Sharp wave-ripple Komplexe (SWRs) sind kurze Ereignisse von kohärenter Netzwerkaktivität im Hippocampus. SWRs spielen eine wichtige Rolle bei der Konsolidierung von expliziten Gedächtnisinhalten, die Mechanismen sind aber bis heute ungeklärt. Pyramidenzellen (PYR) und Parvalbumin-positive Korbzellen (PV+BCs) feuern während SWRs besonders häufig, wohingegen sie außerhalb beinahe inaktiv sind. SWRs treten spontan auf, und können durch Stimulation von PYR und PV+ Zellen hervorgerufen werden. Um die Rolle von PV+ Zellen in SWR Generierung zu klären, untersuche ich wie das Zusammenspiel von exzitatorischen Neuronen (PYR) und zwei Klassen von Interneuronen (PV+BCs und derzeit unbekannte Anti-SWR-Zellen) die Entstehung und die Häufigkeit von SWRs beeinflusst. Erstens entwickle ich ein Netzwerk aus feuernden Neuronen, das spontane Übergänge vom Anti-SWR-Zustand zum SWR-Zustand zeigt. Die Aktivität von PV+BCs, die die Aktivität von PYR disinhibieren, dominiert den SWR-Zustand. SWRs können hervorgerufen werden durch Stimulation von PYR oder PV+BCs, und durch Inaktivierung von Anti-SWR-Zellen. Durch Kurzzeitdepression der synaptischen Verbindung von PV+BCs zu Anti-SWR-Zellen wird die Dauer der SWRs reguliert. Die Koexistenz von Anti-SWR- und SWR-Zuständen bei konstanten Stärken der synaptischen Depression erlaubt die Untersuchung der Bistabilität des Netzwerks. Durch eine Mean-field-Näherung können Voraussetzungen für bistabile Netzwerkaktivität analytisch hergeleitet werden. Das Modell prognostiziert die Existenz von Anti-SWR-Zellen. Im letzten Teil dieser Arbeit zeige ich erste experimentelle Ergebnisse, die die Existenz von CA3-Interneuronen belegen, die anti-moduliert sind bezüglich SWRs. Durch die Untersuchung der Rolle von Interneuronen hinsichtlich der Generierung von SWRs trägt diese Arbeit zu einem tieferen Verständnis der neuronalen Schaltkreise im Hippocampus bei, die essentiell für den Erwerb und die Konsolidierung expliziter Gedächtnisinhalte sind. / Sharp wave-ripple complexes (SWRs) are events of coordinated network activity originating in the hippocampus. SWRs are thought to mediate the consolidation of explicit memories, but the mechanisms underlying their occurrence remain obscure. Pyramidal cells (PYR) and parvalbumin-positive basket cells (PV+BCs) preferentially fire during SWRs and are almost silent outside. SWRs emerge spontaneously or by activating PYR or PV+ cells. To understand how the activation of PV+ interneurons can result in an increase of PYR firing, I explore how the interaction of excitatory neurons (PYR) and two groups of interneurons (PV+BCs and a class of anti-SWR cells) contributes to the initiation, termination, and incidence of SWRs. First, I show that a biophysically constrained network of spiking neurons can exhibit spontaneous transitions from a non-SWR state to a SWR state, in which active PV+BCs disinhibit PYR by suppressing anti-SWR cells. SWR events can be triggered by activating PYR or PV+BCs, or inactivating anti-SWR cells. Short-term synaptic depression at the PV+BCs-to-anti-SWR cells connections regulates the termination of SWR events. The coexistence of states for intermediate values of the depression allows to study the network behavior in terms of bistability. To this end, I consider a mean-field approximation of the spiking network, where conditions for the emergence of a bistable configuration are derived analytically. This allows to unveil the mechanisms regulating the existence of bistable disinhibitory networks. The model predicts the existence of a class of anti-SWR cells. In the last part of this work, I show the first experimental evidence for CA3 interneurons anti-modulated with respect to SWRs, and discuss their involvement in the SWR generation process. Overall, the results of this thesis elucidate the role of interneurons in SWR generation and broaden our understanding of the microcircuits supporting the dynamics of memory-related networks.

