Dendritische Defekte vermitteln Störungen der Erregbarkeit, Modulation und Plastizität von Neuronen, die zur Entwicklung neurodegenerativer Krankheiten führen können. Eine Mutation des Transkriptionsregulators Zeb2 führt zur Entwicklung des Mowat-Wilson-Syndroms, einer Erkrankung, die mit kognitiven Störungen und einem erkennbaren Gesichtsphänotyp einhergeht. Obwohl kognitive Defekte häufig mit Defekten bei der Bildung des dendritischen Baums in Verbindung gebracht werden, wurde die Rolle von Zeb2 bei der dendritischen Entwicklung bisher nicht untersucht. Hier zeige ich, dass Zeb2-defiziente Neuronen in den oberen neokortikalen Schichten einen abnormalen dendritische Baum aufweisen. Außerdem führt der Verlust von Zeb2 zu einer Fehlorientierung des apikalen Dendriten in einer nicht senkrechten Ausrichtung zur Pia. Darüber hinaus habe ich die Signalwege analysiert, die an der Regulierung der Morphologie des Dendritenbaum stromabwärts von Zeb2 beteiligt sind, und zwar durch Deep Sequencing des Transkriptoms von Zeb2-defizienten und Wildtyp-Neokortices sowie durch Massenspektrometrie-Screens auf Veränderungen in der Expression von Zelloberflächenproteinen nach dem Verlust von Zeb2. Für die vielversprechenden Kandidaten habe ich ein in situ-Hybridisierungs-Screening bei E15,5 durchgeführt. Eine Reihe von Genen, die an der neuronalen Morphologie und an Membranproteinen beteiligt sind, darunter Neuropilin1 und Cadherin6, werden in Gehirnen mit Zeb2-Mangel überexprimiert. Insbesondere habe ich die Rolle der neuen nachgeschalteten Zielgene Nrp1, Cdh6 und Wnt5a analysiert. Ich verwendete shRNA von Nrp1, Cdh6 und Wnt5a in neuronale Zellkultur, um zu zeigen, dass Nrp1 und Wnt5a eine erhöhte dendritische Komplexität in den Zeb2-defizienten neuronalen Zellen fördern. Die Überexpression von Nrp1 in Neuronen der oberen Schicht in vivo mittels in utero Elektroporation ist ausreichend, um die dendritische Komplexität zu fördern. Darüber hinaus zeige ich durch in utero Elektroporation einer shRNA gegen Nrp1 in Zeb2-defiziente Tiere, dass die Unterdrückung von Nrp1 durch Zeb2 für die Unterdrückung exzessiver Verzweigungen während der Entwicklung erforderlich ist. Für die Ausrichtung des Dendritenbaum ist sie jedoch nicht erforderlich. Zusammengenommen zeigen diese Daten die wichtige Rolle des Zeb2-Gens bei der Entwicklung des korrekten Dendritenbaum von Neuronen und der Ausrichtung des apikalen Dendriten. / Dendritic defects mediate disturbances in the excitability, modulation and plasticity of neurons, which can lie at the cause of neurodegenerative diseases. Mutation of the transcriptional regulator, Zeb2, causes the development of Mowat-Wilson syndrome, a condition associated with cognitive defects and a recognizable facial phenotype. Although cognitive defects are often associated with defects in the formation of the dendritic tree, the role of Zeb2 in dendritic development had not been studied previously. Here, I show that Zeb2- deficient neurons in the upper neocortical layers have abnormal dendritic trees. Also, loss of Zeb2 results in the mis-orientation of the apical dendrite to a non-perpendicular orientation to the pia. Furthermore, I have analysed the signalling pathways involved in regulation of dendritic tree morphology downstream of Zeb2 by deep sequencing of the transcriptome of Zeb2-deficient and wildtype neocortices and mass spectrometry screens for changes in the expression of cell surface proteins upon loss of Zeb2. For the promising candidates, I have performed in situ hybridization screening at E15.5. A number of genes involved in neuronal morphology and membrane proteins, including Neuropilin1 and Cadherin6, become overexpressed in Zeb2- deficient brains. In particular, I analysed the role of the novel downstream target genes Nrp1, Cdh6 and Wnt5a. I used shRNA of Nrp1, Cdh6 and Wnt5a in cortical neuron cultures to demonstrate that Nrp1 and Wnt5a promote increased dendritic complexity in Zeb2-deficient neuronal cells. Overexpression of Nrp1 in upper layer neurons in vivo, using in utero electroporation, is sufficient to promote dendritic complexity. In addition, I show using in utero electroporation of an shRNA against Nrp1 into Zeb2-deficient animals, that repression of Nrp1 by Zeb2 is required for suppressing excessive branching during development. It is not needed however for the orientation of the dendritic tree. Taken together, these data show the important role of the Zeb2 gene in the development of the correct dendritic tree of neurons and the orientation of the apical dendrite.

