La neteja del moc i dels patògens dels pulmons, i el transport de gàmets i embrions en els òrgans reproductius de les femelles són funcions clau en els epitelis ciliats, tals com aquells que es troben presents en les vies respiratòries i l'oviducte. La taxa de transport mucociliar és funció de la freqüència de batut ciliar (CBF) i aquesta freqüència és augmentada per increments en la concentració de Ca2+ intracelul·lar. El canal catiònic "transient potential vanilloid 4" (TRPV4) intervé en l'entrada de Ca2+ en resposta a estímuls mecànics i osmòtics. L'expressió del TRPV4 en l'epiteli ciliat de les vies respiratòries i de l'oviducte és confirmada mitjançant la localització per immunofluorescència del canal iònic a la membrana apical de l'epiteli ciliat i polaritzat, allà on la senyalització de Ca2+ és requerida per la regulació de la CBF. Cèl·lules ciliades de la tràquea de ratolins TRPV4-/- no expressen el canal TRPV4, no responen a l'activador específic del TRPV4, el 4α-phorbol 12,13-didecanoate (4α-PDD) i presenten respostes de Ca2+ reduïdes a temperatures mitjanes (~25ºC- 8ºC), un altre estímul dels canals TRPV4. L'activació dels canals TRPV4 per solucions altament viscoses i per hypotonicitat depèn de l'activació de la via de la fosfolipasa A2(PLA2)i la subseqüent producció de àcid epoxieicosatrienoic (EET). En condicions de baixa activació de la PLA2, estímuls mecànics i hipotònics alliberen ATP per a l'activació de la via de la fosfolipasa C (PLC)-inositol trifosfat (IP3) per contribuir a l'activació dels canals TRPV4. Descrivim que el metabòlit IP3 sense ser un agonista per ell mateix, sensibilitza el TRPV4 per a l'activació de EET, essent aquest un mecanisme general. L'acoblament funcional entre els canals TRPV4 de la membrana plasmàtica i els receptors de IP3 (IP3R) és necessari tant per iniciar com mantenir la senyalització oscil·latòria del Ca2+ desencadenada per estímuls viscosos i hipotònics. Un dels principals activadors de la CBF, la adenosina-5'-trifosfat (ATP), desencadena una resposta cel·lular mediada per Ca2+ en la que es desencadena tant l'alliberament de Ca2+ des dels dipòsits intracel·lulars com l'entrada de Ca2+. És destacable la contribució de el TRPV4 en l'augment de la CBF mediada per ATP. És més, el nostre treball implica als canals TRPV4 exclusivament en l'entrada de Ca2+ activada per receptor (ROCE). Tot plegat, aquesta tesi doctoral mostra el paper dels canals TRPV4 en l'acoblament d'estímuls fisiològics tipus mecànic, osmòtic i químic a la regulació de la CBF en l'epiteli ciliat destinat al transport mucociliar. / Clearance of mucus and pathogenic agents from lungs and the transport of gametes and embryos in the female reproductive organs are key functions of ciliated epithelia such as those present in the airways and the oviduct. The rate of mucociliary transport is a function of ciliary beat frequency (CBF) and this, in turn, is increased by increases in intracellular calcium. Transient potential vanilloid 4 (TRPV4)cation channel mediates Ca2+ influx in response to mechanical and osmotic stimuli. TRPV4 expression in ciliated epithelia from airways and oviduct is confirmed by immunofluorescence localization of the channel at the apical membrane of the polarized ciliated epithelia, where the Ca2+ signalling is required for CBF regulation. Ciliated tracheal cells from TRPV4-/-mice show no TRPV4 expression, neither increases in intracellular Ca2+ and CBF in response to the TRPV4-specific activator 4α- phorbol 12,13- idecanoate (4α-PDD), and reduced responses to mild temperatures (~25ºC - 38ºC), another TRPV4-activating stimulus. TRPV4 gating by high viscous loads and hypotonicity depends on phospholipase A2 (PLA2) pathway activation and subsequent production of epoxyeicosatrienoic acid (EET). Under conditions of low PLA2 activation, mechanical and hypotonic stimuli use extracellular ATP release-mediated activation of phospholipase C (PLC)-inositol triphosphate(IP3)signalling to support TRPV4 gating. We describe that IP3, without being an agonist itself, sensitizes TRPV4 to EET activation. Besides, the functional coupling between plasma membrane TRPV4 channels and IP3 receptors (IP3R) is required to initiate and maintain the cellular oscillatory Ca2+ signal triggered by high viscous loads and hypotonic stimuli. One of the main CBF activators, adenosine-5'-triphosphate (ATP), triggers both Ca2+ release from intracellular Ca2+ stores and Ca2+ entry. Interestingly, TRPV4 contributes to ATP-induced increase in CBF. Furthermore, our work implicates TRPV4 channel exclusively in receptor-operated Ca2+ entry. Collectively, this PhD thesis shows the role of TRPV4 channels coupling physiologically relevant mechanical, hypotonic and chemical stimuli to CBF regulation in motile ciliary epithelia.

