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Die vorliegende Dissertation befasst sich mit Entstehungsmechanismen kardialer Arrhythmien auf der Grundlage pathologisch veränderten Myokards. Es wurde eine systematische Analyse der elektrophysiologischen Veränderungen, die als Folge von Gap-Junction- Lateralisierung und zellulärer Hypertrophie auftreten, durchgeführt. Die Analyse beruht auf einem mathematischen Computermodell, das zur Simulation der Aktionspotentialausbreitung innerhalb einer Einzelzellschicht humaner ventrikulärer Kardiomyozyten entwickelt wurde. Ausgehend von bestehenden Einzelzellmodellen wurde ein räumlich und zeitlich hoch aufgelöstes Multizellmodell generiert und in der Programmiersprache Object Pascal implementiert. Nach Validierung des Modells wurde es zur gezielten, an experimentellen Daten orientierten Manipulation geometrischer Eigenschaften der Zellen (Länge, Durchmesser) und des Zellverbandes (Anordnung der Zellen untereinander) sowie der Gap-Junction-Verteilung genutzt. Die Analyse der elektrophysiologischen Effekte im Vergleich zur Kontrolle fand sowohl unter Normalbedingungen als auch unter Bedingungen, die pathologischen Veränderungen entsprechen (Entkopplung der Gap-Junctions, verringerte Aktivität des schnellen Natriumkanals, erhöhte Inhomogenität), statt. Es zeigte sich, dass ein größerer Zelldurchmesser bzw. erhöhte laterale Gap-Junction-Leitfähigkeit (Simulation von kardialer Hypertrophie bzw. Connexin- Lateralisierung) die Entstehungswahrscheinlichkeit eines unidirektionalen Leitungsblocks erhöhte. Die Erregungsausbreitungsgeschwindigkeit in hypertrophierten Zellen war zudem weniger stabil als in normalen Zellen. Beide Effekte gehören zu den Hauptursachen der Entstehung und Aufrechterhaltung ventrikulärer Arrhythmien. Die Ergebnisse der Arbeit erklären somit Ursachen des erhöhten Arrhythmierisikos in pathologisch veränderten und hypertrophierten Herzen und liefern eine theoretische Grundlage für zukünftige Studien.

Conduction velocity error is often the main culprit behind the need for very fine spatial discretizations and high computational effort in cardiac electrophysiology problems. In light of this, a novel approach for simulating an accurate conduction velocity in coarse meshes with linear elements is suggested based on a modified quadrature approach. In this approach, the quadrature points are placed at arbitrary offsets of the isoparametric coordinates. A numerical study illustrates the dependence of the conduction velocity on the spatial discretization and the conductivity when using different quadrature rules and calculation approaches. Additionally, examples using the modified quadrature in coarse meshes for wave propagation demonstrate the improved accuracy of the conduction velocity with this method. This novel approach possesses great potential in reducing the computational effort required but remains limited to specific linear elements and experiences a reduction in accuracy for irregular meshes and heterogeneous conductivities. Further research can focus on developing an adaptive quadrature and extending the approach to other element formulations in order to make the approach more generally applicable.

Mikrobielle Rhodopsine sind lichtsensitive Proteine, die von Mikroorganismen exprimiert werden um Licht wahrzunehmen oder dessen Energie zu nutzen. Ionen-transportierende mikrobielle Rhodopsine begründeten das Feld der Optogenetik. Hier erlauben sie transmembrane Ionenflüsse lichtsensitiv zu machen und neuronale Aktivität mit Licht zu steuern. Eine zielführende Nutzung beruht auf ihrer molekularen Charakterisierung, um sie dem Experiment anzupassen und es sinnvoll zu entwerfen. Teil I der Arbeit beschäftigt sich mit dem rotverschobenen Kanalrhodopsin ReaChR. Obwohl es mit breitem, nicht gaussförmigen Aktionsspektrum mit maximalen Strömen um 600 nm publiziert wurde, zeigte das Blitzlichtspektrum hier maximale Aktivität bei 535 nm ohne Besonderheiten. Mit steigender Intensität und längeren Pulsen verbreiterte sich das Spektrum; sehr ähnlich zum publizierten Spektrum. Dieses einzigartige Verhalten wird durch sekundäre Photochemie erklärt, welche zu einem komplexen Photozyklus mit lichtinduzierten Übergangen führt. Mutationen an Schlüsselpositionen wurden genutzt, um ReaChR über die publizierten Daten hinaus zu charakterisieren und neue Eigenschaften zu generieren. In Teil II wurde die auswärtsgerichtete Natriumpumpe KR2 elektrophysiologisch charakterisiert, was zuvor von schlechter Membranständigkeit in Säugetierzellen verhindert wurde. Ein verbessertes KR2 mit höherer Membranständigkeit und 60-fach größeren Photoströmen erlaubte Selektivitätsmessungen, welche zeigten, dass der Strom von Natriumionen getragen wird, wohingegen nichts auf Protonentransport hindeutete. Bei ausreichender Substratkonzentration war der Strom anders