Regeneration is a relatively widespread phenomenon in nature, although different organisms exhibit different abilities to reconstitute missing structures. Due to the diversity in the extent of damage the organisms can repair it has been debated for a long time whether those abilities are evolutionary traits that arose independently in multiple organisms or whether they represent a by-product of more basic processes. To date, due to constant increase in the amount of available genomic information this question can be approached by means of comparative genomics by comparing several taxa that have different regenerative capabilities. Two relatively closely related salamander species, newt, Notophthalmus viridescens, and the Mexican axolotl, Ambystoma mexicanum, offer a unique opportunity to compare two organisms with well-known regenerative capabilities. Despite their importance for regeneration research, relatively little sequence information was available until recently, owing mainly to the large sizes of the respective genomes. In this work I aimed to create a comprehensive transcriptome assembly of the axolotl by sequencing and then assembling the sequence data from a number of tissues and developmental stages. I also incorporated available sequence information that mostly comes from cDNA libraries sequenced previously. I assessed the completeness of the transcriptome by comparing it to a set of available axolotl sequences and found that 96% of those have homologs in the assembly. Additionally, I found that 7,568 of 7,695 protein families common to vertebrates are also represented in the transcriptome. In order to turn the assembly from a merely collection of sequences into a valuable and useful resource for the entire research community I first annotated the sequences, predicted the open reading frames and protein domains and additionally put together multiple bits of information available for each sequence including but not limited to time-course and tissue- specific expression data and in situ hybridization results. The assembly was thereafter made available for the entire axolotl research community through a web portal I developed. Not only does the web portal provide access to the transcriptome data, it is also equipped with an engine for automated data retrieval, which could facilitate automated cross-species bioinformatics analyses. The study crossed the boundary between pure bioinformatics and biology as the transcriptome allowed for computational comparison of the axolotl and the newt in order to identify salamander-specific genes possibly implicated in regeneration and subsequent functional analysis thereof in the lab. Since regeneration closely resembles embryonic development in terms of genes involved in both processes, I first identified approximately 200 homologous contigs in axolotl and newt, which had a predicted open reading frame, but did not have homologs in non-regenerating species. The expression profile of one of those candidate genes suggested that it had a role in regeneration. I studied the molecular function of that gene using CRISPR/Cas system to confirm that it was protein-coding and to create knock-out animals to study the effect of gene knock-down and knock-out. Knock-out animals exhibited significant delays in both, limb development and tail regeneration. The exact mechanism causing this delay is currently being investigated.

Phospholipid scramblase 4 (PLSCR4) is a member of a conserved enzyme family with high relevance for the remodeling of phospholipid distribution in the plasma membrane and the regulation of cellular signaling. While PLSCR1 and -3 are involved in the regulation of adipose-tissue expansion, the role of PLSCR4 is so far unknown. PLSCR4 is significantly downregulated in an adipose-progenitor-cell model of deficiency for phosphatase and tensin homolog (PTEN). PTEN acts as a tumor suppressor and antagonist of the growth and survival signaling phosphoinositide 3-kinase (PI3K)/AKT cascade by dephosphorylating phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate (PIP3). Patients with PTEN germline deletion frequently develop lipomas. The underlying mechanism for this aberrant adipose-tissue growth is incompletely understood. PLSCR4 is most highly expressed in human adipose tissue, compared with other phospholipid scramblases, suggesting a specific role of PLSCR4 in adipose-tissue biology. In cell and mouse models of lipid accumulation, we found PLSCR4 to be downregulated. We observed increased adipogenesis in PLSCR4-knockdown adipose progenitor cells, while PLSCR4 overexpression attenuated lipid accumulation. PLSCR4 knockdown was associated with increased PIP3 levels and the activation of AKT. Our results indicated that PLSCR4 is a regulator of PI3K/AKT signaling and adipogenesis and may play a role in PTENassociated adipose-tissue overgrowth and lipoma formation.

