Diese Doktorarbeit besteht aus zwei Teilen. In dem ersten Teil der Doktorarbeit behandele ich die Kodierung von Kommunikationssignalen in einem burstenden Interneuron im auditorischen System des Grashuepfers Chorthippus biguttulus. Mit der Anzahl der Aktionspotentialen im Burst wird eine zeitliche Komponente der Kommunikationssignale - die Pausendauer - wiedergegeben. Ein Modell basierend auf schneller Exzitation und langsamer Inhibition kann diese spezielle Kodierung erklaeren. Ich zeige, dass eine zeitliche Integration der Aktionspotentiale dieses burstenden Interneurons dazu genutzt werden kann, die Signale zeitskaleninvariant zu dekodieren. Dieser Mechanismus kann in ein umfassenderes Modell eingebaut werden, dass die Verhaltensantwort des Grashuepfers auf Kommunikationssignale widerspiegelt. Im zweiten Teil der Doktorarbeit benutze ich Konzepte aus der Informationstheorie und der Theorie linearer dynamisches Systeme, um den Begriff der ''vorhersagenden Information'' zu operationalisieren. Im einfachen Fall der informations-theoretisch optimalen Vorhersage des naechsten Zeitschrittes, erhalte ich Eigenvektoren, die denjenigen eines anderen etablierten Algorithmuses, der sogenannten ''Slow Feature Analysis'', entsprechen. Im allgemeinen Fall optimiere ich die vorhersagenden Information, die die Vergangenheit des Inputs eines dynamischen Systems ueber die Zukunft des Outputs enthaelt. Dabei gelange ich zu einer informations-theoretisch optimalen Charakterisierung eines reduzierten Systems, die auf den Eigenvektoren der konditionalen Kovarianzmatrix zwischen Inputvergangenheit und Outputzukunft basiert. / This thesis consists of two parts. In the first part, I investigate the coding of communication signal in a bursting interneuron in the auditory system of the grasshopper Chorthippus biguttulus. The intra-burst spike count codes one temporal feature of the communication signal - pause duration. I show that this code can be understood by a model of parallel fast excitation and slow inhibition. Furthermore, temporal integration of the spike train of this bursting interneuron results in a desirable time-scale invariant read-out of the communication signal. This mechanism can be integrated into a more comprehensive model that can explain behavioural response of grasshoppers. In the second part of this thesis, I combine concepts from information theory and linear system theory to operationalize the notion of ''predictive information''. In the simple case of predicting the next time-step of a signal in an information-theoretic optimal sense, I obtain a description by eigenvectors that are identical to another established algorith, the so-called ''Slow Feature Analysis''. In the general case I optimize a dynamical system such that the predictive information in the input past about the output future is optimalle compressed into the state space. Thereby, I obtain an information-theoretically optimal characterization of reduced system, based on the eigenvectors of the conditional covariance matrix between input past and output future.

Korrelationskodierung im Hippokampus bildet möglicherweise die neuronale Basis für episodisches Gedächtnis. In dieser Arbeit untersuchen wir zwei Phänomene der Korrelationskodierung: Phasenpräzession und Sequenzwiederholungen. Phasenpräzession bezeichnet die Abnahme der Phase des Aktionspotentials einer Ortszelle relativ zur Theta-Oszillation. Sequenzwiederholung beschreibt die Aktivität von Ortszellen in Ruhephasen; dabei werden vorangegangene Orts- Sequenzen in umgekehrter Reihenfolge wiederholt. Wir untersuchen Phasenpräzession in einzelnen Versuchsdurchläufen. In bisherigen Studien wurden Daten zur Phasenpräzession in vielen Versuchsdurchläufen zusammengelegt. Wir zeigen, dass dies zu einer verzerrten Schätzung von grundlegenden Eigenschaften der Phasenpräzession führen kann. Weiterhin demonstrieren wir eine starke Variabilität der Phasenpräzession zwischen verschiedenen Versuchsdurchläufen. Daher ist Phasenpräzession besser geeignet zeitlich strukturierte Sequenzen zu lernen, als man aufgrund der zusammengelegten Daten vermutet hatte. Desweiteren untersuchen wir die Beziehung von Phasenpräzession in unterschiedlichen Teilen des Hippokampus. Wir zeigen, dass die extrazellulären Theta- Oszillationen in CA3 und CA1 außer Phase sind. Dennoch geschieht Phasenpräzession in beiden Regionen fast gleichzeitig, und CA3 Zellen feuern oft kurz vor CA1 Zellen. Diese zeitliche Beziehung ist im Einklang mit einer Vererbung von Phasenpräzession von CA3 nach CA1. Wir entwickeln ein mechanistisches Modell für Sequenzwiederholungen in umgekehrter Reihenfolge basierend auf Kurzzeitfazilitierung. Mit Hilfe des Tempotrons beweisen wir, dass die entstehenden zeitlichen Muster geeignet sind, um von nachgeschalteten Strukturen ausgelesen zu werden. Das Modell sagt voraus, dass im Gyrus Dentatus synchrone Zellaktivität kurz vor einer Sequenzwiederholung in CA3 zu sehen ist, und es zeigt, dass Sequenzwiederholungen zum Lernen von zeitlichen Mustern genutzt werden können. / Hippocampal correlation coding is a putative neural mechanism underlying episodic memory. Here, we look at two related phenomena: phase precession and reverse replay of sequences. Phase precession refers to the decrease of the firing phase of a place cell with respect to the local theta rhythm during the crossing of the place field. Reverse replay refers to reactivation of previously experienced