Honigbienen (Apis mellifera L.) sind in der Lage mit ihren Komplexaugen visuelle Muster wahrzunehmen und die Musterinformation im Zentralen Nervensystem zu speichern und für Ähnlichkeitsbewertungen wieder abzurufen. Die vorliegende Arbeit zeigt klare Evidenz gegen eine ausschließliche Bewertung von Schwarzweißmustern mit Hilfe von Template-Matching-Mechanismen. Mit systematisch abgewandelten Dressurparadigmen trainierte Bienen bewerteten Muster unabhängig von der erfolgten Dressur stets bevorzugt gemäß eher grober Mustereigenschaften, wie zum Beispiel die Parameter "schwarzer Musterzentralbereich" und "Musterzerstreutheit". Veränderte man in einem weiteren Versuchansatz die Musterinformation der Schwarzweißmuster zudem gezielt durch geeignete Fourier-Filterung, zeigte sich, dass Bienen zur Musterdiskriminierung bereits die Frequenzinformation von 2 - 8 Schwingungen/Bildbreite genügte. Diese Unschärfe der bewerteten Bildinformation ließ sich nicht ausschließlich aus den optischen Eigenschaften des visuellen Apparates der Bienen ableiten. Videodokumentationen und Einzelbildanalyse des Flugverhaltens der Bienen vor den Mustern ergaben zudem keinerlei Hinweise für eine Nutzung des Flugverhaltens als Bewertungsgrundlage zur Musterdiskriminierung. Die erhaltenen Ergebnisse zur Musterdiskriminierung wurden vor dem Hintergrund eines ökonomischen Entscheidungsmodells für menschliches Verhalten, den Frugalheuristiken, diskutiert und Hinweise auf eine ökonomische Bewertungsstrategie der Bienen entsprechend einer Take-The-Best-Heuristik gefunden. / Honeybees (Apis mellifera L.) are able to perceive visual patterns through their compound eyes and store the visual information in the central nervous system for subsequent use in pattern discrimination tasks. This thesis provides clear evidence against the assumption that pattern discrimination relies exclusively on template matching mechanisms. Bees discriminated pairs of patterns preferential using extracted pattern parameters. Within this thesis the preferred parameters of the bees following the training paradigms were coarse parameters such as "black centre" and "pattern disruption". In experiments with Fourier filtered patterns the frequency information of the patterns were additionally reduced. The results showed that bees could discriminate patterns using only 2 - 8 cycles/pattern-width of the frequency information. The fuzziness of the exploited visual information could not be assigned to restrictions of the visual system of bees. Additional documentation and single picture analysis of the videotaped flight behaviour in front of the patterns provided no evidence for bees using their flight behaviour in order to enhance the pattern discrimination ability. Application of economic human decision models (frugal heuristics) to the behavioural results showed clues that bees'' decisions could be explained with the help of the Take-The-Best-heuristic.

Der Monocarboxylattransporter 8 (Mct8) ist ein spezifischer Schilddrüsenhormon (SDH)-Transporter. MCT8-Mutationen führen zu einer psychomotorischen Retardierung in Kombination mit abnormalen SDH-Serumkonzentrationen. Das konstitutiv Mct8-defiziente Mausmodell repliziert den endokrinologischen, jedoch nicht den humanen neurologischen Phänotyp. Um die Hypothese eines stark beeinträchtigten T3-Transportes speziell in Neuronen als Ursache zu untersuchen, wurde das Neuron-spezifische Mct8-defiziente Mausmodell (CamK-Cre;Mct8fl/fl) generiert. Neben einer funktionalen, Mct8-exprimierenden Blut-Hirn-Schranke liegt eine funktionale Hypophysen-Hypothalamus-Schilddrüsen Achse vor. NMR-Analysen des zerebralen Energiestoffwechsels von CamK-Cre;Mct8fl/fl-Mäusen zeigen nach [1-13C] Glukoseinfusion verringerte Laktatintensitäten sowie eine reduzierte Laktatdehydrogenase-Aktivität. Zudem sind Astrozyten-spezifische Transporter und Enzyme des Neurotransmitterstoffwechsels und deren Biosynthese in ihrer Genexpression reduziert. Somit führt der neuronale Mct8-Verlust zu einem verlangsamten zerebralen Metabolismus sowie einer reduzierten neuronalen Aktivität. Die Rolle von Mct8 im Energiestoffwechsel wurde außerdem in primären Mct8-defizienten Astrozyten- und Neuronkulturen mittels Seahorse Flux Analyzer untersucht. In Mct8-defizienten Neuronen kommt es zu einer verringerten SDH-Aufnahme, was in einer verringerten Expression von OXPHOS-relevanten Proteinen sowie in einer verringerten Sauerstoffverbrauchsrate resultiert. Somit stützen die in vitro Daten die des CamK-Cre;Mct8fl/fl-Mausmodelles bezüglich einer reduzierten neuronalen Aktivität sowie eines verlangsamten zerebralen Stoffwechsels. