Gap Junction Kanäle sind wesentlich für die interzelluläre Kommunikation im Herzen. Die wichtigsten kardialen Gap Junction Proteine sind Connexin 43, Connexin 40 und in frühen Entwicklungsstadien Connexin 45. Da Katecholamine eine wichtige Rolle in der kardialen Physiologie bzw. Pathophysiologie spielen, sollte geklärt werden, ob Katecholamine die Expression von Connexin 40 und Connexin 43 beeinflussen. Es wurden neonatale Rattenkardiomyozyten in Zellkultur 24 Stunden mit aufsteigenden Noradrenalinkonzentrationen (1-10000 nM) (physiologischer Agonist für α-und β-Adrenozeptoren) inkubiert. Hier zeigte sich ein signifikanter Anstieg der Connexin 43 Expression, während die Connexin 40 Expression nicht beeinflußt wurde. Um zu zeigen über welchen Adrenozeptor (α oder β) die Hochregulation von Cx 43 durch Noradrenalin erfolgt, wurden die Zellkulturen in zwei weiteren Versuchsreihen zusätzlich mit einem β-Blocker (Propranolol 100µM) bzw. einem α- Blocker (Prazosin 10 µM) über 24 Std. inkubiert. Hier zeigte sich eine deutliche Inhibierung des Noradrenalineffektes durch die Blockade der α-Rezeptoren durch Prazosin. Eine Blockade der β-Rezeptoren hatte keinen inhibitorischen Effekt auf die Hochregulation der Expression von Cx 43 durch Noradrenalin. Es kam hier sogar zu einer verstärkten Expression verglichen mit der Cx 43 Expression unter Noradrenalin ohne Rezeptorblockade. Desweiteren wurde überprüft, ob es auch unter der Behandlung von Sprague– Dawley-Ratten mit einem β-Mimetikum (Isoprenalin) bzw. einem α-Mimetikum (Phenylephrin) zu einer Veränderung der Connexinexpression kommt. Die Western Blot Analysen ergaben hierbei wieder einen α-Rezeptoren vermittelten Effekt, indem es zu einem wesentlichen Konzentrationsanstieg von Connexin 43 unter der Behandlung mit Phenylephrin kam.

ABSTRACT The current study documents the findings from immunohistochemical examination of the brains of microbats and megabats (Chiroptera) using antibodies for cholineacetyltransferase (cholinergic neurons), tyrosine hydroxylase (dopaminergic, adrenergic and noradrenergic neurons), and serotonin (serotonergic neurons). The objective of the study was firstly to describe the anatomical organization and morphology of the neuromodulatory systems (nuclear complement) in both microbats and megabats, as there is no literature on these systems in the brains of chiropterans. Secondly, we aimed to investigate whether or not there are differences in these systems between the two suborders of chiroptera in hopes to shed some light on the phylogeny of the two, which is a controversial subject. The two groups were found to possess clear differences in their respective neuromodulatory nuclear complements. The differences observed between the two groups include a dorsal division of the locus coeruleus (A6d), which was absent in microbats but present in megabats, also the absence of an A4 in microbats but clear presence in megabats, and the parabigeminal (PBg) nucleus that was absent in microbats but clearly visible in megabats. The microbats were found to possess a complement that appeared similar to that of insectivores; whereas megabats had a complement resembling that of primates, carnivores and rodents. The differences found between the two groups suggest a diphyletic origin for the two groups.

