Hintergrund: Das Vorhofflimmern ist die häufigste Rhythmusstörung des Menschen. Eine gesteigerte Expression des Na+/Ca2+-Austauschers (NCX) ist dabei eine von zahlreichen elektrischen Remodeling-Mechanismen, die bei diesem Krankheitsbild beobachtet werden. Der unabhängige, also in Abwesenheit anderer Remodeling-Mechanismen bestehende Einfluss einer gesteigerten NCX-Aktivität auf die atriale Proarrhythmie ist allerdings immer noch unzureichend untersucht. Der zugrundeliegende Mechanismus des Vorhofflimmerns basiert zumindest teilweise auf einer spontanen atrialen Aktivität in Form der Ausbildung von spontanen Aktionspotentialen (sAPs). Dabei führt eine spontane Ca2+-Freisetzung aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR) zu einer NCX-vermittelten Ca2+-Extrusion, die einen von NCX getragenen Einwärtsstrom (INCX) genereriert, welcher wiederum eine Depolarisation des Membranpotentials (DAD, delayed afterdeplorazition) nach sich zieht. Diese kann, sofern sie das kritische Membranpotential zur Reaktivierung des Natrium-Stroms (INa) überschreitet, ein sAP induzieren, welches letztendlich das Vorhofflimmern auslösen kann. Methoden: In der vorliegenden Arbeit wurden isolierte atriale Herzmuskelzellen von homozygoten NCX-Überexpressor (OE) und heterozygoten NCX-Knockout (KO) Mäusen und deren korrespondierenden Wildtypen (WTOE und WTKO) mit der Ca2+-imaging- und der patch-clamp-Methode, sowie mit molekularbiologischen und histologischen Methoden untersucht. Ergebnisse: Eine gesteigerte bzw. verringerte atriale NCX-Expression und –Aktivität wurde mithilfe eines Immunoblots, durch eine veränderte NCX-vermittelte Ca2+-Extrusionskapazität und durch Messungen des INCX bestätigt. Das Vorhofgewicht, die Zellgröße, die elektrische Zellkapazität und Fibrosefärbungen ergaben keinen Anhalt für ein strukturelles Remodeling in den untersuchten Mauslinien. Es gab weder Unterschiede in der Anzahl von spontanen Ca2+-Freisetzungen aus dem SR noch in der SR-Ca2+-Beladung. Die Anzahl von DADs, die während eines proarrhythmischen Stimulations-Protokolls auftraten, war im OE im Vergleich zum WTOE und im KO im Vergleich zum WTKO unverändert. Allerdings wurden DADs im OE im Vergleich zum WTOE signifikant häufiger in sAPs übersetzt. Komplementär dazu wurden im KO im Vergleich zum WTKO DADs tendenziell aber statistisch nicht signifikant seltener in sAPs übersetzt. Unter Verwendung eines aggressiveren proarrhythmischen Protokolls in KO und WTKO zeigte sich eine signifikant geringere Übersetzung von DADs in sAPs. Im OE zeigte sich eine erhöhte DAD-Amplitude im Vergleich zum WTOE und komplementär dazu eine Verringerung der DAD-Amplitude im KO im Vergleich zum WTKO. Messungen der L-Typ Ca2+-Ströme (ICa,L) zeigten einen vergrößerten Strom im OE und einen verringerten im KO, bezogen auf WTOE bzw. WTKO. Versuche mit einem Ca2+-Chelator ließen auf eine direkte funktionelle Interaktion zwischen NCX und L-Typ Ca2+-Kanälen (LTCC) schließen. Der K+-Strom (IKtot) war im OE verstärkt und im KO verringert im Vergleich zu den korrespondierenden Wildtypen. Schlussfolgerung: In atrialen murinen Herzmuskelzellen führte eine gesteigerte NCX-Aktivität zu einer erhöhten Anfälligkeit gegenüber sAPs, während eine verminderte NCX-Aktivität zu einem 101 Schutz vor dem Auftreten von sAPs führte. Die vorliegende Arbeit legt die folgenden Mechanismen nahe: Eine gegebene spontane Ca2+-Freisetzung induziert über NCX eine DAD, wobei die Amplitude der DAD direkt abhängig von der NCX-Aktivität ist. Sobald eine DAD die Reizschwelle für die Aktivierung von Na+-Kanälen überschreitet, wird ein sAP ausgelöst. Bei, wie in dieser Arbeit beobachtet, unveränderter Anzahl von spontanen Ca2+-Freisetzungen und damit auch von DADs, machte daher im OE die höhere DAD-Amplitude das Überschreiten der spannungsabhängigen Reizschwelle von sAPs wahrscheinlicher. KO Zellen waren umgekehrt dazu durch den komplementären Mechanismus geschützt, da eine geringere DAD-Amplitude seltener die Schwelle zur Induktion eines sAPs erreichte. Die in dieser Arbeit beschriebene Interaktion zwischen NCX und ICa,L kann als additiver Mechanismus interpretiert werden, durch den im OE bei höherer NCX-Aktivität eine leichtere Reaktivierung von ICa,L erfolgt, was die Induktion eines sAPs möglicherweise zusätzlich unterstützt. Die Befunde der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die NCX-Aktivität als unabhängiger Proarrhythmiefaktor, zumindest in den in dieser Arbeit untersuchten Modellen, die Entstehung von atrialen sAPs beeinflussen kann. Insbesondere die Befunde im KO lassen eine Inhibition von NCX zur Behandlung des Vorhofflimmerns als zukünftige experimentelle Therapiestrategie möglich erscheinen.