Toxoplasmose ist weltweit eine der am häufigsten auftretenden parasitären Zoonosen mit einer geschätzten Infektionsrate von über 30%. Toxoplasma gondii (Phylum: Apicomplexa) besitzt ein Plastid ähnliches Organell, den Apicoplasten. In diesem befindet sich das einzig bekannte Redoxsystem, welches aus der Ferredoxin-NADP+-Reduktase und Ferredoxin (Fd) besteht. Fd als Elektonendonator liefert Elektronen an verschiedene essentielle Stoffwechselwege, wie der Isoprenoidvorstufen- und Liponsäuresynthese. Um die bei einem Elektronentransfer benötigte direkte Protein-Protein-Interaktion eingehend zu analysieren, wurde ein bakterielles Reverse Two Hybrid System verwendet, womit die Interaktion von TgFd und TgLipA gezeigt werden konnte. Da angenommen wird, dass Fd eine zentrale Rolle in verschiedenen Stoffwechselwegen übernimmt, ist für einen Fd Knockout ein komplexer biochemischer Phänotyp zu erwarten, der möglicherweise zum Absterben der Parasiten führt. Zur Untersuchung dessen wurden zwei komplementäre Wege verfolgt. Eine der Strategien basierte auf dem grundsätzlichen Nachweis, dass Fd unerlässlich für das Überleben von T. gondii ist. Mit Hilfe des DiCre Systems sollte ein definierter genetischer Fd Knockout hergestellt werden, welcher jedoch nicht zweifelsfrei generiert werden konnte. Bei der zweiten Strategie kam ein konditionales Knockdown System zur Anwendung, bei welchem die Expression des Fd Gens nach Induktion herabreguliert wird. Mit Hilfe dessen konnten weitreichende Auswirkungen der Fd Defizienz auf T. gondii gezeigt werden: die Fettsäuresynthese der im Apicoplasten synthetisierten Fettsäuren ist reduziert sowie die Motilität durch eine beeinträchtigte Isoprenoidsynthese verringert, wodurch insgesamt drastische Auswirkungen auf das Parasitenwachstum gezeigt werden konnten. Beide Stoffwechsel sind vom Elektronendonator Fd abhängig und durch die Fd Herabregulation betroffen. Die Ergebnisse unterstreichen die essentielle Rolle des Fd-Redoxsystems von T. gondii. / Toxoplasmosis is one of the most common parasitic zoonoses world-wide, around 30% of human beings are infected. Toxoplasma gondii (phylum: Apicomplexa) contains a unique intracellular organelle derived from plastids, called apicoplast. The only known redox system in the apicoplast consists of the ferredoxin NADP+-reductase and its redox partner, ferredoxin (Fd). The latter donates electrons to different essential metabolic pathways in the apicoplast like the last two enzymes of the isoprenoid precursor biosynthesis and the lipoic acid synthesis. To dissect protein protein interactions for an electron transfer a bacterial reverse two hybrid system was used. The physical interaction of both proteins TgFd and TgLipA could be shown. Fd is supposed to play an important role in diverse metabolic pathways, hence a knock-out of the Fd gene is expected to generate a complex biochemical phenotype and be lethal to the parasite. Therefore two complementary approaches were used to analyze the role of TgFd in this context. The first strategy shall verify the essentiality of TgFd for the survival of T. gondii. It is based on the DiCre system whereby a defined genetic knock out of TgFd is produced. Respectives parasites have been generated, but at the end no genetic Fd knock out could be produced. In the second approach a conditional knock-down was generated, where the expression of the TgFd gene is repressed after induction. The Fd deficiency has wide ranging effects on T. gondii: The fatty acid synthesis of the apicoplast-synthesized fatty acids is reduced as well as the motility is decreased due to an affected isoprenoid synthesis. In total this leads to a dramatic inhibition of parasite growth. Both metabolic pathways depend upon the electron carrier Fd and thus are affected by Fd deficiency. The results underline the essential role of the ferredoxin redoxsystem of T. gondii.

In dieser Studie sind die Massenvolumina und die Innenvolumina rechter und linker Ventrikel von 36 Patienten (15 Frauen und 21 Männer, im Alter zwischen 24 und 82 Jahren, mittleres Alter 54 Jahre) mittels transösophagealer Echokardiographie (TEE, HP SONOS 1500 mit einen rotierenden 5Mhz Schallkopf) und Magnetresonanztomographie (MRT, 1,5T Ganzkörper-MRT - ACS, Philips. T1-gewichtete Turbo-Gradientenecho-Sequenz) untersucht worden. Ziel ist es beide Untersuchungsmethoden auf Übereinstimmungen und Unterschiede bei Messung von Massenvolumina und Innenvolumina beider Ventrikel unter Berücksichtigung von Sinusrhythmus (26 Ventrikel) und Vorhofflimmern (18 Ventrikel) zu überprüfen. Dabei werden sowohl die Innenvolumina, die freien Wände und die Septen jeweils in der Enddiastole und in der Endsystole verglichen als auch die abgeleiteten Parameter, Ejektionsfraktionen und Schlagvolumina. Beide Methoden werden mit der Scheibchen-Summationsmethode aus jeweils vier Einzelmessungen verglichen. Die graphische und statistische Auswertung erfolgt mittels Bland-Altmann-Plot. Im T-Test für unverbundene Stichproben stellt sich kein signifikanter Unterschied zwischen linken und rechten sowie zwischen großen und kleinen Ventrikeln heraus. Es besteht ein signifikanter Unterschied zwischen Ventrikeln mit Vorhofflimmern und Sinusrhythmus, so dass wir hier einen Vergleich aufstellen. Die enddiastolischen Messungen der Innenvolumina und freien Wände zeigen deutliche Diskrepanzen der Ventrikel mit Sinusrhythmus und Vorhofflimmern - um etwa das Doppelte der Standardabweichung und des systematischen Fehlers. Die enddiastolischen Septen sind annährend gleich gut dargestellt. In der Endsystole liefern die Messungen der Innenvolumina, der freien Wände und der Septen annähernd gleiche Ergebnisse wie in der Enddiastole. Die errechneten Ejektionsfraktionen haben sowohl bei Sinusrhythmus als auch bei Vorhofflimmern gleich gut Standardabweichungen und systematische Fehler. Ähnlich verhält es sich bei den Daten der Schlagvolumina. Absolut betrachtet liefern beide volumetrischen Messmethoden bei Ventrikeln mit Sinusrhythmus und Vorhofflimmern akzeptable Ergebnisse, da die Differenzen nur wenige Milliliter betragen. / This study compares the feasibility of calculating the masses and the inner volumes the of right and left heart ventricles in 36 patients (15 female and 21 male, ages between 24 and 82 years, mean 54 years) with transesophageal echocardiography (TEE, HP SONOS 1500 with a rotating 5Mhz transducer) and cardiac MRI (1,5Tesla whole body MRI, ACS Philips with a Synergy Cardiac Coil, T1-Turbo Gradient Echo). We want to compare both methods in calculating the inner volumes, the septal and the free myocardial masses in endsystolic and enddiastolic phases as well as the ejection fraction (EF) and the stroke volume (SV) in ventricles with sinusrhythm (n=26) and with atrial fibrillation (n=18). Both methods are evaluated by a disc-summation method from a mean value of four different measurement. The statistic analysis is done with a Bland-Altmann-Plot. The T-test shows no significant difference between big and small or right and left ventricular masses, but it shows a significant difference in the measured data of ventricles with sinusrhythm and those with atrail fibrillation. A subgroup analysis is performed on the latter. The standard error of mean and the systemic mistake of the inner- and myocardial-volumes differ about double the size with ventricles in atrial fibrillation from those with sinusrhythm. The septal volumes show no differences in both subgroups. The endsystolic measurements are about equal from those in the enddiastolic phase. The EF and the SV have equal standard error of means and systemic mistakes in both subgroups of sinusrhythm and atrial fibrillation. In conclusion both methods are equally reliable in the volumetric measurement of ventricles with sinusrhythm and atrial fibrillation, because the absolute value differs just a few milliliters.