als bei Chlorid- oder Protonenpumpen von der Membranspannung unabhängig. Die Expression in Mausneuronen ermöglichte die reversible Unterdrückung von Aktionspotentialen mit Licht, wobei der Ausstrom von Kationen einen komplementären Weg zur neuronale Aktivitätsunterdrückung bietet, wenn etablierte Werkzeuge schlecht oder nicht funktionieren. / Microbial rhodopsins are photosensitive proteins utilized by fungi, algae, and prokaryotes to sense light or harness its' energy. Ion transporting microbial rhodopsins initiated the field of optogenetics, where they are applied to render transmembrane ion fluxes light sensitive and control neuronal activity with light. Part I of the thesis focused on the electrophysiological characterization of the red-shifted channelrhodopsin ReaChR. Although published with a broad, non-Gaussian shaped action spectrum peaking around 600 nm, the flash action spectra of ReaChR recorded here had a maximum at 535 nm without peculiarities. Increasing intensities and prolonging illumination broadened the spectrum, which finally peaked around 600 nm. This unique behavior stems from pronounced secondary photochemistry leading to a complex photocycle with various light-induced transitions especially under constant illumination. Mutations at key positions like the central gate, DC-pair or counter ions were employed to characterize the properties of ReaChR beyond published data and engineer new features. In part II an electrophysiological characterization of the outward Na+ pump KR2 was pursued, which was hindered by poor membrane targeting in mammalian cells before. Engineering of eKR2 improved membrane targeting and lead to 60-fold larger photocurrents than in the wild type. Selectivity measurements revealed that the stationary photocurrent is primarily carried by sodium with no evidence for proton transport. At sufficient substrate concentration stationary photocurrents were independent of the membrane voltage distinguishing eKR2 from proton and chloride pumps. Finally, eKR2 reliably and reversibly inhibited action potential firing already at 0.5 mW/mm2 green illumination in cultured hippocampal mouse neurons. Inhibiting action potential firing through cation extrusion poses a complementary way of neuronal silencing in contexts where established tools are unfavorable or even impossible to use.

Ionenkanäle leiten Ionenströme über neuronale Membranen, wodurch Aktionspotentiale erzeugt und weitergeleitet werden. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Erregbarkeit und des Aktivierungsverhaltens von Neuronen. KCNQs sind eine wichtige Familie von spannungsgesteuerten Kaliumkanälen; ihre Dysfunktion kann zu verschiedenen neurologischen Krankheiten führen, einschließlich Erkrankung an Epilepsie und Taubheit. Es wurde gezeigt, dass KCNQ2 und KCNQ3 den M-Strom verantwortlich sind. Letzterer ist für die Regulierung des repetitiven Feuerns von Pyramidenzellen entscheidend. Im Gegensatz zu KCNQ2, ist die funktionelle Bedeutung von KCNQ3 noch nicht aufgeklärt. In dieser Arbeit zeigen wir mittels extrazellulärer Elektrophysiologie in vivo, dass bei konstitutiven Kcnq3 Knockoutmäusen die hippokampalen Pyramidenzellen vermehrt burstartig feuern. Außerdem weisen diese Tiere eine verminderte Spike-Frequenz-Anpassung auf und die Wahrscheinlichkeit des Burst-Feuerns während zwei verschiedener Oszillationen – Theta gegen Nicht-Theta – kann nicht mehr unterscheiden werden. Des Weiteren zeigen Kcnq3-Knockout- Pyramidenzellen während der Theta-Oszillation weder eine dominante Phasenpräferenz, noch eine Koordination ihrer Burst-Feuerung. Die Thetawellen Phasenpräzision tritt weiterhin bei dem vorübergehend verstärkten Feuern auf. Das räumliche selektive Feuern von mutmaßlichen Ortszellen blieb auch bei den Knockout-Mäusen erhalten, aber es ist hauptsächlich vom Burst- Feuern abhängig. Diese Studie zeigt, dass der KCNQ3-Ionenkanal eine wichtige Rolle bei der Regulierung der neuronalen Erregbarkeit und der Informationsverarbeitung spielt, und gibt damit Einblicke in die Bedeutsamkeit der KCNQ3-Ionenkanäle bezüglich der neurologischen Störungen. / Ion channels conduct ion flows across neuronal membrane whereby action potential is generated and propagated. They play a central role in regulating the excitability and firing behavior of a neuron. Among them, the KCNQs present a prominent family of voltage-gated potassium channels. Dysfunction of KCNQ2–5 channels can lead to varied neurological diseases including early onset epilepsy and deafness. In cortex and hippocampus, KCNQ2 and KCNQ3 have been demonstrated to underlie the non-inactivating M-current critical for controlling the repetitive firing of pyramidal cells. However, the functional significance of KCNQ3, unlike that of KCNQ2, remains elusive. Here, by applying in vivo extracellular electrophysiology in Kcnq3 constitutive