Krebs ist die zweithäufigste Todesursache weltweit und zählt damit zu den größten Plagen der Menschheit. Jährlich sterben Menschen an den Folgen bösartiger Tumore und stellen Ärzte vor scheinbar unlösbare Aufgaben. Um Krebsgeschwüre effizient bekämpfen oder sogar vollständig beseitigen zu können, ist es enorm wichtig diese früh genug zu diagnostizieren. Oft stellt jedoch genau das in der Praxis ein großes Problem dar und Tumore werden erst dann als solche erkannt, wenn das Zellwachstum schon sehr weit fortgeschritten ist. Eine große Chance für die frühzeitige Erkennung von Krebs bieten unterdessen Deep Learning Algorithmen. Die vorliegende Seminararbeit stellt diese Verfahren und ihre Anwendung in der Krebsdiagnostik vor. Es wird hierbei genauer auf Convolutional Neural Networks eingegangen, die besonders gut geeignet für die Analyse von Gewebebildern sind und unter anderem auch im System von Google's DeepMind zum Einsatz kommen. Die Arbeit analysiert Chancen und Risiken des Einsatzes von Deep Neural Networks bei der Diagnose von bösartigen Tumoren und verschafft dem Leser damit einen ganzheitlichen Überblick über die Anwendung von Deep Neural Networks im Bereich der Onkologie.:1 Einleitung 2 Vom Neuronalen Netz zum Deep Learning Algorithmus 2.1 Grundlagen Künstlicher Neuronaler Netze 2.1.1 Allgemeiner Aufbau 2.1.2 Das Neuron als Grundbaustein 2.1.3 Lernen in neuronalen Netzen 2.1.4 Loss Function und Optimizer 2.2 Convolutional Neural Networks 2.2.1 Convolutional Layer 2.2.2 Pooling Layer 2.2.3 Fully Connected Layer 2.2.4 Lernen und Aktivierung in CNN’s 3 DeepMind als Deep Learning Multitalent 3.1 Bisherige Erfolge 3.2 DeepMind Health 4 Chancen und Risiken in der Krebsdiagnostik 4.1 Aktueller Stand der Brustkrebsdiagnostik 4.2 Chancen von Deep Learning Algorithmen 4.3 Ethische Risiken 4.3.1 False Positives 4.3.2 False Negatives 4.4 Fazit der Risikoanalyse 5 Ausblick

Epilepsy is the most common neurological disorder and an accurate forecast of seizures would help to overcome the patient’s uncertainty and helplessness. In this contribution, we present and discuss a novel methodology for the classification of intracranial electroencephalography (iEEG) for seizure prediction. Contrary to previous approaches, we categorically refrain from an extraction of hand-crafted features and use a convolutional neural network (CNN) topology instead for both the determination of suitable signal characteristics and the binary classification of preictal and interictal segments. Three different models have been evaluated on public datasets with long-term recordings from four dogs and three patients. Overall, our findings demonstrate the general applicability. In this work we discuss the strengths and limitations of our methodology.

Einleitung: Die Dystonie ist eine neurologische Bewegungsstörung, bei der durch unwillkürliche anhaltende oder intermittierende Muskelkontraktionen schraubenartige Bewegungen oder Haltungen auftreten. Die häufigste genetische Form ist die DYT1 Dystonie, bei der eine Deletion von drei Basenpaaren im TOR1A-Gen zur Expression eines mutierten TorsinA-Proteins führt. Die unzureichende Aufklärung der Pathophysiologie von Dystonien erschwert die Entwicklung geeigneter Therapien. Studien an Tiermodellen und humanen Patienten deuten darauf hin, dass der Dystonie Fehlfunktionen innerhalb der Basalganglienschleife zugrunde liegen, an denen die Basalganglien, der Cortex, der Thalamus und das Kleinhirn beteiligt sind. Eine anerkannte Hypothese besagt, dass die Dystonie aus einem Ungleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung resultiert. Eine abnorme neuronale Plastizität, z.B. eine erhöhte Langzeitpotenzierung und eine verminderte Langzeitdepression im Striatum, der Eingangsstruktur der Basalganglien, ebenso wie eine beeinträchtigte GABAerge Hemmung bei verschiedenen Arten von menschlicher Dystonie stützen die Hypothese des Verlustes der Hemmung im Striatum. Ziele der Untersuchungen: Striatale GABAerge Parvalbumin-reaktive Interneurone (PV+) nehmen eine zentrale Rolle in der hemmenden Kontrolle ein, indem sie die Aktivität striataler Projektionsneurone (MSN) und somit das Gleichgewichts zwischen Erregung und Hemmung im Striatum regulieren. Die Bedeutung eines Hemmungsverlustes im Striatum, ausgelöst durch eine mögliche Fehlfunktion striataler PV+, sollte in einem Tiermodell der DYT1 Dystonie untersucht werden. Mithilfe einer in-vivo-optogenetischen Inhibition striataler PV+ in dem DYT1 Knock-in-Mausmodell (DYT1 KI), ein ätiologisches Mausmodell ohne Ausprägung eines dystonen Phänotyps, wurden die Auswirkungen auf das lokomotorische Verhalten, auf die Entwicklung dystoner Symptome und auf die neuronale Aktivität untersucht. Tiere, Material und Methoden: Zu diesem Zweck wurde eine Mauslinie etabliert, welche die lichtsensitive Chloridionenpumpe Halorhodopsin (eNpHR3.0) in PV+ exprimiert und entweder heterozygot oder Wildtyp (WT) für die DYT1-Mutation ist. Dafür wurden unter Verwendung des Cre-LoxP Systems verschiedene Mauslinien miteinander gekreuzt. Die Untersuchungen wurden an männlichen sechs Monate alten DYT1 KI (n = 7) und WT-Mäusen (n = 8) durchgeführt, da diese geschlechts- und altersabhängig signifikante