Genetic and environmental protective factors and risks modulate brain structure and function in neurodegenerative diseases and their preclinical stages. We wanted to investigate whether the years of formal education, a proxy measure for cognitive reserve, would influence hippocampal structure in Alzheimer’s disease patients, and whether apolipoprotein Eε4 (APOE4) carrier status and a first-degree family history of the disease would change a possible association. Fifty-eight Alzheimer’s disease patients underwent 3T magnetic resonance imaging. We applied a cortical unfolding approach to investigate individual subregions of the medial temporal lobe. Among patients homozygous for the APOE4 genotype or carrying both APOE4 and family history risks, lower education was associated with a thinner cortex in multiple medial temporal regions, including the hippocampus. Our data suggest that the years of formal education and genetic risks interact in their influence on hippocampal structure in Alzheimer’s disease patients.

Die Neubildung von Neuronen persistiert lebenslang in der Subgranularzellschicht des Hippocampus und der Subventrikularzone des Großhirns und wird als adulte Neuroge-nese bezeichnet. Es wird vermutet, dass diese beim erwachsenen Menschen einen rele-vanten Einfluss auf degenerative Veränderungen, verschiedene neurologische Krank-heitsbilder und auf die (Dys-)Funktion des Gedächtnisses hat. Im Tiermodell wurde eine Verringerung der Neurogenese nach chronischer Morphingabe nachgewiesen. Vorarbeiten zeigten einen Zusammenhang zwischen chronischem Heroinmissbrauch und reaktiver Astrogliose, Mikrogliose und einer vermehrten Expression des polysialylated neural cell adhesion molecule im humanen Hippocampus. Daraus leitet sich die Hypothese ab, dass chronischer Heroinmissbrauch, als Modell für eine Abhängigkeitserkrankung, einen Einfluss auf die adulte humane Neurogenese hat. Es wurden in Formalin fixierte Gewebeproben aus dem Hippocampus von Verstorbenen mit einer letalen Heroinintoxikation und mit bekanntem Heroinmissbrauch (n = 20) un-tersucht und mit einer nach Alter und Geschlecht angepassten Kontrollgruppe (n = 28) verglichen. Hierbei wurden spezifische Neurogenesemarker mittels immunhistochemi-scher Methoden angewendet und ausgewertet. Es bestand eine generell sehr geringe zelluläre Proliferationsrate und eine signifikante Reduktion Musashi-1 positiver neuro-naler Vorläuferzellen bei gleichzeitig unveränderter Anzahl Nestin positiver reifender und Calretinin positiver migrierender postmitotischer Neurone. Zudem wurde ein ver-ändertes Calretinin-Expressionsmuster als Hinweis auf eventuelle funktionelle neuronale Defizite bei Drogenabhängigen festgestellt. Der potentielle Einfluss von chronischem Heroinmissbrauch auf die adulte humane Neurogenese wird erstmals gezeigt. Die Ergebnisse weisen auf eine negative Beeinflus-sung im Stadium neuronaler Vorläuferzellen und der Zellfunktion migrierender Neurone in der Fallgruppe im Vergleich zu einer gesunden Kontrollgruppe hin. Diese Hemmung der Neurogenese könnte eine Erklärungsmöglichkeit für kognitive Defizite und Funktionsstörungen des Gedächtnisses infolge chronischen Drogenkonsums bieten und zugleich eine Bedeutung bei der Entstehung von Abhängigkeitserkrankungen haben. Insofern könnte sich hier ein Ansatzpunkt für zukünftige Therapiestrategien derartiger Erkrankungen oder ihrer Folgen bieten.:I. Inhaltsverzeichnis 1 II. Bibliografische Zusammenfassung 2 III. Abkürzungsverzeichnis 3 1. Einführung 4 1.1. Drogenabhängigkeit und Epidemiologie 4 1.2. Heroin 6 1.3. Hippocampus 9 1.4. Adulte Neurogenese 11 1.5. Aufgabenstellung und Ziel der Arbeit 14 2. Materialen und Methoden 18 2.1. Fall- und Kontrollgruppe 18 2.2. Toxikologisch-chemische Untersuchungen 20 2.3. Immunhistochemie 21 2.4. Immunfluoreszenz und konfokale Mikroskopie 25 2.5. Quantifizierung, Datenanalyse und Statistik 26 3. Ergebnisse 28 3.1. Deskriptive Datenanalyse 28 3.2. Musashi-1 30 3.3. Nestin 31 3.4. Calretinin 32 3.5. Ki-67 34 3.6. Doublecortin 35 3.7. Doppelimmunfluoreszenz 36 4. Diskussion 37 4.1. Neurogenese – Proliferation (Ki-67) 38 4.2. Neurogenese – Differenzierung (MSI-1, Nestin) 39 4.3. Neurogenese – Reifung (Calretinin) 42 4.4. Methodische Grenzen und Fehlerbetrachtung 43 4.5. Fazit und Ausblick 46 5. Zusammenfassung der Arbeit 48 6. Literaturverzeichnis 52 7. Anlagen 1-8 65 IV. Selbständigkeitserklärung 73 V. Curriculum vitae 74 VI. Publikationen 75 VII. Danksagung 76