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass grundlegende Mechanismen des zerebralen Stoffwechsels bei neuronaler Mct8-Defizienz beeinträchtigt sind und die Rolle von Mct8 mit Hilfe weiterer konditioneller Mausmodelle (Astrozyten-spezifisch) und primären Ko-Kulturmodellen untersucht werden muss. / The monocarboxylate transporter 8 (Mct8) is the most specific thyroid hormone (TH) transporter. Mutations lead to a severe form of psychomotor retardation in combination with abnormal TH concentrations in sera. The global Mct8-deficient mouse model was intensively studied and it replicates the endocrine, but not the human neurological phenotype. To test the hypothesis, that a disturbed uptake of T3 especially into neurons is responsible for the phenotype, we generated a neuron-specific Mct8-deficient mouse model (CamK-Cre;Mct8fl/fl). CamK-Cre;Mct8fl/fl mice exhibit a functional Mct8-expressing blood-brain-barrier and a functional hypothalamus pituitary thyroid axis. NMR analyses of the cerebral energy metabolism of CamK-Cre;Mct8fl/fl mice after [1-13C] glucose injection revealed less enrichment of lactate and a reduced lactate dehydrogenase activity. Moreover, especially astrocyte-specific expressed transporter and enzymes of neurotransmitter metabolism and their biosynthesis are significantly reduced in comparison to control mice. These results point to a decelerated cerebral metabolism as well as a reduced neuronal activity caused by the neuronal loss of Mct8. In addition, we studied the impact of Mct8 on the energy metabolism in primary wildtype and Mct8-deficient astrocyte and neuron cultures by use of the Seahorse Flux Analyzer. Mct8-deficient neurons show a reduced uptake of TH, which results in a reduced expression of OXPHOS relevant proteins as well as a reduced oxygen consumption rate. Therefore, the in vitro raised data provide the observed changes of the CamK-Cre;Mct8fl/fl mice regarding a reduced synaptic activity as well as a reduced cerebral metabolism. Taken together, the data clearly shows that basic mechanisms of the cerebral metabolism are hampered in neuronal Mct8 deficiency. The role of Mct8 in this context needs further analyses with the help of conditional mouse models (astrocyte-specific) and primary co-culture models.

Rhodopsin ist der Photorezeptor der Stäbchenzellen in der Retina von Vertebraten und wird als Prototyp für die gesamte Gruppe der GPCRs beforscht. Trifft ein Photon auf das Protein, so wird der über eine Schiffbase kovalent gebundene Chromophor von seiner 11-cis- in die All-trans-Konfiguration isomerisiert und setzt infolgedessen den Aktivierungsprozess in Gang. Dieser mündet in der aktiven Rezeptorkonformation, die das G-Protein Transducin aktivieren kann und dadurch eine Kaskade weiterer Aktivierungsschritten einleitet, die letztlich ein Nervensignal verursachen. Das Ziel dieser Arbeit war die Aufklärung der späten Aktivierungsschritte und ihrer Ursache-Wirkungs-Beziehungen. Zu diesem Zweck wurden Blitzlichtphotolyse, Elektronenspinresonanz (EPR) mit Spinlabeling (SDSL), UV/vis-Spektroskopie, FTIR-Spektroskopie und Fluoreszenzspektroskopie angewandt. Kinetische Messungen wurden unter identischen Bedingungen durchgeführt, um die Abfolge der mit den unterschiedlichen Techniken zugänglichen Aktivierungsschritte aufzuklären. Nach der Bildung des absorptionsspektroskopisch definierten Meta-II-Zustands bewegt sich die Helix TM6 in einem späteren Schritt als ganzes nach außen und markiert damit den Übergang von Meta-IIa zu Meta-IIb. Dadurch wird die bis dahin in der Membran verborgene D(E)RY-Region für das Umgebungsmedium zugänglich und nimmt ohne Zeitverzögerung ein Proton auf, wodurch der Meta-IIb*H+-Zustand gebildet wird. Die verfügbaren Daten sprechen dafür, dass das D(E)RY-Motiv bei der Aktivierung des Transducins sowohl die Alpha- als auch die Gamma-Untereinheit desselben bindet. Die Bindung von zu Transducin-Abschnitten analogen Peptiden kann dann erfolgen, wenn die Helix TM6 im nach außen bewegten Zustand ist, und führt zur Abgabe von bis zu zwei Protonen vom aktivierten Rhodopsin. Sowohl das D(E)RY- und das NPxxY(x)5,6F-Motiv als auch die beiden Zustände Meta-IIb und Meta-IIb*H+ könnten relevant für den sequenziellen Transducin-Aktivierungsmechanismus sein. / Rhodopsin is the photoreceptor in the rod cells of the vertebrate retina. It is considered as a prototype of the whole group of GPCRs. Upon absorption of a photon the chromophore, which is covalently bound through a Schiff base, is isomerized from its 11-cis into the all-trans configuration. This initiates the activation process and finally results in the active receptor conformation which is capable of activating the G protein transducin and thereby triggers a cascade of further activation steps which finally cause a nerve signal. The aim of this work was the clarification of the late activation steps and their cause-and-effect chain. For this purpose flash photolysis, electron paramagnetic