Verhaltensänderungen zeigten. Die Expression von Halorhodopsin wurde mittels Genotypisierung und Immunhistochemie verifiziert. Durch bilaterale stereotaktische Implantation optischer Fasern in das murine dorsale Striatum konnten Lichtimpulse an das eNpHR3.0 übertragen werden. Anregung mit gelbem Licht führt zur Aktivierung des eNpHR3.0, welches einen Chloridioneneinstrom ermöglicht und zu einer Hyperpolarisation der striatalen PV+ führt. Es wurden verschiedene Stimulationsprotokolle verwendet, welche sich in der Länge und dem Intervall der Lichtimpulse sowie der Dauer der Stimulation unterschieden. Dabei befanden sich die Mäuse im „open field” und ihre lokomotorische Aktivität sowie weitere Parameter, z.B. Thigmotaxis und Putzverhalten, wurden beurteilt. Untersuchungen zur neuronalen Aktivität wurden sowohl an den stimulierten (DYT1 KI n = 7, WT n = 6) als auch an naiven Tieren (DYT1 KI n = 6, WT n = 8) aus derselben Mauslinie durchgeführt. Effekte auf die neuronale Aktivität wurden anhand der Expression des neuronalen Markers c-Fos untersucht. Die gesamte neuronale Aktivität wurde durch stereologisches Zählen c-Fos-positiver Neurone analysiert. Die Aktivität striataler PV+ und cholinerger Interneurone (CIN) wurde durch Doppelmarkierungen mit c-Fos- und eNpHR3.0 bzw. Cholinacetyltransferase (ChAT) beurteilt. Die grafische Darstellung und statistische Auswertung wurde mit SigmaPlot14.0 durchgeführt und erfolgte mittels Varianzanalyse (ein- und zweifaktorielle ANOVA, mit und ohne Messwiederholung) gefolgt von einem Post-Hoc-Test für Mehrfachvergleiche (Holm-Sidak). Das Signifikanzniveau wurde bei p < 0,05 festgesetzt. Ergebnisse: Die optogenetischen Stimulationen mit gelben Lichtimpulsen bei unterschiedlichen Impulsdauern und Intervalllängen und mit einer Stimulationsdauer von bis zu 60 Minuten lösten in den Mäusen keine abnormalen Bewegungen, wie dystone Symptome, aus. Weiterhin waren sowohl das lokomotorische Verhalten als auch die weiteren analysierten Parameter unter Stimulation unverändert. Dagegen zeigten immunhistochemische Untersuchungen Genotyp-abhängige Unterschiede zur neuronalen Aktivität. Im Gegensatz zu stimulierten WT-Mäusen zeigten stimulierte DYT1 KI eine verringerte striatale neuronale Gesamtaktivität (p = 0,002), d.h. weniger c-Fos reaktive Neurone, welches sich über das gesamte Striatum erstreckt. Weiterhin zeigten stimulierte DYT1 KI-Mäuse eine geringere Aktivität eNpHR3.0-positiver Neurone als stimulierte WT (p = 0,31), also eine anhaltende Hemmung der PV+, sowie eine erhöhte Aktivierung cholinerger Interneurone nach optogenetischer Hemmung von PV+ (vs. WT p < 0,001, vs. naive DYT1 KI p < 0,001). Schlussfolgerungen: Da die in-vivo-optogenetische Hemmung striataler PV+ nicht ausreichte, um in DYT1 KI-Mäusen dystone Symptome hervorzurufen, scheinen zumindest kürzere hemmende Defizite über PV+ für die Ausprägung der DYT1 Dystonie keine zentrale Rolle zu spielen. Ebenso hatte die optogenetische Hemmung von PV+ keinen Einfluss auf das lokomotorische Verhalten von WT und DYT1 KI-Mäusen. Dennoch deuten die Genotyp-bezogenen Unterschiede in der neuronalen Aktivität zwischen stimulierten Mäusen auf eine abnorme Reaktion auf die optogenetische Hemmung von PV+ und eine striatale Fehlfunktion bei den DYT1 KI-Mäusen hin. Weiterführende Studien aus einer Kombination von optogenetischen Manipulationen von PV+ und elektrophysiologischen Untersuchungen bzw. Neurotransmittermessungen können Erklärungsansätze für Veränderungen in der neuronalen Aktivität liefern und Einblicke in Neurotransmitterimbalancen, die der Dystonie zugrunde liegen, geben.:Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 2. Literaturübersicht 2.1 Definition und Einteilung von Dystonien 2.1.1 Die primäre DYT1 Torsionsdystonie 2.2 Diagnose und Therapieoptionen von Dystonien 2.3 Tiermodelle primärer Dystonien 2.3.1 Das DYT1 Knock-in-Mausmodell 2.4 Die Basalganglien: Neuroanatomie und Physiologie 2.4.1 Nervenzellen des Striatums 2.4.1.1 Striatale Projektionsneurone 2.4.1.2 Striatale Interneurone 2.4.2 Basalganglien und Dystonie: pathophysiologische Veränderungen 2.4.3 Striatale Parvalbumin-reaktive Interneurone 2.4.3.1 Physiologische Eigenschaften 2.4.3.2 Bedeutung für Verhalten, Motorik und Dystonien 2.4.3.3 Inhibition Parvalbumin-reaktiver Interneurone mithilfe der In-vivo-Optogenetik 3. Fragestellung 4. Publikation 5. Diskussion 5.1 Methodische Aspekte 5.2 Ergebnisse 5.2.1 Verhaltensuntersuchungen 5.2.2 Neuronale Aktivität 5.3 Schlussfolgerungen und Ausblick 6. Zusammenfassung 7. Summary 8. Literaturverzeichnis 9. Danksagung / Introduction: Dystonia is a movement disorder characterized by abnormal involuntary movements or postures due to sustained or intermittent muscle contractions. The most common inherited form is DYT1 dystonia, in which a deletion of three base pairs in the TOR1A gene leads to the expression of a mutant torsinA protein. The insufficient elucidation of the pathophysiology of dystonia hampers the development of effective treatments. Studies in animal models and in human patients suggest that dystonia underlies dysfunction within the basal ganglia loop involving the basal ganglia, cortex, thalamus and cerebellum. An accepted hypothesis is