Einleitung: Mit der vorliegenden Studie wurden zum ersten Mal beim Menschen die Auswirkungen von Dehydration (Dehy) und anschließender Rehydratation (Rehy) auf cerebrale volumenregulatorische Metabolite (myo-Inosit (mI), N-Azetylaspartat+N-Azetylaspartylglutamat (tNAA), Kreatin (Cr), Glyzerophosphocholin+Phosphocholin (Cho) und Glutamat+Glutamin (Glx)) sowie auf Flüssigkeitsverschiebungen untersucht. Methoden: 14 Radsportler (26.6 (22.7/29.8) Jahre, Median und 25./75. Perzentile) wurden mittels 1H-Spektroskopie (1H-MRS) in der okzipitoparietalen grauen Substanz (GM) und parietalen weißen Substanz rechts (WMR) und links (WML) untersucht (GE Signa Horizon 3T94; PRESS: TE 30ms, TR 6000ms, VOI 8ml). Die Messungen erfolgten vor, direkt nach Dehy und nach Rehy (180min, Zufuhr von 150\% der verlorenen Körpermasse (KM)). Zusätzlich wurde durch T2-Relaxationsmessungen der Atrophieindex alpha (Verhältnis cerebrales Gewebewasser (HW) zu Liquor (CSF)) bestimmt. Resultate: Die KM der Probanden reduzierte sich durch Dehy um 3.7 (3.4/4.1)% und stieg durch Rehy wieder um 4.5 (3.7/5.3)% an (Wilcoxon: p / Introduction: In the present study the influence of Dehy on cerebral volume regulatory metabolites (myo-Inositol (mI), N-Acetyl-aspartata+N-Acetyl-aspartyl-glutamate (tNAA), Creatine (Cr), Glycerophosphocholine+Phosphocholine (Cho) and Glutamate+Glutamine (Glx)) and fluid shifts has been investigated for the first time in humans. Methods: 14 cyclists (26.6 (22.7/29.8) y, median and 25./75. percentile) have been examined with proton NMR spectroscopy in the occipito-parietal gray matter (GM) and the right (WMR) and left (WML) parietal with matter (GE Signa Horizon 3T94; PRESS: TE 30ms, TR 6000ms, VOI 8ml). Spectra were acquired before, immediately after Dehy and after rehydration (Rehy). Rehy took place during 180min and 150% of lost body weight (BW) was substituted. Additionally the atrophy index alpha (ratio between cerebral water and liquor) was assessed (T2 signal decay as a function of echo time). Results: BW of volunteers has been decreased 3.7 (3.4/4.1)% after Dehy and increased 4.5 (3.7/5.3)% after Rehy (Wilcoxon: p

Im Subikulum der Ratte finden sich zwei unterschiedliche Typen von Pyramidalzellen, die sich auf Grund ihres intrinsischen Entladungsverhaltens unterscheiden. Die Funktion dieser beiden Zelltypen hinsichtlich der synaptischer Neurotransmission ist unklar. Bursterzellen und regulär feuernde Zellen zeigten nach tetanischer Reizung ein unterschiedliches Ausmaß der LTP. Neben der zellspezifischen Ausprägung der LTP fanden sich mehrere Hinweise auf eine zielspezifische Projektion der Efferenzen der vorgeschalteten Area CA1. Die durchgeführten Experimente legen den Schluss nahe, dass Axone von Pyramidalzellen der Area CA1 selektiv auf subikuläre Pyramidenzellen projizieren und so den hippokampalen Informationsfluss steuern und regulieren können. NMDA-Rezeptoren auf beiden Seiten des synaptischen Spaltes spielen hier eine besondere Rolle. Präsynaptische NMDAR der Untereinheit NR2B scheinen an der LTP in Bursterzellen beteiligt zu sein und über einen vermehrten Kalziumeinstrom in die Präsynapse eine langanhaltende Erhöhung der Transmitterausschüttung herbeizuführen. Ebenso zeigten sich abhängig von der Zielzelle Hinweise auf eine unterschiedliche Aktivierung der präsynaptischen Adenylylcyclase-cAMP Kaskade. In Pilokarpin-behandelten Tieren ließ sich nach hochfrequenter Reizung keine langanhaltende Potenzierung der synaptischen Antworten nachweisen. Stattdessen scheinen polysynaptisch latente Verbindungen mittels tetanischer Stimulation aktivierbar zu sein. In einigen Fällen waren diese polysynaptisch latenten Verbindungen per se, in anderen Fällen nach Blockade der GABAergen Neurotransmission aktiv. In Hirnschnittpräparaten von Patienten mit pharmakoresistenter Temporallappenepilepsie konnte im Subikulum spontane rhythmische Aktivität mit einer Frequenz von 0,75 bis 3 Hz aufgezeichnet werden. Diese Aktivität, bestehend aus EPSP/IPSP Sequenzen, wurde sowohl in sklerotischem als auch in nicht sklerotischem Gewebe gefunden. In beiden Gruppen korrelierte die in vitro Aktivität sehr gut mit dem präoperativen Auftreten elektroenzephalografisch detektierter interiktaler Aktivität. Die Blockade GABAerger oder glutamaterger Neurotransmission hob die inhibitorische bzw. exzitatorische Aktivität auf. Dies legt den Schluss nahe, dass sowohl Interneurone wie Pyramidalzellen an der spontanen rhythmischen Aktivität beteiligt sind. / The subiculum plays a key role in processing memory information from the hippocampus to different cortical and subcortical brain regions. Subicular pyramidal cells are classified as regular firing or bursting cells according to their responses to supra-threshold depolarizing current pulses. Synaptic terminals arising from CA1 pyramidal cells do not function as a single compartment but show a specialized synaptic plasticity onto