Eine einzigartige experimentelle Beobachtung, welche die Basis für eine ganzheitliche, neurowissentschafliche Theorie für Gedächtnis darstellen könnte, sind sharp wave-ripples (SWRs). SWRs werden in lokalen Neuronennetzwerken erzeugt und sind wichtig für Gedächtniskonsolidierung; SWRs sind charakteristische Ereignisse der lokalen Feldpotentiale im Hippocampus des Säugetiers, die in Phasen von Schlaf und Ruhe vorkommen. Eine SWR besteht aus einer sharp wave, einer ≈ 100 ms langen Auslenkung des Feldpotentials, welche mit ripples, 110–250 Hz Oszillationen, überlagert ist. Jüngste Experimente bekräftigen die Theorie, dass ripples in Netzwerken inhibitorischer Interneurone (INT-INT) erzeugt werden, die aus parvalbumin-positive basket cells (PV+BCs) bestehen. PV+BCs sind untereinander über rekurrente inhibitorische Synapsen und Gap Junctions (GJs) gekoppelt. In dieser Arbeit untersuche ich die spezifische Funktion von interneuronalen Gap Junctions in ripples. Im Hauptteil dieser Arbeit demonstriere ich, dass GJs in INT-INT Netzwerken die neuronale Synchronität und die Feuerrate während ripples erhöhen, die ripple-Frequenz sich hingegen nur leicht verändert. Zusätzlich zeige ich, dass diese rippleunterstützenden Effekte nur dann auftreten, wenn die GJ-Transmission schnell genug ist (≈< 0.5 ms), was wiederum somanahe Kopplung voraussetzt (≈< 100 µm). Darüber hinaus zeige ich, dass GJs die oszillatorische Stärke der ripples erhöhen und so die minimale für ripples notwendige Netzwerkgröße verringern. Abschließend zeige ich, dass ausschließlich mit Gap Junctions gekoppelte INT-INT Netzwerke zwar mit ripple Frequenz oszillieren können, aber wahrscheinlich nicht der Erzeuger von experimentell beobachteten ripple-artigen Oszillationen sind. Zusammengenommen zeigen meine Resultate, dass schnelle Gap Junction-Kopplung von Interneuronen die Entstehung von ripples begünstigt und somit SWRs unterstützt, welche einen wichtigen Beitrag zur Bildung unserers Gedächtnisses leisten. / A unique experimental observation that opens ways for a holistic, bottom-up theory for memory generation are sharp-wave ripples (SWRs). SWRs are generated in local neuronal networks and are important for memory consolidation. SWRs are prominent features of the extracellular field potentials in the mammalian hippocampus that occur during rest and sleep; they are characterized by sharp waves, ≈ 100 ms long voltage deflections, that are accompanied by ripples, i.e., 110–250 Hz oscillations. Recent experiments support the view that ripples are clocked by recurrent networks of inhibitory interneurons (INT-INT), which are likely constituted by networks of parvalbumin-positive basket cells (PV+BCs). PV+BCs are not only recurrently coupled by inhibition but also by gap junctions (GJs). In this thesis, I investigate the specific function of interneuronal GJs in hippocampal ripples. Consequently, I simulate INT-INT networks and demonstrate that gap junctions increase the neuronal synchrony and firing rates during ripple oscillations, while the ripple frequency is only affected mildly. I further show that GJs only have these supporting effects on ripples when they are sufficiently fast (≈< 0.5 ms), which requires proximal GJ coupling (≈< 100 µm). Additionally, I find that gap junctions increase the oscillatory power of ripple oscillations and by this means reduce the minimal network size required for INT-INT networks to generate ripple oscillations. Finally, I demonstrate that exclusively GJ-coupled INT-INT networks can oscillate at ripple frequency, however, are unlikely the generator of experimentally observed ripple-like oscillations. In sum, my results show that fast interneuronal gap junction coupling promotes the emergence of ripples and hereby supports SWRs, which are important for the formation of memory.

