Konstanz, Univ., Diplomarb., 2005.

Neurobiology is widely supported by bioinformatics. Due to the big amount of data generated from the biological side a computational approach is required. This thesis presents four different cases of bioinformatic tools applied to the service of Neurobiology. The first two tools presented belong to the field of image processing. In the first case, we make use of an algorithm based on the wavelet transformation to assess calcium activity events in cultured neurons. We designed an open source tool to assist neurobiology researchers in the analysis of calcium imaging videos. Such analysis is usually done manually which is time consuming and highly subjective. Our tool speeds up the work and offers the possibility of an unbiased detection of the calcium events. Even more important is that our algorithm not only detects the neuron spiking activity but also local spontaneous activity which is normally discarded because it is considered irrelevant. We showed that this activity is determinant in the calcium dynamics in neurons and it is involved in important functions like signal modulation and memory and learning. The second project is a segmentation task. In our case we are interested in segmenting the neuron nuclei in electron microscopy images of c.elegans. Marking these structures is necessary in order to reconstruct the connectome of the organism. C.elegans is a great study case due to the simplicity of its nervous system (only 502 neurons). This worm, despite its simplicity has taught us a lot about neuronal mechanisms. There is still a lot of information we can extract from the c.elegans, therein lies the importance of reconstructing its connectome. There is a current version of the c.elegans connectome but it was done by hand and on a single subject which leaves a big room for errors. By automatizing the segmentation of the electron microscopy images we guarantee an unbiased approach and we will be able to verify the connectome on several subjects. For the third project we moved from image processing applications to biological modeling. Because of the high complexity of even small biological systems it is necessary to analyze them with the help of computational tools. The term in silico was coined to refer to such computational models of biological systems. We designed an in silico model of the TNF (Tumor necrosis factor) ligand and its two principal receptors. This biological system is of high relevance because it is involved in the inflammation process. Inflammation is of most importance as protection mechanism but it can also lead to complicated diseases (e.g. cancer). Chronic inflammation processes can be particularly dangerous in the brain. In order to better understand the dynamics that govern the TNF system we created a model using the BioNetGen language. This is a rule based language that allows one to simulate systems where multiple agents are governed by a single rule. Using our model we characterized the TNF system and hypothesized about the relation of the ligand with each of the two receptors. Our hypotheses can be later used to define drug targets in the system or possible treatments for chronic inflammation or lack of the inflammatory response. The final project deals with the protein folding problem. In our organism proteins are folded all the time, because only in their folded conformation are proteins capable of doing their job (with some very few exceptions). This folding process presents a great challenge for science because it has been shown to be an NP problem. NP means non deterministic Polynomial time problem. This basically means that this kind of problems cannot be efficiently solved. Nevertheless, somehow the body is capable of folding a protein in just milliseconds. This phenomenon puzzles not only biologists but also mathematicians. In mathematics NP problems have been studied for a long time and it is known that given the solution to one NP problem we could solve many of them (i.e. NP-complete problems). If we manage to understand how nature solves the protein folding problem then we might be able to apply this solution to many other problems. Our research intends to contribute to this discussion. Unfortunately, not to explain how nature solves the protein folding problem, but to explain that it does not solve the problem at all. This seems contradictory since I just mentioned that the body folds proteins all the time, but our hypothesis is that the organisms have learned to solve a simplified version of the NP problem. Nature does not solve the protein folding problem in its full complexity. It simply solves a small instance of the problem. An instance which is as simple as a convex optimization problem. We formulate the protein folding problem as an optimization problem to illustrate our claim and present some toy examples to illustrate the formulation. If our hypothesis is true, it means that protein folding is a simple problem. So we just need to understand and model the conditions of the vicinity inside the cell at the moment the folding process occurs. Once we understand this starting conformation and its influence in the folding process we will be able to design treatments for amyloid diseases such as Alzheimer's and Parkinson's. In summary this thesis project contributes to the neurobiology research field from four different fronts. Two are practical contributions with immediate benefits, such as the calcium imaging video analysis tool and the TNF in silico model. The neuron nuclei segmentation is a contribution for the near future. A step towards the full annotation of the c.elegans connectome and later for the reconstruction of the connectome of other species. And finally, the protein folding project is a first impulse to change the way we conceive the protein folding process in nature. We try to point future research in a novel direction, where the amino code is not the most relevant characteristic of the process but the conditions within the cell. / Neurobiologie wird durch Bioinformatik unterstützt, aufgrund der großen Datenmengen, die von biologischer Seite her anfallen, bedarf es eines rechnerischen Ansatzes, um diese Daten sinnvoll zu interpretieren. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden vier Werkzeuge aus dem Bereich der Bioinformatik für die Anwendung in der Neurobiologie vorgestellt. Die ersten beiden Werkzeuge gehören zum Bereich der digitalen Bildverarbeitung. Das erste Werkzeug nutzt einen Algorithmus basierend auf der Wavelet-Transformation, um Calciumaktivität in Neuronenkulturen zu bewerten. Hierzu wurde Open-Source-Software entwickelt, die Neurobiologen bei der Analyse von Videoaufnahmen unterstützt. Diese Analyse wird herkömmlicherweise manuell vorgenommen, sodass der Prozess zeitintensiv und sehr subjektiv ist. Die entwickelte Software beschleunigt den Arbeitsprozess und ermöglicht eine unverzerrte Detektion der Ereignisse in Bezug auf Calcium. Von noch größerer Bedeutsamkeit ist die Tatsache, dass der entwickelte Algorithmus nicht nur neuronale Spiking-Aktivität detektiert, sondern auch lokale Spontanaktivität, die herkömmlicherweise als irrelevant betrachtet und daher verworfen wird. Wir konnten zeigen, dass diese Spontanaktivität hohe Relevanz für die Dynamik von Calcium in den Neuronen besitzt und wahrscheinlich an wichtigen Funktionen beteiligt ist, wie der Signalmodulation, Lernen und Gedächtnis. Beim zweiten Projekt handelt es sich um eine Segmentierungsaufgabe. Wir sind daran interessiert, die neuronalen Zellkerne in elektromikroskopischen Aufnahmen des C.elegans zu segmentieren. Die Kennzeichnung dieser Struktur ist notwendig, um das Konnektom dieses Organismus zu rekonstruieren. Als Studienobjekt eignet sich C.elegans aufgrund der Simplizität seines Nervensystems (er besteht lediglich aus 502 Neuronen). Trotz der Simplizität des Nervensystems dieses Wurms konnten wichtige Erkenntnisse im Hinblick auf neuronale Mechanismen durch die Untersuchung dieses Modellorganismus gewonnen werden. Daher ist die Bestimmung des Konnektoms bedeutsam. Es existiert bereits eine Version des Konnektoms, doch diese wurde händig für lediglich ein Subjekt rekonstruiert und ist daher möglicherweise fehlerbehaftet. Die automatisierte Segmentierung der elektronenmikroskopischen Aufnahmen ermöglicht einen weniger verzerrten Ansatz, der zudem die Verifizierung an mehreren Subjekten gestattet. Das dritte Projekt dieser Dissertation ist ein Projekt zur Modellierung und Simulation eines biologischen Systems. Aufgrund der hohen Komplexität selbst kleinster biologischer Systeme ist die computergestützte Analyse notwendig. Der Begriff in silico wurde für die computergestützte Simulation biologischer Systeme geprägt. Wir haben ein in silico Modell des TNF (Tumornekrosefaktor) Ligand und seiner zwei Hauptrezeptoren entwickelt. Dieses biologische System ist von hoher Bedeutsamkeit, da es am Entzündungsprozess beteiligt ist, der höchste Wichtigkeit als Schutzmechanismus hat, aber es kann auch komplizierte Erkrankungen auslösen (beispielsweise Krebs), falls es zu einer chronischen Entzündungsreaktion kommt. Derartige Entzündungsprozesse können besonders gefährlich im Gehirn sein. Das System muss eine schwierige Balance zwischen protektiver Funktion und möglicher Krankheitsursache behalten. Um die Dynamiken besser zu verstehen, die das TNF System leiten, haben wir ein Modell mittels der BioNetGen Sprache erstellt. Diese regelbasierte Sprache ermöglicht es ein System zu simulieren, in dem multiple Agenten geleitet werden von einer Regel. Mithilfe unseres Modells charakterisieren wir das TNF System und stellen Hypothesen über die Beziehung des Liganden mit den beiden Rezeptoren auf. Diese Hypothesen können später genutzt werden, um mögliche Ziele im System für Arzneimittel, mögliche Behandlungen für chronische Entzündungen oder das Fehlen einer Entzündungsreaktion zu bestimmen. Im abschießenden Projekt wird das Proteinfaltungsproblem behandelt. In unserem Organismus werden ständig Proteine gefaltet, denn nur im gefalteten Zustand können sie ihrer Aufgabe nachkommen (mit sehr wenigen Ausnahmen). Dieser Faltungsprozess stellt eine große Herausforderung für die Wissenschaft dar, weil gezeigt wurde, dass der Faltungsprozess ein NP Problem ist. NP steht dabei für nichtdeterministisch polynomielles Zeitproblem. Dies bedeutet im Grunde, dass es nicht effizient gelöst werden kann. Nichtsdestotrotz ist der Körper in der Lage, ein Protein in Millisekunden zu falten. Dieses Phänomen stellt nicht nur Biologen sondern auch Mathematiker vor Rätsel. In der Mathematik wurde diese Probleme schon lange studiert und es ist bekannt, dass die Kenntnis der Lösung eines NP Problems die Lösung vieler bedeuten würde (insbesondere NP-kompletter Probleme). Daher ist die Idee, dass viele Probleme gelöst werden könnten, durch das Verständnis davon, wie die Natur das Problem löst. Unsere Forschung zielt darauf ab, zu dieser Diskussion beizutragen, allerdings nicht durch die Erklärung davon, wie die Natur das Problem löst, sondern durch die Erklärung, dass die Natur das Problem nicht löst. Dies scheint zunächst widersprüchlich, da der Körper ständig Proteine faltet. Unsere Hypothese besagt jedoch, dass der Organismus gelernt hat, eine vereinfachte Version des NP Problems zu lösen. Die Natur löst das Problem nicht in seiner vollen Komplexität, sondern nur eine kleine Instanz davon. Eine Instanz, die ein konvexes Optimierungsproblem darstellt. Wir formulieren das Proteinfaltungsproblem als konvexes Optimierungsproblem und zur Illustrierung unserer Behauptung nutzen wir theoretische Beispiele. Wenn die Hypothese zutrifft, bedeutet dies, dass das Proteinfaltungsproblem ein einfaches ist und wir müssen lediglich die Ausgangskonstellation der Umgebung in der Zelle verstehen und modellieren, in dem Moment in dem die Faltung passiert. Sobald wir die Ausgangskonstellation und den Einfluss auf den Faltungsprozess verstehen, können wir Behandlungen für Amyloid-Krankheiten, wie Alzheimer-Demenz und Morbus Parkinson entwickeln. Zusammenfassend trägt die vorliegende Dissertation zu neurobiologischer Forschung durch vier Ansätze bei. Zwei sind praktische Beiträge mit sofortigem Nutzen für die Forschung, dazu zählen das Videoanalyse Tool für Calcium Aufnahmen und das TNF in silico Modell. Die neuronale Zellkernsegmentierung ist ein Beitrag für die nahe Zukunft – ein Schritt zur Vervollständigung des Konnektoms des C.elegans und langfristig zur Rekonstruktion der Konnektome anderer Spezies. Und schließlich ist das Proteinfaltungsprojekt ein erster Impuls den Proteinfaltungsprozess anders zu denken. Wir versuchen zukünftige Forschung in eine andere Richtung zu lenken, wobei nicht der Aminosäurecode das relevanteste Charakteristikum des Prozesses ist, sondern vielmehr die Bedingungen innerhalb der Zelle.