subicular pyramidal cells depending on the discharge properties of the synaptic target. Tetanic stimulation of CA1 axons caused a significantly stronger long-term potentiation (LTP) in bursting cells than in regular firing cells. Postsynaptic bursting was not necessary for the enhanced synaptic potentiation in bursting cells. The LTP in bursting neurons was independent of postsynaptic calcium, induced by presynaptic NR2B-containing autoreceptors and mediated via a adenylyl cylcase-cAMP-dependent signaling cascade. In pilocarpine-treated animals subicular LTP was impaired. A long-lasting increase in synaptic transmission could not be observed after titanic stimulation neither in regular firing cells nor in bursting cells. In human brain slices resected from patients from with drug-resistant temporal lobe epilepsy the subiculum displayed spontaneous rhythmic activity. In sclerotic but also in non-sclerotic hippocampal tissue the subiculum showed cellular and synaptic changes which suffice to generate spontaneous rhythmic activity that is correlated with the occurrence and frequency of interictal discharges recorded in the electroencephalograms of the corresponding patients.

Zielsetzung: Der Nachweis eines Apallischen Syndroms (APS) ist trotz der diagnostischen Kriterien der Multi Society Task Force on persistent vegetative state (MSTF) selbst für erfahrene Kliniker eine diagnostische Herausforderung. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist, inwieweit etablierte neurologische Untersuchungstechniken die Anwendung der MSTF-Kriterien vereinfachen und so zur Diagnose des APS beitragen. Design: Prospektive diagnostische Studie Patienten: Von initial 24 Patienten mit der Differentialdiagnose eines APS wurden 16 Patienten endgültig in die Studie eingeschlossen und einer prospektiven klinischen Untersuchung unterzogen. Das Studienprotokoll umfasste die Untersuchung der spontanen Motorik sowie Reiz korrelierter motorischen Reaktionen, der Primitivreflexe, Habituation und der Okulomotorik. Ergebnisse: Die Diagnosekriterien der MSTF waren bei allen Patienten nachweisbar, die in die Studie eingeschlossenen wurden. Darüber hinaus wurde durch die Studie weitere, ebenfalls häufig auftretende klinischen Symptome identifiziert, die als Markersymptom für eine APS bewertet wurden: spontane Automatismen (N=12), periodisch-alternierende Augenbewegungen (N=12), startle Reaktion nach externer Reizung (N=10) und Spastik (N=9). Klinische Symptome, die erhaltene Bewusstseinsleistung voraussetzen wie reflektorische Sakkaden, Habituation, der optokinetische Nystagmus und Augenfolgebewegungen oder Symptome, die auf eine schwere Hirnstammschädigung hinweisen wie eine Dezerebrationshaltung, wurden als Ausschlusskriterien eines APS vorgeschlagen. Zusammenfassung: Die Erweiterung der MSTF-Diagnosekriterien um obligatorische und unterstützende Schlüsselsymptome sowie klar definierte Ausschlusskriterien erleichtert die klinische Differentialdiagnose des APS und führt zu einer größeren Diagnosesicherheit des Syndroms. / Objective: Although the Multi Society Task Force (MSTF) on persistent vegetative state (PVS) published diagnostic criteria ten years ago, differentiation of PVS from similar syndromes remains a diagnostic challenge. The aim of our study was the prospective identification of clinically assessable symptoms supplementary to the MSTF criteria which supports or rejects the diagnosis of a PVS and to reevaluate the parameters after 30 month. Design: Prospective diagnostic study Setting: The 90-bed department of Neurology of the University hospital of Berlin. Patients and participants: Out of 24 screened patients with the differential diagnosis PVS, 16 patients were finally included to the study and prospectively assessed by a clinical examination, comprising spontaneous and reflexive motor activities, primitive reflexes, habituation and eye movements. Measurements and results: Mandatory symptoms of the MSTF were found in all 16 patients. In addition, clinical features like spontaneous automatisms (n=12), periodic alternating gaze deviation (n=12), startle reaction to external stimuli (n=10), and spastic muscular tone (n=9) were found frequently and considered supportive for the diagnosis. In contrast to previous observations, periodic alternating eye movements and increased muscular tone were found more frequently in our patients. Symptoms linked to a preserved consciousness like reflexive visually guided saccades, habituation, an optokinetic nystagmus and eye tracking or symptoms indicating a severe functional impairment of the brainstem like a decerebrated posture were proposed as excluding PVS. Conclusion: The application of mandatory and supportive symptoms lead to a further improvement of diagnostic certainty in PVS, particular in patient presenting exceptional clinical phenomena. Clearly defined exclusive criteria prevent from misdiagnosis.

