Mikrogliazellen stellen die professionellen Phagozyten des zentralen Nervensystems dar und sind maßgeblich bei der Entfernung apoptotischer Neurone aus dem Gewebe beteiligt. Die Erkennungsmechanismen, die zu einer Erkennung und Phagozytose apoptotischer Neurone durch Mikrogliazellen führen, sind bisher unbekannt. In dieser Arbeit wurde mit Hilfe eines Kokulturmodells die Erkennungsmechanismen zwischen primären Mikrogliazellen und apoptotischen Kleinhirnneuronen untersucht. Der apoptotische Zelltod, charakterisiert durch Schrumpfung und Fragmentation der Neuron, durch Kondensation des Chromatins, durch Fragmentation der DNA und durch Präsentation von Phosphatidylserin auf der extrazellulären Seite der Plasmamembran, wurde in den Kleinhirnneuronen durch eine Behandlung mit 100 µM S-Nitrosocystein induziert. Es konnte gezeigt werden, daß apoptotische Neurone keine löslichen Substanzen sekretierten, die chemotaktisch auf Mikrogliazellen wirken. Dies zeigt, daß die Erkennung apoptotischer Neurone über Zell-Zell-Kontakte erfolgt. Zur Untersuchung der beteiligten Erkennungsmechanismen wurden Mikrogliazellen zwei Stunden nach der Induktion des apoptotischen Zelltods zu den Neuronen gegeben und für sechs Stunden in Gegenwart oder Abwesenheit von Liganden kultiviert, die mögliche Rezeptoren zur Erkennung von apoptotischen Neuronen inhibieren. Die Bindung/Phagozytose der apoptotischen Kleinhirnneurone durch Mikrogliazellen wurde mit einer kombinierten DAPI/Propidiumjodid (für apoptotische/nekrotische Zellen) und einer Lektin Färbung (für Mikrogliazellen) durch Auszählung bestimmt. Die Aufnahme apoptotischer Neurone durch Mikrogliazellen wurde durch Galaktose und N-Acetylglukosamin reduziert, was auf eine Erkennung apoptotischer Zellen durch Lektine hindeutet. Weiterhin weist der inhibitorische Effekt von RGDS-Peptiden auf die Bindung/Phagozytose von apoptotischen Neuronen durch Mikrogliazellen auf eine Erkennung durch ein Vitronektinrezeptor hin. Da Mikrogliazellen spezifisch Lipidvesikel, die mit Phosphatidylserin angereichert waren, binden und O-Phospho-L-Serin die Aufnahme von apoptotischen Neuronen durch Mikrogliazellen deutlich inhibierte, erfolgte die Erkennung apoptotischer Neurone hauptsächlich durch einen Phosphatidylserin Rezeptor. Die Expression des PS-Rezeptors auf Mikrogliazellen ist unabhängig vom Aktivierungszustand der Mikrogliazellen in vitro. Die Bindung von PS ist mit einem Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration in der Mikrogliazelle verbunden und führt nicht zu einer sekretorischen Aktivierung der Mikrogliazelle. Da Astrozyten ebenfalls einen PS-Rezeptor exprimieren, könnten sie als semiprofessionelle Phagozyten ebenfalls eine Bedeutung bei der Aufnahme apoptotischer Neurone einnehmen. Diese Ergebnisse zeigen, daß apoptotische Neurone ein komplexes Oberflächenmuster exprimieren, welches durch unterschiedliche Rezeptorsysteme der Mikrogliazelle erkannt werden kann. Die Erkennung von PS auf apoptotischen Neuronen durch Mikroglia scheint bei diesen untersuchten Rezeptorsystemen die wichtigste Rolle zu spielen. / Microglia are the professional phagocytes of the central nervous system and play a crucial role in removal of apoptotic neurons out offrom the tissue. The recognition mechanisms leading to the recognition and phagocytosis of these apoptotic neurons by microglia are not yet characterized. Here IIn the present work established a co-culture model was established to examine the receptor systems involved in the recognition of apoptotic cerebellar neurons by primary microglia. Treatment with 100 µM S-nitrosocysteine induced apoptosis of cerebellar neurons as indicated by condensation and fragmentation of the neurons, condensation of the chromatin, fragmentation of the DNA and phosphatidylserine exposure to the exoplasmic leaflet of the plasma membrane. It was shown that apoptotic neurons do not release soluble signals that serve to attract microglia. Consequently, contact-dependent interaction between the microglial cell and the apoptotic