Einleitung: Kurzkettige Fettsäuren (SCFA) stellen das hauptsächliche Energiesubstrat für Wiederkäuer dar. In Anbetracht des - bedingt durch höhere Milch-, Mast und Reproduktionsleistung - steigenden Energiebedarfs von Hauswiederkäuern wie Milchkuh und Mastbulle ist es von zentraler Bedeutung, die Mechanismen zur Resorption dieser Energielieferanten bzw. Ansatzpunkte für die Beeinflussung dieser Transportprozesse genau zu kennen. Dieses Wissen kann möglicherweise dabei helfen, zukünftig die Energieaufnahme der Tiere zu unterstützen bzw. sogar effizienter zu gestalten. Ziele der Untersuchungen: Deshalb war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die Mechanismen zur Resorption von SCFA zu charakterisieren, wobei der Schwerpunkt auf den Transport aus den Pansenepithelzellen ins Blut gelegt wurde, da hierzu im Gegensatz zu ihrer Aufnahme aus dem Pansenlumen in die Epithelzellen noch sehr wenig bekannt war. In einem zweiten Schritt sollte untersucht werden, inwiefern die nachgewiesenen Mechanismen einer Regulation unterliegen und über welche Signalwege diese vermittelt werden könnte. Materialien und Methoden: Zur Charakterisierung der beteiligten Resorptionsmechanismen wurden Epithelstücke aus dem ventralen Pansensack von Schafen in Ussing-Kammern eingespannt und mit Hilfe radioaktiv markierten Azetats, Butyrats und L-Laktats der Transport dieser Substrate unter verschiedenen Bedingungen sowie verschiedenen Hemmstoffeinflüssen untersucht. Zur Charakterisierung regulativer Einflüsse wurden die Epithelstücke über sechs bzw. 24 Stunden mit Butyrat inkubiert und anschließend RNA bzw. Totalprotein extrahiert. Hiermit konnten Veränderungen in mRNA- und Proteinexpression mittels quantitativer Echtzeit-PCR bzw. Western Blot nachgewiesen werden. Ergebnisse: Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit konnten zeigen, dass der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels hauptsächlich proteinvermittelt erfolgt. Eine signifikante Beteiligung lipophiler Diffusion, d.h. ein passiver Transport, kann weitgehend ausgeschlossen werden. Der aktive Transport wies eine bikarbonatabhängige und eine bikarbonatunabhängige Komponente auf. Der Einsatz von Hemmstoffen verschiedener Transportproteine ergab deutliche Hinweise darauf, dass der Monocarboxylattransporter (MCT) 1 eine Rolle beim bikarbonatgekoppelten Transport von Azetat bzw. allgemein unmetabolisierten SCFA spielt. Diese Hinweise wurden untersetzt durch die Beobachtung, dass MCT 1, aber auch der apikal bzw. intrazellulär lokalisierte MCT 4 durch langfristige Inkubation des Epithels mit Butyrat sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene signifikant erhöht exprimiert wurden, was als Anpassungsreaktion an eine Substratakkumulation interpretiert werden kann. Außerdem wurde auch die mRNA-Expression des Putativen Anionentransporters (PAT) 1 durch Inkubation mit Butyrat erhöht, was für eine Beteiligung auch dieses Transportproteins am SCFA-Transport über das Pansenepithel spricht. Allerdings ist im Gegensatz zu MCT 1 die Lokalisation des PAT 1 in der basolateralen Membran noch fraglich. Die Expressionssteigerung von Zielgenen des Nukleären Faktors ĸB und des Peroxisomenproliferator-aktivierten Rezeptors α sowie des Hypoxie-induzierbaren Faktors selbst deuten weiterhin darauf hin, dass die Steigerung der Transportkapazitäten von MCT 1 und 4 und auch PAT 1 über diese Signalwege vermittelt wird. Schlussfolgerungen: Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erstmals der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels näher charakterisiert werden, sodass es nun möglich ist, zusammen mit den bereits vorliegenden Befunden für die apikale Membran ein komplettes Modell dafür zu erstellen. Auch wurden Erkenntnisse zu regulativen Einflüssen auf diesen Transport gewonnen, die es zukünftig ermöglichen könnten, die Resorption der SCFA aus dem Pansen nutritiv oder eventuell pharmakologisch zu beeinflussen.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Bedeutung kurzkettiger Fettsäuren für Wiederkäuer 3 2.2 Metabolismus von SCFA im Pansenepithel 4 2.2.1 Aufrechterhaltung des Konzentrationsgradienten vom Pansenlumen ins Epithel 4 2.2.2 Produktion von HCO3- aus CO2 durch die Carboanhydrase 5 2.2.3 Bereitstellung von Energie für die Epithelzellen 5 2.2.4 Bereitstellung von wasserlöslichen, glukosesparenden Energiesubstraten für die periphere Zirkulation 5 2.2.5 Verhinderung möglicher Schädigungen durch Butyrat 6 2.3 Transportmechanismen für kurzkettige Fettsäuren 7 2.3.1 Para- versus transzelluläre Resorption 7 2.3.2 Transzelluläre Resorption mittels lipophiler Diffusion 7 2.3.3 Proteinvermittelte SCFA-Permeation 9 2.3.4 Permeation von SCFA aus dem Epithel ins Blut 11 2.4 Beeinflussung der SCFA-Resorption auf Genexpressionsebene 17 2.4.1 Beeinflussung der Genexpression durch Butyrat 17 2.4.2 Beeinflussung der Genexpression durch Hypoxie 20 2.4.3 Mechanismen für die Regulation der Genexpression durch Butyrat (-Metaboliten) und Hypoxie 21 2.5 Fragestellungen dieser Arbeit 26 3 Ergebnisse 28 3.1 Publikation 1 28 3.2 Publikation 2 41 4 Diskussion 54 4.1 Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels 54 4.1.1 Transport mittels lipophiler Diffusion 57 4.1.2 SCFA werden bevorzugt über die basolaterale Membran transportiert 58 4.1.3 SCFA(-Metaboliten) werden bikarbonatabhängig über die basolaterale Membran transportiert 59 4.1.4 SCFA(-Metaboliten) werden durch einen Anionenaustauschmechanismus ins Blut ausgeschleust 61 4.1.5 Azetat wird durch einen pHMB- und CHC-sensitiven Mechanismus transportiert 63 4.2 Der Transport von SCFA über das Pansenepithel unterliegt regulativen Einflüssen 68 4.2.1 Einfluss von Butyrat(-Metaboliten) auf die Expression von potentiellen SCFA Transportern 68 4.2.2 Mechanismen für die Regulation der