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The sensorimotor cortex is a brain region comprising the primary motor cortex (MI) and the primary somatosensory (SI) cortex. In humans, investigation into these regions suggests that MI and SI are involved in the modulation and control of motor and somatosensory processing, and are somatotopically organized according to a body plan (Penfield & Boldrey, 1937). Additional investigations into somatotopic mapping in relation to the limbs in the peripheral nervous system and SI in central nervous system have further born out the importance of this body-based organization (Wall & Dubner, 1972). Understanding the nature of the sensorimotor cortex‟s structure and function has broad implications not only for human development, but also motor learning (Taubert et al., 2011) and clinical applications in structural plasticity in Parkinson‟s disease (Sehm et al., 2014), among others. The aim of the present thesis is to identify functionally meaningful subregions within the sensorimotor cortex via parcellation analysis. Previously, cerebral subregions were identified in postmortem brains by invasive procedures based on histological features (Brodmann, 1909; Vogt. & Vogt., 1919; Economo, 1926; Sanides, 1970). One widely used atlas is based on Brodmann areas (BA). Brodmann divided human brains into several areas based on the visually inspected cytoarchitecture of the cortex as seen under a microscope (Brodmann, 1909). In this atlas, BA 4, BA 3, BA 1 and BA 2 together constitute the sensorimotor cortex (Vogt. & Vogt., 1919; Geyer et al., 1999; Geyer et al., 2000). However, BAs are incapable of delineating the somatotopic detail reflected in other research (Blankenburg et al., 2003). And, although invasive approaches have proven reliable in the discovery of functional parcellation in the past, such approaches are marked by their irreversibility which, according to ethical standards, makes them unsuitable for scientific inquiry. Therefore, it is necessary to develop non-invasive approaches to parcellate functional brain regions. In the present study, a non-invasive and task-free approach to parcellate the sensorimotor cortex with resting-state fMRI was developed. This approach used functional connectivity patterns of brain areas in order to delineate functional subregions as connectivity-based parcellations (Wig et al., 2014). We selected two adjacent BAs (BA 3 and BA 4) from a standard template to cover the area along the central sulcus (Eickhoff et al., 2005). Then subregions within this area were generated using resting-state fMRI data. These subregions were organized somatotopically from medial-dorsal to ventral-lateral (corresponding roughly to the face, hand and foot regions, respectively) by comparing them with the activity maps obtained by using independent motor tasks. Interestingly, resting-state parcellation map demonstrated higher correspondence to the task-based divisions after individuals had performed motor tasks. We also observed higher functional correlations between the hand area and the foot and tongue area, respectively, than between the foot and tongue regions. The functional relevance of those subregions indicates the feasibility of a wide range of potential applications to brain mapping (Nebel et al., 2014). In sum, the present thesis provides an investigation of functional network, functional structure, and properties of the sensorimotor cortex by state-of-art neuroimaging technology. The methodology and the results of the thesis hope to carry on the future research of the sensorimotor system.

Introduction: Methamphetamine is a drug frequently abused by drug-addicted pregnant women and also one of the mostcommonly used drugs in the CzechRepublic. This drug passes easily through a placental barrier into the fetus. Thus it can negatively affect not only the mother but also the prenatal development of her offspring. Objectives: In the framework of the grant project GA CR: 14-03708S, the long-term effects of prenatal exposure to methamphetamine were detected. It was determined whether the prenatal methamphetamine exposure affects the generation of offspring of exposed females at the level of gene expression of genes in specific regions of the brain, striatum, hippocampus and prefrontal cortex. Methods: In the selected parts of the brain, which were removed from the rat, the microarray hybridization and the real-time PCR to express changes in expression of selected genes were performed. Results: Statistical analysis of microarray hybridization did not show the significantly altered gene expression in tested genes significantly. Only boundary values for 13 genes were measured, which were further tested by real-time PCR.After a statistic evaluation of real-time PCR, the significantly altered expression was found in 2 genes. The significantly changed expression of DRD3 and TACR3 genes was found...

