Eine einfache Form des Lernens ist die Bildung einer Assoziation zwischen zwei Reizen. Diese Form des Lernens wird nach dem russischen Physiologen I.P. Pawlow (1948-1936) in der Lerntheorie als klassisches Konditionieren bezeichnet. Das Shuttlebox-Training basiert auf der klassischen Konditionierung. Hierbei lernt das Individuum, Er¬eignisse aus der Umgebung vorherzusehen, eine Belohnung zu erhalten (Belohnungs¬lernen) oder, wie in dieser Arbeit zutreffend, eine Strafe zu vermeiden (aversives Ler¬nen). Diese Strafvermeidung selbst ist die eigentliche Belohnung und bestärkt das Ver¬halten positiv (Kim und Mitarb., 2006, PLoS Biol. 4: e233). Für die durchgeführten Ana¬lysen wurde der orbitale Präfrontalkortex gewählt, da er u.a. in emotionales Lernen, Vermeidungslernen und die Verarbeitung von Angst involviert ist, Umweltreize verar¬beitet und diese mit bereits vorhandenen Gedächtnisinhalten verknüpft (Barbas und Zikopoulos, 2007, Neuroscientist 13: 532). Trainiert man juvenile Ratten (P17-P21) (P = postnataler Tag) in der Shuttlebox, so sind sie unfähig, eine aktive Vermeidungsstrategie zu entwickeln, da die Lernaufgabe in der Shuttlebox sehr komplex ist und die lernrelevanten Hirnbezirke noch unreif sind (Gruss und Mitarb., 2010, Neurobiol. Learn. Mem. 94: 329). Wird das Training im adulten Alter (P80-P84) wiederholt, verbessert sich das Vermeidungslernen in der initialen Phase des adulten Trainings im Vergleich zum Vermeidungslernen bei adulten Tieren ohne juveni¬les Vortraining. Offensichtlich hat das juvenile Training eine „Spur“ im Gehirn der Tiere hinterlassen, die beim späteren adulten Training zu verbesserten Lernleistungen führt (Gruss und Mitarb., 2010, Neurobiol. Learn. Mem. 94: 329). Die Arbeitshypothese postuliert, dass die juvenile Trainingsprozedur zu strukturellen Veränderungen von Pyramidenzellen im orbitalen Präfrontalkortex (OFC) führt, die wäh¬rend der Hirnreifung erhalten bleiben und bei adultem Training ein effektiveres Lernen ermöglichen. Um diese Hypothese zu prüfen, wurden in der vorliegenden Arbeit die Spinezahl und -dichte sowie die Dendritenmorphologie der Pyramidenzellen der Schicht II/III des OFC von juvenilen und adulten Wistar-Ratten nach verschiedenen Shuttlebox-Trainingsphasen bestimmt. Für diese Untersuchungen fanden 110 weibliche Ratten Verwendung, davon gingen 50 Tiere in die morphologischen Analysen ein. Die Ver¬suchstiere waren in sechs verschiedene Gruppen unterteilt: n: juvenile nicht trainierte Tiere (P24), juvenile Kontrollgruppe, t: juvenile Tiere (P24), die vom P17-P21 trainiert wurden, nn: adulte Tiere ohne juveniles Vortraining (P 87), adulte Kontrollgruppe, nt: adulte Tiere (P 87), die adult vom P80-P84 trainiert wurden, tn: adulte Tiere (P 87), die juvenil vom P17-P21 trainiert wurden, tt: adulte Tiere (P 87), die juvenil vom P17-P21 und adult vom P80-P84 trainiert wur¬den. Zu Beginn eines Tests wurde auf der Kammerseite, auf der sich das Tier derzeit befand, für fünf Sekunden ein Tonsignal (2400 Hz, 80 dB) ausgesendet (konditionierter Stimu¬lus). Während dieses Zeitraums sollte das Tier die Kammerseite wechseln, es wurde dann kein elektrischer Reiz appliziert. Falls ein Wechsel der Kammerseite ausblieb, kam über die Gitterstäbe des Boxenbodens für maximal 15 Sekunden ein elektrischer Sti¬mulus hinzu (unkonditionierter Stimulus). Ziel des Trainings war ein Kammerwechsel des Tieres während des Tonsignals, vor Applikation des elektrischen Stimulus (Kondi¬tionierung). An fünf aufeinanderfolgenden Tagen bestand die tägliche Trainingseinheit aus 50 Tests. Am P24 bzw. P87 erfolgten die Dekapitation der Versuchstiere und die Präparation der Gehirne. Die Schnitte wurden mit der Golgi-Cox-Methode angefärbt (Ramon-Moliner, 1970, In: Contemporary research methods in neuroanatomy, Berlin: Springer). Die Py-ramidenzellen der Schicht II/III des orbitalen Präfrontalkortex wurden mit dem computer¬gestützten NeurolucidaTM-System (MicroBrightField Inc., Colchester, USA) dreidimen¬sional