Zugl.: Leipzig, Univ., Diss., 2008

Tübingen, Univ., Diss., 2004.

Universiẗat, Diss., 2004--Frankfurt (Main).

University, Diss., 2005--Frankfurt (Main). / Zsfassung in engl. und dt. Sprache.

University, Diss. 2005--Karlsruhe.

Auditorische Hirnstammimplantate (ABI stellen die einzige Option der Hörrehabilitation bei bilateraler retrocochleärer Ertaubung dar. Die Implantate sind insbesondere in ihrer größten Nutzergruppe - Neurofibromatose Typ 2 Patienten - für ihr sehr variables Hörergebnis bekannt. Die Evozierbarkeit und die Qualität der intraoperativ abgeleiteten elektrisch evozierten auditorischen Hirnstammantworten wird als möglicher Einflussfaktor auf das Outcome diskutiert. Bisher gelten weder für die Frage des Einsatzes an sich, noch für die Methodik oder die Analyse und Bewertung der EABR in der ABI-Chirurgie einheitliche Konzepte. Ziel dieser Studie ist die detaillierte Analyse der intraoperativ registrierten EABR während ABI-Implantation bei NF2-Patienten. Zudem stellt Beurteilung der Hörfunktion mit ABI bei NF2-Patienten stellt aufgrund oftmals begleitender Symptomatik der Grunderkrankung eine besondere Herausforderung dar. Sprachtests allein spiegeln die Hörfunktion in dieser Patientengruppe nicht immer umfassend wider. Die in dieser Studie angewendete Würzburger Skala für Implantat-Hören soll dieser Problematik gerecht werden, indem Ergebnisse eines etablierten Sprachtests mit der klinischen Kommunikationsfähigkeit kombiniert werden. Zusammenfassung der Hauptergebnisse: Nach intraoperativer Stimulation mittels ABI zeigten sich EABR-Antworten mit null bis 3 Vertex-positiven Peaks (P1, P2, P3), welche in dieser Kohorte im Mittel nach 0,42 ms (P1), 1,43 ms (P2) bzw. 2,40 ms (P3) auftraten. Eine 2-Peak Wellenform war in dieser Studie die am häufigsten beobachtete Morphologie (78,8%). Bei der Stimulation unterschiedlicher Elektrodenkontakte zeigten sich Unterschiede in der EABR-Wellenmorphologie. Alle Antworten konnten in eine der fünf Kategorien der Würzburger EABR-Klassifikation eingeordnet werden. Für die Latenz von P2 konnte eine statistisch signifikante Korrelation mit der Tumorausdehnung nach Hannover Klassifikation gezeigt werden. Die Einstufung des Hörergebnisses mit ABI in NF2 nach Ergebnis im MTP-Test und nach Kommunikationsfähigkeit im Alltag unterschied sich in 7 von 22 Fällen (31,2%) um eine Kategorie. Bei der Einordnung in die Würzburger Skala für Implantat-Hören zeigte sich nach Diskussion der divergenten Fälle in 2 Fällen die Kategorisierung zugunsten des Ergebnisses im MTP-Test und in 5 Fällen zugunsten des Ergebnisses der Kommunikationsfähigkeit im Alltag. Nützliches Hören mit ABI konnte in 95,5% der Patienten gezeigt werden, davon erzielten 68,2% Sprachverständnis. Die Auslösbarkeit reproduzierbarer intraoperativer EABRs konnte in 95,5% Hörvermögen hervorsagen. / Auditory brainstem implants (ABI) are primarily designed for neurofibromatosis type 2 (NF2) patients with bilateral deafness due to schwannomas. These neuro-prosthetic devices bypass the auditory nerve and produce hearing sensations by direct stimulation of the cochlear nuclei (CN). This study investigates the importance of intraoperative electrically evoked auditory brainstem responses (EABR) with regards to the auditory outcome. Out of a prospectively collected series of ABI implantations from 2005 to 2019, 22 patients (10 male, 12 female) fulfilled inclusion criteria (min. age of 15 y, NF2 diagnosis) and were analysed retrospectively for EABR and hearing outcome. EABR analysis relied on the presence and number of vertex positive peaks P1, P2 and P3 at brainstem stimulation. For post-operative hearing outcome a new Clinical ABI Outcome Classification was developed and applied at 6 to 12 months containing 4 categories: Category 1, Star Performer, with >80% speech understanding