that dystonia results from an imbalance between excitation and inhibition. Abnormal neuronal plasticity, e.g., increased long-term potentiation and decreased long-term depression in the striatum, the input structure of the basal ganglia, as well as impaired GABAergic inhibition in various types of human dystonia support the hypothesis of a loss of inhibition in the striatum. Aim: Striatal GABAergic parvalbumin-reactive interneurons (PV+) play a central role in inhibitory control by regulating the activity of striatal projection neurons (MSN) and consequently the balance between excitation and inhibition in the striatum. The importance of a loss of inhibition in the striatum, triggered by possible dysfunction of striatal PV+, should be investigated in an animal model of DYT1 dystonia. Using in vivo optogenetic inhibition of striatal PV+ in the DYT1 knock-in mouse model (DYT1 KI), a genetic mouse model without manifestation of a dystonic phenotype, the effects on locomotor behavior, on the development of dystonic symptoms and on neuronal activity were investigated. Animals, material and methods: A mouse line expressing the light-sensitive chloride ion pump halorhodopsin (eNpHR3.0) in PV+ and either heterozygous or wildtype (wt) for the DYT1 mutation was established. For this, different mouse lines were crossed using the Cre-LoxP system. Studies were performed in male six-month-old DYT1 KI (n = 7) and wt mice (n = 8), as they showed significant behavioral abnormalities in a sex- and age-dependent manner. Halorhodopsin expression was verified by genotyping and immunohistochemistry. After bilateral stereotactic implantation of optical fibers into the murine dorsal striatum, light pulses could be transmitted to eNpHR3.0. Excitation with yellow light leads to activation of eNpHR3.0, which leads to chloride ion influx and results in hyperpolarization of striatal PV+. Different stimulation protocols were used, differing in the length and interval of light pulses and the duration of stimulation. During optogenetic stimulation, mice were in the 'open field' and their locomotor activity and other parameters, e.g., thigmotaxis and grooming behavior, were assessed. Studies on neuronal activity were performed on both stimulated (DYT1 KI n = 7, WT n = 6) and naive animals (DYT1 KI n = 6, WT n = 8) from the same mouse line. For neuronal activity studies, the expression of the neuronal marker c-Fos was examined. Overall neuronal activity was analyzed by stereological counting of c-Fos-positive neurons. Activity of striatal PV+ and cholinergic interneurons (CIN) was determined by colabeling with c-Fos- and eNpHR3.0 or choline acetyltransferase (ChAT). All plots and statistical analyses were performed using SigmaPlot14.0 and analyzed by analysis of variance (one-way and two-way ANOVA, with and without repeated measures) followed by a multiple comparison post-hoc test (Holm-Sidak). Significance was assigned at p < 0.05. Results: In stimulated mice, optogenetic inhibition using yellow light pulses at different pulse durations and interval lengths and with a stimulation duration up to 60 minutes did not induce abnormal movements, such as dystonic signs. Furthermore, both locomotor behavior and other parameters analyzed remained unchanged under stimulation. In contrast, immunohistochemical studies revealed genotype-dependent differences in neuronal activity. In contrast to stimulated wt mice, stimulated DYT1 KI showed reduced overall striatal neuronal activity (p = 0.002), i.e., fewer c-Fos reactive neurons, spreading over the entire striatum. Likewise, stimulated DYT1 KI mice showed decreased activity of eNpHR3.0-positive neurons than stimulated wt (p = 0.31), indicating lasting inhibition of PV+, as well as increased activation of cholinergic interneurons after optogenetic inhibition of PV+ (vs. WT p < 0.001, vs. naive DYT1 KI p < 0.001). Conclusions: Since in vivo optogenetic inhibition of striatal PV+ was not sufficient to elicit dystonic symptoms in DYT1 KI mice, at least short-time inhibition seems not to play a central role in the manifestation of DYT1 dystonia. Similarly, optogenetic inhibition of PV+ had no effect on locomotor behavior in wt and DYT1 KI mice. Despite this, genotype differences in neuronal activity between stimulated mice suggest an abnormal response to optogenetic inhibition of PV+ and striatal dysfunction in the DYT1 KI mice. Further studies combining optogenetic manipulations of PV+ and electrophysiological or neurotransmitter measurements may provide explanatory approaches to changes in neuronal activity and give insights into neurotransmitter imbalances underlying dystonia.:Abkürzungsverzeichnis 1. Einleitung 2. Literaturübersicht 2.1 Definition und Einteilung von Dystonien 2.1.1 Die primäre DYT1 Torsionsdystonie 2.2 Diagnose und Therapieoptionen von Dystonien 2.3 Tiermodelle primärer Dystonien 2.3.1 Das DYT1 Knock-in-Mausmodell 2.4 Die Basalganglien: Neuroanatomie und Physiologie 2.4.1 Nervenzellen des Striatums 2.4.1.1 Striatale Projektionsneurone 2.4.1.2 Striatale Interneurone 2.4.2 Basalganglien und Dystonie: pathophysiologische Veränderungen 2.4.3 Striatale Parvalbumin-reaktive Interneurone 2.4.3.1 Physiologische Eigenschaften 2.4.3.2 Bedeutung für Verhalten, Motorik und Dystonien 2.4.3.3 Inhibition Parvalbumin-reaktiver Interneurone mithilfe der In-vivo-Optogenetik 3. Fragestellung 4. Publikation 5. Diskussion 5.1 Methodische Aspekte 5.2 Ergebnisse 5.2.1 Verhaltensuntersuchungen 5.2.2 Neuronale Aktivität 5.3 Schlussfolgerungen und Ausblick 6. Zusammenfassung 7. Summary 8. Literaturverzeichnis 9. Danksagung

