L’objectif de cette thèse est de décrire le réseau cérébral et la dynamique neuronale qui pourraient servir de support aux aversions alimentaires de type olfactives. Nous avons réalisé des enregistrements multisites de potentiel de champ locaux chez le rat vigile engagé dans cet apprentissage, en proposant deux modes de présentation de l’indice olfactif : à proximité de l’eau de boisson (distal) ou ingéré (distal-proximal). Après apprentissage, la présentation du seul indice distal induit l’émergence d’une activité oscillatoire de forte amplitude dans la bande de fréquence beta (15-40 Hz). Finement corrélée au comportement d’aversion de l’animal, cette activité est proposée comme la signature du réseau de structures fonctionnellement impliquées dans la reconnaissance de l’odeur en tant que signal. Nous montrons que ce réseau peut être plus ou moins étendu selon la façon dont le stimulus a été perçu lors du conditionnement: dans certaines aires (bulbe olfactif, cortex piriforme, amygdale basolatérale, cortex orbitofrontal) la modulation en puissance de l’activité beta se fait indépendamment du mode de conditionnement; dans d’autres aires (cortex insulaire, cortex infralimbique) ces changements ont lieu si et seulement si l’odeur a été ingérée. Complétés par l’étude des interactions fonctionnelles entre ces différentes structures dans la bande de fréquence considérée, ces résultats nous permettent de mieux comprendre comment un stimulus peut être représenté en mémoire dans un réseau cérébral en fonction de l’expérience que l’animal en a fait. / The goal of this thesis is to describe the dynamic of the neural network involved in food aversion based on olfactory cue. We performed multisite recordings of local field potential in the behaving rat engaged in such aversion learning and offered two modes of presentation of the olfactory cue: either close to drinking water (distal) or ingested (distal-proximal). After learning, the presentation of the distal cue alone induced the emergence of a powerful oscillation in the beta frequency band (15-40 Hz). Finely correlated with the aversive behavior of the animal, this activity has been proposed as the signature of the neural network functionally involved in odor signal recognition. We showed that this network may be more or less extended depending on how the stimulus has been experienced during conditioning: in some areas (olfactory bulb, piriform cortex, basolateral amygdala, orbitofrontal cortex), modulation of beta power were observed whatever the mode of odor presentation; in other areas (insular and infralimbic cortices) these changes took place only if the odor cue has been ingested. Associated to the analysis of transient oscillatory synchronizations between these different structures, these results allowed us to better understand how a stimulus could be represented in memory by a cerebral network depending on the way the animal had experienced it.

Dans les suites d'un accident vasculaire moteur (AVC), il existe une réorganisation des cartes de représentation corticale des territoires musculaires pouvant intéresser aussi bien le cortex moteur primaire (CMP) que le cortex prémoteur (CPM) de l'hémisphère cérébral atteint. La contribution de ces deux aires à la plasticité corticale post-AVC est loin d'être bien définie. Notre objectif était d'étudier les modifications de cartographie corticale motrice, notamment au niveau du CMP et du CPM, et leur implication dans la récupération fonctionnelle post-AVC. Dans ce but nous avons utilisé une technique de stimulation magnétique transcrânienne (SMT) guidée par l'imagerie (neuronaviguée). Les limites anatomiques des aires corticales et l'existence de repères anatomiques fiables dans différentes régions d'intérêts ont été définies dans un premier