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Die heterogene Struktur von aus Rattenhirn isolierten Synaptischen Vesikeln wird untersucht mittels Daten aus Kleinwinkel-Röntgenstreuexperimenten unter Berücksichtigung von Daten erhalten durch cryogene Elektronenmikroskopie, dynamische Lichtstreuung und biochemische Analysen. Es werden niedrig aufgelöste Strukturmodelle des funktionellen Synaptischen Vesikels unter quasi-physiologischen Bedingungen vorgeschlagen. Details des Dichteprofils der Membran, einschließlich Beiträgen von Lipiden und Proteinen werden bestimmt. Die typische Konformation und die allgemeine laterale Organisation der Proteine in Mikrodomänen werden ermittelt. Entropische Beiträge zur freien Energie aufgrund möglicher Bildung und Auflösung der Proteinmikrodomänen auf dem Synaptischen Vesikel werden untersucht. Ferner werden zellfreie Fusionssysteme mittels dynamischer Lichtstreudaten charakterisiert und mögliche Anwendungen von Kleinwinkel-Röntgenstreuung für die Untersuchung von Membran-Fusionsprozessen erörtert.

Synaptic long-term modifications following neuronal activation are believed to be at the origin of learning and long-term memory. Recent experiments suggest that these long-term synaptic changes are all-or-none switch-like events between discrete states of a single synapse. The biochemical network involving calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) and its regulating protein signaling cascade has been hypothesized to durably maintain the synaptic state in form of a bistable switch. Furthermore, it has been shown experimentally that CaMKII and associated proteins such as protein kinase A and calcineurin are necessary for the induction of long-lasting increases (long-term potentiation, LTP) and/or long-lasting decreases (long-term depression, LTD) of synaptic efficacy. However, the biochemical mechanisms by which experimental LTP/LTD protocols lead to corresponding transitions between the two states in realistic models of such networks are still unknown. We present a detailed biochemical model of the calcium/calmodulin-dependent autophosphorylation of CaMKII and the protein signaling cascade governing the dephosphorylation of CaMKII. As previously shown, two stable states of the CaMKII phosphorylation level exist at resting intracellular calcium concentrations. Repetitive high calcium levels switch the system from a weakly- to a highly phosphorylated state (LTP). We show that the reverse transition (LTD) can be mediated by elevated phosphatase activity at intermediate calcium levels. It is shown that the CaMKII kinase-phosphatase system can qualitatively reproduce plasticity results in response to spike-timing dependent plasticity (STDP) and presynaptic stimulation protocols. A reduced model based on the CaMKII system is used to elucidate which parameters control the synaptic plasticity outcomes in response to STDP protocols, and in particular how the plasticity results depend on the differential activation of phosphatase and kinase pathways and the level of noise in the calcium transients. Our results show that the protein network including CaMKII can account for (i) induction - through LTP/LTD-like transitions - and (ii) storage - due to its bistability - of synaptic changes. The model allows to link biochemical properties of the synapse with phenomenological 'learning rules' used by theoreticians in neural network studies.

Die KE-Familie ist das am ausführlichsten untersuchte Beispiel für eine angeborene spezifische Sprachstörung. Die Sprachstörung in dieser Familie wird durch eine heterozygote Punktmutation im FoxP2-Gen hervorgerufen, die R553H-Mutation. Die betroffenen Mitglieder der Großfamilie haben Defizite beim Erlernen komplexer orofazialer Bewegungsabläufe als Grundlage des fließenden Sprechens und zeigen Störungen beim Sprachverständnis und beim Schreiben. Untersuchungen an der KE-Familie und an Knockout-Tieren hatten Hinweise auf eine Beteiligung des Kleinhirns an der Sprachstörung der KE-Familie geliefert. Entsprechend war zu erwarten, dass genauere Kenntnisse über den Einfluss vom FoxP2-Gen auf Entwicklung und Funktion des Kleinhirns helfen könnten, die Funktion von FoxP2 und seine Rolle bezüglich dieser Sprachstörung, aber auch in Hinblick auf die Sprachfähigkeit des Menschen weiter aufzuschlüsseln. Die Experimente, die der vorliegenden Promotionsarbeit zu Grunde liegen, erforschten erstmals den Einfluss der KE-Mutation im FoxP2-Gen auf synaptischer Ebene durch Untersuchungen am in der Literatur ausführlich beschriebenen erregenden Schaltkreis im Kleinhirnkortex von heterozygoten R552H-Mäusen. Elektrophysiologische Messungen dienten dazu, die Verschaltung der Parallelfasern und Kletterfasern auf die Purkinjezelle auf Veränderungen der Übertragungseigenschaften zu prüfen. Durch Induktion von Langzeitdepression und Paarpulsbahnung an der Parallelfaser-Purkinjezell-Synapse sollte die synaptische Plastizität untersucht werden. Es zeigten sich eine intakte Verschaltung der erregenden Eingänge auf die Purkinjezelle, jedoch Veränderungen der Langzeit- und der Kurzzeitplastizität: Nach Induktion von Langzeitdepression entwickelte sich diese signifikant schneller. Die Paarpulsbahnung war bei kurzen Interstimulusintervallen signifikant verstärkt. Die Befunde sprechen für einen Einfluss des FoxP2-Gens auf die synaptischen Eigenschaften im Kleinhirnkortex. Die Aufschlüsselung dieses Einflusses und seine Bedeutung für die Sprachstörung der KE-Familie und die Sprachentwicklung beim Menschen ist Gegenstand weiterer Forschung.