In their natural environment animals face complex and highly dynamic olfactory input. This requires fast and reliable processing of olfactory information, in vertebrates as well as invertebrates. Parallel processing has been shown to improve processing speed and power in other sensory systems like auditory or visual. In the olfactory system less is known about olfactory coding in general and parallel processing in particular. With its elaborated olfactory system and due to their specialized neuroanatomy, honeybees are well-suited model organism to study parallel olfactory processing. The honeybee possesses a unique neuronal architecture - a dual olfactory pathway. Two mirror-imaged output projection neuron (PN) pathways connect the first olfactory processing stage, the antennal lobe (analog to the vertebrates olfactory bulb, OB), with the second, the mushroom body (MB) known to be involved in orientation and learning and memory, and the lateral horn (LH). The medial antennal lobe-protocerebral tract (m-APT) first innervates the MB and thereafter the LH, while the other, the lateral-APT (l-APT) projects in opposite direction. The neuroanatomy and evolution of these pathways has been analyzed, yet little is known about its physiology. To analyze the function of the dual olfactory pathway a new established recording method was designed and is described in the first chapter of this thesis (multi-unit-recordings). This is now the first time where odor response from several PNs of both tracts is recorded simultaneously and with high temporal precision. In the second chapter the PN odor responses are analyzed. The major findings are: both tracts responded to all tested odors but with differing characteristics. Since recent studies describe the input to the two tracts being rather similar, the results now indicate differential odor processing along the tracts, therefore this is a good indicator for parallel processing. PNs of the m-APT process odors in a sparse manner with delayed response latencies, but with high odor-specificity. PNs of the l-APT in contrast respond to several odor stimuli and respond in general faster. In some PN originating from both tracts, characteristics of odor-identity coding via response latencies were found. Analyzing the over-all dynamic range of the PNs both l- and m-APT PNs were tested over a large odor concentration range (10-6 to 10-2) (3. chapter). The PNs responded with linear and non-linear correlation of the response strength to the odor concentration. In most cases the l-APT is comparatively more sensitive to low odor concentrations. Response latency decreases with increasing odor concentration in both tracts. Alternative coding principles and elaboration on the hypothesis whether the dual olfactory pathway may contribute coincidental innervation to the next higher-order neurons, the Kenyon cells (KC), is subject of the 4. chapter. Cross-correlations and synchronous responses of both tracts show that in principle odors may be coded via temporal coding. Results suggest that odor processing is enhanced if both tracts contribute to olfactory coding together. In another project the distribution of the inhibitory neurotransmitter GABA (gamma-aminobutyric acid) was measured in the bee’s MB during adult maturation (5. chapter). GABAergic inhibition is of high importance in odor coding. An almost threefold decrease in the total amount of GABAergic innervation was found during adult maturation in the l- and m-APT target region, in particular at the change in division of labor during the transition from a young nurse bee to an older forager bee. The results fit well into the current understanding of brain development in the honeybee and other social insects during adult maturation, which was described as presynaptic pruning and KC dendritic outgrowth. Combining anatomical and functional properties of the bee’s dual olfactory pathway suggests that both rate and temporal coding are implemented along two parallel streams. Comparison with recent work on analog output pathways of the vertebrate’s OB indicates that parallel processing of olfactory information may be a common