Introduction: Methamphetamine is a drug frequently taken by drug-addicted pregnant women and happens to be one of the most commonly used drugs in the Czech Republic. This drug passes easily through a placental barrier into the fetus. Thus it can negatively affect not only the mother but also the prenatal development of her offspring. Objectives: This research aims to provide a general screening of gene expression in selected regions of the F1 generation of the brain prenatally affected by methamphetamine, to verify whether exposure to methamphetamine affects the generation of offspring of exposed females at the level of gene expression in selected regions of the brain, and to valuate possible changes in gene expression. Methods: In selected parts of the brain, collected from a rat, the microarray hybridization and the real-time PCR were set to evaluate express changes in the expression of selected genes. Results: Statistical analysis of the microarray hybridization did not show a significantly altered gene expression in the tested genes. Only boundary values for 13 genes were measured, which were further tested by the real-time PCR. After a statistic evaluation of the real-time PCR, the significantly altered expression was found in 2 genes. The notably changed expression of DRD3 and TACR3 genes...

Most animal cells adopt an approximately spherical shape when entering mitosis. This process has been termed mitotic rounding. It ensures the correct morphogenesis of the mitotic spindle and, in turn, successful cell division. When cells acquire a round shape at the entry of mitosis, they need to mechanically deform the surrounding tissue to do so. Previous studies suggest that the forces necessary for this deformation emerge from the contractility of the mitotic actin cortex. In fact, at the onset of mitosis, cortical contractility was found to be upregulated giving rise to an increased cell surface tension which drives the mitotic cell into a spherical shape. In a growing tumor, an increasing cell density generates a compressive mechanical stress which would likely lead to an increasing mechanical obstacle for mitotic rounding. Indeed, mechanical confinement or external pressure have been shown to hamper cell proliferation in tumor spheroids. Thus, it has been hypothesized that the actin cortex of cancer cells exhibits oncogenic adaptations that allow for ongoing mitotic rounding and division inside tumors. In fact, it was shown that the human oncogene Ect2 contributes to mitotic rounding through RhoA activation and that Ras overexpression promotes mitotic rounding. Epithelial-mesenchymal transition (EMT) is a cellular transformation in which epithelial cells loose epithelial polarity and intercellular adhesiveness gaining migratory potential. EMT, a hallmark in cancer progression, is commonly linked to early steps in metastasis promoting cancer cell invasiveness. Moreover, EMT was connected to cancer stem cells and the outgrowth of secondary tumors, suggesting that EMT may also be important for cell proliferation in a tumor. In this work, I investigated the role of EMT in actin cortex mechanics and mitotic rounding. To assess cortex mechanics, I measured the mechanical properties of the actin cortex in mitosis, in particular cortical stiffness and contractility before and after EMT. Furthermore, I also determined the mechanical changes of the actin cortex of interphase cells upon EMT; mechanics of interphase cells may critically influence mitotic rounding as interphase cells are a major constituent of the surrounding of a mitotic cell which needs to be deformed in the process of rounding. For our cortex-mechanical measurements, I used an established dynamic cell confinement assay based on atomic force microscopy. I show striking cortex- mechanical changes upon EMT that are opposite in interphase and mitosis. They are accompanied by a strong change in the activity of the actomyosin master regulators Rac1 and RhoA. Concomitantly, I