Lokale Pyramidenzellen sind die Hauptneurone des Hippocampus und können durch ihre Position und die Morphologie ihrer Dendriten als CA1 und CA3 Pyramidenzellen identifiziert werden. Die Dendriten der exzitatorischen Pyramidenzellen sind mit postsynaptischen Vorwölbungen, den so genannten Spines, bedeckt, welche in einem spezifischen Verteilungsmuster angeordnet sind. Neurotoxine wie das C3 Toxin von Clostridium botulinum sind funktionelle Substanzen, die die neuronale Morphologie verändern und die neuronale Funktion beeinflussen können. In dieser Studie wurden die morphologischen Veränderungen von intrazellulär mit Biocytin gefüllten CA1 Pyramidenzellen qualitativ und quantitativ analysiert. Die hippocampalen Schnittkulturen, in denen sich bekanntermaßen Pyramidenzellen ähnlich entwickeln wie in vivo, wurden dazu herangezogen, die Effekte der C3bot Toxin-Applikation auf die Verzweigung der Dendriten sowie Anzahl und Dichte der dendritischen Spines zu untersuchen. Drei Gruppen von Zellen wurden verglichen: Erstens Neurone, die in serumhaltigem Medium inkubiert worden waren, zweitens Nervenzellen, die in einem Medium ohne Serum inkubiert worden waren und drittens Zellen, die unter Serumentzug dem C3bot Toxin ausgesetzt worden waren. Die Inkubation dauerte 14 Tage, während die Dauer der Toxinexposition zwischen vier und sechs Stunden betrug. Mit Hilfe eines Computers wurden zweidimensionale Nachbildungen der biocytin-markierten CA1 Pyramidenzellen erstellt, und die Gesamtlänge der Dendriten, die Anzahl der dendritischen Verzweigungspunkte und die Gesamtzahl und Dichte der dendritischen Spines gemessen und statistisch ausgewertet. Signifikante Unterschiede wurden zwischen der mit C3 Toxin behandelten Gruppe und der serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe beobachtet. Diese signifikanten morphologischen Veränderungen traten selektiv an den Apikaldendriten der toxinbehandelten CA1 Pyramidenzellen auf. Aus der Behandlung resultierte eine Reduktion der Anzahl apikaler Verzweigungspunkte, der Anzahl der apikalen Spines, der Gesamtzahl (basal und apikal addiert) der Spines sowie der Gesamtspinedichte. Im Gegensatz dazu ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen der toxinbehandelten Gruppe und der ohne Serum inkubierten Kontrollgruppe, obwohl der Serumentzug im Vergleich zur serumhaltig inkubierten Kontrollgruppe die Entwicklung der Zellen beeinflusste. Auf Grundlage der beobachteten Veränderungen können wir schließen, dass die Behandlung mit C3 bot einen starken Einfluss selektiv auf die Morphologie der Apikaldendriten ausübt. Der Mechanismus, der dieser selektiven Empfindlichkeit der Apikaldendriten gegenüber dem C3 bot Toxin zugrunde liegt, wird Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

The hippocampus is a brain area fundamental for cognitive functions, such as learning, memory, spatial navigation and emotion regulation, and is mainly affected in Alzheimer’s disease (AD). AD is an irreversible neurodegenerative disease, characterized by pathological protein aggregations and cognitive impairments. To date, there is no treatment for Alzheimer’s disease. The search for a therapy is urgently needed to alleviate the suffering of patients and relieve the burden on society. Neural stem cells (NSCs) in the hippocampal neurogenic niche sustain continuous neurogenesis in adulthood. Adult hippocampal neurogenesis (AHN) is functionally associated with many cognitive and emotional functions in humans and rodents. In particular, hippocampal neurogenesis is impaired in AD patients and AD mouse models and may be a putative