souris qui alternaient spontanément entre des périodes de mov. et des périodes d’immobilité lors d’une tâche de navigation spatiale virtuelle. Nous avons trouvé une modulation opposée du Vm entre les CPs de CA1 qui déchargeaient de manière régulière par rapport à celles qui déchargeaient en bouffées de potentiels d’action. Les cellules qui déchargeaient de manière régulière étaient plus dépolarisées et déchargeaient plus pendant le mov.comparé à l’immobilité. Les cellules déchargeant en bouffées de potentiels d’action, préférentiellement inhibées pendant les sharp wave-ripples, étaient hyperpolarisées de façon dépendante à la vitesse pendant le mov.. Cette inhibition dépendante de la vitesse pourrait permettre d’augmenter le rapport signal sur bruit afin de coder l’information spatiale de manière plus efficace pendant le mov.. / Spontaneous locomotion strongly influences the state of the hippocampal network and is critically important for spatial information coding. In neocortex, different attentional or behavioral states during arousal can modify neurons responses to sensorial stimuli and associated task performance. During locomotion, the local field potential of the hippocampus is characterized by theta frequency oscillations (5-12 Hz) and the pyramidal neurons present a specific discharge to the localization of the animal in environments. However, the intracellular determinants of CA1 pyramidal cells activation during locomotion are poorly understood. Here we recorded the membrane potential of CA1 pyramidal cells (PCs) while non-overtrained mice spontaneously alternated between periods of movement and immobility during a virtual spatial navigation task. We found opposite membrane polarization between bursting and regular firing CA1 PCs during movement. Regular firing CA1 PCs were more depolarized and fired at higher frequency during movement compared to immobility while bursting CA1 PCs, preferentially inhibited during sharp wave ripples, were hyperpolarized during movement in a speed dependent manner. This speed-dependent suppression of a subpopulation of CA1 PCs could enhance signal to noise ratio for efficient spatial coding during locomotion.

Mikrobielle Rhodopsine sind lichtsensitive Proteine, die von Mikroorganismen exprimiert werden um Licht wahrzunehmen oder dessen Energie zu nutzen. Ionen-transportierende mikrobielle Rhodopsine begründeten das Feld der Optogenetik. Hier erlauben sie transmembrane Ionenflüsse lichtsensitiv zu machen und neuronale Aktivität mit Licht zu steuern. Eine zielführende Nutzung beruht auf ihrer molekularen Charakterisierung, um sie dem Experiment anzupassen und es sinnvoll zu entwerfen. Teil I der Arbeit beschäftigt sich mit dem rotverschobenen Kanalrhodopsin ReaChR. Obwohl es mit breitem, nicht gaussförmigen Aktionsspektrum mit maximalen Strömen um 600 nm publiziert wurde, zeigte das Blitzlichtspektrum hier maximale Aktivität bei 535 nm ohne Besonderheiten. Mit steigender Intensität und längeren Pulsen verbreiterte sich das Spektrum; sehr ähnlich zum publizierten Spektrum. Dieses einzigartige Verhalten wird durch sekundäre Photochemie erklärt, welche zu einem komplexen Photozyklus mit lichtinduzierten Übergangen führt. Mutationen an Schlüsselpositionen wurden genutzt, um ReaChR über die publizierten Daten hinaus zu charakterisieren und neue Eigenschaften zu generieren. In Teil II wurde die auswärtsgerichtete Natriumpumpe KR2 elektrophysiologisch charakterisiert, was zuvor von schlechter Membranständigkeit in Säugetierzellen verhindert wurde. Ein verbessertes KR2 mit höherer Membranständigkeit und 60-fach größeren Photoströmen erlaubte Selektivitätsmessungen, welche zeigten, dass der Strom von Natriumionen getragen wird, wohingegen nichts auf Protonentransport hindeutete. Bei ausreichender Substratkonzentration war der Strom anders als bei Chlorid- oder Protonenpumpen von der Membranspannung unabhängig. Die