Titre de l'écran-titre (visionné le 28 février 2024) / Le libre arbitre existe-t-il ? Cette question a traversé l'histoire de la philosophie et elle est toujours d'actualité. Contrairement aux philosophes qui ont essayé d'apporter des réponses à cette question sur le plan théorique, les neuroscientifiques ont observé le fonctionnement du cerveau dans un processus de prise de décision. Le neurobiologiste Benjamin Libet a été le premier à tenter d'établir l'existence du libre arbitre en menant des expériences visant à examiner les processus cérébraux par lesquels les agents accomplissent des actions qu'ils considèrent comme libres. Le résultat de ses expériences a montré que le cerveau initie inconsciemment les choix, les décisions ou les actions 400 m sec avant que les agents n'en prennent conscience. Cela signifie que les actions sont initiées de manière inconsciente, bien que l'agent ait l'impression d'être celui qui les initie. En d'autres termes, le libre arbitre est une sorte d'illusion du cerveau. Cependant, Libet a découvert également que même si l'agent n'est pas à l'origine de ses propres actions, il peut les contrôler grâce à son « droit de véto conscient ». Ainsi, selon Libet, le libre arbitre n'est rien d'autre qu'une capacité de contrôle de l'action. Mais peut-on vraiment défendre l'existence du libre arbitre en le considérant comme une capacité de contrôle conscient plutôt comme une capacité à initier des actions librement ? Disposons-nous vraiment du libre arbitre si nous ne sommes pas en mesure d'initier librement nos actions ? Ces questions définissent le problème général sur lequel porte ma recherche. Dans cette thèse, je soutiens que le libre arbitre est à la fois une capacité à initier et à contrôler des actions. Je montre que pour qu'une action soit considérée comme libre, elle doit être initiée consciemment et découler d'une intention. En m'appuyant sur le modèle Croyance-Désir-Intention (CDI) et sur les travaux d'Élisabeth Pacherie, je défends que les intentions initient, guident et soutiennent le processus de l'action libre. Les intentions permettent une orientation cognitive et situationnelle ainsi qu'un contrôle moteur de l'action. Le libre arbitre n'est donc pas une illusion : c'est une capacité réelle. / Does free will exist? This question has crossed the history of philosophy and is still relevant today. Unlike philosophers, who have tried to answer this question on the theoretical level, neuroscientists have observed the functioning of the brain in the decision-making process. Neurobiologist Benjamin Libet was the first to attempt establishing the existence of free will by conducting experiments to examine the processes in the brain by which agents perform actions that they consider as free. The result of his experiments showed that the brain unconsciously initiates choices, decisions, or actions 400 m sec before the agents become aware of them. This means that actions are initiated unconsciously, though the agent feels that she is the one who initiates them. In other words, free will is a kind of illusion of the brain. However, Libet also discovered that even if the agent does not initiate her own actions, she can control them using her “conscious power of veto”. Therefore, according to Libet, free will is nothing more than a capacity to control action. But can we really defend the existence of free will understood as a conscious control capacity rather than as a capacity to initiate actions freely ? Do we really have free will if we are unable to initiate our own actions freely ? These questions outline the general problem my research is addressing. In this thesis, I argue that free will is both a capacity to initiate and to control actions. I show that for an action to be considered free, it must be initiated consciously, and derive from an intention. Drawing on the Belief-Desire-Intention model (BDI) and on the work of Élisabeth Pacherie, I establish that intentions initiate, guide, and support the process of free action. Intentions allow for cognitive and situational guidance as well as motor control of action. Free will is not an illusion : it's a real capacity.

