Die Atmung und das Herz-Kreislauf-System interagieren als zwei in Reihe angeordnete funktionelle Einheiten. Die gleichsinnige Kontrolle beider Systeme bildet die Grundlage homöostatischer Bedingungen im Organismus. Neurophysiologische Studien geben Hinweise auf die Existenz eines gemeinsamen neuronalen kardiorespiratorischen Netzwerkes, welches im ventrolateralen Teil der Medulla oblongata gelegen ist. Da zentrale Mechanismen der Regulation einer direkten Untersuchung nicht zugänglich sind, erweisen sich die linearen und nichtlinearen Verfahren der Zeitreihenanalyse als hilfreich, um Erkenntnisse von der Arbeitsweise des kardiorespiratorischen Kontrollsystems zu gewinnen. Grundlage der Studie bildet eine Datenbank polygraphischer Messungen (einschließlich EKG, thorakales und abdominales Respirogramm, Elektrookulogramm und Aktogramm), die an 42 gesunden Kindern, 11 Mädchen und 31 Knaben im Alter von 12 bis 15 Jahren erhoben wurde. Die Messungen erfolgten über 24 Stunden hinweg, während folgender Vigilanzstadien: ruhiger Wachzustand, REM- und nonREM-Schlaf. Die spektralen Charakteristika der Herzfrequenzvariabilität wurden berechnet, um die sympatho-vagale Einflußnahme auf den Nodus sinusoidalis kennzeichnen zu können. Die lineare Intensität der kardiorespiratorischen Beziehung wurde aus den Kohärenzspektren abgeleitet. Um nichtlineares Verhalten erfassen zu können, wurden der größte Lyapunov-Exponent und die Korrelationsdimension der Herzfrequenz, sowie die Korrelationsdimension des Atemsignals bestimmt. Die Analyse der Herzfrequenzvariabilität ergab für die Gesamtleistung die höchsten Werte innerhalb der REM-Phasen, im Wachzustand lagen diese deutlich niedriger und während des nonREM-Schlafes waren sie am kleinsten. Dieses Verhalten wurde im wesentlichen bestimmt von Änderungen der Spektralleistung im niederfrequenten Bereich. Die Komplexität der Herzfrequenz, die sich mit der Korrelationsdimension schätzen läßt, zeigte eine deutliche Abnahme im Schlaf. Dagegen erwies sich der Lyapunov-Exponent als weniger sensitiv bezüglich der Vigilanz. Die kardiorespiratorische Kohärenz ließ eine strenge Abhängigkeit vom Vigilanzstadium erkennen mit hohen Werten im nonREM-Schlaf und dem Minimum innerhalb der REM-Phasen. Im Gegensatz zur Komplexität der Herzfrequenz erreichte die Komplexität der Atmung die niedrigsten Werte in den REM-Phasen. Mit den Ergebnissen der Spektralanalyse lassen sich vigilanzstadienspezifische Einstellungen in der vegetativen Kontrolle der Herzfrequenz abgrenzen. Die nichtlinearen Verfahren offenbaren niederdimensionale deterministisch-chaotische Strukturen der Herzfrequenz. Die Zahl unabhängiger Mechanismen, die Anteil an der kardiorespiratorischen Regulation haben, ist im Wachzustand am größten. Diese Änderungen lassen das Gesamtsystem in Abhängigkeit von der Vigilanz verschiedene Arbeitspunkte einnehmen. / Breathing and blood flow interact as two, in series coupled units. To adapt heart beat and oxygen supply, a common coordination is required. Concluded from neurophysiological investigations, there is evidence for the existence of one cardiorespiratory network located in the ventrolateral part of the medulla. Since the physiological mechanisms inside the complex regulatory network are not readily accessible, linear and non-linear methods of time series analysis are a useful approach to investigate cardiorespiratory control. To study normal regulation, 42 healthy children, 11 girls and 31 boys (12-15 yr.), were investigated throughout 24 hours under different states of vigilance: wakefulness at rest, REM, and nonREM-sleep. All participants underwent polygraphic measurements, including ECG, thoracic and abdominal respirograms, electrooculogram, and actogram. To estimate the sympatho-vagal drive to the sinus node, the parameters of heart rate power spectra were calculated. The linear intensity of cardiorespiratory coupling was concluded from the coherence spectra. As to non-linear properties of heart rate, the largest Lyapunov exponents as well as the correlation dimension were determined. Similarly, the correlation dimension of the respiratory signals was evaluated. The total power of the heart rate spectrum was found to be greatest during REM, it decreased during wakefulness and was low in nonREM-sleep. These variations are mainly accounted for by low frequency power. The "complexity" of heart rate, as indicated by the correlation dimension, is diminished during sleep phases, whereas the Lyapunov exponents are less affected. The cardiorespiratory coherence is strongly modulated by vigilance with an increase during nonREM and lowest values during REM. The complexity of respiration was also affected by vigilance. A different behavior of heart rate complexity was found during REM-phases. Concluded from spectral analysis, a specific setting of autonomic heart rate regulation for each vigilance stage can be suggested. A low dimensional deterministic chaos is present in heart rate time series. More independent control loops were found to be active during wakefulness. Revealed by parameters of the non-linear dynamics, different stages of vigilance determine different operating points in the cardiorespiratory coordination.