therapeutic target for curing AD. In my project, endogenous hippocampal neurogenesis is manipulated in the 3xTg AD mouse model by a chronic, genetically-driven expansion of hippocampal NSCs. Exploiting intrinsic NSCs potential to generate newborn neurons increases the neurogenesis in 3xTg AD mice. The boosted neurogenesis ameliorates the anxiety-like behavior, improves spatial navigational performances and restores the connectivity of the hippocampal network in AD. Altogether, this study demonstrates the beneficial effect of enhancing neurogenesis by exploiting the endogenous NSCs reserve to rescue AD phenotypes and elucidates the functional contribution of neurogenesis to learning and memory. The findings support and highlight the therapeutic potential of enhancing neurogenesis in the treatments of neurodegenerative diseases.

In the adult mammalian brain, neural stem cells (NSCs) in the dentate gyrus (DG) of hippocampus continuously give rise to new neurons that provide structural plasticity and playing a role in learning and memory. Alterations in this process of adult neurogenesis have been linked to the pathology of various neurodegenerative diseases. Nevertheless, our knowledge regarding adult neurogenesis in the spectrum disorder of amyotrophic lateral sclerosis (ALS)/ frontotemporal dementia (FTD) remains incomplete. Therefore, I aimed to characterize how the ALS/FTD-associated mutation within the FUS protein affects adult NSCs during aging and how this may contribute to hippocampal function. For this purpose, a heterozygous knock-in ALS/FTD mouse model was used in which one copy of FUS harbors a deletion of its nuclear localization signal and their wild-type littermates were used as a control. The obtained results suggest a strong impact of the developing FUS-associated pathology on the hippocampal NSCs in the adult brain. For the first time, an age-dependent increase in NSCs proliferation and in the production of early postmitotic neurons was observed. In addition, the hippocampal network function and the response of adult neurogenesis to external stimulations seem to be altered by FUS mutation. The expected boost of NSC activity upon external stimulation appears to be blocked at particular developmental stages, however, the effect of the used strategies on the function of the hippocampal-cortical circuitry could still be detected. For further investigation, the in vitro analyses of adult NSCs were performed. Their proliferation activity was markedly increased, in comparison to wild-type cells, confirming the in vivo results. It appears that cells harboring mutated FUS are more likely to exit the quiescence state and enter the cell cycle. Furthermore, the combined cultivation of cells of both genotypes revealed that wild-type cells accelerate their proliferation to a similar level as mutant cells. Interestingly, the proliferation behavior of mutant cells remained unchanged regardless of the presence of wild-type cells. This suggests a spreading or transfer of the pathological mechanisms between the NSCs. Additionally, a commonly known hallmark of ALS/FTD pathology, the generation and accumulation of stress granules, was examined. Understanding the pathomechanisms of ALS/FTD-FUS in relation to adult hippocampal neurogenesis clearly requires further investigation. This appears to be crucial to provide the fundamental basis for new NSC-based preventative and therapeutic strategies.:1. Introduction 8 1.1. Adult hippocampal neurogenesis 9 1.1.1. The process of generating new granule neurons within the adult dentate gyrus 9 1.1.2. Regulation and function of AHN 12 1.2. Amyotrophic lateral sclerosis/ frontotemporal dementia 17 1.2.1. Amyotrophic lateral sclerosis/ frontotemporal dementia – spectrum disorder 17 1.2.2. FUS protein characterization and its contribution to ALS/FTD pathology 20 1.2.3. Knock-in mouse model of ALS/FTD-FUS 24 2. Aims 27 3. Materials and methods 28 3.1. In vivo 28 3.1.1. Animals 28 3.1.2. Physical activity 28 3.1.3. Enrichment environment 