Bäume sind eine wichtige Ressource für die Stadt- und Raumplanung. Um diese – beispielsweise zu Klimaschutzmaßnahmen – optimal nutzen zu können, werden entsprechende Informationen darüber benötigt. Die Erhebung von Baumstandorten, -höhen, Kronendurchmessern etc. vor Ort ist aufwändig und damit zeit- und kostenintensiv. Gleichzeitig steht eine große Menge an Fernerkundungsdaten, wie beispielsweise digitale Orthophotos oder Geländemodelle, in denen Bäume erfasst sind, zur Verfügung. Die Entwicklung geeigneter Methoden, um diese Daten (automatisiert) auszuwerten, ist von entscheidender Bedeutung, wobei im Zusammenhang mit der Verarbeitung und Analyse großer Datenmengen derzeit verschiedene Methoden des maschinellen Lernens, insbesondere künstliche Neuronale Netze (kNN), Gegenstand intensiver Forschung sind.

In meiner Dissertation klärte ich wesentliche Fragen zu 7-Transmembrandomänen-unabhängigen Funktionen von Adhäsions-G-protein-gekoppelten Rezeptoren auf. Diese einzigartigen Zelloberflächenmoleküle sind essentiell für die Physiologie des Menschen, jedoch auf molekularer Ebene erst in Grundzügen verstanden. Unter anderem haben sie als G-protein-gekoppelte Rezeptoren die Fähigkeit, Signale aus der zellulären Umgebung mittels ihrer 7-Transmembrandomäne in die Zelle weiterzuleiten. Jedoch sind sie auch im Stande unabhängig von ihrer 7-Transmembrandomäne agieren. In meiner Arbeit zeigte ich wie solche Funktionen in vivo implementiert werden können und präsentierte weiterhin, dass die Rezeptoren in diesem Kontext entgegen ihrer 'Natur' im Stande sind, Signale auf benachbarten Zellen auszulösen. Meine Arbeit bildet somit die Grundlage zur weiteren Erforschung der komplexen Signalmechanismen von Adhäsions-GPCRs.

L'étude des cellules souches est l'un des champs de recherches les plus importants dans le domaine biomédical. La vision par ordinateur et le traitement d'images ont été fortement mis en avant dans ce domaine pour le développement de solutions automatiques de culture et d'observation de cellules. Ce travail de thèse propose une nouvelle méthodologie pour l'observation et la modélisation de la prolifération de cellule souche neuronale sous microscope à contraste de phase. À chaque observation réalisée par le microscope durant la prolifération, notre système extrait un modèle en trois dimensions de la structure de cellules observées. Cela est réalisé par une suite de processus d'analyse, synthèse et sélection. Premièrement, une analyse de la séquence d'images de contraste de phase permet la segmentation de la neurosphère et des cellules la constituant. À partir de ces informations, combinées avec des connaissances a priori sur les cellules et le protocole de culture, plusieurs modèles 3-D possibles sont générés. Ces modèles sont finalement évalués et sélectionnés par rapport à l¿image d¿observation, grâce à une méthode de recalage 3-D vers 2-D. A travers cette approche, nous présentons un outil automatique de visualisation et d'observation de la prolifération de cellule souche neuronale sous microscope à contraste de phase. / The study of stem cells is one of the most important fields of research in the biomedical field. Computer vision and image processing have been greatly emphasized in this area for the development of automated solutions for culture and observation of cells. This work proposes a new methodology for observing and modelling the proliferation of neural stem cell under a phase contrast microscope. At each time lapse observation performed by the microscope during the proliferation, the system determines a three-dimensional model of the structure formed by the observed cells. This is achieved by a framework combining analysis, synthesis and selection process. First, an analysis of the images from the microscope segments the neurosphere and the constituent cells. With this analysis, combined with prior knowledge about the cells and their culture protocol, several 3-D possible models are generated through a synthesis process. These models are finally selected and evaluated according to their likelihood with the microscope image using a 3-D to 2-D registration method. Through this approach, we present an automatic visualisation tool and observation of the proliferation of neural stem cell under a phase contrast microscope.