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der humanen AT2-Rezeptorexpression und -stimulation auf den Collagen I alpha 2-mRNA-Gehalt und die Migration von porcinen kardialen Fibroblasten untersucht, um die Frage zu klären, ob AT2-Rezeptoren in kultivierten kardialen Fibroblasten AT1-antagonistische antifibrotische und migrationshemmende Effekte auf den Collagen I alpha 2-mRNA-Gehalt bzw. die Migration ausüben. Um die Funktion der AT2-Rezeptoren in der Zellkultur untersuchen zu können, wurde die AT2-cDNA durch adenovirale Transduktion in die Fibroblasten übertragen und so der AT2-Rezeptor überexprimiert. Mittels RT-PCR wurden die relativen Änderungen im Collagen I alpha 2-mRNA-Gehalt in TGF-beta1- bzw. TGF-beta1 plus Ang II-stimulierten Fibroblasten im Vergleich zur unstimulierten Kontrolle bestimmt. Alle Werte wurden auf ein Referenzgen (beta-Actin) bezogen. Die AT2-Stimulation änderte den relativen Collagen I alpha 2-mRNA-Gehalt der Fibroblasten nicht signifikant gegenüber den Antisense-(Ad5TA2)-transduzierten Fibroblasten. In der modifizierten Boyden-Kammer wurde der AT2-vermittelte Effekt von Ang II, hPDGF-BB sowie der Kombination beider Stoffe auf die Migration untersucht. Die alleinige Stimulation von AT2-Rezeptoren mit Ang II verhinderte die Migration gegenüber nichttransduzierten Fibroblasten. In Kombination mit hPDGF-BB änderte Ang II die Migration in AT2-überexprimierenden Fibroblasten nicht gegenüber den Antisense-(Ad5TA2)-transduzierten Fibroblasten. Bei ausschließlicher Stimulation durch hPDGF-BB wurde aber in AT2-exprimierenden Fibroblasten eine signifikant geringere Migration als in Antisense-(Ad5TA2)-transduzierten Fibroblasten festgestellt. Die zugrunde liegende Hypothese, dass AT2-Expression und Stimulation den relativen Collagen I alpha 2-mRNA-Gehalt hemmt, konnte in den vorliegenden Experimenten nicht bestätigt werden. Dies ließ keine inhibitorische AT2-vermittelte Wirkung von Ang II im Bezug auf den TGF-beta1-induzierten Collagen I alpha 2-mRNA-Gehalt erkennen. Dagegen führte die Ang II-Stimulation überexprimierter AT2-Rezeptoren zu einer verringerten Migration und vermittelte so einen AT1-antagonistischen Effekt. / In this work the influence of expression and stimulation of the human AT2 receptor on Collagen I alpha 2-mRNA-content and migration of porcine cardiac fibroblastst was tested to clarify the question if AT2 receptors promote AT1 antagonistic antifibrotic and antimigratory effects on collagen I alpha 2-mRNA content and migration. To examine the AT2 receptor function in the cell culture AT2 cDNA was transferred into fibroblasts by adenoviral transduction and the AT2 receptor was overexpressed. Through the use of RT-PCR the relative changes in collagen I alpha 2-mRNA content in TGF-beta1 stimulated and TGF-beta1 plus Ang II stimulated fibroblasts were assayed and compared to the unstimulated control. All values were referred to a reference gene (beta-actin). Stimulation of AT2 receptors did not change the relative collagen I alpha 2-mRNA content of the fibroblasts significantly compared to antisense-(Ad5TA2) transduced fibroblasts. In the modified Boyden-chamber the AT2 mediated effect of Ang II, hPDGF-BB and the combination of both on migration was assessed. The stimulation of AT2 receptors with Ang II inhibited migration compared to nontransduced fibroblasts. In combination with hPDGF-BB Ang II did not change the migration in AT2 overexpressing fibroblasts compared to antisense-(Ad5TA2)-transduced fibroblasts. In the case of exclusive stimulation of AT2-expressing fibroblasts with hPDGF-BB a significantly lower migration was found compared to antisense-(Ad5TA2)-transduced fibroblasts. The underlying therory that AT2 expression and stimulation inhibits the relative collagen I alpha 2-mRNA content could not be confirmed in this work. This did not reveal an inhibitory AT2 mediated effect of Ang II in respect to the TGF-beta1 induced collagen I alpha 2-mRNA content. In contrast to that Ang II stimulation of overexpressed AT2 receptors led to a decreased migration and mediated an AT1 antagonistic effect.