temps. Puis nous avons établi la cartographie normale des représentations corticales motrices dans un groupe de sujets sains, notamment au moyen de cartes « probabilistes » d'obtention de réponses motrices à la SMT qui prennent en compte les variabilités interindividuelles. Nous avons ensuite étudié les modifications de ces représentations dans un groupe de patients ayant des séquelles de lésion vasculaire des régions corticales motrices. Enfin, nous avons effectué un travail prospectif de suivi cartographique d'un groupe de patients ayant présenté un AVC moteur. Dans cette dernière partie, l'analyse des données cliniques et de SMT obtenues à la phase aigüe et à trois mois de l'AVC nous a permis de caractériser les modifications anatomo-fonctionnelles corticales qui accompagnent la régression du déficit moteur, supportant en particulier le rôle central du CMP de l'hémisphère lésé. En conclusion, nous proposons des modèles d'organisation neuronale expliquant le fonctionnement du cortex moteur chez le sujet sain ainsi que la récupération motrice après une lésion partielle du CMP. / Following stroke, reorganization of the motor cortical maps takes places and involves both the primary motor cortex (M1) and the premotor cortex (PMC) on the affected hemisphere. The relative contribution of each of these two cortical areas in the process of post-stroke plasticity and motor recovery remains uncertain. The present project was designed to study the cortical changes that follow a motor stroke, namely those involving M1 and the PMC, and their implications for motor recovery. For this purpose we used MRI-guided (neuronavigated) transcranial magnetic stimulation (TMS). First, we defined the anatomical limits of the cortical areas and the reliable cortical landmarks within each region of interest. We then defined a normal motor map in a group of healthy subjects. Our “probabilistic” map was based on the probability of obtaining motor responses in a given area and therefore accounted for inter-subject variability of motor representations. Thereafter we studied the modifications of the motor cortical representations in a group of patients having recovered from a motor stroke. Finally, we prospectively followed a group of patients presenting with a motor stroke. By comparing the neurophysiological and clinical data at admission and three months later, we were able to characterize the anatomo-functional cortical changes that accompany motor recovery following stroke. Our results are consistent with a major role of M1 in motor recovery. To conclude, we propose a model of how the motor cortex works in healthy subjects and during post-stroke recovery process.

Die Neubildung von Neuronen persistiert lebenslang in der Subgranularzellschicht des Hippocampus und der Subventrikularzone des Großhirns und wird als adulte Neuroge-nese bezeichnet. Es wird vermutet, dass diese beim erwachsenen Menschen einen rele-vanten Einfluss auf degenerative Veränderungen, verschiedene neurologische Krank-heitsbilder und auf die (Dys-)Funktion des Gedächtnisses hat. Im Tiermodell wurde eine Verringerung der Neurogenese nach chronischer Morphingabe nachgewiesen. Vorarbeiten zeigten einen Zusammenhang zwischen chronischem Heroinmissbrauch und reaktiver Astrogliose, Mikrogliose und einer vermehrten Expression des polysialylated neural cell adhesion molecule im humanen Hippocampus. Daraus leitet sich die Hypothese ab, dass chronischer Heroinmissbrauch, als Modell für eine Abhängigkeitserkrankung, einen Einfluss auf die adulte humane Neurogenese hat. Es wurden in Formalin fixierte Gewebeproben aus dem Hippocampus von Verstorbenen mit einer letalen Heroinintoxikation und mit bekanntem Heroinmissbrauch (n = 20) un-tersucht und mit einer nach Alter und Geschlecht angepassten Kontrollgruppe (n = 28) verglichen. Hierbei wurden spezifische Neurogenesemarker mittels immunhistochemi-scher Methoden angewendet und ausgewertet. Es bestand eine generell sehr geringe zelluläre Proliferationsrate und eine signifikante Reduktion Musashi-1 positiver neuro-naler Vorläuferzellen bei gleichzeitig unveränderter Anzahl Nestin positiver reifender und Calretinin positiver migrierender postmitotischer Neurone. Zudem wurde ein ver-ändertes Calretinin-Expressionsmuster als Hinweis auf eventuelle funktionelle neuronale Defizite bei Drogenabhängigen festgestellt. Der potentielle Einfluss von chronischem Heroinmissbrauch auf die adulte humane Neurogenese wird erstmals gezeigt. Die Ergebnisse weisen auf eine negative Beeinflus-sung im Stadium neuronaler Vorläuferzellen und der Zellfunktion migrierender Neurone in der Fallgruppe im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe hin. Diese Hemmung der Neurogenese könnte eine Erklärungsmöglichkeit für kognitive Defizite und Funktionsstörungen des Gedächtnisses infolge chronischen Drogenkonsums bieten und zugleich eine Bedeutung bei der Entstehung von Abhängigkeitserkrankungen haben. Insofern könnte sich hier ein Ansatzpunkt für zukünftige Therapiestrategien derartiger Erkrankungen oder ihrer Folgen bieten.:I. Inhaltsverzeichnis 1 II. Bibliografische Zusammenfassung 2 III. Abkürzungsverzeichnis 3 1. Einführung 4 1.1. Drogenabhängigkeit und Epidemiologie 4 1.2. Heroin 6 1.3. Hippocampus 9 1.4. Adulte Neurogenese 11 1.5. Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit 14 2. Materialen und Methoden 18 2.1. Fall- und Kontrollgruppe 18 2.2. Toxikologisch-chemische Untersuchungen 20 2.3. Immunhistochemie 21 2.4. Immunfluoreszenz und konfokale Mikroskopie 25 2.5. Quantifizierung, Datenanalyse und Statistik 26 3. Ergebnisse 28 3.1. Deskriptive Datenanalyse 28 3.2. Musashi-1 30 3.3. Nestin 31 3.4. Calretinin 32 3.5. Ki-67 34 3.6. Doublecortin 35 3.7. Doppelimmunfluoreszenz 36 4. Diskussion 37 4.1. Neurogenese – Proliferation (Ki-67) 38 4.2. Neurogenese – Differenzierung (MSI-1, Nestin) 39 4.3. Neurogenese – Reifung (Calretinin) 42 4.4. Methodische Grenzen und Fehlerbetrachtung 43 4.5. Fazit und Ausblick 46 5. Zusammenfassung der Arbeit 48 6. Literaturverzeichnis 52 7. Anlagen 1-8 65 IV. Selbständigkeitserklärung 73 V. Curriculum vitae 74 VI. Publikationen 75 VII. Danksagung 76

Verschiedene Typen von Dnnschichtsystemen, die aufgrund der starken Wirkung optischer Verlustmechanismen wie Absorption oder diffuser Streuung nur schwer der optischen Analyse mittels Spektralphotometrie zugnglich sind, werden in dieser Arbeit mittels einer einheitlichen Methode spektralphotometrisch analysiert. Dabei werden Schichtparameter wie der Spektralverlauf von Brechzahl und Absorptionskoeffizient, die Schichtdicke und ggf. weitere geometrische Schichtparameter wie der RMS-Wert der Oberflchenrauhigkeit aus Messungen des gerichteten Transmissions- und Reflexionsvermgens der Schichtsysteme ber den zu untersuchenden Wellenzahlbereich (NIR/VIS/UV) bestimmt. Zu den untersuchten Schichtsystemen gehren polykristalline Diamantschichten auf Silizium, die starke Streuverluste an der rauhen Diamantoberflche aufweisen, sowie organische Mehrschichtsysteme auf Glsern, die durch hohe Absorptionskoeffizienten sowie komplizierte Absorptionsverlufe gekennzeichnet sind. Als Hilfsmittel zur Bestimmung der Schichtparameter werden neuartige Modelle fr die Wirkung von rauhen Oberflchen auf Dnnschichtspektren, weiterentwickelte Gradientenmethoden zur spektralen Rckrechnung sowie vllig neuartige knstlich intelligente Systeme auf der Basis neuronaler Netze eingesetzt. Anhand unabhngiger Messungen an den Schichtsystemen wie Massendichtemessungen, SEM- Profilometrie, Ramanspektroskopie knnen die gefundenen Schichtparameter besttigt werden.