place field sequences in reverse order during awake resting periods. First, we study properties of phase precession in single trials. Usually, phase precession is studied on the basis of data in which many place field traversals are pooled together. We find that single-trial and pooled-trial phase precession are different with respect to phase-position correlation, phase-time correlation, and phase range. We demonstrate that phase precession exhibits a large trial-to-trial variability and that pooling trials changes basic measures of phase precession. These findings indicate that single trials may be better suited for encoding temporally structured events than is suggested by the pooled data. Second, we examine the coordination of phase precession among subregions of the hippocampus. We find that the local theta rhythms in CA3 and CA1 are almost antiphasic. Still, phase precession in the two regions occurs with only a small phase shift, and CA3 cells tend to fire a few milliseconds before CA1 cells. These results suggest that phase precession in CA1 might be inherited from CA3. Finally, we present a model of reverse replay based on short-term facilitation. The model compresses temporal patterns from a behavioral time scale of seconds to shorter time scales relevant for synaptic plasticity. We demonstrate that the compressed patterns can be learned by the tempotron learning rule. The model provides testable predictions (synchronous activation of dentate gyrus during sharp wave-ripples) and functional interpretations of hippocampal activity (temporal pattern learning).

In der vorliegenden Habilitationsschrift wurde eine Serie von Studien zusammengefasst, die menschliches räumliches Arbeitsgedächtnis, den "Visuospatialen Skizzenblock", untersucht haben. Dieses Kurzzeitgedächtnissystem ist häufig im Rahmen von Erkrankungen des frontalen Kortex und seiner mit ihm verbundenen Hirnareale, z.B. dem Morbus Parkinson, dem Morbus Alzheimer oder der Schizophrenie, beeinträchtigt und für einen relevanten Teil der kognitiven Defizite dieser Patienten verantwortlich. Wir untersuchten sowohl Gesunde als auch Patienten mit fokalen Läsionen des Gehirns mit Varianten des "Gedächtnissakkaden"-Paradigmas, einem etablierten okulomotorischen Verfahren zur Untersuchung von Raumgedächtnis. Es wurden sowohl behaviorale Aspekte von Arbeitsgedächtnis als auch mögliche anatomische Substrate dieses Gedächtnissystems sowie zeitstabilerer "Langzeit"-Gedächtnissysteme untersucht. Ziel war es, klarere Korrelationen zwischen messbarem Verhalten einerseits und Anatomie/Physiologie von Raumgedächtnis andererseits zu etablieren. Wir konnten erstmals zeigen, dass menschliches räumliches Arbeitsgedächtnis selektiv für aktuelles Verhalten relevante Wahrnehmungsinhalte repräsentiert. Der Zugang verhaltensirrelevanter Rauminformationen zu räumlichem Arbeitsgedächtnis wird offenbar durch effiziente (Aufmerksamkeits-) Filtermechanismen verhindert. Für die Existenz solcher Filtermechanismen gab es bislang nur elektrophysiologische Belege im Tiermodell. Da die Speicherkapazität von Arbeitsgedächtnis gering ist, erlauben diese Filtermechanismen möglicherweise einen effizienteren Umgang mit der Fülle und Komplexität unserer Umwelt. Umgekehrt lässt die in unserem Experiment sichtbar gewordene enge Verzahnung von Arbeitsgedächtnis und Aufmerksamkeit die Hypothese zu, dass eine gestörte Arbeitsgedächtniskapazität sowohl durch eine primäre Beeinträchtigung der Speichermechanismen selbst als auch durch Störungen der attentionalen Kontrolle derselben zustande kommen kann. Des weiteren konnten wir erstmals zeigen, dass menschliches räumliches Arbeitsgedächtnis eine klare Zeitgrenze hat, die für einzelne räumliche items bei ungefähr 20 Sekunden liegt. Jenseits dieser Zeitgrenze scheint eine vom Arbeitsgedächtnis unabhängige Raumrepräsentation für menschliches Verhalten bedeutsam zu werden. Der Begriff "Arbeitsgedächtnis" sollte also für Gedächtnisaufgaben reserviert bleiben, deren Gedächtnisphase 20 Sekunden nicht überschreitet. Unsere Befunde zeigen weiterhin, dass bei ansonsten konstantem Design einer Gedächtnisaufgabe, die Dauer der Gedächtnisphase bereits wesentlich darüber entscheidet, welches Gedächtnissystem untersucht wird. Die von uns durchgeführten Läsionsstudien an Patienten und neurophysiologischen Studien an Gesunden bestätigen, dass räumliches Arbeitsgedächtnis durch ein Netzwerk kortikaler Areale kontrolliert wird, das unter anderem den Dorsolateralen Präfrontalen Kortex, den Posterioren Parietalen Kortex und das Frontale Augenfeld umfasst. Innerhalb dieses Netzwerks nehmen diese Areale jedoch klar verschiedene kognitive Partialfunktionen wahr. Der Dorsolaterale Präfrontale Kortex und der Posteriore Parietale Kortex scheinen in erster Linie der Repräsentation von Raum in perzeptuellen Koordinaten, d.h. einem räumlichen "Wahrnehmungsbild" zu dienen, mit einer nur kurzfristigen Rolle des Posterioren Parietalen Kortex und einer dominierenden Rolle des Dorsolateralen Präfrontalen Kortex während der Gedächtnisphase einer Arbeitsgedächtnisaufgabe. Das Frontale Augenfeld scheint der Repräsentation von Raum in okulomotorischen Koordinaten zu dienen, d.h. der kurzzeitigen Speicherung einer geplanten okulomotorischen Antwort auf einen räumlichen Wahrnehmungsinhalt. Schließlich sprechen unsere Ergebnisse dafür, dass es mit dem Wechsel von Arbeitsgedächtnis zu einer zeitstabileren Raumrepräsentation bei Gedächtnisphasen