Diese Studie untersucht die Bedeutung von Angiotensin II- und Endothelin-1-vermittelten Mechanismen, die im Rahmen von hämodynamischen, hormonellen und renalen Reaktionen bei einen akuten Blutverlust einsetzen. Es wurden wache Hunde mit und ohne Vorbehandlung mit Angiotensin II Typ 1 (AT1) und/oder Endothelin-A (ETA) Rezeptorblockern untersucht. Protokoll 1: Nach einer 60-minütigen Kontrollstunde wurde den Hunden 25% ihres Blutes zügig entzogen. Nach einer Stunde wurde das Blut retransfundiert und die Datenaufzeichnung für eine weitere Stunde fortgesetzt. Protokoll 2: Wie Protokoll 1, aber mit AT1 Blockade durch Losartan i.v. Protokoll 3: Wie Protokoll 1, aber mit ETA Blockade durch ABT-627 i.v. Protokoll 4: Wie Protokoll 1, aber mit kombinierter AT1 plus ETA Blockade. In der Kontrolle sinkt der arterielle Mitteldruck (MAP) nach dem Blutentzug um ~25%, das Herzzeitvolumen (HZV) um ~40%, das Urinvolumen um ~60%, während die Plasmakonzentrationen von Angiotensin II (3.1-fach), Endothelin-1 (1.13-fach), Vasopressin (116-fach) und Adrenalin (3.2-fach) ansteigen. Unter AT1 Blockade kommt es zu einem überproportionalen Abfall des arteriellen Mitteldrucks und die glomeruläre Filtrationsrate (GFR) sinkt. Beim Blutentzug unter ETA Blockade steigt Noradrenalin und nicht Adrenalin an, und der Wiederanstieg des MAP infolge Retransfusion ist unvollständig. In allen Protokollen sinkt das HZV um den gleichen Betrag. Schlussfolgerungen: Für die kurzfristige Regulation des Blutdrucks und die renale Autoregulation der GFR nach Blutverlust spielt Angiotensin II eine wichtigere Rolle als Endothelin-1. Andererseits ist ein intaktes Endothelinsystem eine wichtige Voraussetzung für die vollständige Restitution des arteriellen Mitteldrucks in der Retransfusionsphase. Darüber hinaus scheint Endothelin-1 nach dem Blutentzug die Freisetzung von Adrenalin zu erleichtern, die Freisetzung von Noradrenalin jedoch zu mildern. Die bei einem akuten Blutverlust einsetzenden Kompensationsmechanismen scheinen den Blutfluss (HZV) viel effektiver aufrecht zu erhalten als den Blutdruck (MAP), denn das HZV, nicht aber der arterielle Mitteldruck, sank in allen Protokollen um den gleichen Betrag. / This study investigates angiotensin II and endothelin-1 mediated mechanisms involved in the hemodynamic, hormonal, and renal response towards acute hypotensive hemorrhage. Conscious dogs were pretreated with angiotensin II type 1 (AT1) and/or endothelin-A (ETA) receptor blockers or not. Protocol 1. After a 60 min baseline period, 25% of the dog's blood was rapidly withdrawn. The blood was retransfused 60 min later and data recorded for another hour. Protocol 2. Likewise, but preceded by AT1 blockade with i.v. Losartan. Protocol 3. Likewise, but preceded by ETA blockade with i.v. ABT-627. Protocol 4. Likewise, but with combined AT1 plus ETA blockade. In Controls, hemorrhage decreased mean arterial pressure (MAP) by ~25%, cardiac output by ~40%, and urine volume by ~60%, increased angiotensin II (3.1-fold), endothelin-1 (1.13-fold), vasopressin (116-fold), and adrenaline concentrations (3.2-fold). Glomerular filtration rate and noradrenaline concentrations remained unchanged. During AT1 blockade, the MAP decrease was exaggerated (-40%) and glomerular filtration rate fell. During ETA blockade, noradrenaline increased after hemorrhage instead of adrenaline, and the MAP recovery after retransfusion was blunted. The decrease in cardiac output was similar in all protocols. Conclusions: Angiotensin II is more important than endothelin-1 for the short-term regulation of MAP and glomerular filtration rate after hemorrhage, whereas endothelin-1 seems necessary for complete MAP recovery after retransfusion. After hemorrhage, endothelin-1 seems to facilitate adrenaline release and to blunt noradrenaline release. Hemorrhage-induced compensatory mechanisms maintain blood flow more effectively than blood pressure, since the decrease in cardiac output - but not MAP - was similar in all protocols.

Ob es eine 'kritische Periode' beim Spracherwerb gibt oder nicht, wird kontrovers diskutiert. Die Untersuchung zweisprachiger Probanden mit unterschiedlichem Spracherwerbsalter und Sprachleistungsniveau in der Zweitsprache stellt eine gute Möglichkeit dar, diese Frage näher zu beleuchten. In der vorliegenden Studie nutzten wir die funktionelle Magnetresonanztomographie, um den Einfluss der Faktoren Spracherwerbsalter und Sprachleistungsniveau auf die neuronalen Korrelate grammatikalischer und semantischer Verarbeitungsprozesse bei italienisch-deutschsprachigen Probanden mit unterschiedlichem Spracherwerbsalter und Sprachleistungsniveau zu untersuchen. Während das zerebrale Aktivierungsmuster beim semantischen Urteilen größtenteils vom erreichten Sprachleistungsniveau abhängig war, beeinflusste das Spracherwerbsalter hauptsächlich die zerebrale Repräsentation grammatikalischer Verarbeitungsprozesse. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass beide, das Spracherwerbsalter und das Sprachleistungsniveau, die neuronalen Substrate der Verarbeitung der Zweitsprache beeinflussen, jedoch mit einem unterschiedlichen Effekt auf grammatikalische und semantische Verarbeitungsprozesse. / The existence of a 'critical period' for language acquisition is still controversial. Bilingual subjects with variable age of acquisition and proficiency level constitute a suitable model to study this issue. In the present study, we used functional magnetic resonance imaging to investigate the effects of age of acquisition and proficiency level on neural correlates of grammatical and semantic judgments in Italian-German bilinguals who learned the second language at different ages and had different proficiency levels. While the pattern of brain activity for semantic judgment was largely dependent on the proficiency level, the age of acquisition mainly affected the cortical representation of grammatical processes. These findings support the view that both age of acquisition and proficiency level affect the neural substrates of second language processing, with a differential effect on grammar and semantics.