This thesis describes a highly interdisciplinary approach to discern the differing impact of scaffold dimensionality and physical space restrictions on the behavior of single cells. Rolled-up nanotechnology is employed to fabricate three-dimensional (3D) SiO/SiO2 microtube geometries of varied diameter, that after a biofunctionalization step are shown to support the growth of U2OS and six different types of stem cells. Cell confinement quantifiable through the given microtube diameter is tolerated by U2OS cells through a remarkable elongation of the cell body and nucleus down to a certain threshold, while the integrity of the DNA is maintained. This confinement for NSPCs also leads to the approaching of the in vivo morphology, underlining the space-restrictive property of live tissue. The dimensionality of the cell culture scaffold however is identified as the major determiner of NSPC migration characteristics and leads to a morphologically distinct mesenchymal to amoeboid migration mode transition. The 3D microtube migration is characterized by exclusively filopodia protrusion formation, a higher dependence on actin polymerization and adopts aspects of in vivo-reported saltatory movement. The reported findings contribute to the determination of biomaterial scaffold design principles and advance our current understanding of how physical properties of the extracellular environment affect cell migration characteristics.

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.

Materialfluss-Systeme für den Stückgut-Transport auf der Basis von Stetigförderern sind meist modular aufgebaut. Das Verhalten gleichartiger Materialfluss-Elemente unterscheidet sich durch technische Parameter (z.B. geometrische Größen) und durch unterschiedliche logistische Belastungen der Elemente im System. Durch die in der Arbeit getroffenen Modellannahmen werden für die Elemente nur lokale Steuerungsregeln zugelassen und für das System Blockierfreiheit vorausgesetzt. Das Verhalten eines Materialfluss-Elements hängt dann nicht mehr von Zuständen anderer Elemente des Systems ab sondern nur noch von den stochastischen Prozessen des Eintreffens von Transporteinheiten. Die Auslastung eines Elements, die Quantile der Warteschlangenlängen an seinen Eingängen und die Variationskoeffizienten seiner Abgangsströme sind statistische Kenngrößen. Sie hängen im Wesentlichen nur von der Klasse des Elements, seinen technischen Parametern, den Parametern der Eingangsströme und der lokalen Transportmatrix ab. Diese funktionellen Abhängigkeiten sind im Allgemeinen nicht analytisch handhabbar. Da diese Funktionen stetig differenzierbar und beschränkt sind und von relativ viele Eingansgrößen anhängen, sind neuronale Netze gut geeignet für numerische Näherungen. Mit Hilfe von einfachen neuronalen Netzen können die statistischen Kenngrößen numerisch approximiert werden. Aus einzelnen Teilmodellen kann ein hybrides Modell des gesamten Systems zusammengesetzt werden. Anhand von einigen Beispielen wird die Güte der Modellierung bewertet. / Material flow systems are normally built with a modular structure. The behavoir of similar elements only differs by technical parameters (e.g. geometriy), and by different logistic loads of the elements in the system. In this paper, a new model is being developed for a non-blocking system with non-global control rules. The behavior of a flow of a material flow element is assumed not to depend on the conditions of other elements of the system, but only on stochastic processes of the arrival of transportation units. The rate of utilization of an element, the quantiles of the queue lengths at its inputs, and the dispersion of its output stream are statistic characteristics. They depend only on the type of the element, its technical parameters, the parameters of the input streams, and the local transportation matrix. These functional dependencies are not analytically manageable. But due to their properties, neural nets are well suited for numeric approximations of these statistic functions. The single models can be used to compose a hybrid model of the whole system. A few examples show the quality of the new modeling technique.