knockout mice and the wild-type littermates, we find that hippocampal pyramidal cells lacking KCNQ3 exhibit increased burst firing. Moreover, the spike frequency adaptation of their bursts is diminished, and the burst propensity during two different field oscillations – theta versus non-theta – becomes indistinguishable. During theta oscillations, Kcnq3 knockout pyramidal cells no longer display unimodal phase preference and do not coordinate their burst firing. But phase advancement along successive theta cycles continues to occur at times of transiently intensified firing. The selective firing of place cells is largely preserved in the knockout while mainly relying on bursts. These results suggest that KCNQ3 channels indeed play a significant and specific role in regulating the neurons’ excitability and information processing, thus providing crucial mechanistic insights into the relevance of the KCNQ3 channels in neurological disorders.

Ionotrope Glutamatrezeptoren steuern exzitatorische Prozesse im Gehirn. Der AMPA-Rezeptor ist der schnellste Glutamatrezeptor und reguliert die Signaltransduktion in hochfrequenten Bereichen. Um die Konformationen des Rezeptors für die Aktivierung aufzuschlüsseln, wurden die Ligandenbindedomänen (LBD), mit künstlichen Metallbrücken verlinkt. Die tetramerische LBD-Schicht hat mehrere Freiheitsgrade. Sie reichen vom Schließen der LBD durch Ligandenbindung, bis hin zu den verschiedenen Konformationsmöglichkeiten innerhalb des Tetramers. Die bereits publizierte T1-Mutante wurde verlinkt und auf Einzelkanalebene elektrophysiologisch untersucht. Anschließend wurde T1 mit einer Mutante (DKD-3H) verglichen die durch molekulardynamische Simulationen identifiziert wurde. Die Eigenschaften von T1 und DKD-3H wurden mit einem natürlich vorkommenden AMPAR-Linker, namens Con ikot ikot, verglichen. Meeresschnecken der Gattung Conus setzen das Polypeptid zur Fischjagd ein. Zur Analyse wurde eine Software entwickelt, speziell für Ströme von ligandengesteuerten Ionenkanälen mit multiplen Leitfähigkeiten (www.github.com/AGPlested/ASCAM). Durch Verlinkung in T1 konnten drei präaktive Konformationen aufgeschlüsselt werden und die schnelle Aktivierung im sub-Millisekundenbereich verschwindet ganz. Obwohl die Metall-koordinierenden Residuen von T1 und DKD-3H nah beieinander liegen, konnte für DKD-3H nur eine einzelne präaktive Konformation gefunden werden. Es deutet darauf hin, dass die LBD-Schicht von AMPA-Rezeptoren hochdynamisch ist da die geringe Abweichung große Auswirkungen auf den Phänotypen des Rezeptors hat. LBD-Verlinkung mit Con-ikot-ikot ergab einen EC50 von ~5 nM. Alle drei Verlinkungsarten resultierten in einer reduzierten Offenwahrscheinlichkeit. Einzelkanalanalysen von T1 und Con-ikot-ikot-gebundenen AMPA-Rezeptoren unterstützen die Hypothese, dass die veränderten Phänotypen aus dem Wechselspiel der LBDs innerhalb der LBD-Schicht resultieren. / Ionotropic glutamate receptors (iGluRs) mediate excitatory neurotransmission in the mammalian brain. The AMPA-type receptor is the fastest iGluR member, activating at the sub-millisecond time scale. In this study, ligand-binding domains (LBDs), where AMPAR activation is initialised, were cross-linked with artificially introduced metal bridges to trap and investigate conformational states of the receptor before- and during activation. The tetrameric LBD layer has multiple degrees of freedom, from closure of individual clamshells and their conformational arrangement within the dimers and the tetramer. The previously studied T1 mutant was cross-linked at the single-channel level and compared to a second cross-linking mutant (DKD 3H) that was predicted on a molecular dynamics approach. T1 and DKD 3H were to the effects of a naturally occurring AMPAR-specific LBD cross-linker (Con ikot ikot) from a fish-hunting snail of the genus Conus. Single-channel recordings were analysed with a newly developed software dedicated to ligand-gated ion channels with conductances in the low pA range and multiple subconductance levels (www.github.com/AGPlested/ASCAM). Trapping of the T1 mutant revealed three pre-active conformational states that were not described for AMPARs before. Fast activation in the sub-millisecond range disappears fully indicating that these conformations proceed too fast in non-restricted wild-type receptors to be resolved. Although the metal-coordinating residues of T1 and DKD 3H are in close proximity, DKD 3H yielded one single pre-active state. A slightly distinct register of the bridge results in largely different phenotypes. Cross-linking with con ikot ikot identified an EC50 of ~5 nM. All three cross-linking approaches reduced open probability. The results support the hypothesis that the altered phenotypes are not a result of singly restricted LBDs but the dynamics of the tetrameric LBD-layer as one unit.