Expression in Mausneuronen ermöglichte die reversible Unterdrückung von Aktionspotentialen mit Licht, wobei der Ausstrom von Kationen einen komplementären Weg zur neuronale Aktivitätsunterdrückung bietet, wenn etablierte Werkzeuge schlecht oder nicht funktionieren. / Microbial rhodopsins are photosensitive proteins utilized by fungi, algae, and prokaryotes to sense light or harness its' energy. Ion transporting microbial rhodopsins initiated the field of optogenetics, where they are applied to render transmembrane ion fluxes light sensitive and control neuronal activity with light. Part I of the thesis focused on the electrophysiological characterization of the red-shifted channelrhodopsin ReaChR. Although published with a broad, non-Gaussian shaped action spectrum peaking around 600 nm, the flash action spectra of ReaChR recorded here had a maximum at 535 nm without peculiarities. Increasing intensities and prolonging illumination broadened the spectrum, which finally peaked around 600 nm. This unique behavior stems from pronounced secondary photochemistry leading to a complex photocycle with various light-induced transitions especially under constant illumination. Mutations at key positions like the central gate, DC-pair or counter ions were employed to characterize the properties of ReaChR beyond published data and engineer new features. In part II an electrophysiological characterization of the outward Na+ pump KR2 was pursued, which was hindered by poor membrane targeting in mammalian cells before. Engineering of eKR2 improved membrane targeting and lead to 60-fold larger photocurrents than in the wild type. Selectivity measurements revealed that the stationary photocurrent is primarily carried by sodium with no evidence for proton transport. At sufficient substrate concentration stationary photocurrents were independent of the membrane voltage distinguishing eKR2 from proton and chloride pumps. Finally, eKR2 reliably and reversibly inhibited action potential firing already at 0.5 mW/mm2 green illumination in cultured hippocampal mouse neurons. Inhibiting action potential firing through cation extrusion poses a complementary way of neuronal silencing in contexts where established tools are unfavorable or even impossible to use.

Les plissements du cortex caractérisent de manière unique chaque être humain. Ils apparaissent pendant le dernier trimestre de grossesse, c’est-à-dire pendant la mise en place de l’architecture cérébrale. Les motifs de ces plis sont impactés par les spécificités de cette architecture propres à chaque individu. Ils pourraient donc dévoiler les signatures de certaines anomalies du développement à l’origine de pathologies psychiatriques. Le laboratoire d’analyse d’images de Neurospin développe depuis 25 ans un programme de recherche visant à mettre en évidence de telles signatures grâce à la conception d’outils de vision par ordinateur dédiés qu’il diffuse à la communauté (http://brainvisa.info).Cette thèse a permis l’émergence d’une nouvelle génération d’outils basés sur des techniques d’apprentissage automatique. Le premier outil proposé classifie automatiquement des motifs locaux de plissements du cortex, un problème qui n’avait jamais été abordé jusqu’ici. Le second outil vise l’étiquetage automatique des sillons corticaux en modélisant des mécanismes de reconnaissance « top-down » nécessaires pour pallier les faiblesses des démarches « bottom-up » développées jusqu’à présent. Ainsi, en plus d'avoir des taux de reconnaissances plus élevés et un temps d’exécution plus court, le nouveau modèle proposé est robuste aux erreurs de sous-segmentation, ce qui est l'une des plus grandes faiblesses de l'ancien système. Pour réaliser ces deux outils, plusieurs algorithmes d'apprentissage automatique ont été implémentés et comparés. Ces algorithmes s'inspirent d'une part des méthodes multi-atlas, en particulier de l'approche