28 3.1.4. Thymidine labeling and tissue preparation 29 3.1.5. Immunohistochemistry - DAB staining 29 3.1.6. Quantification 30 3.1.7. Electrophysiology 30 3.1.8. Statistical analysis 30 3.2. In vitro 31 3.2.1. Generation of cell line 31 3.2.2. Culturing cell lines 31 3.2.3. Western Blotting 32 3.2.3.1. Collecting protein lysates 32 3.2.3.2. Bradford method 32 3.2.3.3. Electrophoresis and transfer 32 3.2.3.4. Fluorescent immunostaining 33 3.2.4. CFSE labeling and FACS analysis 33 3.2.5. Stress treatment 34 3.2.6. Fluorescent immunostaining (without BrdU) 34 3.2.7. BrdU labeling 35 3.2.8. Fluorescent immunostaining with BrdU 35 3.2.9. Cell cycle analysis 35 3.2.10. Statistical analysis 36 4. Results 37 4.1. In vivo 37 4.1.1. General characterization of the knock-in mouse model of ALS/FTD-FUS 37 4.1.2. Proliferation of hippocampal NSCs in FusDNLS/wt mice is unchanged at young age but strongly increased at old age 38 4.1.3. Response of AHN to external stimulus, such as physical activity, is altered in aged FusDNLS/wt mice 41 4.1.4. FUS mutation causes an increased generation of DCX-positive immature neurons in the DG and an altered response to the stimulatory effects of ENR in mice at 12 months of age 45 4.2. In vitro 52 4.2.1. Partial cytoplasmic mislocalization of mutant FUS protein in FusDNLS/wt cells 52 4.2.2. General level of FUS protein remains stable regardless of genotype 54 4.2.3. FusDNLS/wt cells generated from young animals exhibit distinct proliferation pattern 56 4.2.4. Fuswt/wt cells, cultured together with FusDNLS/wt ones, exhibit FusDNLS/wt-like acceleration of proliferation activity 57 4.2.5. Stress granules dynamics in cells in vitro 59 4.2.6. FusDNLS/wt cells are more likely-activated 65 5. Discussion 67 6. Bibliography 79

Fortschreitendes Alter geht häufig mit Leistungsabnahmen in kognitiven Aufgaben einher. Eine steigende Anzahl Studien zeigt, dass regelmäßige körperliche Aktivität negativen Alterseffekten entgegenwirken kann und somit zur Erhaltung kognitiver und zerebraler Funktionen im Alter beiträgt. Die vorliegende Dissertation untersuchte im Rahmen eines Ausdauertrainings die Zusammenhänge zwischen Veränderungen in der körperlichen Fitness und Veränderungen in Gehirn und Verhalten bei älteren Erwachsenen. Studie I zeigt, dass zuvor gefundene Vergrößerungen des Hippocampus auf Änderungen der Mikrostruktur des zugrundeliegenden Gewebes zurückgeführt werden können. Die Probanden, die ihre Fitness am meisten verbesserten, zeigten auch die stärkste Verdichtung des Hippocampusgewebes. Die Verdichtung des Gewebes stand wiederum in positivem Zusammenhang mit der Veränderung im Hippocampusvolumen. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass Veränderungen im Volumen aus einer Vermehrung der Zellmembranen resultieren und nicht aus der Ausdehnung bereits vorhandener Zellen. In Studie II hingen Veränderungen in der Fitness zusammen mit Veränderungen in der Mikrostruktur eines präfrontalen Traktes der weißen Substanz, nämlich dem Forceps minor. Gleichermaßen hingen die Veränderungen in der Mikrostruktur des Forceps minor mit Veränderungen in einem zusammengesetzten Maß fluider kognitiver Fähigkeiten zusammen. Dieses Ergebnis zeigt, dass Veränderungen in der Mikrostruktur der weißen Substanz möglicherweise zu den positiven Auswirkungen von körperlicher Aktivität auf kognitive Fähigkeiten beitragen. Studie III zeigt, dass Veränderungen der Fitness positiv mit Veränderungen der neuronalen Spezifität korrelieren, welches als indirektes Maß für dopaminerge Neuromodulation angenommen wird. Zusammenfassend erweitern die Ergebnisse dieser Dissertation die Literatur über positive Effekte von körperlicher Aktivität auf Alterungsprozesse und stärken den Kenntnisstand über zugrundeliegende Mechanismen. / Advanced age has been consistently linked to performance deterioration in cognitive tasks targeting the ability to mentally manipulate information. A growing body of literature suggests that regular physical exercise alleviates the adverse effects of age and