While depressive disorders are, to date, diagnosed based on behavioral symptoms and course of illness, the interest in neurobiological markers of psychiatric disorders has grown substantially in recent years. However, current classification approaches are mainly based on data from a single biomarker, making it difficult to predict diseases such as depression which are characterized by a complex pattern of symptoms. Accordingly, none of the previously investigated single biomarkers has shown sufficient predictive power for practical application. In this work, we therefore propose an algorithm which integrates neuroimaging data associated with multiple, symptom-related neural processes relevant in depression to improve classification accuracy. First, we identified the core-symptoms of depression from standard classification systems. Then, we designed and conducted three experimental paradigms probing psychological processes known to be related to these symptoms using functional Magnetic Resonance Imaging. In order to integrate the resulting 12 high-dimensional biomarkers, we developed a multi-source pattern recognition algorithm based on a combination of Gaussian Process Classifiers and decision trees. Applying this approach to a group of 30 healthy controls and 30 depressive in-patients who were on a variety of medications and displayed varying degrees of symptom-severity allowed for high-accuracy single-subject classification. Specifically, integrating biomarkers yielded an accuracy of 83% while the best of the 12 single biomarkers alone classified a significantly lower number of subjects (72%) correctly. Thus, integrated biomarker-based classification of a heterogeneous, real-life sample resulted in accuracy comparable to the highest ever achieved in previous single biomarker research. Furthermore, investigation of the final prediction model revealed that neural activation during the processing of neutral facial expressions, large rewards, and safety cues is most relevant for over-all classification. We conclude that combining brain activation related to the core-symptoms of depression using the multi-source pattern classification approach developed in this work substantially increases classification accuracy while providing a sparse relational biomarker-model for future prediction. / Während depressive Erkrankungen bislang größtenteils auf der Basis von Symptomen auf der Verhaltensebene und den jeweiligen Krankheitsverläufen diagnostiziert werden, hat das Interesse an der Verwendung neurobiologischer Marker bei psychischen Erkrankungen in den letzten Jahren stark zugenommen. Da jedoch die momentan verfügbaren Klassifikationsansätze zumeist auf Informationen eines einzelnen Biomarkers beruhen, ist die Vorhersage von auf der Symptomebene so komplexen Erkrankungen wie Depressionen in der Praxis deutlich erschwert. Dementsprechend konnte keiner der einzelnen bisher untersuchten Biomarker eine Vorhersagegüte erreichen, die für die praktische Anwendung eines solchen Ansatzes im klinischen Alltag ausreichend wäre. Vor diesem Hintergrund schlagen wir deshalb zur Verbesserung der Klassifikationsgüte einen Algorithmus vor, der Messdaten vielfältiger depressionsrelevanter neuronaler Prozesse integriert. Zunächst wurden hierzu die Kernsymptome depressiver Erkrankungen aus standardisierten Klassifikationssystemen ermittelt. Anschließend entwickelten wir drei experimentelle Paradigmen, welche die Messung neuronaler Korrelate der mit den depressiven Kernsymptomen assoziierten psychologischen Prozesse mittels funktioneller Kernspintomographie ermöglichen. Um die resultierenden 12 hochdimensionalen Biomarker zu integrieren, entwickelten wir basierend auf der Kombination von Gauß-Prozess Klassifikatoren und Entscheidungsbäumen einen zweistufigen Mustererkennungsalgorithmus für multiple, hochdimensionale Datenquellen. Dieser Ansatz wurde an einer Gruppe von 30 gesunden Probanden und 30 unterschiedlich schwer betroffenen und unterschiedlich medizierten stationären depressiven Patienten evaluiert. Insgesamt ermöglicht der Ansatz eine hohe Klassifikationsgüte auf Einzelfallebene. Insbesondere die Integration der verschiedenen Biomarker führte zu einer Klassifikationsgüte von 83%, wohingegen die alleinige Klassifikationsgüte der 12 einzelnen Biomarker mit bestenfalls 72% deutlich geringer ausfiel. Somit konnte der entwickelte Klassifikationsansatz in einer heterogenen, im Alltag aber typisch anzutreffenden depressiven Patientenstichprobe, eine Klassifikationsgüte erreichen, die mit der bislang bestmöglichen durch einzelne Biomarker erreichten Klassifikationsgüte in selektiven Einzelstichproben vergleichbar ist. Darüber hinaus zeigte die Analyse des empirischen Prädiktionsmodells, dass die Kombination der neuronalen Aktivität während der Verarbeitung von neutralen Gesichtern, großen monetären Belohnungen und Sicherheitssignalen zur optimalen Gesamtklassifikation führt. Zusammenfassend lässt sich schlussfolgern, dass der im Rahmen dieser Arbeit entwickelte, zweistufige Mustererkennungsalgorithmus für multiple, hochdimensionale Datenquellen die Klassifikationsgüte substantiell verbessert und erstmals die Konstruktion eines effizienten relationalen Biomarker-Modells für zukünftige Vorhersagen ermöglicht.