par patch, qui sont largement utilisées pour la segmentation anatomique d'images médicales et d'autre part des méthodes d'apprentissage profond qui révolutionnent aujourd'hui le monde de la vision par ordinateur. Les travaux de cette thèse confirment l'incroyable efficacité des techniques d'apprentissage profond pour s'adapter à des problèmes complexes. Cependant, les performances obtenues avec ces techniques sont généralement équivalentes à celles des approches par patch, voire moins bonnes si la base de données d'apprentissage est restreinte. Ce qui fait de l'apprentissage profond un outil particulièrement intéressant en pratique n'est autre que sa rapidité d'exécution, d'autant plus pour l'analyse des bases de données colossales aujourd'hui disponibles. / We are seven billion humans with unique cortical folding patterns. The cortical folding process occurs during the last trimester of pregnancy, during the emergence of cortical architecture. The folding patterns are impacted by architectural features specific to each individual. Hence, they could reveal signatures of abnormal developments that can lead to psychiatric syndroms. For the last 25 years, the image analysis lab of Neurospin has been designing dedicated computer vision tools to tackle the research of such signatures. The resulting tools are distributed to the community (http://brainvisa.info).This thesis has resulted in the emergence of a new generation of tools based on machine learning techniques. The first proposed tool automatically classifies local patterns of cortical folds, a problem that had never been addressed before. The second tool aims at the automatic labeling of cortical sulci by modeling the top-down recognition mechanisms necessary to overcome weaknesses of the current bottom-up systems. Thus, in addition to having higher recognition rates and shorter execution time, the proposed new model is robust to sub-segmentation errors, which is one of the greatest weaknesses of the old system. To realize these two tools, several machine learning algorithms were implemented and compared. These algorithms are inspired on the one hand by multi-atlas methods, in particular the patch approach, which are widely used for the anatomical segmentation of medical images and on the other hand by the deep learning methods that are revolutionizing the world of computer vision. The work of this thesis confirms the incredible effectiveness of deep learning techniques to adapt well to complex problems. However, the performances obtained with these techniques are generally equivalent to those of patch approaches, or even worse if the training database is limited. What makes deep learning a particularly interesting tool in practice is its fast execution, especially for the analysis of the huge databases now available.

Ziel dieser Arbeit war die elektrophysiologische Charakterisierung des vor kurzem erstmals von NIESLER et al. (2003) klonierten humanen 5-HT3A+E-Rezeptors. Da dieser Rezeptor-Subtyp ausschließlich im Gastrointestinaltrakt exprimiert wird, ist ein Einfluss auf Nausea und Emesis sehr wahrscheinlich. Es stellt sich demnach die Frage, ob funktionelle Unterschiede zum homomeren 5-HT3A-Rezeptor und zum heteromeren 5-HT3A+B-Rezeptor bestehen, und ob auf molekularer Ebene unterschiedliche Wirkungen emetogener bzw. antiemetischer Pharmaka festzustellen sind. Um die Wirkmechanismen und die Interaktionen eines Pharmakons mit den 5-HT3-Rezeptor-Subtypen beurteilen zu können, erfordert dies genaue Kenntnisse über das biophysikalische Verhalten und die pharmakologische Sensitivität der 5-HT3-Rezeptor-Untereinheiten. Die Experimente erfolgten in-vitro an heterolog in HEK293-Zellen exprimierten Rezeptoren, wobei alleinig die 5-HT3A-Untereinheit in der Lage ist, funktionelle homopentamere Rezeptoren auszubilden. Die 5-HT3E- und 5-HT3B-Untereinheiten können nur zusammen mit der 5-HT3A-Untereinheit