resonance (EPR) with spin labeling (SDSL), UV/vis spectroscopy, FTIR spectroscopy and fluorescence spectroscopy were applied. Kinetic measurements were executed under identical conditions in order to elucidate the sequence of activation steps, which are accessible with the different techniques. After formation of the spectroscopically defined Meta-II state helix TM6 moves outward as a rigid body, thereby marking the transition from Meta-IIa to Meta-IIb. Therefore the D(E)RY region, which is until then buried in the membrane, gets accessible to the surrounding solution. It consequently takes up a proton without delay, thus forming the Meta-IIb*H+ state. Available data argue for the D(E)RY motif binding both the Alpha and the Gamma subunit of transducin during activation of the latter. The binding of peptides which are analogous to sections of transducin is possible when helix TM6 is in the outward position. It causes the release of up to two protons from the activated rhodopsin. Both the D(E)RY motif and the NPxxY(x)5,6F motif as well as both the states Meta-IIb and Meta-IIb*H+ are potentially relevant for the sequential transducin activation mechanism.

Die Aufgabe des Proteins Arrestin ist die Beendigung der Signalweitergabe über den GPCR Signalweg. In Stäbchenzellen bindet Arrestin an Licht-aktiviertes phosphoriliertes Rhodopsin um die Signalweitergabe zu unterdrücken. Die Bindung von Arrestin an Rhodopsin erfolgt in zwei Schritten. Zunächst wechselwirkt Arrestin mit dem phosphorilierten C-Terminus von Rhodopsin und bildet einen prä-Komplex, dies induziert Konformationsänderungen im Arrestin wodurch die Bildung eines High-affinity Komplex unter Kopplung an den helikalen Kern des aktivierten Rezeptors erfolgen kann. Biochemische Untersuchungen und Kristallstrukturen haben einen Einblick in die Konformation des Komplexes aus Arrestin und Rhodopsin ermöglicht. In dieser Arbeit werden site-directed Fluorezenz Experimente angewandt um die strukturellen Änderungen zu untersuchen, die bei der Bindung von Arrestin an Rhodopsin ablaufen und der nterschiedlichen Bindungsmodi innerhalb der Wechselwirkung zwischen Arrestin und Rhodopsin. Insbesondere wird hier eine, bisher nicht beschriebene, Assoziation von Arrestin an die Membran untersucht. Des Weiteren wurden Erkenntnisse über die Struktur des prä-Komplexes gewonnen. Die Konformation vom Arrestin im prä-Komplex scheint die Konformation im Basalzustand nachzubilden unter Beteiligung zweier Kontaktstellen: Interaktion mit dem phosphorilierten C-Terminus des Rezeptors und Assoziation mit der Membran. Beim Übergang in den High-affinity Komplex durchläuft Arrestin eine Konformationsänderung in eine aktivere Konformation: der C-Terminus wird verdrängt, es erfolgt eine Neuausrichtung der zentralen flexiblen Schleifen und die Orientierung des Membranankers ändert sich. Die Aufgabe des prä-Komplexes ist somit Arrestin und den Rezeptor zusammen zu bringen sowie die korrekte Orientierung sicherzustellen um einen schnellen Übergang in den High-affinity Komplex zu ermöglichen. / The protein arrestin is responsible for termination of GPCR signalling. In the rod cell, arrestin binds light-activated phosphorylated rhodopsin in order to block further signal transduction. The binding of arrestin to rhodopsin is a two-step process. Arrestin first interacts with the phosphorylated receptor C-terminus in a pre-complex, which induces conformational changes in arrestin that allow coupling to the helical core of the active receptor in a high-affinity complex. Biochemical studies and crystal structures have provided insights into the conformation of the arrestin-rhodopsin complex. This dissertation describes site-directed fluorescence experiments, which were carried out to further investigate the conformational changes occurring upon arrestin binding to rhodopsin and the nature of different binding modes of the arrestin-rhodopsin interaction. In particular this involved characterization of a previously unidentified association of arrestin with the membrane, as well as further elucidation of the structure of the pre-complex. The conformation of arrestin in the pre-complex is indicated to resemble that of the basal state of arrestin, and involves two sites of contact: interaction with the phosphorylated receptor C-terminus, and association with the membrane. Upon transition to the high-affinity complex, arrestin undergoes a conformational change to a more active conformation: the auto-inhibitory C-tail is displaced, there is movement within the central flexible loops, and the orientation of the membrane anchor changes. The pre-complex therefore most likely functions to bring arrestin and the receptor into close contact, and in the correct orientation, to allow for fast transition to the high-affinity complex.