Der derzeitige technische Fortschritt stützt sich maßgeblich auf die Nutzung von elektrischem Strom. Der Anteil der Stromerzeugung aus Sonnenlicht hat mittlerweile in Deutschland den der Wasserkraft überschritten, der 1990 noch der größte regenerative Energielieferant war. Die Technologie der Photovoltaik (PV) wandelt die hochenergetische Strahlung der Sonne in elektrischen Strom um und nutzt dabei häufig Glasplatten als tragende Struktur. Der Hauptanspruch dieser Arbeit liegt in der Entwicklung und Untersuchung eines Befestigungssystems mit einer höher- oder hochmoduligen Klebverbindung zum gläsernen PV-Modul sowie einer möglichst universell einsetzbaren Fügeverbindung zur Unterkonstrukion. Die systematische Enwicklung der Fügeverbindung zum PV-Modul basiert auf dem Ansatz eines flexiblen, stützenden \\hbox{Ringes} für das Fügeelement (Halter), um die durch eine mechanische Belastung der Module induzierten Zugspannungen im Glas über der Fügeelementkante zu reduzieren. Eine neuartige, kombinierte Klammer-Keil-Verbindung sichert die Befestigung auf einer von ihr unabhängigen Unterkonstruktion sowohl quer als auch längs zur Schienenrichtung. Experimentelle Arbeiten charakterisieren die eingesetzte Klebverbindung unter verschiedenen Beanspruchungsszenarien, um sowohl konstruktions- als auch klebstoffbedingte Möglichkeiten und Grenzen der Fügeverbindung für die vorliegende Anwendung zu identifizieren. Die Untersuchungen weisen zudem geeignete Vorbehandlungsmaßnahmen der Aluminiumoberflächen aus. Sowohl numerische Simulationen als auch die neuartig eingesetzte Nahbereichsphotogrammetrie bestätigen in Bauteiluntersuchungen die vorteilige Wirkung des flexiblen, höhermodulig geklebten Ringes. Die vorliegende Arbeit setzt sich hierbei auch kritisch mit unterschiedlichen Einflüssen auf die Ergebnisse auseinander, die einerseits durch verschiedene Prüfstände hervorgerufen werden können und andererseits auch den verwendeten Methoden zugrunde liegen. / Today much of technical advances are due to the usage of electricity. The contribution of solar power to the production of electricity in Germany currently surpasses water powered electricity which was in 1990 the almost exclusive renewable energy source. The technology of photovoltaic systems based on high-powered sun radiation, often utilizes glass plates as a supporting structure. This dissertation primarily focuses on the research and development of a mounting system with a higher or high modulus adhesively bonded joint to the PV-module as well as an all-purpose connection to the substructure. The systematical development process of the connection to the PV-module is based on the approach of a flexible supporting ring-shaped mounting element. This reduces the tension within the glass surface at the edge of the mounting element when mechanically loading the PV-module. A novel connection using a clamp-wedge combination ensures the ability to mount the PV-module horizontally or vertically to the rail substructure. Through the development process, the bonded joint is exposed to various scenarios where the construction as well as the adhesive possibilities and limitations under each scenario are analyzed. Research outcomes yield recommendations for appropriate pre-treatment of the aluminum surfaces. Numerical simulations as well as the novel use of the near-field photogrammetry method confirmed beneficial action of the flexible ring-shaped mounting element within assembly testing of large glass specimens. This dissertation discusses how different variables can have a considerable effect on results when introduced through the testing device and through monitoring methods.