Wahrnehmung ist kein vollständig durch sensorische Reize determinierter bottom-up Prozeß, sondern wird stark beeinflußt durch von diesen Reizen unabhängige top-down Prozesse wie etwa Aufmerksamkeit oder Erwartungen. Welche neuronalen Mechanismen liegen der Integration von bottom-up und top-down gerichteter Verarbeitung sensorischer Information zu Grunde? Im ersten Teil dieser Arbeit wurde diese Frage an Hand von Simulationen eines neuronales Netzwerks zweier vereinfachter kortikaler Areale untersucht. Dieses Netzwerk berücksichtigt hierbei jüngste zellphysiologische Befunde über die stark asymmetrischen funktionellen Eigenschaften kortikaler Neurone. Das simulierte Netzwerk repliziert zentrale neurophysiologische Befunde: 1) Top-down Signale erhöhen die Feuerraten der Neurone sowohl in einem hierarchisch hohen als auch tiefen kortikalen Areal. 2) Durch selektive top-down Signale wird die Verarbeitung simultaner Reize zu Gunsten eines faszilitierten Reizes moduliert. 3) Durch die reziproke Netzwerkarchitektur kommt es zu einem bidirektionalen Informationsfluß zwischen Arealen. Diese kooperative Verarbeitung bedingt gemeinsam mit einer nichtlinearen somato-dendritischen Interaktion neuronale Salvenentladungen, die ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen. Das simulierte Netzwerk demonstriert, welche zentrale Rolle die komplexen nichtlinearen Eigenschaften kortikaler Neurone bei der Integration bottom-up und top-down gerichteter Verarbeitung sensorischer Information spielen. Im Mittelpunkt der im zweiten Abschnitt vorgestellten experimentellen Studie steht die hochfrequente Synchronisation neuronaler Aktivität. Das große neurowissenschaftliche Interesse an der zeitlichen Struktur neuronaler Aktivität liegt insbesondere in der kontrovers diskutierten Hypothese eines „Synchronisationscodes“ begründet, gemäß welcher Information nicht nur durch die Feuerraten kortikaler Neurone, sondern auch durch die Synchronisation der Aktionspotentiale einer Neuronenpopulation codiert wird. Finden sich solche Synchronisationsphänomene in wachen, sich unter möglichst natürlichen Bedingungen verhaltenden Tieren wieder? Sind diese Synchronisationen selektiv für Eigenschaften des Reizes? Gelingt es, an Hand eines objektiven Kriteriums ein funktionelles Frequenzband neuronaler Synchronisation zu definieren? Diese Fragestellungen wurden mittels chronischer extrazellulärer Ableitungen im primären visuellen Kortex wacher, sich verhaltender Katzen untersucht: 1) Visuelle Stimulation induziert einen breitbandigen hochfrequenten Anstieg neuronaler Synchronisation. 2) Diese Synchronisation ist selektiv für die Orientierung visueller Reize. 3) Durch Analyse dieser Stimulusselektivität kann ein funktionelles Band neuronaler Synchronisation von etwa 45 Hz bis 120 Hz definiert werden. Diese Untersuchungen an wachen, sich unter vergleichsweise natürlichen Bedingungen verhaltenden Tieren demonstrieren eine überraschend breite Frequenzverteilung neuronaler Synchronisation, die im hochfrequenten Bereich weit über die üblicherweise untersuchten Frequenzbänder hinausreicht. Diese Befunde sprechen gegen die Hypothese hochfrequenter kortikaler Synchronisation als einem schmalbandigen statischen Phänomen. / Sensory perception is not purely a bottom-up process determined only by sensory stimuli, but is strongly dependent on top-down factors such as attention or expectations.Which neuronal mechanisms underlie the integration of bottom-up and top-down directed processing of sensory information? In the first part of this study this question was addressed by numerical simulations of a neural network model of two simplified cortical areas. The simulated network takes into account recent findings concerning the pronounced functional asymmetry of cortical neurons.The network replicates several important neurophysiological findings: 1) Top-down signals enhance firing rates in hierarchically high and low cortical areas. 2) The processing of two competing stimuli is biased towards one stimulus by selective top-down signals. 3) The reciprocal network architecture results in a bidirectional flow of information. Together with the implemented non-linear somato-dendritic interaction this leads to neuronal bursting behaviour with a high signal to noise ratio. The simulated network demonstrates the critical role of the complex non-linear properties of cortical neurons for the integration of bottom-up and top-down directed sensory processing. The central question of the second part of this study is the functional role of high-frequency synchronization of neuronal activity. The strong interest in the temporal dynamics of neuronal activity is particularly due to the hypothesis of a “synchronization-code” according to which information is not solely encoded by firing rates but also by the synchronization of neuronal ensembles. Is such synchronization observed in awake animals behaving under natural conditions? Are these synchronizations stimulus selective? Is it possible to define a functional frequency band of synchronization based on an objective criterion? These questions were addressed by chronic extracellular recordings of neuronal activity in primary visual cortex of awake behaving cats: 1) Visual stimulation induces neuronal synchronization in a broad and high frequency range. 2) This synchronization is selective for the orientation of a visual stimulus. 3) By analyzing the stimulus selectivity of synchronization a functional band of neuronal synchronization can be defined from about 45 to 120 Hz. These results from animals behaving under natural conditions show a surprisingly broad spectral distribution of synchronization that extends well beyond typically investigated frequency ranges. These results cast doubt on the hypothesis of cortical high-frequency synchronizations as a spectrally sharp and static phenomenon.