Expression durch Butyrat(-Metaboliten) 72 4.3 Theoretisches Modell des SCFA-Transports und dessen Regulation auf Genexpressionsebene auf Grundlage der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit 74 5 Zusammenfassung 76 6 Summary 78 7 Literaturverzeichnis 80 Danksagung 98 / Introduction: The main energy source for ruminants are short chain fatty acids (SCFA). Considering the ever increasing energy requirements of cattle due to increasing milk yield and meat production, it is crucial to identify the mechanisms for the resorption of these energy sources as well as possibilities to influence these transport mechanisms. This knowledge could help support the animals’ energy uptake or even making it more efficient. Aim: Thus, the aim of the present study was to characterise mechanisms for the resorption of SCFA focusing on their transport from the epithelial cells into the blood. In particular, since – compared to the research findings on the uptake of SCFA from ruminal lumen into the cells – so far only very little was known regarding this side of the epithelium. In a second step, the study aimed to elucidate whether the mechanisms observed are subject to regulatory processes and which signalling pathways are involved. Materials and methods: To characterise the transport mechanisms involved, epithelial pieces from the ventral sac of ovine rumen were mounted in Ussing chambers. Using radioactively labelled acetate, butyrate and L-lactate, the transport of these substrates was investigated under different conditions and by applying different inhibitors for potential SCFA transport proteins. To characterise regulatory influences, epithelial pieces were incubated with butyrate for six and 24 hours, respectively. Subsequently, total RNA and protein were extracted to detect changes in mRNA and protein expression using quantitative real time PCR and western blot, respectively. Results: The present study could show that transport of SCFA across the basolateral membrane of rumen epithelium is mainly realised by protein-mediated mechanisms. A significant participation of lipophilic diffusion, i.e. a passive transport, can almost entirely be excluded. The active transport could be divided into a bicarbonate-dependent and a bicarbonate-independent part. The experiments with inhibitors of different transport proteins showed clear evidence of an involvement of monocarboxylate transporter (MCT) 1 in the bicarbonate-dependent transport of acetate and non-metabolised SCFA in general. This evidence was supported by the finding that the expression of MCT 1 but also of the apically and intracellularly localised MCT 4 was increased significantly on both mRNA- and protein-level after long-term incubation of the epithelium with butyrate. This can be interpreted as an adaptation to a substrate accumulation. Additionally, butyrate incubation led to an increased mRNA expression of putative anion transporter (PAT) 1, which makes an involvement of this transport protein in SCFA transport across ruminal epithelium likely as well. However, in contrast to MCT 1 the localisation of PAT 1 in the basolateral membrane is still questionable. The increased expression of target genes of nuclear factor ĸB and peroxisome-proliferator activated receptor α as well as of hypoxia inducible factor strongly point to an involvement of these pathways in the increased expression of MCT 1 and 4 as well as PAT 1. Conclusions: In summary, this study could characterise the transport of SCFA across the basolateral membrane of ruminal epithelium in detail for the first time. This enables us to draw a complete model of ruminal SCFA transport. Also, evidence for regulatory influence on this transport processes was found, perhaps making it possible to influence resorption of SCFA from rumen by nutritive or pharmacological means in the future.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 3 2.1 Bedeutung kurzkettiger Fettsäuren für Wiederkäuer 3 2.2 Metabolismus von SCFA im Pansenepithel 4 2.2.1 Aufrechterhaltung des Konzentrationsgradienten vom Pansenlumen ins Epithel 4 2.2.2 Produktion von HCO3- aus CO2 durch die Carboanhydrase 5 2.2.3 Bereitstellung von Energie für die Epithelzellen 5 2.2.4 Bereitstellung von wasserlöslichen, glukosesparenden Energiesubstraten für die periphere Zirkulation 5 2.2.5 Verhinderung möglicher Schädigungen durch Butyrat 6 2.3 Transportmechanismen für kurzkettige Fettsäuren 7 2.3.1 Para- versus transzelluläre Resorption 7 2.3.2 Transzelluläre Resorption mittels lipophiler Diffusion 7 2.3.3 Proteinvermittelte SCFA-Permeation 9 2.3.4 Permeation von SCFA aus dem Epithel ins Blut 11 2.4 Beeinflussung der SCFA-Resorption auf Genexpressionsebene 17 2.4.1 Beeinflussung der Genexpression durch Butyrat 17 2.4.2 Beeinflussung der Genexpression durch Hypoxie 20 2.4.3 Mechanismen für die Regulation der Genexpression durch Butyrat (-Metaboliten) und Hypoxie 21 2.5 Fragestellungen dieser Arbeit 26 3 Ergebnisse 28 3.1 Publikation 1 28 3.2 Publikation 2 41 4 Diskussion 54 4.1 Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels 54 4.1.1 Transport mittels lipophiler Diffusion 57 4.1.2 SCFA werden bevorzugt über die basolaterale Membran transportiert 58 4.1.3 SCFA(-Metaboliten) werden bikarbonatabhängig über die basolaterale Membran transportiert 59 4.1.4 SCFA(-Metaboliten) werden durch einen Anionenaustauschmechanismus ins Blut ausgeschleust 61 4.1.5 Azetat wird durch einen pHMB- und CHC-sensitiven Mechanismus transportiert 63 4.2 Der Transport von SCFA über das Pansenepithel unterliegt regulativen Einflüssen 68 4.2.1 Einfluss von Butyrat(-Metaboliten) auf die Expression von potentiellen SCFA Transportern 68 4.2.2 Mechanismen für die Regulation der Expression durch Butyrat(-Metaboliten) 72 4.3 Theoretisches Modell des SCFA-Transports und dessen Regulation auf Genexpressionsebene auf Grundlage der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit 74 5 Zusammenfassung 76 6 Summary 78 7 Literaturverzeichnis 80 Danksagung 98