In this thesis I investigated the neural circuits that trigger cataplexy in mice. Specifically, I first addressed the theory that cataplexy is a REM sleep disorder. I then investigated a role for the noradrenergic and dopaminergic systems in murine cataplexy. Finally, I addressed the role of the amygdala in triggering cataplexy. From this work several specific conclusions can be drawn: 1. Cataplexy does not share a common executive mechanism with REM sleep, although the two may share a common mechanism that generates muscle atonia. Muscle tone during REM sleep and cataplexy is similar, however increasing REM sleep pressure does not increase cataplexy and positive affective stimuli that can increase cataplexy tend to decrease REM sleep. 2. Systemic manipulation of dopamine receptors can modulate cataplexy without affecting behavioral state. Specifically, manipulation of D2-like dopamine receptors at specific doses can modulate cataplexy while having no affect on sleep-wake state or sleep attacks, and manipulation of D1-like receptors potently affects sleep-wake state and sleep attacks without affecting cataplexy. 3. Systemic modulation of noradrenergic activity in orexin KO mice is sufficient to modulate cataplexy. Specifically, activation of excitatory α1 receptors reduces the occurrence of cataplexy while blockade of these receptors exacerbates it. 4. Withdrawal of an endogenous α1-mediated noradrenergic drive from motor neurons during wakefulness contributed to the loss of muscle tone during cataplexy. Re-establishing this excitatory drive exogenously alleviated cataplexy-dependant muscle atonia. 5. The amygdala is a critical part of the neural mechanism that triggers cataplexy in orexin KO mice. Ablation of the amygdala resulted in significant decreases in both baseline cataplexy and emotionally-induced cataplexy. The amygdala may trigger cataplexy through direct projections to brainstem areas that regulate muscle atonia.

In this thesis I investigated the neural circuits that trigger cataplexy in mice. Specifically, I first addressed the theory that cataplexy is a REM sleep disorder. I then investigated a role for the noradrenergic and dopaminergic systems in murine cataplexy. Finally, I addressed the role of the amygdala in triggering cataplexy. From this work several specific conclusions can be drawn: 1. Cataplexy does not share a common executive mechanism with REM sleep, although the two may share a common mechanism that generates muscle atonia. Muscle tone during REM sleep and cataplexy is similar, however increasing REM sleep pressure does not increase cataplexy and positive affective stimuli that can increase cataplexy tend to decrease REM sleep. 2. Systemic manipulation of dopamine receptors can modulate cataplexy without affecting behavioral state. Specifically, manipulation of D2-like dopamine receptors at specific doses can modulate cataplexy while having no affect on sleep-wake state or sleep attacks, and manipulation of D1-like receptors potently affects sleep-wake state and sleep attacks without affecting cataplexy. 3. Systemic modulation of noradrenergic activity in orexin KO mice is sufficient to modulate cataplexy. Specifically, activation of excitatory α1 receptors reduces the occurrence of cataplexy while blockade of these receptors exacerbates it. 4. Withdrawal of an endogenous α1-mediated noradrenergic drive from motor neurons during wakefulness contributed to the loss of muscle tone during cataplexy. Re-establishing this excitatory drive exogenously alleviated cataplexy-dependant muscle atonia. 5. The amygdala is a critical part of the neural mechanism that triggers cataplexy in orexin KO mice. Ablation of the amygdala resulted in significant decreases in both baseline cataplexy and emotionally-induced cataplexy. The amygdala may trigger cataplexy through direct projections to brainstem areas that regulate muscle atonia.