Die Zebrafischmutation heart and mind (had), welche die alpha1B1-Untereinheit der Na+,K+ ATPase betrifft, verzögert die Streckung des Herzschlauches und führt zu weiteren Entwicklungsanomalien, die an andere Zellpolaritätsmutanten wie nagie oko (nok) und heart and soul (has) erinnern. In dieser Arbeit habe ich die Funktion und Regulation von Had/Na+,K+ ATPase während der Herzmorphogenese des Zebrafisches und seine möglichen Interaktionen mit Has/Prkci und Nok/Mpp5 untersucht. In konnte nachweisen, dass genetische Interaktionen zwischen had und nok in der Aufrechterhaltung von Zonula-Occludens-1-(ZO-1)-positiven Adhäsionsbändern Adhäsionsbändern in myokardialen Zellen während der Herzentwicklung nachweisen. Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Interaktion zwischen Nok/Mpp5 und Had/Na+,K+ ATPase zur Aufrechterhaltung der myokardialen ZO-1-Adhäsionsbändern die Funktion der Na-Pumpe erfordert und dass die korrekte Ionengradienten zur Aufrechterhaltung der myokardialen Integrität beiträgt. Meine Ergebnisse zeigen eine Phosphorylierung des N-terminalen Endes von Had/ Na+,K+ ATPase durch PKCs. PKCs wurden bereits mit der Regulation der Na-Pumpen-Funktion durch Phosphorylierung von N-terminalen Resten in Verbindung gebracht. Meine Ergebnisse legen die Möglichkeit nahe, dass dieser Mechanismus im Zebrafisch konserviert ist. Die Analyse der subzelluläre Lokalisation einer Phosphorylierungs-defizienten Form von Had/Na+,K+ ATPase legt nahe, dass während Herzschlauch-elongation die Had/Na+,K+ ATPase-Aktivität an der Zellmembran durch die Phosphorylierung an einer amino-terminalen Amino-säure reguliert wird. Frühere Studien legen nahe, dass die Herzmorphogenese durch direkte Phosphorylierung von Has/Prkci-Zielen gesteuert wird. Die Identifikation von Has/Prkci-Phosphorylierungs-Zielen könnte dazu beitragen, Herzmorphogenese besser zu verstehen. Aus diesem Grund wurde ein chemisch-genetischer Ansatz entwickelt, um direkte Phosphorylierungs-Ziele von Has/Prkci zu identifizieren. / The zebrafish heart and mind (had) mutation which disrupts the alpha1B1 subunit of Na+,K+ ATPase causes heart tube elongation defects and other developmental abnormalities that are reminiscent of several epithelial cell polarity mutants including nagie oko (nok) and heart and soul (has). In this work, I investigated the function and regulatory mechanisms of Had/Na+,K+ ATPase during zebrafish cardiac morphogenesis, as well as its´ possible interactions with Has/Prkci and Nok/Mpp5. In this study, I demonstrate genetic interactions between had and nok in maintaining Zonula occludens-1 (ZO-1) positive junction belts within myocardial cells during heart development. My results strongly suggest that the interaction between Nok/Mpp5 and Had/Na+,K+ ATPase in the maintenance of myocardial ZO-1 junction belts requires the Na pump function and that the correct ionic balance contributes to the maintenance of myocardial integrity. My results show phosphorylation of the N-terminal intracellular tail of Had/Na+,K+ ATPase by PKCs. PKCs have previously been implicated in the regulation of the Na pump function via phosphorylation of N-terminal residues. Therefore, my results raise the possibility that this mechanism is conserved in the zebrafish embryo. The analysis of the subcellular distribution of a phosphorylation-deficient form of Had/Na+,K+ ATPase suggests that, during heart tube elongation, Had/Na+,K+ ATPase activity is regulated at the membrane via phosphorylation at an amino-terminal site. Previous studies suggest that heart morphogenesis is driven via direct phosphorylation of Has/Prkci targets. Therefore, identification of Has/Prkci phosphorylation targets would contribute to better understand cardiac morphogenesis. For this purpose, a chemical genetic approach was designed to identify Has/Prcki direct phosphorylation targets.

Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) ist ein wichtiger Neurotransmitter im Zentralnervensystem (ZNS). Seine Biosynthese erfolgt unter Beteiligung des Enzyms Tryptophanhydroxylase 2 (TPH2). Polymorphismen im TPH2 Gen beim Menschen sind Risikofaktoren bei der Entstehung von Depressionen und Angstverhalten. Die gängigsten Antidepressiva und Anxiolytika wirken auf das Serotonin System. Unklar ist, ob das komplette oder teilweise Fehlen von Serotonin im Gehirn zu Entwicklungsstörungen und neurochemischen oder psychologischen Veränderungen führt. In dieser Arbeit werden Mauslinien mit unterschiedlichen TPH2 Aktivitäten im ZNS verglichen und der Einfluss verringerter 5-HT Konzentrationen auf Entwicklung und Verhalten der Tiere untersucht. Zentrales Serotonin ist nur für die postnatale Entwicklung notwendig. Das verzögerte Wachstum von Tph2-/- Tieren ist nicht auf eine Störung der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse oder auf metabolische Veränderungen zurückzuführen, sondern kann aus verringerter Vokalisation im Ultraschallbereich resultieren. Tph2-/- Mäuse wurden mit generierten Mausmodellen mit niedriger TPH2 Aktivität vergleichen. Die Ergebnisse zeigen, dass 20% weniger zentrales Serotonin nicht ausreichen, um Depression oder Angst-Verhalten herbeizuführen. Möglicherweise greifen kompensatorische Mechanismen wie ein verringerter Serotoninmetabolismus oder eine gesteigerte 5-HT1A-Rezeptorsensitivität. Der komplette Verlust von Serotonin im Gehirn führt zu einem starken depressiven und weniger ängstlich Verhalten, mit erhöhter Aggression - ohne Veränderung in Aktivität, Geruchsinn, Gedächnis und adulter Neurogenese. Fluoxetine Behandlung von Tph2-defizienten Mäusen zeigte einen Serotonin-unabhängigen Effekt dieses Antodepressivums auf Angst-Verhalten und Depression. Fluoxeine reduzieren den Serotoningehalt im Gehirn von Mäusen mit geringen TPH2-Aktivität, was zeigt, dass TPH-Aktivität die Effizienz von Serotonin beeinflussenAntidepressiva bestimmen, / Serotonin (5-HT) is a major neurotransmitter in the brain biosynthesis of which is initiated by tryptophan hydroxylase 2 (TPH2). Polymorphisms in the TPH2 gene are suggested as risk factors associated with depression and anxiety in humans. Furthermore, the most frequently prescribed antidepressants and anxiolytics target the serotonergic system. However, the question whether a complete ablation or partial reduction in brain serotonin leads to the developmental, neurochemical, or psychological abnormalities remains unresolved. In this