von mehr als 20 Sekunden Länge auch zu einem Wechsel der anatomischen Substrate von Raumgedächtnis kommt. Die von uns durchgeführten Läsionsstudien zeigen, dass jenseits der Zeitgrenzen von räumlichem Arbeitsgedächtnis neokortikale Areale des Medialen Temporallappens eine aktive Rolle für Raumgedächtnis spielen. Hier konnten wir erstmals zeigen, dass der menschliche Parahippokampale Kortex eigenständige und vom Hippokampus unabhängige Raumgedächtnisfunktionen wahrnimmt. Möglicherweise ist diese Region das Substrat eines intermediären Gedächtnissystems zwischen räumlichem Arbeitsgedächtnis und Hippokampus-abhängigem Langzeitgedächtnis. Es wird ferner deutlich, dass in einer Gedächtnisaufgabe allein durch die Wahl verschiedener Dauern der Gedächtnisphase verschiedene anatomische Substrate von Gedächtnis untersucht werden können. Die in dieser Habilitationsschrift zusammengefassten Studien zeigen am Beispiel des räumlichen Arbeitsgedächtnisses, dass es möglich ist, mit einfachen physiologischen Paradigmen Gedächtnissysteme am Menschen zu untersuchen. Bestimmte mnestische Subfunktionen lassen sich mit den hier verwandten Paradigmen präzise quantifizieren und bestimmten Hirnregionen zuordnen. Wir glauben, dass dieser methodische Ansatz sowohl eine präzisere Diagnostik von kognitiven Defiziten bei Hirnerkrankungen erlaubt, als auch die Möglichkeit eröffnet, die Therapie von Gedächtnisstörungen effektiv zu kontrollieren. / This publication summarizes a series of experimental studies examining spatial working memory, the "visuospatial scratch pad", in humans. This short-term memory system is frequently affected in disorders involving the frontal cortex and connected subcortical structures, e.g. in Parkinson's disease, Alzheimer's disease or schizophrenia. Healthy human subjects and patients with focal cerebral lesions were tested with a series of "memory-guided saccade" paradigms, i.e. oculomotor spatial memory tasks. We examined both behavioural aspects and possible anatomical substrates of spatial working memory and more stable "long-term" memory systems. Our aim was to clarify the relationship between behavioural measures of spatial memory and its neuronal substrates. In a first experiment, we were able to show that visuospatial working memory selectively represents behaviourally relevant information. Access of irrelevant visuospatial information to working memory appears to be prevented by efficient attentional filters. Facing the limited storage capacity of spatial working memory, these filters may allow for successful behaviour in perceptually complex environments. Furthermore, the tight coupling of spatial attention and spatial working memory allows for the conclusion, that spatial working memory deficits in patients may likewise result from deficient storage systems and deficient attentional control. In a second experiment, we were able to demonstrate a clear temporal limit of about 20 seconds for spatial working memory. Beyond this temporal limit, an independent and more stable spatial memory system, less susceptible to the passage of time, becomes behaviourally relevant. Thus, the term "working memory" should be confined to spatial memory tasks where the memory delay does not exceed 20 seconds. In addition, these results show that selection of a certain memory delay in a given spatial memory task is a decisive factor when examining spatial memory systems. A third series of lesion studies in patients and neurophysiological experiments in healthy subjects confirmed that cortical control of spatial working memory involves dorsolateral prefrontal cortex, posterior parietal cortex and frontal eye field. Within this network, the dorsolateral prefrontal cortex and posterior parietal cortex appear to store spatial information in perceptual coordinates, with a transient role of the posterior parietal cortex at the very beginning of the memory delay and a dominating role of the dorsolateral prefrontal cortex for most of the delay. By contrast, the frontal eye field appears to store spatial information in oculomotor coordinates, i.e. to maintain a prepared eye movement to a remembered target location across a delay. A fourth series of lesion studies in patients showed that spatial memory for delays longer than 20 seconds is controlled by anatomical substrates distinct from those controlling spatial working memory. Beyond the temporal limits of spatial working memory, neocortical regions of the medial temporal lobe appear to contribute significantly to spatial memory. Within these neocortical regions, the parahippocampal cortex may carry spatial memory functions independent of the hippocampal formation and distinct from spatial working memory. We propose that this region is the neuronal substrate of an intermediate memory system, linking spatial working memory and spatial long-term memory both functionally and anatomically. Moreover, these results show that selection of a certain memory delay in a given spatial memory task is a decisive factor when examining neuronal substrates of spatial memory. Taken together, our experiments show that human memory can effectively be investigated with simple physiological paradigms. Spatial memory functions can precisely be quantified with oculomotor paradigms and related to defined anatomical substrates. This approach may allow for precise diagnosis of cognitive deficits and efficient monitoring of treatment of memory disorders.