Um die Rolle des Noradrenalin (NA)-Systems in der Pathophysiologie der Adipositas weiter zu entschlüsseln, war das Hauptziel dieser Arbeit festzustellen, ob diätetische Interventionen mit Veränderungen der zentralen NA-Transporter (NAT)-Verfügbarkeit als Indikator für die Aktivität des NA-Systems assoziiert sind. Dies ist die erste Studie, die mittels [11C]MRB und der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) mögliche Veränderungen der NAT bei Menschen mit sehr ausgeprägter Adipositas im Vergleich zu nicht-adipösen Kontrollen im Längsschnitt untersucht. Bei nicht-adipösen StudienteilnehmerInnen fand sich keine Veränderung des BMI und der NAT-Verfügbarkeit über 6 Monate. Es zeigte sich auch in der adipösen Studiengruppe keine signifikante Veränderung in der NAT-Verfügbarkeit im Vergleich vor (Baseline) und nach dem 6-monatigen Behandlungsprogramm (Follow-Up). Es konnte jedoch eine signifikante negative Korrelation zwischen dem individuellen Gewichtsverlust nach der Intervention und der regionalen Veränderungen der Verfügbarkeit von NAT bei adipösen, ansonsten gesunden StudienteilnehmerInnen gezeigt werden. Somit konnte die initiale Annahme einer Veränderung (Zunahme) der NAT-Verfügbarkeit nach Gewichtsabnahme bei den adipösen StudienteilnehmerInnen bestätigt werden. Die Veränderungen fanden sich in den Hirnregionen, die für das Essverhalten bedeutsam sind (Hippocampus und Insula). Die Ergebnisse legen die Schlussfolgerung nahe, dass die Aktivität des NA-Systems und die NAT durch (diätetische) Interventionen, die das Körpergewicht beeinflussen, modifizierbar sind. In wie weit dies für Interventionen zukünftig relevant ist, müssen weitere Untersuchungen zeigen. Als weiteres Ergebnis dieser Studie konnte gezeigt werden, dass die NAT-Verfügbarkeit zum Zeitpunkt der Baseline-Messung als Prädiktor für das Ausmaß der Gewichtsabnahme bei adipösen StudienteilnehmerInnen dienen kann. Es fand sich eine hoch signifikante negative Korrelation zwischen der NAT-Verfügbarkeit zur Baseline und der Gewichtsabnahme nach 6 Monaten im Bereich des Hippocampus, paracentral, der Insula, im Mittelhirn, des dorso-lateralen präfrontalen Kortex und ferner im Bereich des Putamens/dorsalen Striatums. Eine initial niedrigere NAT-Verfügbarkeit ging mit einer höheren Gewichtsabnahme nach 6 Monaten einher. Insgesamt deuten die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass die mittels PET und dem hochselektiven, radioaktiv markierten NAT-Liganden gemessene zentrale NAT-Verfügbarkeit als potentieller Biomarker für eine erfolgreiche Gewichtsabnahme nach einer effektiven diätetischen Intervention dienen könnte. Möglicherweise könnte dies dazu beitragen, Patienten zu identifizieren, die eine geringere Chance für eine erfolgreiche Gewichtsreduktion mittels konservativen diätetischen Interventionen haben. Ob jedoch der Behandlungserfolg durch die Baseline NAT-Verfügbarkeit tatsächlich vorhergesagt werden kann, muss in weiteren Studien anhand größerer Kohorten und auch mit höheren Zahlen an StudienteilnehmerInnen, die nicht auf die Intervention ansprechen, untersucht werden. Es ist zudem von großem Interesse, ob Veränderungen der NAT-Verfügbarkeit auch bei Patienten mit Adipositas gefunden werden können, die sich einer bariatrischen Operation unterziehen. Perspektivisch könnte so festgestellt werden, ob eine diätetische Intervention oder eine bariatrische Operation einen gleichen oder unterschiedlichen Effekt auf die Verfügbarkeit der NAT haben und ob sich entsprechend für den einzelnen Patienten der Erfolg der Behandlung in Abhängigkeit vom Verfahren vorhersagen lässt. So könnte der Weg zu neuen Ansätzen der individualisierten Therapie mitbereitet werden.:Inhaltsverzeichnis Bibliographische Beschreibung 3 1. Einleitung 4 1.1. Adipositas – Definition und Einteilung 4 1.1.2. Prävalenz und Entwicklung von Adipositas 5 1.1.3. Gesundheitliche Belastung und Kosten von Fettleibigkeit 6 1.1.4. Behandlungskonzepte von Adipositas 7 1.2. Zentrales Belohnungssystem und Neurotransmitter 8 1.2.1. Belohnungssystem 8 1.2.2. Der Neurotransmitter Noradrenalin 11 2. Studienhypothese 13 3. Publikation 15 4. Zusammenfassung 23 5. Literaturverzeichnis 26 6. Eidesstattliche Erklärung 29 7. Darstellung des eigenen Beitrags 30 8. Lebenslauf 31 9. Publikationen 32 10. Danksagung 33