Seitdem erste Hominiden vor ca. 6 bis 7 Mio. Jahren begannen, aufrecht zu gehen, ist die Fußsohle der einzige physische Kontakt zum Untergrund. Dieser einzigartigen Situation entsprechend, werden die Signale plantarer Mechanorezeptoren nicht nur zur Wahrnehmung der Beschaffenheit und Struktur des Untergrundes genutzt. Ihre Afferenzen sowie resultierende Efferenzen tragen auch zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts bei. Mit dem Ziel, die plantare Sensibilität besser zu verstehen und quantifizieren zu können, erforscht diese kumulative Doktorarbeit zwei nahezu omnipräsente Einflussfaktoren der plantaren Sensibilität. Da das Körpergewicht beim Stand und im Gang jederzeit auf den Fußsohlen lastet, behandelt der erste Beitrag den Einfluss eines Auflagekraft auf die plantare Vibrationswahrnehmung (Studie 1). Anhand der Ergebnisse wird erörtert, welche Ursachen für den Zusammenhang zwischen Auflagekraft und Vibrationssensibilität verantwortlich sein könnten, und welche Möglichkeiten sich für eine Standardisierung der Auflagekraft bei der Erhebung von VPTs ergeben. Die darauffolgenden Beiträge thematisieren den Einfluss der mechanischen Hauteigenschaften auf die plantare Sensibilität. In Studie 2 wird aus evolutionsbiologischer Perspektive die Hauthärte und Epidermisdicke sowie die Vibrationssensibilität barfuß lebender und schuhtragender Probanden verglichen. Dabei wird untersucht, ob Hornhaut - eine natürliche Anpassung zum Schutz vor hohen mechanischen Belastungen - die plantare Sensibilität einschränkt und Gangparameter während des initialen Fersenaufsatzes modifiziert. Der dritte Beitrag behandelt den Effekt einer Abrasion der plantaren Hornhaut auf die plantare Vibrations- und Druckwahrnehmung (Studie 3). Das mechanische und sensorische Verhalten der Haut gegenüber den applizierten Reizen wird im Rahmen der Ergebnisse diskutiert, und resultierende Vor- und Nachteile der angewandten Methoden zur Erhebung der plantaren Sensibilität aufgezeigt. Die Zusammenfassung aller Untersuchungen in der finalen Diskussion betrachtet die wichtigsten Ergebnisse unter Einbezug der aktuellen Literatur und bildet eine Wissensbasis, auf die zukünftige Forschungsprojekte zum tieferen Verständnis des Einflusses von Druckbelastungen und Hauteigenschaften auf die plantare Sensibilität aufbauen können.:Inhaltsverzeichnis VIII Abbildungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XII Abkürzungsverzeichnis XIII 1 Motivation und Struktur der Arbeit 15 2 Grundlagen unbehaarter Haut 21 2.1 Zum Aufbau der unbehaarten Haut 23 2.1.1 Hypodermis 23 2.1.2 Dermis 24 2.1.3 Basalmembranzone 25 2.1.4 Epidermis 26 2.1.5 Besonderheiten plantarer Haut 31 2.1.6 Zur Adaptionsfähigkeit plantarer Haut 32 2.2 Zur Mechanorezeption unbehaarter Haut 34 2.2.1 Meissner Körperchen 35 2.2.2 Vater-Pacini-Körperchen 36 2.2.3 Merkelzell-Neuriten-Komplex 37 2.2.4 Ruffini-Körperchen 39 2.2.5 Reizweiterleitung und Verarbeitung 40 2.2.6 Zur Mechanorezeption plantarer Haut 42 3 Methodische Hinweise 44 3.1 Quantifizierung kutaner Mechanorezeption 44 3.1.1 Vibrationswahrnehmungsschwellen 45 3.1.2 Semmes-Weinstein-Monofilamente 47 3.2 Quantifizierung mechanischer Hauteigenschaften 48 3.2.1 Durometer 48 3.2.2 Ultraschall 49 4 Eigener Beitrag 51 4.1 VPTs of Skin Mechanoreceptors are influenced by different contact forces 51 4.2 Foot callus thickness does not trade off protection for tactile sensitivity during walking 54 4.3 Does plantar skin abrasion affect cutaneous mechanosensation? 58 5 Diskussion 61 5.1 Einfluss des Auflagedrucks auf die plantare Vibrationswahrnehmung 61 5.1.1 Welche Auflagekraft sollten Vibrationswahrnehmungsschwellen nutzen? 66 5.1.2 Effekt der Auflagekraft in aufrechter Körperposition 67 5.2 Einfluss mechanischer Hauteigenschaften auf die plantare Mechanorezeption 69 5.2.1 Einfluss auf Vibrationswahrnehmungsschwellen 71 5.2.2 Einfluss auf Semmes-Weinstein-Monofilamentschwellen 73 6 Zusammenfassung 76 7 Literaturverzeichnis 78 8 Anhang 95