Les maladies neurodégénératives liées à l'âge, telle celle de Parkinson, sont un problème majeur de santé publique. Cependant, la maladie de Parkinson reste incurable et les traitements sont très limités. En effet, les causes de la maladie restent encore mal comprises et la recherche se concentre sur ses mécanismes moléculaires. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés à deux phénomènes anormaux se produisant dans la maladie de Parkinson : l'agrégation de l'α-synucléine et l'activation des cellules microgliales. Pour étudier la polymérisation de l'α-synucléine, nous avons établi de nouvelles méthodes permettant la production in vitro de différents types d'oligomères d'α-synucléine. Grâce à des méthodes biophysiques de pointe, nous avons caractérisé ces différents oligomères à l'échelle moléculaire. Puis nous avons étudié leurs effets toxiques sur les neurones. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l'activation des microglies et en particulier à leurs canaux potassiques et aux changements liés au vieillissement. Nous avons identifié les canaux Kv1.3 et Kir2.1 et montré qu'ils étaient impliqués dans l'activation des microglies. En parallèle, nous avons établi une méthode originale qui permet l'isolation et la culture de microglies primaires issues de cerveaux adultes. En comparaison à celles de nouveaux-nés, les microglies adultes montrent des différences subtiles mais cruciales qui soutiennent l'hypothèse de changements liés au vieillissement. Globalement, nos résultats suggèrent qu'il est possible de développer de nouvelles approches thérapeutiques contre la maladie de Parkinson en modulant l'action des microglies ou en bloquant l'oligomérisation de l' α-synucléine.

Les neurones sont des cellules excitables capables de coder et transmettre l’information sous forme d’oscillations du potentiel membranaire. Cette activité électrique est produite par une modification des flux ioniques transmembranaires. Les neurones constituent un exemple d’oscillateur cellulaire dont la dynamique non linéaire permet l’apparition d’une activité électrique complexe. Dans ce système, les ions calciques sont des messagers intracellulaires importants. Ils servent de médiateur entre un signal électrique et un signal chimique, par une modulation de l’activité enzymatique de certaines protéines. Ils interviennent dans de nombreuses fonctions neuronales, dont l’excitabilité électrique. Un des mécanismes mis en place par les neurones pour contrôler l’homéostasie du calcium intracellulaire provient de protéines cytoplasmiques capables de lier les ions calciques. Ces protéines jouent un rôle de « tampon » du calcium. Cependant, toutes leurs fonctions n’ont pas encore été mises en évidence. C’est l’objectif de notre travail. Nous avons voulu comprendre le rôle joué par une protéine « tampon » particulière, la calrétinine, sur le mode de décharge électrique d’un neurone où elle est exprimée en abondance, le grain cérébelleux. Pour cela, nous avons utilisé une approche théorique et expérimentale. <p>Au niveau théorique, nous avons élaboré un modèle mathématique de l’activité électrique du grain cérébelleux, prenant en compte la chélation du calcium intracellulaire. Il permet de clarifier le rôle de la chélation du calcium intracellulaire sur les oscillations du potentiel membranaire. La modélisation de l’activité électrique du grain cérébelleux repose sur le formalisme développé par Hodgkin et Huxley pour l’axone géant de calmar. Dans ce contexte, l’application de la conservation de la charge au circuit équivalent de la membrane cellulaire fournit un système d’équations différentielles ordinaires, non linéaires. Dès lors, notre modèle nous a permis d’étudier l’impact des variations de la concentration de chélateur calcique sur les oscillations du potentiel membranaire. Nous avons ainsi pu constater qu’une diminution de la concentration en chélateur calcique induisait une augmentation de l’excitabilité électrique du grain cérébelleux, sans altérer le régime d’oscillations. Par contre, en augmentant fortement la concentration en chélateur calcique, nous avons montré que le grain cérébelleux changeait de dynamique oscillatoire, montrant des transitions d’un mode de décharge périodique régulier vers des oscillations en salve du potentiel membranaire.<p>Au niveau expérimental, nous avons vérifié les résultats prévus par le modèle théorique. Nous avons ainsi montré que des grains de souris transgéniques déficientes en calrétinine présentaient une excitabilité électrique accrue par rapport aux grains contrôles.