Die Erhaltung der Gehirnfunktion trotz Veränderungen im Organismus und dessen Umwelt erfordert homöostatische Mechanismen. Inhibitorische Interneurone spielen eine Schlüsselrolle bei Berechnungen und Homöostase im Gehirn. Es ist jedoch unklar, welcher Mechanismus diese Eigenschaften erzeugen kann. Diese Arbeit hat das Ziel, die homöostatischen Fähigkeiten solcher Interneurone zu bestimmen und die daraus resultierenden funktionellen Konsequenzen mit analytischen und numerischen Techniken zu ergründen. Die zentrale Hypothese dieser Arbeit ist, dass Interneurone ihre Feuerraten modulieren, um langfristig die Aktivität exzitatorischer Neurone bei einem homöostatischen Sollwert zu halten. Wir beginnen mit einem normativen Ansatz und leiten eine Plastizitätsregel her, welche die Aktivität von Interneuronen regelt, um netzwerkweite Abweichungen vom Sollwert zu minimieren. Um die biologische Plausibilität zu erhöhen, liefern wir zwei Approximationen, bei denen jede Interneurone auf die exzitatorische Population reagiert, die sie inhibiert und zeigen, dass alle drei Varianten vergleichbare aber unterschiedliche homöostatische Fähigkeiten haben. Wir kontrastieren den normativen Ansatz mit Regeln, welche die Aktivität einer Interneurone verändern, wenn die Neuronen, die sie treiben, vom Sollwert abweichen. Diese Regeln erzeugen Konkurrenz zwischen Neuronen und führen daher zu zerstreuter Netzwerkaktivität. Im zweiten Teil dieser Arbeit untersuchen wir, wie eine der approximierten Regeln die funktionellen Eigenschaften des sensorischen Kortex beeinflusst. Wir zeigen, dass sie mehrere experimentell Beobachtungen erklären kann, inklusive des Ko-Tunings von exzitatorischen und inhibitorischen Strömen und der Entwicklung von Zellverbänden. Zusammenfassend liefert diese Arbeit neue Erkenntnisse darüber, wie die Regulierung der Interneuron-Aktivität für neuronale Netzwerke homöostatisch sein kann, und zeigt mögliche Auswirkungen auf die Entwicklung und Erhaltung der Gehirnfunktion auf. / Preserving brain function despite ongoing changes inside the organism, and out in the world, necessitates homeostatic mechanisms. Inhibitory interneurons play a key role in both computation and homeostasis within the brain. However, it remains unclear if there is a mechanism that can account for both of these properties. This thesis therefore aims to determine the homeostatic capabilities of such interneurons and elucidate the resulting computational consequences, using analytical and numerical techniques. The central hypothesis of this thesis is that some interneurons slowly modulate their firing rates to maintain the long-term activity of excitatory neurons at a homeostatic set-point. Thus we begin with a normative approach, deriving a plasticity rule that regulates the activity of interneurons to minimise network-wide deviations from that set-point. In the interest of biological plausibility we also provide two approximations, both of which make each interneuron responsive to the excitatory population it inhibits, and show that all three variants exhibit comparable though distinct homeostatic capabilities. We contrast this normative approach by characterising the homeostatic properties of rules which instead alter the activity of an interneuron when the neurons that drive it deviate from the set-point. Those rules induce a competition between neurons, causing network activity to become sparse. In the second part of this thesis, we investigate how one of the approximate rules affects computational properties of sensory cortex. We show that it can account for several experimentally reported results, including co-tuning of excitatory and inhibitory currents, and the development of excitatory-inhibitory cell assemblies. In summation, this thesis provides new insight into how regulating interneuron activity can be homeostatic for neuronal networks, and reveals potential implications for development and preservation of brain function.