Abstract provided by Publisher Complex performance diagnostics in sports medicine should contain maximal aerobic and maximal anaerobic performance. The requirements on appropriate stress protocols are high. To validate a test protocol quality criteria like objectivity and reliability are necessary. Therefore, the present study was performed in intention to analyze the reliability of maximal lactate production rate (VLamax) by using a sprint test, maximum oxygen consumption (VO2max) by using a ramp test and, based on these data, resulting power in calculated maximum lactate-steady-state (PMLSS) especially for amateur cyclists. All subjects (n=23, age 26 ± 4 years) were leisure cyclists. At three different days they completed first a sprint test to approximate VLamax. After 60 min of recreation time a ramp test to assess VO2max was performed. The results of VLamax-test and VO2max-test and the body weight were used to calculate PMLSS for all subjects. The intra class correlation (ICC) for VLamax and VO2max was 0.904 and 0.987, respectively, coefficient of variation (CV) was 6.3 % and 2.1 %, respectively. Between the measurements the reliable change index of 0.11 mmol∙l-1∙s-1 for VLamax and 3.3 ml∙kg-1∙min-1 for VO2max achieved significance. The mean of the calculated PMLSS was 237 ± 72 W with an RCI of 9 W and reached with ICC = 0.985 a very high reliability. Both metabolic performance tests and the calculated PMLSS are reliable for leisure cyclists.

The Posturomed device is used as a scientific tool to quantify human dynamic balance ability due to unexpected perturbations, and as a training device. Consequently, the question arises whether such measurements are compromised by learning effects. Therefore, this study aimed to analyze inter- and intra-day reliability of dynamic balance responses using the Posturomed. Thirty healthy young subjects participated (24.3±3.2 years). The Posturomed was equipped with a triggering mechanism to enable unexpected, horizontal platform perturbations. A force platform was used to quantify Center of Pressure (COP) excursions for two time intervals: interval 1 (0–70 ms post perturbation) and interval 2 (71–260 ms post perturbation). Dynamic balance tests were performed in single leg stances in medio-lateral and anterior-posterior perturbation directions. Inter- and intra-day reliability were assessed descriptively using Bland-Altman plots and inferentially using tests for systematic error and intra-class-correlations. With regard to the mean COP excursions for every subject and all intervals, some cases revealed significant differences between measurement sessions, however, none were considered relevant. Furthermore, intra class correlation coefficients reflected high magnitudes, which leads to the assumption of good relative reliability. However, analyzing inter- and intra-day reliability using Bland-Altman plots revealed one exception: intra-day comparisons for the anterior-posterior direction in interval 2, which points towards possible learning effects. In summary, results reflected good overall reliability with the exception of certain intra-day comparisons in the anterior-posterior perturbation direction, which could indicate learning effects in those particular conditions.

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

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