Zugl.: Duisburg-Essen, Universiẗat, Diss., 2003.

Tübingen, Univ., Diss., 2004.

Universiẗat, Diss., 2002--Münster (Westfalen).

Universiẗat, Diss., 2004--Münster (Westfalen).

Endogenous clocks regulate physiological as well as behavioral rhythms within all organisms. They are well investigated in D. melanogaster on a molecular as well as anatomical level. The neuronal clock network within the brain represents the center for rhythmic activity control. One neuronal clock subgroup, the pigment dispersing factor (PDF) neurons, stands out for its importance in regulating rhythmic behavior. These neurons express the neuropeptide PDF (pigment dispersing factor). A small neuropil at the medulla’s edge, the accessory medulla (AME), is of special interest, as it has been determined as the main center for clock control. It is not only highly innervated by the PDF neurons but also by terminals of all other clock neuron subgroups. Furthermore, terminals of the photoreceptors provide light information to the AME. Many different types of neurons converge within the AME and afterward spread to their next target. Thereby the AME is supplied with information from a variety of brain regions. Among these neurons are the aminergic ones whose receptors’ are expressed in the PDF neurons. The present study sheds light onto putative synaptic partners and anatomical arrangements within the neuronal clock network, especially within the AME, as such knowledge is a prerequisite to understand circadian behavior. The aminergic neurons’ conspicuous vicinity to the PDF neurons suggests synaptic communication among them. Thus, based on former anatomical studies regarding this issue detailed light microscopic studies have been performed. Double immunolabellings, analyses of the spatial relation of pre- and postsynaptic sites of the individual neuron populations with respect to each other and the identification of putative synaptic partners using GRASP reenforce the hypothesis of synaptic interactions within the AME between dopaminergic/ serotonergic neurons and the PDF neurons. To shed light on the synaptic partners I performed first steps in array tomography, as it allows terrific informative analyses of fluorescent signals on an ultrastructural level. Therefore, I tested different ways of sample preparation in order to achieve and optimize fluorescent signals on 100 nm thin tissue sections and I made overlays with electron microscopic images. Furthermore, I made assumptions about synaptic modulations within the neuronal clock network via glial cells. I detected their cell bodies in close vicinity to the AME and PDFcontaining clock neurons. It has already been shown that glial cells modulate the release of PDF from s-LNvs’ terminals within the dorsal brain. On an anatomical level this modulation appears to exist also within the AME, as synaptic contacts that involve PDF-positive dendritic terminals are embedded into glial fibers. Intriguingly, these postsynaptic PDF fibers are often VIIAbstract part of dyadic or even multiple-contact sites in opposite to prolonged presynaptic active zonesimplicating complex neuronal interactions within the AME. To unravel possible mechanisms of such synaptic arrangements, I tried to localize the ABC transporter White. Its presence within glial cells would indicate a recycling mechanism of transmitted amines which allows their fast re-provision. Taken together, synapses accompanied by glial cells appear to be a common arrangement within the AME to regulate circadian behavior. The complexity of mechanisms that contribute in modulation of circadian information is reflected by the complex diversity of synaptic arrangements that involves obviously several types of neuron populations / Endogene Uhren steuern sowohl physiologische als auch verhaltensbedingte