study, I took advantage of mouse lines with various degree of decrease in TPH2 activity in order to dissect the impact of 5-HT loss on development, brain neurochemistry and behavior. Using Tph2-deficient mice I showed that central serotonin is essential for normal postnatal, but not prenatal development. Growth retardation of Tph2-/- mice was not a result of a disruption of the hypothalamo-pituitary-adrenal axis, metabolic abnormalities, or impaired thermoregulation, but could result from reduced ultrasonic vocalization. I tested Tph2-/- mice along with other newly generated mouse models with partial TPH2 reduction, and showed that 20% reduction in central serotonin is not enough to cause changes in anxiety- and depression-like behaviors most likely due to compensatory mechanisms including reduced serotonin metabolism and increased 5-HT1A receptor sensitivity. However, complete loss of central serotonin leads to a depression-like phenotype, reduced anxiety-like behavior, and exaggerated aggression, but no differences in activity, olfaction, memory, and adult neurogenesis. Fluoxetine treatment of Tph2-/- mice revealed serotonin-independent action of this antidepressant on anxiety- and depression-like behavior. Furthermore, fluoxetine drastically reduced the brain 5-HT content in mice with low TPH2 activity indicating that TPH2 activity may determine the efficiency of antidepressants targeting the serotonergic system.

Angiogenese, die Bildung neuer Blutgefäße aus bereits bestehender Vaskulatur, ist ein Prozeß, der sowohl unter physiologischen Bedingungen abläuft, wie bei der Embryonalentwicklung und der Wundheilung, als auch unter pathologischen Bedingungen, wie der diabetischen Retinopathie und dem Wachstum und der Metastasierung solider Tumoren. Chronische Entzündungen wie die Atherosklerose und die Rheumatoide Arthritis gehen ebenfalls mit angiogenetischen Prozessen einher. Die Angiogenese ist ein stark regulierter Vorgang, der Migration, Proliferation und Differenzierung der Endothelzellen erfordert. Die Fähigkeit zur Migration ist eine wichtige biologische Funktion der Endothelzellen. Das Ziel dieser Arbeit bestand daher in der Untersuchung der Einflüsse verschiedener Zytokine auf die Endothelzellmigration und in der Charakterisierung daran beteiligter Mechanismen der Signaltransduktion. Dabei erwies sch Leptin als ein potenter Stimulus der Endothelzellmigration. Die Migration endothelialer Zellen nach Stimulation mit chemotaktischen Faktoren wie Leptin und VEGF wird durch die Aktivierung der Proteinkinasen ERK-MAPK und Akt vermittelt, deren pharmakologische Inhibition eine signifikante Hemmung der Migration bewirkte. Die antidiabetischen Thiazolidinedione Troglitazone und Ciglitazone hemmten die Leptin-induzierte Endothelzellmigration durch die Inhibition der Proteinkinase Akt, hatten aber keinen Einfluß auf die Aktivierung der ERK-MAP-Kinase. Dieses Ergebnis zeigt, dass die ERK-MAP-Kinase und die Proteinkinase Akt zwei voneinander unabängige Wege der Signaltransduktion darstellen, deren jeweilige Aktivierung für die Migration von Endothelzellen erforderlich, aber nicht ausreichend ist. Die proinflammatorischen Mediatoren TNF alpha und CD40L hemmten die VEGF-induzierte Migration humaner Endothelzellen bei Inkubation der untersuchten Zellen über 24 h signifikant. Auch bei kurzzeitiger Stimulation über 5 h steigerte TNF alpha die Rate migrierter Endothelzellen nicht. Diese Beobachtung steht im Widerspruch zur angenommen Assoziation entzündlicher und angiogenetischer Prozesse. In der vorliegenden Arbeit wird zum ersten Mal gezeigt, dass Antidiabetika aus der Gruppe der PPAR gamma-Liganden die Endothelzellmigration direkt hemmen. Dies weist auf eine mögliche Erweiterung des therapeutischen Einsatzes der Thiazilodinedione bei Patienten mit NIDDM und sekundären Symptomen wie der diabetischen Retinopathie hin. / Angiogenesis, the formation of new blood vessels from the preexisting vasculature, is a process involved in physiologic conditions, such as embryonic development and woundhealing, as well as in pathologic conditions, such as diabetic retinopathy and growth and spreading of solid tumors. Chronic inflammation such as atherosclerosis and rheumatoid arthritis is also associated with angiogenic processes. Angiogenesis is a tightly regulated process that requires migration, proliferation and differentiation of endothelial cells. Cell migration is a very important biologic function of the endothelial cell. The aim of this study was therefore to investigate the impact of various cytokines on endothelial cell migration and to characterize the chemotactic signal transduction pathways involved in this process. Leptin, the product of the ob-gene, proved to be a potent stimulus of endothelial cell migration. The actvation of the protein kinases ERK-MAPK and Akt is critical for endothelial cell migration, and their pharmacological inhibition caused a significant down-regulation of the migratory response towards migration factors such as Leptin and VEGF. The antidiabetic thiazolidinediones Troglitazone and Ciglitazone inhibited the leptin-induced endothelial cell migration by interfering with the cytosolic protein kinase Akt. They did not exert any influence on the activation of the ERK-MAPK. These findings prove the existence of two different, independent ways of signal transduction involved in endothelial cell migration: The ERK-MAPK and the protein kinase Akt. The activation of either kinase is necessary, but not sufficient to induce a migratory response in human endothelial cells. The proinflammatory mediators TNF alpha and CD40L caused a significant inhibition of endothelial cell migration in response to VEGF, when they were added to the culture medium for 24 h. TNF alpha did not stimulate the migration of endothelial cells, even when administered during a comparable short period of 5 h. This observation is in contrast with the postulated association of inflammatory and angiogenic proceses. In conclusion, the results of this study show for the first time a direct inhibition of leptin-induced endothelial cell migration by antidiabetic drugs belonging to the PPAR gamma-ligand-family through their inhibitory effect on Akt. This possibly broadens the spectrum of therapeutic applications of the antidiabetic thiazolidinediones in patients suffering from NIDDM and secondary complications such as diabetic retinopathy.