Les protéines alpha-synucléine (αsyn) et « Leucine-Rich Repeat Kinase 2 » (LRRK2), jouent toutes deux un rôle majeur dans la physiopathologie des formes sporadiques et génétiques de la maladie de Parkinson (MP). En particulier, la mutation G2019S de LRRK2, située dans son domaine kinase, est la cause la plus fréquente de formes génétiques de la MP. Il a été suggéré que l’αsyn et LRRK2 agiraient de concert pour induire la neurodégénérescence des neurones dopaminergiques de la substance noire pars compacta (SNpc) dans cette maladie. Dans notre laboratoire, il a été montré qu’en effet LRRK2 G2019S pouvait potentialiser la mort des neurones dopaminergiques induite par l’αsyn dans la SNpc de rats, confirmant l’existence d’une interaction fonctionnelle entre les deux protéines. De plus, il est connu depuis plusieurs années que les dysfonctionnements mitochondriaux joueraient un rôle central dans la MP. De nombreuses études ont montré que les deux protéines individuellement pouvaient entraîner des dysfonctionnements de cet organite. Notre hypothèse est donc que l’interaction fonctionnelle entre l’αsyn et LRRK2 pourrait passer par une action commune sur la mitochondrie. Nous avons ainsi pu montrer in vitro, dans des cultures primaires de neurones de rat surexprimant l’αsyn et LRRK2, que LRRK2 G2019S, mais pas sa forme sauvage (WT) ni sa forme sans activité kinase (DK, Dead Kinase) augmentait significativement le nombre de neurones présentant un marquage pathologique de l’αsyn (phospho-S129), sans induire de mort cellulaire. Au niveau cellulaire et moléculaire, une diminution significative du taux de production d’ATP mitochondrial a été mise en évidence dans les cellules co-exprimant LRRK2 (WT, G2019S, et encore plus DK) avec l’αsyn par rapport à celles exprimant l’αsyn seule, ceci sans différence dans la quantité totale d’ATP. Les mitochondries des neurones co-exprimant LRRK2 et l’αsyn parcouraient également de plus longues distances le long des neurites que celles des neurones exprimant uniquement l’αsyn. Pour résumer, dans ce modèle in vitro, LRRK2 augmente donc l’accumulation somatique d’une forme pathologique de l’αsyn, d’une manière dépendante de son activité kinase. Dans ces conditions, les mitochondries sont capables de maintenir leur homéostasie, notamment en adaptant leur production d’ATP. Cela semble indiquer l’existence d’un stress mitochondrial modéré, induit par la co-expression de l’αsyn et de LRRK2. / The proteins alpha-synuclein (αsyn) and Leucine-Rich Repeat Kinase 2 (LRRK2) both play major roles in the physiopathology of sporadic and genetic forms of Parkinson’s Disease (PD). In particular, the G2019S mutation of LRRK2, located in its kinase domain, is the most prevalent cause of genetic forms of PD. It has been suggested that αsyn and LRRK2 could act together to induce the selective loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta (SNpc) in the pathogenesis of this disease. In our laboratory, it has been shown that G2019S LRRK2 could increase the dopaminergic cell loss induced by αsyn in the SNpc of rats, confirming the existence of a functional interaction between the two proteins. Moreover, it has been known for years that mitochondrial dysfunction played a major role in PD. Many studies showed that both LRRK2 and αsyn induced mitochondrial dysfunction. Therefore, we hypothesized that the functional interaction between αsyn and LRRK2 could take place through a common effect on mitochondria. We showed in vitro, in primary rat neurons, that G2019S LRRK2, but not the wild type (WT) form nor the dead kinase mutant (DK), significantly increased the number of neurons expressing a pathological form of αsyn (phospho-S129). This was not associated with any cell loss. At the cellular and molecular levels, there was a significant decrease in the mitochondrial ATP production rate in cells co-expressing LRRK2 (WT, G2019S and even more pronounced with DK) with αsyn, without any change in total ATP levels. The mean distance travelled by mitochondria along neurites was higher in neurons co-expressing αsyn and LRRK2 than in neurons only expressing αsyn. To summarize, in this in vitro model LRRK2 increases the somatic accumulation of a pathologic form of αsyn, in a kinase-dependent manner. In these conditions, mitochondria are able to maintain their homeostasis, in particular by adapting their ATP production rate. This seems to indicate a moderate mitochondrial stress induced by the co-expression of αsyn and LRRK2.