Einleitung: Kurzkettige Fettsäuren (SCFA) stellen das hauptsächliche Energiesubstrat für Wiederkäuer dar. In Anbetracht des - bedingt durch höhere Milch-, Mast und Reproduktionsleistung - steigenden Energiebedarfs von Hauswiederkäuern wie Milchkuh und Mastbulle ist es von zentraler Bedeutung, die Mechanismen zur Resorption dieser Energielieferanten bzw. Ansatzpunkte für die Beeinflussung dieser Transportprozesse genau zu kennen. Dieses Wissen kann möglicherweise dabei helfen, zukünftig die Energieaufnahme der Tiere zu unterstützen bzw. sogar effizienter zu gestalten. Ziele der Untersuchungen: Deshalb war es Ziel der vorliegenden Arbeit, die Mechanismen zur Resorption von SCFA zu charakterisieren, wobei der Schwerpunkt auf den Transport aus den Pansenepithelzellen ins Blut gelegt wurde, da hierzu im Gegensatz zu ihrer Aufnahme aus dem Pansenlumen in die Epithelzellen noch sehr wenig bekannt war. In einem zweiten Schritt sollte untersucht werden, inwiefern die nachgewiesenen Mechanismen einer Regulation unterliegen und über welche Signalwege diese vermittelt werden könnte. Materialien und Methoden: Zur Charakterisierung der beteiligten Resorptionsmechanismen wurden Epithelstücke aus dem ventralen Pansensack von Schafen in Ussing-Kammern eingespannt und mit Hilfe radioaktiv markierten Azetats, Butyrats und L-Laktats der Transport dieser Substrate unter verschiedenen Bedingungen sowie verschiedenen Hemmstoffeinflüssen untersucht. Zur Charakterisierung regulativer Einflüsse wurden die Epithelstücke über sechs bzw. 24 Stunden mit Butyrat inkubiert und anschließend RNA bzw. Totalprotein extrahiert. Hiermit konnten Veränderungen in mRNA- und Proteinexpression mittels quantitativer Echtzeit-PCR bzw. Western Blot nachgewiesen werden. Ergebnisse: Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit konnten zeigen, dass der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels hauptsächlich proteinvermittelt erfolgt. Eine signifikante Beteiligung lipophiler Diffusion, d.h. ein passiver Transport, kann weitgehend ausgeschlossen werden. Der aktive Transport wies eine bikarbonatabhängige und eine bikarbonatunabhängige Komponente auf. Der Einsatz von Hemmstoffen verschiedener Transportproteine ergab deutliche Hinweise darauf, dass der Monocarboxylattransporter (MCT) 1 eine Rolle beim bikarbonatgekoppelten Transport von Azetat bzw. allgemein unmetabolisierten SCFA spielt. Diese Hinweise wurden untersetzt durch die Beobachtung, dass MCT 1, aber auch der apikal bzw. intrazellulär lokalisierte MCT 4 durch langfristige Inkubation des Epithels mit Butyrat sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene signifikant erhöht exprimiert wurden, was als Anpassungsreaktion an eine Substratakkumulation interpretiert werden kann. Außerdem wurde auch die mRNA-Expression des Putativen Anionentransporters (PAT) 1 durch Inkubation mit Butyrat erhöht, was für eine Beteiligung auch dieses Transportproteins am SCFA-Transport über das Pansenepithel spricht. Allerdings ist im Gegensatz zu MCT 1 die Lokalisation des PAT 1 in der basolateralen Membran noch fraglich. Die Expressionssteigerung von Zielgenen des Nukleären Faktors ĸB und des Peroxisomenproliferator-aktivierten Rezeptors α sowie des Hypoxie-induzierbaren Faktors selbst deuten weiterhin darauf hin, dass die Steigerung der Transportkapazitäten von MCT 1 und 4 und auch PAT 1 über diese Signalwege vermittelt wird. Schlussfolgerungen: Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erstmals der Transport von SCFA über die basolaterale Membran des Pansenepithels näher charakterisiert werden, sodass es nun möglich ist, zusammen mit den bereits vorliegenden Befunden für die apikale Membran ein komplettes Modell dafür zu erstellen. Auch wurden Erkenntnisse zu regulativen Einflüssen auf diesen Transport gewonnen, die es zukünftig ermöglichen könnten, die Resorption der SCFA aus dem Pansen nutritiv oder eventuell pharmakologisch zu beeinflussen. / Introduction: The main energy source for ruminants are short chain fatty acids (SCFA). Considering the ever increasing energy requirements of cattle due to increasing milk yield and meat production, it is crucial to identify the mechanisms for the resorption of these energy sources as well as possibilities to influence these transport mechanisms. This knowledge could help support the animals’ energy uptake or even making it more efficient. Aim: Thus, the aim of the present study was to characterise mechanisms for the resorption of SCFA focusing on their transport from the epithelial cells into the blood. In particular, since – compared to the research findings on the uptake of SCFA from ruminal lumen into the cells – so far only very little was known regarding this side of the epithelium. In a second step, the study aimed to elucidate whether the mechanisms observed are subject to regulatory processes and which signalling pathways are involved. Materials and methods: To characterise the transport mechanisms involved, epithelial pieces from the ventral sac of ovine rumen were mounted in Ussing chambers. Using radioactively labelled acetate, butyrate and L-lactate, the transport of these substrates was investigated under different conditions and by applying different inhibitors for potential SCFA transport proteins. To characterise regulatory influences, epithelial pieces were incubated with butyrate for six and 24 hours, respectively. Subsequently, total RNA and protein were extracted to detect changes in mRNA and protein expression using quantitative real time PCR and western blot, respectively. Results: The present study could show that