characterize cortex-mechanical changes induced by Rac1 and RhoA signaling. In particular, I show that Rac1 inhibition restores epithelial cortex mechanics in post-EMT cells. Furthermore, I give evidence that EMT, as well as Rac1 activity changes induce actual changes in mitotic rounding in spheroids embedded in mechanically confining, covalently crosslinked hydrogels. Overall, I give evidence that EMT-induced changes results in a softer and less contractile cortex in interphase and a stiffer and more contractile cortex in mitotic cells, and it correlates with increased proliferation in confined environment.:Summary Zusammenfassung Acknowledgements 1-Introduction 1.1-The actin cortex 1.1.1-Regulation of actin cortex polymerization 1.1.2-Rho-GTPases in actin cortex regulation 1.1.3-The actin cortex in cell shape regulation and mitotic rounding 1.1.4-Experimental approaches to measure actin cortex mechanics 1.1.5-AFM cell confinement assay – a new tool for actin cortex-mechanical measurements 1.2-Epithelial-mesenchymal transition in cancer progression and metastasis 1.2.1-EMT effects on cell proliferation 1.2.2-EMT effects on Rho-GTPases activities 1.2.3-EMT effects on transcription factors 1.3-Outline of the thesis 2-Pharmacological induction of EMT 3-Mechanical changes of actin cortex mechanics upon EMT 3.1-Cell volume change during AFM confinement 3.2-Interphase and mitotic actin cortex mechanical changes upon EMT 3.3- Rho-GTPases activity changes upon EMT 4- Molecular perturbations of the cortex and their impact on cortex mechanics 5-Mitotic rounding in confined cell spheroids before and after EMT 5.1-The effect of cortex regulators on confined spheroids upon EMT 6-Time-dependence of actin cortex mechanics in breast epithelial cells 6.1-Rheology of actin cortex as a thin active film 6.2-Viscoelasticity of the actin cortex in relation to malignancy 7-Discussion 8-Outlook 8.1-Mitosis duration and quiescence in confined spheroids 8.2-Signalling cascades that trigger EMT-induced cortex-mechanical phenotype 8.2-Membrane tension upon EMT 9-Bibliography 10-Appendix 10.1-Abbreviations 10.2-Symbols / Die meisten tierischen Zellen nehmen beim Eintritt in die Mitose eine annähernd kugelförmige Form an. Dieser Vorgang wird als mitotische Aufrundung bezeichnet. Sie sorgt für die korrekte Morphogenese der mitotischen Spindel und damit für eine erfolgreiche Zellteilung. Wenn Zellen beim Eintritt der Mitose eine runde Form annehmen, müssen sie das umgebende Gewebe mechanisch verformen. Frühere Studien legen nahe, dass die für diese Verformung erforderlichen Kräfte aus der Kontraktilität des mitotischen Aktin-Cortexes resultieren; zu Beginn der Mitose führt ein Anstieg der kortikalen Kontraktilität zu einer erhöhten Zelloberflächenspannung, die die mitotische Zelle in eine kugelförmige Form treibt. Bei einem wachsenden Tumor erzeugt eine zunehmende Zelldichte einen Kompressionsdruck, der vermutlich ein zunehmendes mechanisches Hindernis für die mitotische Aufrundung darstellt. Es wurde gezeigt, dass mechanische Begrenzung oder äußerer Druck die Zellproliferation in Tumorsphäroiden hemmen. Es wurde daher die Hypothese aufgestellt, dass der Aktinkortex von Krebszellen onkogene Anpassungen aufweist, die eine fortlaufende mitotische Aufrundung und Zellteilung innerhalb von Tumoren ermöglichen. Weiterhin wurde gezeigt, dass das humane Onkogen Ect2 durch RhoA-Aktivierung zur mitotischen Aufrundung beiträgt und dass die Überexpression von Ras die mitotische Aufrundung fördert. Die epithelial-mesenchymale Transition (EMT) ist eine zelluläre Transformation, bei der Epithelzellen die epitheliale Polarität und die interzelluläre Adhäsivität verlieren und Migrationspotential gewinnen. EMT, ein Kennzeichen für das Fortschreiten von Krebs, ist häufig mit frühen Schritten der Metastasierung und einer Steigerung der Invasivität von Krebszellen verbunden. Darüber hinaus wird die EMT mit Krebsstammzellen und der Entstehung von Sekundärtumoren