principle across distant taxa. / In ihrem natürlichen Lebensraum sind Lebewesen mit komplexen und hoch dynamischen olfaktorischen Reizen konfrontiert, was eine schnelle und zuverlässige Duft-Verarbeitung sowohl bei Insekten als auch bei Wirbeltieren erfordert. Im visuellen oder auditorischen System wird sensorischer Eingang durch Parallel-Verarbeitung schneller und effektiver an höhere Gehirnzentren übertragen und verarbeitet. Im olfaktorischen System ist generell und im speziellen über Parallel-Verarbeitung noch wenig bekannt. Die Honigbiene stellt jedoch mit ihrer hoch spezialisierten Duftwahrnehmung und ihrem Duft und Pheromon gesteuerten Verhalten aufgrund ihrer Neuroanatomie einen besonderen Modelorganismus für die Erforschung der Duftverarbeitung und insbesondere der olfaktorischen Parallel-Verarbeitung dar. Honigbienen besitzen „duale olfaktorische Bahnen“, die ausschließlich in Hymenopteren (Bienen, Ameisen, Wespen) als Merkmal ausgeprägt sind. Gebildet werden sie aus zwei spiegelbildlichen Projektions-Neuronen (PN) Ausgangs-Trakten, die das erste olfaktorische Verarbeitungs-Zentrum, den Antennal-Lobus (vergleichbar mit dem Olfaktorischen Bulbus der Wirbeltiere, OB) mit sekundären Verarbeitungszentren, dem Pilzkörper (MB) und dem lateralen Horn (LH) verbinden. Der mediale Antennal-Lobusprotocerebrale Trakt (m-APT) innerviert erst den MB und dann das LH, der laterale Trakt (l-APT) projiziert in umgekehrter Reihenfolge. Der MB ist bei Orientierung, Lernen und Gedächtnis involviert, über die Funktion des LH ist in der Biene noch wenig bekannt. Über die Neuroanatomie und Evolution dieser dualen Bahnen wurde viel geforscht, die Funktion und damit ihre Physiologie sind allerdings noch unzureichend aufgeklärt. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich deshalb mit der Duftverarbeitung im Bienengehirn und im Speziellen mit Parallelverarbeitung in der Olfaktorik. Für die Aufklärung wurde eine neu entwickelte und in dieser Dissertation beschriebene Messmethode etabliert (1. Kapitel). Mit Hilfe dieser Messapparatur (Multi-Unit Recordings) ist es jetzt das erste Mal möglich, hoch-zeitaufgelöst simultan aus beiden Trakten mehrere PNs auf unterschiedliche Düfte hin zu untersuchen. Das 2. Kapitel beschäftigt sich eingehender mit der Analyse von Duftanworten der PN. Die Hauptergebnisse sind, dass beide Trakte auf alle getesteten Düfte regieren, dies aber mit unterschiedlichen Charakteristiken tun. Da gezeigt wurde, dass beide Trakte ähnlichen olfaktorischen Eingang erhalten, die Trakte aber Düfte unterschiedlich verarbeiten, stellen diese Ergebnisse ein erstes Indiz für Parallelverarbeitung im olfaktorischen System der Biene dar. M-APT PN reagieren mit Zeitverzögerung und duftspezifisch, d.h. selektiver auf Düfte. Dagegen reagieren l-APT PN vergleichsweise schneller und duft-unspezifischer auf die in dieser Arbeit verwendeten Düfte. In einigen PN beider Trakte wurde gefunden, dass die PN Duft-Identitäten über duftspezifische Antwort-Latenzen abgebildet werden können. Um Aufschluss über die Gesamtdynamik der PN zu gewinnen, wurden l- und m-APT PN Antworten über weite Duftkonzentrationen (10-6 bis 10-2) hin untersucht (3. Kapitel). Die PN reagierten mit linearen und nicht-linearen Korrelationen. Zudem sind in den meisten Fällen l-APT PN bei schwachen Duftkonzentrationen sensitiver. Die Antwort-Latenz ist zur Duftkonzentration in beiden Trakten negativ-proportional. Alternative Kodierungsmöglichkeiten und die Ausarbeitung der Hypothese, dass die dualen Bahnen eine Koinzidenzverschaltung auf die nächst höheren Neurone, die Kenyon Zellen (KC), bilden könnten, wird im 4. Kapitel behandelt. Dazu zeigen Kreuz-Korrelationsanalysen und synchrone Antwortmuster aus beiden Trakten, dass prinzipiell Düfte auch über Zeit-Kodierung verarbeitet werden können. Generell zeigt sich, dass die dualen olfaktorischen Bahnen eine verbesserte Duftkodierung gegenüber einem Trakt gewährleisten. In einem weiteren Ansatz wurde die alterskorrelierte Plastizität der inhibitorischen GABAergen (gamma-Aminobuttersäure) Innervation im Pilzkörper der Biene während der Adult-Reifung bestimmt (5. Kapitel). Inhibition ist für