Der laterale Hypothalamus (LH) reguliert angeborene Verhaltensweisen. Ob und wie die Koordination von hypothalamischen Neuronengruppen Verhaltensübergänge reguliert, blieb jedoch unbekannt. In dieser Arbeit wurde Optogenetik mit neuronalen Ableitungen in verhaltenden Mäusen kombiniert. LHVgat Neurone erhöhten ihre Aktivitätsrate während Übergängen vom NREM-Schlaf zum Wachzustand. LHVgat Zellen projizieren zum Nucleus reticularis des Thalamus (RTN). Optogenetische Aktivierung von Vgat Ausgängen im RTN führte eine starke, frequenzabhängige Inhibierung von RTN Zellen herbei und replizierte Verhaltenszustands-abhängige Aktivitätsraten in RTN Neuronen. Ableitungen von LH Neuronen während Umgebungserkundung ergaben, dass 65% der LH Neurone ihre Aktivitätsrate erhöhten, wenn das Tier began sich fortzubewegen. 'Top-down’ Vorderhirn Innervation des LH erfolgt größtenteils durch Signale ausgehend vom lateralen Septums (LS). Während spontaner Umgebungserkundung und freiem Zugang zu Futter wiesen der LH und das LS Gamma-Oszillationen (30-90 Hz) auf, welche neuronale Aktivität innerhalb und zwischen diesen beiden Gehirnregionen synchronisierten. Optogenetische Stimulation von Somatostatin-positiven GABAergen Projektionen zum LH mit Gamma-Frequenz förderte die Nahrungssuche und erhöhte die Wahrscheinlichkeit des Betretens der Nahrungszone. Inhibitorische Signale des LS bewirkten eine Unterteilung der LH Neurone: entsprechend ihrer Aktivität im Bezug zur Nahrungsstelle wurden sie während bestimmter Phasen der Gamma-Oszillation aktiviert. Dabei führte optogenetische Stimulation von LS-LH Neuronen mit Gamma-Frequenz keine Veränderung bei der Nahrungsaufnahme selbst herbei. Insgesamt liefert diese Arbeit neue Einsichten über die Funktion der neuronalen Netzwerke des LH, welche durch Signalgebung mit unterschiedlichen Zeitskalen über die Koordination mit vor- und nachgeschalteten neuronalen Netzwerken Übergange zwischen verschiedenen angeborenen Verhaltensweisen regeln. / Lateral hypothalamus (LH) is crucial for regulation of innate behaviors. However, it remained unknown whether and how temporal coordination of hypothalamic neuronal populations regulates behavioral transitions. This work combined optogenetics with neuronal recordings in behaving mice. LHVgat cells were optogenetically identified. LHVgat neurons increased firing rates upon transitions from non-REM (NREM) sleep to wakefulness, and their optogenetic stimulation during NREM sleep induced a fast transition to wakefulness. LHVgat cells project to the reticular thalamic nucleus (RTN). Optogenetic activation of LHVgat terminals in the RTN exerted a strong frequency-dependent inhibition of RTN cells and replicated state-dependent changes in RTN neurons activity. Recordings of LH neurons during exploration revealed that 65% of LH neurons increased their activity upon the onset of locomotion. Top-down forebrain innervation of LH is provided, to a great extent, by inhibitory inputs from the lateral septum (LS). During spontaneous exploration in a free-feeding model, LS and LH displayed prominent gamma oscillations (30-90 Hz) which entrained neuronal activity within and across the two regions. Optogenetic gamma-frequency stimulation of somatostatin-positive GABAergic projections to LH facilitated food-seeking, and increased the probability of entering the food zone. LS inhibitory input enabled separate signaling by LH neurons according to their feeding-related activity, making them fire at distinct phases of the gamma oscillation. In contrast to increased food intake during optogenetic stimulation of LHVgat cells, food intake during gamma-rhythmic LS-LH stimulation was not changed. Overall this works provides new insight into the function of LH circuitry, that employs signalling at different time scales, which, in coordination with upstream and downstream circuits, regulates transitions between innate behaviors.