in Verbindung gebracht, was darauf hindeutet, dass die EMT auch für die Zellproliferation in einem Tumor wichtig sein könnte. In dieser Arbeit wurde die Bedeutung der EMT für die Mechanik des Aktinkortex und die mitotische Aufrundung untersucht. Die mechanischen Eigenschaften des Zellkortexes, insbesondere die kortikale Steifheit und Kontraktilität, wurden in mitotischen und nicht-adhärenten Interphasezellen gemessen vor und nach der EMT. Die Mechanik von Interphasenzellen kann die mitotische Aufrundung entscheidend beeinflussen, da Interphasenzellen ein Hauptbestandteil der Umgebung einer mitotischen Zelle sind, die während des Aufrundungsprozesses deformiert werden muss. Für meine kortexmechanischen Messungen verwendete ich einen etablierten Assay, der auf Rasterkraftmikroskopie basiert. Ich konnte ausgeprägte kortexmechanische Veränderungen durch die EMT feststellen, die in Interphase und Mitose entgegengesetzt sind. Diese kortikalen Veränderungen gehen mit einer starken Modifikation der Aktivitäten der Actomyosin-Hauptregulatoren Rac1 und RhoA einher. Weiterhin konnte ich kortexmechanische Veränderungen charakterisieren, die durch Rac1- und RhoA- Signale induziert werden. Insbesondere zeige ich, dass die Rac1-Hemmung die epitheliale Kortexmechanik in Post-EMT-Zellen wiederherstellt. Darüber hinaus fand ich Hinweise darauf, dass EMT- und Rac1-Aktivitätsänderungen zu einer Änderung der mitotischen Aufrundung in eingebetteten Sphäroiden führen. Insgesamt zeigen die Daten in dieser Arbeit klare Hinweise darauf, dass EMT-induzierte Veränderungen zu einem weicheren und weniger kontraktilen Kortex in der Interphase und einem steiferen und kontraktileren Kortex in mitotischen Zellen führen und mit einer erhöhten Proliferation in mechanisch begrenzten Zellumgebungen korrelieren.:Summary Zusammenfassung Acknowledgements 1-Introduction 1.1-The actin cortex 1.1.1-Regulation of actin cortex polymerization 1.1.2-Rho-GTPases in actin cortex regulation 1.1.3-The actin cortex in cell shape regulation and mitotic rounding 1.1.4-Experimental approaches to measure actin cortex mechanics 1.1.5-AFM cell confinement assay – a new tool for actin cortex-mechanical measurements 1.2-Epithelial-mesenchymal transition in cancer progression and metastasis 1.2.1-EMT effects on cell proliferation 1.2.2-EMT effects on Rho-GTPases activities 1.2.3-EMT effects on transcription factors 1.3-Outline of the thesis 2-Pharmacological induction of EMT 3-Mechanical changes of actin cortex mechanics upon EMT 3.1-Cell volume change during AFM confinement 3.2-Interphase and mitotic actin cortex mechanical changes upon EMT 3.3- Rho-GTPases activity changes upon EMT 4- Molecular perturbations of the cortex and their impact on cortex mechanics 5-Mitotic rounding in confined cell spheroids before and after EMT 5.1-The effect of cortex regulators on confined spheroids upon EMT 6-Time-dependence of actin cortex mechanics in breast epithelial cells 6.1-Rheology of actin cortex as a thin active film 6.2-Viscoelasticity of the actin cortex in relation to malignancy 7-Discussion 8-Outlook 8.1-Mitosis duration and quiescence in confined spheroids 8.2-Signalling cascades that trigger EMT-induced cortex-mechanical phenotype 8.2-Membrane tension upon EMT 9-Bibliography 10-Appendix 10.1-Abbreviations 10.2-Symbols

Glutamat ist der wichtigste exzitatorische Neurotransmitter im Zentralnervensystem der Säugetiere. Die präzise Kontrolle des extrazellulären Glutamatspiegels ist für eine normale synaptische Transmission wichtig und erforderlich, um die Neurone vor Exzitotoxizität zu schützen. Im Gehirn sorgen vor allem verschiedene hochaffine Na+-abhängige Glutamattransporter für diese Kontrolle. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb untersucht, welchen Einfluß die Inhibition der Glutamattransporter auf die exzitatorische synaptische Transmission in Schicht III, einer Region in der bei Alzheimer-Demenz, Schizophrenie und Epilepsie häufig Zellschädigungen und Zellverluste beobachtet werden, und Schicht V des medialen entorhinalen Kortex (mEC) hat. Extrazelluläre Messungen in den Schichten III und V der Ratte zeigten, daß die verwendeten Transport-Inhibitoren signifikant die negativen Feldpotentialkomponenten beider Schichten reduzierten. Schichtspezifische Unterschiede konnten dabei nicht festgestellt werden, was auf eine ähnliche Glutamatregulation in beiden Schichten schließen läßt. Für die anschließenden intrazellulären und patch-clamp Messungen wurden aus diesem Grund nur noch Neurone der Schicht III untersucht. Beide Transport-Inhibitoren (L-trans-2,4-PDC und DL-TBOA) reduzierten die Amplituden der pharmakologisch isolierbaren EPSPs/EPSCs ohne die Kinetik zu beeinflussen. Diese reduzierende Wirkung konnte durch trans-(±)-ACPD, einen Agonisten der Gruppe I und II metabotropen Glutamatrezeptoren (mGluRs), nachgeahmt werden. Die Vorinkubation der Hirnschnitte mit dem unspezifischen Gruppe I und II mGluR-Antagonisten MCPG verhinderte die durch trans-(±)-ACPD hervorgerufene Amplitudenreduktion und auch den reduzierenden Effekt der beiden Transport-Inhibitoren. In nachfolgenden Experimenten mit dem spezifischen Gruppe II mGluR-Antagonisten EGLU konnte dieser zwar die durch L-trans-2,4-PDC hervorgerufene Wirkung verhindern, nicht aber den durch DL-TBOA vermittelten Effekt, was auf eine Aktivierung von Gruppe I mGluRs hinweist. Zusätzlich führte die Applikation von DL-TBOA zu einer signifikanten Veränderung des Doppelpuls-Index, was auf einen präsynaptischen Wirkmechanismus hinweist. Die Applikation von L-trans-2,4-PDC hingegen hatte keinen Effekt auf den Doppelpuls-Index. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sprechen dafür, daß beide Transport-Inhibitoren die erregende synaptische Transmission über eine Aktivierung präsynaptischer metabotroper Glutamatrezeptoren der Gruppen I und II hemmen. Dabei konnte festgestellt werden, daß diese Hemmung unter Applikation von DL-TBOA die präsynaptische Transmitterausschüttung über einen negativen Rückkopplungsmechanismus durch Aktivierung von Gruppe I mGluRs vermindert, während L-trans-2,4-PDC seine Wirkung vor allem über eine Aktivierung der Gruppe II vermittelt. Dabei kann davon ausgegangen werden, daß L-trans-2,4-PDC in der benutzten Konzentration die mGluRs der Gruppe II direkt aktivieren kann und der Effekt nicht nur präsynaptisch vermittelt wird. / Glutamate is the primary excitatory neurotransmitter in the mammalian central nervous system. The precise control of extracellular glutamate is crucial for the maintenance of normal synaptic transmission and the prevention of excitotoxicity. High-affinity glutamate transporters ensure termination of glutamatergic neurotransmission and keep the synaptic glutamate concentration below excitotoxic levels. In layer III, a region that is especially prone to cell damage in Alzheimer's disease, schizophrenia and epilepsy, and layer V of the medial entorhinal cortex (mEC) effects of blocking glutamate uptake on excitatory synaptic transmission were studied. Extracellular recordings in rat brain slices revealed that application of glutamate uptake inhibitors significantly reduced stimulus-induced negative field potentials in both, layer III and V of the mEC. This effect showed no significant differences in both layers suggesting a similar glutamate regulation in layer III and V. Therefore, only layer III neurons of the mEC were used for the subsequent intracellular and patch-clamp recordings. Two competitive glutamate transporter antagonists, DL-TBOA and L-trans-2,4-PDC, reduced the amplitude of pharmacologically isolated EPSPs/EPSCs without changing the time course of the events. This effect was mimicked by trans-(±)-ACPD, an agonist of group I and II metabotropic glutamate receptors (mGluRs). The competitive group I and II mGluR antagonist MCPG blocked the depression of the EPSC amplitude induced by trans-(±)-ACPD and also masked the effect of either DL-TBOA or L-trans-2,4-PDC. Furthermore, EGLU, which