transport of SCFA across the basolateral membrane of rumen epithelium is mainly realised by protein-mediated mechanisms. A significant participation of lipophilic diffusion, i.e. a passive transport, can almost entirely be excluded. The active transport could be divided into a bicarbonate-dependent and a bicarbonate-independent part. The experiments with inhibitors of different transport proteins showed clear evidence of an involvement of monocarboxylate transporter (MCT) 1 in the bicarbonate-dependent transport of acetate and non-metabolised SCFA in general. This evidence was supported by the finding that the expression of MCT 1 but also of the apically and intracellularly localised MCT 4 was increased significantly on both mRNA- and protein-level after long-term incubation of the epithelium with butyrate. This can be interpreted as an adaptation to a substrate accumulation. Additionally, butyrate incubation led to an increased mRNA expression of putative anion transporter (PAT) 1, which makes an involvement of this transport protein in SCFA transport across ruminal epithelium likely as well. However, in contrast to MCT 1 the localisation of PAT 1 in the basolateral membrane is still questionable. The increased expression of target genes of nuclear factor ĸB and peroxisome-proliferator activated receptor α as well as of hypoxia inducible factor strongly point to an involvement of these pathways in the increased expression of MCT 1 and 4 as well as PAT 1. Conclusions: In summary, this study could characterise the transport of SCFA across the basolateral membrane of ruminal epithelium in detail for the first time. This enables us to draw a complete model of ruminal SCFA transport. Also, evidence for regulatory influence on this transport processes was found, perhaps making it possible to influence resorption of SCFA from rumen by nutritive or pharmacological means in the future.

Das deklarative Gedächtnis beruht auf Wechselwirkungen zwischen dem medialen Temporallappens (MTL) und Neokortex. Aufgrund der verteilten Natur neokortikaler Netzwerke bleiben zelluläre Ziele und Mechanismen der Gedächtnisbildung im Neokortex jedoch schwer fassbar. Im sechsschichtigen Säugetier-Neokortex konvergieren die Top-Down-Inputs auf Schicht 1 (L1). Wir untersuchten, wie Top-Down-Inputs von MTL die neokortikale Aktivität während der Gedächtnisbildung modulieren. Wir haben zunächst ein Kortex- und Hippocampus-abhängiges Lernparadigma angepasst, in dem Tiere gelernt haben, direkte kortikale Mikrostimulation und Belohnung zu assoziieren. Neuronen in den tiefen Schichten des perirhinalen Kortex lieferten monosynaptische Eingaben in L1 des primären somatosensorischen Kortex (S1), wo die Mikrostimulation vorgestellt wurde. Die chemogenetische Unterdrückung der perirhinalen Inputs in L1 von S1 störte die Gedächtnisbildung, hatte jedoch keinen Einfluss auf die Leistung der Tiere nach abgeschlossenem Lernen. Dem Lernen folgte das Auftreten einer klaren Subpopulation von Pyramidenneuronen der Schicht 5 (L5), die durch hochfrequentes Burst-Feuern gekennzeichnet war und durch Blockieren der perirhinalen Inputs zu L1 reduziert werden konnte. Interessanterweise zeigte ein ähnlicher Anteil an apikalen Dendriten von L5-Pyramidenneuronen ebenfalls eine signifikant erhöhte Ca2+-Aktivität während des Gedächtnisabrufs bei Expertentieren. Wichtig ist, dass die Störung der dendritischen Ca2+-Aktivität das Lernen beeinträchtigte, was darauf hindeutet, dass apikale Dendriten von L5-Pyramidenneuronen eine entscheidende Rolle bei der Bildung des neokortikalen Gedächtnisses spielen. Wir schließen daraus, dass MTL-Eingaben das Lernen über einen perirhinalen vermittelten Gating-Prozess in L1 steuern, der sich in einer erhöhten dendritischen Ca2+-Aktivität und einem Burst-Firing in pyramidalen L5-Neuronen manifestiert. / Declarative memory relies on interactions between the medial temporal lobe (MTL) and neocortex. However, due the distributed nature of neocortical networks, cellular targets and mechanisms of memory formation in the neocortex remain elusive. In the six-layered mammalian neocortex, top-down inputs converge on its outermost layer, layer 1 (L1). We examined how layer-specific top-down inputs from MTL modulate neocortical activity during memory formation. We first adapted a cortical- and hippocampal-dependent learning paradigm, in which animals learned to associate direct cortical microstimulation and reward, and characterized the learning behavior of rats and mice. We next showed that neurons in the deep layers of the perirhinal cortex not only provide monosynaptic inputs to L1 of the primary somatosensory cortex (S1), where microstimulation was presented, but also actively reflect the behavioral outcome. Chemogenetic suppression of perirhinal inputs to L1 of S1 disrupted early memory formation but did not affect animals’ performance after learning. The learning was followed by an emergence of a distinct subpopulation of layer 5 (L5) pyramidal neurons characterized by high-frequency burst firing, which could be reduced by blocking perirhinal inputs to L1. Interestingly, a similar proportion of apical dendrites (~10%) of L5 pyramidal neurons also displayed significantly enhanced calcium (Ca2+) activity during memory retrieval in expert animals. Importantly, disrupting dendritic Ca2+ activity impaired learning, suggesting that apical dendrites of L5 pyramidal neurons have a critical role in neocortical memory formation. Taken together, these results suggest that MTL inputs control learning via a perirhinal-mediated gating process in L1, manifested by elevated dendritic Ca2+ activity and burst firing in L5 pyramidal neurons. The present study provides insights into cellular mechanisms of learning and memory representations in the neocortex.

