Sensorische Nervenzellen kodieren Informationen über die Umwelt mittels elektrischer Impulse, sogenannte Aktionspotentiale oder Spikes. Diese werden weitergeleitet zu postsynaptischen Neuronen im zentralen Nervensystem, welche unterschiedliche Auslesestrategien verwenden. Integratorzellen summieren alle ankommenden Aktionspotentiale auf, wodurch sie die Gesamtaktivität einer präsynaptischen Population messen. Koinzidenzdetektoren hingegen, werden nur durch das synchrone Feuern der zuführenden Neuronenpopulation aktiviert. Die grundlegende Frage dieser Dissertation lautet: Welche Information eines zeitabhängigen Signals kodieren die synchronen Spikes einer Neuronenpopulation im Vergleich zu der Summe all ihrer Aktionspotentiale? Hierbei verwenden wir die Theorie stochastischer Prozesse: wir berechnen Spektralmaße, die es ermöglichen Aussagen darüber zu treffen welche Frequenzkomponenten eines Signals vorwiegend transmittiert werden. Im Gegensatz zu früheren Studien, verstehen wir unter einem synchronen Ereignis nicht zwangsläufig, dass die gesamte Population simultan feuert, sondern, dass ein minimaler Anteil („Synchronizitätsschranke") gleichzeitig aktiv ist. Unsere Analyse zeigt, dass die synchrone Populationsaktivität als ein Bandpass-Informationsfilter agieren kann: die synchronen Spikes kodieren hauptsächlich schnelle Signalanteile. Damit stellt die Selektion simultaner Neuronenaktivität ein potentielles Mittel dar um gleichzeitig anwesende, konkurrierende Signale voneinander zu trennen. Dabei hängen die genauen Charakteristika der Informationsfilterung ausschlaggebend von der Synchronizitätsschwelle ab. Insbesondere zeigt sich, dass eine Symmetrie in der Schwelle vorliegt,die die Äquivalenz der Kodierungseigenschaften von synchronem Feuern und synchronem Schweigen offenlegt. Unsere analytischen Ergebnisse testen wir mittels numerischer Simulationen und vergleichen sie mit Experimenten am schwach elektrischen Fisch. / Populations of sensory neurons encode information about the environment into electrical pulses, so called action potentials or spikes. Neurons in the brain process these pulses further by using different readout strategies. Integrator cells sum up all incoming action potentials and are thus sensitive to the overall activity of a presynaptic population. Coincidence detectors, on the other hand, are activated by the synchronous firing of the afferent population. The main question of this thesis is: What information about a common time-dependent stimulus is encoded in the synchronous spikes of a neuronal population in comparison to the sum of all spikes? We approach this question within the framework of spectral analysis of stochastic processes, which allows to assess which frequency components of a signal are predominantly encoded. Here, in contrast to earlier studies, a synchronous event does not necessarily mean that all neurons of the population fire simultaneously, but that at least a prescribed fraction ('synchrony threshold') needs to be active within a small time interval. We derive analytical expressions of the correlation statistics which are compared to numerical simulations and experiments on weakly electric fish. We show that the information transmission of the synchronous output depends highly on the synchrony threshold. We uncover a symmetry in the synchrony threshold, unveiling the similarity in the encoding capability of the common firing and the common silence of a population. Our results demonstrate that the synchronous output can act as a band-pass filter of information, i.e. it extracts predominantly fast components of a stimulus. If signals in different frequency regimes are concurrently present, the selection of synchronous firing events can thus be a tool to separate these signals.