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, nach einer irreversiblen Schädigung des Sehnervs zu zeigen, ob retinale Ganglienzellen zu Umstrukturierungsprozessen an ihren Axonen ohne neuroprotektive Unterstützung fähig sind. Das besondere Interesse galt der licht- und elektronenmikroskopischen Analyse. Verwendet wurden 37 adulte Albinoratten (WISTAR-Prob). Zuerst wurde der Nervus opticus für 30 s 5 mm hinter dem Bulbus oculi gequetscht. Ein zweiter invasiver Eingriff, der zur retrograden Markierung von aberranten Neubildungen an den Axonen der Nervenfaserschicht durchgeführt wurde, fand zu den postoperativen Überlebenszeiten (ÜLZ) von drei und zehn Tagen, zwei, drei,vier, acht und zwölf Wochen sowie nach sechs und zwölf Monaten statt. Für die retrograde Markierung wurde das biotinylisierte Dextranamin (BDA) eingesetzt, das unter Verwendung des Chromogens Diaminobenzidin visualisiert wurde.Die folgenden Befunde konnten auf lichtmikroskopischer Ebene ermittelt werden: · axonale Schwellungen, · dornenförmige Fortsätze, · intraretinale Axonsprosse mit Wachstumskegeln, · zwei Formen von intraretinalen Axonkollateralen und · aberrante axonale Trajektorien in Form von Schleifenaxonen. Basierend auf dem lichtmikroskopischen Befund wurden ausgewählte Bereiche der Netzhaut ultrastrukturell untersucht.Axonale Schwellungen konnten hinsichtlich ihrer Gestalt in spindelförmig, ballonierend und breitbasig polypös unterschieden werden. Dornenförmige Fortsätze an den Nervenfasern stellen vermutlich ein morphologisches Erscheinungsbild zur Herstellung eines funktionellen Gleichgewichts dar. Die intraretinalen Axonsprosse mit ihren birnenförmigen Wachstumskegeln konnten erstmalig elektronenmikroskopisch in einer adulten Rattennetzhaut nach einer Schädigung des Nervus opticus beschrieben werden. Die nach den ÜLZ von zehn Tagen, zwei, drei und vier Wochen dokumentierten aberranten Fortsätze orientierten sich hauptsächlich vom Discus nervi optici zur Netzhautperipherie. Zu allen ÜLZ besaßen sie eine rundliche oder ovoide Gestalt und wiesen eine Größe von 5 bis 10 µm auf. Sie gingen aus einem Hauptfaszikel in der Nervenfaserschicht hervor und existierten in enger Korrelation zu benachbarten Axonen und Blutgefäßen. Die Definition des Wachstumskegels wurde durch den ultrastrukturellen Befund der Akkumulation von Mitochondrien und wachstumskegeltypischen Vesikeln verifiziert. Die Axonsprosse mit ihren Wachstumskegeln stellen das morphologische Substrat von temporären Reorganisationen der RGC nach einer Unterbrechung ihrer axonalen Efferenz dar. Es waren zwei Formen von intraretinalen Axonkollateralen sichtbar. Bei der ersten Form handelt es sich um eine axonale Kollateralisierung nach einem dreiwöchigen Versuch, die unmittelbar hinter dem Axonhügel einer Typ-III-RGC abzweigte. Diese Form der Kollateralisierung könnte vermutlich im Zusammenhang mit regenerativen Leistungen in der Netzhaut stehen, die unter dem Begriff axon-like processes definiert wurden. Die zweite Kollateralisierungsform zwei Wochen nach der Läsion bildete sich in einem orthogonalen Winkel von einer Nervenfaser in einem Axonfaszikel und entsendete mehrere Kollateralzweige. Acht Wochen nach einer Nervus opticus-Axotomie konnte eine Axonkollaterale dokumentiert werden, die sich in einem fortgeschrittenen Degenerationsprozess befand. Die beschriebene intraretinale Axonkollaterale konnte erstmalig bei der adulten Albinoratte beschrieben werden. Zwei und drei Wochen post lesionem konnten in zwei Versuchen Nervenfasern dokumentiert werden, die durch eine auffallende Schleifenbildung gekennzeichnet waren. Resümierend konnte auf licht- und elektronenmikroskopischer Ebene nachgewiesen werden,dass geschädigte retinale Ganglienzellen in der adulten Ratte zu axonalem Wachstum ohne neuroprotektive und neuropermissive Unterstützung fähig sind. Die beobachteten regenerativen Leistungen sind vermutlich auf das Wirken von Neurotrophinen in der Retina oder im Sehnerv selbst zurückzuführen. / The present light and electron microscopic study was undertaken to determine whether axotomized retinal ganglion cells are able to reestablish intraretinal axons without experimental neuroprotective support. 