Osteoporose wird definiert als erworbene, generalisierte Skeletterkrankung, die durch eine verminderte Knochenfestigkeit und einen pathologischen Knochenverlust charakterisiert wird. Durch die Störung der Mikroarchitektur kommt es zu strukturellen und funktionellen Defiziten im Sinne von Fragilitätsfrakturen. Mechanische Stimulation erhält die Gewebemasse und stimuliert deren kontinuierliche Anpassung. Östrogene spielen bei der Entwicklung, dem Wachstum und der Regeneration des Knochens eine bedeutende Rolle und wirken über Bindung an die Östrogenrezeptoren ER und ER in bestimmten Zielgeweben. Östrogenrezeptoren sind unverändert sehr geeignete Targets für die Entwicklung von Medikamenten im Rahmen der Osteoporosetherapie wie z.B. die selektiven Östrogen-Rezeptor-Modulatoren (SERMs). Die molekulare Klärung der Einflüsse von ER und ER ist unverändert von großer klinischer Bedeutung. Die Herstellung stabiler Zelllinien mit Überexpression von Reportergenkonstrukten und Rezeptoren kann dabei hilfreich sein. In dieser Arbeit wurde eine stabile Zelllinie mit Überexpression von ERβ etabliert, die unterschiedliche Wirkung von ER und ER wurden analysiert und die Effekte von zyklischer Dehnung auf Reportergenexpression unter der Kontrolle von mechanosensitiven responsiven Elementen wurden charakterisiert. / Osteoporosis is defined as an acquired, generalized skeletal disorder which is characterized by reduced bone stability and pathological bone loss. A disorder of the microarchitecture leads to structural and functional deficiencies in the form of fragility fractures. Mechanical strain sustains tissue and stimulates its continuous adaptation. Estrogen plays an important role in the development, growth and regeneration of bones and works by binding to the estrogen receptors ERα und ERβ in certain target tissues. Estrogen receptors continue to be significant targets in the development of pharmaceuticals for osteoporosis therapy as for example selective estrogen receptor modulators (SERMs). The clarification of the influence of ERα and ERβ on a molecular level continue to be of great clinical significance. The creation of stable cell lines with overexpression of reporter gene constructs and receptors can be helpful in this. In this thesis a stable cell line with overexpression of ERβ was established, different effects of ERα und ERβ were analyzed and the effects of mechanical strain on reporter gene constructs under controlled mechanosensitive response elements were characterized.

Individuals constantly modulate their exploratory movements and adapt their internal hypotheses to incoming sensory information to achieve a thorough and realistic percept. Perception depends on the exploratory movements as well as influencing them. While this seems to be common sense, scientifically we know very little about the temporal dynamics during haptic exploration. To address this, we investigated the exploratory force modulations of two groups of healthy young adults during the exploration of grated surfaces with differing detection difficulty during successive (n = 20) and random stimulus presentation (n = 20). Results showed that exploratory force depended on stimulus properties and increased with increasing detection difficulty. Both experiments yielded the same direction of results with slightly smaller effects in the random stimulus presentation group. Across exploration time average fingertip force also increased. The biggest increase occurred systematically at the beginning (within the first 40 percent) of exploration time per stimulus indicating that most critical information is received during the initial contact phase and is directly transformed into the exploration procedure and force application. Furthermore, video-analyses and comparisons to our high temporal resolution data revealed strong dynamic changes in pressure application during test stimulus exploration with differences in the force dynamics and exploration strategies of simple and difficult stimuli.