WebAssembly is a new standard of the World Wide Web that is used as a compilation target and which is meant to enable high-performance applications. As it becomes more popular, the need for corresponding decompilers increases, for security reasons for instance. However, building an accurate decompiler capable of restoring the original source code is a complicated task. Recently, Neural Machine Translation (NMT) has been proposed as an alternative to traditional decompilers which involve a lot of manual and laborious work. We investigate the viability of Neural Machine Translation for decompiling WebAssembly binaries to C source code. The state-of-the-art transformer and LSTM sequence-to-sequence (Seq2Seq) models with attention are experimented with. We build a custom randomly-generated dataset ofWebAssembly to C pairs of source code and use different metrics to quantitatively evaluate the performance of the models. Our implementation consists of several processing steps that have the WebAssembly input and the C output as endpoints. The results show that the transformer outperforms the LSTM based neural model. Besides, while the model restores the syntax and control-flow structure with up to 95% of accuracy, it is incapable of recovering the data-flow. The different benchmarks on which we run our evaluation indicate a drop of decompilation accuracy as the cyclomatic complexity and the nesting of the programs increase. Nevertheless, our approach has a lot of potential, encouraging its usage in future works. / WebAssembly est un nouveau standard du World Wide Web utilisé comme cible de compilation et qui est principalement destiné à exécuter des applications dans un navigateur Web avec des performances supérieures. À mesure que le langage devient populaire, le besoin en rétro-ingénierie des fichiers WebAssembly binaires se ressent. Toutefois, la construction d’un bon décompilateur capable de restaurer du code source plus aussi proche que possible de l’original est une tâche compliquée. Récemment, la traduction automatique neuronale a été proposée comme alternative aux décompilateurs traditionnels qui impliquent du travail fastidieux, coûteux et difficilement adaptable à d’autres langages. Nous investiguons les chances de succès de la traduction automatique neuronale pour décompiler des fichiers binaires WebAssembly en code source C. Les modèles du transformeur et du LSTM séquence-à-séquence (Seq2Seq) sont utilisés. Nous construisons un jeu de données généré de manière aléatoire constitué de paires de code source WebAssembly et C et nous utilisons différentes métriques pour évaluer quantitativement les performances des deux modèles. Notre implémentation consiste en plusieurs phases de traitement qui reçoivent en entrée le code WebAssembly et produisent en sortie le code source C. Les résultats montrent que le transformeur est plus performant que le modèle basé sur les LSTMs. De plus, bien que le modèle puisse restaurer la syntaxe ainsi que la structure de contrôle du programme avec jusqu’à 95% de précision, il est incapable de produire un flux de données équivalent. Les différents jeux de données produits indiquent une chute de performance à mesure que la complexité cyclomatique ainsi que le niveau d’imbrication augmentent. Nous estimons, toutefois, que cette approche possède du potentiel. / WebAssembluy är en ny standard för World Wide Web som används som ett kompileringsmål och som är tänkt att möjliggöra högpresterande applikationer i webbläsaren. När det blir mer populärt ökar behovet av motsvarande dekompilatorer. Att bygga en exakt dekompilator som kan återställa den ursprungliga källkoden är dock en komplicerad uppgift. Nyligen har Neural Maskinöversättning (NMT) föreslagits som ett alternativ till traditionella dekompilatorer som innebär mycket manuellt och mödosamt arbete. Vi undersöker genomförbarheten hos Neural Maskinöversättning för dekompilering av WebAssembly -binärer till C -källkod. De toppmoderna transformer och LSTM sequence-to-sequence (Seq2Seq) modellerna med attention experimenteras med. Vi bygger en anpassad slumpmässigt genererad dataset för WebAssembly till C-källkodspar och använder olika mätvärden för att kvantitativt utvärdera modellernas prestanda. Vår implementering består av flera bearbetningssteg som har WebAssembly -ingången och C -utgången som slutpunkter. Resultaten visar att transformer överträffar den LSTM -baserade neuralmodellen. Även om modellen återställer syntaxen och kontrollflödesstrukturen med upp till 95 % noggrannhet, är den oförmögen att återställa dataflödet. De olika benchmarks som vi använder vår utvärdering på indikerar en minskning av dekompilationsnoggrannheten när den cyklomatiska komplexiteten och häckningen av programmen ökar. Vi tror dock att detta tillvägagångssätt har stor potential.