Die Aktionspotential (AP) -Aktivität einzelner kortikaler Neuronen kann messbare sensorische Effekte hervorrufen. Es ist jedoch nicht bekannt, wie AP-Sequenzen Parameter und spezifische neuronale Subtypen die hervorgerufenen Sinnesempfindungen beeinflussen. Hier haben wir einen ‘Reverse-Physiology‘ Ansatz angewendet, um die Beziehung zwischen der Aktivität einzelner Neuronen und der Empfindung zu untersuchen. Zunächst wird der Prozess der Nanostimulation, eine von der juxtazellulären Markierungstechnik abgeleiteten Einzelzell-Stimulationsmethode, detailliert beschrieben. Nanostimulation ist einfach anzuwenden und kann auf eine Vielzahl von identifizierbaren Neuronen in narkotisierten und wachen Tieren angewandt werden. Wir beschreiben die Aufnahmetechnik und die elektrische Konfiguration für Nanostimulation. Während eine exakte zeitliche Bestimmung der AP nicht erreicht wurde, konnten Frequenz und Anzahl der AP parametrisch kontrolliert werden. Wir zeigen, dass Nanostimulation auch angewendet werden kann, um sensorische Reaktionen in identifizierbaren Neuronen selektiv zu inhibieren. Als nächstes haben wir untersucht wie sich die Frequenz und Anzahl der AP sowie die Regelmäßigkeit der Pulsfolge auf die Detektion von Einzelzell-Stimulationen im somatosensorischen Kortex von Ratten auswirken. Für mutmaßlichen erregende regular-spiking Neuronen erhöhte sich die Nachweisbarkeit mit abnehmender Frequenz und Anzahl der AP. Die Stimulation einzelner, mutmaßlichen inhibitorischer und schnell feuernder Neuronen führte zu wesentlich stärkeren sensorischen Effekten, die unabhängig von Frequenz und Anzahl der AP waren. Außerdem fanden wir heraus, dass Unregelmäßigkeiten der Pulsfolge die sensorischen Effekte von putativ erregenden Neuronen stark erhöhten. Diese Unregelmäßigkeiten wurden in durchschnittlich 8% der Durchgänge festgestellt. Unsere Daten deuten darauf hin, dass das es auf Verhaltnisebene eine große Sensivität für kortikale AP und deren zeitlichen Abfolge gibt. / The action potential (AP) activity of single cortical neurons can evoke measurable sensory effects, but it is not known how spiking parameters and specific neuronal subtypes affect the evoked sensations. Here we applied a reverse physiology approach to investigate the relationship between single neuron activity and sensation. First, we provide a detailed description of the procedures involved in nanostimulation, a single-cell stimulation method derived from the juxtacellular labeling technique. Nanostimulation is easy to apply and can be directed to a wide variety of identifiable neurons in anesthetized and awake animals. We describe the recording approach and the parameters of the electric configuration underlying nanostimulation. While exact AP timing has not been achieved, AP frequency and AP number can be parametrically controlled. We demonstrate that nanostimulation can also be used to selectively inhibit sensory responses in identifiable neurons. Next, we examined the effects of AP frequency, AP number and spike train regularity on the detectability of single-cell stimulation in rat somatosensory cortex. For putative excitatory, regular spiking neurons detectability increased with decreasing AP frequencies and decreasing AP numbers. Stimulation of single putative inhibitory, fast spiking neurons led to much larger sensory effects that were not dependent on AP frequency and AP number. In addition, we found that spike train irregularity greatly increased the sensory effects of putative excitatory neurons, with irregular spike trains being detected in on average 8% of trials. Our data suggest that the behaving animal is extremely sensitive to cortical APs and their temporal patterning.

Die zeitliche Filterung von sensorischem Input ist entscheidend für das Erkennen vieler Stimuli. Auditorische Neurone führen dazu mehrere Verarbeitungsschritte und Signaltransformationen durch, u.a. durch zeitliche Integration, zeitliche Auflösung und Selektion eines zeitlichen Merkmals. Um zu testen ob zeitliche Filterung von Stimuluseigenschaften (Intensität) oder Kontext (Temperatur) abhängt untersuchte ich Neurone in der Hörbahn der Wanderheuschrecke. Zuerst untersuchte ich zeitliche Integration in Rezeptoren und Interneuronen. Zeitverlauf und Ausmaß der Integration waren Neuronen-spezifisch. Während periphere Neurone die akustische Energie integrierten, unterschied sich die zeitliche Integration der Interneuronentypen stark, was eine spezifische zeitliche Filterung ermöglicht. Die Analyse postsynaptischer Potentiale deckte presynaptische und intrinsische Mechanismen der Integration auf, was darauf hindeutet, dass Unterschiede zwischen Neuronen wahrscheinlich auf Typ-spezifischer Verarbeitung beruhen. Zweitens erforschte ich die neuronale Antwort auf den zweiten Stimulus in einem Stimuluspaar mit einem Interstimulus-Intervall von wenigen Millisekunden. Die Veränderung der Antwort auf den zweiten im Vergleich zum ersten Stimulus zeigt den Effekt von akuter, kurzfristiger Adaptation und ist ein Maß für die maximale zeitliche Auflösung. In der sensorischen Peripherie trat moderate Adaptation auf, deren Einfluss exponentiell abfiel. Viele Interneurone zeigten dagegen nicht-lineare Effekte, wie die Unterdrückung oder Verstärkung der Antwort auf den zweiten Stimulus. Drittens testete ich den Effekt von Temperatur auf zeitliche Filterung. Die Selektivität von Interneuronen für zeitliche Stimulusmerkmale wurde bei wechselnden Temperaturen untersucht. Mit steigender Temperatur präferierten Neurone ein zeitlich komprimiertes Merkmal. Diese temperaturabhängige Veränderung könnte zur Temperatur-Kopplung von Sender und Empfänger bei den wechselwarmen Heuschrecken beitragen. / Temporal filtering of sensory input is crucial for the recognition of many sensory stimuli. Auditory neurons perform various computations and signal transformations to accomplish temporal filtering of acoustic input, comprising temporal integration, temporal resolution and temporal feature selection. To test whether temporal filtering processes within a neuron type depend on stimulus features, such as intensity, and on context, such as temperature, I conducted neurophysiological recordings from neurons in the auditory pathway of migratory locusts. First, I examined temporal integration in receptors and interneurons. The time course and extent of integration of subthreshold acoustic stimuli were neuronspecific. While peripheral sensory neurons acted as energy integrators, interneurons showed different temporal integration profiles, enabling neuron-specific temporal filtering. The analysis of postsynaptic potentials elucidated implemented mechanisms, suggesting that temporal integration is based on neuron-specific presynaptic and neuron-intrinsic computations. Second, I studied the response recovery of receptors and interneurons to the second stimulus in a stimulus pair, separated by a few milliseconds. This revealed the effect of acute, short-term adaptation and thus indicated the maximal temporal resolution of these neurons. In the sensory periphery response recovery was shaped by moderate adaptation and an exponential recovery. In many interneurons non-linear effects occurred, comprising a suppression of the response to the second stimulus and a response gain. Third, I tested the effect of temperature on temporal filtering. Temporal feature selectivity of interneurons was examined at cold and warm temperatures. With increasing temperature, the neurons preferred a temporally compressed feature. Temperature-dependent changes in temporal feature selectivity might thus contribute to temperature coupling of the sender and the receiver of the poikilothermic grasshoppers.