To fully understand how the brain works, it is necessary to relate the brain’s function to its anatomy. Cortical anatomy is subject-specific. It is character- ized by the thickness and number of intracortical layers, which differ from one cortical area to the next. Each cortical area fulfills a certain function. With magnetic res- onance imaging (MRI) it is possible to study structure and function in-vivo within the same subject. The resolution of ultra-high field MRI at 7T allows to resolve intracortical anatomy. This opens the possibility to relate cortical function of a sub- ject to its corresponding individual structural area, which is one of the main goals of neuroimaging. To parcellate the cortex based on its intracortical structure in-vivo, firstly, im- ages have to be quantitative and homogeneous so that they can be processed fully- automatically. Moreover, the resolution has to be high enough to resolve intracortical layers. Therefore, the in-vivo MR images acquired for this work are quantitative T1 maps at 0.5 mm isotropic resolution. Secondly, computational tools are needed to analyze the cortex observer-independ- ently. The most recent tools designed for this task are presented in this thesis. They comprise the segmentation of the cortex, and the construction of a novel equi-volume coordinate system of cortical depth. The equi-volume model is not restricted to in- vivo data, but is used on ultra-high resolution post-mortem data from MRI as well. It could also be used on 3D volumes reconstructed from 2D histological stains. An equi-volume coordinate system yields firstly intracortical surfaces that follow anatomical layers all along the cortex, even within areas that are severely folded where previous models fail. MR intensities can be mapped onto these equi-volume surfaces to identify the location and size of some structural areas. Surfaces com- puted with previous coordinate systems are shown to cross into different anatomical layers, and therefore also show artefactual patterns. Secondly, with the coordinate system one can compute cortical traverses perpendicularly to the intracortical sur- faces. Sampling intensities along equi-volume traverses results in cortical profiles that reflect an anatomical layer pattern, which is specific to every structural area. It is shown that profiles constructed with previous coordinate systems of cortical depth disguise the anatomical layer pattern or even show a wrong pattern. In contrast to equi-volume profiles these profiles from previous models are not suited to analyze the cortex observer-independently, and hence can not be used for automatic delineations of cortical areas. Equi-volume profiles from four different structural areas are presented. These pro- files show area-specific shapes that are to a certain degree preserved across subjects. Finally, the profiles are used to classify primary areas observer-independently.:1 Introduction p. 1 2 Theoretical Background p. 5 2.1 Neuroanatomy of the human cerebral cortex . . . .p. 5 2.1.1 Macroscopical structure . . . . . . . . . . . .p. 5 2.1.2 Neurons: cell bodies and fibers . . . . . . . .p. 5 2.1.3 Cortical layers in cyto- and myeloarchitecture . . .p. 7 2.1.4 Microscopical structure: cortical areas and maps . .p. 11 2.2 Nuclear Magnetic Resonance . . . . . . . . . . . . . .p. 13 2.2.1 Proton spins in a static magnetic field B0 . . . . .p. 13 2.2.2 Excitation with B1 . . . . . . . . . . . . . . . . .p. 15 2.2.3 Relaxation times T1, T2 and T∗ 2 . . . . . . . . . .p. 16 2.2.4 The Bloch equations . . . . . . . . . . . . . . . . p. 17 2.3 Magnetic Resonance Imaging . . . . . . . . . . . . . .p. 20 2.3.1 Encoding of spatial location and k-space . . . . . .p. 20 2.3.2 Sequences and contrasts . . . . . . . . . . . . . . p. 22 2.3.3 Ultra-high resolution MRI . . . . . . . . . . . . . p. 24 2.3.4 Intracortical MRI: different contrasts and their sources p. 25 3 Image analysis with computed cortical laminae p. 29 3.1 Segmentation challenges of ultra-high resolution images p. 30 3.2 Reconstruction of cortical surfaces with the level set method p. 31 3.3 Myeloarchitectonic patterns on inflated hemispheres . . . . p. 33 3.4 Profiles revealing myeloarchitectonic laminar patterns . . .p. 36 3.5 Standard computational cortical layering models . . . . . . p. 38 3.6 Curvature bias of computed laminae and profiles . . . . . . p. 39 4 Materials and methods p. 41 4.1 Histology . . . . . p. 41 4.2 MR scanning . . . . p. 44 4.2.1 Ultra-high resolution post-mortem data p. 44 4.2.2 The MP2RAGE sequence . . . . . . . . p. 45 4.2.3 High-resolution in-vivo T1 maps . . . .p. 46 4.2.4 High-resolution in-vivo T∗ 2-weighted images p. 47 4.3 Image preprocessing and experiments . . . . . .p. 48 4.3.1 Fully-automatic tissue segmentation . . . . p. 48 4.3.2 Curvature Estimation . . . . . . . . . . . . p. 49 4.3.3 Preprocessing of post-mortem data . . . . . .p. 50 4.3.4 Experiments with occipital pole post-mortem data .p. 51 4.3.5 Preprocessing of in-vivo data . . . . . . . . . . p. 52 4.3.6 Evaluation experiments