37 adult albino rats (WISTAR-Prob) were used. In a first step, the optic nerve was intraorbitally exposed and crushed for 30 s at about 5 mm from the ocular bulb. A second experiment was conducted in order to stain newly formed intraretinal axonal elements after postlesion times of either three and ten days, two, three, four, eight, and twelve weeks, or six and twelve month. Retrograde labelling was achieved using biotinylated dextran amine (BDA),followed by visualization with diaminobenzidine as chromogen. The following structures were detected light microscopically: · axonal swellings, · spine-like processes, · intraretinal axonal sprouts showing growth cones, · two types of axonal collaterals, and · aberrant axonal fibers forming so-called looping axons. On the basis of light microscopy selected areas of the retina were examined electron microscopically. Axonal swellings were typified by their shape as spindle-shaped, ballon-shaped or broad-basic polypous. Also spine-like processes, which might serve the reestablishment of a functional balance within the retinal network, were detected. Intraretinal axonal sprouts, showing pear-shaped growth cones at their endings, could be demonstrated for the first time on the ultrastructural level. Aberrant processes, most of them orientated from the optic disc to the retinal periphery, were found at survival times of ten days as well as after two, three and four weeks. At all survival stages investigated the growth cones showed a plump or ovoid morphology and ranged in size between 5 to 10 µm. Usually, they were found to originate from nerve fiber fascicles located in close neigbourhood to the axons but also to blood vessels of the inner retina. The light microscopical typification of growth cones was confirmed at the ultrastructural level, particularly as accumulated mitochondria and growth cone-specific vesicles were detected. Probably, axonal sprouts and growth cones represent a temporal attempt of retinal ganglion cells to regenerate after transection of the optic nerve. Two axon collaterals were detected in the inner retina. In the first case, three weeks postlesion, an axon was found to branch immediately behind the axon hillhock of a type III ganglion cell. This kind of collateralization is indicative of a regenerative response as it has been previously reported by other authors who found so-called axon-like processes. In a second case, two weeks postlesion, an axon appeared to bifurcate orthogonally from a fiber fascicle sending off several collaterals on its way. Furthermore, a degenerating axon collateral was seen eight weeks after optic nerve lesion. The types of axon collaterals presented in this study were described for the first time in the albino rat. So-called looping axons typically characterized by their circular course were found in the inner retina two and three weeks postlesion. In conclusion, the light and electron microscopical results demonstrate that axotomized retinal ganglion cells of the adult rat retain the capability for axonal outgrowth without any neuroprotective and neuropermissive support. Since no experimental growth-promoting measures had been taken, it might be speculated whether the observed regenerative processes were due to intrinsic neurotrophic factors in the retina or the optic nerve themselfes.

Welchen Einfluss die Struktur eines neuronalen Netzwerks auf seine Funktion ausübt, ist ein zentrales Thema der Neurowissenschaften. Obwohl gezeigt wurde, dass die Struktur vieler Gehirnnetzwerke nicht-triviale Gradkorrelationen aufweisen, ist deren Einfluss auf die neuronale Verarbeitung noch nicht vollständig verstanden. Diese Problem stellt einen Schwerpunkt dieser Arbeit dar – wir entwickeln ein „mean field“-Modell zur Untersuchung der Aktivitäten in rekurrenten neuronalen Netzwerken. Diese Untersuchung zeigt unter anderem, dass Gradkorrelationen in neuronalen Netzwerken zu komplexen, multistabilen Aktivitätsregimen führen können. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf Wellen auf der Netzhaut, von denen angenommen wird, dass sie für die Entwicklung des visuellen Systems eine wesentliche Rolle spielen. An Kaninchen durchgeführte Experimente zeigten, dass Wellen auf der Netzhaut im frühesten Stadium mit einer mittleren Rate von 36±18 1/sec auftreten und sich mit einer Geschwindigkeit von 451±91 μm/sec ausbreiten. Es ist bekannt, dass sich die Wellen in der Ganglienzellschicht der Netzhaut ausbreiten und auf Gap Junction-Kopplung zwischen den Neuronen beruhen. Da Gap Junctions (elektrische Synapsen) kurze Integrationszeiten haben, wurde vermutet, dass diese nicht für die niedrige Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen auf der Netzhaut verantwortlich sein können. Wir entwickeln ein Modell, das aus einem zweidimensionalen Netzwerk von