Die Lungen werden von einem oberflächenaktiven Gemisch, dem Surfactant ausgekleidet, das für die Regulation der Oberflächenspannung der Alveolen und die Immunabwehr der Lunge von Bedeutung ist. Bestandteile des Surfactants sind zu 90% Lipide und zu 10% vier durchalphabetisierte Surfactantproteine A bis D, von denen SP-A das mengenmäßig häufigste darstellt. Die Funktionen dieses Proteins liegen vermutlich in der Surfactanthomöostase und dabei im Phospholipid-Turnover der Hauptkomponente des Surfactants Dipalmitoylphosphatidylcholin (DPPC) und als Collektin in der Immunabwehr. In vitro ist die SP-A induzierte, calciumabhängige Liposomenaggregation eine charakteristische Eigenschaft des Proteins. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wechselwirkung von SP-A mit Phospholipidliposomen mit der Resonant Mirror Spektroskopie und der Nah-Infrarot-Lichtstreuung untersucht. Durch den vergleichenden Einsatz der kinetischen Methoden ist es möglich, die Bindung von SP-A an Liposomen von der Aggregationsreaktion zu unterscheiden. Es konnte erstmals gezeigt werden, daß beide Reaktionen von mikromolaren Calciumkonzentrationen abhängig sind, die halbmaximale Reaktion erfolgt bei freien Calciumkonzentrationen < 20 µM. Die Ca2+-induzierte Interaktion zwischen SP-A und Liposomen zeigt eine hohe Kooperativität und ist durch Zugabe von Calciumchelatoren reversibel. Die Dissoziation der Liposomenbindung erfolgt schneller als der Zerfall der Aggregate (0,3 s vs. 30 s). Es sind zwei Konformationen des SP-A zu unterscheiden, eine lipidbindende Form in Gegenwart von Calcium und eine nichtbindende Form. Neben Calcium können auch mikromolare Strontium- und Bariumkonzentrationen die Konformationsänderung induzieren, Magnesium hingegen nicht. Die Liposomenbindung und nachfolgende Aggregation erfolgt bei SP-A von Rind, Ratte und Schaf in gleicher Weise in Abhängigkeit von mikromolaren Calciumkonzentrationen. Die Bindungseigenschaften des SP-A zeigen eine Abhängigkeit von der Art des verwendeten Phospholipids. Dabei zeigt sich eine "Affinität", im Sinne einer verstärkten Wechselwirkung mit DPPC, aber die postulierte Spezifität wurde in der kinetischen Analyse nicht bestätigt. SP-A interagiert bevorzugt mit Phospholipiden, die langkettige, gesättigte Fettsäureseitenketten besitzen (DPPC, Distearoylphosphatidylcholin), sowie mit Phosphatidylcholin und ähnlichen Kopfgruppen (Sphingomyelin, Phosphatidylinositol). Da neben den Kopfgruppen auch die Seitenketten bei der Erkennung durch das Protein bedeutsam sind, liegt nahe, daß die Packungsdichte der Lipidmoleküle in den Liposomen für die Interaktion wichtig ist. Die Ergebnisse werden als reversible, sequentielle Reaktionsfolge interpretiert: Diese ist ein Modell für die mögliche Wirkung von SP-A bei der Surfactanthomöostase, indem das Protein als Lipidtransporter zwischen alveolärer Hypophase und Typ-II-Pneumozyten funktioniert und erklärt, wie SP-A und Liposomen gemeinsam in die Zelle aufgenommen und auf unterschiedlichen Wegen wieder ausgeschleust werden könnten. / Surfactant protein A (SP-A) is crucial for lung function, including tubular myelin formation and lipid uptake by type II pneumocytes. Known properties of SP-A in vitro are ist Ca2+ dependent interaction with phospholipids and ist role in the aggregation of liposomes. To dissect and to analyze these processes, the SP-A was immobilized and liposome binding was measured by resonant mirror technique. Liposome aggregation was followed seperately by kinetic light scattering in suspensions. It was found that SP-A mediated binding and aggregation of liposomes depend on micromolar calcium concentrations in the range of < 20 µM, independent of the species (sheep, rat or cow) and of the phospholipid composition tested. The interaction between SP-A and liposomes shows cooperativity and reversibility. Liposomes dissociate from SP-A in < 0.3 s whereas disaggregation takes approx. 30 s. The interpretation of the results leads to a rapid and reversible reaction of three reactions: a cooperative Ca2+ dependent conformational change in SP-A, binding of Ca2+-bound SP-A to liposomes, and aggregation of the Ca2+/SP-A - bound liposomes. With palmitoyloleoylphosphatidylcholine (POPC), the complex formation proceeds two fold slower compared to DPPC, leading to a lower final equilibrium level of SP-A/lipid interaction. Regarding the phospholipid headgroups, phosphatidylinositol (PI) and sphingomyelin (SM) interact comparable to PC, whole less interaction is seen with phosphatidylethanolamine (PE) or phosphatidylserine (PS) or with phosphatidylglycerol (PG). Thus, both headgroup and fatty acid composition determine SP-A/phospholipid interaction. However, the protein has no high specificity, neither for the polar nor for the apolar moiety of phospholipids.