Es wurden die Effekte von Plättchenaktivierendem Faktor (PAF, 1-O-Alkyl-2-azetyl-sn-glyzero-3-phosphocholin) auf intrazelluläre Kalziumkonzentration und Zelllänge isolierter und feldstimulierter Kardiomyozyten der Ratte untersucht. Intrazelluläre Kalziumkonzentration und Zelllänge der feldstimulierten Zellen wurden mittels Laser-Raster-Mikroskopie simultan unter Verwendung des Kalzium-Fluoreszenzfarbstoffes Fluo-3 bestimmt. PAF (0.001nM - 10nM) inhibierte den systolischen Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration zeit- und konzentrationsabhängig. Die maximalen Effekte wurden nach einer Inkubationszeit von 6-8 min beobachtet. Es kam zu 17% (0.001nM), 41% (0.1nM) und 52% (10nM PAF) Reduktion des systolischen Kalziumanstiegs. Zusätzlich konnte eine zeit- und konzentrationsabhängige Verringerung der simultan gemessenen Zellverkürzung nachgewiesen werden. Die Zellverkürzung war nach einer Inkubationszeit von 8 min um 10% (0.001nM), 32% (0.1nM) und 50% (10nM PAF) reduziert. Die Wirkungen von PAF konnten durch den Einsatz des spezifischen PAF-Rezeptorantagonisten WEB 2170 inhibiert werden. Diese Ergebnisse zeigen einen rezeptorvermittelten negativ inotropen Effekt von PAF, hervorgerufen durch eine Verringerung der systolischen intrazellulären Kalziumkonzentration ohne Desensibilisierung der Myofilamente. / We investigated the effects of platelet-activating factor (PAF, 1-O-alkyl-2-acetyl-sn-glycero-3-phosphocholine) on intracellular calciumconcentration and cell length in isolated and field-stimulated rat cardiomyocytes. Intracellular calciumconcentration and cell length of field-stimulated cells were determined simultaneously by confocal laser scan microscopy by using the fluorescent calcium dye Fluo-3. PAF (0.001nM - 10nM) inhibited systolic intracellular calciumconcentration increase in a time- and concentration-dependent manner. Maximal effects were observed after an incubation time of 6-8 min, resulting in a 17% (0.001nM), 41% (0.1nM) and 52% (10nM PAF) inhibiton of systolic calcium increase. A time- and concentration-dependent decrease in simultaneously measured cell shortening also was demonstrated. Cell shortening was inhibited by 10% (0.001nM), 32% (0.1nM) and 50% (10nM PAF) after an incubation time of 8 min. The effects of PAF could be antagonized by the PAF-receptor antagonist WEB 2170. These data demonstrate that PAF receptor-dependently induces a negativ inotropic effect, which is correlated with a decrease in systolic intracellular calciumconcentration and is most likely not due to a decrease in myofilament sensitivity.

Um eine Folge von Ereignissen aus unserem Gedächtnis abzurufen, ist zunächst ein Mechanismus erforderlich, der geordnete Sequenzen abspeichert. Hierbei stehen wir vor dem Problem, dass Ereignisse in unserem Leben auf einer Zeitskala von Sekunden oder mehr stattfinden. Auf der anderen Seite basiert das Lernen von Sequenzen auf der Plastizität von Synapsen im Gehirn, die durch die Abfolge von Aktionspotentialen von Nervenzellen im Millisekunden-Bereich gesteuert wird. Um dieses zeitliche Problem zu lösen, betrachten wir den Hippocampus, eine Struktur im Gehirn von Vertebraten, die für das explizite Gedächtnis (Fakten, Ereignisse, Sequenzen) entscheidende Bedeutung hat. In Nagetieren ist der Hippocampus sehr gut untersucht. Dort wurden Neurone gefunden, die nur dann aktiv sind, wenn das Tier innerhalb einer bestimmten Region seiner Umgebung ist: im sogenannten “Ortsfeld” des entsprechenden Neurons. Während der Bewegung durch ein Ortsfeld verschiebt sich die Phase der Nervenimpulse zu immer früheren Phasen der EEG-Oszillation. Dieses Phänomen wird als “Phasenpräzession” bezeichnet. Theoretische und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass Phasenpräzession eine Lösung für unser Dilemma bietet: es führt zu einer zeitlich komprimierten Darstellung der Sequenz von Orten. In der vorliegenden Arbeit untersuche ich den Mechanismus und die Funktion von Phasenpräzession im Hinblick auf die Ausbreitung neuronaler Aktivität von einer Hirnregion zu einer anderen. Phasenpräzession konnte bereits in mehreren Regionen des Gehirns beobachtet werden. Bisher war unklar, ob Phasenpräzession in jeder dieser Regionen eigenständig entsteht, oder ob die Phasenpräzession von einer vorgeschalteten Population von Neuronen “vererbt” werden kann. Schliesslich diskutiere ich auf Grundlage der aktuellen Literatur, ob Phasenpräzession das Verhalten beeinflusst und gebe einen Ausblick auf zukünftige Forschungsmöglichkeiten auf diesem Gebiet. / The process of faithfully retrieving episodes from our memory requires a neural mechanism capable of initially forming ordered and reliable behavioral sequences. These behavioral sequences take place on a timescale of seconds or more, whereas the timescale of neural plasticity and learning is in the order of tens of milliseconds. To shed light on this dilemma, we turn to studies of hippocampal place cells in rodents, i.e., cells that selectively increase their firing rates in locations of the environment known as the place fields. Within a field, the firing phases of a place cell precess monotonically relative