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Gap Junction Kanäle sind wesentlich für die interzelluläre Kommunikation im Herzen. Die wichtigsten kardialen Gap Junction Proteine sind Connexin 43, Connexin 40 und in frühen Entwicklungsstadien Connexin 45. Da Katecholamine eine wichtige Rolle in der kardialen Physiologie bzw. Pathophysiologie spielen, sollte geklärt werden, ob Katecholamine die Expression von Connexin 40 und Connexin 43 beeinflussen. Es wurden neonatale Rattenkardiomyozyten in Zellkultur 24 Stunden mit aufsteigenden Noradrenalinkonzentrationen (1-10000 nM) (physiologischer Agonist für α-und β-Adrenozeptoren) inkubiert. Hier zeigte sich ein signifikanter Anstieg der Connexin 43 Expression, während die Connexin 40 Expression nicht beeinflußt wurde. Um zu zeigen über welchen Adrenozeptor (α oder β) die Hochregulation von Cx 43 durch Noradrenalin erfolgt, wurden die Zellkulturen in zwei weiteren Versuchsreihen zusätzlich mit einem β-Blocker (Propranolol 100µM) bzw. einem α- Blocker (Prazosin 10 µM) über 24 Std. inkubiert. Hier zeigte sich eine deutliche Inhibierung des Noradrenalineffektes durch die Blockade der α-Rezeptoren durch Prazosin. Eine Blockade der β-Rezeptoren hatte keinen inhibitorischen Effekt auf die Hochregulation der Expression von Cx 43 durch Noradrenalin. Es kam hier sogar zu einer verstärkten Expression verglichen mit der Cx 43 Expression unter Noradrenalin ohne Rezeptorblockade. Desweiteren wurde überprüft, ob es auch unter der Behandlung von Sprague– Dawley-Ratten mit einem β-Mimetikum (Isoprenalin) bzw. einem α-Mimetikum (Phenylephrin) zu einer Veränderung der Connexinexpression kommt. Die Western Blot Analysen ergaben hierbei wieder einen α-Rezeptoren vermittelten Effekt, indem es zu einem wesentlichen Konzentrationsanstieg von Connexin 43 unter der Behandlung mit Phenylephrin kam.

The current study uses the head and neck of giraffe (Giraffa camelopardalis) as a model for tracking the course of evolutionary change. Gould (2002) has argued that there are three main avenues of evolutionary change that result in the genesis of new morphologies. These are phylogenetic constraints, structural or allometric scaling laws of form, and specific unique adaptations. It is well known that the unique characteristic of the giraffe is its extremely long neck and yet, it only has seven cervical vertebrae. To study the neck the vertebral body lengths of different aged giraffes were measured to determine the contribution of the cervical vertebrae to the total vertebral column. The vertebrae of several extant ungulates as well as those of fossil giraffids were used as a comparison with the giraffe. CT scans were used on several giraffe skulls to study the extent of the frontal sinus in the giraffe in an attempt to explain why the giraffe evolved such a large frontal sinus. The vertebral columns and skulls of several ungulates, including the okapi (Okapia johnstoni) were also used to compare with the results obtained from the giraffe. Immunohistochemistry was used to study the medulla and spinal cord sections of the giraffe to determine if the location and size of the nuclei remained unchanged to the basic ungulate or mammalian plan in spite of the unusually long neck, or if this long neck led to changes in the nuclei found in those regions. The results of these stains were all compared to the published literature available. Although more studies need to be conducted on other ungulates to conclusively determine why giraffe have evolved a long neck, overall the results showed that the anatomy giraffe head and neck remained true to the basic mammalian plan, with very little changing in terms of it morphology. The giraffe brain and spinal cord also resembled that of a typical ungulate. This leads to the conclusion that constraints and allometric scaling laws of form play a greater role than previously thought in the evolution of extreme morphologies.