olfaktorische Kodierung sehr wichtig. Eine fast dreifache Reduktion in der Gesamtmenge von GABA wurde während der Adult-Reifung in beiden Zielregionen der dualen olfaktorischen Bahn gleichermaßen gefunden. Dieser Effekt wurde mit einer insgesamt halbierten GABA Innervierung ebenfalls im visuellen Innervationsgebiet des MB gefunden. Die Ergebnisse passen gut in das derzeitige Verständnis von Adultplastizität der Pilzkörper in der Honigbiene, in denen eine Ausdünnung (Pruning) präsynaptischer Endigungen von PN und ein Auswachsen von KC-Dendriten beschrieben wurde. Aus den neuroanatomischen und physiologischen Eigenschaften der dualen olfaktorischen Bahnen lässt sich schlussfolgern, dass Düfte sowohl über Raten- als auch Zeit-Kodierung bis hin zu Koinzidenz-Verschaltungen verarbeitet werden können. Zudem zeigen derzeitige Arbeiten über analoge Ausgangs-Trakte im OB von Wirbeltieren, dass Parallelverarbeitung im olfaktorischen System ein allgemeines Kodierungsprinzip über weit entfernte Taxa zu sein scheint.

Diss.--Oulun yliopisto, 2000. / Includes bibliographical references (p. [56]-64). Also available online.

University, Diss., 2004--Bremen.

Hornissen bewohnen verschiedenartige Lebensräume wie Laubmischwaldgebiete, Streuobstbestände, Auwälder und Parklandschaften mit Eichen-, Eschen- und Birkenbestand. Für ihren Nestbau benötigen sie größere Hohlräume, so z. B. Spechthöhlen oder tiefe Astlöcher, aber auch Scheunen, Dachböden, Vogelnistkästen und sogar Rolladenkästen werden als Nistmöglichkeit genutzt. Wo nun die Hornisse im Siedlungsbereich des Menschen auftaucht, reagiert dieser nicht selten mit Vorbehalten auf die neuen Mitbewohner. Der Anblick einer Hornissenkönigin, die immerhin die Körperlänge von 4 cm erreichen kann, scheint sofort eine Reihe überlieferter „Horrorgeschichten“ wachzurufen, die jedoch keinesfalls wissenschaftlich begründet sind und mittlerweile samt und sonders widerlegt wurden. Trotzdem halten sich Fehlinformationen wie z. B. „Drei Hornissenstiche töten einen Menschen - sieben ein Pferd“ hartnäckig in den Köpfen der Menschen und führen nicht selten zur kompromisslosen Verfolgung dieser nützlichen und auch geschützten Hautflüglerart. Redaktionsschluss: 30.06.2016

In dieser Arbeit wurde die Chitinsynthase von Manduca sexta untersucht. Wie alle Insekten besitzt Manduca zwei Chitinsynthase-Gene, die als MsCHS-1 und MsCHS-2 bezeichnet werden. Mittels Northern-Blots konnte gezeigt werden, dass MsCHS-1 in den ektodermalen Zellen der Epidermis und der Tracheen exprimiert wird, während MsCHS-2 ausschließlich in den entodermalen Zellen des Mitteldarms exprimiert wird. Die Untersuchung der entwicklungsabhängigen Regulation der Chitinsynthase zeigte, dass MsCHS-1 nur in den Häutungsstadien exprimiert wird, einer Phase, bei der es zur Synthese der neuen Kutikula sowie zum Wachstum der Tracheen kommt. MsCHS-2 wird hingegen nur in den Zwischenhäutungsstadien exprimiert, einer Phase, die mit der Synthese der Chitin-haltigen peritrophischen Matrix einhergeht. Die Chitinsynthese des Mitteldarms wird vermutlich vornehmlich auf transkriptioneller Ebene reguliert, da während der larvalen Entwicklung die Mengen an Chitinsynthase-mRNA und -Protein, als auch die Aktivität der Chitinsynthase weitgehend korrelieren. Diskrepanzen zwischen den getesteten Parametern weisen auf zusätzliche, posttranslationale Regulationsmechanismen hin. Bei der Analyse der Trypsin-vermittelten Aktivierung der Manduca Mitteldarm-Chitinsynthese wurde deutlich, dass die Chitinsynthase nicht direkt durch Trypsin aktiviert wird, sondern dass ein löslicher Faktor prozessiert wird, der die Chitinsynthese stimuliert. Möglicherweise handelt es sich dabei um eine Chymotrysin-ähnliche Protease, wie andere Untersuchungen des Labors gezeigt haben. Die Etablierung eines Chitinsynthase-Aktivitäts-Assays sowie eines Reinigungsprotokolls ermöglichte es die Chitinsynthase aus dem Mitteldarm zu isolieren. Das Enzym konnte dabei als aktiver, trimerer Komplex gereinigt wurde. Dieser bestand aus fünf Proteinen, bei denen es sich um Fragmente der Chitinsynthase handelt, die wahrscheinlich durch proteolytische Prozessierung entstehen.