to the ongoing theta rhythm. This phenomenon, termed "phase precession", leads to a temporally compressed representation of the behavioral sequences experienced by the rodent, and the compressed timescale matches the requirements of neural plasticity. In this thesis, I study the mechanisms and functions of phase precession by proposing a framework that relies on the concept of inheritance: the simple idea that patterns of neural activity can be propagated from one region to another. Indeed, phase precession has been observed in several regions of the hippocampus and entorhinal cortex, and an important open question is whether phase precession emerges independently in each region, or conversely, whether phase precession can be "inherited" from an upstream neu ronal population. These results suggest that the presence of phase precession in different stages of the hippocampal circuit and other regions of the brain is indicative of a common source, a fact that can help us better understand the temporal spiking patterns in the brain. Finally, I critically review the current evidence for a behavioral role for phase precession and suggest a roadmap for future research in this field.

Das menschliche Skelett besteht aus einem dynamischen Material welches in der Lage ist zu heilen, sowie sich durch strukturellen Umbau an mechanische Beanspruchung anzupassen. In dieser Arbeit ist die mechanische Regulierung dieser Prozesse untersucht worden. Hierfür ist ein Computermodell, sowie die dreidimensionale Abbildung des Knochens und die Auswertung dieser Bilder benutzt worden. An dem Heilungsprozesses von Knochen sind verschiedene Gewebetypen beteiligt. Dabei hängt die räumliche und zeitliche Anordnung dieser Gewebe von der mechanischen Belastung ab. Ein Computermodell, welches den vollständigen Verlauf der Heilung beschreibt, wurde mit der dokumentierten Gewebeentwicklung eines Tierexperimentes verglichen. Verschiedene Hypothesen, wie die mechanische Stimulation die Bildung verschiedene Gewebe beeinflusst, wurden getestet. Zwar ließen sich durch den Vergleich mit dem Experiment keine der Hypothesen verwerfen, jedoch konnten wir Vorschläge machen, worauf bei zukünftigen Experimenten verstärkt geachtet werden soll. Es wird angenommen dass der Umbauprozesses des Knochens vom dichten Netzwerk der Osteozyten mechanisch reguliert wird. Diese Zellen sind in den Knochen eingebettet und über ein dichtes Netzwerk aus engen Kanälen, den sogenannten Canaliculi, miteinander verbunden. Dieses Netzwerk mittels konfokaler Mikrokopie dreidimensional abgebildet. Spezielle Routinen zur Auswertung der Netzwerkorientierung sowie dessen Dichte wurden entwickelt. Die Hauptorientierung des Netzwerkes entspricht der Richtung in der Knochengewebe aufgebaut wird. Die Orientierung des zu dieser Richtung senkrechten Anteils des Netzwerkes rotiert abhängig von der Position entlang der Aufbaurichtung. Dies verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Netzwerkorientierung und der Vorzugsrichtung des Kollagens, dem faserigen Bestandteils des Knochens. Darüber hinaus zeigt die Auswertung der Daten weitere strukturelle Unterschiede im Netzwerk. / Our skeleton is composed of a dynamic material that is capable of healing and of adapting to changing mechanical loads through structural remodeling. In this thesis the mechano-regulation of these dynamic processes are addressed using computer modeling and 3-dimensional imaging and image analysis. During bone healing an intricate pattern of different newly formed tissues around the fracture site evolves in time and is influenced by the mechanical loading. Using a computer model which is describing this temporal-spatial evolution of tissue types for the full time-course of healing, this evolution is compared to the documented evolution of an animal experiment. Different hypotheses were tested how the mechanical stimulation results in the formation of different tissues. While the comparison with the outcome of the animal experiments does not allow to falsify any of the hypotheses, it suggests a different design of future animal experiments. Bone remodeling is thought to be mechano-regulated by the dense network of osteocytes. These osteocytes are embedded in bone and are connected to each other via a network of narrow canaliculi. The 3-dimensional structure of the network was imaged using rhodamine staining and laser scanning confocal microscopy. Image analysis tools were developed to determine the network topology and to analyze its density and orientation. The analysis focused on osteons, the building blocks of cortical bone. Within an osteon we found a large variability of the network density with extensive regions without network. Most of the network is oriented radially towards the center of the osteon, i.e.\ parallel to the direction in which the bone material is deposited. The network perpendicular to this direction twists when moving along the direction of bone deposition. A correlation with the main orientation the fibrous constituent of bone, collagen, was detected. Furthermore indicates our data additional structural changes in the network alignment.