neuron is required for recognition. For the examination of the receptor systems involved in recognition, microglial cells were added to neurons 2 h after induction of apoptosis induction and co-cultured for 6 h in the presence of ligands that inhibit recognition by binding to their respective receptors. Binding/phagocytosis was determined after combined DAPI/propidium iodide (for apoptotic/necrotic neurons) and lectin staining (for microglia). Uptake of neurons was reduced by galactose or N-acetylglucosamine, suggesting that recognition involves lectins. Furthermore, the inhibition of microglial binding/uptake of apoptotic neurons by RGDS peptide suggesteds a rolethe involvement of a microglial vitronectin receptor. The selective Binding of phosphatidylserine-enriched lipid vesicles on microglial cells and the strong interference of O-phospho-L-serine with the uptake of apoptotic neurons was indicative of an important role for the phosphatidylserine receptor (PS-receptor)As microglia selectively bind lipid vesicles enriches in phosphatidylserine and O-phospho-L-serine interfered in a strong way with the uptake of apoptotic neurons, the recognition of apoptotic neurons is manly dependent on a phosphatidylserine receptor. The expression of the PS-receptor is independent of the activation state of the microglial cell in vitro. The bindigbinding of PS induces an elevation of the intracellular calcium concentration in the microglia but doesid not induce an activationsectretion of (Liste der getesteten Zytokine einsetzen) of the microglial cell in an secretory way. Because of the expression of a PS-receptor, Astrocytes could also play a role in the uptake of apoptotic neurons as semiprofessional phagocytes. In summaryCollectively, these results suggest that apoptotic neurons generate a complex surface signal recognized by different receptor systems on microglia. The recognition of PS on the surface of apoptotic neurons by microglial cells seems to play a major role in the recognition of these apoptotic neuronscells..

Eine wesentliche Aufgabe auditorischer Systeme besteht in der Erkennung und Klassifikation verhaltensrelevanter Signale. Die akustischen Kommunikationssignale vieler Feldheuschrecken zeichnen sich durch artspezifische Modulationen der Signalamplitude aus, die im Kontext der Partnerwahl zur Erkennung der eigenen Art genutzt werden. Die Kommunikation ist jedoch auch als Basis für sexuelle Selektion von Interesse - einer Abschätzung der Qualität des Senders anhand der akustischen Signale, welche eine Bewertung subtiler Variationen der artspezifischen Musters erfordert. Das Ziel dieser Arbeit bestand darin zu untersuchen, wie amplitudenmodulierte akustische Signale in den Antworten identifizierter auditorischer Interneurone der zweiten und dritten Verarbeitungsstufe repräsentiert werden, insbesondere, wie gut sie anhand dieser Antworten unterscheidbar sind. Dazu wurden (i) sinusförmig amplitudenmodulierte Stimuli genutzt und die Parameter Modulationsfrequenz und Modulationstiefe systematisch variiert, (ii) individuelle Gesänge der gleichen Art, und (iii) im Grundmuster zeitlich reskalierte Gesänge. Lokale Interneurone zeichneten sich aus durch: ein oft sehr hohes zeitliches Auflösungsvermögen, hohe Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Signalamplitude, sowie gute Unterscheidbarkeit der sinusförmig amplitudenmodulierten Signale und der Gesänge auf der Basis von Spikeantworten. Bei den aufsteigenden Interneuronen nahm die Fähigkeit zur zeitlichen Ankopplung der Spikes an die Amplitudenmodulationen der Stimuli ab, was sich auch in deren reduzierter Unterscheidbarkeit äußerte. Ursächlich hierfür war einerseits die Zunahme der Antwortvariabilität (Jitter der Spikezeitpunkte), aber auch verstärkt auftretende Filtereigenschaften. Auf dieser dritten Verarbeitungsebene kommt es zu einer stärkeren Spezialisierung auf bestimmte zeitliche Aspekte des Stimulus, die als Grundlage einer verhaltensrelevanten Klassifikation von akustischen Signalen interpretiert