helps to preserve cognitive and cerebral capacities in old age. The present dissertation investigated associations between changes in fitness and changes in cerebral and cognitive measures within a group of older adults who participated in an exercise intervention. Paper I shows that previously reported increases in hippocampal volume can be linked to exercise-induced changes in the underlying tissue microstructure. The participants who improved most in fitness showed most increments in hippocampal tissue density. Changes in tissue density were in turn positively associated with changes in hippocampal volume. This finding suggests that volumetric changes result from an increase in the bulk of cell membranes, and not from a mere dilation of existing cells. In Paper II, changes in fitness were associated with changes in the microstructure of a prefrontal white matter tract, namely the forceps minor. Likewise, changes in forceps minor microstructure were related to changes in a composite score of fluid cognitive abilities. This result indicates that changes in white matter microstructure may contribute to the beneficial effects of exercise on cognition. Paper III demonstrates that changes in fitness are positively correlated with changes in neural specificity, presumably an indirect marker of dopaminergic neuromodulation. In summary, findings from the present dissertation extend the literature on beneficial effects of exercise on age-related deterioration and add knowledge regarding the underlying mechanisms.

Der entorhinale Cortex (EC) nimmt eine zentrale Stellung im limbischem System ein und ist darüber hinaus eine Verbindungsstelle zwischen Hippocampus und Cortex. Um die Eigenschaften der Projektionszellen im EC genauer zu charakterisieren, führten wir intrazelluläre Ableitungen an den Neuronen der oberflächlichen (Schicht II und III) und der tiefen (Schicht IV-VI) Schichten durch, von denen etwa ein Viertel während der Ableitung mit dem Farbstoff Biozytin gefärbt werden konnten. In Schicht III des medialen EC fanden wir vier unterschiedliche Zelltypen, von denen zwei als Projektionsneurone (Typ 1 und Typ 2) charakterisiert wurden. Die Projektionszellen der Schicht III besitzen eine niedrige Schwelle zur Auslösung synaptisch evozierter Aktionspotentiale. Daneben konnten wir zwei weitere Typen von Zellen (Typ 3 und Typ 4) bestimmen, deren Somata in der Schicht III lagen, die aber nicht in den Hippocampus projizierten, sondern lokal im EC verschaltet waren. In den tiefen Schichten des EC fanden sich zur Area Dentata (AD) projezierende bipolare und multipolare Neurone, die trotz der morphologischen Ähnlichkeit mit GABAergen Interneuronen die typischen elektrophysiologischen und neurochemischen Eigenschaften von Prinzipalzellen des EC besitzen. Diese Neurone können vermutlich Funktionen von sowohl Lokal- als auch Projektionszellen übernehmen und dementsprechend die schnelle Informationsübertragung zwischen den tiefen und oberflächlichen Schichten einerseits und zwischen EC und AD andererseits ausüben. Um der Frage nachzugehen, unter welchen Bedingungen die Schicht II- und III-Projektionszellen aktiviert werden, führten wir repetitive synaptische Reizungen im EC durch. Hochfrequente repetitive synaptische Reizung (> 10 Hz) führt zu einer bevorzugten Aktivierung der Schicht II-Zellen. Hingegen werden die Schicht III-Zellen bei niedrigeren Reizfrequenzen (< 6 Hz) bevorzugt aktiviert und Schicht II-Zellen gleichzeitig gehemmt. Dies läßt vermuten, daß der Informationstransfer zwischen EC und Hippocampus frequenzabhängig gesteuert wird. / The entorhinal cortex (EC) occupies a key position in the limbic system because it functions as a relay station between the hippocampus and cortex. To analyze the properties of the projection cells of the EC we used intracellular recordings from superficial (layers II and III) and deep layers (layers IV-VI). Intracellular electrodes contained the marker biocytin and the labeled neurons were processed for posthoc anatomical identification. We can