Neuronale Adaptation dient dazu, eine Sinnesbahn kurzfristig an die aktuelle Umgebung des Tieres anzupassen. Ihr zeitlicher Verlauf lässt sich in der Antwort einzelner Nervenzellen direkt beobachten. Der Adaptation unterliegen eine Vielzahl verschiedener Mechanismen, die über die gesamte Sinnesbahn verteilt sein können. In der vorliegenden Arbeit wurde der Versuch unternommen, diese unterschiedlichen Betrachtungsebenen zusammenzuführen. Dazu wurden mehrere experimentelle und theoretische Studien durchgeführt. In zwei der vorgestellten Studien wurden Kombinationen aus Strominjektionen und akustischen Reizen verwendet, um intrinsische Adaptation von Netzwerkeffekten zu trennen. Dabei ergab sich in einer experimentellen Studie am auditorischen System der Heuschrecke, dass die Adaptationsmechanismen, die in verschiedenen Teilen der Hörbahn rekrutiert werden, sehr stark von Identität und Funktion der jeweils untersuchten Nervenzelle abhängen. Ähnliche Methoden ermöglichten es, im auditorischen System der Grille präsynaptische Hemmung als Substrat für die wichtige mathematische Operation der Division zu identifizieren. Zusätzlich wurden Modellierungen durchgeführt, bei denen die Frage bearbeitet wurde, wo Adaptation in der Hörbahn wirken sollte, bezogen auf zwei verschieden Aufgaben: die Lokalisation eines Signals und die neuronale Abbildung dessen zeitlicher Struktur. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass die Anforderungen für diese beiden Aufgaben sehr unterschiedliche sind. In einer vierten Studie wurde untersucht, ob die Adaptation in einem auditorischen Interneuron der Grille dazu dient, die gesamte sensorische Umgebung gut abzubilden, oder ob durch die Adaptation eine Abtrennung des jeweils lautesten Signals erreicht werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl die Adaptationsmechanismen, als auch deren genaue Platzierung innerhalb der sensorischen Bahn wesentlich für Sinnesleistungen sind. / Neural adaptation serves to adjust the sensory pathway to the current environment of an animal. While the effect and time course of adaptation can be observed directly within single cells, its underlying cause is a combination of many different mechanisms spread out along the sensory pathway. The present work has the objective to unite these different levels of understanding of the term adaptation. In order to do so, several experimental and theoretical studies were carried out. In two of these studies, a combination of current injection and auditory stimulation was used, in order to disentangle intrinsic adaptation from network effects. In one of the studies, carried out in the auditory system of locusts, it was revealed that the mechanisms behind adaptation that are activated within different parts of the auditory system depend critically on identity and function of the cell under study. Similar methods enabled the identification of presynaptic inhibition as a possible mechanisms behind the important mathematical operation of division in the auditory system of crickets. Additionally, a modeling study pursued the question, where adaption should work in the auditory system from the perspective of two different tasks of sensory processing: identification of a signal and localization of its source. The results obtained from the model suggest conflicting demands for these two tasks and also present a solution of this conflict. In a fourth study, it was asked wether adaptation in the auditory system of crickets serves to guarantee optimal representation of the entire sensory environment or if it helps to separate one most important signal from the background. In summary, not only which mechanisms of adaptation are at work is of crucial importance for sensory processing, but also the exact placement of these along the pathway.

Die Familie der ErbB-Rezeptor-Tyrosinkinasen besteht aus vier Mitgliedern, dem EGF-Rezeptor (ErbB-1), ErbB-2, ErbB-3 und ErbB-4. ErbB-Rezeptoren spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Nervensystems, des Herzens und der Brustdrüsen. Ein Teil dieser Differenzierungsvorgänge läßt sich in vitro nachvollziehen: so ist zum Beispiel die Aktivierung des ErbB-2 Rezeptors ausreichend für alveoläre Morphogenese der Brustdrüsenepithelzellinie EpH4. Intrazelluläre Moleküle, die dieses ErbB2-Signal übertragen, sind allerdings noch unbekannt. Mit Hilfe eines neuen, modifizierten Hefe-2-Hybrid-Systems wurde in der vorliegenden Arbeit Vav2 als neuer Interaktionspartner von ErbB-2 identifiziert. Vav2 assoziiert mit aktiviertem ErbB-2 über eine SH2-Domäne. Die Interaktion ist direkt und ist von zwei Phosphotyrosinen in ErbB-2 abhängig. Vav2 kann den GDP/GTP-Austausch bei GTPasen der Rho-Familie vermitteln. Dadurch kann der Umbau des Zytoskeletts und Veränderungen der Transkription sowie Zelltransformation induziert werden. In einem dreidimensionalen Zellkultursystem kann aktiviertes Vav2 in EpH4 Zellen die Bildung von alveolären Zellaggregaten induzieren. In diesen Alveolen umgibt eine Schicht polarisierter milchproduzierender Zellen ein zentrales Lumen. Diese Vav2-vermittelte Morphogenese ist abhängig von der katalytischen GDP/GTP-Austausch Aktivität von Vav2. Katalytisch-inaktives Vav2 kann die morphogenetische Aktivität von ErbB-2 in EpH4-Zellen verhindern, ohne die mitogene Aktivität von ErbB-2 zu beeinflussen. Vav2 ist mit ErbB-2 coexprimiert und interagiert mit dem Rezeptor in Brustdrüsenzellen schwangerer Mäuse. Diese Untersuchungen deuten darauf hin, dass Vav2 eine wichtige Funktion bei der durch ErbB-2 induzierten alveolären Morphogenese der Brustdrüse spielt. / The ErbB receptor tyrosine kinases constitute a subfamily of four structurally related members, the EGF receptor (ErbB-1), ErbB-2, ErbB-3 and ErbB-4. ErbB receptor tyrosine kinases are critical for embryonic development of central and peripheral neural structures and heart. In addition, ErbB receptors play an important role in the postnatal development of the mammary gland. Previous studies showed that activated ErbB-2 receptor induces alveolar morphogenesis of EpH4 mammary epithelial cells that are cultured on a three-dimensional matrix (termed Matrigel). However, the downstream signaling proteins that mediate this biological activity of ErbB-2 were unknown. In this work, Vav2 was identified as a direct interaction partner of tyrosine-phosphorylated ErbB receptors using the yeast two-hybrid system. Vav2 is a member of a family of guanine nucleotide exchange factors that induce cytoskeletal rearrangements, transcriptional alterations, and have oncogenic potential when activated. To test the ability of Vav2 to mediate morphogenic signals of ErbB-2, EpH4 cells overexpressing Vav2 protein were cultured on Matrigel. Indeed, Vav2 induces alveolar morphogenesis of EpH4 cells when activated either by oncogenic mutation or tyrosine phosphorylation by ErbB-2. The morphogenic activity of Vav2 requires the Dbl homology domain, which mediates GDP/GTP exchange. Dominant-negative Vav2 specifically blocks the morphogenic signals of ErbB-2 in EpH4 cells without interfering with ErbB2-induced mitogenesis. Importantly, Vav2 is co-expressed and interacts with ErbB-2 in the mammary glands of pregnant mice. Taken together, these results point to Vav2 as a candidate to mediate ErbB-2 signals for alveolar morphogenesis in vivo, which is a relevant step in the development of the mammary gland during pregnancy.