werden kann. / A central task of auditory systems is the recognition and classification of behaviorally relevant signals. The communication signals of many grasshoppers can be characterized by a species-specific pattern of amplitude modulation, which is mainly used for species recognition in the context of mate finding. Additionally, the communication is also of interest with respect to sexual selection - an evaluation of the signaler''s quality from the signal pattern, which requires the quantification of subtle variations of the common species-specific pattern.The goal of this study was to investigate how amplitude modulated acoustic signals are represented in the responses of identified 2nd and 3rd order auditory interneurons, particularly, how well they can be discriminated on the basis of the responses. For this (i) sinusoidal amplitude modulated stimuli were used and the parameters modulation frequency and modulation depth were systematically varied, (ii) individual songs of the same species and (iii) songs with temporal rescaled basic pattern were presented. Local interneurons can be characterized by: mostly high temporal resolution capacities, high sensitivity to fluctuations of the signal amplitude as well as a good distinguishability of sinusoidal amplitude modulated stimuli and songs on the basis of the spike trains. In ascending interneurons the synchronization to the amplitude modulations decreased, which also appeared in a reduced discrimination performance. This is caused by an increase of response variability (jitter of spike timing) but also by distinctive filter properties of the respective neurons. Neurons on this third processing level exhibit a greater specialization to particular temporal aspects of the stimulus. This can be interpret as a basis of a behaviorally relevant classification of acoustic signals.

Arteriogenese bezeichnet das adaptive Wachstum von präexistenten kollateralen Arterien. Im Falle eines Arterienverschlusses ist Arteriogenese der endogen effizienteste Kompensationsmechanismus, um das Hypoperfusionsgebiet mit ausreichend Blut zu versorgen (Biologischer Bypasses). In dieser Arbeit wurde das frühe Wachstum von Kollateralgefäßen im Gehirn im ersten Modell für zerebrale Arteriogenese, dem 3-VO Modell (3-vessel occlusion), in der Ratte charakterisiert. (I) Die Untersuchung am nicht-ischämischen 3-VO Hypoperfusionsmodell zeigten, dass 7 Tage nach 3-VO die Arteria cerebri posterior (PCA) signifikant im Diameter anwächst. Histologische Untersuchungen konnten ein vermehrtes Zellwachstum in der PCA und das Einwandern von Makrophagen in den perivaskulären Bereich (24 Stunden und 3 Tage post 3-VO) darstellen und eine Aktivierung des Endothels 3 Tage nach 3-VO wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie identifizieren. (II) Für eine genaue Anaylse des globalen Genexpressionsprofils der zerebralen Arteriogense wurde die wachsende PCA selektiv aus dem Gehirn entnommen und ein Genexpressionsprofil für die frühe zerebrale Arteriogenese erstellt (164 Gene dereguliert). Eine Unteruschung von biologischen und molekularen Prozessen zeigte, dass eine Vielzahl der deregulierten Gene in Zellproliferation und Inflammation involviert sind. Die Expression der Protease-Inhibitoren Kininogen und TIMP-1 wurde als “Marker” der frühen Arteriogenese in der PCA lokalisiert werden. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit erstmals eine Übersicht der biologischen Prozesse in der zerebralen Arteriogenese und eröffnet neue Ideen für eine mögliche therapeutische Strategie. / Arteriogenesis, the adaptive outward growth of pre-existing collateral arteries, is the most efficient endogenous rescue mechanisms in vertebrates against the occlusion of a major artery (biological bypass). Here, collateral growth was induced using the first model for cerebral arteriogenesis, the 3-vessel occlusion (3-VO) rat model. (I) 3-VO resulted in a significant diameter increase within 7 days in the posterior cerebral artery (PCA) and posterior communicating