In Drosophila larvae and adults, chordotonal organs (chos) are highly versatile mechanosensors that are essential for proprioception, touch sensation and hearing. Chos share molecular, anatomical and functional properties with the inner ear hair cells of mammals. These multiple similarities make chos powerful models for the molecular study of mechanosensation. In the present study, I have developed a preparation to directly record from the sensory neurons of larval chos (from the lateral chos or lch5) and managed to correlate defined mechanical inputs with the corresponding electrical outputs. The findings of this setup are described in several case studies. (1) The basal functional lch5 parameters, including the time course of response during continuous mechanical stimulation and the recovery time between successive bouts of stimulation, was characterized. (2) The calcium-independent receptor of α-latrotoxin (dCIRL/Latrophilin), an Adhesion class G protein-coupled receptor (aGPCR), is identified as a modulator of the mechanical signals perceived by lch5 neurons. The results indicate that dCIRL/Latrophilin is required for the perception of external and internal mechanical stimuli and shapes the sensitivity of neuronal mechanosensation. (3) By combining this setup with optogenetics, I have confirmed that dCIRL modulates lch5 neuronal activity at the level of their receptor current (sensory encoding) rather than their ability to generate action potentials. (4) dCIRL´s structural properties (e.g. ectodomain length) are essential for the mechanosensitive properties of chordotonal neurons. (5) The versatility of chos also provides an opportunity to study multimodalities at multiple levels. In this context, I performed an experiment to directly record neuronal activities at different temperatures. The results show that both spontaneous and mechanically evoked activity increase in proportion to temperature, suggesting that dCIRL is not required for thermosensation in chos. These findings, from the development of an assay of sound/vibration sensation, to neuronal signal processing, to molecular aspects of mechanosensory transduction, have provided the first insights into the mechanosensitivity of dCIRL. In addition to the functional screening of peripheral sensory neurons, another electrophysiological approach was applied in the central nervous system: dCIRL may impact the excitability of the motor neurons in the ventral nerve cord (VNC). In the second part of my work, whole-cell patch clamp recordings of motor neuron somata demonstrated that action potential firing in the dCirl\(^K\)\(^O\) did not differ from control samples, indicating comparable membrane excitability. / In Drosophila Larven, sowie in adulten Tieren, sind die Chordotonalorgane (Chos) sehr vielseitige Mechanosensoren und von wesentlicher Bedeutung für die Propriozeption, das Tastgefühl und die auditive Wahrnehmung. Chos teilen molekulare, anatomische und funktionelle Eigenschaften mit Innenohrhaarzellen der Säugetiere und machen sie somit zu leistungsstarken Modellen um molekulare Mechanismen der Mechanosensorik zu untersuchen. In der vorliegenden Studie habe ich ein Präparat entwickelt, um direkt von sensorischen Neuronen der larvalen Chos (von lateralen Chos oder lch5) abzuleiten und definierte mechanische Eingänge mit den korrelierenden elektrischen Ausgängen zu verbinden. Im Folgenden sind die Ergebnisse dieses experimentellen Setups zusammengefasst. (1) Die basalen funktionellen Parameter von lch5 insbesondere der Zeitverlauf der Reaktion während kontinuierlicher mechanischer Stimulation und die Erholungszeit zwischen aufeinanderfolgenden Stimulationen wurden bestimmt. (2) Der Calcium-unabhängige Rezeptor von α-Latrotoxin (dCIRL/Latrophilin), ein Adhäsion Klasse G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR) wurde als Modulator der von Ich5 Neuronen perzipierten mechanischen Signale identifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass dCIRL/Latrophilin für die Wahrnehmung der externen und internen mechanischen Reize erforderlich ist und die Empfindlichkeit neuronaler Mechanosensorik modelliert. (3) Mit Hilfe optogenetischer Werkzeuge konnte ich bestätigen, dass dCIRL die Aktivität von lch5 Neuronen auf Ebene des Rezeptorstroms (sensorische Kodierung) und nicht der Generierung von Aktionspotentialen moduliert. (4) Die strukturellen Eigenschaften von dCIRL (z.B. Ektodomänenlänge) sind wesentlich für die mechanosensitiven Eigenschaften von Chos. (5) Die Vielseitigkeit der Chos bietet des Weiteren die Möglichkeit, Multimodalitäten auf mehreren Ebenen zu untersuchen. In diesem Zusammenhang wurde die neuronale Aktivität der Chos bei verschiedenen Temperaturen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich sowohl spontane als auch mechanisch evozierte Aktivität im Verhältnis zur Temperatur erhöhen, was darauf hindeutet, dass dCIRL keine Rolle in der Temperaturwahrnehmung spielt. Diese Erkenntnisse, von der Entwicklung des Präparats der Ton/Vibrations Wahrnehmung, über die neuronalen Signalverarbeitung bis hin zu molekularen Aspekten der Mechanotransduktion, haben erste Einblicke in die Mechanosensitivität von dCIRL gewährt. Neben der funktionellen Charakterisierung peripherer sensorischer Neurone wurde ein weiterer elektrophysiologischer Ansatz im larvalen Zentralnervensystem gewählt, um zu untersuchen, ob sich dCIRL auf die Erregbarkeit motorischer Nervenzellen im Strickleiternervensystem (VNC) auswirkt. Im zweiten Teil meiner Arbeit wird mit Hilfe des whole-cell-patch-clamp-Verfahrens gezeigt, dass die Aktionspotentialfrequenz in Motoneuronen von dCirl\(^K\)\(^O\) Mutanten ähnlich derer von Kontrolltieren ist, d.h. ihre Membranerregbarkeit ist vergleichbar.