gekoppelten burstenden Neuronen besteht und die beobachtete Ausbreitungsgeschwindigkeit erklärt. Nach unserem Kenntnisstand ist dies das erste Mal, dass gezeigt wurde, dass die experimentell beobachtete Wellengeschwindigkeit und Nukleationsrate der frühen Wellen auf der Netzhaut für eine physiologisch plausible Gap Junction Kopplungsstärke und Rauschintensität zu erwarten sind. / The interplay between the structure and the function of a neuronal network is a fundamental issue in neuroscience. Although many brain networks have been shown to exhibit non-trivial correlations in their connectivity patterns, their role for neuronal computations is yet poorly understood. We set one main focus of this thesis on degree correlations and their influence on the activities in neuronal networks. To this end, we develop a mean field model and investigate the activities in recurrent neuronal networks. We find that depending on the degree-correlations, networks of neurons can exhibit complex, multi-stable activity regimes. The second focus of this thesis concerns retinal waves, which are believed to be essential for the development of the visual system. Experiments performed on rabbits revealed that stage I retinal waves (the earliest stage) are nucleated spontaneously with a mean inter-wave interval of 36±18 1/sec, to propagate without directional bias at a speed of 451±91 μm/sec. It has been known that the waves at this age spread through the ganglion cell layer of the retina and rely on gap junction coupling between the neurons. Because gap junctions (electrical synapses) have short integration times, it has been argued that they cannot set the low speed of stage I retinal waves. We present a theoretical model consisting of a two-dimensional network of the noisy bursting neurons, which are coupled via gap junctions. We demonstrate that this model explains the observed propagation speed, which is discussed analytically. To our knowledge, this is the first time it is demonstrated that the experimentally observed wave speed and nucleation rate of stage I retinal waves is recovered for a gap-junction coupling strength and noise intensity within a physiologically plausible range. Particularly the implication of gap junctions as mediator of these waves was previously unexplained.

The discovery of resetting human somatic cells via introduction of four transcription factors into an embryonic stem cell-like state that enables the generation of any cell type of the human body has revolutionized the field of medical science. The generation of patient-derived iPSCs and the subsequent differentiation into the cells of interest has been, nowadays, widely used as model system for various inherited diseases. The aim of this thesis was to generate iPSCs and to subsequently derive NPCs which can be differentiated into neurons in order to model the two most common forms of the NCLs: LINCL which is caused by mutations within the TPP1 gene, encoding a lysosomal enzyme, and JNCL which is caused by mutations within the CLN3 gene, affecting a lysosomal transmembrane protein. It was shown that patient-derived fibroblasts can be successfully reprogrammed into iPSCs by using retroviral vectors that introduced the four transcription factors POU5F1, SOX2, KLF4 and MYC. The generated iPSCs were subsequently differentiated into expandable NPCs and finally into mature neurons. Phenotype analysis during the different stages, namely pluripotent iPSCs, multipotent NPCs and finally differentiated neurons, revealed a genotype-specific progression of the disease. The earliest events were observed in organelle disruption such as mitochondria, Golgi and ER which preceded the accumulation of subunit c of the mitochondrial ATPase complex that was only apparent in neurons. However, none of these events led to neurodegeneration in vitro. The established disease models recapitulate phenotypes reported in other NCL disease models such as mouse, dog and sheep model systems. More importantly, the hallmark of the NCLs, accumulation of subunit c in neurons, could be reproduced during the course of disease modeling which demonstrates the suitability of the established system. Moreover, the derived expandable NPC populations can be used for further applications in drug screenings. Their robust phenotypes such as low levels of TPP1 activity in LINCL patient-derived NPCs or cytoplasmic vacuoles, containing storage material, observed in CLN3 mutant NPCs, should serve as possible phenotypic read-outs.