artery (Pcom), classifying the region of interest. Immunhistological staining demonstrated proliferative activation and macrophage invasion, already 24h post 3-VO within the PCA, confirming the arteriogenic phenotype. Furthermore, activation of the PCA endothelium was detected within 3 days post 3-VO by scanning electron microscopy. (II) For analysing the molecular mechanism of cerebral arteriogenesis, collateral tissue from the growing PCA was selectively isolated. Here, 24h post 3-VO 164 genes were detected to be significantly deregulated. Analysis of molecular annotations and networks associated with differentially expressed genes revealed that expression patterns contain gene transcripts predominantly involved in proliferation, inflammation, and migration. Early-phase cerebral arteriogenesis is characterized by protease inhibitor expression and showed that protease inhibitors TIMP-1 and kininogen are molecular markers of early-phase cerebral arteriogenesis. In summary, this work characterizes morphological features and genomic profiles of growing collaterals in the brain and develops novel ideas for a therapeutic stimulation of arteriogenesis.

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.

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.

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.

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Wirbeltierskelette stehen seit langem im Fokus vieler wissenschaftlicher Disziplinen sowie kultureller Überlieferungen, und dies hängt wahrscheinlich mit der erstaunlichen Fähigkeit des Skeletts zusammen, den Tod zu überdauern und der Zersetzung zu widerstehen. Es ist diese Widerstandsfähigkeit des Knochens, die es uns ermöglicht, Evolution der Wirbeltiere anhand des Fossilberichts zu analysieren. Knochengewebe macht heute den Großteil der Wirbeltierskelette aus, doch über den evolutionären Ursprung von Knochen ist wenig bekannt, insbesondere was seine zelluläre Zusammensetzung angeht. Das übergreifende Thema dieser Arbeit ist es, die Evolution von mineralisiertem Gewebe mit besonderem Schwerpunkt auf Knochengewebe besser zu verstehen. Dies geschieht durch verschiedene Methoden von der traditionellen externen Morphologie über die Histologie bis hin zur Röntgen-Computertomographie und schließlich durch die Entwicklung der neuartigen fokussierten Ionenstrahl-Tomographie-Technik (FIB-SEM). Mit Hilfe dieser Methoden wird versucht, die Mikrostruktur fossilen Knochens zu verstehen und aus ihr abzuleiten, wie die heute erkennbarenMorphologien und Physiologien des Knochens entstanden sind. Die zweite Hälfte dieser Arbeit befasst sich mit Paläopathologien und wie sie unser Verständnis der normalen Physiologie durch die Dokumentation pathologisch veränderter Fossilien erweitern können. / Vertebrate skeletons have long been the focus of many scientific disciplines as well as cultural lore, and this is likely due to the amazing ability for the skeleton to survive death and decomposition. It is this resiliency of bone that allows us to to analyze the evolution of vertebrate life in the fossil record. Bone tissue makes up the majority of vertebrate skeletons today, yet little is known about its developmental origins, particularly when it comes to the cellular composition. In this thesis the overarching theme is to better understand the evolution of mineralized tissue with a particular emphasis on bone tissue. This is done through several methodologies from traditional external morphology, to histology, to X-ray computer tomography, and finally with a development of a novel focused ion beam (FIB-SEM) tomography technique. These methods are all employed as an attempt to understand the microstructure of fossil bone from early jawless vertebrates to amniotes and thus deduce how the morphologies and physiologies ascribed to bone today have come about. The second half of this thesis deals with osseous paleopathologies and how they can inform our understanding of normal physiology through the documentation of aberrant fossils.