Zirkuläre RNAs sind eine Klasse endogener, tierischer RNAs. Obwohl sie hoch abundant sind, ist weder ihre Funktion noch ihre Expression im Nervensystem bekannt. Es wurde ein Katalog zirkulärer RNAs in neuralen Proben erstellt. Es konnten tausende zirkuläre RNAs von Mensch und Maus entdeckt und analysiert werden. Zirkuläre RNAs sind außerordentlich angereichert im Säugetiergehirn, ihre Sequenz ist gut konserviert und sie sind häufig gemeinsam in Mensch und Maus exprimiert. Zirkuläre RNAs waren generell höher exprimiert im Verlauf der neuronalen Differenzierung, sind stark angereichert an Synapsen und oft differentiell exprimiert. circSLC45A4 ist die Hauptisoform, die in humanem präfrontalem, embryonalen Cortex von diesem genomischen Lokus exprimiert wird und eine der am höchsten exprimierten zirkulären RNAs in diesem System. Induzierte Verminderung der Expression von circSLC45A4 ist ausreichend, um die spontane neuronale Differenzierung einer humanen Neuroblastomzelllinie zu induzieren. Dies kann durch die verstärkte Expression neuronaler Markergene belegt werden. Verminderung der Expression von circSLC45A4 im embryonalen Mauscortex verursacht eine signifikante Reduktion von basalen Progenitoren. Außerdem wurde eine signifikante Reduktion von Zellen in der kortikalen Platte nach Depletion von circSLC45A4 gemessen. Weiterhin konnten die Ergebnisse im Mauscortex dekonvoliert werden. Dies zeigte die Zunahme von Cajal-Retzius Zellen. Es wird eine Methode vorgestellt, die RNA-Sequenzierung von Einzelzellen mit räumlicher Auflösung zulässt, ohne vorherige Kenntnisse des Systems zu benötigen. 3D-seq vereint die Applikation eines physischen Gitters mit kombinatorischem Indizieren, so dass Einzelzellen individuell und räumlich markiert werden können. 3D-seq wurde an koronalen Schnitten von adultem Mausgehirn etabliert. Die Daten wurden zur Reproduktion des Gewebes in silico genutzt. 3D-seq ein leicht zu adaptierendes Protokoll, das an jedem Gewebe angewendet werden kann. / Circular RNAs (circRNAs) are an endogenous class of animal RNAs. Despite their abundance, their function and expression in the nervous system are unknown. Therefore, a circRNA catalogue comprising RNA-seq samples from different brain regions, primary neurons, synaptoneurosomes, as well as during neuronal differentiation was created. Using these and other available data, thousands of neuronal human and mouse circRNAs were discovered and analyzed. CircRNAs were extraordinarily enriched in the mammalian brain, well conserved in sequence, often expressed as circRNAs in both human and mouse, and sometimes even detected in Drosophila brains. CircRNAs were overall upregulated during neuronal differentiation, highly enriched in synapses, and often differentially expressed compared to their corresponding mRNA isoforms. CircRNA expression correlated negatively with expression of the RNA-editing enzyme ADAR1. Knockdown of ADAR1 induced elevated circRNA expression. Together, a circRNA brain expression atlas and evidence for important circRNA functions is provided. Starting from this catalogue a circRNA, circSLC45A4 was identified. It is the main RNA isoform produced from its genetic locus in the developing human frontal cortex and one of the highest expressed circRNAs in that system. Knockdown of this conserved circular RNA in a human neuroblastoma cell line was sufficient to induce spontaneous neuronal differentiation, measurable by increased expression of neuronal marker genes and neurite outgrowth. Depletion of circSlc45a4 in the developing mouse cortex caused a significant reduction of the basal progenitor pool and increased the expression of neurogenic regulators like Notch2, Foxp2, and Unc5b. Furthermore, a significant depletion of cells in the cortical plate after knockdown of circSlc45a4 was observed. In addition, deconvolution of the bulk RNA-seq data with the help of single cell RNA-seq data validates the depletion of basal progenitors after knockdown of circSlc45a4 in the mouse cortex and reveals an increase in Cajal-Retzius cells. Taken together, a detailed study of a conserved circular RNA that is necessary to maintain the pool of neural progenitors in vitro and in vivo is presented. The developing mouse cortex is a good illustration for a highly spatially organized tissue and why knowledge of spatial information for each cell can be of great importance. However, obtaining transcriptome-wide and spatially resolved information from single-cells has been proven to be a challenging task. Current state-of-the-art experimental methods are either limited by the number of genes that can be detected simultaneously within a single-cell or require preexisting spatial information. Here, 3D-seq, a new experimental technique that allows unbiased, high-throughput single-cell spatial transcriptomics is introduced. 3D-seq combines a physical grid with combinatorial indexing to label single cells of any tissue in a unique way and thereby preserving the approximate spatial localization of any given cell. 3D-seq was applied to coronal slices of adult mouse brain, more than 70 cell types were identified and the 3D-seq data was used to reproduce the tissue in silico with single-cell resolution. Furthermore, 3D-seq is easy to adapt, can be applied to any tissue and can be combined with other technologies.