Dans la première partie de cette thèse, motivée par le développement de la stimulation cérébrale profonde comme traitement des symptômes moteurs de la maladie de Parkinson, nous considérons le problème de réduire la synchronie d'une population neuronale par l'intermédiaire d'une stimulation électrique en boucle fermée. Ceci, sous les contraintes que seule la tension de membrane moyenne de l'ensemble est mesurée et qu'un seul signal de stimulation est disponible (retour du champ moyen). La population neuronale est modélisée comme un réseau d'oscillateurs de Landau-Stuart contrôlé par un dispositif de rétroaction mono-entrée mono-sortie. En nous basant sur la dynamique de phase associée au système, nous analysons l'existence et la robustesse des solutions à verrouillage de phase, modélisant l'état pathologique, et nous dérivons des conditions nécessaires à une désynchronisation efficace par retour du champ moyen. Des conditions suffisantes sont ensuite dérivées pour deux objectifs de contrôle: l'inhibition et la désynchronisation neuronale. Notre analyse suggère que, en fonction de l'intensité du gain de rétroaction, le retour du champ moyen peut soit bloquer l'oscillation collective (inhibition neuronale) soit désynchroniser l'ensemble.Dans la deuxième partie, nous explorons deux voies possibles pour l'analyse des problèmes similaires dans des modèles biologiquement plus plausibles. Dans la première, la population est modélisée comme une interconnexion d'opérateurs entrée-sortie non-linéaires et la synchronisation neuronale est analysée en s'appuyant sur une approche entré-sortie récemment développée. Dans la seconde, les propriétés d'excitabilité et de synchronisabilité des neurones sont analysées via les bifurcations sous-jacentes. En nous basant sur la théorie des formes normales, un nouveau modèle réduit est dérivé pour capturer les comportements d'une grande classe de neurones qui restent inexpliqués dans les modèles réduits existants. / In the first part of this thesis, motivated by the development of deep brain stimulation for Parkinson's disease, we consider the problem of reducing the synchrony of a neuronal population via a closed-loop electrical stimulation. This, under the constraints that only the mean membrane voltage of the ensemble is measured and that only one stimulation signal is available (mean-field feedback). The neuronal population is modeled as a network of interconnected Landau-Stuart oscillators controlled by a linear single-input single-output feedback device. Based on the associated phase dynamics, we analyze existence and robustness of phase-locked solutions, modeling the pathological state, and derive necessary conditions for an effective desynchronization via mean-field feedback. Sufficient conditions are then derived for two control objectives: neuronal inhibition and desynchronization. Our analysis suggests that, depending on the strength of feedback gain, a proportional mean-field feedback can either block the collective oscillation (neuronal inhibition) or desynchronize the ensemble.In the second part, we explore two possible ways to analyze related problems on more biologically sound models. In the first, the neuronal population is modeled as the interconnection of nonlinear input-output operators and neuronal synchronization is analyzed within a recently developed input-output approach. In the second, excitability and synchronizability properties of neurons are analyzed via the underlying bifurcations. Based on the theory of normal forms, a novel reduced model is derived to capture the behavior of a large class of neurons remaining unexplained in other existing reduced models.

Wir untersuchen globale dynamische Phänomene, die sich von dem Zusammenspiel zwischen Netzwerktopologie und Dynamik der einzelnen Elementen ergeben. Im ersten Teil untersuchen wir relativ kleine strukturierte Netzwerke mit überschaubarer Komplexität. Als geeigneter theoretischer Rahmen für erregbare Systeme verwenden wir das Kuramoto und Shinomoto Modell der sinusförmig-gekoppelten "aktiven Rotatoren" und studieren das Kollektivverhalten des Systems in Bezug auf Synchronisation. Wir besprechen die Einschränkungen, die durch die Netzwerktopologie auf dem Fluss im Phasenraum des Systems gestellt werden. Insbesondere interessieren wir uns für die Stabilitätseigenschaften von Fluss-invarianten Polydiagonalen und die Entwicklungen von Attraktoren in den Parameterräume solcher Systeme. Wir untersuchen zweidimensionale hexagonale Gitter mit periodischen Randbedingungen. Wir untersuchen allgemeine Bedingungen auf der Adjazenzmatrix von Netzwerken, die die Watanabe-Strogatz Reduktion ermöglichen, und diskutieren verschiedene Beispiele. Schließlich präsentieren wir eine generische Analyse der Bifurkationen, die auf der Untermannigfaltigkeit des Watanabe-Strogatz reduzierten Systems stattfinden. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir das globale dynamische Phänomen selbstanhaltender Aktivität (self-sustained activity / SSA) in neuronalen Netzwerken. Wir betrachten Netzwerke mit hierarchischer und modularer Topologie , umfassend Neuronen von verschiedenen kortikalen elektrophysiologischen Zellklassen. Wir zeigen, dass SSA Zustände mit ähnlich zu den experimentell beobachteten Eigenschaften existieren. Durch Analyse der Dynamik einzelner Neuronen sowie des Phasenraums des gesamten Systems erläutern wir die Rolle der Inhibierung. Darüber hinaus zeigen wir, dass beide Netzwerkarchitektur, in Bezug auf Modularität, sowie Mischung aus verschiedenen Neuronen, in Bezug auf die unterschiedlichen Zellklassen, einen Einfluss auf die Lebensdauer der SSA haben. / In this work we study global dynamical phenomena which emerge as a result of the interplay between network topology and single-node dynamics in systems of excitable elements. We first focus on relatively small structured networks with comprehensible complexity in terms of graph-symmetries. We discuss the constraints posed by the network topology on the dynamical flow in the phase space of the system and on the admissible synchronized states. In particular, we are interested in the stability properties of flow invariant polydiagonals and in the evolutions of attractors in the parameter spaces of such systems. As a suitable theoretical framework describing excitable elements we use the Kuramoto and Shinomoto model of sinusoidally coupled “active rotators”. We investigate plane hexagonal lattices of different size with periodic boundary conditions. We study general conditions posed on the adjacency matrix of the networks, enabling the Watanabe-Strogatz reduction, and discuss different examples. Finally, we present a generic analysis of bifurcations taking place on the submanifold associated with the Watanabe-Strogatz reduced system. In the second part of the work we investigate a global dynamical phenomenon in neuronal networks known as self-sustained activity (SSA). We consider networks of hierarchical and modular topology, comprising neurons of different cortical electrophysiological cell classes. In the investigated neural networks we show that SSA states with spiking characteristics, similar to the ones observed experimentally, can exist. By analyzing the dynamics of single neurons, as well as the phase space of the whole system, we explain the importance of inhibition for sustaining the global oscillatory activity of the network. Furthermore, we show that both network architecture, in terms of modularity level, as well as mixture of excitatory-inhibitory neurons, in terms of different cell classes, have influence on the lifetime of SSA.

Correct layering (lamination) of neurons in the central nervous system (CNS) is critical for the tissue functionality. Neuronal lamination is established during development, when the majority of neurons have to move from their birthplace to the appropriate layer, where they function. Therefore, to grasp the logic of CNS development, it is essential to understand the kinetics and modes of the variety of neuronal translocation events. Most of our knowledge about neuronal translocation has been gained using fixed tissue or ex vivo imaging, which is not ideal for such a dynamic process heavily dependent on the surrounding environment. To avoid these limitations, I combined translucent zebrafish embryos with light sheet fluorescence microscopy, which together enabled gentle in toto imaging of neuronal translocation. I studied the translocation of retinal ganglion cells (RGCs) across the developing zebrafish retina. RGCs are the first neurons that differentiate in the vertebrate retina and are born in a proliferative zone at the retinal apical side. From here, they move basally, spanning the complete apico-basal length of the tissue. They are destined to occupy the most basal layer, where their axons form the optic nerve. Although it was described that RGCs move their soma while being attached to both apical and basal sides of the retina, the kinetics and cell biological mechanisms of somal translocation remained unknown. Extracting single cell behavior of RGCs from high-resolution movies of their translocation allowed for quantitative analysis of RGC movement. I revealed that RGCs cross the retina in less than two hours in a directionally persistent manner. The movement of RGC soma is a cell autonomously generated process, which requires intact microtubules and actin-dependent basal attachment of cells for speed and efficiency. Unexpectedly, interference with somal translocation leads to a shift towards a multipolar migratory mode, previously not observed for RGCs, in which they temporarily lose both apical and basal attachment and apico-basal polarity. The multipolar mode is overall slower and less directionally persistent, but still allows RGCs to reach the basal retina. However, when RGC translocation is inhibited completely, they differentiate ectopically in the center of the retina, which in turn triggers the formation of ectopic layers of later born neurons. These results highlight the importance of establishing the basal layer of ganglion cells for ensuing retinal lamination. Overall, I generated important advances in the understanding of neuronal translocation and lamination, which might be relevant for other parts of the CNS.