selectively antagonizes group II mGluRs, masked the effect of L-trans-2,4-PDC but not that of DL-TBOA, indicating an involvement of group I mGluRs in the latter case. Finally, DL-TBOA significantly enhanced the paired-pulse index, suggesting a presynaptic mechanism for the depression of EPSP/EPSC amplitude, whereas application of L-trans-2,4-PDC had no significant effect on the paired-pulse behaviour. The present study shows that both transport inhibitors depress pharmacologically isolated EPSPs/EPSCs in layer III neurons of the mEC in combined entorhinal-hippocampal slices. This effect seems to be mediated via activation of different groups of mGluRs. The results suggest that DL-TBOA causes a negative feedback on glutamate release via indirect activation of presynaptic group I mGluRs, possibly due to an accumulation of glutamate, whereas application of L-trans-2,4-PDC most likely leads to an activation of presynaptic group II mGluRs reducing Ca2+-independent release. The latter might be due to a direct action of L-trans-2,4-PDC at these receptors. The present data suggest that blockade of glutamate transport in the mEC does not lead to an excessive accumulation of glutamate because of a counteractive autoinhibiting mechanism.

Es ist noch weitgehend ungeklärt, mittels welcher Mechanismen die elektrische Aktivität von Nervenzellpopulationen des Gehirns Verhalten ermöglicht. Die Orientierung im Raum ist eine Fähigkeit des Gehirns, für die im Säugetier der mediale entorhinale Teil der Großhirnrinde als entscheidende Struktur identifiziert wurde. Hier wurden Nervenzellen gefunden, die die Umgebung des Individuums in einer gitterartigen Anordnung repräsentieren. Die neuronalen Schaltkreise, welche diese geordnete Nervenzellaktivität im medialen entorhinalen Kortex (MEK) ermöglichen, sind noch wenig verstanden. Die vorliegende Dissertation hat eine Klärung der zellulären Architektur und der neuronalen Schaltkreise in der zweiten Schicht des MEK der Ratte zum Ziel. Zunächst werden die Beiträge zur Entdeckung der hexagonal angeordneten zellulären Anhäufungen in Schicht 2 des MEK sowie zur Beschreibung der Dichotomie der Haupt-Nervenzelltypen dargestellt. Im zweiten Teil wird erstmalig eine konnektomische Analyse des MEK beschrieben. Die detaillierte Untersuchung der Architektur einzelner exzitatorischer Axone ergab das überraschende Ergebnis der präzisen Sortierung von Synapsen entlang axonaler Pfade. Die neuronalen Schaltkreise, in denen diese Neurone eingebettet sind, zeigten eine starke zeitliche Bevorzugung der hemmenden Neurone. Die hier erhobenen Daten tragen zu einem detaillierteren Verständnis der neuronalen Schaltkreise im MEK bei. Sie enthalten die erste Beschreibung überraschend präziser axonaler synaptischer Ordnung im zerebralen Kortex der Säugetiere. Diese Schaltkreisarchitektur lässt einen Effekt auf die Weiterleitung synchroner elektrischer Populationsaktivität im MEK vermuten. In zukünftigen Studien muss insbesondere geklärt werden, ob es sich bei den hier berichteten Ergebnissen um eine Besonderheit des MEK oder ein generelles Verschaltungsprinzip der Hirnrinde des Säugetiers handelt. / The mechanisms by which the electrical activity of ensembles of neurons in the brain give rise to an individual’s behavior are still largely unknown. Navigation in space is one important capacity of the brain, for which the medial entorhinal cortex (MEC) is a pivotal structure in mammals. At the cellular level, neurons that represent the surrounding space in a grid-like fashion have been identified in MEC. These so-called grid cells are located predominantly in layer 2 (L2) of MEC. The detailed neuronal circuits underlying this unique activity pattern are still poorly understood. This thesis comprises studies contributing to a mechanistic description of the synaptic architecture in rat MEC L2. First, this thesis describes the discovery of hexagonally arranged cell clusters and anatomical data on the dichotomy of