an die Zelloberfläche exprimiert werden und funktionelle heteropentamere Rezeptoren bilden. Im Verlauf der Untersuchungen hat sich herausgestellt, dass bei der Transfektion die 5-HT3E- und die 5-HT3B-Untereinheiten im Verhältnis zur 5-HT3A-Untereinheit signifikant schwächer exprimiert werden. Mittels der experimentellen Methode der Patch-Clamp Technik im „excised-patch“ („outside-out“)- und im Ganzzell-Modus war es möglich, die biophysikalischen und pharmakologischen Eigenschaften des heteromeren 5-HT3A+E-Rezeptors im Vergleich mit dem homomeren 5-HT3A-Rezeptor und dem heteromeren 5-HT3A+B-Rezeptor zu analysieren. Bei den Experimenten zur Grundcharakterisierung des humanen 5-HT3A+E-Rezeptor-Subtyps zeigte die Agonisten-Konzentrations-Wirkungskurve mit einem Hill-Koeffizienten von 1,0 einen deutlichen flacheren Verlauf als die Kurve des 5-HT3A-Rezeptor-Subtyps, die einen Hill-Koeffizienten von 1,5 aufwies. Dies spricht für eine geringe Agonisten-Bindungskooperativität des 5-HT3A+E-Rezeptors. Kein Unterschied zeigte sich allerdings in der Affinität zu 5-HT, da die EC50-Werte von beiden Rezeptor-Subtypen im Bereich von ca. 7 µM lagen. Aus dem biphasischen Verlauf der Kurve konnte der Rückschluss gezogen werden, dass bei der Transfektion des heteromeren 5-HT3A+E-Rezeptors der homomere 5-HT3A-Rezeptor parallel exprimiert wird. Dasselbe Verhalten wurde auch schon für den heteromeren 5-HT3A+B-Rezeptor beschrieben (WALSTAB et al. 2008). Bei der Charakterisierung eines heteromeren Rezeptor-Subtyps ergibt sich dadurch die Schwierigkeit, dessen Eigenschaften nicht eindeutig von denen des homomeren Rezeptors unterscheiden zu können. Des Weiteren konnte im Vergleich zum homomeren 5-HT3A-Rezeptor eine schnellere Desensibilisierungszeitkonstante des heteromeren 5-HT3A+E-Rezeptors nachgewiesen werden. Insgesamt deuten die beschriebenen Ergebnisse auf eine erhöhte Sensitivität des Rezeptors für Serotonin hin. Da der 5-HT3A+E-Rezeptor ausschließlich im Gastrointestinaltrakt exprimiert wird, könnte dies ein Hinweis auf eine Beteiligung dieses Rezeptors bei der Vermittlung von Emesis sein. Bei der pharmakologischen Charakterisierung wurden der partielle 5-HT3-Rezeptoragonist Tryptamin, der volle 5-HT3-Rezeptorantagonisten Tropisetron sowie die partiellen 5-HT3-Rezeptorantagonisten Metoclopramid, Tubocurarin, Mirtazapin und der Cannabinoid-Rezeptoragonist Anandamid, welcher eine emetogene Wirkung aufweist, untersucht. Auffällig war ein deutlich flacherer Verlauf der Konzentrations-Wirkungskurve von Metoclopramid (5-HT3A+E-Rezeptor: Hill-Koeffizient = -0,8; 5-HT3A-Rezeptor: Hill-Koeffizient = -1,2) und von Mirtazapin (5-HT3A+E-Rezeptor: Hill-Koeffizient = -0,9; 5-HT3A-Rezeptor: Hill-Koeffizient = -1,3) am heteromeren 5-HT3A+E-Rezeptor. Des Weiteren konnte für Mirtazapin am 5-HT3A+E-Rezeptor ein IC50-Wert von 8,4 nM im Vergleich zu 25,4 nM am 5-HT3A-Rezeptor festgestellt werden. Diese deutlich höhere Potenz von Mirtazapin am untersuchten heteromeren Rezeptor-Subtyp sowie die geringere Bindungskooperativität von Mirtazapin und Metoclopramid am 5-HT3A+E-Rezeptor, stellen einen interessanten Ansatz für eine effektive Pharmakotherapie gastrointestinaler Erkrankungen dar. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen erstmalig auf molekularer Ebene, die elektrophysiologischen Eigenschaften der humanen 5-HT3A+E-Rezeptoren sowie deren Beeinflussung durch emetogenen und antiemetische Pharmaka. Aufgrund der schwachen Expression der 5-HT3E-Untereinheit gilt es in Zukunft durch einen alternativen Weg der Transfektion, die Effizienz der Ausbeute von 5-HT3A+E-Rezeptoren zu erhöhen. / The aim of this doctor thesis was the electrophysiological characterization of the human 5-HT3A+E receptor which was recently cloned for the first time by NIESLER et al. (2003). Since the expression of this receptor subtype takes place exclusively in gastrointestinal tract, an influence