Dans le but d'améliorer la compréhension du rôle de l'autostructuration des réseaux de neurones impliqués dans le système visuel du cerveau des mammifères, des extensions temporelles du modèles de Linsker (1986a-c, 1988) sont proposées au lecteur. Le modèle de Linsker est basé sur une corrélation de type Hebb et il permet l'émergence progressive de fonctions analogues à celles retrouvées dans le cortex visuel des mammifères au stade de l'ontogenèse. À titre d'exemple, il est observé l'émergence de cellules centre-poutour et de cellules sensibles aux orientations ainsi que la formation de colonnes alternées de dominance oculaire. Pour bien comprendre le modèle de Linsker, une première partie introduit les notions de physiologie nécessaires à sa compréhension. La seconde partie fait le constat de l'état de la recherche en matière d'autostructuration biologique du point de vue des outils mathématiques à notre disposition qui permettent l'analyse du modèle. Dans cette section, une revue de la littérature et quelques travaux complémentaires d'intérêt (MacKay et Miller, 1990a-b; Miller, 1994; Feng, 1993-1998) font aussi l'objet d'une discussion. Enfin, la troisième partie de cette dissertation a comme contribution scientifique originale de départager l'apport du retard dans une règle d'apprentissage de type Hebb par opposition au domaine spatial de Linsker. Par le biais de l'analyse mathématique et de simulations informatiques, deux cas de retard dans l'apprentissage sont étudiés : celui du retard dans la propagation des signaux et celui du retard dans la dynamique des poids synaptiques. Chacun de ces deux cas amène des conclusions différentes, à savoir : le premier cas donne lieu à des valeurs propres temporelles analogue au chapeau mexicain; le second cas permet d'observer des oscillations analogues à celles enregistrées sur la rétine des mammifères au stade de l'ontogenèse. Ces constats aideront à orienter les futures expérimentations en éclairant sur les mécanismes intrinsèques qui gouvernent ces processus biologiques.

Multiplication is one of the widely used arithmetic operations in a variety of applications, such as image/video processing and machine learning. FPGA vendors provide high-performance multipliers in the form of DSP blocks. These multipliers are not only limited in number and have fixed locations on FPGAs but can also create additional routing delays and may prove inefficient for smaller bit-width multiplications. Therefore, FPGA vendors additionally provide optimized soft IP cores for multiplication. However, in this work, we advocate that these soft multiplier IP cores for FPGAs still need better designs to provide high-performance and resource efficiency. Toward this, we present generic area-optimized, low-latency accurate, and approximate softcore multiplier architectures, which exploit the underlying architectural features of FPGAs, i.e., lookup table (LUT) structures and fast-carry chains to reduce the overall critical path delay (CPD) and resource utilization of multipliers. Compared to Xilinx multiplier LogiCORE IP, our proposed unsigned and signed accurate architecture provides up to 25% and 53% reduction in LUT utilization, respectively, for different sizes of multipliers. Moreover, with our unsigned approximate multiplier architectures, a reduction of up to 51% in the CPD can be achieved with an insignificant loss in output accuracy when compared with the LogiCORE IP. For illustration, we have deployed the proposed multiplier architecture in accelerators used in image and video applications, and evaluated them for area and performance gains. Our library of accurate and approximate multipliers is opensource and available online at https://cfaed.tu-dresden.de/pd-downloads to fuel further research and development in this area, facilitate reproducible research, and thereby enabling a new research direction for the FPGA community.