nachgezeichnet und die Spines (Orte der exzitatorischen Synapsen) markiert. Die Charakterisierung der Zellstruktur erfolgte über die Spinedichte, Spinezahl, Dendriten¬länge und Verzweigungsstruktur des Apikaldendriten und eines der Basaldendriten. Ins¬gesamt gingen 200 Zellen der verschiedenen Tiergruppen in die Analyse ein. Die Grup¬penzugehörigkeit der Tiere war codiert und während der Auswertung nicht bekannt. Fragestellungen und Ergebnisse: 1.) Wie verändert sich während der postnatalen Entwicklung die Zellstruktur der Pyrami¬denzellen der Schicht II/III des OFC (Vergleich der Gruppen „n“ und „nn“)? Während des normalen neuronalen Entwicklungsverlaufs (ohne jegliche Trainingserfah¬rung) zeigte sich, dass sowohl die Spinedichte als auch die Spinezahl mit zunehmen¬dem Alter der Versuchstiere abnahm. Dies ist vermutlich durch einen Selektionsprozess bedingt, bei dem selten genutzte Synapsen eliminiert werden, häufig genutzte Synapsen erhalten bleiben und ihre Übertragungsstärke erhöht wird. 2.) Führt juveniles Training der Ratten zu unmittelbaren Veränderungen der Zellstruktur der Pyramidenzellen der Schicht II/III des OFC (Synapsendichte, Synapsenzahl und Dendritenlänge) (Vergleich der Gruppen „n“ und „t“)? Für den Apikaldendriten waren keine morphologischen Veränderungen nachweisbar, der Basaldendrit zeigte in der trainierten Gruppe eine signifikant verringerte Spinedichte. 3.) Sind durch juveniles Training eventuell induzierte Veränderungen der Zellstruktur auch noch bei adulten Tieren nachweisbar (Vergleich der Gruppen „t“ und „tn“)? Durch juveniles Training kommt es bei den Jungtieren zu einer Stabilisierung relevanter synaptischer Verbindungen, die während der normalen Entwicklung nachgewiesene Sy¬napsenreduktion bleibt aus. Dieses im juvenilen Alter ausgebildete, noch nicht ausge¬reifte, neuronale Netzwerk optimiert das adulte Shuttlebox-Lernen. 4.) Führt ausschließlich adultes Training zu Veränderungen der Zellstruktur der Pyrami¬denzellen der Schicht II/III des OFC (Vergleich der Gruppen „nn“ und „nt“)? Der Verlust der Synapsen während der normalen Entwicklung ist reversibel. Durch adultes Training formieren sich die Synapsen neu, sowohl die Spinedichte als auch die Spinezahl steigen an und erreichen die Werte der juvenil trainierten Tiere. 5.) Werden durch juveniles Training eventuell induzierte Veränderungen der Zellstruktur der Pyramidenzellen der Schicht II/III des OFC durch eine zweite, adulte Trainings¬phase, verstärkt (Vergleich der Gruppen „tn“ und „tt“)? Eine adulte Trainingsphase, zusätzlich zum juvenilen Vortraining, führt zu keinen weite¬ren Veränderungen der Pyramidenzellstruktur. Die juvenil trainierten Tiere erreichen nach einem wiederholten adulten Training das Lernziel jedoch schneller als ausschlie߬lich adult trainierte Tiere. Als Ursache wird vermutet, dass die Synapsenneubildung bei den ausschließlich adult trainierten Tieren (Gruppe „nt“) Zeit in Anspruch nimmt. Bei den juvenil vortrainierten Tieren (Gruppe „tn“) sind diese Synapsen jedoch schon vorhanden und müssen durch das adulte Training (Gruppe „tt“) im Netzwerk nur noch aktiviert wer¬den. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein juveniles Shuttlebox-Training bei Ratten exzitatorische Synapsen an den Dendriten der Pyramidenzellen der Schichten II und III des OFC stabilisiert, obwohl die Tiere zu diesem Zeitpunkt noch keine Vermeidungs¬strategie entwickeln können. Diese im juvenilen Stadium stabilisierte Dendritenmorpho¬logie führt aber dazu, dass die Tiere im adulten Stadium die Vermeidungsaufgabe in der Shuttlebox schneller lernen können. Auf Grund der vielen am Shuttlebox-Lernen beteiligten Hirnregionen und ihrer unter-schiedlichen funktionellen Zusammenarbeit geben die Ergebnisse dieser Arbeit nur ei¬nen kleinen Einblick in lerninduzierte, strukturelle Veränderungen neuronaler Netzwerke. Für ein besseres Verständnis von Lern- und Gedächtnisvorgängen sind weiterführende Untersuchungen unumgänglich.