Die Arbeit untersucht die Neurophysiologie von zwei relevanten Berührungen: Die Vibrissenberührung von Artgenossen und die Berührung der Genitalien. Im ersten Teil, habe ich durch in vivo Ganzzellableitungen vom Barrel Kortex in kopf-fixierten Ratten untersucht, wie die Membranpotentialaktivität durch das Berühren einer Ratte aussieht. Während der Berührung von Artgenossen waren die Vibrissenbewegungen mit starken Membranpotentialänderungen assoziiert. Bei der spontanen Vibrissenbewegung wurden die Korrelationen nicht beobachtet. Weiterhin traten die Membranpotenzialfluktuationen bereits auf, bevor die Tiere sich berührten. Dies wurde allerdings nicht in anesthetisierten Ratten beobachtet. Zusätzlich waren die mit der Vibrissenberührung korrelierten Membranpotenzialfluktuationen größer, wenn die Tiere einen Artgenossen berührten verglichen zu Nichtartgenossen. Zusammenfassend, löst eine Berührung durch einen Artgenossen, sehr unterschiedlichere neuronale Antworten im Barrel Kortex aus, als konventionelle taktile Stimuli. Der zweite Teil untersucht den Genital Kortex. Die Charakterisierung der rezeptiven Felder demonstrierte eine robuste Repräsentation der Genitalien im sensorischen Kortex. Neuronale Antworten waren häufiger im Genital Kortex von Männchen als von Weibchen zu finden. Neurone zeigten diskontinuierliche und sexuell dimorphe rezeptive Felder. In Männchen, waren Neurone durch die taktile Stimulation des Vorderarms co-aktiviert, die Neurone in Weibchen eher durch die taktile Stimulation des Rumpfs. Diese mit den Genitalien ko-repräsentierten Körperteile, kommen während der Kopulation von Männchen und Weibchen in Berührung. Cytochrom Oxidase Färbungen von Schicht 4 zeigen einen Monomorphismus von kortikaler Penis und Klitoris Repräsentation. Dies ist in Hinsicht auf den Dimorphismus der externen Genitalien ein überraschendes Ergebnis. Zusätzlich wurde ein massives Wachstum des Genital Kortex während der Pubertät gefunden. / This thesis explores the neurophysiology of two forms of relevant touch: facial touch and genital touch. In the first part, I investigated, how subthreshold activity is altered during whisking in a social context using in vivo whole-cell recordings in the barrel cortex of head-restrained rats. Whisking was associated with strong membrane potential (Vm) fluctuations during facial touch, but not during free whisking. Strong whisking related Vm fluctuations could be seen even prior to contact and differed from those observed in free whisking episodes. Remarkably, such a pre-depolarization prior to touch was not observed in anaesthetized animals. The Vm fluctuations locked to the rat’s whisking observed in interactions with awake conspecifics were larger than those seen for whisking onto different objects and a stuffed rat. In summary, social facial touch induces responses in the barrel cortex that are remarkably different from responses evoked with conventional tactile stimuli. The second part of the thesis characterized the anatomy and physiology of the rat genital cortex. Mapping experiments revealed a robust representation of the genitals in rat primary somatosensory cortex. Genital responses were more frequent in males than in females. Neurons showed discontinuous and sexually dimorphic receptive fields. In males, genital neurons were mostly co-activated by tactile stimulation of the forearm; female genital neurons were co-activated by tactile stimulation of the trunk area. Hence, body parts co-represented with genitalia are those parts contacted in males and females during mounting. In contrast to the physiological sexual dimorphism, cytochrome oxidase staining of layer 4 revealed a monomorphism of the cortical penis and clitoris representation. This is a surprising finding given the pronounced dimorphism of external genitals. We also found a massive size increase of genital cortex during puberty.

In dieser Arbeit wird der Transport von Glutamatrezeptoren an der neuromuskulären Synapse von Drosophila-Larven untersucht. Dies geschieht anhand der Analyse von Mikroskopaufnahmen von mit Fluorophoren markierten Glutamatrezeptoren. Hierfür wurden statistische Parameter entwickelt oder angewendet, um die Verteilung der Glutamatrezeptoren quantitativ zu beschreiben. Die Ergebnisse zeigen, dass die Leitfähigkeit der Rezeptoren eine wichtige Rolle bei der Rezeptorlokalisation spielt. Glutamatrezeptoren mit verminderter Leitfähigkeit haben eine erheblich veränderte Lokalisation und akkumulieren verstärkt an jungen Synapsen. Außerdem ist die Anzahl der Rezeptoren nicht mehr an den Aufbau der prä-synaptischen Seite gekoppelt. Diese Arbeit zeigt auch, das Glutamatrezeptoren um synaptische Ankerplätze miteinander konkurrieren. Deshalb ist die Lokalisation eines Rezeptors nicht nur von seinem strukturellen Aufbau abhängig, sondern auch von den Eigenschaften anderer Rezeptoren. / In this thesis the neuromuscular junction of the Drosophila larva is used as a model system to study basic mechanisms of glutamate receptor trafficking. In particular confocal images of glutamate receptors, tagged to fluorophores, are analysed. For this, statistical parameters are developed and used to quantitatively describe the distributions of glutamate receptors. The results show that gating dynamics are an important variable in glutamate receptor trafficking. Glutamate receptors with reduced charge transfer have strong altered localisation and accumulate prematurely at young synapses. Furthermore, their abundance are uncoupled from presynaptic assembly. The thesis also shows that glutamate receptors compete for synaptic anchoring sites in postsynaptic densities. Therefore, the trafficking of one receptor is not only determined by its own structure but is also dependent on the properties of other receptors.