Die adaptive Immunantwort wird von T-und B-Lymphozyten realisiert. Nachdem der Antigenrezeptor auf T-Zellen durch die Interaktion mit einem MHC-Peptid Komplex auf APZ getriggert wurde, sind kostimulatorische Moleküle ein zweiter Kontrollpunkt für die Immunantworten interagierender Zellen. Für das Abschalten von ungewollten Immunantworten, z.B. Autoimmunantworten, sind Moleküle der kostimulatorischen Molekülfamilien auf den T- und B-Zellen von außerordentlicher Bedeutung. Ein zentrales kostimulatorisches Molekül ist das Molekül CTLA-4. Wir untersuchten den Einfluss von regulatorischen Zellen auf den Verlauf einer EAE, die durch einen Wechsel von Remission und Rezidiv gekennzeichnet ist. Neben den CD4+CD25+Foxp3+CTLA-4+ T-Zellen konnten wir ebenfalls CD4+CD25-Foxp3+CTLA-4+ T-Zellen in den das Gehirn infiltrierenden Lymphozyten sichtbar machen. Wir fanden gleiche Zahlen an CD4+CD25+ Zellen, die auch intrazellulär CTLA-4 exprimierten, während der akuten Phase und ersten Remission, wobei aber Oberflächen CTLA-4+CD4+ Zellen während der akuten Phase deutlich erhöht waren. Eine Depletion der natürlich vorkommenden CD4+CD25+ Treg Zellen vor dem Auslösen einer EAE führte zu einem schnelleren Krankheitsausbruch und schwererem sekundär progressivem Krankheitsverlauf. Obwohl die erste Remission von der CD4+CD25+ Treg Zelldepletion unbeeinflußt blieb, konnten bereits im ersten Krankheitsschub signifikant erhöhte Antigen spezifische proinflammatorische Zytokine der T-Zellen detektiert werden. Damit wird deutlich, dass der sekundär progressive Verlauf durch CD4+CD25+ Treg Zelldepletion bereits zeitig während des Krankheitsverlaufes eingeleitet wird. Wir konnten CTLA-4 ebenfalls in B-Zellen nachweisen. Die Expression von intrazellulärem und Oberflächen CTLA-4 in aktivierten B-Zellen ist strikt T-Zellen abhängig und hat ihr Maximum 48-72h nach Stimulation in vitro. Durch den Einsatz hochsensitiver Zellanreicherungsverfahren konnte der Nachweis der mRNA für CTLA-4 in den B-Zellen aus T-Zellabhängigen Zellkultursystemen erbracht werden. Die Induktion der mRNA für CTLA-4 kann unter bestimmten Umständen durch CD19 Kreuzvernetzung in B-Zellen erfolgen. Durch den Einsatz von Knochenmarkschimären, in denen CTLA-4 spezifisch nur in B-Zellen deletiert wird, konnte gezeigt werden, dass CTLA-4 in B-Zellen die primäre IgE und IgM und die sekundäre IgM Produktion in Thymus abhängigen Immunantworten steuert. Diese Daten implizieren für alle Thymus abhängigen Immunantworten eine noch komplexere Regulation, bei der CTLA4 in B-Zellen deren Effektorfunktion intrinsisch modulieren kann. / T and B lymphocytes carry out the adaptive immune response. After the antigen receptor on T cells is triggered through interaction with an MHC:peptide complex on APCs, costimulatory molecules are a second checkpoint for immune responses of interacting cells. To terminate unwanted immune responses, such as autoimmune responses, molecules of the costimulatory molecule family on T and B cells are of great importance. A central costimulatory molecule is CTLA-4 (CD152). We investigated the influence of regulatory cells on the course of an EAE, a disease marked through alterations of remission and relapses. Apart from the CD4+CD25+Foxp3+CTLA-4+ T cells we also detected CD4+CD25-Foxp3+CTLA-4+ T cells within the brain-infiltrating lymphocyte population. Furthermore we found similar numbers of CD4+CD25+ cells that also expressed intracellular CTLA-4, during the acute phase and first remission from EAE, whereas surface CTLA-4+CD4+ cells were clearly elevated during the acute phase. The depletion of the natural occurring CD4+CD25+ Treg cells before EAE induction leads to an accelerated disease onset and an increase in disease severity combined with a secondary progressive disease course. Even though the first remission was unaffected by the depletion of CD4+CD25+ Treg cells before disease induction, the antigen specific proinflammatory cytokine production of T cells during the acute phase was already significantly increased. The data show, that the secondary progressive disease course after CD4+CD25+ Treg cell depletion is already determined early during the course of EAE. On a second approach we found CTLA-4 expression as well on B lymphocytes. The expression of intracellular and surface CTLA-4 on activated B cells is strictly T cell dependent and the expression is maximal 48-72h after stimulation in vitro. Through the use of highly sensitive cell sorting strategies we were able to detect the mRNA for CTLA-4 in B cells cultured with activated T cells. CTLA-4 mRNA in B cells is inducible in isolated B cells via crosslinking of CD19 in vitro. We generated bone marrow chimeric mice, in which only B cells were CTLA-4 deficient. With these mice we could show, that CTLA-4 on B cells controls the primary IgE and IgM, as well as the secondary IgM production in thymus dependent immune responses. These data imply a more complex regulation of thymus dependent immune responses, in which CTLA-4 on B cells can modulate B cell effector functions.