A detailed and comprehensive description of the state of the art in the field of flood forecasting opens this work. Advantages and shortcomings of currently available methods are identified and discussed. Amongst others, one important aspect considers the most exigent weak point of today’s forecasting systems: The representation of all the fundamentally different event specific patterns of flood formation with one single set of model parameters. The study exemplarily proposes an alternative for overcoming this restriction by taking into account the different process characteristics of flood events via a dynamic parameterisation strategy. Other fundamental shortcomings in current approaches especially restrict the potential for real time flash flood forecasting, namely the considerable computational requirements together with the rather cumbersome operation of reliable physically based hydrologic models. The new PAI-OFF methodology (Process Modelling and Artificial Intelligence for Online Flood Forecasting) considers these problems and offers a way out of the general dilemma. It combines the reliability and predictive power of physically based, hydrologic models with the operational advantages of artificial intelligence. These operational advantages feature extremely low computation times, absolute robustness and straightforward operation. Such qualities easily allow for predicting flash floods in small catchments taking into account precipitation forecasts, whilst extremely basic computational requirements open the way for online Monte Carlo analysis of the forecast uncertainty. The study encompasses a detailed analysis of hydrological modeling and a problem specific artificial intelligence approach in the form of artificial neural networks, which build the PAI-OFF methodology. Herein, the synthesis of process modelling and artificial neural networks is achieved by a special training procedure. It optimizes the network according to the patterns of possible catchment reaction to rainstorms. This information is provided by means of a physically based catchment model, thus freeing the artificial neural network from its constriction to the range of observed data – the classical reason for unsatisfactory predictive power of netbased approaches. Instead, the PAI-OFF-net learns to portray the dominant process controls of flood formation in the considered catchment, allowing for a reliable predictive performance. The work ends with an exemplary forecasting of the 2002 flood in a 1700 km² East German watershed.

The optimization of the spinning process and adjustment of the machine settings involve “Trial and Error” method resulting in the wasting of production time and material. This situation becomes worse in the spinning mills where the speed and material changes are frequent. This research includes the use of artificial neural networks to provide the thinking ability to the spinning machines to improve the yarn spinning process. Draw frame, being the central part of the spinning preparation chain and last machine to rectify the variations in the fed slivers is the main focus of the research work. Artificial neural network have been applied to the leveling action point at auto-leveler draw frame and search range of leveling action point has been considerably reduced. Moreover, the sliver and yarn characteristics have been predicted on the basis of draw frame settings using the artificial neural networks. The results of present research work can help the spinning industry in the direction of limiting of “Trial and Error” method, reduction of waste and cutting down the time losses associated with the optimizing of machines. As a vision for the future research work the concept of intelligent spinning machines has also been proposed. / Die Optimierung des Spinnprozesses und die Maschineneinstellung erfolgen häufig mittels „Trial und Error“-Methoden, die mit einem hohen Aufwand an Produktionszeit und Material einhergehen. Diese Situation ist für Spinnereien, in denen häufige Wechsel des eingesetzten Materials oder der Produktionsgeschwindigkeit nötig sind, besonders ungünstig. Die vorliegende Arbeit zeigt das Potenzial Neuronaler Netze, um die Spinnmaschine zum „Denken“ zu befähigen und damit die Garnherstellung effektiver zu machen. Die Strecke ist der zentrale Teil der Spinnereivorbereitungskette und bietet die letzte Möglichkeit, Inhomogenitäten im Faserband zu beseitigen. Der Fokus der Arbeit richtet sich deshalb auf diese Maschine. Künstlich Neuronale Netze werden an der Strecke zur Bestimmung des Regeleinsatzpunktes genutzt, womit eine beträchtliche Reduzierung des Aufwands für die korrekte Festlegung des Regeleinsatzpunkts erreicht wird. Darüber hinaus können mit Hilfe der Neuronalen Netze die Band- und Garneigenschaften auf Basis der Streckeneinstellungen vorausbestimmt werden. Die Resultate der vorliegenden Arbeit machen „Trial und Error“-Methoden überflüssig, reduzieren den Ausschuss und verringern die Zeitverluste bei der Maschinenoptimierung. Als Zukunftsvision wird eine Konzeption für intelligente Spinnmaschinen vorgestellt.