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There are two distinct communication systems in the brain, term wiring and volume transmission (Agnati et al., 2010). Volume transmission refers to a way of communication lacking any wire-like channel connecting the source of signal and its target. This way of signaling is the focus of the current thesis. Portal systems are one aspect of volume transmission in which they provide a pathway for diffusible signaling between bodily fluids (blood and cerebrospinal fluid) and the nervous system. A portal system entails two capillary beds linked by connecting veins. This connection allows signals from one capillary bed to be transported to a target in high concentrations without being diluted in the systemic circulation (Dorland, 2020). For the past decades, the only identified portal system in the brain is pituitary portal system (Popa, 1930; Popa & Fielding, 1933). Here, hypothalamic neurosecretions are released into the fenestrated capillaries of median eminence, a circumventricular organ, and transported to the capillaries of anterior pituitary via portal veins. The median eminence, due to its location on the surface of the ventricle and its contact to the cerebrospinal fluid, is categorized as a circumventricular organ. According to the classification (Oldfield & McKinley, 2015), there are three sensory circumventricular organs in the brain, all are characterized by fenestrated capillaries allowing contact between brain parenchyma and blood. For this reason, the circumventricular organs are known as “windows to the brain” (Gross et al., 1987). Whether other circumventricular organs also form portal systems is unknown. This thesis examines whether sensory circumventricular organs, specifically the organum vascular organ of the lamina terminals, the subfornical organ and the area postrema, bear portal systems. Although there have been prior studies of the vascularity of these CVOs in many species (reviewed in Duvernoy and Risold (2007)), the tissue preparation methods available limited the possibility of tracking small vessels over relatively large volumes in these structures. In the present work, to preserve the blood vessel structure, brain clearing and light sheet microscopy were combined to acquire volumetric images of the regions containing the circumventricular organs. In vivo two-photon microscopy was used to study the blood flow of the sensory circumventricular organs and the adjacent neuropil. The results indicate that organum vasculosum of the lamina terminalis is connected to the brain’s clock located in the suprachiasmatic nucleus by portal vessels. The direction of blood flow is from the suprachiasmatic nucleus to the organum vasculosum of the lamina terminalis, and speed of blood flow is faster during the night compared to the day. Volumetric imaging of the suprachiasmatic nucleus also shows portal veins emerging from the rostral shell region of this nucleus. Also, the subfornical organ connects to the septofimbrial nucleus and the triangular nucleus of the septum via portal veins. The arrangement of the vasculature of the area postrema differs from the other sensory CVOs: the AP and the nucleus of the solitary tract share a common capillary bed directly joining the vasculature of these morphologically distinct nuclei. In summary, there are multiple portal systems connecting the circumventricular organs. These newly discovered portal systems represent new pathways for diffusible signaling, bridging the systemic circulation, cerebrospinal fluid, circumventricular organs and the portal veins connected regions.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Eine Dysregulation der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenachse ist bei affektiven Störungen vielfach beschrieben. Bei einem Teil der Patienten zeigt sich dies durch eine Überaktivität und einen Hypercortisolismus. Es ist davon auszugehen, dass erhöhte Cortisolspiegel Auswirkungen auf die Neuroplastizität haben und mit Volumenveränderungen einhergehen können. In der Literatur ist im Falle von signifikanten Assoziationen eine gesteigerte Aktivität der HPA-Achse mit reduzierten Volumina in verschiedenen Hirnregionen verbunden. Bisher wurde ein Zusammenhang zwischen dem Cortisolspiegel als ein Parameter der HPA-Achsen-Aktivität und dem Hypothalamusvolumen bei Patienten mit affektiven Störungen nicht untersucht. Von einer Beteiligung des Hypothalamus am Pathomechanismus affektiver Störungen ist als Kopf der HPA-Achse und Steuerungsorgan zahlreicher Funktionen, die bei affektiven Störungen beeinträchtigt sind, auszugehen. Bislang ist der Hypothalamus aufgrund seiner schlechten Abgrenzbarkeit wenig untersucht. Die bisher einzige in vivo Studie zeigt eine Volumenvergrößerung des linken Hypothalamus bei depressiven Patienten mit einer uni- und bipolaren Erkrankung. Zuvor durchgeführte Studien deuten auf eine Volumenabnahme hin. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung eines möglichen Zusammenhangs zwischen dem Cortisolspiegel als messbarem Parameter der HPA-Achsen-Aktivität und dem Hypothalamusvolumen bei Patienten mit affektiven Störungen. Hierbei ist eine Kontrolle für das intrakranielle Volumen notwendig. Es wurde eine Morgencortisolbestimmung im Serum und eine neu etablierte Methode der Präzisionsvolumetrie des Hypothalamus auf hochauflösenden, strukturellen 7 Tesla MRT-Aufnahmen bei unmedizierten Patienten mit einer unipolaren affektiven Störung, medizierten Patienten mit einer unipolaren affektiven Störung und Patienten mit einer bipolaren Störung verwendet. Nach Herauspartialisierung des intrakraniellen Volumens zeigte sich keine signifikante Korrelation zwischen dem Hypothalamusvolumen und dem Cortisolspiegel bei Patienten mit affektiven Störungen. Bei der weiteren Prüfung der explorativen Fragestellungen ergeben sich keine Unterschiede des Cortisolspiegels zwischen den einzelnen Untergruppen untereinander und bezüglich der anderen geprüften klinischen Parameter (Erkrankungsdauer, Dauer der aktuellen Krankheitsepisode, Anzahl depressiver Episoden, Erkrankungsschwere), sowie kein Einfluss von Alter, BMI und Geschlecht. Die vorliegende Arbeit ist die erstmalige Untersuchung eines möglichen Zusammenhangs zwischen dem Cortisolspiegel als messbarem Parameter der HPA-Achsen-Aktivität und dem Hypothalamusvolumen bei Patienten mit affektiven Störungen, wobei sich keine signifikante Korrelation zeigt.

Nutrient restriction is a relatively common production insult to pregnancy in cattle. Recently, melatonin supplementation has been investigated as a possible therapeutic to rescue the negative effects of nutrient restriction. Neurotransmitters have been implicated as having negative programming effects in mouse and human pregnancies, manifested as metabolic and neurologic disorders. The role of neurotransmitters in fetal development has only begun to be understood in mice and humans. Neurotransmitters have not been analyzed in cattle, much less within the context of a compromised pregnancy. Brangus heifers were allotted to one of four treatments (ADQ-CON, RES-CON, ADQ-MEL, RES-MEL) in either Fall 2019 or Summer 2020. Cesarian sections, at day 240 of gestation, allowed for fetal and placental tissues to be collected for neurotransmitter and gene expression analysis. Alterations to neurotransmitter pathways were observed in a seasonally dependent manner. Future investigation is needed into the implications of altered neurotransmitters on post-natal life.

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Eine zentrale Rolle in der Pathophysiologie der affektiven Störungen nimmt der Hy-pothalamus durch Dysregulation der Hypothalamus-Hypophysen-Achse ein. Struktu-relle Alterationen in Form von Volumenänderungen waren aufgrund der beschränk-ten technischen Möglichkeiten bisher jedoch nur post-mortem, mit dem Nachteil prä-parationsbedingter Artefakte, nachweisbar. Um die Aussagekraft durch in-vivo-Unter-suchungen zu erhöhen, nutzte man den direkt angrenzenden dritten Ventrikel als In-dikator für mögliche strukturelle Änderungen des Hypothalamus. Diese Studien ba-sierten jedoch auf niedrig aufgelösten CT- und MRT-Aufnahmen und wiesen metho-dische Ungenauigkeiten auf, sodass das Ziel dieses Projektes die Entwicklung eines möglichst präzisen, dreidimensionalen, computergestützten Algorithmus zur volumet-rischen Analyse des dritten Ventrikels, basierend auf hochauflösenden 7-Tesla-MRT-Aufnahmen, war. Mithilfe dieser Methode sollte überprüft werden, ob eine volumetrische Assoziation zwischen Hypothalamus und anterioren Anteil des dritten Ventrikels nachweisbar ist und ob die Diagnose einer affektiven Störung Einfluss auf das Ventrikelvolumen hat. Es gelang mit dieser Studie nachzuweisen, dass über die Vermessung des anterio-ren Anteils des dritten Ventrikels keine Aussage zu volumetrischen Veränderungen des Hypothalamus getroffen werden können. Darüber hinaus konnte eine anteriore Ventrikelerweiterung bei männlichen Probanden mit bipolar affektiver Störung im Ver-gleich zu gesunden Kontrollen und TeilnehmerInnen mit unipolar affektiver Störung festgestellt sowie der Einfluss von Alter, psychotroper Medikation und Geschlecht auf das anteriore Ventrikelvolumen nachgewiesen werden. Eine Korrelation zu Krank-heitsdauer, -beginn, -schwere oder Anzahl der Episoden war nicht objektivierbar. Mit dieser erstmals für hochauflösende 7T-MRT-Aufnahmen entwickelten, semiauto-matischen und reliablen Segmentierungsmethode konnte der bisher vermutete volu-metrische Zusammenhang zwischen dem anterioren Anteil des dritten Ventrikels und dem Hypothalamus bei affektiven Störungen entkräftet, die Bedeutung des dritten Ventrikels bei bipolar affektiven Störungen gefestigt und eine Grundlage für weiter-führende Erforschung der Pathophysiologie und Diagnostik geschaffen werden.:ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ..................................................................................V 1. EINLEITUNG ....................................................................................................... 1 1.1 Unipolar affektive Störung ............................................................................. 1 1.2 Bipolar affektive Störung ............................................................................... 3 1.2.4 Komorbiditäten ........................................................................................ 7 1.2.5 Behandlung ............................................................................................. 8 1.2.6 Prognose................................................................................................. 8 1.3 Ätiologie affektiver Störungen ...................................................................... 