Das Dorsalgefäß von Drosophila ist ein wertvolles Modellsystem für die Untersuchung der genetischen und molekularen Mechanismen der Kardiogenese. Ein Schlüsselereignis der Kardiogenese ist die Bildung eines Herzlumens, durch das die Hämolymphe gepumpt wird, um Nährstoffe und Zellen des angeborenen Immunsystems zu zirkulieren. Ein Schwerpunkt meiner Arbeit umfasste die Identifizierung neuer Gene, die im embryonalen Dorsalgefäß von Drosophila exprimiert sind. Dafür habe ich die Expression von 101 Genen, deren Orthologe spezifisch im Herzen von Zebrafisch exprimiert sind, in Drosophila untersucht. Ich identifizierte ein Gen, das für das Cbl-assoziierte Protein (CAP) kodiert. Durch Herstellung eines anti-CAP Antikörpers konnte ich erstmals eine detaillierte Lokalisation des CAP-Proteins im Dorsalgefäß beschreiben. Interessanterweise stellte sich dabei heraus, dass CAP ähnlich wie die homologen Vertebraten Proteine embryonal an den fokalen Adhäsionskontakten der Kardioblasten und im adulten Dorsalgefäß auch an den Z-Scheiben und den Zell-Zell-Kontaktstellen der Kardiomyozyten lokalisiert ist. Des Weiteren untersuchte ich, welche Auswirkungen der Verlust der CAP Funktion auf die Herzentwicklung hat. Für die Analyse der CAP-Mutanten nutzte ich neben Immunhistochemischen Methoden auch ultrastrukturelle Analysen mittels TEM-Mikroskopie. So konnte ich zeigen, dass embryonale Dorsalgefäße von CAP-Mutanten eine fehlerhafte Anzahl sowie Anordnung der Kardioblasten und Lumendefekte aufweisen. Ein genetischer Interaktionstest untermauerte meine Vermutung, dass CAP mit dem Integrinsignalweg während der embryonalen Dorsalgefäßentwicklung interagiert. Live-Aufnahmen des pumpenden Dorsalgefäßes von Drosophila L3-Larven und Injektionstests an späten Puppen zeigten zudem, dass der Verlust der CAP Funktion auch zu starken Defekten in der Funktionalität des larvalen und adulten Dorsalgefäßes führt. / The heart of Drosophila provides a valuable model system for the examination of the genetic and molecular mechanisms that guide cardiogenesis. A key event of cardiogenesis is the formation of a heart lumen through which the hemolymph is pumped to circulate nutrients and cells of the innate immune system. A main focus of my work was the identification of new genes that are expressed in the embryonic heart of Drosophila. Therefore I studied the expression of 101 genes, whose orthologues are expressed specifically in the heart of zebrafish. I identified a gene that encodes for the Cbl-associated protein (CAP). By generating an anti-CAP antibody I could describe the localization of the CAP protein in the heart for the first time in detail. Interestingly, it turned out that CAP is located similar to the homologous vertebrate proteins at the focal adhesion contacts of cardioblasts in the embryo and at the Z-discs and the cell-cell contact sites of cardiomyocytes in the adult heart. I also examined the consequences of the loss of CAP function on heart development. For the analysis of the CAP mutants I used immunohistochemical and ultrastructural analysis by TEM microscopy. So I was able to demonstrate that embryonic hearts of CAP mutants show a defective number and arrangement of cardioblasts and lumen defects. A genetic interaction test substantiated my guess that CAP interacts with the Integrin signaling pathway during embryonic heart development. Live recordings of the pumping heart of Drosophila L3 larvae and injection tests of late pupae also showed that the loss of CAP function leads to severe defects in the functionality of the larval and adult heart.