Die Gattung Daphnia nimmt eine zentrale Position im pelagischen Nahrungsnetz vieler Standgewässern (Seen, Talsperren) ein. Aufgrund hoher Filtrierleistungen sind Daphnien für das integrierte Gewässermanagement, z.B. im Rahmen einer Nahrungskettenmanipulation (Biomanipulation), von großem Interesse. Ihre relativ einfache Kultivierbarkeit machte sie außerdem zu einen weit verbreiteten Modellorganismus limnologischer Grundlagenforschung. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, ein umfassendes Modellsystem für die Gattung Daphnia zu entwickeln, das wesentliche Kenntnisse der Ökologie von Daphnia miteinander verknüpft, um eine Vernetzung des Wissens zu realisieren. Bestehende Modellansätze konnten diese Aufgabe nur unzureichend erfüllen, weil sie in der Regel einem "Problem-orientierten Ansatz" folgen und somit sehr unterschiedliche inhaltliche Ausrichtungen und verschiedene Modellstrukturen aufweisen. Eine Kopplung bzw. ein direkter Vergleich dieser Modelle ist deshalb in der Regel schwierig. Dieses Modellsystem wurde entwickelt, um ein Instrument zur Synthese des vorhandenen Prozesswissens bereitzustellen, und nicht, um ein spezifisches, abgegrenztes Problem zu bearbeiten; es steht somit diametral zu existierenden Ansätzen. Aus diesem Grunde wird der gewählte Ansatz als ein "Spezies-orientierter Ansatz" bezeichnet. Drei Eigenschaften charakterisieren diesen Ansatz. (i) Das Modellsystem umfasst mehrere hierarchische Ebenen biologischer Organisation, wobei der Schwerpunkt auf den Ebenen des Individuums und der Population liegt. Interaktionen zwischen diesen Organisationsebenen sind ausgeprägt und in Feld- und Laborstudien gut belegt, in existierenden Modellen aber noch unzureichend miteinander verknüpft. (ii) Da eine quantitative Interpretation der Ergebnisse beabsichtigt ist, wurden die Modellausgaben einer umfangreichen Validation an unabhängigen und bereits publizierten Daten unterzogen. (iii) Das Modellsystem zeichnet sich durch einen geschachtelten Aufbau aus (nested design), wodurch eine einfache Erweiterbarkeit des Modells oder auch die separate Anwendung bestimmter Modellkomponenten gewährleistet ist. / The scope of this thesis was to develop a comprehensive model system of the genus Daphnia, a key organism in the pelagic food web of lakes and reservoirs and a widely used model organism in experimental and theoretical ecology. Although its central role in applied and basic research in aquatic ecology is obvious, there are still fundamental problems in modelling the observed dynamics of Daphnia (for details see chapter 2). Therefore, a basic motivation of this work was to use scientific results obtained in independently conducted research for developing a model that brings these results into context. Instead of following a "problem-oriented" paradigm applicable to a single, well defined problem or scientific hypothesis, the underlying concept of the emerging model system was considered to be "species-oriented". Thus, various relevant processes are included into the framework in order to simulate the dynamics of daphnids displayed on different levels of biological organization. To facilitate its application to various problems in ecological research on the genus Daphnia, the model system fulfills the following three important properties: (1) model outputs are thoroughly validated on experimental data in order to guarantee sound quantitative outputs of the model system (2) the system spans over different levels of biological organization with special emphasis laid upon the individual level and the population level (3) the model´s architecture follows a nested design with a defined individual level model that is integrated into a population level model The whole model system is able to describe an individual´s development over time on basis of physiological properties of the organism and, furthermore, how these individual level processes interact with the dynamics on the population level. Due to its nested design, applications of separate submodels (e.g. the individual-level model) are possible.

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