Schleiereulen sind gute Nachtjäger und finden ihre Beute vor allem durch den Hörsinn. Die auditorische Lokalisierung in der horizontalen Ebene basiert dabei auf interauralen Zeitdifferenzen. Diese werden im Hirnstamm durch das Netzwerk von nucleus magnocellularis (NM) und nucleus laminaris (NL) in Orte umkodiert. Im NL kann ein extrazelluläres Potential (EP), das Neurophonpotential (NP) gemessen werden. Dieses hat eine erstaunliche zeitliche Präzision von unter 10 Mikrosekunden, und spiegelt den für die Stimulation benutzten Ton bis zu Frequenzen von 9 kHz wider. Wie kann eine solche Präzision erzeugt werden, und was kann man über den Ursprung des Potentials in dieser neuronalen Struktur lernen? Um diese Fragen zu klären, studiere ich in vivo gemessene NPs. Dadurch kann in Zukunft die Verbindung von neuronaler Aktivität und EP besser verstanden werden. Hunderte neuronale Stromquellen, die alle kohärent mit einer hohen Feuerrate aktiv sind, sind nötig, um ein solches NP zu erzeugen. Dabei sind Anzahl und Stromstärke der Neuronen im NL nicht ausreichend, um das NP zu erzeugen. Der Hauptanteil der Quellen besteht aus den Signalen, die den Input des NL formen: die Ströme der Ranvierschen Schnürringe entlang der Axone aus dem NM, sowie die synaptischen Ströme zu den Dendriten von NL Neuronen. Weiterhin können NPs, die als Antwort auf monaurale Stimulierung aufgenommen wurden, linear addiert werden, um die Antwort auf binaurale Stimulation zuverlässig vorherzusagen. Leichte Abweichungen von der Vorhersage könnten damit erklärt werden, dass einzelne, sehr nah an der Elektrode befindliche Neurone nichtlinear zum NP beitragen. Im Gegensatz zu anderen bisher untersuchten neuronalen Strukturen - auch homologer Hirnregionen - spiegelt das NP der Schleiereule Eingangs- statt Ausgangssignale wider. Dieser strukturelle Unterschied könnte erklären, wieso das Schleiereulengehirn höhere Genauigkeit erreicht, als das anderer Tiere. / The barn owl is a good night hunter and mainly localizes the prey with its auditory system. The auditory localization in the horizontal plane, based on interaural time differences, depends on the auditory brainstem circuit consisting of nucleus magnocellularis (NM) and nucleus laminaris (NL). An extracellular field potential (EFP), named neurophonic, can be recorded in the NL. It has a very high temporal precision of below 10 microseconds and replays the stimulating sound up to 9 kHz. In this thesis I study how an EFP with such a precision can be generated. Furthermore, what can we learn about the system and about the origin of the neurophonic in NL from these recordings? The answers will help connecting the neural activity to the EFP also in general. Firstly, hundreds of sources, all firing with a high rate and in a highly phase-locked manner, are needed to generate the neurophonic in NL. The number of the neurons in NL and the magnitude of their output currents are not high enough to alone give rise to the neurophonic. The majority of the neural sources conveys the input from NM to NL, i.e., the currents from the nodes of Ranvier in the afferent axons from NM, and the synaptic currents to the dendrites of the NL neurons. Furthermore, the neurophonics in response to monaural stimulation sum up linearly and predict accurately the neurophonics in response to binaural stimulation. This implies that the non-linear response of the NL neurons usually cannot be detected in the neurophonic, but that there might be a minor contribution from a single NL neuron when in the immediate vicinity of the electrode. All in all, the neurophonic in the barn owl''s NL seems to reflect the inputs to the nucleus, whereas usually the output is well represented in the EFP. Even in the homologue nuclei in chick and mammals the neurophonic is thought to reflect the output instead of the input. Thus, the exceptionality of the barn owl might be needed for the high precision in its NL.