Eine Reihe von Studien konnte zeigen, dass sich Schlaf förderlich auf den Prozess der Gedächtniskonsolidierung auswirkt. Dabei wurde die Konsolidierung unterschiedlicher Lerninhalte mit bestimmten Schlafstadien – z. B. perzeptiv-prozedurale Inhalte mit dem REM (von engl. rapid eye movement) Schlaf – in Verbindung gebracht. Da viele Antidepressiva den REM Schlaf teilweise oder sogar vollständig unterdrücken, stand die Frage im Raum, ob bzw. unter welchen Umständen deren Einnahme die Gedächtniskonsolidierung im Schlaf beeinträchtigen kann. In diesem Zusammenhang scheint zudem die Rolle von Schlafstörungen interessant, da der REM Schlaf im Falle einer Schlafstörung auch Bedeutung für die schlafabhängige Gedächtniskonsolidierung deklarativer Inhalte erlangen kann. Die Arbeit basiert auf einer klinischen Studie (EudraCT 2007-003546-14), in deren Rahmen 32 männliche Probanden im Alter von 18 bis 39 Jahren jeweils über eine Zeitspanne von 48 Stunden im Schlaflabor untersucht wurden. Sie umfasst drei Manuskripte. Im ersten Manuskript wird gezeigt, dass die Einnahme eines REM Schlaf-reduzierenden Antidepressivums (Amitriptylin) die REM Schlaf abhängige perzeptiv-prozedurale Gedächtniskonsolidierung im Schlaf beeinträchtigt, während sie auf die Konsolidierung REM Schlaf unabhängiger Inhalte keinen Effekt hat. Eine weitere unerwünschte Arzneimittelwirkung von Amitriptylin wird im Manuskript 2 beschrieben: Amitriptylin kann den Schlaf stören, indem es das Auftreten periodischer Gliedmaßenbewegungen im Schlaf verstärkt. Im dritten Manuskript wird dargestellt, dass eine neue, fremde Schlafumgebung den Schlaf beeinträchtigen und sich eine solche Beeinträchtigung ähnlich wie eine chronische Schlafstörung auf die schlafabhängige Gedächtniskonsolidierung auswirken kann. Die Ergebnisse werden in den Manuskripten ausführlich diskutiert und im Epilog zusammengefasst sowie in Zusammenhang gesetzt. / Numerous studies suggest that sleep benefits memory consolidation and that the consolidation of different types of memory is differentially influenced by certain sleep stages. For example, consolidation of a perceptual skill is linked with rapid eye movement (REM) sleep whereas declarative memory consolidation is linked with slow wave sleep. Antidepressants strongly suppress REM sleep. Therefore, it is important to determine whether their use can affect memory consolidation. In this context, sleep disturbances are also of interest because when these are experienced REM sleep rather than slow wave sleep seems to become important for sleep-dependent declarative memory consolidation. The work in this thesis is based on a clinical trial (EudraCT 2007-003546-14) in which 32 male subjects (aged 18 through 39 years) were studied in a sleep laboratory over a 48 hour period. Three manuscripts are included. In the first manuscript, it is demonstrated that the REM sleep-suppressing antidepressant amitriptyline specifically impairs REM sleep-dependent perceptual skill learning, but not REM sleep-independent motor skill or declarative learning. In the second manuscript, another adverse effect of amitriptyline is presented: for the first time it is shown that amitriptyline can disturb sleep by inducing or increasing the number of periodic limb movements during sleep. In the third manuscript, it is demonstrated how sleeping in an unfamiliar environment can disturb sleep and how this kind of sleep disturbance can affect memory consolidation during sleep. The results from the specific studies are discussed in detail in the respective manuscripts and are summarized in the epilogue.