Bees have had an intimate relationship with humans for millennia, as pollinators of fruit, vegetable and other crops and suppliers of honey, wax and other products. This relationship has led to an extensive understanding of their ecology and behavior. One of the most comprehensively understood species is the Western honeybee, Apis mellifera. Our understanding of sex-specific investment in other bees, however, has remained superficial. Signals and cues employed in bee foraging and mating behavior are reasonably well understood in only a handful of species and functional adaptations are described in some species. I explored the variety of sensory adaptations in three model systems within the bees. Females share a similar ecology and similar functional morphologies are to be expected. Males, engage mainly in mating behavior. A variety of male mating strategies has been described which differ in their spatiotemporal features and in the signals and cues involved, and thus selection pressures. As a consequence, males’ sensory systems are more diverse than those of females. In the first part I studied adaptations of the visual system in honeybees. I compared sex and caste-specific eye morphology among 5 species (Apis andreniformis, A. cerana, A. dorsata, A. florea, A. mellifera). I found a strong correlation between body size and eye size in both female castes. Queens have a relatively reduced visual system which is in line with the reduced role of visual perception in their life history. Workers differed in eye size and functional morphology, which corresponds to known foraging differences among species. In males, the eyes are conspicuously enlarged in all species, but a disproportionate enlargement was found in two species (A. dorsata, A. florea). I further demonstrate a correlation between male visual parameters and mating flight time, and propose that light intensities play an important role in the species-specific timing of mating flights. In the second study I investigated eye morphology differences among two phenotypes of drones in the Western honeybee. Besides normal-sized drones, smaller drones are reared in the colony, and suffer from reduced reproductive success. My results suggest that the smaller phenotype does not differ in spatial resolution of its visual system, but suffers from reduced light and contrast sensitivity which may exacerbate the reduction in reproductive success caused by other factors. In the third study I investigated the morphology of the visual system in bumblebees. I explored the association between male eye size and mating behavior and investigated the diversity of compound eye morphology among workers, queens and males in 11 species. I identified adaptations of workers that correlate with distinct foraging differences among species. Bumblebee queens must, in contrast to honeybees, fulfill similar tasks as workers in the first part of their life, and correspondingly visual parameters are similar among both female castes. Enlarged male eyes are found in several subgenera and have evolved several times independently within the genus, which I demonstrate using phylogenetic informed statistics. Males of these species engage in visually guided mating behavior. I find similarities in the functional eye morphology among large-eyed males in four subgenera, suggesting convergent evolution as adaptation to similar visual tasks. In the remaining species, males do not differ significantly from workers in their eye morphology. In the fourth study I investigated the sexual dimorphism of the visual system in a solitary bee species. Males of Eucera berlandi patrol nesting sites and compete for first access to virgin females. Males have enlarged eyes and better spatial resolution in their frontal eye region. In a behavioral study, I tested the effect of target size and speed on male mate catching success. 3-D reconstructions of the chasing flights revealed that angular target size is an important parameter in male chasing behavior. I discuss similarities to other insects that face similar problems in visual target detection. In the fifth study I examined the olfactory system of E. berlandi. Males have extremely long antennae. To investigate the anatomical grounds of this elongation I studied antennal morphology in detail in the periphery and follow the sexual dimorphism into the brain. Functional adaptations were found in males (e.g. longer antennae, a multiplication of olfactory sensilla and receptor neurons, hypertrophied macroglomeruli, a numerical reduction of glomeruli in males and sexually dimorphic investment in higher order processing regions in the brain), which were similar to those observed in honeybee drones. The similarities and differences are discussed in the context of solitary vs. eusocial lifestyle and the corresponding consequences for selection acting on males. / Bienen und Menschen verbindet eine lange andauernde und enge Beziehung. Diese enge Beziehung hat zu einem ausgeprägten Wissen über die Ökologie und das Verhalten geführt. Die am besten untersuchte Bienenart ist die westliche Honigbiene, Apis mellifera. Der ausgeprägte Kasten- und Sexualdimorphismus hat das Studium der Geschlechterunterschiede vereinfacht und vorangetrieben. Unser Wissen über geschlechtsspezifische Investitionen bei Bienen ist jedoch in vielerlei Hinsicht lückenhaft geblieben. Die Signale und Achtungssignale die im Paarungsverhalten eine Rolle spielen sind nur bei einer Handvoll Arten hinreichend bekannt und funktionelle Anpassungen an diese sind in wenigen Arten beschrieben. In dieser Arbeit habe ich sensorische Anpassungen an geschlechtsspezifische Verhaltensweisen in drei Bienengruppen genauer untersucht. Weibchen und Arbeiterinnen haben generell eine ähnliche Lebensweise. Männchen beschäftigen sich fast ausschließlich mit der Partnersuche. Infolgedessen, zeigt die Sensorik der Männchen eine größere Vielfalt an morphologischen und funktionellen Anpassungen als die der Weibchen. Im ersten Abschnitt dieser Arbeit habe ich Anpassungen des visuellen Systems von 5 Honigbienenarten (Apis andreniformis, A. cerana, A. dorsata, A. florea, A. mellifera) untersucht. Ich finde eine