Rhythmen bei allen Organismen. In D. melanogaster sind sie nicht nur auf molekularer sondern auch auf anatomischer Ebene bereits gut erforscht. Das neuronale Uhrnetzwerk im Gehirn stellt das Zentrum der Steuerung der rhythmischen Aktivität dar. Eine Uhrneuronengruppe sticht allein schon durch ihre besonderen anatomischen Eigenschaften hervor. Diese Neurone exprimieren das Neuropeptid PDF (pigment dispersing factor), welches zudem besonderen Einfluss auf die Lokomotionsaktivität der Fliege hat. Ein kleines Neuropil am Rande der Medulla, die akzessorische Medulla (AME) ist von besonderem Interesse, da neben seiner intensiven Innervation durch die PDF-Neurone auch Terminale aller anderen Uhrneuronengruppen zu finden sind. Zudem wird sie durch Terminale der Photorezeptoren mit Informatonen über die Lichtverhätnisse versorgt. Die AME erreichen des Weiteren Informationen aus vielen anderen Hirnregionen. Eine Vielzahl von Neuronentypen laufen in ihr zusammen, um sich anschließend wieder in verschiedenste Hirnareale zu verteilen. So wird die AME auch durchzogen von Fasern mit aminergem Inhalt, dessen Rezeptoren wiederum auf den PDF-Neuronen zu finden sind. Die vorliegende Arbeit gibt Aufschluss über vermutliche synaptische Partner und anatomische Anordnungen innerhalb des neuronalen Uhrnetzwerkes, insbesondere innerhalb der AME. Solch Wissen stellt eine Grundvoraussetzung dar, um zirkadianes Verhalten verstehen zu können. Die auffällige Nähe der aminergen Neurone zu den PDF Neuronen lässt eine synaptische Interaktion zwischen ihnen vermuten. Deshalb wurden basierend auf vorangegangen Studien detailiertere Untersuchungen dieser Thematik durchgeführt. So wird die Hypothese über synaptische Interaktionen innerhalb der AME zwischen dopaminergen/ serotonergen Neuronen und den PDF Neuronen bestärkt mittels Doppelimmunofärbungen, gegenüberstellende Analysen über die räumlichen Nähe von prä- und postsynaptischen Stellen der jeweiligen Neuronenpopulationen und durch die Identifikation vermutlicher synaptischer Partner unter Verwendung von GRASP. Zur möglichen Identifikation der synaptischen Partner unternahm ich erste Schritte in der Array Tomographie, welche hochinformative Analysen von fluoreszierenden Signalen auf einem ultrastrukturellen Level ermöglicht. Dazu testete ich verschieden Wege der Gewebepräparation, um Flureszenzsignale zu erhalten bzw. zu optimieren und bildete erste Überlagerungen der Fluoreszenz- und Elektronenmikrskopbilder. Die Auswertung der elektronenmikroskopischen Bilder erlaubten Mutmaßungen über mö- gliche synaptische Modulationen innerhalb des neuronalen Uhrnetzwerkes durch Gliazellen. Ihre Zellkörper fand ich in unmittelbarer Nähe zu den PDF Neuronen. Im dorsalen Hirn wurden neuronale Modulationen an den kleinen PDF Neuronen durch Gliazellen bereits festgestellt. Auf anatomischer Ebene scheint diese Modulation auch innerhalb der AME zu erfolgen, da synaptische Kontakte, welche PDF-positive Dendriten involvieren, von Gliafasern umgeben sind. Interessanterweise sind diese postsynaptischen PDF Fasern dabei oftmals Teil dyadischer oder sogar multipler Kontakte, die sich gegenüber einer ausgedehnten aktiven Zone befinden. Um mögliche Mechanismen solcher synaptischer Anordnungen zu erklären, versuchte ich den ABC Transporter White im Hirn von Drosophila zu lokalisieren. Seine Präsenz in Gliazellen würde auf einen Recyclingmechanismus hindeuten, welcher eine schnelle Wiederbereitstellung des Transmiters ermöglichen würde. Zusammengefasst scheinen Synapsen mit postsynaptischen PDF-Neuronen in Begleitung von Gliazellen, ein gebräuchliches synaptisches Arrangement innerhalb der AME dazustellen. Diese komplexe Diversität der synaptischen Anordnung reflektiert die komplexen Mechanismen, welche der Verarbeitung der zirkadianen Informationen zugrunde liegen