Die Therapie des häufigsten primären Hirntumors bei Erwachsenen, des Glioblastoms, gestaltet sich aufgrund der relativen Resistenz gegen Bestrahlung und Zytostatika schwierig und resultiert in einer äußerst schlechten Prognose. Ziel dieser Arbeit war die Identifikation von zellulären Faktoren, die bei einer Behandlung mit dem neuartigen onkolytischen Virus Ad5-Delo3RGD (ΔE1A-13S, ΔE19K, ΔE3, zusätzliches RGD-Motiv) eine Bedeutung hinsichtlich des Ansprechens auf die Therapie haben. Dazu erfolgte nach der Transduktion von Gliomzellen mit adenoviralen Vektoren, mit unterschiedlichem E1A-Status, eine Analyse der Modulation der globalen Genexpression. Die E1A-Deletante, Ad5-Ad312, war replikationsinkompetent in Gliomzellen und hatte infolgedessen nur einen marginalen Einfluss auf Genebene und keine biologischen Effekte auf Proteinebene. Das Wildtypvirus (Ad5-wt) mit intakter und das onkolytische Virus (Ad5-Delo3RGD) mit mutierter E1A-Region induzierten eine starke Modifikation der zellulären Genexpression in Gliomzellen. Die Transduktion der Gliomzellen mit Wildtypvirus bzw. onkolytischen Virus resultierte in einer bis zu 60 %-igen Hemmung der Sekretion des Angiogenesefaktors VEGF. Fernerhin konnte in Glioblastomzellen gezeigt werden, dass Ad5-wt und Ad5-Delo3RGD eine 50 bis 60 %-ige Inhibition der Sekretion von TGF-β2, sowie eine bis zu 65 %-ige Hemmung der Transkriptionsaktivität des TGF-β-Signalwegs induzierten. Damit reprimieren besagte Viren zelluläre Faktoren, deren Expression im Gliom mit einer schlechten Prognose korreliert ist. Aufgrund dieser Daten konnte für maligne Gliome ein Modell von Ad5-Delo3RGD-Therapie relevanten zellulären Faktoren entwickelt werden, welches den Zusammenhang zwischen TGF-β2, VEGF bzw. MIR-181 und der Virotherapie verdeutlicht. Mit Hilfe dieses Modells steigt das Verständnis um die antineoplastische Aktivität des onkolytischen Virus, und ermöglicht damit eine Verbesserung der Ad5-Delo3RGD-basierten Therapie. / Glioblastoma is the most common type of brain tumor among adults. The therapy is very difficult, due to its relative resistance to radiation and zytostatica, and often results in fatal prognosis. The main objective of this thesis was the identification of cellular factors associated with therapy response to adenoviral treatment using the newly developed oncolytic virus Ad5-Delo3RGD. Therefore, after viral transduction of glioma cells with adenoviral vectors, using E1A-wildtype and -mutant viruses, an analysis of the modulation of mRNA expression profiles was conducted. The E1A deletion mutant Ad5-Ad312 was replication-deficient in glioma cells and therefore had only marginal influence of host gene transcription level and no biological effect on protein level. Both, wildtype adenovirus type 5 (Ad5-wt), with intact E1A, and oncolytic virus (Ad5-Delo3RGD), with mutated E1A, induced strong modifications of gene expression profiles in glioma cells. The transduction of glioma cells with wildtype or oncolytic virus resulted in a 60 % reduced secretion of the angionesis factor Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF). In addition it was shown that Ad5-wt and Ad5-Delo3RGD induced a reduced secretion of TGF-ß2 by 50 to 60 % and a repression of the SMAD2/SMAD3/SMAD4-specific transcription activity up to 65 %. Thus the viruses inhibit cellular factors, which expression is corelated to a weak prognosis. Based on this data a new model for malign glioma was developed, which illustrates the relationship between virotherapy and the cellular factors TGF-β2, VEGF and MIR-181, which are associated with treatment response to Ad5-Delo3RGD-based therapy. The model helps to understand the basic antineoplastic activity of the oncolytic virus and therefore should help to improve Ad5-Delo3RGD-based therapy.

Das Renin-Angiotensin-System ist nachweislich in die Entwicklung der schwangerschaftsspezifischen Erkrankung Präeklampsie involviert. Ziel der Arbeit ist die Charakterisierung der Effekte des zirkulierenden sowie uteroplazentaren Renin-Angiotensin-Systems im Rattenmodell. Wurden weibliche Ratten, transgen für humanes Angiotensinogen, mit männlichen Ratten, transgen für humanes Renin verpaart, so entwickelten sie während der Schwangerschaft Bluthochdruck und Proteinurie, während die umgekehrte Kreuzung diese Hauptsymptome der Präeklampsie nicht zeigte. Weiterhin wurde mit einer Kontrollgruppe sowie einer Angiotensin II behandelten Gruppe gearbeitet. Chronisch, systemische Angiotensin II Infusion (1000 ng/kg/min) erhöhte zirkulierendes Angiotensin II während in der umgekehrten, Präeklampsie-negativen Kreuzung uteroplazentares Angiotensin II erhöht war. In der Präeklampsie-positiven Gruppe war Angiotensin II zirkulär und uteroplazentar erhöht. Bluthochdruck und Albuminurie waren alleinig in den Tiermodellen mit erhöhtem zirkulierendem Angiotensin II nachweisbar. In der Kontrollgruppe kam es während der Schwangerschaft zu einer physiologischen Herzhypertrophie, während in der Präeklampsie-positiven Gruppe Anzeichen einer pathologischen Herzhypertrophie nachweisbar waren. Weiterhin unterstützte uteroplazentares Angiotensin II die tiefe Invasion von Trophoblasten in plazentafernen Spiralarterien, während zirkulierendes Angiotensin II die Trophoblasteninvasion im gesamten mesometrialen Dreieck diffus förderte. In Zellkulturexperimenten konnte gezeigt werden, dass Angiotensin II die Mobilität und die Invasion einer Trophoblastenzelllinie förderte. Ebenso erhöhte Angiotensin II die Migration von Trophoblasten in Plazentakulturen. Diese Ergebnisse verdeutlichen den unterschiedlichen Einfluss des zirkulierenden und uteroplazentaren Renin-Angiotensin-Systems auf die Schwangerschaft und tragen damit zum Verständnis pathologischer Prozesse bei, die zu Präeklampsie führen. / Dysregulation of the renin-angiotensin-system is important in preeclampsia, a pregnancy specific disorder, characterized by high blood pressure and albuminuria. Aim of this study is to characterize the effects of circulation and uteroplacental renin-angiotensin-system during pregnancy in a rat model. Female rats transgenic for the human angiotensinogen gene crossed with males transgenic for the human renin gene develop preeclampsia, whereas those of the opposite cross do not. We used this model to study the role of angiotensin II in trophoblast invasion, which is shallow in human preeclampsia but deeper in this model. We investigated the following groups: preeclampsia rats, opposite-cross rats, angiotensin II–infused rats and control rats. Angiotensin II infusion increased only circulating angiotensin II levels, opposite cross influenced only uteroplacental angiotensin II and preeclampsia rats showed increased circulating and uteroplacental angiotensin II. Blood pressure and albuminuria occurred in the models with high circulating angiotensin II but not in other models. Control rats showed physiological heart hypertrophy during pregnancy whereas pathological heart hypertrophy occurred in preeclampsia rats. High uteroplacental angiotensin II influenced deep trophoblast invasion in distant spiral arteries whilst the effect of circulating angiotensin II was more diffuse. We then studied human trophoblast cell line and villous explants derived from first-trimester pregnancy. Local angiotensin II dose-dependently increased migration, invasion and motility. The data suggest that angiotensin II stimulates trophoblast invasion in vivo in the rat and in vitro in human cells, a hitherto fore unrecognized function.