deutliche Korrelation zwischen Körper- und Augengröße bei beiden weiblichen Kasten. Königinnen haben relativ kleinere Augen als Arbeiterinnen, was der verringerten Rolle visueller Wahrnehmung im Lebenszyklus dieser Kaste entspricht. Die Arbeiterinnen unterschieden sich sowohl in ihrer Augengröße als auch in der funktionellen Morphologie. Die Unterschiede passen jeweils zu der artspezifischen Ökologie. Drohnen aller Arten haben auffällig vergrößerte Augen, jedoch sind sie in zwei Arten (A. dorsata, A. florea) überproportional vergrößert. Zusätzlich zeige ich, dass bestimmte Augenparameter mit dem artspezifischen Paarungszeitpunkt korrelieren, und schlage vor, dass die Lichtintensität eine Rolle bei der Feststellung des richtigen Paarungszeitpunktes spielen könnte. In der zweiten Untersuchung habe ich die Augen von zwei Drohnenphänotypen von A. mellifera untersucht. Neben normalen Drohen werden in der Kolonie auch kleinere Drohnen aufgezogen, die unter einem geringeren Fortpflanzungserfolg leiden. Meine Ergebnisse zeigen, dass sich die Phänotypen vermutlich nicht in der räumlichen Auflösungsfähigkeit, jedoch in der Lichtempfindlichkeit der Augen von normalen Drohnen unterscheiden. In der dritten Untersuchung habe ich die Augenmorphologie bei 11 Hummelarten untersucht. Ich beschreibe in dieser Studie Anpassungen der Arbeiterinnen, die vermutlich mit der Habitatwahl im Zusammenhang stehen. Hummelköniginnen sind, im Gegensatz zu Königinnen der Honigbiene, in der ersten Zeit nach der Koloniegründung auf sich allein gestellt und müssen alle Aufgaben, die später von den Arbeiterinnen übernommen werden, selbst ausführen. Dementsprechend sind die Augen beider Weibchenkasten ähnlich in ihrer relativen Größe und funktionellen Morphologie. Vergrößerte Augen der Männchen können in Arten verschiedener Untergattungen gefunden werden und der Phänotyp ist im Laufe der Evolution mehrfach unabhängig entstanden, was ich mit phylogenetisch vergleichenden Methoden zeige. Die Augenmorphologie der vier untersuchten großäugigen Arten ist sehr ähnlich, was auf konvergente Evolution hinweist. Die Augenmorphologie der restlichen Arten unterscheidet sich hingegen nicht deutlich von jener der Weibchen. In der vierten Untersuchung habe ich mich dem Sexualdimorphismus der Solitärbienenart Eucera berlandi gewidmet. Männchen haben größere Augen und sowohl größere Facetten als auch eine höhere räumliche Auflösung im frontalen Gesichtsfeld als Weibchen. In einem Verhaltensversuch habe ich die Auswirkungen der Größe von Weibchendummies auf die Detektion getestet. In 3-D Rekonstruktionen der Weibchenverfolgung zeigte sich dass die Winkelgröße des Objektes, eine von der Distanz unabhängige Größe, eine wichtige Rolle spielt. Im Zusammenhang mit den gefundenen Daten diskutiere ich die Parallelen zu anderen Insektenarten. In der fünften Studie untersuche ich das olfaktorische System von E. berlandi. Männchen haben extreme lange Antennen. Um die anatomischen Grundlagen der geschlechtsspezifischen Antennenmorphologie zu untersuchen habe ich die Antennen beider Geschlechter im Detail studiert. Zusätzlich bin ich dem Dimorphismus entlang der olfaktorischen Bahn bis ins Gehirn gefolgt. Männchen zeige funktionelle Anpassungen (z.B. längere Antennen, eine höhere Anzahl an olfaktorischen Sensillen und Rezeptorneuronen, stark vergrößerte Glomeruli im Antennallobus, eine zahlenmäßige Reduktion der Glomeruli und geschlecherspezifische Investition in höhere Integrationszentren im Gehirn) an die Weibchendetektion.

Large-scale anatomical and functional analyses of the connectivity in both invertebrate and mammalian brains have gained intense attention in recent years. At the same time, the understanding of synapses on a molecular level still lacks behind. We have only begun to unravel the basic mechanisms of how the most important synaptic proteins regulate release and reception of neurotransmitter molecules, as well as changes of synaptic strength. Furthermore, little is known regarding the stoichiometry of presynaptic proteins at different synapses within an organism. An assessment of these characteristics would certainly promote our comprehension of the properties of different synapse types. Presynaptic proteins directly influence, for example, the probability of neurotransmitter release as well as mechanisms for short-term plasticity. We have examined the strength of expression of several presynaptic proteins at different synapse types in the central nervous system of Drosophila melanogaster using immunohistochemistry. Clear differences in the relative abundances of the proteins were obvious on different levels: variations in staining intensities appeared from the neuropil to the synaptic level. In order to quantify these differences, we have developed a ratiometric analysis of antibody stainings. By application of this ratiometric method, we could assign average ratios of presynaptic proteins to different synapse populations in two central relays of the olfactory pathway. In this manner, synapse types could be characterized by distinct fingerprints of presynaptic protein ratios. Subsequently, we used the method for the analysis of aberrant situations: we reduced levels of Bruchpilot, a major presynaptic protein, and ablated different synapse or cell types. Evoked changes of ratio fingerprints were proportional to the modifications we had induced in the system. Thus, such ratio signatures are well suited for the characterization of synapses. In order to contribute to our understanding of both the molecular composition and the function of synapses, we also characterized a novel synaptic protein. This protein, Drep-2, is a member of the Dff family of regulators of apoptosis. We generated drep-2 mutants, which did not show an obvious misregulation of apoptosis. By contrast, Drep-2 was found to be a neuronal protein, highly enriched for example at postsynaptic receptor fields of the input synapses of the major learning centre of insects, the mushroom bodies. Flies mutant for drep-2 were viable but lived shorter than wildtypes. Basic synaptic transmission at both peripheral and central synapses was in normal ranges. However, drep-2 