Das Ziel dieser Studie war es, die Beteiligung der nichtmuskulären schweren Myosinketten an der Kontraktion der glatten Muskeln unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen. Als Versuchsmodell wurde die Harnblase von neugeborenen Wildtyp und transgenen Mäusen verwendet, bei denen das Gen für die glattmuskelspezifischen schweren Myosinketten durch "Gene Targeting" funktionell eliminiert wurde (Knock-Out). Das Fehlen der Expression der glattmuskelspezifischen schweren Myosinketten wurde durch Elektrophorese und Immunfärbung bestätigt. Im Gegensatz dazu blieb die Expression der nichtmuskulären schweren Myosinketten unverändert. Die mechanische Analyse des glatten Muskels wurde mit intakten Muskelpräparaten aus der Harnblase durchgeführt. Das Muskelpräparat wurde in KCl-Lösung oder mit Phorbolester stimuliert. Die Aktivierung mittels depolarisierender KCl-Lösung führte bei neugeborenen Wildtyp Mäusen zuerst zu einer transienten Kontraktion (Phase 1) mit hoher Kraftentwicklung und maximaler Verkürzungsgeschwindigkeit, und danach zu einer tonischen Kontraktion (Phase 2) mit niedrigerer Kraftentwicklung und maximaler Verkürzungsgeschwindigkeit. Blasenpräparate neugeborener Knock-Out Mäuse dagegen zeigten keine Phase 1, sondern nur eine tonische Kontraktion, die mit Wildtyp Mäusen vergleichbar war. Daher scheint nichtmuskuläres Myosin an der tonischen Kontraktion des glatten Muskels beteiligt zu sein. Durch Stimulierung mit Phorbolester waren ähnliche tonische Muskelkontraktionen der Blasenpräparate sowohl bei Wildtyp als auch bei Knock-Out Mäusen zu beobachten. Vermutlich wird also das nichtmuskuläre Myosin durch Stimulierung mit Phorbolester aktiviert. Intrazelluläre Filamente wurden durch Immunfluoreszenz mit einem spezifischen Antikörper gegen nichtmuskuläre schwere Myosinketten in kultivierten primären glatten Muskelzellen untersucht. Dabei zeigten die Muskelzellen sowohl von Wildtyp als auch von Knock-Out Mäusen intrazelluläre dicke Myosinfilamente, was für die Beteiligung des nichtmuskulären Myosins an der glatten Muskelkontraktion spricht. Entsprechend wurden intrazelluläre Filamente mit einem Antikörper gegen glattmuskelspezifische schwere Myosinketten in kultivierten primären glatten Muskelzellen untersucht. Wie erwartet, konnten nur in glatten Muskelzellen von Wildtyp Mäusen intrazelluläre Filamente nachgewiesen werden, nicht aber in denen von Knock-Out Mäusen. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass nichtmuskuläres Myosin zumindest an der tonischen Kontraktion glatter Muskelzellen beteiligt sein kann. / The aim of the present study was to investigate the involvement of non-muscle myosin heavy chain in smooth muscle contraction under physiological conditions. As an experimental model urinary bladder from neonatal wild-type mice as well as from neonatal mice with disrupted smooth muscle myosin heavy chain expression was used. This animal model was established through gene targeting technology, resulting in complete elimination of the expression of smooth muscle myosin heavy chains. The lack of expression of smooth muscle myosin heavy chains was confirmed by electrophoresis and immunoblotting. On the other hand, non-muscle myosin heavy chain expression remained normal, as verified by Western blot analysis. The mechanical analysis of smooth muscle was performed with intact urinary bladder preparations, stimulated using prolonged KCl depolarization or with phorbol ester. Prolonged activation by KCl depolarization of intact bladder preparations from wild-type neonatal mice produced an initial transient state (phase 1) of high force generation and maximal shortening velocity, followed by a sustained state (phase 2) with lower force generation and maximal shortening velocity. In contrast, bladder preparations from homozygous knockout neonatal mice did not exhibit phase 1, but phase 2 could be observed, i.e. a similar isometric force and maximal shortening velocity, compared to wild-type phase 2. Thus, non-muscle myosin appears to be recruited in the sustained phase of smooth muscle contraction during prolonged KCl depolarization in the animal model used. Upon stimulation with phorbol ester a similar sustained contraction was observed in both wild-type and knockout smooth muscle preparations. Therefore, non-muscle myosin may also be recruited during phorbol ester stimulation in both wild-type and knockout muscle preparations. The participation of non-muscle myosin in smooth muscle contraction was further supported by the finding of longitudinally arranged