Der Geschmackssinn erfüllt eine grundlegende Funktion im Menschen indem er Substanzen auf ihre Essbarkeit überprüft, und beeinflusst Gesundheit, indem er die Lebensmittelauswahl prägt, was angesichts der Adipositas-Epidemie zunehmendes wissenschaftliches Interesse erzeugt. Zuerst habe ich die kortikale Signatur der Geschmacksenkodierung bzgl. synchronisierter neuronaler Aktivität untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das menschliche Gehirn sehr langsame Delta-Wellen rekrutiert, um Geschmacksinformationen zu verarbeiten, und dass die evozierten neuronalen Antwortmuster geschmackspezifisch und prädiktiv für das Antwortverhalten sind. Anschließend habe ich die Verarbeitungssequenz zur Geschmackserkennung bzgl. unterscheidbarer computationaler Zustände geprüft. Die Verarbeitungssequenz hat mit dem Geschmackskontrast variiert, so dass hedonisch unterschiedliche Geschmäcker gleichzeitig detektiert und kategorisiert wurden. Dies deutet darauf hin, dass die Valenz parallel zu sensorischen Geschmacksinformationen verarbeitet wird, was zu einer Schärfung der Geschmackskategorie führen könnte. Schließlich habe ich die evozierten geschmacklichen Antwortmuster zwischen normalgewichtigen und fettleibigen Individuen verglichen. Angesichts nicht unterscheidbarer Aktivierungsmuster haben beide Gruppen die gleichen mentalen Prozesse rekrutiert, um ein Geschmackserlebnis zu verarbeiten. Die Geschmacksrepräsentationen lassen jedoch bei adipösen Individuen früher nach, und zwar direkt mit dem Ende der Stimulation. Dieser Befund stimmt mit der Beobachtung hypoaktiver neuronaler Reaktionen bei Fettleibigkeit überein, wie bspw. einem abgeschwächten Belohnungserleben durch Essen. Die in der vorliegenden Arbeit dargestellten Ergebnisse vertiefen unser Verständnis des menschlichen Geschmackssystems. Angesichts der ernährungsbedingten Gesundheitskrise in der westlichen Welt bedarf es weiterer Forschung, eines der Schlüsselsysteme für die Geschmackswahrnehmung besser zu verstehen. / The sense of taste serves a basic function in human survival by scrutinizing substances as to their edibility, and specifically for health by determining food selection in societies of overabundance. It is a key component of the perception of flavor which, in light of the obesity epidemic, garners increasing scientific interest. First, I investigated the cortical signature of taste information coding, specifically synchronized neural activity which reflects one of the key mechanisms of neuronal communication. I found that the human brain recruits very-slow wave delta oscillations to process taste information, and that the emergent patterns were taste-specific and predictive of response behavior. Subsequently, I examined whether the processing sequence involved in taste recognition unfolds in distinct computational states. The findings were mixed in that the processing sequence varied with taste contrast, such that hedonically distinct tastes were categorized as soon as they were tasted. This suggests that valence may be processed in parallel to sensory taste information, reducing processing times due to a sharpening of the taste category. Finally, I compared the evoked gustatory response patterns between normal-weight and obese individuals. The results suggest based on indistinguishable activation patterns that both groups recruit the same mental processes in order to encode a taste event. However, the taste representations subside earlier in obese individuals, directly coinciding with the offset of stimulation. This finding aligns with the observation of hypoactive neural responses in obesity such as an attenuated experience of reward from food. Altogether, the research laid out in the current thesis furthers our understanding of the human gustatory system. Faced with the food-related health crisis of obesity in the Western world, there is an undeniable urgency to better understand one of the key systems involved in flavor perception.