10 1.4 Hirnmorphologische Korrelate ..................................................................... 21 1.5 Ventriculus tertius ........................................................................................ 24 1.6 Hypothalamus .............................................................................................. 26 2. HERLEITUNG DER HYPOTHESE .................................................................... 29 2.1 Hypothalamusvolumen und affektive Störungen ......................................... 29 2.2 Volumen des dritten Ventrikels und affektive Störungen ............................. 32 2.3 Ziel und Hypothesen der vorliegenden Arbeit .............................................. 38 3 MATERIAL UND METHODEN .......................................................................... 40 3.1 Stichprobe ................................................................................................... 40 3.2 Bildererfassung und -bearbeitung................................................................ 42 3.3 Hypothalamusvolumetrie ............................................................................. 44 3.4 Volumetrie des dritten Ventrikels ................................................................. 48 3.5 Statistische Analyse .................................................................................... 55 4. ERGEBNISSE ................................................................................................... 57 4.1 Reliabilität .................................................................................................... 58 4.2 Störvariablen ............................................................................................... 58 4.3 Volumetrische Assoziation zwischen Hypothalamus und anteriorem Anteil des dritten Ventrikels............................................................................................. 60 4.4 Subgruppenvergleich ................................................................................... 61 4.5 Korrelation mit klinischen Variablen ............................................................. 65 5. DISKUSSION .................................................................................................... 66 5.1 Diskussion der Methode .............................................................................. 66 5.2 Diskussion der Ergebnisse .......................................................................... 71 5.3 Limitationen ................................................................................................. 95 5.4 Perspektiven für zukünftige Forschungen ................................................... 96 6. ZUSAMMENFASSUNG ..................................................................................... 98 LITERATURVERZEICHNIS .......................................................................................XI TABELLENVERZEICHNIS ................................................................................. XXXIV ABBILDUNGSVERZEICHNIS...........................................................................XXXVIV ERKLÄRUNG ÜBER DIE EIGENSTÄNDIGE ABFASSUNG DER ARBEIT....... XXXVII LEBENSLAUF .................................................................................................. XXXVIII PUBLIKATIONEN ...............................................................................................XXXIX DANKSAGUNG ........................................................................................................ XL

Hypothalamic pro-opiomelanocortin (POMC) neurons are canonically recognized as key anorexigenic neurons in the melanocortin circuit with a role in satiety and energy homeostasis. However, optogenetic stimulation does not decrease feeding behavior during ad-lib fed animals in a physiologically relevant manner. This suggests that there are possible nuances in their activity dynamics such as timing (when a neuron is active in relation to a specific behavior), direction (inhibition or excitation), or specificity (if only certain subgroups of POMC neurons are active). POMC neurons in the hypothalamus are a molecularly diverse population, which suggests that they would display diverse neuronal activity responses during various ingestive behaviors. Currently, single-cell recordings of hypothalamic POMC neurons has never been investigated in behaving animals. Using one-photon microendoscopic calcium imaging, we characterized the neuronal activity dynamics of individual hypothalamic neurons during a broad range of feeding behaviors prior to, during, and after ingestion, during different metabolic states in mice. We show that hypothalamic POMC neurons are highly engaged during food-seeking, consumption of different nutrients, and post-ingestive responses related to circulating molecules relaying metabolic information. Individual hypothalamic POMC neurons show diverging responses in terms of valence, duration, magnitude, and timing to different feeding behaviors that are responsive to intercurrent metabolic status. Our results suggest that hypothalamic POMC neurons may integrate moment-to-moment metabolic status with feeding and food-seeking actions at short- and long-term scales to implement behaviors and autonomic responses to coordinate complex components of energy homeostasis.