In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz für die Analyse von Profile Maximierungsschätzern präsentiert. Es werden die Ergebnisse von Spokoiny (2011) verfeinert und angepasst für die Schätzung von Komponenten von endlich dimensionalen Parametern mittels der Maximierung eines Kriteriumfunktionals. Dabei werden Versionen des Wilks Phänomens und der Fisher-Erweiterung für endliche Stichproben hergeleitet und die dafür kritische Relation der Parameterdimension zum Stichprobenumfang gekennzeichnet für den Fall von identisch unabhängig verteilten Beobachtungen und eines hinreichend glatten Funktionals. Die Ergebnisse werden ausgeweitet für die Behandlung von Parametern in unendlich dimensionalen Hilberträumen. Dabei wir die Sieve-Methode von Grenander (1981) verwendet. Der Sieve-Bias wird durch übliche Regularitätsannahmen an den Parameter und das Funktional kontrolliert. Es wird jedoch keine Basis benötigt, die orthogonal in dem vom Model induzierten Skalarprodukt ist. Weitere Hauptresultate sind zwei Konvergenzaussagen für die alternierende Maximisierungsprozedur zur approximation des Profile-Schätzers. Alle Resultate werden anhand der Analyse der Projection Pursuit Prozedur von Friendman (1981) veranschaulicht. Die Verwendung von Daubechies-Wavelets erlaubt es unter natürlichen und üblichen Annahmen alle theoretischen Resultate der Arbeit anzuwenden. / This thesis presents a new approach to analyze profile M-Estimators for finite samples. The results of Spokoiny (2011) are refined and adapted to the estimation of components of a finite dimensional parameter using the maximization of a criterion functional. A finite sample versions of the Wilks phenomenon and Fisher expansion are obtained and the critical ratio of parameter dimension to sample size is derived in the setting of i.i.d. samples and a smooth criterion functional. The results are extended to parameters in infinite dimensional Hilbert spaces using the sieve approach of Grenander (1981). The sieve bias is controlled via common regularity assumptions on the parameter and functional. But our results do not rely on an orthogonal basis in the inner product induced by the model. Furthermore the thesis presents two convergence results for the alternating maximization procedure. All results are exemplified in an application to the Projection Pursuit Procedure of Friendman (1981). Under a set of natural and common assumptions all theoretical results can be applied using Daubechies wavelets.

Konventionelle CD8 T-Zellen im intestinalen Epithel unterscheiden sich von T-Zellen gleicher Spezifität in anderen Organen. In dieser Arbeit sollten Mechanismen identifiziert werden, welche die Migration dieser T-Zellen in intestinale Gewebe bestimmen und/oder welche die funktionelle Adaption der T-Zellen an die mukosale Umgebung beeinflussen. Hierfür wurden Mäuse mit einem rekombinanten Listeria monocytogenes Stamm (LmOVA) infiziert, OVA-spezifische CD8 T-Zellen aus der Milz und dem intestinalem Epithel isoliert, und die mRNA-Expressionsprofile dieser Zellen mittels einer Mikroarray-Analyse verglichen. Eine Gruppe von NK-Rezeptoren zeigte auf OVA-spezifischen CD8 T-Zellen aus der intestinalen Mukosa eine geringere Expression. Dieser Unterschied war nach einer oralen Infektion wesentlich stärker ausgeprägt, als nach einer intravenösen Infektion. Die Präsenz der natürlichen Darmflora hatte nur einen sehr geringen Einfluss auf diese organspezifisch unterschiedliche NK-Rezeptor-Expression. Untersuchungen in transgenen CD4dnTGFbetaRII Mäusen wiesen auf TGFbeta als ein entscheidendes Element für die niedrigere NK-Rezeptor-Expression auf T-Zellen in der Darmmukosa hin. Die zweite Fragestellung war die, ob nach einer Lm-Infektion die primäre Aktivierung naiver CD8 T-Zellen und die Re-Aktivierung von Gedächtnis-T-Zellen auch außerhalb sekundärer lymphoider Organe stattfinden kann. Hierfür wurden Mäuse mit der immunmodulatorischen Substanz FTY720 behandelt und splenektomiert. Eine FTY720-Behandlung beeinträchtigte nach iv und nach ig Infektion weder die Ausbreitung der Lm, noch die Fähigkeit der Mäuse zu einer Elimination der Bakterien. Orale Infektionen sowie höher dosierte iv Infektionen führten auch in FTY720-behandelten und zusätzlich splenektomierten Mäusen zu einer T-Zell-Akkumulation und Proliferation in nicht-lymphoiden Organen. Nach einer niedrig dosierten iv Lm-Infektion wurden dagegen in FTY720-behandelten und splenektomierten Mäusen keine OVA-spezifischen T-Zell-Antworten ausgelöst. Insbesondere die Milz schien hier für die T-Zell Aktivierung und Proliferation erforderlich zu sein. Auch für eine Sekundärantwort nach einer iv Infektion mit LmOVA waren lymphoide Gewebe für die Ausbildung einer effektiven T-Zell-Antwort essentiell. / Conventional CD8 T cells in the intestinal epithelium differ from T cells with identical antigen specificity in other organs. One aim of this study was, to identify mechanisms, which