<p>Puis, en restaurant un niveau de chélation calcique normal dans ces grains, par perfusion intracellulaire de chélateur calcique, nous montrons qu’ils retrouvent un niveau d’excitabilité normal. Ensuite, nous avons introduit dans des grains cérébelleux de souris sauvages, une forte concentration en chélateur calcique exogène. Conformément aux résultats théoriques, nous avons pu observer des transitions vers des oscillations en salve du potentiel membranaire. Enfin, nous avons montré que l’absence de calrétinine affecte les paramètres morphologiques du grain cérébelleux des souris transgéniques déficientes en calrétinine.<p>En conclusion, ces résultats suggèrent que le mode de décharge des cellules excitables peut être modulé d’une façon importante par les protéines liant le calcium. De ce fait, des changements dans le niveau d’expression et/ou dans la localisation subcellulaire des protéines liant le calcium pourraient aussi jouer un rôle critique dans la régulation de processus physiologiques contrôlés par l’excitabilité membranaire. De plus, les mécanismes que nous avons mis en évidence pourraient être à l’origine d’un nouveau principe de régulation de la signalisation dans les circuits neuronaux et pourraient jouer un rôle fonctionnel dans le contrôle du codage de l’information et de son stockage dans le système nerveux central. / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Der derzeitige technische Fortschritt stützt sich maßgeblich auf die Nutzung von elektrischem Strom. Der Anteil der Stromerzeugung aus Sonnenlicht hat mittlerweile in Deutschland den der Wasserkraft überschritten, der 1990 noch der größte regenerative Energielieferant war. Die Technologie der Photovoltaik (PV) wandelt die hochenergetische Strahlung der Sonne in elektrischen Strom um und nutzt dabei häufig Glasplatten als tragende Struktur. Der Hauptanspruch dieser Arbeit liegt in der Entwicklung und Untersuchung eines Befestigungssystems mit einer höher- oder hochmoduligen Klebverbindung zum gläsernen PV-Modul sowie einer möglichst universell einsetzbaren Fügeverbindung zur Unterkonstrukion. Die systematische Enwicklung der Fügeverbindung zum PV-Modul basiert auf dem Ansatz eines flexiblen, stützenden \\hbox{Ringes} für das Fügeelement (Halter), um die durch eine mechanische Belastung der Module induzierten Zugspannungen im Glas über der Fügeelementkante zu reduzieren. Eine neuartige, kombinierte Klammer-Keil-Verbindung sichert die Befestigung auf einer von ihr unabhängigen Unterkonstruktion sowohl quer als auch längs zur Schienenrichtung. Experimentelle Arbeiten charakterisieren die eingesetzte Klebverbindung unter verschiedenen Beanspruchungsszenarien, um sowohl konstruktions- als auch klebstoffbedingte Möglichkeiten und Grenzen der Fügeverbindung für die vorliegende Anwendung zu identifizieren. Die Untersuchungen weisen zudem geeignete Vorbehandlungsmaßnahmen der Aluminiumoberflächen aus. Sowohl numerische Simulationen als auch die neuartig eingesetzte Nahbereichsphotogrammetrie bestätigen in Bauteiluntersuchungen die vorteilige Wirkung des flexiblen, höhermodulig geklebten Ringes. Die vorliegende Arbeit setzt sich hierbei auch kritisch mit unterschiedlichen Einflüssen auf die Ergebnisse auseinander, die einerseits durch verschiedene Prüfstände hervorgerufen werden können und andererseits auch den verwendeten Methoden zugrunde liegen. / Today much of technical advances are due to the usage of electricity. The contribution of solar power to the production of electricity in Germany currently surpasses water powered electricity which was in 1990 the almost exclusive renewable energy source. The technology of photovoltaic systems based on high-powered sun radiation, often utilizes glass plates as a supporting structure. This dissertation primarily focuses on the research and development of a mounting system with a higher or high modulus adhesively bonded joint to the PV-module as well as an all-purpose connection to the substructure. The systematical development process of the connection to the PV-module is based on the approach of a flexible supporting ring-shaped mounting element. This reduces the tension within the glass surface at the edge of the mounting element when mechanically loading the PV-module. A novel connection using a clamp-wedge combination ensures the ability to mount the PV-module horizontally or vertically to the rail substructure. Through the development process, the bonded joint is exposed to various scenarios where the construction as well as the adhesive possibilities and limitations under each scenario are analyzed. Research outcomes yield recommendations for appropriate pre-treatment of the aluminum surfaces. Numerical simulations as well as the novel use of the near-field photogrammetry method confirmed beneficial action of the flexible ring-shaped mounting element within assembly testing of large glass specimens. This dissertation discusses how different variables can have a considerable effect on results when introduced through the testing device and through monitoring methods.