Individuals constantly modulate their exploratory movements and adapt their internal hypotheses to incoming sensory information to achieve a thorough and realistic percept. Perception depends on the exploratory movements as well as influencing them. While this seems to be common sense, scientifically we know very little about the temporal dynamics during haptic exploration. To address this, we investigated the exploratory force modulations of two groups of healthy young adults during the exploration of grated surfaces with differing detection difficulty during successive (n = 20) and random stimulus presentation (n = 20). Results showed that exploratory force depended on stimulus properties and increased with increasing detection difficulty. Both experiments yielded the same direction of results with slightly smaller effects in the random stimulus presentation group. Across exploration time average fingertip force also increased. The biggest increase occurred systematically at the beginning (within the first 40 percent) of exploration time per stimulus indicating that most critical information is received during the initial contact phase and is directly transformed into the exploration procedure and force application. Furthermore, video-analyses and comparisons to our high temporal resolution data revealed strong dynamic changes in pressure application during test stimulus exploration with differences in the force dynamics and exploration strategies of simple and difficult stimuli.

Im Fokus der vorliegenden kumulativ angefertigten Arbeit stehen vier wissenschaftliche Untersuchungen, deren Thematik die Vibrationssensorik des Menschen darstellt. Die aus Vibrationen gewonnenen Informationen führen zu wichtigen Regulationsmechanismen zum Beispiel zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes und des Ganges. Die Ermittlung von sogenannten Vibrationswahrnehmungsschwellen stellt eine Möglichkeit zur Quantifizierung des Funktionszustandes des somatosensorischen Systems dar. In diesem Zusammenhang ist die Kontrolle und Standardisierung einflussnehmender Messbedingungen auf die Bewertung der Vibrationssensorik wichtig. Im ersten Beitrag der vorliegenden Arbeit rückt die Rolle der Auflagekraft, mit welcher der Stößel der Messgeräte die zu untersuchende Hautpartie belastet, in den Fokus (Studie I). In den sich anschließenden Beiträgen werden die Wirkmechanismen der mechanischen Hauteigenschaften auf die Wahrnehmung von Vibrationen aus evolutionsbiologischer (Studie II) und pathologischer (Studie III) Sichtweise betrachtet. Im letzten Beitrag wird die potentielle Wirkung von unterschwelligen Rauschstimulationen als mögliche bewegungstherapeutische Maßnahme zur Verbesserung der sensorischen Leistungsfähigkeit untersucht (Studie IV). Am Ende der Arbeit erfolgt die übergreifende Diskussion der einzelnen Beiträge. Mit Hilfe der gewonnen Erkenntnisse werden Handlungsempfehlungen zur Verbesserung der Quantifizierung der Vibrationssensorik in klinischen und wissenschaftlichen Bereichen abgeleitet. Das erweiterte Verständnis über die Wirkmechanismen verschiedener Einflussgrößen auf die Vibrationssensorik unterstützt die gezielte Erforschung von bewegungstherapeutischen Maßnahmen zur Steigerung der sensorischen Leistungsfähigkeit des Menschen. / The focus of the present cumulative dissertation is on four scientific investigations that deal with the human vibration sensory system. The information obtained from vibrations leads to important regulatory mechanisms, for example to maintain balance and gait. Determining so-called vibration perception thresholds represents a possibility to quantify the functional condition of the somatosensory system. In this context, it is important to control and standardize the measurement conditions that influence the evaluation of the vibration sensory system. The first article of the present dissertation focuses on the role of the contact force with which the probe of a measuring device loads the skin area to be examined (Study I). In the subsequent contributions, the action mechanisms of mechanical skin properties regarding vibration perception are considered from an evolutionary (Study II) and pathological (Study III) point of view. In the last paper, the potential effect of subliminal noise stimulation is examined as a possible exercise therapy intervention to improve sensory performance (Study IV). A comprehensive discussion of the individual contributions is included at the end of the present dissertation. Using the gained knowledge, recommendations are derived to improve the quantification of vibration sensation in clinical and scientific areas. The broadened understanding of the mechanisms of action of different influencing variables regarding vibration sensation supports the targeted research of exercise therapy interventions to increase sensory performance in humans.