intracellular filaments in cultivated smooth muscle cells from both wild-type and knockout mice by immunofluorescence microscopy, using a specific antibody raised against non-muscle myosin heavy chain. In a similar way, smooth muscle myosin heavy chain structures were investigated in cultivated smooth muscle cells. As expected, longitudinally arranged intracellular filamentous structures of smooth muscle myosin were observed in wild-type smooth muscle cells, but not in smooth muscle cells from knockout mice. In conclusion, in neonatal smooth muscle the initial phase of contraction elicited by KCl depolarization is generated by smooth muscle myosin heavy chain recruitment. Upon prolonged KCl depolarization non-muscle myosin is recruited in the sustained phase of contraction, as well as upon stimulation with phorbol ester. Thus, it was possible, for the first time, to verify the involvement of the non-muscle myosin in smooth muscle contraction in vivo. The results of the present study contribute to the understanding of the regulatory mechanisms of smooth muscle contraction.

In dieser Arbeit kann gezeigt warden, dass mit der kortiko-muskulären und intermuskulären Frequenzanalyse distinkte Koheränzmuster bei verschiedenen Bewegungsstörungen (kortikaler Myoklonus, Extremitätendystonie, Myoklonus bei kortikobasaler Degeneration) identifiziert werden können. Ferner konnte gezeigt werden, dass das retikulospinale System mit der intermuskulären Frequenzanalyse untersucht werden kann, was neue Perspektiven bei der Untersuchung subkortikaler Abschnitte des motorischen Systems ermöglicht. / It can be shown in this work that distinct patterns of cortico-muscular and/or intermuscular coherence can be identfied in a variety of movement disorders (cortical myoclonus, limb dystonia, myoclonus of CBD). Additionally, it could be demonstrated that the assessment of the reticulospinal system is feasible by using intermuscular frequency analysis of homologous muscles, which might open up a new line of research of subcortical drives within the motor system.

Das Proteasom ist eine ATP- abhängige Protease, die sich aus vielen Untereinheiten zusammensetzt. Es ist für die Generierung der MHC Klasse I- restringierten Peptide verantwortlich, die im Folgenden auf der Zelloberfläche präsentiert werden. Nicht-funktionelle Proteine, die als so genannte defective ribosomal products (DRIP) bezeichnet werden, stellen eine wichtige Quelle für die Generierung von antigenen Peptiden, insbesondere jedoch von viralen Peptiden dar. Generell wird die Lehrmeinung vertreten, dass der Abbau von polyubiquitinierten Proteinen durch das 26S Proteasom zur Generierung von MHC Klasse I- Liganden führt. Allerdings ist weiterhin unklar, ob virale Proteine Ubiquitin- abhängig vom Proteasom abgebaut werden. Demnach sollte im Rahmen dieser Arbeit der Proteasom- abhängige Abbau des mCMV ie pp89 Proteins vor allem hinsichtlich einer Ubiquitinierung untersucht werden. Folglich wurden Konstrukte sowohl für ein rekombinantes pp89 (rek pp89) als auch für ein ODCpp89 Fusionsprotein entworfen. Somit konnten sowohl der in vitro Abbau dieser Proteine als auch die Prozessierung des spezifischen MHC Klasse I H2-Ld Epitops verfolgt werden. Experimente zum Nachweis von Ubiquitin- Protein- Konjugaten wurden in vivo mit stabil transfizierten Mausfibroblasten (B8 Zellen) durchgeführt. Die experimentellen Daten sprechen für einen schnellen in vitro Abbau des rek pp89 durch das 20S Proteasom. Das MHC Klasse I pp89 Epitop bzw. dessen 11mer Precursorpeptid wurden dabei mit hoher Präzision generiert. Spezifische CTL Assays weisen auf die Generierung des korrekten Epitops bzw. des Precursors hin. Nach Verdau des ODCpp89 Fusionsproteins durch 26S Proteasomen in Anwesenheit von Antizym konnten mit diesem Test ebenfalls das 9mer Epitop respektive das 11mer des pp89 nachgewiesen werden. Eine potentielle Ubiquitinierung des pp89 wurde in vivo in Zellkulturen untersucht. Nach Gabe von Proteasomeninhibitoren zu Mausfibroblasten konnte eine starke Akkumulierung von Ubiquitin- Konjugaten beobachtet werden. Allerdings konnte in den verschiedenen Versuchsansätzen kein Nachweis von pp89- Ubiquitin- Konjugaten erbracht werden. Demzufolge ist für die Generierung von viralen Epitopen ein Proteasom- abhängiger, aber Ubiquitin- unabhängiger Abbauweg denkbar. / The proteasome, an ATP-dependent, multisubunit protease, is responsible for the generation of most MHC class I restricted epitopes presented on the cell surface. Non-functional proteins, also known as defectice