Die Tight Junction (TJ) reguliert den parazellulären Transport von Ionen, Wasser und Soluten an Epithelien und Endothelien und ist von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Funktion von Organen und Geweben. Obwohl Claudin-3 zu den zuerst identifizierten und ubiquitär exprimierten Komponenten der TJ gehört, konnte seine spezifische Funktion bislang nicht geklärt werden. Für die funktionelle Charakterisierung des humanen Claudin-3-Proteins wurden stabile Überexpressionsklone der lecken Nierenepithel-Zelllinie MDCK II generiert. Die Überexpression von Claudin-3 führte zu einer deutlichen Änderung des TJ-Strangmusters sowie zu einer starken Zunahme des transepithelialen Widerstandes und einer verminderten Permeabilität für Ionen und Moleküle der Größe 332 Da und 4000 Da. Der parazelluläre Durchtritt von Wasser war unverändert. Claudin-3 konnte eindeutig als abdichtende Komponente der TJ identifiziert werden. Anhand des endothelialen Zellkulturmodells HUVEC wurden Expression und Regulation von Claudin-3 und anderen TJ-Proteinen unter dem Einfluss mechanischer Strömungsverhältnisse und des Sauerstoffpartialdrucks analysiert. Die Behandlung mit fehlender Wandschubspannung führte zur Hochregulation der abdichtenden TJ-Proteine Occludin, Claudin-3, Claudin-5 und Claudin-11, nicht aber Claudin-23. Die Regulation der einzelnen TJ-Komponenten wurde durch unterschiedliche Signalwege vermittelt, wobei der verstärkten Proteinexpression jeweils eine Hochregulation auf mRNA-Ebene zugrunde lag. Die kombinierte Behandlung mit fehlender Wandschubspannung und Hypoxie resultierte in einer sehr stark erhöhten Expression von Claudin-3. Durch die Hochregulation abdichtender TJ-Komponenten unter Bedingungen fehlender Wandschubspannung und Hypoxie, wie sie in verschiedenen physiologischen und pathologischen Situationen auftreten, könnte einem unerwünschten Durchtritt von Substanzen aus dem Blut in das umliegende Gewebe vorgebeugt werden. / The tight junction (TJ) regulates the paracellular transport of ions, water and solutes in epithelia and endothelia and is of particular importance for a correct function of organs and tissues. Although claudin-3 is one of the first identified and ubiquitously expressed TJ components, its specific function was unsolved as yet. For functional characterization, human claudin-3 was stably overexpressed in the leaky epithelial cell line MDCK II. Overexpression of claudin-3 led to a marked alteration of TJ meshwork pattern, a strong increase in transepithelial resistance and a decrease in permeability for ions and paracellular tracers (332 or 4000 Da). Paracellular water transport was not affected. It was proved that claudin-3 acts as a „tightening“ TJ component. The endothelial cell culture model HUVEC was used for analysis of expression and regulation of claudin-3 and several other TJ proteins under different conditions of wall shear stress and oxygen saturation. Treatment with lacking wall shear stress led to an upregulation of the “tightening” TJ proteins occludin, claudin-3, claudin-5, and claudin-11, but not claudin-23. Upregulation of all proteins was due to increased mRNA levels. Apparently, different signaling pathways were involved in regulation of particular TJ components. Combined treatment with lacking shear stress and hypoxia resulted in drastically increased claudin-3 expression. Upregulation of tightening TJ components under lacking shear stress and hypoxic conditions as occuring in different physiological or pathological situations would limit the passage of solutes from the blood into the surrounding tissue.

Das Vorkommen von über den Umgebungsdruck erhöhten Sauerstoffpartialdrucken in Geweben ist im Tierreich nur von der Schwimmblase und dem Auge von Knochenfischen bekannt. Die physiologischen Mechanismen dieser Sauerstoffkonzentrierung wurden an der Schwimmblase insbesondere des Aals intensiv untersucht, entsprechende Untersuchungen zu den Vorgängen im Auge der Knochenfische fehlen jedoch. In dieser Arbeit wurde daher eine Methode etabliert, mit der die Sauerstoffkonzentrierung im Auge der Knochenfische an isolierten Augen untersucht werden kann. 1. Das Gefäßsystem der Regenbogenforelle (Oncorhynchus mykiss, Walbaum 1792) wurde durch Gefäßausgüsse dargestellt. Das im Auge gelegene choroidale Rete mirabile wird über die Arteria ophthalmica, die gleichzeitig die efferente Pseudobranchienarterie darstellt, versorgt. Die Pseudobranchie selber empfängt das Blut aus der efferenten Arterie des ersten Kiemenbogens. Diese Gefäßtopologie, Versorgung der Pseudobranchie mit bereits im ersten Kiemenbogen oxygeniertem Blut und auschließliche Versorgung des choroidalen Rete mirabile mit Blut aus der Pseudobranchie, weist auf die Bedeutung der Pseudobranchie für die Prozesse im Auge hin. 2. Die Retina der Regenbogenforelle wurde mikroskopisch untersucht. Die einzelnen Schichten der Retina entsprechen denen anderer Wirbeltiere. Die Forellenretina ist mit 407 µm aber wesentlich dicker als z.B. die Retina von Mammaliern. Zusätzlich fehlt der Retina der Forelle die bei vielen Mammaliern vorhandene retinale Blutgefäßversorgung. Mit den der Retina am nächsten gelegenen Gefäßen in der Choroidea bestehen bei der Forelle wesentlich größere Diffusionsstrecken von den Blutgefäßen zum Ort des Sauerstoffverbrauchs in den Zellen der Retina als bei anderen Wirbeltieren. Dies wir durch den erhöhten Sauerstoffpartialdruck in den Choriokapillaren kompensiert. 3. Für die Messung des intraretinalen Sauerstoffpartialdrucks wurden im Rahmen dieser Arbeit Sauerstoffmikroelektroden inklusive der zur Betreibung der Elektroden notwendigen Elektronik entwickelt. Die Elektroden waren vom Recess-Typ: die reaktive Oberfläche schloss nicht mit dem Ende der Glaskapillare ab, sondern war unter Belassung eines Hohlraumes in der Elektrodenspitze (Recess) in das innere der Glaskapillare verlagert. Dadurch waren die Elektroden unempfindlich gegenüber Rühreffekten. Die Mikroelektroden hatten eine Spitzendurchmesser von < 10 µm und eine mittlere Empfindlichkeit von 172 fA Torr-1 O2. Die Linearität der Elektroden über eine Partialdruckbereich von 0 bis 760 Torr O2 war besser als r = 0,9998. 