in auditory only MTP (mono- to polysyllabic) test and ability for continuous spoken conversation without any lip reading; Category 2, Good Performer, with <40 to 80% in auditory only MTP test and some speech understanding combined with lip reading; Category 3, Useful Performance, communication with some additional measures (hearing, lip-reading and written notes) possible; Category 4 Non-useful Performance, no or only scarce sound reception. In 22 patients, 146 EABR recordings at various sites of the implant were evaluated: A three-peak-formation was present in 7, a two-peek-formation in 115 cases, and one-peak in 13 cases, while 11 remained without any reproducible responses. EABR wave forms showed some variation: Peak P1 mostly developed just out of or after the stimulus artefact while peaks P2 and P3 sometimes showed melting and larger latency differences. Peak P1 appears to correspond to wave III of natural auditory ABR. Overall auditory outcome was useful or better (Categories 1, 2 or 3) in 95.5 % of cases, with Star or Good Performance in about 68 % of the patients. Presence of EABR predicted auditory rehabilitation correctly in 95.5%. False positive EABR are rare and a matter of open discussion such as on lead dislocation or secondary brainstem nuclei degeneration. Overall, intra-operative reproducible EABR are highly predictive of adequate brainstem activation and useful hearing rehabilitation with ABI in deaf NF2 patients and appear indispensable for implant positioning. The most reliable peak P1 of EABR may represent immediate activity of cochlear nuclei. The importance of further peaks P2 and P3 and their anatomic correlation still need further evaluation and possibly correlation with more long-term auditory development. The presented ABI hearing classification uses the internationally accepted MTP test and proves to be a universal tool to elucidate the patient’s capacity for speech communication.

No abstract available

Bekannte Methoden zur Optimierung von FAEP-basierenden Hörscreeningmethoden beruhen darauf, bessere Signal-Rausch-Verhältnisse durch möglichst große Amplituden der evozeirten Potentiale zu schaffen. Große Potentiale können schnell und sicher im Mittelungsverfahren detektiert werden. Sie führen so zu einer Steigerung der Sensitivität und Spezifität und zu einer Verringerung der benötigten Messzeit bei den AEP-basierenden Screeningverfahren. Zu den Ansätzen zur Optimierung der Reizmethodik zählz die hohe Reizratentechnik, die den Nachweis der Antworten über die Bildung von Überlappungspotentialen erlaubt. Die Zeitgang-BERA ermöglicht unter Bildung solcher auditorischer steady-state Potentiale (ASSR) die Überprüfung mehrerer Pegelstufen.Für ein FAEP-basierendes Hörscreening werden Reize mit breitem Frequenzspektrum verwendet, die große Antwortamplituden hervorrufen und große Teile der Kochlea, den Hörnerv und REgionen des Hirnstammes überprüfen. Der WüChirp2005-Reiz ist ein breitbandiger Reiz, bei dem im Gegensatz zum üblich verwendeten Klick die Laufzeitverzögerung der Wanderwellen, die zu einer nicht-synchronen Summenantwort führt, ausgeglichen wurde. Vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einsatz solcher optimierter Reize in Stufenreizen für die Zeitgang-BERA. ZUm direkten Vergleich erfolgen Messdurchgänge mit Klick-Stufenreizen. Untersucht wurden gesunde Neugeborene im Rahmen des universellen Neugeborenen-Hörscreenings der Universitäts-HNO-Klinik Würzburg unter Verwendung des Screeninggerätes MB 11 (MAICO Diagnostic GmbH, Berlin).Einer ersten Untersuchungsgruppe wurden Stufenreize bestehend aus vier aufeinanderfolgenden Reizen ansteigender Pegelwerte (30,40,50,60 dBnHL; Stufenreize I). Die Stufenreize der zweiten Gruppe entsprechen in ihrem Aufbau dem klassischen Zeitgangreiz nach Finkenzeller mit sechs Reizen (10,20,30,40,50,60dBnHL; Stufenreize II).Daraus resultieren unterschiedliche zeitliche Abstände zwischen der Einzelreizen (Stufenreize I: 10,81ms; Stufenreize II: 5ms). Bei den Einzelreizen handelt es sich in einer ersten Messungun normale Klicks (Klick-Stufenreize I bzw.II), in einer Zweiten werden WüChirp2005-Reize (WüChirp2005-Stufenreize I bzw. II) verwendet. Die Laufzeitkorrektur erfolgte nach dem linearen Kochlea-Modell von de Boer und der Frequenz-Transformation nach Greenwood. Der Spektralgehalt beider Einzelreizformen ist identisch (135 Hz bis 8kHz). Bei den Stufenreizen I führte der Einsatz von WüChirp2005-Reizen zu signifikant größeren Wellen V gegenüber Klick-Reizen. Bei der im Neugeborenen-Hörscreening relevanten Pegelstufe 40 dBnHL waren bei 20 der 76 durchgeführten Messungen ausschließlich unter Darbietung der neuen Reize evozierte Potentiale nachzuweisen. Es konnte so u.a. gezeigt werden, dass WÜChirp2005-Reize die Spezifität der Screeningmethode erhöhen kann. Nach der Auswertung und Diskussion der Amplituden der evozierten Potentiale werden die Latenzen der evozierten Wellen V untersucht. / Methods for optimizing auditory brainstem responses (ABR)-based hearing-screeningmethods are based on optimizing the signal-to-noise-ratio by maximize the evoked potential.Large answers can be detected fast and definitely by averaving procedures and lead to increased specifity and sensitivity and also reduce the duration of examination. An appendage to optimize the stimulus methodology is the high-rate-technique. The "Zeitgang"-BERA leads so to auditory steady-state-potentials (ASSP)and makes a chek of several volume levels in only one measurement possible. For a ABR-based hearing-screening are stimuli with large frequency spectrum used wich evoke large amplitudes and chek wide parts of the cochlea, the hearing nerv and also regions of the brainstem. The WüChirp2005-stimulus is a large frequency spectrum signal,in which the delay of the travelling wave in the inner ear is compensated. In contrast to the normal click-stimulus this optimized chirp-signal should lead to larger answer potentials, because they appear much higher synchronisied. This study deals with a combination of WüChirp2005-signals in stimuli for the Zeitgang-BERA. For direct comparison there were accomplished measurements with click-step-stimuli.Measured were healthy newborns which took part in the universal hearing-screening programm in Würzburg. Used was the screening instrument MB11 (MAICO Diagnostics, Berlin). The step-stimuli of a first group are made of four chained stimuli with increasing volume levels (30,40,50,60dBnHL; step-stimuli I). The step-stimuli of a second group accord to the classical Time-step-stimulus (Zeitgang)-signal of Finkenzeller with six signals (10,20,30,40,50,60dBnHL).That results in different time intervals between the several signals (step-stimulus I: 10,81ms; step-stimuli II: 5ms). The step-stimuli are composed in a first measurement of clicks (click-step-stimuli I and II), each newborn was then measured with WüChirp2005-step-stimuli (I and II). The delay of the traveling wave was corrected by cochlea models from de Boer and Greenwood. The frequency spectrum of both click and chirps were identical (135 Hz-8kHz). The results of the step-stimuli of the first group showed significant larger evoked waves V compared to the click-step-stimuli. At 40 dBnHL, which is relevant for hearing screening, answers were in 20 of 76 measurements only after presentation the new, delay-corrected signals were verified, but not after presentation click-step-stimuli. It was able to show that WüChirp2005-signals are able to increase the specitifity of the ABR-screening method. After discussion the amplitudes of the evoked potentials, the study includes also a discussion of the wave V-latencies.