the two principle cell types in L2 of the MEC. Then, the first connectomic study of the MEC is reported. An analysis of the axonal architecture of excitatory neurons revealed synaptic positional sorting along axons, integrated into precise microcircuits. These microcircuits were found to involve interneurons with a surprising degree of axonal specialization for effective and fast inhibition. Together, these results contribute to a detailed understanding of the circuitry in MEC. They provide the first description of highly precise synaptic arrangements along axons in the cerebral cortex of mammals. The functional implications of these anatomical features were explored using numerical simulations, suggesting effects on the propagation of synchronous activity in L2 of the MEC. These findings motivate future investigations to clarify the contribution of precise synaptic architecture to computations underlying spatial navigation. Further studies are required to understand whether the reported synaptic specializations are specific for the MEC or represent a general wiring principle in the mammalian cortex.

Lebewesen sind jeden Tag Sequenzen von Ereignissen ausgesetzt, die sie sich merken wollen. Es ist jedoch ein allgemeines Problem, dass sich die Zeitskalen des Verhaltens und der Induzierung von neuronalem Lernen um mehrere Größenordnungen unterscheiden. Eine mögliche Lösung könnte "Phasenpräzession" sein - das graduelle Verschieben von Aktionspotential-Phasen relativ zur Theta-Oszillation im lokalen Feldpotential. Phasenpräzession ermöglicht es, Verhaltens-Sequenzen zeitlich zu komprimieren, herunter bis auf die Zeitskala von synaptischer Plastizität. In dieser Arbeit untersuche ich das Phasenpräzessions-Phänomen im medialen entorhinalen Kortex der Ratte. Ich entdecke, dass entorhinale Gitterzellen auf der für das Verhalten relevanten Einzellaufebene Phasenpräzession zeigen und dass die Phasenpräzession in Einzelläufen stärker ist als in zusammengefassten Daten vieler Läufe. Die Analyse von Einzelläufen zeigt zudem, dass Phasenpräzession (i) in Zellen aus allen Schichten des entorhinalen Kortex existiert und (ii) von den komplexen Bewegungsmustern der Ratten in zweidimensionalen Umgebungen abhängt. Zum Abschluss zeige ich, dass Phasenpräzession zelltyp-spezifisch ist: Sternzellen in Schicht II des medialen entorhinalen Kortex weisen klare Phasenpräzession auf, wohingegen Pyramidenzellen in der selben Schicht dies nicht tun. Diese Ergebnisse haben weitreichende Implikationen sowohl für das Lokalisieren des Ursprungs als auch für die m"oglichen Mechanismen von Phasenpräzession. / Every day, animals are exposed to sequences of events that are worth recalling. It is a common problem, however, that the time scale of behavior and the time scale for the induction of neuronal learning differ by multiple orders of magnitude. One possible solution could be a phenomenon called "phase precession" - the gradual shift of spike phases with respect to the theta oscillation in the local field potential. Phase precession allows for the temporal compression of behavioral sequences of events to the time scale of synaptic plasticity. In this thesis, I investigate the phase-precession phenomenon in the medial entorhinal cortex of the rat. I find that entorhinal grid cells show phase precession at the behaviorally relevant single-trial level and that phase precession is stronger in single trials than in pooled-trial data. Single-trial analysis further revealed that phase precession (i) exists in cells across all layers of medial entorhinal cortex and (ii) is altered by the complex movement patterns of rats in two-dimensional environments. Finally, I show that phase precession is cell-type specific: stellate cells in layer II of the medial entorhinal cortex exhibit clear phase precession whereas pyramidal cells in the same layer do not. These results have broad implications for pinpointing the origin and possible mechanisms of phase precession.