on in-vivo data . . . . . .p. 56 4.3.7 Application experiments on in-vivo data . . . . . p. 56 4.3.8 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .p. 58 5 Computational cortical layering models p. 59 5.1 Implementation of standard models . .p. 60 5.1.1 The Laplace model . . . . . . . . .p. 60 5.1.2 The level set method . . . . . . . p. 61 5.1.3 The equidistant model . . . . . . .p. 62 5.2 The novel anatomically motivated equi-volume model p. 63 5.2.1 Bok’s equi-volume principle . . . . . .p. 63 5.2.2 Computational equi-volume layering . . p. 66 6 Validation of the novel equi-volume model p. 73 6.1 The equi-volume model versus previous models on post-mortem samples p. 73 6.1.1 Comparing computed surfaces and anatomical layers . . . . . . . . p. 73 6.1.2 Cortical profiles reflecting an anatomical layer . . . . . . . . .p. 79 6.2 The equi-volume model versus previous models on in-vivo data . . . .p. 82 6.2.1 Comparing computed surfaces and anatomical layers . . . . . . . . p. 82 6.2.2 Cortical profiles reflecting an anatomical layer . . . . . . . . .p. 85 6.3 Dependence of computed surfaces on cortical curvature . . . . .p. 87 6.3.1 Within a structural area . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 87 6.3.2 Artifactual patterns on inflated surfaces . . . . . . . . . .p. 87 7 Applying the equi-volume model: Analyzing cortical architecture in-vivo in different structural areas p. 91 7.1 Impact of resolution on cortical profiles . . . . . . . . . . . . . p. 91 7.2 Intersubject variability of cortical profiles . . . . . . . . . . . p. 94 7.3 Myeloarchitectonic patterns on inflated hemispheres . . . . . . .p. 95 7.3.1 Comparison of patterns with inflated labels . . . . . . . . . .p. 97 7.3.2 Patterns at different cortical depths . . . . . . . . . . . . .p. 97 7.4 Fully-automatic primary-area classification using cortical profiles p. 99 8 Discussion p. 105 8.1 The novel equi-volume model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .p. 105 8.2 Analyzing cortical myeloarchitecture in-vivo with T1 maps . . . . . .p. 109 9 Conclusion and outlook p. 113 Bibliography p. 117 List of Figures p. 127

To fully understand how the brain works, it is necessary to relate the brain’s function to its anatomy. Cortical anatomy is subject-specific. It is character- ized by the thickness and number of intracortical layers, which differ from one cortical area to the next. Each cortical area fulfills a certain function. With magnetic res- onance imaging (MRI) it is possible to study structure and function in-vivo within the same subject. The resolution of ultra-high field MRI at 7T allows to resolve intracortical anatomy. This opens the possibility to relate cortical function of a sub- ject to its corresponding individual structural area, which is one of the main goals of neuroimaging. To parcellate the cortex based on its intracortical structure in-vivo, firstly, im- ages have to be quantitative and homogeneous so that they can be processed fully- automatically. Moreover, the resolution has to be high enough to resolve intracortical layers. Therefore, the in-vivo MR images acquired for this work are quantitative T1 maps at 0.5 mm isotropic resolution. Secondly, computational tools are needed to analyze the cortex observer-independ- ently. The most recent tools designed for this task are presented in this thesis. They comprise the segmentation of the cortex, and the construction of a novel equi-volume coordinate system of cortical depth. The equi-volume model is not restricted to in- vivo data, but is used on ultra-high resolution post-mortem data from MRI as well. It could also be used on 3D volumes reconstructed from 2D histological stains. An equi-volume coordinate system yields firstly intracortical surfaces that follow anatomical layers all along the cortex, even within areas that are severely folded where previous models fail. MR intensities can be mapped onto these equi-volume surfaces to identify the location and size of some structural areas. Surfaces com- puted with previous coordinate systems are shown to cross into different anatomical layers, and therefore also show artefactual patterns. Secondly, with the coordinate system one can compute cortical traverses perpendicularly to the intracortical sur- faces. Sampling intensities along equi-volume traverses results in cortical profiles that reflect an anatomical layer pattern, which is specific to every structural area. It is shown that profiles constructed with previous coordinate systems of cortical depth disguise the anatomical layer pattern or even show a wrong pattern. In contrast to equi-volume profiles these profiles from previous models are not suited to analyze the cortex observer-independently, and hence can not be used for automatic delineations of cortical areas. Equi-volume profiles from four different structural areas are presented. These pro- files show area-specific shapes that are to a certain degree preserved across subjects. Finally, the profiles are used to classify primary areas observer-independently.