Die Aktivität des Hippocampus im Tiefschlaf ist geprägt durch sharp wave-ripple Komplexe (SPW-R): kurze (50–100 ms) Phasen mit erhöhter neuronaler Aktivität, moduliert durch eine schnelle “Ripple”-Oszillation (140–220 Hz). SPW-R werden mit Gedächtniskonsolidierung in Verbindung gebracht, aber ihr Ursprung ist unklar. Sowohl exzitatorische als auch inhibitorische Neuronpopulationen könnten die Oszillation generieren. Diese Arbeit analysiert Ripple-Oszillationen in inhibitorischen Netzwerkmodellen auf mikro-, meso- und makroskopischer Ebene und zeigt auf, wie die Ripple-Dynamik von exzitatorischem Input, inhibitorischer Kopplungsstärke und dem Rauschmodell abhängt. Zuerst wird ein stark getriebenes Interneuron-Netzwerk mit starker, verzögerter Kopplung analysiert. Es wird eine Theorie entwickelt, die die Drift-bedingte Feuerdynamik im Mean-field Grenzfall beschreibt. Die Ripple-Frequenz und die Dynamik der Membranpotentiale werden analytisch als Funktion des Inputs und der Netzwerkparameter angenähert. Die Theorie erklärt, warum die Ripple-Frequenz im Verlauf eines SPW-R-Ereignisses sinkt (intra-ripple frequency accommodation, IFA). Weiterhin zeigt eine numerische Analyse, dass ein alternatives Modell, basierend auf einem transienten Störungseffekt in einer schwach gekoppelten Interneuron-Population, unter biologisch plausiblen Annahmen keine IFA erzeugen kann. IFA kann somit zur Modellauswahl beitragen und deutet auf starke, verzögerte inhibitorische Kopplung als plausiblen Mechanismus hin. Schließlich wird die Anwendbarkeit eines kürzlich entwickelten mesoskopischen Ansatzes für die effiziente Simulation von Ripples in endlich großen Netzwerken geprüft. Dabei wird das Rauschen nicht im Input der Neurone beschrieben, sondern als stochastisches Feuern entsprechend einer Hazard-Rate. Es wird untersucht, wie die Wahl des Hazards die dynamische Suszeptibilität einzelner Neurone, und damit die Ripple-Dynamik in rekurrenten Interneuron-Netzwerken beeinflusst. / Hippocampal activity during sleep or rest is characterized by sharp wave-ripples (SPW-Rs): transient (50–100 ms) periods of elevated neuronal activity modulated by a fast oscillation — the ripple (140–220 Hz). SPW-Rs have been linked to memory consolidation, but their generation mechanism remains unclear. Multiple potential mechanisms have been proposed, relying on excitation and/or inhibition as the main pacemaker. This thesis analyzes ripple oscillations in inhibitory network models at micro-, meso-, and macroscopic scales and elucidates how the ripple dynamics depends on the excitatory drive, inhibitory coupling strength, and the noise model. First, an interneuron network under strong drive and strong coupling with delay is analyzed. A theory is developed that captures the drift-mediated spiking dynamics in the mean-field limit. The ripple frequency as well as the underlying dynamics of the membrane potential distribution are approximated analytically as a function of the external drive and network parameters. The theory explains why the ripple frequency decreases over the course of an event (intra-ripple frequency accommodation, IFA). Furthermore, numerical analysis shows that an alternative inhibitory ripple model, based on a transient ringing effect in a weakly coupled interneuron population, cannot account for IFA under biologically realistic assumptions. IFA can thus guide model selection and provides new support for strong, delayed inhibitory coupling as a mechanism for ripple generation. Finally, a recently proposed mesoscopic integration scheme is tested as a potential tool for the efficient numerical simulation of ripple dynamics in networks of finite size. This approach requires a switch of the noise model, from noisy input to stochastic output spiking mediated by a hazard function. It is demonstrated how the choice of a hazard function affects the linear response of single neurons and therefore the ripple dynamics in a recurrent interneuron network.