ribosomal products (DRiP), represent an important source for the generation of antigenic peptides in general and of viral epitopes in particular. It is widely accepted that the degradation of polyubiquitinated proteins by the 26S proteasome is a prerequisite for the generation of MHC class I ligands. However, the ubiquitin dependence for the proteasomal degradation of viral proteins is an issue so far unresolved. Therefore, the aim of this study was to analyze the proteasomal degradation of the mCMV ie pp89 in respect to an anticipated ubiquitinylation. Thus, a recombinant pp89 (recpp89) as well as an ODCpp89 fusion protein were generated. The in vitro processing of these proteins and the generation of a MHC class I H2-Ld epitope by proteasomes was further studied. Murine fibroblast cell lines (B8 cells) were used to analyze any in vivo evidence for potentially existing ubiquitin-protein conjugates. The experiments show that the recpp89 protein is rapidly degraded in vitro by the 20S proteasomes and that the correct MHC class I pp89 epitope or its 11mer precursor are generated with high fidelity. Furthermore, CTL assays, indicating the generation of the specific pp89 epitope or the 11mer precursor, also suggested a 26S proteasome-dependent degradation of the mCMV pp89-ODC fusion protein in the presence of antizyme. Treating cell cultures with proteasome inhibitors resulted in a significant accumulation of ubiquitin-conjugates in vivo. However, higher molecular weight pp89-ubiquitin conjugates were not detectable throughout the entire experimental set-up. Consequently, a proteasome-dependent, but ubiquitin-independent pathway can be postulated for the generation of viral epitopes.

In dieser Dissertation wird ein Modell des visuellen Systems untersucht, basierend auf dem Prinzip des unüberwachten Langsamkeitslernens und des SFA-Algorithmus (Slow Feature Analysis). Dieses Modell wird hier für die invariante Objekterkennung und verwandte Probleme eingesetzt. Das Modell kann dabei sowohl die zu Grunde liegenden diskreten Variablen der Stimuli extrahieren (z.B. die Identität des gezeigten Objektes) als auch kontinuierliche Variablen (z.B. Position und Rotationswinkel). Dabei ist es in der Lage, mit komplizierten Transformationen umzugehen, wie beispielsweise Tiefenrotation. Die Leistungsfähigkeit des Modells wird zunächst mit Hilfe von überwachten Methoden zur Datenanalyse untersucht. Anschließend wird gezeigt, dass auch die biologisch fundierte Methode des Verstärkenden Lernens (reinforcement learning) die Ausgabedaten unseres Modells erfolgreich verwenden kann. Dies erlaubt die Anwendung des Verstärkenden Lernens auf hochdimensionale visuelle Stimuli. Im zweiten Teil der Arbeit wird versucht, das hierarchische Modell mit Top-down Prozessen zu erweitern, speziell für die Rekonstruktion von visuellen Stimuli. Dabei setzen wir die Methode der Vektorquantisierung ein und verbinden diese mit einem Verfahren zum Gradientenabstieg. Die wesentlichen Komponenten der für unsere Simulationen entwickelten Software wurden in eine quelloffene Programmbibliothek integriert, in das ``Modular toolkit for Data Processing'''' (MDP). Diese Programmkomponenten werden im letzten Teil der Dissertation vorgestellt. / This thesis examines a model of the visual system, which is based on the principle of unsupervised slowness learning and using Slow Feature Analysis (SFA). We apply this model to the task of invariant object recognition and several related problems. The model not only learns to extract the underlying discrete variables of the stimuli (e.g., identity of the shown object) but also to extract continuous variables (e.g., position and rotational angles). It is shown to be capable of dealing with complex transformations like in-depth rotation. The performance of the model is first measured with the help of supervised post-processing methods. We then show that biologically motivated methods like reinforcement learning are also capable of processing the high-level output from the model. This enables reinforcement learning to deal with high-dimensional visual stimuli. In the second part of this thesis we try to extend the model with top-down processes, centered around the task of reconstructing visual stimuli. We utilize the method of vector quantization and combine it with gradient descent. The key components of our simulation software have been integrated into an open-source software library, the Modular toolkit for Data Processing (MDP). These components are presented in the last part of the thesis.