determine gut-tropism of these T cells or which influence the functional adaptation of these cells to the mucosal environment. For this purpose, mice were infected with a recombinant Listeria monocytogenes strain (LmOVA). OVA-specific CD8 T cells were isolated from spleen and intestinal epithelium and the mRNA-expression profiles of these cells were compared in a microarray-analysis. One group of NK-receptors were substantially less expressed on Lm-specific CD8 T cells from the intestinal mucosa than on corresponding cells from the spleen. This difference was much more pronounced following oral infection than following iv infection. The presence of the natural gut-flora only slightly influenced the organ-specific NK-receptor expression in CD8 T cells. Experiments with transgenic CD4dnTGFbetaRII mice point to TGFbeta as a decisive factor for the low NK-receptor expression on T cells from the gut mucosa. In the second part of this study it was investigated, whether, following Lm infection, priming of naive CD8 T cells and re-activation of memory T cells could occur outside of secondary lymphoid organs. Mice were treated with the immunomodulatory drug FTY720 and splenectomized. Treatment with FTY720 did neither diminish bacterial dissemination into spleen, liver and MLN, nor impaired the ability of the mice to control the bacteria and to eradicate them from these organs. Oral infection and high dose iv infection led to T cell accumulation and proliferation in nonlymphoid organs of FTY720-treated and additionally splenectomized mice. Following low dose iv infection with LmOVA, no OVA-specific T cell responses were induced in FTY720-treated and additionally splenectomized mice. Especially the spleen seemed to be important for T cell activation and proliferation under these conditions. Also following a secondary iv infection with LmOVA, lymphoid tissues were essential for the generation of an effective T cell response.

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung der Asselspinne Pseudopallene sp. (Arthropoda, Pycnogonida). Die Morphogenese und Nervensystementwicklung werden mithilfe von Rasterelektronenmikroskopie, Histologie, Immunhistochemie und Genexpressionsstudien untersucht. Während der Proboscisbildung lassen sich keine Anzeichen für ein Labrum erkennen. Aufgrund des Fehlens von Palpen- und Ovigeranlagen und der frühen Entwicklung der Laufbeinsegmente ist kein embryonales Protonymphon-Stadium identifizierbar. Die Evolution verschiedener Larvenformen der Pycnogoniden wird im Hinblick auf phylogenetische Studien diskutiert. Die frühen Prozesse im Neuroektoderm zeigen Ähnlichkeiten zu Eucheliceraten und Myriapoden. Hierzu zählen das Fehlen morphologisch distinkter Zelltypen, die Bildung von Zellinternalisierungszentren, die Immigration vorwiegend post-mitotischer Ganglionzellen mit erhöhter Delta-Genexpression und fast ausschließlich tangentiale Zellteilungen. Anschließend bilden sich pro Neuromer ein Paar Invaginationen, was durch Vergrößerung der apikalen Zellen begleitet wird. Letztere sind aufgrund ihrer hohen Mitoseaktivität, ihres asymmetrischen Teilungsmodus und des anhaltenden Zuwachses der basalen Ganglionzellen als stammzellartige neuronale Vorläuferzellen identifizierbar. Hierauf basierend wird die Validität von stammzellartigen neuronalen Vorläuferzellen als Synapomorphie der Krebse und Insekten diskutiert. Zwei evolutionäre Szenarien zur Arthropoden-Neurogenese werden erörtert. In der post-embryonalen Phase lösen sich die invaginierten Zellregionen vom Ektoderm ab. Sie bilden apikal auf den Ganglien paarige Zellcluster und bleiben mit deren Somacortex über fibrilläre ‚cell streams‘ verbunden. Der weitere Zuwachs an Ganglionzellen und die exklusive Zellproliferation in den cluster-stream-Systemen weisen letztere als post-embryonale neurogenetische Nischen aus. Ähnlichkeiten zu der neurogenetischen Nische im Deutocerebrum der decapoden Krebse werden aufgezeigt. / This study addresses aspects of the development of the sea spider Pseudopallene sp. (Arthropoda, Pycnogonida). In order to investigate morphogenesis and nervous system development, a combination of scanning electron microscopy, histology, immunohistochemistry and gene expression studies is used. Embryonic proboscis development shows no signs of a labrum. The lack of palpal and ovigeral limbs and the early anlagen of the walking leg segments lead to the rejection of an embryonized protonymphon stage during Pseudopallene development. The evolution of pycnogonid hatching stages is evaluated in light of recent phylogenetic analyses. Early neurogenesis shares similarities with euchelicerates and myriapods, including the lack of morphologically distinct neuroectodermal cell types, formation of transient cell internalization sites, immigration of mostly post-mitotic ganglion cells with elevated levels of Delta gene expression and predominantly tangentially oriented cell divisions in