mutants showed a number of deficiencies in adaptive behaviours: adult flies were locomotor hyperactive and hypersensitive towards ethanol-induced sedation. Moreover, the mutant animals were heavily impaired in associative learning. In aversive olfactory conditioning, drep-2 mutants formed neither short-term nor anaesthesia-sensitive memories. We could demonstrate that Drep-2 is required in mushroom body intrinsic neurons for normal olfactory learning. Furthermore, odour-evoked calcium transients in these neurons, a prerequisite for learning, were reduced in drep-2 mutants. The impairment of the mutants in olfactory learning could be fully rescued by pharmacological application of an agonist to metabotropic glutamate receptors (mGluRs). Quantitative mass spectrometry of Drep-2 complexes revealed that the protein is associated with a large number of translational repressors, among them the fragile X mental retardation protein FMRP. FMRP inhibits mGluR-mediated protein synthesis. Lack of this protein causes the fragile X syndrome, which constitutes the most frequent monogenic cause of autism. Examination of the performance of drep-2 mutants in courtship conditioning showed that the animals were deficient in both short- and long-term memory. Drep-2 mutants share these phenotypes with fmrp and mGluR mutants. Interestingly, drep-2; fmrp double mutants exhibited normal memory. Thus, we propose a model in which Drep-2 antagonizes FMRP in the regulation of mGluR-dependent protein synthesis. Our hypothesis is supported by the observation that impairments in synaptic plasticity can arise if mGluR signalling is imbalanced in either direction. We suggest that Drep-2 helps in establishing this balance. / Umfangreiche anatomische und funktionelle Analysen der Konnektivität in Gehirnen von Wirbellosen und Säugern haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erhalten. Gleichzeitig ist unser Verständnis von Synapsen auf molekularer Ebene jedoch noch unvollständig. Wir haben erst damit begonnen, die grundlegenden Mechanismen zu entschlüsseln, nach denen die wichtigsten synaptischen Proteine die Ausschüttung und Erkennung von Neurotransmittern sowie Veränderungen der Stärke von Synapsen regulieren. Darüber hinaus ist auch über die Stöchiometrie präsynaptischer Proteine an verschiedenen Synapsen noch wenig bekannt. Eine Untersuchung dieser Eigenschaften würde zum besseren Verständnis der Merkmale verschiedener Synapsentypen beitragen. Präsynaptische Proteine beeinflussen zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit der Ausschüttung von Neurotransmittern sowie Mechanismen zur Erzeugung von Kurzzeit-Plastizität. Wir haben die Expressionsstärke mehrerer präsynaptischer Proteine an verschiedenen Synapsentypen des Zentralnervensystems von Drosophila melanogaster mittels Immunhistochemie untersucht. Auf mehreren Ebenen waren deutliche Unterschiede in der relativen Anreicherung der Proteine offensichtlich: Färbungsintensitäten variierten von der Neuropilebene bis zum einzelnen Synapsentyp. Um diese Unterschiede zu quantifizieren, haben wir eine ratiometrische Analyse von Antikörperfärbungen entwickelt. Mit dieser Methode war es möglich, verschiedenen Synapsenpopulationen zweier Schaltstellen der Riechbahn durchschnittliche Ratios präsynaptischer Proteine zuzuweisen. Synapsentypen konnten durch eindeutige Fingerabdrücke präsynaptischer Proteinratios charakterisiert werden. So gelang es uns, die Auswirkungen einer Verringerung der Menge des wichtigen präsynaptischen Proteins Bruchpilot sowie der Entfernung verschiedener Synapsen- und Zelltypen zu untersuchen. Die in diesen Situationen hervorgerufenen Veränderungen der Ratio-Fingerabdrücke entsprachen den von uns im System erzeugten Abweichungen. Ratios präsynaptischer Proteine eignen sich daher gut dafür, Synapsentypen zu charakterisieren. Um unser Verständnis von sowohl der molekularen Zusammensetzung als auch der Funktion von Synapsen zu verbessern, haben wir außerdem das neue synaptische Protein Drep-2 charakterisiert. Drep-2 gehört zu den Dff-Proteinen, einer Familie von Apoptoseregulatoren. Wir haben drep-2 Mutanten erzeugt, bei denen Zelltod jedoch nicht fehlreguliert erschien. Stattdessen stellte sich Drep-2 als neuronales Protein heraus, angereichert zum Beispiel postsynaptisch an Eingangssynapsen der Pilzkörper, den Lernzentren von Insekten. Fliegen, denen das Gen drep-2 fehlte, waren lebensfähig, lebten jedoch kürzer. Die basale Übertragung an peripheren und zentralen Synapsen erschien unverändert. Die Mutanten zeigten jedoch Ausfälle in verschiedenen adaptiven Verhaltensweisen: Die Fliegen waren hyperaktiv in ihrer Bewegung sowie hypersensibel gegenüber Ethanol. Zudem zeigten die Tiere ein stark eingeschränktes assoziatives Lernvermögen. In aversivem Geruchslernen konnten die Mutanten weder Kurz- noch Mittelzeiterinnerungen bilden. Wir konnten nachweisen, dass Drep-2 für normales Geruchslernen in Pilzköper-intrinsischen Neuronen benötigt wird. Außerdem waren bei den Mutanten in diesen Neuronen durch Gerüche hervorgerufene Kalziumsignale, eine Voraussetzung für Lernen, reduziert. Die Lerneinschränkungen der Mutanten konnten durch Gabe eines pharmakologischen Agonisten metabotroper Glutamatrezeptoren (mGluR) vollständig behoben werden. Quantitative Massenspektrometrie von Drep-2-Komplexen zeigte, dass das Protein mit einer großen Anzahl von Translationsrepressoren assoziiert ist. Unter diesen befand sich das Fragile X Protein FMRP. FMRP inhibiert mGluR-vermittelte Proteinsynthese. Ein Mangel an FMRP erzeugt das Fragile X Syndrom, die häufigste monogenetische Ursache für Autismus. Bei Balzkonditionierung konnten drep-2 Mutanten weder Kurz- noch Langzeiterinnerungen speichern. Diesen Phänotyp haben sie mit fmrp- und mGluR-Mutanten gemeinsam. Drep-2; fmrp Doppelmutanten hatten jedoch ein normales Gedächtnis. Wir gehen daher davon aus, dass Drep-2 FMRP bei der Regulierung von mGluR-abhängiger Translation entgegenwirkt. Die Beobachtung, dass synaptische Plastizität gestört sein kann, wenn mGluR-Signalwege unausgewogen sind, stärkt diese Hypothese. Wir nehmen an, dass Drep-2 dazu beiträgt, von mGluR erzeugte Signale zu balancieren.