on nausea and emesis is very likely. The question is if functional differences exist between homomeric 5-HT3A receptors and heteromeric 5-HT3A+B receptors, and whether different effects from emetic and antiemetic drugs can be detected at the molecular level. To assess the mechanisms and the interactions of a drug with the 5-HT3 receptor subtypes, knowledge of the biophysical characteristics and the pharmacological sensitivity of the 5-HT3 receptor subunit is required. The experiments were developed in-vitro on heterologous expressed receptors in HEK293-cells, whereat only the 5-HT3A subunit is able to form functional homopentameric receptors. The 5-HT3E and the 5-HT3B subunit can only be expressed on the cell surface and build functional heteropentameric receptors in combination with the 5-HT3A subunit. In the course of the investigations it became obvious that during transfection the 5-HT3E subunit and the 5-HT3B subunit are significantly lesser expressed than the 5-HT3A subunit. Using the patch-clamp technique in the excised-patch (outside-out) and whole-cell configuration it was possible to analyse the pharmacological and biophysical properties of the heteromeric 5-HT3A+E receptor compared with the homomeric 5-HT3A-receptor and the heteromeric 5-HT3A+B receptor. During the characterisation of the human 5-HT3A+E receptor subtype, the agonist concentration-response curve with the hillslope of 1,0 showed a significant flatter course than the graph of the 5-HT3A receptor subtype with a hillslope of 1,5. This indicates a diminished agonist binding-cooperativeness of the 5-HT3A+E receptor. No difference could be detected in the affinity to 5-HT, since the EC50 values of both receptor-subtypes were at the range of 7 µM. The biphasic course of the graph showed that by transfection of the heteromeric 5-HT3A+E receptor the homomeric 5-HT3A-receptor is expressed parallel. The same properties were described also for the 5-HT3A+B receptor (WALSTAB et al. 2008). Therefore it is difficult to distinguish the properties of a homomeric receptor by characterisation of a heteromeric receptor subtype. Furthermore, a faster desensitization of the heteromeric 5-HT3A+E-receptor could be demonstrated in comparison to homomeric 5-HT3A-receptor. Overall, the results described above indicate an increased sensitivity to the receptor for serotonin. As the 5-HT3A+E receptor is expressed exclusively in the gastro-intestinal tract, this could be an indication of involvement of this receptor in the mediation of emesis. During the pharmacological characterisation the partial 5-HT3 receptor agonist tryptamine, the full 5-HT3 receptor antagonist tropisetron as well as the partial 5-HT3 receptor antagonists metoclopramide, tubocurarin, mirtazapin and the cannabinoid receptor agonist anandamide, which has an emetic effect, were examined. The agonist concentration-response curve of metoclopramide (5-HT3A+E receptor: hillslope = -0,8; 5-HT3A receptor: hillslope = -1,2) and of mirtazapin (5-HT3A+E receptor: hillslope = -0,9; 5-HT3A receptor: hillslope = -1,3) showed a significant flatter course at the 5-HT3A+E receptor. Mirtazapin has an IC50 value of 8,4 nM at the 5-HT3A+E receptor in comparison to 25,4 nM at the 5-HT3A receptor. This significant higher potency of mirtazapin at the heteromeric 5-HT3 receptor subtype and the decreased binding-cooperativeness of mirtazapin and meteclopramide at the 5-HT3A+E receptor represent interesting approaches for an effective pharmacotherapy for gastrointestinal diseases. For the first time the results of this thesis showed the electrophysiological properties of the human 5-HT3A+E receptors and their interference by emetic and antiemetic drugs on the molecular level. Due to the decreased expression of 5-HT3E subunit, the goal for the future is to find an alternative way of transfection which increases the rate of yield for the 5-HT3A+E receptors.