the neuroectoderm. Subsequently, paired invaginations form in each neuromere, being accompanied by marked enlargement of the apical cells. Due to their high mitotic activity, their asymmetric division mode and a marked cell number increase in the ganglia, the big cells are identified as stem cell-like neuronal precursors. Based on this, the validity of stem cell-like neuronal precursors as synapomorphy of crustaceans and hexapods is discussed. Two scenarios on the evolution of arthropod neurogenesis are presented. During the post-embryonic phase, the invaginating cell regions detach internally and form paired cell clusters at the apical ganglion sides. Each cluster remains connected to the ganglion soma cortex via fibrous cell streams. Increasing ganglion cell numbers and exclusive occurrence of mitoses within the cluster-stream-systems characterize the latter as post-embryonic neurogenic niches. Similarities to the neurogenic niche in the deutocerebrum of decapod crustaceans are discussed.

Unter Spikelets versteht man kleine Depolarisationen mit einer Spike-ähnlichen Wellenform, die man in intrazellulären Ableitungen von verschiedenen Neuronentypen messen kann. In kortikalen Pyramidenzellen wurde ausgeprägte Spikelet-Aktivität nachgewiesen, die erheblich das Membranpotential beeinflussen kann (Crochet et al., 2004; Epsztein et al., 2010; Chorev and Brecht, 2012). Nichtsdestotrotz bleibt der Ursprung von Spikelets in diesen Neuronen unbekannt. In der vorgelegten Arbeit nutzte ich theoretische Modellierung um die Mechanismen von Spikelet-Erzeugung in Pyramidenzellen zu untersuchen. Zuerst sah ich die verschiedenen Hypothesen über den Ursprung von Spikelets durch. In der Literatur entdeckte ich zwei verschiedene Typen von Spikelets. Diese Arbeit konzentriert sich auf den häufiger vorkommenden Typ von Spikelets, welcher durch relativ große Amplituden gekennzeichnet ist. Die Eigenschaften dieser Spikelets passen am besten zu einem axonal Erzeugungsmechanismus. Im zweiten Kapitel widmete ich mich der Hypothese, dass somatische Spikelets axonalen Ursprungs mit somato-dendritischen Inputs hervorgerufen werden können. Ich identifizierte Bedingungen, die es erlauben ein Aktionspotential (AP) am Initialsegment vom Axon (AIS) zu initiieren, welches sich entlang des Axons ausbreitet, aber kein AP im Soma auslöst. Schließlich simulierte ich extrazelluläre Wellenformen von APs und Spikelets und verglich sie mit experimentellen Daten (Chorev and Brecht, 2012). Dieser Vergleich zeigte auf, dass die extrazellulären Wellenformen von Spikelets, die innerhalb einer Zellen am AIS erzeugt werden, gut zu den Daten passen. Zusammenfassend unterstützen meine Ergebnisse die Hypothese, dass Spikelets in Pyramidenzellen am AIS entstehen. Dieser Mechanismus könnte ein Mittel zum Energiesparen bei der Erzeugung von Output-APs sein. Außerdem könnte dadurch die dendritische Plastizität, die auf der Rückwärtspropagierung von APs beruht, reguliert werden. / Spikelets are transient spike-like depolarizations of small amplitudes that can be measured in somatic intracellular recordings of many neuron types. Pronounced spikelet activity has been demonstrated in cortical pyramidal neurons in vivo (Crochet et al., 2004; Epsztein et al., 2010; Chorev and Brecht, 2012), influencing membrane voltage dynamics including action potential initiation. Nevertheless, the origin of spikelets in these neurons remains elusive. In thi thesis, I used computational modeling to examine the mechanisms of spikelet generation in pyramidal neurons. First, I reviewed the hypotheses previously suggested to explain spikelet origin. I discovered two qualitatively different spikelet types described in the experimental literature. This thesis focuses on the more commonly reported spikelet type, characterized by relatively large amplitudes of up to 20 mV. I found that the properties of these spikelets fit best to an axonal generation mechanism. Second, I explored the hypothesis that somatic spikelets of axonal origin can be evoked with somato-dendritic inputs. I identified the conditions allowing these orthodromic inputs to trigger an action potential at the axon initial segment, which propagates along the axon to the postsynaptic targets, but fails to elicit an action potential in the soma and the dendrites. Third, I simulated extracellular waveforms of action potentials and spikelets and compared them to experimental data (Chorev and Brecht, 2012). This comparison demonstrated that the extracellular waveforms of single-cell spikelets of axonal origin are consistent with the data. Together, my results suggest that spikelets in pyramidal neurons might originate at the axon initial segment within a single cell. Such a mechanism might be a way of reducing the energetic costs associated with the generation of output action potentials. Moreover, it might allow to control the dendritic plasticity by backpropagating action potentials.