Das EKG ist ein etabliertes und einfach durchzuführendes diagnostisches Routineverfahren. Belastungsuntersuchungen in denen das EKG beispielsweise Aufschluss über myokardiale Ischämien und Rhythmusstörungen geben kann, belegen den hohen diagnostischen Stellenwert des EKGs. Die Veränderungen der Parameter des EKGs sind charakteristisch und unterliegen dabei den unterschiedlichen physiologischen Bedingungen. Die vorliegende prospektive klinische Untersuchung beschäftigt sich mit der Fragestellung, welche physiologischen Bedingungen für diese Veränderungen ursächlich verantwortlich sind. Dazu wurden 10 männliche Probanden in 2 doppelten Stufen- und 2 Dauertests mit und ohne ß-Blockade untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass in Ruhe und bei intensiver Belastung die ß-Blockade eine Wirkung hatte, was auf einen relevanten Einfluss des Sympathikus schließen lässt. Bei leichter und mittlerer Belastung und in der unmittelbaren Nachbelastungsphase waren hingegen keine Unterschiede in den Tests ohne und mit ß-Blockade festzustellen. Deshalb ist die Annahme plausibel, dass die Regulation der Herzfunktionen durch den Parasympathikus stattfindet, während der Sympathikus hier lediglich eine ergänzende Modulationsfunktion hat. Grundsätzlich unterstützt dies insgesamt die Theorie der zentralen Mitinnervation, die nach den vorliegenden Ergebnissen allerdings vorrangig in der Bedeutung des Parasympathikus und nachrangig in der des Sympathikus liegt.

La dopamine (DA) et la noradrénaline (NA) jouent un rôle primordial dans de nombreuses fonctions cérébrales. Elles agissent par l’intermédiaire de récepteurs couplés aux protéines G qui régulent la voie de signalisation cAMP/PKA. La NA est libérée dans tout le néocortex par les neurones du locus coeruleus (LC). Les projections DA des neurones de l’aire tegmentale ventrale sont présentes dans des régions restreintes du cortex. Le but de ce projet est de caractériser les effets de la NA et de la DA exogènes mais aussi de la libération des catécholamines endogènes sur la voie AMPc/PKA en utilisant l’imagerie de sondes fluorescentes. J’ai montré que la NA, l’isoprotérénol, la DA ou le SKF 38393 stimulent l’activité PKA dans les cellules pyramidales, notamment dans les régions peu innervées par les fibres DA. Les réponses NA et isoprotérénol sont inhibées par les antagonistes β-adrénergiques et les réponses DA par un antagoniste des récepteurs D1/D5. La contribution inhibitrice des récepteurs D2 dopaminergiques et α2-adrénergiques a été mise en évidence. Les récepteurs NA et DA sont donc fonctionnellement exprimés bien au delà du territoire innervé par les fibres DA. L’expression sélective du canal photosensible channelrhodopsine (ChR2) dans les neurones NA combinée à l’imagerie PKA dans le cortex m’a permis de montré que la libération endogène de NA induite par photostimulation augmente réversiblement l’activité PKA. Ces réponses sont inhibées par les antagonistes β- adrénergiques et leur amplitude augmentée par un bloquant de la recapture de la NA. Cette approche permet donc de caractériser en temps réel la transmission catécholaminergique avec une résolution subcellulaire. / Dopamine (DA) and noradrenalin (NA) are critically involved in multiple brain functions. NA and DA modulate neuronal functions via G protein coupled receptors and cAMP/PKA signaling. NA is released in the entire neocortex by axons of locus coeruleus (LC) neurons. DA projections to the neocortex, which originate in the ventral tegmental area, innervate more restricted areas. The aim of this project is to characterize the effect of exogenous and endogenously released NA and DA on cAMP/PKA signaling by using PKA sensitive fluorescent sensors. I showed PKA activation in pyramidal neurons in response to bath application of NA, isoproterenol, DA and SKF38393. Responses were observed throughout the cortex even in areas poorly innervated by DA fibers. Responses to NA and isoproterenol were inhibited by β-receptors antagonists while responses to DA and SKF38393 were blocked by a D1/D5 receptor antagonist. The negative contribution of D2-like and α2-adrenoceptor to PKA signaling was also demonstrated using specific antagonists. These results show a widespread distribution of functional NA and DA receptors in the neocortex that extends far beyond the territory of DA fiber innervations. The selective expression of the light activated Channelrhodopsin2 in NA neurons combined with cortical PKA imaging allowed demonstrating that release of endogenous NA reversibly increases PKA activity. These responses were blocked by β-receptors antagonists while a NA transporter inhibitor increased responses. These results demonstrate that endogenous NA released from LC fibers activates the cAMP/PKA pathway in cortical neurons, providing a means to characterize catecholaminergic transmission events.