classify medial EC layer III cells into four different types. Type 1 and 2 cells were projection cells. These cells exhibited a low threshold of action potential generation upon synaptic stimulation. We identified the two other, presumed local circuit type 3 and type 4 cells, whose axons remained within the EC. In deep EC layers we described bipolar and multipolar neurons which form projections from the deep layers of the EC to the dentate gyrus (DG). Despite the morphological similarity of these cells to those of GABAergic interneurons in the EC, their electrophysiological characteristics were similar to those of principal neurons. We conclude that neurons of the deep layers of the EC that project to the DG may function both as local circuit and projection neurons thereby providing a rapid transfer of information from deep layers of the EC to the DG and superficial layers of the EC. We next studied how the separate pathways from layers II and III of the EC to the hippocampus are preferentially effective as a function of stimulation frequency. High frequency (>10 Hz) synaptic activation of the EC was more effective at eliciting action potentials from layer II EC neurons. In contrast, during low frequency (

Der Hippocampus ist eine von zwei Gehirnregionen, in der zeitlebens kontinuierlich neue Nervenzellen gebildet werden. Er spielt eine wichtige Rolle bei der Gedächtniskonsolidierung und wird mit der funktionellen Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen in Verbindung gebracht. Strukturveränderungen im erwachsenen Gehirn, die mit einer Depression einhergehen, sind laut Literatur auf einen geringen Serotoninspiegel und reduzierte hippocampale Neurogenese zurückzuführen. Selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRI) erhöhen die Serotoninkonzentration im synaptischen Spalt und üben einen positiven Effekt auf die adulte Neurogenese aus. In der vorliegenden Arbeit wird untersucht, wie Veränderungen in der Serotonin (5-HT)-Neurotransmission durch einmalige oder chronische Gaben von Fluoxetin und speziellen Agonisten und Antagonisten für die Serotoninrezeptoren 5-HT1a und 5-HT2 in der erwachsenen Maus die Proliferation und Differenzierung von neugebildeten Nervenzellen im Gyrus dentatus beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein konträres Agieren beider Rezeptoren zu einem ausgewogenen Serotoninspiegel führt. 5-HT1a- und 5-HT2c-Rezeptoren haben einen Einfluss auf das Überleben neugebildeter Nervenzellen, wobei sie unterschiedliche Entwicklungsstadien innerhalb der adulten Neurogenese kontrollieren. Die vorliegende Arbeit bekräftigt außerdem, dass die chronische Gabe von Fluoxetin die adulte Neurogenese steigert. / The hippocampus as one region with ongoing neurogenesis throughout life contributes to the formation of long-term memory and has also been implicated in the pathology of major depression. Studies suggest that depression might be due to decreased levels of serotonin and reduced neurogenesis in the adult brain and that the beneficial effects of selective serotonin reuptake inhibitors would require adult hippocampal neurogenesis. Here, I investigated how modulation of serotonergic neurotransmission by acute and chronic treatment with the antidepressant fluoxetine, and selective serotonin receptor agonists and antagonists in adult mice influences precursor cell activity during development. I focused on 5-HT1a and 5-HT2 receptors as major mediators of serotonin action. The present findings suggest that an opposed action of 5-HT1a and 5-HT2c receptor subtypes result in a balanced regulation of serotonin levels in the dentate gyrus. Both receptors differentially affect intermediate cell stages in adult hippocampal neurogenesis and play an important role in the survival of newly generated neurons. Furthermore, this study confirms that chronic fluoxetine treatment increases adult neurogenesis. In conclusion, the latency of onset of fluoxetine action can be explained by a balanced interplay of 5-HT1a and 5-HT2c receptor subtypes.