Die Blutgefäßentwicklung ist ein mehrstufiger Prozess, der durch verschiedenste Signalwege und Zellmechanismen bestimmt wird. Murale Zellen sind mit dem Endothel assoziiert und wichtig für die Stabilisierung von Blutgefäßen. Ein essentieller Faktor für die Blutgefäßentwicklung ist die Bestimmung der Zellmigrationsrichtung durch verschiedene Faktoren. Einige dieser Faktoren wurden ursprünglich für die neurale Entwicklung beschrieben. Die Proteinfamilie der Neuron Navigators (NAV) sind neue Akteure, die die Migration von Zellen während des Neuronenwachstums beeinflussen. Ein möglicher Einfluss auf die Blutgefäßentwicklung ist bisher unbekannt. Wir nehmen an, dass das Protein NAV1 in Zellmigrationsprozessen während der Angiogenese eine Rolle spielt und verwendeten zur Aufklärung der Funktion von NAV1 Modelle in der Maus und im Zebrafisch. Das Blutgefäßnetzwerk in der Retina von neonatalen NAV1-/--Mäusen, als auch in einem aortic ring assay zeigte Defekte der Gefäßremodellierung durch eine verringerte Anzahl an Verzweigungspunkten der Blutgefäße auf. Es konnte erstmals eine Expression von NAV1 in muralen Zellen gezeigt werden. Die NAV1-defizienten Mäuse zeigten eine verringerte Anzahl von muralen Zellen auf Blutgefäßen auf. Dieser Defekt ging mit einer verstärkten Regression von Blutgefäßen einher, welche für die geringere Verzweigung dieser verantwortlich sein kann. In vitro Experimente mit primären muralen Zellen deuten auf einen zellautonomen Einfluss von NAV1 auf die Bewegung von Zellen in Abhängigkeit von Netrin-1 und der extrazelluären Matrixkomponente Kollagen I hin. Nav1-depletierte Zebrafische wiesen eine verringerte Komplexität von bestimmten zerebralen Blutgefäßen auf. Dies deutet darauf hin, dass der Einfluss von Nav1 auf die Blutgefäßausbildung konserviert ist. Wir konnten NAV1 als einen neuen zelleigenen Faktor der Motilität von muralen Zellen identifizieren, der in Folge als positiver Modulator zur Regulation der Gefäßstrukturierung beiträgt. / Vessel development is a multistep process orchestrated by different cellular and signaling mechanisms. Mural cells are associated with the endothelium and thought to be important for vessel stabilization. Cell guidance is an essential factor during vascular development, accomplished by different attractive and repulsive factors. Some of these were originally described in neural development. The Neuron Navigator (NAV) protein family is a novel player in regulating cell migration events during neuron growth, but their potential impact in vessel development is unknown. We hypothesized that the family member NAV1 plays a role in cell migration events during angiogenesis and examined the function of NAV1 in vascular development using loss-of-function models in mouse and zebrafish. Analysis of the vessel network phenotype in neonatal retina and an aortic ring assay of NAV1-/--mice revealed defective vessel remodeling in the absence of NAV1, indicated by reduced branch point numbers of vessels. Characterization of cellular expression domains point to a prominent, so far unknown, NAV1 expression in mural cells and NAV1-knockout mice exhibited reduced mural cell numbers on vessels. Decreased mural cell recruitment accompanies with increased vessel regression in the retina that may be attributable for the vascular phenotype. In vitro data of primary mural cells indicate a cell-autonomous influence of NAV1 on cell locomotion in response to Netrin-1 and/or the extracellular matrix component Collagen I. Analysis of Nav1 depleted zebrafish embryos revealed less complex vessel networks of specific cerebral vessels, the central arteries, suggesting that the impact of Nav1 on vessel development is conserved in vertebrates.