In dieser Arbeit wurden die Morpho-Physiologie und das Verhalten zweier Arten Afrikanischer schwach elektrischer Fische, Marcusenius victoriae und Petrocephalus degeni, im Labor und in einem ihrer natürlichen Habitate im Lwamunda Sumpf in Uganda untersucht. Die zwei Hauptziele dieser Arbeit waren (i) tageszeitabhängige Verhaltensrhythmen (Aktivität, Habitatnutzung) im Labor und im Freiland zu untersuchen und (ii) die Ausprägung und Plastizität der morpho-physiologischen Merkmale von P. degeni zu untersuchen, die ihnen erlauben bei natürlich vorkommender, geringer Sauerstoffverfügbarkeit (Hypoxie) zu überleben. Tageszeitabhängige Verhaltensrhythmen beider Arten wurden im Labor über 42 Stunden und im natürlichen Habitat dieser Fische für sechs Tage erfasst. In den Laborversuchen verbrachten beide Arten tagsüber annähernd 100% der Zeit in einem bereitgestellten Versteck und schwammen nachts heraus um aktiv ihre Umwelt zu erkunden. Im Habitat wurden die meisten Fische in strukturell komplexen Habitaten unter schwimmenden Pflanzen detektiert. Nachts schwammen die Fische aktiv in die offenen und ungeschützten Bereiche der Lagune, vermutlich um nach Futter zu suchen und zu interagieren. Die Begleitende in-situ Messung der Sauerstoffverfügbarkeit zeigte, dass beide Arten präsent und vermutlich sogar am aktivsten waren während Phasen extremer nächtlicher Hypoxie. Zur Untersuchung der respiratorischen Merkmale von P. degeni wurden Respirometrieversuche mit hypoxie-akklimatisierten Tieren durchgeführt, Hämoglobin- und Laktatkonzentration im Blut gemessen, und morphologische Parameter an den ersten beiden Kiemenbögen erfasst. Die Fische zeigten niedrige Sauerstoffverbrauchsraten, welche sie bis zu einem sehr niedrigem äußeren Sauerstoffpartialdruck aufrechterhielten. Zusätzlich zeigten sie hohe Hämoglobin- und Laktatkonzentrationen im Blut. Bis zu 75 Tage Normoxie-Akklimatisierung führte zu reduzierter Hämoglobinkonzentration und kürzeren Kiemenfilamenten. / In this thesis, I investigated the morpho-physiology and behavior of two species of African mormyrid weakly electric fish, Marcusenius victoriae and Petrocephalus degeni, in the laboratory and in one of their natural habitats, the Lwamunda Swamp in Uganda. The two main objectives of this work were to (i) observe behavioral rhythms and habitat use patterns of both species under natural and laboratory conditions, and (ii) assess expression and plasticity of morpho-physiological traits that might enable P. degeni to survive naturally occurring low oxygen conditions (hypoxia). Behavioral rhythms were recorded in the laboratory over 42 hours and in the habitat on six sampling days. In the laboratory, both species spent close to 100% of the time in their shelter during the day and actively explore their environment at night. In the swamp lagoon, fish were most often encountered in structurally complex habitats under floating vegetation and ventured into open and unsheltered areas of the lagoon at night, presumably to forage and interact. Concomitant in-situ oxygen measurements revealed that these fish were present, and presumably most active during periods of extreme nocturnal hypoxia in their swamp habitat. To investigate respiratory traits of swamp-dwelling P. degeni, I conducted respirometry experiments and measured blood lactate and hemoglobin and gill morphometrics on the first two gill arches. Fish showed low routine oxygen consumption rates, which they maintained until a very low ambient oxygen partial pressure was reached. Additionally, they had high concentrations of hemoglobin and lactate in their blood. Up to 75 days of normoxia exposure reduced blood hemoglobin and gill filament length.

Die elektrische Signalverarbeitung in Nervenzellen basiert auf deren erregbarer Zellmembran. Üblicherweise wird angenommen, dass die in der Membran eingebetteten leitfähigen Ionenkanäle nicht auf direkte Art gekoppelt sind und dass die Kapazität des von der Membran gebildeten Kondensators konstant ist. Allerdings scheinen diese Annahmen nicht für alle Nervenzellen zu gelten. Im Gegenteil, verschiedene Ionenkanäle “kooperieren” und auch die Vorstellung von einer konstanten spezifischen Membrankapazität wurde kürzlich in Frage gestellt. Die Auswirkungen dieser Abweichungen auf die elektrischen Eigenschaften von Nervenzellen ist das Thema der folgenden kumulativen Dissertationsschrift. Im ersten Projekt wird gezeigt, auf welche Weise stark kooperative spannungsabhängige Ionenkanäle eine Form von zellulärem Kurzzeitspeicher für elektrische Aktivität bilden könnten. Solche kooperativen Kanäle treten in der Membran häufig in kleinen räumlich getrennte Clustern auf. Basierend auf einem mathematischen Modell wird nachgewiesen, dass solche Kanalcluster als eine bistabile Leitfähigkeit agieren. Die dadurch entstehende große Speicherkapazität eines Ensembles dieser Kanalcluster könnte von Nervenzellen für stufenloses persistentes Feuern genutzt werden -- ein Feuerverhalten von Nutzen für das Kurzzeichgedächtnis. Im zweiten Projekt wird ein neues Dynamic Clamp Protokoll entwickelt, der Capacitance Clamp, das erlaubt, Änderungen der Membrankapazität in biologischen Nervenzellen zu emulieren. Eine solche experimentelle Möglichkeit, um systematisch die Rolle der Kapazität zu untersuchen, gab es bisher nicht. Nach einer Reihe von Tests in Simulationen und Experimenten wurde die Technik mit Körnerzellen des *Gyrus dentatus* genutzt, um den Einfluss von Kapazität auf deren Feuerverhalten zu studieren. Die Kombination beider Projekte zeigt die Relevanz dieser oft vernachlässigten Facetten von neuronalen Membranen für die Signalverarbeitung in Nervenzellen. / Electrical signaling in neurons is shaped by their specialized excitable cell membranes. Commonly, it is assumed that the ion channels embedded in the membrane gate independently and that the electrical capacitance of neurons is constant. However, not all excitable membranes appear to adhere to these assumptions. On the contrary, ion channels are observed to gate cooperatively in several circumstances and also the notion of one fixed value for the specific membrane capacitance (per unit area) across neuronal membranes has been challenged recently. How these deviations from the original form of conductance-based neuron models affect their electrical properties has not been extensively explored and is the focus of this cumulative thesis. In the first project, strongly cooperative voltage-gated ion channels are proposed to provide a membrane potential-based mechanism for cellular short-term memory. Based on a mathematical model of cooperative gating, it is shown that coupled channels assembled into small clusters act as an ensemble of bistable conductances. The correspondingly large memory capacity of such an ensemble yields an alternative explanation for graded forms of cell-autonomous persistent firing – an observed firing mode implicated in working memory. In the second project, a novel dynamic clamp protocol -- the capacitance clamp -- is developed to artificially modify capacitance in biological neurons. Experimental means to systematically investigate capacitance, a basic parameter shared by all excitable cells, had previously been missing. The technique, thoroughly tested in simulations and experiments, is used to monitor how capacitance affects temporal integration and energetic costs of spiking in dentate gyrus granule cells. Combined, the projects identify computationally relevant consequences of these often neglected facets of neuronal membranes and extend the modeling and experimental techniques to further study them.