Bisherige Forschung hat zwischen zwei Gedächtnissystemen unterschieden: dem sog. deklarativen Gedächtnis (DG), welches sich durch die Fähigkeit vergangene Lebensereignisse bewusst zu erinnern auszeichnet und mit dem lobus temporalis medialis (MTL) in Verbindung steht, und dem prozeduralen Gedächtnis (PG), welches erlernte Fertigkeiten beinhaltet und mit dem Corpus striatum assoziiert ist. Weitere Studien haben ergeben, dass Alterung von neurologischen Schäden in beiden Systemen, erhöhter Aktivität im MTL und einer relativ geringeren Beeinträchtigung des PG begleitet ist. Hyperaktivität im MTL wurde dabei sowohl mit verbesserten als auch verschlechterten Gedächtnisleistungen in Verbindung gebracht. Die hier vorgelegte Dissertation befasst sich mit dem Einfluss von Alterung auf die Beziehungen zwischen o. g. Hirnnetzwerken und prozeduralen bzw. deklarativen Gedächtnisfähigkeiten. Studie I zeigte, dass Altersunterschiede in einer prozeduralen Gedächtnisaufgabe graduell im Verlaufe des Trainings entstehen und vmtl. mit negativen Einflüssen von Alterung auf den Übergang von PG zu DG in Zusammenhang stehen. Zwei striatal-dopaminerge genetische Polymorphismen, rs907094 auf DARPP-32 und VNTR auf DAT, wirkten sich dabei auf das DG älterer aber nicht jüngerer Erwachsener aus. In Studie II wurden Beeinträchtigungen im neuronalen Vorhersagefehler, einem neuronales Lernsignal im Striatum, in älteren Probanden gefunden. Studie III konnte teilweise intaktes PG in einer räumlichen Gedächtnisaufgabe demonstrieren, wobei der Polymorphismus rs17070145 auf WWC1, der sich auf Lanzeitpotenzierung im MTL auswirkt, diese Altersunterschiede modulierte. In Studie IV wurden neuronale Repräsentationen und Komputationen während einer räumlichen Gedächtnisaufgabe untersucht. Während jüngere Probanden in dieser Studie Anzeichen von MTL-basiertem DG zeigten, zeigten ältere Teilnehmer Evidenz von PG. Die neuronalen Signaturen älterer Erwachsener wurden jedoch am stärksten im MTL beobachtet. / Previous research has distinguished between a declarative memory system that stores flexible representations and is subserved by the medial-temporal lobe (MTL) and a procedural memory system that expresses past experiences through skills and is based mainly on the striatum. Investigations into age-related changes in these memory systems indicated a complex pattern of neural degradation in both systems, elevated MTL activity as well as partially spared procedural memory functions in older adults. A literature review further suggests that MTL overactivity can be caused by factors which are either beneficial or detrimental for memory. The present dissertation investigated the effects of human aging on the relations of brain functions to declarative and procedural memory. In Study I, age differences in a procedural memory task gradually emerged over the course of training and were linked to negative effects of aging on the transition from procedural to declarative memory. In addition, this study showed that striatal dopaminergic genetic polymorphisms, rs907094 on DARPP-32 and VNTR on DAT, affected declarative knowledge in older but not younger adults. Study II indicated that prediction error signals in the human brain, a neural computation associated with striatal learning functions, were partially impaired in older adults. Study III demonstrated partially intact procedural memory in older adults in a spatial memory task, whereby age differences were modulated by a polymorphism influencing long-term potentiation in the MTL (rs17070145 on WWC1). Finally, Study IV showed hat that neural representations and computations subserving spatial memory qualitatively differed between younger and older adults. The performance and neural activation of younger adults showed unique properties of MTL-dependent declarative memory. Older adults, in contrast, showed behavioral and neural indications of procedural memory but the localization of the neural signatures peaked in the MTL.