In dieser Arbeit versuche ich, den neuronalen Code, d. h. die Art und Weise, wie die Nervenzellen des Gehirns Informationen in ihrer Aktivität übertragen und verarbeiten, besser zu verstehen, indem ich die Kodierung von Stimuli in neuronalen Systemen untersuche. Zu diesem Zweck analysiere ich die Veränderungen in der Dynamik von neuronalen Standardmodellen, die im Rahmen der statistischen Physik entwickelt wurden, in Bezug auf Veränder- ungen der Parameter und der Konnektivität bei Vorhandensein bzw. Fehlen eines Reizes. Ich verwende informationstheoretische Maße, um die Fähigkeit neuronaler Populationen, empfangene Informationen durch ihren Output zu übertragen, zu quantifizieren. Die vorgestellten Ergebnisse bauen auf einer Vielzahl früherer Studien über unverbundene und rekurrente neuronale Pop- ulationen auf. Einige dieser Studien heben zwei neuronale Code-Kandidaten hervor, die unterschiedliche Profile der Informationsfilterung aufweisen: einen Integrationscode, der als Tiefpass-Informationsfilter fungiert, und einen Synchroniecode, der als Bandpassfilter fungiert. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Ergebnisse dieser Studien auf Netzwerke mit einem höheren Konnektivitätsgrad, wie er im Kortex beobachtet wird, auszuweiten. / In this thesis I attempt to better understand the neural code, or the way in which the nerve cells of the brain transmit and process information in their activity, through the investigation of stimulus encoding in neural systems. To this end, I analyze changes in the dynamics of standard neuronal models, de- veloped in the framework of statistical physics, to variations in parameters and connectivity in the presence versus the absence of a stimulus. In conjunction, information theoretical measures are utilized to quantify the ability of neu- ronal populations to transmit received information through their output. The presented results build upon a multitude of previous studies of both uncon- nected and recurrent neural populations. Some of these studies highlight two neural code candidates that have distinct information filtering profiles: an in- tegration code that acts as a low-pass information filter and a synchrony code that acts as a bandpass filter. In the following, synaptic connectivity is added in diverse ways in order to extend results of these studies to networks with a higher level of connectivity, as observed in the cortex.

Circular RNAs (circRNAs) sind eine große Klasse endogener RNAs, die in Organismen vorkommen, die RNA-Transkripte durch Spleißen prozessieren. Sie sind Produkte des „backsplicing“ – einer Art des alternativen Spleißens, bei der das 3‘-Ende eines Exons mit einer vorgelagerten 5‘-„splice site“ verbunden wird. Trotz ihrer Abundanz und spezifischen Expressionsmustern sind in vivo-Funktionen von circRNAs größtenteils unbekannt. Wir haben den existierenden Kenntnisstand systematisiert und diesen in Form von circBase frei zugänglich gemacht. circBase ist eine Online-Datenbank, in der circRNA-Datensätze abgerufen und im genomischen Kontext durchsucht und visualisiert werden können. Für die Arbeit mit Hochdurchsatz-circRNA-Daten haben wir des Weiteren die Software ciRcus entwickelt. Um mehr bezüglich circRNA-Expression und möglicher Funktionen zu lernen, haben wir die Expressionsmuster im Säugetiergehirn umfassend erforscht. Mithilfe von eigenen und öffentlich zugänglichen RNA-Sequenzierungsdaten haben wir Tausende von neuralen circRNAs in Mensch und Maus entdeckt. circRNAs waren während der neuronalen Differenzierung und Reifung insgesamt hochreguliert, stark angereichert in Synapsen, und oft differentiell exprimiert im Vergleich zu ihren mRNA-Isoformen. Außerdem haben wir gezeigt, dass viele circRNAs zwischen Mensch und Maus konserviert sind. Schließlich haben wir in vivo-Funktionen von Cdr1as erforscht - einer konservierten und im Gehirn hoch exprimierten circRNA, die stark von microRNA (miRNA)-Effektor-Komplexen gebunden ist und zahlreiche miR-7-Bindestellen sowie eine Bindestelle für miR-671 aufweist. „Knockout“-Tiere, bei denen der Cdr1as-Lokus deletiert wurde, zeigten ein gestörtes sensomotorisches „gating“ und dysfunktionale synaptische Übertragung. Die Expression von miR-7 und miR-671 war in verschiedenen Hirnregionen der Tiere dereguliert. Die Expression von „immediate early“-Genen, von denen einige miR-7-Zielgene sind, war erhöht. / circular RNAs (circRNAs) are a large class of endogenous RNAs present in organisms that process RNA transcripts by splicing. They are products of backsplicing - alternative splicing reactions where the 3’ end of an exon is spliced to an upstream 5’ splice site. Despite their abundance and tissue- and developmental-stage-specific expression patterns, their in vivo functions are largely unknown. We systematized the existing knowledge on circRNAs and made it freely available by developing circBase - an online database where circRNA datasets can be accessed, downloaded and browsed within the genomic context. Another technical challenge was addressed by developing ciRcus - a software package for working with high-throughput circRNA data, which allowed us to routinely handle, explore, annotate, quantify and integrate circRNA data with the external sources of biological data. To learn more about circRNA expression and potential functions, we have explored the expression patterns of circRNAs in the mammalian brain. Using own and public RNA-seq data, we discovered thousands of neural circRNAs in human and mouse. circRNAs were upregulated during neuronal differentiation and maturation, enriched in synapses, and often differentially expressed compared to their host mRNAs. Many circRNAs were conserved between human and mouse. Finally, we explored in vivo functions of Cdr1as - a conserved circRNA known to be highly expressed in the brain, heavily bound by microRNA (miRNA) effector complexes, and harbouring many binding sites for miR-7, as well as a single binding site for miR-671. Upon deleting the Cdr1as locus, knockout animals displayed impaired sensorimotor gating and dysfunctional synaptic transmission. Expression of miR-7 and miR-671 was deregulated in different brain regions of Cdr1as knockout animals. Expression of immediate early genes, some of which are miR-7 targets, was increased, providing a possible molecular link to the behavioral phenotype.