Charakterisierung neuraler Vorläuferzellen im pränatalen Neokortex des Nördlichen Spitzhörnchens (Tupaia belangeri) Einleitung: Im Verlauf der Evolution entwickelte sich der Neokortex zum komplexesten Anteil des Säugetiergehirns. Ausdifferenzierungen und eine immense Expansion des Neo-kortex, vor allem in der Primatenabstammungslinie, waren die Folge. Der größte Teil der neokortikalen Neurone wird während der Embryonal- und Fetalphase gebildet und stammt von sogenannten neuralen Stamm- und Progenitorzellen (NPCs) ab. Diese entstehen in zwei unterschiedlichen Keimschichten, der Ventrikulärzone (VZ) und der Subventrikulärzone (SVZ). Vorangegangene Studien zeigten, dass sich die Dicke der SVZ als auch das Vorhan-densein und die Häufigkeit bestimmter NPCs, besonders die der basalen radialen Gliazelle (bRG), zwischen lissenzephalen Nagetieren und gyrenzephalen Primaten erheblich unter-scheidet. Bislang werden überwiegend Nagetiere in Untersuchungen zu gehirnassoziierten Fragestellungen eingesetzt, wohlwissentlich dass es deutliche Unterschiede in der neokorti-kalen Entwicklung (d.h. in der Abundanz und Verteilung der unterschiedlichen NPCs) zwi-schen Mensch und Nagetier gibt. Die Etablierung eines Tiermodells, das eine ähnliche NPC- Ausstattung wie der Mensch besitzt, ist für das bessere Verständnis der humanen Neokorte-xentwicklung sowie neokortikaler Entwicklungsstörungen und Erkrankungen essenziell. Das nördliche Spitzhörnchen (Tupaia belangeri) ist ein rattengroßes Tier mit einem hohen Ge-hirn-Körpermasse-Verhältnis und steht phylogenetisch zwischen den Nagetieren und den Primaten. Ziel der Untersuchung: Ziel dieser Arbeit war es, die Präsenz, die Abundanz und die Ver-teilung der bRGs und anderer NPCs in den Keimzonen (VZ und SVZ) des sich entwickeln-den Neokortex des Tupaia belangeri zu erfassen. Die erhobenen Daten wurden mit vorhan-denen Daten von Makaken, Frettchen, Ratte und Maus verglichen, um zu erfahren, ob Schlüsselmerkmale der Neokortexentwicklung größere Gemeinsamkeiten zu gyrenzepha-len Primaten oder lissenzephalen Nagetieren zeigen. Tiere, Material und Methoden: Die Tupaiagehirne stammen von Tieren aus dem Institut für Biologie der Universität Leipzig, Fakultät für Biowissenschaften, Pharmazie und Psycho-logie und dem Institut für Zoologie der Tierärztlichen Hochschule Hannover. Das Alter der Proben bewegte sich von Embryonaltag 32 (n=2), 37 (n=2), 45 (n=2) bis hin zu Postnataltag (P) 1 (n=2). Die exakte Bestimmung des Alters der Tiere erfolgte über eine Scheitel-Steißlängen-Wachstumskurve. Die Gehirne wurden entnommen, fixiert und das gesamte Telenzephalon wurde von rostral nach kaudal in Einzelschnitte von 30 µm Dicke geschnitten und immunhistochemisch gefärbt. Dabei wurden fluoreszenmarkierte sekundäre Antikörper verwendet. Die visuelle Darstellung erfolgte mittels eines konfokalen Lasermikroskops (Leica SP8). Die Aufnahmen wurden mittels Fiji und Adobe Photoshop Software prozessiert. Die Quantifizierung der Zellen erfolgte mittels Fiji Software (Multiclass Cell Counter plug in). Die statistische Auswertung erfolgte durch R Software. Im Rahmen einer Ranganalyse wurden nichttransformierte Werte verschiedener neokortikaler Parameter unterschiedlicher Spezies verglichen und mit dem Kruskal-Wallis-Test mit anschließendem Conover post-hoc-Test auf eine statistische Signifikanz (p <0.05) geprüft. Darüber hinaus wurde nach Standardisierung mittels z-Score eine Hauptkomponentenanalyse, euklidische Distanzberechnung und hierar-chisches Clustern durchgeführt. Ergebnisse: Drei grundlegende Erkenntnisse stellen sich dar. Der sich entwickelnde Neo-kortex des Tupaia belangeri verfügt über (i) eine relativ große SVZ, (ii) eine hohe Abundanz von Pax6+ NPCs in der SVZ sowie über (iii) einen hohen Prozentsatz von bRGs zum Zeit-punkt der Bildung der oberen Kortexschichten. Durch die statistische Auswertung stellte sich heraus, dass bestimmte Schlüsselmerkmale in der Neokortexentstehung des Tupaia (d.h. Entwicklung der Keimzonen, Verteilung und Abundanz von unterschiedlichen NPCs) größe-re Ähnlichkeiten zu denen der gyrenzephalen Primaten als zu denen der lissenzephalen Na-getiere aufweisen. Beim Rangvergleich der untersuchten Parameter wurde eine statistische Signifikanz (siehe Tiere, Material und Methoden mit p <0.05) festgestellt. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass große Ähnlichkeiten zwischen den NPC Populationen im sich entwickelnden Neokortex von gyrenzephalen Primaten und Tupaia belangeri bestehen. Somit wird mit dem Tupaia belangeri der biomedizinischen For-schung und translationalen Medizin für die Untersuchung von entwicklungsbedingten Fehl-bildungen und Erkrankungen des Neokortex ein besonders geeignetes Tiermodell - als Al-ternative zu Maus, Ratte, Frettchen und Primaten - zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus bieten die gewonnenen Ergebnisse weitreichende Einsichten in die Evolution des Gehirns und die Phylogenese der NPCs der Säugetiere und sind somit für die Grundlagenforschung von großer Bedeutung.