Mikrobielle Rhodopsine sind Membranproteine, die Lichtsensitivität mit sensorischer, enzymatischer oder ionenleitender Funktion in einem Protein vereinen. Ihre strukturelle Kompaktheit macht lichtgetriebene Ionenpumpen und lichtgesteuerte Kanalrhodopsine (ChRs) zu weit verbreiteten optogenetischen Werkzeugen in der biologischen Forschung. Die Entdeckung und Entwicklung weiterer Ionenselektivitäten eröffnet neue Möglichkeiten der optogenetischen Manipulation des Membranpotentials elektrogener Zellen wie Neuronen. Seit langem wird an lichtgesteuerten K+-selektiven Ionenkanälen geforscht, um biologisch kompatible inhibierende Proteine zu kreieren. Eine Punktmutation im Rhodopsin KR2, einer lichtgesteuerten Na+-Pumpe aus dem Meeresbakterium Dokdonia eikasta, induzierte K+-selektive Leckströme. In dieser Studie wurden die Limitationen dieser KR2-R109Q-Mutante mithilfe elektrophysiologischer Methoden experimentell charakterisiert, begleitet von computergestützten pKa-Vorhersagen und MD-Simulationen. Eine Mutationsstudie offenbarte die molekularen Ursachen für die nachteilige pH-Abhängigkeit und die verbleibende Na+-Pumpaktivität. Durch Kombination von Schlüsselmutationen im Extrazellularraum des Proteins konnten diese Einschränkungen reduziert werden und größere K+-Leitfähigkeit unter physiologischen Bedingungen erzielt werden. Währenddessen wurden die ersten K+-selektiven ChRs unter physiologischen Bedingungen entdeckt, die KCRs. HcKCR1 aus der stramenopilen Alge Hyphochytrium catenoides und Mutanten der Ionenleitpore wurden elektrisch charakterisiert, unterstützt durch strukturelle Vorhersagen. Ein neuartiger hydrophober Selektivitätsfilter wurde identifiziert und seine Konservierung in verwandten Stramenopilen-ChRs nachgewiesen. WiChR aus Wobblia lunata zeigte hierbei eine beispiellose K+-Permeabilität und erreichte in Herzmuskelzellen und Neuronen hohe Eignung in Ein- und Zweiphotoneninhibition bei niedriger Lichtintensität und geringer Gewebeerwärmung. / Microbial rhodopsins are light-sensitive membrane proteins found in all domains of life. They combine photosensitivity with sensory, enzymatic or ion-translocating functions. Their structural simplicity makes light-driven ion pumps and light-gated channelrhodopsins (ChRs) valuable optogenetic tools for controlling cellular activity with light. Discovering and engineering new forms of ion selectivity expands possibilities for manipulating the membrane potential of electrogenic cells like neurons. Light-sensitive K+-selective ChRs have been highly anticipated as inhibitory optogenetic tools. A point mutation in the central gate of KR2, a light-driven Na+-pump rhodopsin from the marine bacterium Dokdonia eikasta, resulted in K+-selective leak photocurrents. This study experimentally characterized the main limitations of this KR2-R109Q variant using two-electrode and whole-cell voltage-clamp methods, supported by computational pKa prediction and classical MD simulations. An extensive mutational study revealed the molecular cause for the detrimental pH-sensitivity and residual Na+-pumping activity. Combining key mutations in the extracellular part of the protein reduced these limitations, yielding larger K+-selective photocurrents under physiological conditions. During this study, a novel ChR family with superior properties, Kalium ChRs (KCRs) was discovered, representing the first K+-selective ChRs under physiological conditions. HcKCR1 from the stramenopile alga Hyphochytrium catenoides and mutants of its putative ion conduction pore were electrically characterized in WCVC experiments, supported by structural predictions. A novel type of hydrophobic selectivity filter was identified and found to be conserved in related stramenopile ChRs. Among them, WiChR from Wobblia lunata exhibited an unmatched preference for K+ over Na+ and favorable performance in cardiac myocytes and neurons, allowing single- and two-photon inhibition at low irradiance and reduced tissue heating.

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