Neuronale Verbindungen verändern sich abhängig von unseren Wahrnehmungen (synaptische Plastizität) - womöglich die Grundlage für Lernen und Gedächtnis. Diese zellulären Prozesse werden jedoch stark reguliert, und können durch den Zustand des Organismus beeinflusst werden. Diese Doktorarbeit befasst sich mit einem Mechanismus durch den zelluläre Lernprozesse in Pyramidalzellen durch lokale hemmende Neurone moduliert werden können. Dazu werden biophysikalische Modelle einzelner Zellen in Mikroschaltkreisen zu Rate gezogen. Der erste Teil dieser Arbeit zeigt, dass hemmende Neurone die Lernsignale in den Dendriten der Pyramidalzelle nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip modulieren. Demnach könnten sie einen binären Schalter für das Lernen darstellen. Im Speziellen modulieren sie ein wichtiges dendritisches Lernsignal: das rückwärts-gerichtete Aktionspotenzial, das die Synapsen über neuronale Aktivität unterrichten kann. Die Hemmung muss zeitlich genau erfolgen wenn es um die Blockierung dieses rückwärts-gerichteten Signals geht; insbesondere, wenn der betrachtete Mechanismus der Lernregulierung gleichzeitig den vorwärts-gerichteten Informationsfluss erhalten soll. Wie diese Arbeit zeigt, kann die gewünschte Taktung dennoch erreicht werden, wenn die hemmenden Neurone in einem gängigen inhibitorischen Feedforward-Schaltkreis eingebettet sind. In einem solchen Schaltkreis werden die hemmenden Neurone und die Pyramidenzellen von der gleichen vorgeschalteten Zellpopulation erregt, sodass die Pyramidalzelle erst erregende und dann hemmende Reize erfährt, was die genaue Taktung zwischen Erregung und Hemmung ermöglicht. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Frage ob und wie solche zeitlich regulierten Feedforward-Schaltkreise im Gehirn etabliert werden können. Es wird demonstriert, dass konkrete Lernregeln für hemmende Synapsen in diesen Schaltkreisen diese so formen kann, dass sie für die individuellen zeitlichen Bedingungen der modulierten Zelle angemessen sind. / The neural correlate of learning is thought to be the experience-dependent adjustment of neuronal connections – synaptic plasticity. However, cellular processes mediating these changes are highly regulated, and can be influenced by the state of the organism. Limiting learning to behaviorally relevant episodes is useful if new experiences can overwrite old memories. In this thesis, we use computational modeling to explore a mechanism by which cellular learning processes in principal neurons can be modulated by another cell type: local inhibitory neurons. Although these cells are known to play a role for learning, the cellular mechanisms by which they influence synaptic plasticity are not completely understood. The aim is hence to shed light onto the cellular mechanisms underlying the regulation of synaptic plasticity. In the first part of this thesis, it is shown that inhibitory neurons can modulate dendritic signals for plasticity in principal neurons in an all-or-none manner. Thereby, inhibition can provide a binary switch for plasticity, which, as further demonstrated, can be specific for inputs arriving via different neural pathways. An important dendritic signal for plasticity is the backpropagating action potential, which informs synapses about neuronal activity and can be modulated by inhibition. We show that the timing requirement for inhibition of theses signals is tight; especially if modulation of plasticity via this mechanism ought to preserve forward-directed stimulus processing in the same neuron. Yet, we demonstrate that the desired timing can be accomplished if inhibition is embedded in a common inhibitory feedforward circuit. The second part of this thesis addresses the question whether and how appropriately timed inhibitory feedforward circuits can be established. We demonstrate that particular plasticity rules at inhibitory synapses can shape microcircuits to become properly adjusted to the individual timing requirements of the modulated neuron.