Die Elektrorotation von fixierten Erythrozyten wurde im Frequenzbereich von 16 Hz bis 33 MHz untersucht. Zwischen 16 Hz und 1 kHz zeigen die fixierten Erythrozyten eine Rotation parallel zur Feldrichtung mit einer maximalen Rotationsgeschwindigkeit zwischen 30 Hz und 70 Hz. Es wurde sowohl die Abhängigkeit von der äußeren Leitfähigkeit untersucht als auch von der Oberflächenladung. Die experimentellen Resultate erwiesen sich als konsistent mit einer erst kürzlich entwickelten Theorie zur Elektrorotation im niederfrequenten Bereich (LFER). Sie zeigen, daß die Elektrorotation im niederfrequenten Bereich von der Oberflächenladung und -leitfähigkeit entscheidend mitbestimmt werden kann. Fixierte Thrombozyten wurden mittels Elektrorotation im Frequenzbereich von 16 Hz bis 33 MHz untersucht. Zur Interpretation der Daten wurde ein theoretisches Modell weiterentwickelt, welches die innere vesikuläre Struktur der Thrombozyten berücksichtigt, und mit dem niederfrequenten Modell zur Elektrorotation superponiert. In Lösungen mit Dextran unterschiedlicher Molekulargewichte und Konzentrationen wurde sowohl die elektrophoretische Mobilität als auch Elektrorotation von fixierten Erythrozyten untersucht. Es konnte gezeigt werden, daß sich im niederfrequenten Bereich Depletionschichten an Hand von Elektrorotationsspektren erfassen lassen. Diese Daten bestätigen auch die Theorie zur LFER. Messungen der elektrophoretischen Mobilität von nativen Erythrozyten wurden in Lösungen mit dem Polyelektrolyten Polystyrensulfonat in Anhängigkeit vom Molekulargewicht und der Salzkonzentration durchgeführt. Es zeigte sich, daß das Polymer zum einen reversibel adsorbiert und zum anderen einen deutlichen Depletioneffekt herbeiführt. Im letzten Teil der Arbeit wurde ein Verfahren entwickelt, welches die Herstellung von Polyelektrolyt-Kapseln auf der Grundlage von biologischen Zellen ermöglicht, welche in Form und Größe identisch mit den verwendeten biologischen Templaten sind. / Electrorotation of fixed red blood cells (RBC) has been investigated in a frequency range between 16 Hz and 33 Mhz. Between 16 Hz and 1 kHz fixed red blood cells undergo co-field rotation with a maximum of rotation betwen 30 and 70 Hz. The rotation was studied as a function of electrolyte conductivity and surface charge density. These observations are consistent with a recently developed theory of the low frequency electrorotation (LFER) and demonstrate that the surface charge and the surface conductivity can play a significant role in this frequency range. Fixed platalets were investigated by means of electrorotation in the frequency range from 16 Hz to 33 Mhz. For the interpretation of the data a model which takes into account the inner structure of the platalets was developed and added to the theory which describes the rotation in the low frequency range. In solutions with Dextran and fixed platalets the electrophoretic mobility as well as the electrorotation was measured. It was shown that in the low frequency range depletion layers are detectable. Furthermore this results verify the LFER theory. Measurements of the electrophoretic mobility of native RBC were carried out in solutions of the polyelectrolyte Polystyrenesulfonate in dependence on the molecular weight and the ionic strength. It was shown that the polymer adsorbs reversible and forms a significant depletion effect. In the last part of this work a method was developed, which allows the construction of polyelectrolyte caspules with biological cells as template, which are identical in size and shape with the templates used.