Der primäre somatosensorische Kortex (S1) besteht aus sechs Schichten (L1L6).Die koordinierte Aktivität dieser sechs Schichten kortikaler Neurone ist entscheidend für die sensorische Wahrnehmung und die Steuerung willkürlichen Verhaltens. Es ist jedoch noch wenig über die synaptischen Mechanismen bekannt, die die Verarbeitung zwischen den kortikalen Schichten bei sich aktiv verhaltenden Tieren bestimmen. Ich habe einfache und doppelte in vivoGanzzellableitungen im VorderpfotenAreal von S1 in der Maus gemacht, und gezeigt, dass Pyramidalzellen in L2/3 und L5 während einer Bewegung der Vorderpfote Unterschiede in ihren intrinsischen Eigenschaften und der Dynamik ihrer Membranpotenziale zeigen. Doppelableitungen haben gezeigt, dass sensorisch und motorisch ausgelöste synaptische Eingänge zwischen den Zellschichten weitgehend korreliert waren, niederfrequente unterschwellige Potenzialschwankungen und spontane Aktionspotenziale jedoch einen schichtspezifischen Zeitverlauf zeigten. Auf einer längeren Zeitskala beobachteten wir, dass spontane Bewegungen der Vorderpfote eine Dekorrelation unterschwelliger Aktivität zwischen den Schichten auslösten. Des Weiteren zeigten L5Pyramidalzellen durch ihre Aktivität sensorisch ausgelöste und spontane Bewegungen der Vorderpfote stärker an, als L2/3Neurone. Insgesamt deuten meine Daten darauf hin, dass Unterschiede zwischen den Zellschichten beim Timing von Aktionspotenzialen, bei der unterschwelligen Synchronisierung und bei den mittleren Feuerraten sowohl von der Quelle des zu Grunde liegenden synaptischen Eingangs als auch vom resultierenden Verhalten abhängen. Außerdem konnte ich zeigen, dass Neurone im VorderpfotenAreal von S1 auf leichte Kältereizung der Vorderpfote antworten, und dass diese Antwort vom Ionenkanal transient receptor potential cation channel subfamily M member 8 (TRPM8) in primären sensorischen afferenten Neuronen vermittelt wird. / The primary somatosensory cortex (SI) is composed of six layers (L1L6). The coordination of neural activities across six layers of cortical neurons is essential for reliable sensory perception and the control of voluntary behavior. However, the synaptic neural mechanisms governing translaminar cortical processing in behaving animals are still unknown. I made in vivo single and dual whole cell recordings in mouse forepaw SI, my work revealed that L2/3 and L5 pyramidal neurons have distinct intrinsic properties and membrane potential dynamics during forepaw behavior. Dual recordings showed that sensory and movement evoked synaptic inputs were closely correlated across layers, but low frequency subthreshold fluctuations and spontaneous action potentials exhibited a laminar specific temporal profile. At longer time scales, my data showed that spontaneous forepaw movement evoked a decorrelation of subthreshold activity across layers. Furthermore, L5 pyramidal neurons signaled sensory evoked and spontaneous forepaw movements more strangely than L2/3 neurons. Overall, my work suggests that laminar differences in the timing of action potential firing, subthreshold synchrony and mean firing rates are dependent both on the origin of the underlying synaptic input and the behavioral outcome of the event. In addition, I identified that forepaw SI neurons respond to mild cooling stimulation of the forepaw and that this response is mediated by the Transient receptor potential cation channel subfamily M member 8 (TRPM8) in primary sensory afferent neurons.