Apolipoprotein E (ApoE) ist eine verbreitet vorkommende Komponente der Plasmalipoproteine und spielt eine Schlüsselrolle bei Lipidtransport und Cholesterin-Homöostase über den Low Density Lipoprotein Rezeptor. Im ZNS wird ApoE hauptsächlich von Astrozyten synthetisiert und sekretiert. ApoE-Isoformen haben unterschiedliche Wirkung auf eine Zahl von pathologischen Prozessen, die der Alzheimerschen Krankheit zugrunde liegen. Um die Rolle des ApoE für die Alzheimersche Krankheit zu erhellen, ist es wichtig Kenntnisse über seine Regulation zu erlangen. Ein Ziel dieser Arbeit war zu untersuchen, ob die „Second-Messenger“-Signalpfade „Adenylatcyclase/Proteinkinase A (PKA)“ und/oder „Phospholipase C/Proteinkinase C (PLC/PKC)“ in die Regulation der astrozytären ApoE Sekretion eingreifen. Hierfür wurden primäre hippocampale Astrozytenkulturen von Ratten mit verschiedenen Analoga, Rezeptoragonisten und Neurotransmittern, die diese Signalpfade beeinflussen, inkubiert. Dibutyryl-cAMP (cAMP-Analogon) erhöhte die ApoE Sekretion. Auch Rezeptoragonisten des Adenylatcyclase/PKA-Signalwegs beeinflussten die ApoE Sekretion. Isoproterenol (beta-Adrenorezeptoragonist) erhöhte die ApoE Sekretion, während Clonidine (alpha-2 Adrenorezeptoragonist) sie senkte. Der PKC-Aktivator Phorbol 12-Myristat 13-Acetat senkte die ApoE Sekretion und kehrte die dibutyryl-cAMP-vermittelte Erhöhung der ApoE Sekretion um. Arterenol (alpha-1 Adrenorezeptoragonist) und Serotonin (Neurotransmitter) erhöhten die ApoE Sekretion, wohingegen Carbachol (Acetylcholiner muskarinischer Rezeptoragonist) die ApoE Sekretion senkte. Es wird gezeigt, dass die verwendeten Substanzen einen von der ApoE Sekretion verschiedenen Einfluss auf die Sekretion des Nervenwachstumsfaktors (NGF) haben. Dies legt die Vermutung nahe, dass die beobachteten Ergebnisse nicht auf einen generellen Effekt der Proteinsynthese zurückzuführen sind. Es kann gefolgert werden, dass die astrozytäre ApoE Sekretion von Faktoren beeinflusst werden kann, die die intrazelluläre Konzentration von cAMP verändern oder die PKC aktivieren. Das zweite Ziel der Arbeit war zu untersuchen ob Amyloid Fragmente einen Einfluss auf die astrozytäre ApoE Sekretion haben. Senile Amyloid-Plaques in Alzheimer-Gehirnen zeigen eine ApoE-Immunreaktivität, Astrozyten die diese Plaques umgeben dagegen nicht. Es wird gezeigt, dass gealtertes fibrilläres Amyloid (1-40) die ApoE Sekretion erhöht. Das sekretierte ApoE wird durch die, die Zellen umgebenden Amyloid-Konglomerate, gebunden. Die verwendeten Amyloid Fragmente beeinflussten nicht die Menge des sekretierten basischen Fibroblastenwachstumsfaktors. Dies legt nahe, dass die beobachteten Ergebnisse nicht auf einen generellen Effekt der Proteinsynthese zurückzuführen sind. / Apolipoprotein E (apoE) is an abundant component of plasma lipoproteins that plays a key role in lipid transport and cholesterol homeostasis via the low density lipoprotein receptor. In the CNS, apoE is synthesised and secreted especially by astrocytes. ApoE isoforms have different effects on a number of pathological processes underlying Alzheimer’s disease. Therefore, understanding the regulated synthesis of apoE is important for determining its role in Alzheimer’s disease. One aim of this work was to examine whether the second-messenger-pathways „adenylyl cyclase/proteinkinase A (PKA)“ and/or „phospholipase C/proteinkinase C (PLC/PKC) are involved in the regulation of apoE secretion in astrocytes. Therefore rat primary hippocampal astrocyte cultures were incubated with various analogues, receptor agonists and neurotransmitters which influence these pathways. Dibutyryl-cAMP (cAMP analogue) increased the apoE secretion. ApoE secretion was also modulated by receptor agonists of the adenylyl cyclase/PKA pathway. Isoproterenol (beta-adrenoceptor agonist) enhanced, while Clonidine (alpha 2-adrenoceptor agonist) decreased, the secreted apoE. In contrast, the PKC activator phorbol 12-myrisate 13-acetate decreased the apoE secretion. It also reversed the effects of dibutyryl-cAMP. Arterenol (alpha 1-adrenoceptor) and serotonin (neurotransmitter) enhanced, whereas carbachol (acetylcholine muscarinic receptor agonist) deceased secreted apoE. It is shown, that the used substances have different effects on the secretion of the nerve growth factor (NGF) as compared to apoE secretion, suggesting that the results obtained were unlikely to be due to a general effect on protein synthesis. It can be concluded that actrocytic apoE production can be regulated by factors that affect cAMP intracellular concentration or activate PKC. The second aim of this work was to examine whether amyloid fragments have an effect on the apoE secretion of astrocytes. Senile amyloid plaques in Alzheimer’s disease brains show apoE immunoreactivity, astrocytes which surround them do not. It is shown, that aged, fibrillic amyloid (1-40) increases apoE secretion. The secreted apoE is bound to the surrounding amyloid conglomerates. The used amyloid fragments did not increase or decrease basic fibroblast growth factor secretion, suggesting that the results obtained were unlikely to be due to a general effect on protein synthesis.