4. Zur Überprüfung des normale Sauerstoffpartialdrucks in der Retina wurden Regenbogenforellen betäubt und künstlich ventiliert. Die systemischen Parameter wie arterieller PO2-Wert, Blutdruck und Herzschlag entsprachen dabei im Mittel mit 99 Torr (arterieller PO2), 28 Torr (Blutdruck) und 1,23 Hz (Herzschlag) den Werten unbetäubter, freischwimmender Forellen. Lediglich der arterielle pH-Wert war mit 8,02 während der künstlichen Ventilation durch eine ungenügende Kompensation einer respiratorischen Alkalose leicht gegenüber dem normalen Wert von 7,9 erhöht. 5. Die Auswirkungen der Präparation des Auges zur Messung des intraretinalen Sauerstoffpartialdrucks auf den Augeninnendruck wurde überprüft. Der Augeninnendruck betrug 4,9 Torr. Die Einbringung der Sauerstoffmikroelektrode hatte keine Auswirkung auf den Augeninnendruck. Erst das Entfernen der Elektrode nach der Messung führte zu einer deutlichen Verringerung des Augeninnendrucks. 6. Zum ersten Mal wurde in der vorliegenden Arbeit die Durchblutungsrate des Auges eines Knochenfisches bestimmt. Aus präparatorischen Gründen wurde die Messung an der afferenten Pseudobranchienarterie durchgeführt. Der mittlere Blutfluss in dem Gefäß betrug 745 µl min-1 kg-1. Durch Verschluss des kontralateralen Gefäßes stieg der Fluss auf 135% des ursprünglichen Wertes, da jetzt durch das ipsilaterale Gefäß und über die zwischen den beiden Gefäßen bestehende Anastomose beide Augen durch das ipsilaterale Gefäß mit Blut versorgt wurden. 7. Die Funktion der Retina während der intraretinalen Sauerstoffmessung wurde durch Ableitung des Elektroretinogramms kontrolliert. Trotz der während der Versuche fortbestehenden Betäubung mit dem Betäubungsmittel MS222, welches sich negativ auf das Elektroretinogramm auswirken soll, konnten normale Elektroretinogramme aufgezeichnet werde. Die invasive Messung des intraretinalen PO2 wirkte sich nicht negativ auf die Funktionalität der Retina aus. 8. Der intraretinale Sauerstoffpartialdruck wurde an betäubten, künstlich ventilierten Forellen überprüft. Der mittlere maximale PO2 im Bereich der Bruch´schen Membran betrug 382 Torr. An der Innenseite der Retina wurde ein PO2 von 10 Torr gemessen. Der Bereich des O2-Partialdruckgradienten in der Retina, gemessen über den Vorschub der Sauerstoffmikroelektrode vom niedrigsten bis zum höchsten PO2, betrug 433 µm, ein Wert der gut mit der mikroskopisch bestimmten Dicke der Retina (407 µm) übereinstimmt. 9. Zur Untersuchung der Einflüsse von Blutparametern auf die Sauerstoffkonzentrierung im Auge der Forelle wurden isolierte Augen künstlich mit verschiedenen Erythrozytensuspensionen perfundiert. Dazu wurde zum einen eine Suspension von Forellenerythrozyten eingesetzt, bei der erst der Root-Effekt in Abhängigkeit vom pH-Wert der Suspension bestimmt wurde. Bei basischem pH-Werten war das Hämoglobin der Erythrozyten vollständig gesättigt. Bei einem pH-Wert von 7,68 war noch eine Sättigung von 90% vorhanden, die bis zu einem pH-Wert von 7,31 auf 50% abnahm. 10% Sättigung wurden bei einem pH-Wert von 6,94 erreicht. Für die Perfusion wurde die Suspension der Forellenerythrozyten mit einem pH-Wert von 7,48 eingesetzt. Bei diesem pH-Wert liegt die Sättigung bei ca. 82% und eine Änderung des pH hat in diesem Bereich eine deutliche Änderung der Sättigung zur Folge, was die Freisetzung von O2 von Hämoglobin erleichtert. Als alternative Perfusionslösung wurde eine Suspension von Humanerythrozyten eingesetzt. Humanhämoglobin weist keinen Root-Effekt auf, es kann also durch die im Auge der Knochenfische vorhandenen Mechanismen kein Sauerstoff freigesetzt werden. 10. Der mittlere intraretinale Sauerstoffpartialdruck isolierter Augen betrug bei Perfusion mit der Suspension von Forellenerythrozyten 99 Torr. Nach dem Wechsel auf die Suspension mit Humanerythrozyten fiel der intraretinale Sauerstoffpartialdruck sofort auf 30 Torr ab. Der Perfusionsdruck änderte sich bei dieser Umstellung nicht. Bei Perfusion mit Ringerlösung fiel der intraretinale PO2 auf 20 Torr, gleichzeitig fiel jetzt auch der Perfusionsdruck ab. 11. Eine Konzentrierung des Sauerstoffs konnte bei der künstlichen Perfusion isolierter Augen nicht nachgewiesen werden. Die Notwendigkeit des Root-Effekts für einen hohen Sauerstoffpartialdruck im Auge wird trotzdem deutlich, da bei Perfusion mit einer Suspension von Humanerythrozyten, die einen höheren Sauerstoffgehalt aufwies als die Suspension der Forellenerythrozyten, der intraretinale Sauerstoffpartialdruck deutlich geringer war. 12. Das Modell des isoliert perfundierten Auges ist zur physiologischen Untersuchung des choroidalen Rete mirabile und Sauerstoffkonzentrierung besser geeignet als in vivo - Experimente, da systemische Einflüsse vermieden und die Auswirkungen der Pseudobranchie auf die Blutchemie ausgeschaltet werden können. / Oxygen partial pressures (Po2) above ambient levels are found only in the swimbladder and the eye of teleost fish species. The mechanisms related to the involved oxygen concentration processes have been investigated to some detail in eel swimbladder, but little attention has been paid to analogous mechanisms of the teleost eye. This thesis has accordingly concentrated on developing a method promoting investigation of oxygen concentrating mechanisms in teleost eyes by application of an isolated perfused eye preparation. 1. The vascular supply of eye and pseudobranch in rainbow trout (Oncorhynchus mykiss, Walbaum, 1792) was depicted by corrosion casts of the vascular system. The choroid rete mirabile is supplied with blood by the ophthalmic artery as the efferent blood vessel of the pseudobranch, with a small anastomosis to the contralateral vessel. The pseudobranch in turn is fed by the efferent artery of the first gill arch. This pattern of serial vascular connection suggests a role for the pseudobranch in the process of providing high oxygen tensions required for the high metabolic demand of the visual perception in the retina. 