Eine einfache Form des Lernens ist die Bildung einer Assoziation zwischen zwei Reizen. Diese Form des Lernens wird nach dem russischen Physiologen I.P. Pawlow (1948-1936) in der Lerntheorie als klassisches Konditionieren bezeichnet. Das Shuttlebox-Training basiert auf der klassischen Konditionierung. Hierbei lernt das Individuum, Er¬eignisse aus der Umgebung vorherzusehen, eine Belohnung zu erhalten (Belohnungs¬lernen) oder, wie in dieser Arbeit zutreffend, eine Strafe zu vermeiden (aversives Ler¬nen). Diese Strafvermeidung selbst ist die eigentliche Belohnung und bestärkt das Ver¬halten positiv (Kim und Mitarb., 2006, PLoS Biol. 4: e233). Für die durchgeführten Ana¬lysen wurde der orbitale Präfrontalkortex gewählt, da er u.a. in emotionales Lernen, Vermeidungslernen und die Verarbeitung von Angst involviert ist, Umweltreize verar¬beitet und diese mit bereits vorhandenen Gedächtnisinhalten verknüpft (Barbas und Zikopoulos, 2007, Neuroscientist 13: 532). Trainiert man juvenile Ratten (P17-P21) (P = postnataler Tag) in der Shuttlebox, so sind sie unfähig, eine aktive Vermeidungsstrategie zu entwickeln, da die Lernaufgabe in der Shuttlebox sehr komplex ist und die lernrelevanten Hirnbezirke noch unreif sind (Gruss und Mitarb., 2010, Neurobiol. Learn. Mem. 94: 329). Wird das Training im adulten Alter (P80-P84) wiederholt, verbessert sich das Vermeidungslernen in der initialen Phase des adulten Trainings im Vergleich zum Vermeidungslernen bei adulten Tieren ohne juveni¬les Vortraining. Offensichtlich hat das juvenile Training eine „Spur“ im Gehirn der Tiere hinterlassen, die beim späteren adulten Training zu verbesserten Lernleistungen führt (Gruss und Mitarb., 2010, Neurobiol. Learn. Mem. 94: 329). Die Arbeitshypothese postuliert, dass die juvenile Trainingsprozedur zu strukturellen Veränderungen von Pyramidenzellen im orbitalen Präfrontalkortex (OFC) führt, die wäh¬rend der Hirnreifung erhalten bleiben und bei adultem Training ein effektiveres Lernen ermöglichen. Um diese Hypothese zu prüfen, wurden in der vorliegenden Arbeit die Spinezahl und -dichte sowie die Dendritenmorphologie der Pyramidenzellen der Schicht II/III des OFC von juvenilen und adulten Wistar-Ratten nach verschiedenen Shuttlebox-Trainingsphasen bestimmt. Für diese Untersuchungen fanden 110 weibliche Ratten Verwendung, davon gingen 50 Tiere in die morphologischen Analysen ein. Die Ver¬suchstiere waren in sechs verschiedene Gruppen unterteilt: n: juvenile nicht trainierte Tiere (P24), juvenile Kontrollgruppe, t: juvenile Tiere (P24), die vom P17-P21 trainiert wurden, nn: adulte Tiere ohne juveniles Vortraining (P 87), adulte Kontrollgruppe, nt: adulte Tiere (P 87), die adult vom P80-P84 trainiert wurden, tn: adulte Tiere (P 87), die juvenil vom P17-P21 trainiert wurden, tt: adulte Tiere (P 87), die juvenil vom P17-P21 und adult vom P80-P84 trainiert wur¬den. Zu Beginn eines Tests wurde auf der Kammerseite, auf der sich das Tier derzeit befand, für fünf Sekunden ein Tonsignal (2400 Hz, 80 dB) ausgesendet (konditionierter Stimu¬lus). Während dieses Zeitraums sollte das Tier die Kammerseite wechseln, es wurde dann kein elektrischer Reiz appliziert. Falls ein Wechsel der Kammerseite ausblieb, kam über die Gitterstäbe des Boxenbodens für maximal 15 Sekunden ein elektrischer Sti¬mulus hinzu (unkonditionierter Stimulus). Ziel des Trainings war ein Kammerwechsel des Tieres während des Tonsignals, vor Applikation des elektrischen Stimulus (Kondi¬tionierung). An fünf aufeinanderfolgenden Tagen bestand die tägliche Trainingseinheit aus 50 Tests. Am P24 bzw. P87 erfolgten die Dekapitation der Versuchstiere und die Präparation der Gehirne. Die Schnitte wurden mit der Golgi-Cox-Methode angefärbt (Ramon-Moliner, 1970, In: Contemporary research methods in neuroanatomy, Berlin: Springer). Die Py-ramidenzellen der Schicht II/III des orbitalen Präfrontalkortex wurden mit dem computer¬gestützten NeurolucidaTM-System (MicroBrightField Inc., Colchester, USA) dreidimen¬sional