Es wurde Zellneubildung im erwachsenen cerebralen Cortex der Maus in Abhängigkeit von Umweltbedingungen und Aktivitätsgrad untersucht. Es war bekannt, dass eine reizreiche Umgebung und körperliche Aktivität die Neubildung von Nervenzellen im erwachsenen Hippokampus steigern. Als Zellproliferationsmarker wurde BrdU appliziert und BrdU-inkorporierende Zellen 1 Tag und 4 Wochen nach BrdU-Gabe unter Verwendung immunhistochemischer Methoden zur Detektion BrdU-inkorporierender Zellen in verschiedenen kortikalen Regionen und Schichten quantifiziert. Die phänotypische Charakterisierung BrdU+ Zellen wurde durch kombinierte Verwendung immunhistochemischer Methoden und konfokaler Mikroskopie vorgenommen. Die im adulten murinen cerebralen Cortex proliferierenden Zellen differenzierten weit überwiegend glial. Keine der kortikalen BrdU+ Zellen zeigte zweifelsfreie Zeichen einer neuronalen Differenzierung. Damit scheint die adulte Nervenzellneubildung unter physiologischen Bedingungen eine regionale Spezialität des Hippokampus und anderer Strukturen zu sein. Weder körperliche Aktivität (RUN) noch eine reizreiche Umgebung (ENR) führten 1 Tag oder 4 Wochen nach BrdU zu einem signifikanten Unterschied zur Kontrollgruppe (CTR), was die Anzahl BrdU+ Zellen im gesamten Cortex zusamengefaßt betrifft. Dagegen konnten die vorbeschriebenen Effekte von RUN und ENR auf hippokampale BrdU-inkorporierende Zellen repliziert werden. Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass die Verstärkung adulter Neurogenese durch RUN und ENR im Gyrus dentatus des Hippokampus eine hippokampus-spezifische Reaktion und nicht etwa Teil einer generalisierten zentralnervösen Reaktion ist. Jedoch konnte gezeigt werden, dass körperliche Aktivität und eine reizreiche Umgebung zur lokalen Beeinflussung kortikaler Zellneubildung in bestimmten Schichten und Regionen führten. So konnten bei RUN-Tieren signifikant mehr BrdU+ Zellen in Schicht I des cingulären, motorischen und visuellen Cortex als bei CTR-Tieren gefunden werden. ENR-Tiere hatten 4 Wochen nach BrdU signifikant mehr BrdU+ Zellen in Schicht II/III des visuellen Cortex als CTR-Tiere. Die Phänotypisierung BrdU+ Zellen in diesen kortikalen Bereichen ergab, dass RUN zu einer lokalen, deutlich ausgeprägten Verstärkung der Neubildung von Mikroglia führte, während ENR tendentiell lokal kortikale Astrozytogenese verstärkte (signifikant in Schicht I des motorischen Cortex 4 Wochen nach BrdU). Damit konnte erstmals berichtet werden, dass körperliche Aktivität zelltypspezifisch die Neubildung kortikaler Mikroglia stimuliert. Dieses Ergebnis ist zunächst überraschend, da mikrogliale Proliferation und Aktivierung klassischweise im Zusammenhang mit Schadenszuständen des ZNS gesehen werden. In der Tat ist dies einer der ersten Befunde, der eine mikrogliale Reaktion mit nicht-pathologischen, vollkommen physiologischen Bedingungen in Verbindung bringt. Dies könnte einen neuen Blickwinkel auf mikrogliale Funktionen eröffnen. / The effect of physical activity and enriched environment on cell genesis in the cerebral cortex of adult mice were investigated. It is well known that living under the conditions of an enriched environment and physical activity both enhance the generation of new neurons in the adult murine hippocampus. To label proliferating cells mice were injected with bromodesoxyuridine (BrdU). The number of BrdU incorporating cells in different regions and layers of the cerebral cortex was determined 1 day and 4 weeks after BrdU administration. To characterize cortical BrdU+ cells phenotypically immunohistochemistry and confocal microscopy were used. Adult-generated cortical cells were glial cells. None of all the examined cortical BrdU+ cells showed immunoreactivity for NeuN (expressed in mature neurons) unambiguously indicating that the generation of new neurons in the adult brain is a speciality of the hippocampus and other brain structures. Physical activity (RUN) and enriched environment (ENR) did not affect the number of BrdU+ cells in all cortical regions taken together compared to control animals (CTR), both 1 day and 4 weeks after BrdU. However, the known effects of RUN and ENR on hippocampal cell genesis were replicated suggesting that the enhancement of adult hippocampal neurogenesis by RUN and ENR is a hippocampus-specific reaction and not part of a generalized reaction of the adult cns. It was shown that physical activity and enriched environment had effects on cell genesis in distinct cortical layers and regions. RUN-animals had significantly more BrdU+ cells in layer I of the cingulate, motor and visual cortex than CTR. ENR-animals had significantly more BrdU+ cells in layer II/III of the visual cortex than CTR 4 weeks after BrdU. Phenotyping of BrdU+ cells in these cortical parts revealed that RUN led to a marked increase of the generation of microglia. ENR tended to enhance astrocytogenesis in several cortical parts (reaching significance in layer I of the motor cortex 4 weeks after BrdU). This is the first report that physical activity stimulates the generation of cortical microglia in a cell-type-specific and to some degree region-specific manner. This result is surprising because microglial proliferation and activation are generally thought to occur under conditions involving damage to the nervous system. In fact, this is one of the first reports linking a microglial reaction with an entirely physiological condition. This might shed a new light on microglial function.