2. Eyes of various fish species were sectioned after paraffin embedding and examined microscopically. The organisation of teleost fish retinae is characterised by the same features and organisation well known from other vertebrates. However, the total thickness of 407 µm found for the retina of the rainbow is much larger than that observed in other animals such as mammals. The conditions of diffusive oxygen supply of retinal nerve cells is further hampered by the complete lack of intraretinal blood vessels commonly found in mammals. In trout, blood is supplied to only the choroid layer, leaving large diffusion distances to the retinal nerve cells to be spanned by oxygen partial pressures, elevated as compared to the bulk arterial system in the choroid capillaries. 3. Intraretinal oxygen partial pressure was determined in long-term anaesthetised specimens of Oncorhynchus mykiss, using specially developed oxygen microelectrodes and required electronic circuitry. Characteristic features of the electrodes include insensitivity of the signal to stirring, achieved by a recess of the reactive metal surface in a glass capillary, an average tip diameter of less than 10 µm and a characteristic sensitivity to oxygen of 172 fA Torr-1. The response of the electrodes to oxygen was linear over a range of partial pressures from 0 to 760 Torr O2 (r= 0,9998). 4. Normal oxygen partial pressures in trout retina were measured in long-term anaesthetised and artificially ventilated specimens of Oncorhynchus mykiss. In order to conduct the experiments under conditions as close as possible to normal homoiostasis, several systemic valuables were monitored continuously. During experimentation arterial Po2 averaged 99 Torr, mean blood pressure was 28 Torr and heart frequency was on the average 74 bpm, respectively, data in the range of values determined in unanesthetized, freely swimming trout. As the one exception, arterial pH (8,02) was slightly elevated during artificial ventilation as compared to control values (7,89), a shift induced by an inadequately high rate of artificial ventilation. 5. The impact of insertion of electrodes required for intraretinal Po2 measurement into the eye was found to have little effect. The intraocular pressure remained unaffected by opening the eye by puncture with leading cannula and inserted micro-Po2-electrode. The intraocular pressure fell only after removing the electrode after completion of the experiment. 6. Normal function of the retina during experimentation in vivo was checked by repeatedly measuring electroretinograms provoked by light flashes under dark ambient conditions. Although extended anaesthesia with MS222 is expected to affect the electroretinogram in fish, there was no indication of abnormal or reduced electroretinograms during experimentation. Also puncture of the eye with insertion of electrodes did not affect the electroretinogram. 7. Intraretinal Po2 was measured in anaesthetised and artificially ventilated trout. Oxygen profiles were recorded during advancement of the electrode tip though the retina, from the lowest Po2 at the inner surface with about 10 Torr to the highest Po2 in the region of Bruch´s membrane with about 382 Torr, travelling a total distance of 433 µm. This distance closely corresponds to the thickness of the retina measured by microscopic sectioning. 8. Blood flow to the eye as an important parameter for the establishment of an isolated eye preparation was measured in the afferent artery of the pseudobranch. Due to the anatomical situation this represents the closest possible approximation to measurement of flow in the ophthalmic artery. The blood flow was estimated by ultrasonic Doppler techniques with in situ calibration to be 216 µl min-1. Occlusion of the contralateral vessel resulted in an increase of the blood flow in the ipsilateral vessel to 135% of the original as a result of flow through the small anastomosis between the two ophthalmic arteries. This estimate is the first performed for blood flow to the eye of a fish. 9. An isolated eye preparation was used to investigate the influence of specific blood parameters on oxygen concentrating processes in the eye of Oncorhynchus mykiss. Eyes were perfused with suspensions of trout erythrocytes, human erythrocytes and Ringer´s solution. The Root Effect of trout haemoglobin was confirmed in suspension of erythrocytes. The haemoglobin was fully saturated at pH 8.45, still 90% saturated at 7.68, 50% at 7.31 and 10% at pH 6.94. In order to provide optimal starting conditions for the release of oxygen by relatively small changes in pH, pH 7.48 (resulting in 82 % saturation) was chosen for the perfusion of isolated eyes. As a control perfusion, suspensions of human erythrocytes provided a perfusate lacking any Root effect, thus not supporting the oxygen concentrating processes in fish eyes. 10. Perfusion of isolated trout eyes with pH 7.48 trout erythrocyte suspension resulted in an average intraretinal Po2 of 99 Torr, whereas perfusion with human erythrocytes resulted in an immediate decrease of Po2 to (of) 30 Torr, with a further drop to 20 Torr during perfusion with Ringer´s solution. Changes in perfusion between erythrocyte suspensions were performed without any changes in perfusion pressure, but the switch to control perfusion with Ringer´s solution exhibited a drop in perfusion pressure due to the reduced viscosity of the medium. 11. Although perfusion of isolated eyes did not exhibit Po2 above ambient values, the effect of oxygen concentrating processes were clearly indicated by comparison with Root effect-lacking human erythrocyte perfusate (Po2´s of 99 vs. 30 Torr, respectively). 12. It is concluded that studies of oxygen concentrating mechanisms are to be performed preferably on isolated eye preparations. For closer analysis of the involved mechanisms this preparation allows for isolated control of individual parameter of the perfusate. In particular, uncontrolled effects of the pseudobranch on the perfusate can be eliminated.