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / Lors de leur différenciation, les neurones développent deux types de prolongements cytoplasmiques, dendrites et axones. L'élaboration de ces prolongements est médiée par les éléments du cytosquelette, plus particulièrement, les microtubules et les microfilaments d'actine (actine-F). L'expression de la protéine associée aux microtubules-2 (MAP-2) est nécessaire au développement des neurites mineures, les premiers prolongements cytoplasmiques émis par un neurone. Ceux-ci n'ont pas une identité dendritique ou axonale. Par la suite, l'expression de MAP2 est nécessaire au développement et au maintien des dendrites. L'expression de MAP2 est régulée par épissage alternatif au cours de la différenciation neuronale. Il existe quatre isoformes de la protéine MAP2, MAP2a, MAP2b, MAP2c et MAP2d. MAP2b et MAP2c sont les isoformes les mieux caractérisées. Elles peuvent être subdivisées en deux domaines: un domaine de liaison aux microtubules situé en C-terminal et un domaine de projection en N-terminal. Le domaine de liaison aux microtubules est responsable de l'interaction de MAP2 avec les microtubules alors que le rôle du domaine de projection n1est toujours pas clairement défini. MAP2c est exprimée dans les neurones immatures alors que MAP2b est présente dans les neurones immatures et matures. Dans les neurones immatures, ces deux isoformes se retrouvent dans les neurites mineures et elles sont ciblées préférentiellement dans les dendrites au cours de la différenciation neuronale. Le rôle respectif de MAP2b et MAP2c dans l'élaboration de prolongements cytoplasmiques par un neurone demeure inconnu. MAP2b et MAP2c diffèrent par la présence d'une séquence additionnelle de 1372 acides aminés dans le domaine de projection de MAP2b. L'insertion d'une séquence aussi importante dans le domaine de projection de MAP2b indique que ce domaine joue un rôle important. Le but de la présente étude consiste à mieux comprendre le rôle de cette séquence dans la fotmation de prolongements cytoplasmiques. Pour cette analyse fonctionnelle, nous avons produit six formes tronquées de MAP2b qui contiennent des délétions dans le domaine de projection de MAP2b. Ces formes tronquées de MAP2b ont été exprimées dans les cellules ovariennes Spodoptera frugiperda (Sf9). En effet, ce système cellulaire est très intéressant puisque nous avons démontré que l'expression de MAP2b et MAP2c dans ces cellules résulte en la formation de prolongements cytoplasmiques. Cependant, ces deux isoformes de MAP2 induisent des patterns distincts de formation de prolongements cytoplasmiques. 60% des cellules qui expriment MAP2c développent des prolongements alors que 14% des cellules qui expriment MAP2b ont des prolongements. De plus, les cellules qui expriment MAP2c ont la tendance à développer des prolongements multiples alors que celles qui expriment MAP2b présentent un seul prolongement. Nos présents résultats démontrent que le domaine de projection de MAP2b a un effet inhibiteur sur la capacité du domaine de liaison aux microtubules à induire la formation de prolongements cytoplasmiques. En effet, 53% des cellules qui n'expriment que le domaine de liaison aux microtubules ont des prolongements en comparaison à 14% des cellules qui expriment MAP2b. De plus, l'expression de trois formes tronquées de MAP2b qui ont une délétion partielle de la séquence additionnelle de 1372 acides aminés induit un plus grand pourcentage de cellules avec prolongements (27%, 31 % et 41 % ). Toutefois, la séquence commune à MAP2c et MAP2b qui est située à l'extrémité 5' du domaine de projection semble favoriser la formation de plusieurs prolongements puisque sa délétion résulte en un plus faible pourcentage de cellules avec des prolongements multiples. Nos résultats suggèrent donc que l'insertion de la séquence additionnelle de 1372 acides aminés dans le domaine de projection de MAP2b diminue sa capacité à induire la formation de prolongements cytoplasmiques. Étant donné que MAP2b et MAP2c sont capables de se lier à l'actine-F et aux microtubules, nous avons examiné la distribution de ces deux éléments du cytosquelette dans les cellules Sf9 qui expriment les différentes formes tronquées de MAP2b. Toutes les formes tronquées de MAP2b induisent la formation de faisceaux de microtubules à l'exception des formes tronquées qui correspondent aux domaines de projection de MAP2c et de MAP2b. Dans les cellules qui présentent des prolongements, on note une réorganisation de l'actine-F. Dans les cellules qui expriment la forme mutante correspondant au domaine de projection de MAP2b, l'actine-F est distribuée sous forme d'un anneau sous la membrane plasmique. De plus, le domaine de projection a une distribution similaire. Ceci suggère que le domaine de projection de MAP2b interagit avec l'actine-F. Donc la séquence additionnelle de 13 72 acides aminés pourrait contenir un domaine de liaison à l'actine. En conclusion, nos résultats indiquent que MAP2b aurait une moins grande capacité que MAP2c à promouvoir la formation de neurites mais elle pourrait contribuer à leur stabilisation au cours de la différenciation neuronale par le fait qu'elle contient des domaines additionnels de liaison à l'actine.