Das menschliche Gehirn funktioniert weitgehend zuverlässig – egal ob man im Schneegestöber nach einer schützenden Unterkunft sucht oder im Hochsommer einen Marathon läuft. Der Grund hierfür liegt im Erhalt einer nahezu konstanten Körpertemperatur, der für den menschlichen Organismus einen hohen Energieaufwand darstellt. Dadurch verliert die Temperaturabhängigkeit chemischer Prozesse auf mikroskopischer Ebene für den Menschen an Bedeutung – im Gegensatz zu allen wechselwarmen Lebewesen, deren Körpertemperatur sich der Umgebungstemperatur umgehend anpasst. Dass lebenswichtige Körper- und Gehirnfunktionen vieler Wechselwarmer dennoch über einen breiten Temperaturbereich funktionieren, legt nahe, dass sich diese Tiere Mechanismen zu Nutze machen, die die Temperaturabhängigkeit auf mikroskopischer Ebene ausgleichen. Die vorliegende Arbeit beschreibt Möglichkeiten der so genannten Temperaturkompensation am Beispiel des Hörsystems der Heuschrecke. Für einige Heuschreckenarten ermöglicht das Hörsystem die Lokalisierung und Identifizierung möglicher Partner anhand von Werbegesang, auch bei schlechten Sichtverhältnissen in hoher Vegetation. Insbesondere funktioniert die akustische Kommunikation über eine Temperaturspanne von bis zu 15°C. Diese Doktorarbeit erklärt zum einen, wie einzelne Nervenzellen mit temperaturabhängigen Ionenkanälen eine temperaturkompensierte Stimulusrepräsentation erzeugen können. Weiterhin wird gezeigt, dass der zugrundeliegende zell-intrinsische Kompensationsmechanismus nicht den neuronalen Energieverbrauch beeinträchtigen muss. Zum anderen wird belegt, dass die Schallverarbeitung auf höheren Verarbeitungsstufen selbst nicht temperaturkompensiert ist. Anhand mathematischer und computergestützter Modelle wird erläutert wie dennoch mit der gemessenen Temperaturabhängigkeit der neuronalen Verarbeitung temperaturkompensierte Gesangserkennung ermöglicht wird. Die vorgeschlagenen Mechanismen können auf alle wechselwarmen Organismen verallgemeinert werden. / The human brain largely remains functional regardless of whether one is searching for the shortest path to a warming shelter in a snowstorm or running a marathon on a summer’s day. This robustness of brain functionality can be attributed to the maintenance of a constant body temperature, which requires a large investment of energy. Due to homeothermy, the temperature dependence of all chemical reactions, including those inside the body, loses relevance as a constraint for humans. For poikilotherms, in contrast, a rise in ambient temperature translates to an increase in body temperature, which speeds up all chemical processes. Yet, many poikilotherms exhibit robustness of vital behaviors across a broad range of temperatures, which suggests the existence of mechanisms that compensate for temperature dependencies at the microscopic level. The present thesis proposes mechanisms for such temperature compensation, using the auditory system of the grasshopper as a model system. For various grasshopper species, the auditory system facilitates localization and recognition of conspecifics under conditions of low visibility. In particular, communication and recognition remain functional across a temperature range of up to 15 C. Here, we show on the one hand how single nerve cells with temperature-dependent ion channels can generate a temperature-compensated stimulus representation. Importantly, we reveal that the underlying cell-intrinsic compensation mechanism need not impair neuronal energy efficiency. On the other hand, we show that sound processing in higher-order neurons does not exhibit the degree of compensation that is found at the input level. Using a combination of mathematical modeling and simulations we show how temperature compensation of song recognition can be achieved at the network level, with temperature-dependent neural filters. In principle the proposed mechanisms are applicable to all poikilothermic species.