Channelrhodopsin 2 (ChR2) aus dem Augenfleck von C. rheinhardtii gehört zur Gruppe der mikrobiellen Rhodopsine (Typ1-Rhodopsine). ChR2 besteht aus einem extrazellulär gelegenen N-Terminus, 7 Transmembranhelices und einem zytosolisch gelegenen C-Terminus. Der lichtreaktive Bestandteil (Chromophor) all-trans-Retinal ist via Schiff´ Base kovalent an ein Lysinrest der siebten Transmembranhelix gebunden. Bei Applikation von Blaulicht isomerisiert all-trans- zu 13-cis-Retinal, was in einer Konformationsänderung und dem Öffnen des Kanals resultiert. Abhängig vom elektrochemischen Gradienten können ein- und zweiwertige Kationen in die Zelle ein- oder aus der Zelle herausströmen. Eine retinalabhängige Stabilität konnte bereits für Bakteriorhodopsin (BR) bestätigt werden (Booth, Farooq et al. 1996, Turner, Chittiboyina et al. 2009, Curnow and Booth 2010), bezüglich ChR2 waren bisher nur wenige Daten verfügbar (Hegemann, Gartner et al. 1991, Lawson, Zacks et al. 1991). Die heterologe Expression von wildtypischem und modifiziertem ChR2 in Oozyten von X. laevis erlaubte einen detaillierteren Einblick in die retinalabhängige Stabilität und pH-abhängige Dunkelleitfähigkeit von Guanidinium. Wildtypisches Chop2 zeigte bei Zugabe von Retinal zum Inkubationsmedium, direkt nach RNA-Injektion, Stromamplituden im µA-Bereich und deutliche Fluoreszenzintensitäten. Ausschließlich endogen vorhandenes Retinal hatte verminderten Fluoreszenzen und Stromamplituden zur Folge, was auf ein geringes Vorhandensein von Chop2-Proteinen in der Plasmamembran hindeutete. Da die Inkubation über Nacht in retinalsupplementierter Lösung nur eine minimale Erhöhung des resultierenden Stromes erbrachte, deuten die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse stark auf eine verminderte Stabilität des Proteins bei fehlender Bindung des Kofaktors Retinal. Das Einfügen einer aromatischen Aminosäure (Y/F/W) an Position 159 führte zu einer, von der Retinalsupplementation unabhängigen, in beiden Ansätzen gleichwertigen Expressionsstärke. Diese äusserte sich in äquivalenten Fluoreszenzintensitäten. Die erhaltenen Stromamplituden wiesen eine starke Differenz auf: ohne Zugabe zusätzlichen Chromophors lag die Stromstärke bei nur wenigen Nanoampere, die bei Inkubation in einer retinalhaltigen Lösung über Nacht auf das Niveau von retinalsupplementierten Oozyten anstieg. Des Weiteren konnte die Zunahme der Stromamplitude innerhalb von 15 Minuten beobachtet werden, wenn die vermessenen Oozyten mit einer retinalhaltigen Lösung perfundiert wurden. Zusammengefasst weisen die Ergebnisse auf eine Stabilisierung des aromatisch substituierten Proteins hin. Bei der von Berndt et al. (2011) beschriebenen Mutante T159C konnten diese Eigenschaften nicht nachgewiesen werden. Die Modifikation der Retinalbindestelle (K257) in Verbindung mit einer aromatischen Substitution an Position 159 resultierte in deutlichen Fluoreszenzintensitäten, unabhängig von der Retinalverfügbarkeit bei, in beiden Fällen, fehlenden lichtaktivierten Strömen. Diese und die gleichwertigen Bandenstärken des Proteinimmunoblots von aromatisch substituierten ChR2-Varianten unterstützen die Hypothese der retinalunabhängigen Stabilität zusätzlich. Die Ergebnisse legen, im Falle von Chop2-WT, eine Degradation des Apoproteins nahe. Bei Einfügen einer aromatischen AS an Position 159 ist das Apoprotein davor geschützt (siehe Abb. 75). Infolge der strukturellen Similarität, dem Vorhandensein delokalisierter π-Elektronen und der räumlichen Größe der aromatischen AS ist eine strukturelle Veränderung des Apoproteins denkbar, die eine Degradation aufgrund von nunmehr unzugänglichen Ubiquitinierungsstellen verhindert. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass sich bei fehlender Bindung des Kofaktors Wassermoleküle in der Nähe der Bindetasche befinden, welche von umliegenden Aminosäuren (u.a. T159, D156) unter großem Energieaufwand koordiniert werden und die strukturelle Integrität bis hin zur Degradation beeinträchtigen können. Dies könnte durch eine Erhöhung der Hydrophobizität bei Einfügen einer aromatischen Aminosäure verhindert werden. Bei Substitutionen durch eine aromatische AS (Y/W/F) an Position 159 zeigte sich ein weiteres, bisher nicht beschriebenes, Charakteristikum. Bei Perfusion der Oozyten mit einer guanidiniumhaltigen Lösung, konnten in Abhängigkeit des pH-Wertes ohne die Applikation von Licht Stöme im µA Bereich aufgezeichnet werden. Die Größe der Stromamplitude korreliert hierbei mit dem Anstieg des pH-Wertes und der Konzentration an Guanidiniumionen der perfundierten Lösung und kann durch das Hinzufügen von 1mM Lanthan reversibel geblockt werden. Des Weiteren konnten die vorgenommenen Messungen die Ergebnisse der retinalabhängigen Degradation verifizieren, da der Einstrom von Gua+ sowohl bei retinalsupplementierter Inkubation, als auch bei ausschließlich endogen vorhandenem Retinal zu beobachten war. Des Weiteren zeigte auch die Doppelmutante T159Y/K257R trotz ihres Unvermögens Retinal zu binden, die beschriebenen lichtunabhängigen Ströme. Die Ergebnisse bei Substitution durch Phenylalanin (F) stellen eine Abweichung des Musters dar. Bei Inkubation von T159F-injizierten Zellen bei ausschließlich endogen vorhandenem Retinal konnte eine stark erhöhte Guanidiniumleitfähigkeit festgestellt werden, diese kam jedoch bei retinalsupplementierter Inkubation nicht zum Tragen. Dies könnte ein Hinweis auf eine sterische Hinderung durch das gebundene Chromophor sein, die bei den Substitutionen durch Tyrosin und Tryptophan, möglicherweise durch unterschiedliche chemische Eigenschaften der AS, nicht auftreten. Die hervorgerufene pH-Abhängigkeit kann in zwei möglichen Ursachen begründet liegen: • Vorhandensein einer (de)protonierbaren Gruppe wie Histidin, Arginin oder Lysin, die als pH-Sensor dienen könnte • Deprotonierung der Schiff´ Base durch Guandininium Das Vorhandensein eines pH-Sensors konnte durch die vorgenommenen Modifikationen von H114, R115, R120 und H249 nicht bestätigt werden. Bei Substitution von K257 (in Verbindung mit T159Y) zu Arginin (R) konnte weiterhin ein pH-abhängiger Gua+-Dunkelstrom festgestellt werden. Die Modifikation zu Alanin (A) oder Glutamin (Q) hingegen resultierte im Ausbleiben der Ströme. Der Austausch einer basischen zu einer neutralen Gruppe ohne protonierbaren Rest deutet auf die Beteiligung der Schiff´ Base bzw. der Aminosäure an Position 257 am Mechanismus der Dunkelleitfähigkeit hin. / Channelrhodopsin 2 (ChR2) from the eyespot of C. rheinhardtii belongs to the group of microbial-type rhodopsins (Type1-rhodopsins). It consists of an extracellular N-terminus, seven transmembranehelices and a cytosolic C-terminus. The light-reactive element (Chromophor) all-trans-retinal is covalently bound to a lysine of the seventh transmembrane helix via Schiff´ Base. The isomerisation from all-trans- to 13-cis-Retinal after illumination leads to a conformational change within the protein, resulting in the opening of the channel and thereby in an in- or efflux of mono- and divalent cations, depending on the electrochemical gradient. For bacteriorhodopsin (BR) a retinal dependent stability could be confirmed (Booth, Farooq et al. 1996, Turner, Chittiboyina et al. 2009, Curnow and Booth 2010), concerning ChR2 only limited data is available (Hegemann, Gartner et al. 1991, Lawson, Zacks et al. 1991). Heterologous expression of wildtype (WT) and mutant ChR2 in the oocytes of X. laevis revealed a more detailed insight into retinal dependent stability and pH-dependent conductance of guanidinium without the application of light. ...