Serotonin gilt als Hauptangriffsstelle gängiger Antidepressiva bei schweren Depressionen, wie bspw. selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI), und -Enhancer (SSRE). Es bleibt offen, ob SSRI / E ausschließlich über die Manipulation des Serotoninspiegels wirken, oder ob alternative Signalwege daran beteiligt sind. Ansatzpunkte hierfür sind beispielsweise die neurotrophen Signalwege (spez. Brain derived neurotophic factor, BDNF) oder die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren- (HPA) – Signalwege des Stressachsensystems. Ebenfalls wurde in Nagetiermodellen beobachtet, dass mit der Dysregulation des zentralen Serotoninsystems bei schweren Depressionen, ein Rückgang der Neurogenese im Gyrus dentatus des Hippocampus einhergeht. Ziel dieser Arbeit war, das Zusammenspiel von Serotonin, BDNF, adulter Neurogenese und der Stressachse zu untersuchen. Zentrum der Studien ist ein Mausmodell, mit einer genetischen Depletion des zentralen Serotonin-synthetisierenden Enzyms Tryptophanhydroxylase 2 (sog. Tph2-/- Mäuse). Es wurden die physiologische Reaktionen auf die Behandlung mit gängigen Antidepressiva abhängig von der Abwesenheit von Serotonin untersucht, um mögliche alternative Signalwege aufzeigen zu können. Die bekannte Zunahme der Neurogenese nach SSRI/SSRE-Behandlung wurde in Wildtyptieren beobachtet, während die Therapie in Tph2-/- Mäusen keine direkte kausale Wirkung zeigte. Im Gegensatz dazu waren die BDNF-Spiegel in depressionsrelevanten Hirnregionen in Tph2-/- Mäusen nach SSRI, signifikant verringert. Auch zeigen die Studien eine neurobiologische Relevanz von Serotonin im ZNS, bei den antidepressiven Mechanismen einer Elektrokonvulsiven Krampftherapie. Ebenfalls deuten erhöhte Neurogeneseraten bei lebenslanger Abwesenheit von Serotonin im ZNS, Therapiemethoden-unabhängig, möglicherweise auf eine modulierte Stressreaktion hin. Untersuchungen der Parameter des HPA-Stressachsensystems, wiesen auf einen grundlegend veränderten Stresshormonspiegel in Tph2-/- Mäusen hin. / Serotonin, the "molecule of happiness" is an important target for antidepressants. The mainly prescribed drugs in major depression are selective serotonin re-uptake inhibitors (SSRI); but recently, SSR-enhancer (SSRE) have also attracted clinical attention. However, only a quarter of patients responds to treatment. It needs to be determined, whether SSRI/E act solely via manipulating serotonin levels or whether other pathways are involved, e.g. neurotrophic signaling (brain-derived neurotrophic factor, BDNF) or the hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA)-axis. Furthermore, in major depression, dysregulation of central serotonin signaling is accompanied with a decline in hippocampal neurogenesis, as has been observed in rodent models. At the center of this thesis is a mouse model deficient in the central serotonin-synthesizing enzyme, tryptophan hydroxylase 2 (Tph2-/- mice). I have investigated physiological responses to antidepressant treatment in the absence of brain serotonin, and the possible role of alternative pathways. I observed the typical increase in neurogenesis upon SSRI treatment in WT mice, while it had no effect in Tph2-/- mice. In contrast, BDNF levels were significantly decreased in Tph2-/- mice after treatment with no effect in WT control mice. Furthermore, my results show a critical role of brain serotonin in the neurobiological effects of electroconvulsive seizure. Surprisingly, in animals lacking central serotonin, increased neurogenesis was observed independently of the treatment. The gathered data indicated an altered stress response; therefore, parameters of the HPA-axis have been studied, indicating a downregulated HPA system in Tph2-/-animals in baseline state, but showed no difference in treatment or feedback control. This thesis gives insight into the mechanisms of antidepressant action and reveals ideas for novel pathways involved in the process that could be used as targets in therapeutic approaches and further research in major depression.