In dieser Doktorarbeit untersuchen wir zeitliche Langsamkeit als Prinzip für die Selbstorganisation des sensorischen Kortex sowie für computer-basierte Mustererkennung. Wir beginnen mit einer Einführung und Diskussion dieses Prinzips und stellen anschliessend den Slow Feature Analysis (SFA) Algorithmus vor, der das matemathisches Problem für diskrete Zeitreihen in einem endlich dimensionalen Funktionenraum löst. Im Hauptteil der Doktorarbeit untersuchen wir zeitliche Langsamkeit als Lernprinzip für rezeptive Felder im visuellen Kortex. Unter Verwendung von SFA werden Transformationsfunktionen gelernt, die, angewendet auf natürliche Bildsequenzen, möglichst langsam variierende Merkmale extrahieren. Die Funktionen können als nichtlineare raum-zeitliche rezeptive Felder interpretiert und mit Neuronen im primären visuellen Kortex (V1) verglichen werden. Wir zeigen, dass sie viele Eigenschaften von komplexen Zellen in V1 besitzen, nicht nur die primären, d.h. Gabor-ähnliche optimale Stimuli und Phaseninvarianz, sondern auch sekundäre, wie Richtungsselektivität, nicht-orthogonale Inhibition sowie End- und Seiteninhibition. Diese Resultate zeigen, dass ein einziges unüberwachtes Lernprinzip eine solche Mannigfaltigkeit an Eigenschaften begründen kann. Für die Analyse der mit SFA gelernten nichtlinearen Funktionen haben wir eine Reihe mathematischer und numerischer Werkzeuge entwickelt, mit denen man die quadratischen Formen als rezeptive Felder charakterisieren kann. Wir erweitern sie im weiteren Verlauf, um sie von allgemeinerem Interesse für theoretische und physiologische Modelle zu machen. Den Abschluss dieser Arbeit bildet die Anwendung des Prinzips der zeitlichen Langsamkeit auf Mustererkennungsprobleme. Die fehlende zeitliche Struktur in dieser Problemklasse erfordert eine Modifikation des SFA-Algorithmus. Wir stellen eine alternative Formulierung vor und wenden diese auf eine Standard-Datenbank von handgeschriebenen Ziffern an. / In this thesis we investigate the relevance of temporal slowness as a principle for the self-organization of the visual cortex and for technical applications. We first introduce and discuss this principle and put it into mathematical terms. We then define the slow feature analysis (SFA) algorithm, which solves the mathematical problem for multidimensional, discrete time series in a finite dimensional function space. In the main part of the thesis we apply temporal slowness as a learning principle of receptive fields in the visual cortex. Using SFA we learn the input-output functions that, when applied to natural image sequences, vary as slowly as possible in time and thus optimize the slowness objective. The resulting functions can be interpreted as nonlinear spatio-temporal receptive fields and compared to neurons in the primary visual cortex (V1). We find that they reproduce (qualitatively and quantitatively) many of the properties of complex cells in V1, not only the two basic ones, namely a Gabor-like optimal stimulus and phase-shift invariance, but also secondary ones like direction selectivity, non-orthogonal inhibition, end-inhibition and side-inhibition. These results show that a single unsupervised learning principle can account for a rich repertoire of receptive field properties. In order to analyze the nonlinear functions learned by SFA in our model, we developed a set of mathematical and numerical tools to characterize quadratic forms as receptive fields. We expand them in a successive chapter to be of more general interest for theoretical and physiological models. We conclude this thesis by showing the application of the temporal slowness principle to pattern recognition. We reformulate the SFA algorithm such that it can be applied to pattern recognition problems that lack of a temporal structure and present the optimal solutions in this case. We then apply the system to a standard handwritten digits database with good performance.