Accurate information transfer between neurons governs proper brain function. At chemical synapses, communication is mediated via neurotransmitter release from specialized presynaptic intercellular contact sites, so called active zones. Their molecular composition constitutes a precisely arranged framework that sets the stage for synaptic communication. Active zones contain a variety of proteins that deliver the speed, accuracy and plasticity inherent to neurotransmission. Though, how the molecular arrangement of these proteins influences active zone output is still ambiguous. Elucidating the nanoscopic organization of AZs has been hindered by the diffraction-limited resolution of conventional light microscopy, which is insufficient to resolve the active zone architecture on the nanometer scale. Recently, super-resolution techniques entered the field of neuroscience, which yield the capacity to bridge the gap in resolution between light and electron microscopy without losing molecular specificity. Here, localization microscopy methods are of special interest, as they can potentially deliver quantitative information about molecular distributions, even giving absolute numbers of proteins present within cellular nanodomains. This thesis puts forward an approach based on conventional immunohistochemistry to quantify endogenous protein organizations in situ by employing direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). Focussing on Bruchpilot (Brp) as a major component of Drosophila active zones, the results show that the cytomatrix at the active zone is composed of units, which comprise on average ~137 Brp molecules, most of which are arranged in approximately 15 heptameric clusters. To test for a quantitative relationship between active zone ultrastructure and synaptic output, Drosophila mutants and electrophysiology were employed. The findings indicate that the precise spatial arrangement of Brp reflects properties of short-term plasticity and distinguishes distinct mechanistic causes of synaptic depression. Moreover, functional diversification could be connected to a heretofore unrecognized ultrastructural gradient along a Drosophila motor neuron. / Kommunikation zwischen Nervenzellen ist von grundlegender Bedeutung für die Hirnfunktion. An chemischen Synapsen findet diese an hoch spezialisierten interzellulären Kontaktstellen statt, den aktiven Zonen, welche die Voraussetzung für präzise Neurotransmission schaffen und somit die synaptische Kommunikation gewährleisten. In aktiven Zonen befindet sich eine Vielzahl von Proteinen dicht gepackt, die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Plastizität der Signaltransduktion vermitteln. Bisher ist es jedoch unklar, in welcher Weise die molekularen Organisationsprinzipien dieser Proteine die Funktion der aktiven Zone beeinflussen. Teilweise ist dies dem Auflösungsvermögen konventioneller Lichtmikroskopie geschuldet, das nicht ausreicht um die Architektur der aktiven Zone im Nanometer Bereich aufzuklären. Unlängst jedoch haben neue Methoden der hochaufgelösten Fluoreszenzmikroskopie ihren Weg in die Neurowissenschaften gefunden. Diese sind in der Lage die Lücke zwischen optischer Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie zu schließen, ohne die Identität der Proteinspezies aus den Augen zu verlieren. Besonderes Interesse kommt hierbei sogenannten Lokalisationsmikroskopie Techniken zu. Diese können neben der Darstellung molekularer Organisationen im Idealfall sogar quantitative Informationen über die absolute Anzahl bestimmter Moleküle in subzellulären Bereichen liefern. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die auf klassischer Immunohistochemie beruht und dSTORM (direct stochastic optical reconstruction microscopy) nutzt, um die endogene Proteinorganisation in situ zu quantifizieren. Fokussierend auf Brp (Bruchpilot), einem Protein an der aktiven Zone von Drosophila melanogaster, zeigen die Ergebnisse, dass die Zytomatrix an der aktiven Zone modular aufgebaut ist, wobei jedes Modul ~137 Brp Moleküle umfasst. Diese sind zum Großteil in etwa 15 Gruppen mit je 7 Untereinheiten angeordnet. Um auf einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Ultrastruktur der aktiven Zone und ihrer Funktion zu schließen, wurden Drosophila Mutanten eingesetzt und mittels Elektrophysiologie funktionell untersucht. Die Ergebnisse veranschaulichen, dass sich spezifische Eigenschaften von Kurzzeitplastizität in der präzisen Anordnung von Brp widerspiegeln, was Rückschlüsse auf verschiedene Ursprünge synaptischer Depression zulässt. Darüber hinaus beschrieben dSTORM Experimente erstmals, dass ein funktioneller Gradient entlang des Motoneurons mit der graduellen Veränderung der Anzahl von Bruchpilotmolekülen pro aktive Zone korreliert.