Sharp wave-ripple Komplexe (SWRs) sind kurze Ereignisse von kohärenter Netzwerkaktivität im Hippocampus. SWRs spielen eine wichtige Rolle bei der Konsolidierung von expliziten Gedächtnisinhalten, die Mechanismen sind aber bis heute ungeklärt. Pyramidenzellen (PYR) und Parvalbumin-positive Korbzellen (PV+BCs) feuern während SWRs besonders häufig, wohingegen sie außerhalb beinahe inaktiv sind. SWRs treten spontan auf, und können durch Stimulation von PYR und PV+ Zellen hervorgerufen werden. Um die Rolle von PV+ Zellen in SWR Generierung zu klären, untersuche ich wie das Zusammenspiel von exzitatorischen Neuronen (PYR) und zwei Klassen von Interneuronen (PV+BCs und derzeit unbekannte Anti-SWR-Zellen) die Entstehung und die Häufigkeit von SWRs beeinflusst. Erstens entwickle ich ein Netzwerk aus feuernden Neuronen, das spontane Übergänge vom Anti-SWR-Zustand zum SWR-Zustand zeigt. Die Aktivität von PV+BCs, die die Aktivität von PYR disinhibieren, dominiert den SWR-Zustand. SWRs können hervorgerufen werden durch Stimulation von PYR oder PV+BCs, und durch Inaktivierung von Anti-SWR-Zellen. Durch Kurzzeitdepression der synaptischen Verbindung von PV+BCs zu Anti-SWR-Zellen wird die Dauer der SWRs reguliert. Die Koexistenz von Anti-SWR- und SWR-Zuständen bei konstanten Stärken der synaptischen Depression erlaubt die Untersuchung der Bistabilität des Netzwerks. Durch eine Mean-field-Näherung können Voraussetzungen für bistabile Netzwerkaktivität analytisch hergeleitet werden. Das Modell prognostiziert die Existenz von Anti-SWR-Zellen. Im letzten Teil dieser Arbeit zeige ich erste experimentelle Ergebnisse, die die Existenz von CA3-Interneuronen belegen, die anti-moduliert sind bezüglich SWRs. Durch die Untersuchung der Rolle von Interneuronen hinsichtlich der Generierung von SWRs trägt diese Arbeit zu einem tieferen Verständnis der neuronalen Schaltkreise im Hippocampus bei, die essentiell für den Erwerb und die Konsolidierung expliziter Gedächtnisinhalte sind. / Sharp wave-ripple complexes (SWRs) are events of coordinated network activity originating in the hippocampus. SWRs are thought to mediate the consolidation of explicit memories, but the mechanisms underlying their occurrence remain obscure. Pyramidal cells (PYR) and parvalbumin-positive basket cells (PV+BCs) preferentially fire during SWRs and are almost silent outside. SWRs emerge spontaneously or by activating PYR or PV+ cells. To understand how the activation of PV+ interneurons can result in an increase of PYR firing, I explore how the interaction of excitatory neurons (PYR) and two groups of interneurons (PV+BCs and a class of anti-SWR cells) contributes to the initiation, termination, and incidence of SWRs. First, I show that a biophysically constrained network of spiking neurons can exhibit spontaneous transitions from a non-SWR state to a SWR state, in which active PV+BCs disinhibit PYR by suppressing anti-SWR cells. SWR events can be triggered by activating PYR or PV+BCs, or inactivating anti-SWR cells. Short-term synaptic depression at the PV+BCs-to-anti-SWR cells connections regulates the termination of SWR events. The coexistence of states for intermediate values of the depression allows to study the network behavior in terms of bistability. To this end, I consider a mean-field approximation of the spiking network, where conditions for the emergence of a bistable configuration are derived analytically. This allows to unveil the mechanisms regulating the existence of bistable disinhibitory networks. The model predicts the existence of a class of anti-SWR cells. In the last part of this work, I show the first experimental evidence for CA3 interneurons anti-modulated with respect to SWRs, and discuss their involvement in the SWR generation process. Overall, the results of this thesis elucidate the role of interneurons in SWR generation and broaden our understanding of the microcircuits supporting the dynamics of memory-related networks.