nachgezeichnet und die Spines (Orte der exzitatorischen Synapsen) markiert. Die Charakterisierung der Zellstruktur erfolgte über die Spinedichte, Spinezahl, Dendriten¬länge und Verzweigungsstruktur des Apikaldendriten und eines der Basaldendriten. Ins¬gesamt gingen 200 Zellen der verschiedenen Tiergruppen in die Analyse ein. Die Grup¬penzugehörigkeit der Tiere war codiert und während der Auswertung nicht bekannt. Fragestellungen und Ergebnisse: 1.) Wie verändert sich während der postnatalen Entwicklung die Zellstruktur der Pyrami¬denzellen der Schicht II/III des OFC (Vergleich der Gruppen „n“ und „nn“)? Während des normalen neuronalen Entwicklungsverlaufs (ohne jegliche Trainingserfah¬rung) zeigte sich, dass sowohl die Spinedichte als auch die Spinezahl mit zunehmen¬dem Alter der Versuchstiere abnahm. Dies ist vermutlich durch einen Selektionsprozess bedingt, bei dem selten genutzte Synapsen eliminiert werden, häufig genutzte Synapsen erhalten bleiben und ihre Übertragungsstärke erhöht wird. 2.) Führt juveniles Training der Ratten zu unmittelbaren Veränderungen der Zellstruktur der Pyramidenzellen der Schicht II/III des OFC (Synapsendichte, Synapsenzahl und Dendritenlänge) (Vergleich der Gruppen „n“ und „t“)? Für den Apikaldendriten waren keine morphologischen Veränderungen nachweisbar, der Basaldendrit zeigte in der trainierten Gruppe eine signifikant verringerte Spinedichte. 3.) Sind durch juveniles Training eventuell induzierte Veränderungen der Zellstruktur auch noch bei adulten Tieren nachweisbar (Vergleich der Gruppen „t“ und „tn“)? Durch juveniles Training kommt es bei den Jungtieren zu einer Stabilisierung relevanter synaptischer Verbindungen, die während der normalen Entwicklung nachgewiesene Sy¬napsenreduktion bleibt aus. Dieses im juvenilen Alter ausgebildete, noch nicht ausge¬reifte, neuronale Netzwerk optimiert das adulte Shuttlebox-Lernen. 4.) Führt ausschließlich adultes Training zu Veränderungen der Zellstruktur der Pyrami¬denzellen der Schicht II/III des OFC (Vergleich der Gruppen „nn“ und „nt“)? Der Verlust der Synapsen während der normalen Entwicklung ist reversibel. Durch adultes Training formieren sich die Synapsen neu, sowohl die Spinedichte als auch die Spinezahl steigen an und erreichen die Werte der juvenil trainierten Tiere. 5.) Werden durch juveniles Training eventuell induzierte Veränderungen der Zellstruktur der Pyramidenzellen der Schicht II/III des OFC durch eine zweite, adulte Trainings¬phase, verstärkt (Vergleich der Gruppen „tn“ und „tt“)? Eine adulte Trainingsphase, zusätzlich zum juvenilen Vortraining, führt zu keinen weite¬ren Veränderungen der Pyramidenzellstruktur. Die juvenil trainierten Tiere erreichen nach einem wiederholten adulten Training das Lernziel jedoch schneller als ausschlie߬lich adult trainierte Tiere. Als Ursache wird vermutet, dass die Synapsenneubildung bei den ausschließlich adult trainierten Tieren (Gruppe „nt“) Zeit in Anspruch nimmt. Bei den juvenil vortrainierten Tieren (Gruppe „tn“) sind diese Synapsen jedoch schon vorhanden und müssen durch das adulte Training (Gruppe „tt“) im Netzwerk nur noch aktiviert wer¬den. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ein juveniles Shuttlebox-Training bei Ratten exzitatorische Synapsen an den Dendriten der Pyramidenzellen der Schichten II und III des OFC stabilisiert, obwohl die Tiere zu diesem Zeitpunkt noch keine Vermeidungs¬strategie entwickeln können. Diese im juvenilen Stadium stabilisierte Dendritenmorpho¬logie führt aber dazu, dass die Tiere im adulten Stadium die Vermeidungsaufgabe in der Shuttlebox schneller lernen können. Auf Grund der vielen am Shuttlebox-Lernen beteiligten Hirnregionen und ihrer unter-schiedlichen funktionellen Zusammenarbeit geben die Ergebnisse dieser Arbeit nur ei¬nen kleinen Einblick in lerninduzierte, strukturelle Veränderungen neuronaler Netzwerke. Für ein besseres Verständnis von Lern- und Gedächtnisvorgängen sind weiterführende Untersuchungen unumgänglich.