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No / The ability of neurons to modulate synaptic strength underpins synaptic plasticity, learning and memory, and adaptation to sensory experience. Despite the importance of synaptic adaptation in directing, reinforcing, and revising the behavioral response to environmental influences, the cellular and molecular mechanisms underlying synaptic adaptation are far from clear. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) is a prime initiator of structural and functional synaptic adaptation. However, the signaling cascade activated by BDNF to initiate these adaptive changes has not been elucidated. We have previously shown that BDNF activates mitogen- and stress-activated kinase 1 (MSK1), which regulates gene transcription via the phosphorylation of both CREB and histone H3. Using mice with a kinase-dead knock-in mutation of MSK1, we now show that MSK1 is necessary for the upregulation of synaptic strength in response to environmental enrichment in vivo. Furthermore, neurons from MSK1 kinase-dead mice failed to show scaling of synaptic transmission in response to activity deprivation in vitro, a deficit that could be rescued by reintroduction of wild-type MSK1. We also show that MSK1 forms part of a BDNF- and MAPK-dependent signaling cascade required for homeostatic synaptic scaling, which likely resides in the ability of MSK1 to regulate cell surface GluA1 expression via the induction of Arc/Arg3.1. These results demonstrate that MSK1 is an integral part of a signaling pathway that underlies the adaptive response to synaptic and environmental experience. MSK1 may thus act as a key homeostat in the activity- and experience-dependent regulation of synaptic strength.

Die elektrische Signalverarbeitung in Nervenzellen basiert auf deren erregbarer Zellmembran. Üblicherweise wird angenommen, dass die in der Membran eingebetteten leitfähigen Ionenkanäle nicht auf direkte Art gekoppelt sind und dass die Kapazität des von der Membran gebildeten Kondensators konstant ist. Allerdings scheinen diese Annahmen nicht für alle Nervenzellen zu gelten. Im Gegenteil, verschiedene Ionenkanäle “kooperieren” und auch die Vorstellung von einer konstanten spezifischen Membrankapazität wurde kürzlich in Frage gestellt. Die Auswirkungen dieser Abweichungen auf die elektrischen Eigenschaften von Nervenzellen ist das Thema der folgenden kumulativen Dissertationsschrift. Im ersten Projekt wird gezeigt, auf welche Weise stark kooperative spannungsabhängige Ionenkanäle eine Form von zellulärem Kurzzeitspeicher für elektrische Aktivität bilden könnten. Solche kooperativen Kanäle treten in der Membran häufig in kleinen räumlich getrennte Clustern auf. Basierend auf einem mathematischen Modell wird nachgewiesen, dass solche Kanalcluster als eine bistabile Leitfähigkeit agieren. Die dadurch entstehende große Speicherkapazität eines Ensembles dieser Kanalcluster könnte von Nervenzellen für stufenloses persistentes Feuern genutzt werden -- ein Feuerverhalten von Nutzen für das Kurzzeichgedächtnis. Im zweiten Projekt wird ein neues Dynamic Clamp Protokoll entwickelt, der Capacitance Clamp, das erlaubt, Änderungen der Membrankapazität in biologischen Nervenzellen zu emulieren. Eine solche experimentelle Möglichkeit, um systematisch die Rolle der Kapazität zu untersuchen, gab es bisher nicht. Nach einer Reihe von Tests in Simulationen und Experimenten wurde die Technik mit Körnerzellen des *Gyrus dentatus* genutzt, um den Einfluss von Kapazität auf deren Feuerverhalten zu studieren. Die Kombination beider Projekte zeigt die Relevanz dieser oft vernachlässigten Facetten von neuronalen Membranen für die Signalverarbeitung in Nervenzellen. / Electrical signaling in neurons is shaped by their specialized excitable cell membranes. Commonly, it is assumed that the ion channels embedded in the membrane gate independently and that the electrical capacitance of neurons is constant. However, not all excitable membranes appear to adhere to these assumptions. On the contrary, ion channels are observed to gate cooperatively in several circumstances and also the notion of one fixed value for the specific membrane capacitance (per unit area) across neuronal membranes has been challenged recently. How these deviations from the original form of conductance-based neuron models affect their electrical properties has not been extensively explored and is the focus of this cumulative thesis. In the first project, strongly cooperative voltage-gated ion channels are proposed to provide a membrane potential-based mechanism for cellular short-term memory. Based on a mathematical model of cooperative gating, it is shown that coupled channels assembled into small clusters act as an ensemble of bistable conductances. The correspondingly large memory capacity of such an ensemble yields an alternative explanation for graded forms of cell-autonomous persistent firing – an observed firing mode implicated in working memory. In the second project, a novel dynamic clamp protocol -- the capacitance clamp -- is developed to artificially modify capacitance in biological neurons. Experimental means to systematically investigate capacitance, a basic parameter shared by all excitable cells, had previously been missing. The technique, thoroughly tested in simulations and experiments, is used to monitor how capacitance affects temporal integration and energetic costs of spiking in dentate gyrus granule cells. Combined, the projects identify computationally relevant consequences of these often neglected facets of neuronal membranes and extend the modeling and experimental techniques to further study them.