L'étude de l'état de stress post-traumatique (ÉSPT) amène à se poser deux types de questions fondamentales : 1) pourquoi certains individus exposés à un événement traumatique développent le trouble alors que d'autres non? et 2) parmi ceux qui développent le trouble, pourquoi la majorité des individus entrent en rémission après quelques mois alors que d'autres développent un ÉSPT chronique qui persiste pendant plusieurs mois, voire plusieurs années? La présente thèse avait donc pour but de trouver certaines explications à cette deuxième question qui semble plus importante d'un point de vue clinique en raison des répercussions que ce trouble peut avoir sur le fonctionnement quotidien des victimes et de leur entourage. Effectivement, pour certaines victimes, plus le temps passe, plus les symptômes s'installent et se cristallisent. Pour ces individus, les symptômes chroniques et dommageables seraient souvent jumelés à différentes complications, notamment un trouble dépressif ou anxieux, un trouble de dépendance ou d'abus de substances, un changement au niveau de la personnalité, ainsi qu'à une dégradation durable au plan du fonctionnement social et professionnel (Ehlers & Clark, 2000). Il a été proposé que le processus de rémission ne requiert pas un oubli, mais reflète plutôt un nouvel apprentissage (Foa, 2000) et que les dysfonctions mnésiques (souvenirs récurrents et involontaires du trauma et difficultés à se souvenirs du trauma) observées chez les victimes d'événements traumatiques pourraient interférer avec la rémission du trauma, un processus d'adaptation qui requiert ce nouvel apprentissage par extinction (Shalev, 2000). La thèse se compose de quatre chapitres. Le premier consiste en une description des modèles théoriques et neuronaux ainsi qu'une recension de la littérature sur les processus mnésiques impliqués dans l'ÉSPT ainsi que les facteurs neurobiologiques sous-jacents aux dysfonctions mnésiques retrouvées dans l'ÉSPT. Cette recension met en évidence la controverse dans la littérature en ce qui a trait à la mémoire traumatique ainsi que les principales failles méthodologiques qui empêchent de répondre au questionnement soulevé. Le deuxième chapitre présente une étude qui avait pour but d'examiner, de façon longitudinale, la fidélité des souvenirs rétrospectifs des expériences émotionnelles péritraumatiques (détresse et dissociation vécues au moment du trauma) chez des individus exposés à un événement traumatique en fonction de leur statut diagnostic. Il était anticipé qu'en appliquant la théorie d'une relation en « U » inversée entre l'intensité du stress et le système mnésique hippocampique (Metcalfe & Jacobs, 1998) et en tenant compte du statut diagnostique, nous pourrions mieux comprendre les résultats contradictoires obtenus jusqu'à maintenant au sujet des souvenirs traumatiques. Les résultats de cette étude ont démontré que le statut diagnostique est associé à la fidélité des souvenirs rétrospectifs des réponses péritraumatiques. Ces résultats sont donc en accord avec la théorie de Metcalfe & Jacob (1998) sur la mémoire traumatique humaine qui suggère qu'un niveau de stress modéré produit un souvenir formé à l'aide de l'hippocampe et est associé avec la mémoire épisodique, autobiographique et contextuelle, alors qu'un niveau de stress extrême mène à un encodage indépendant de l'hippocampe, mais associé à l'activation de l'amygdale, menant à la création d'un souvenir décontextualisé, sensoriel et chargé émotionnellement. Le troisième chapitre présente une deuxième étude qui avait pour but d'examiner, de façon longitudinale, le rôle des facteurs neurobiologiques sous-jacents aux fonctions mnésiques dans l'évolution des symptômes d'ÉSPT en étudiant l'implication de certains SNPs (single-nucleotide polymorphism) du gène FKBP5 dans le processus de rémission du trouble. Les résultats ont démontré que le gène FKBP5 pouvait prospectivement prédire le manque d'amélioration des symptômes d'ÉSPT chez des individus ayant recours à une thérapie pour un ÉSPT aigu. Des analyses plus spécifiques ont aussi démontré un effet interactif des SNPs du gène FKBP5 et du souvenir subjectif de la sévérité du trauma (c.-à-d., les réponses péritraumatiques) sur les dysfonctions mnésiques. Les résultats démontrent donc une relation entre les corticostéroïdes et les performances mnésiques, ce qui pourrait interférer avec l'apprentissage par extinction, et par conséquent, en partie expliquer la persistance du trouble. Le dernier chapitre propose une discussion générale des résultats qui permettent de constater que les processus mnésiques sont impliqués dans la rémission/persistance de l'ÉSPT. Les différentes forces et limites ainsi que les implications cliniques et théoriques de la présente thèse sont aussi examinées. ______________________________________________________________________________

Zugl.: Leipzig, University, Habil.-Schr., 2006.

Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2008

Zugl.: Luzern, Univ., Diss., 2008