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Wo und wie werden komplexe Regelsätze im Gehirn repräsentiert? Drei empirische Studien dieser Doktorarbeit untersuchen dies experimentell. Eine weitere methodische Studie liefert Beiträge zur Weiterentwicklung der genutzten empirischen Methode. Die empirischen Studien nutzen multivariate Musteranalyse (MVPA) funktioneller Magnetresonanzdaten (fMRT) gesunder Probanden. Die Fragestellungen der methodischen Studie wurden durch die empirischen Arbeiten inspiriert. Wirkung und Anwendungsbreite der entwickelten Methode gehen jedoch über die Anwendung in den empirischen Studien dieser Arbeit hinaus. Die empirischen Studien bearbeiten Fragen wie: Wo werden Hinweisreize und Regeln repräsentiert, und sind deren Repräsentationen voneinander unabhängig? Wo werden Regeln repräsentiert, die aus mehreren Einzelregeln bestehen, und sind Repräsentationen der zusammengesetzten Regeln Kombinationen der Repräsentationen der Einzelregeln? Wo sind Regeln verschiedener Hierarchieebenen repräsentiert, und gibt es einen hierarchieabhängigen Gradienten im ventrolateralen präfrontalen Kortex (VLPFK)? Wo wird die Reihenfolge der Regelausführung repräsentiert? Alle empirischen Studien verwenden informationsbasiertes funktionales Mapping ("Searchlight"-Ansatz), zur hirnweiten und räumlich Lokalisierung von Repräsentationen verschiedener Elemente komplexer Regelsätze. Kernergebnisse der Arbeit beinhalten: Kompositionalität neuronaler Regelrepräsentationen im VLPFK; keine Evidenz für Regelreihenfolgenrepräsentation im VLPFK, welches gegen VLPFK als generelle Task-Set-Kontrollregion spricht; kein Hinweis auf einen hierarchieabhängigen Gradienten im VLPFK. Die komplementierende methodische Studie präsentiert "The Same Analysis Approach (SAA)", ein Ansatz zur Erkennung und Behebung experimentspezifischer Fehler, besonders solcher, die aus Design–Analyse–Interaktionen entstehen. SAA ist für relevant MVPA, aber auch für anderen Bereichen innerhalb und außerhalb der Neurowissenschaften. / Where and how does the brain represent complex rule sets? This thesis presents a series of three empirical studies that decompose representations of complex rule sets to directly address this question. An additional methodological study investigates the employed analysis method and the experimental design. The empirical studies employ multivariate pattern analysis (MVPA) of functional magnetic resonance imaging (fMRI) data from healthy human participants. The methodological study has been inspired by the empirical work. Its impact and application range, however, extend well beyond the empirical studies of this thesis. Questions of the empirical studies (Studies 1-3) include: Where are cues and rules represented, and are these represented independently? Where are compound rules (rules consisting of multiple rules) represented, and are these composed from their single rule representations? Where are rules from different hierarchical levels represented, and is there a hierarchy-dependent functional gradient along ventro-lateral prefrontal cortex (VLPFC)? Where is the order of rule-execution represented, and is it represented as a separate higher-level rule? All empirical studies employ information-based functional mapping ("searchlight" approach) to localise representations of rule set features brain-wide and spatially unbiased. Key findings include: compositional coding of compound rules in VLPFC; no order information in VLPFC, suggesting VLPFC is not a general controller for task set; evidence against the hypothesis of a hierarchy-dependent functional gradient along VLPFC. The methodological study (Study 4) introduces "The Same Analysis Approach (SAA)". SAA allows to detect, avoid, and eliminate confounds and other errors in experimental design and analysis, especially mistakes caused by malicious experiment-specific design-analysis interactions. SAA is relevant for MVPA, but can also be applied in other fields, both within and outside of neuroscience.