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In der vorliegenden Studie wurde der modulierende Einfluss von Acetylcholin auf die Frequenzabstimmung der Neurone im primären Hörkortex untersucht. Im primären Hörkortex von betäubten Wüstenrennmäusen (Meriones unguiculatus) wurden Einzel- und Mehrzellableitungen in Elektrodenpenetrationen senkrecht zur Kortexoberfläche durchgeführt und die Antworteigenschaften der Neurone vor und während der iontophoretischen Applikation von Acetylcholin, dem Agonisten Carbachol bzw. dem muskarinischen Antagonisten Atropin gemessen. Bei rund der Hälfte der gemessenen Neurone konnte ein cholinerger Einfluss auf die Frequenz-Antwortbereiche gemessen werden. Dabei können sich die Frequenz-Antwortbereiche unter dem Einfluss von Acetylcholin sowohl vergrößern als auch verkleinern, so dass für die gesamte Neuronenpopulation keine signifikante gerichtete Veränderung auftrat. Bereits bei den niedrigsten verwendeten Dosen von Acetylcholin waren maximale Effekte zu beobachten. Cholinerge Einflüsse in Form von Veränderungen der Frequenz-Abstimmkurven von Neuronen konnten in allen kortikalen Schichten gemessen werden. Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit werden die neuronalen Antworten auf repetitive Schallereignisse, d.h. einfache zeitliche Muster, beschrieben. Für die Versuche wurden drei unterschiedlich zeitlich strukturierte Reize ausgewählt. Es handelte sich um sinusamplituden-modulierte (SAM) Reize, sowie repetitive Ton- und Rauschpulse. SAM Reize und repetitive Tonpulse ähnelten sich in ihrem Frequenzgehalt. Die repetitiven Ton- und Rauschpulse wiesen ein identisches zeitliches Muster auf, das sich von SAM Reizen unterschied. Es wurden sowohl die Wiederholfrequenzen, als auch an der besten Wiederholfrequenz die Schalldruckpegel systematisch verändert. Zusätzlich erfolgte die iontophoretische Applikation von Bicucullin (BIC), um den möglichen Einfluss schneller GABAerger Inhibition zu ermitteln. Während die neuronale Aktivitätsrate mit höheren Wiederholfrequenzen annähernd konstant blieb, war die Stärke der zeitlichen Synchronisation der neuronalen Aktivität von der jeweiligen Wiederholfrequenz des repetitiven Reizes abhängig. Die zeitliche Synchronisation der neuronalen Aktivität sank in der Mehrheit der Neurone mit steigender Wiederholfrequenz drastisch ab (Tiefpasscharakteristik) und nur in einem Bruchteil der Neurone fanden sich einzelne Wiederholfrequenzen, die eine maximale Synchronisation auslösten (Bandpasscharakteristik). Die kortikalen Neurone zeigten unabhängig vom benutzten Reiztyp ein gutes neuronales Folgeverhalten auf repetitive Schallreize bis zu Wiederholfrequenzen von 15 – 30 Hz, mit besten Wiederholfrequenzen von 5 -10 Hz. Unter dem Einfluss von BIC war eine deutliche Veränderung der neuronalen Aktivitätsrate zu erkennen. Diese hatte jedoch weder einen Effekt auf die Synchronizität, noch auf die Repräsentation der Reiztypen. Eine einfache Inhibition im auditorischen Kortex fällt damit als Erklärung für die gemessenen neuronalen Aktivitätsmuster aus. In der realen Umwelt können komplexe akustische Reize in sehr unterschiedlichen Schallintensitäten auftreten. Die reizsynchronisierte neuronale Aktivität erlaubt, ein zeitliches Muster innerhalb eines komplexen Reizes zu kodieren. Es wurde untersucht, inwieweit diese zeitliche Kodierung von der Schallintensität abhängt und inwieweit schnelle GABAerge Inhibition darauf einwirkt. Es fand sich kein Zusammenhang zwischen der allgemeinen neuronalen Aktivitätsrate oder der neuronalen Synchronizität in Abhängigkeit vom Schalldruckpegel. Allerdings konnte bei verschiedenen Neuronenpopulationen ein unterschiedliches Verhalten in der Synchronisation mit höheren Schalldruckpegeln bei Stimulation der Neurone mit SAM Reizen und repetitiven Tonpulsen festgestellt werden, das im Hinblick auf die sich verändernde Flankensteilheit bei höheren Schalldruckpegeln und den daraus resultierenden veränderten Interstimulusintervallen diskutiert wird. Die Ergebnisse aus den Experimenten mit BIC und variierenden Schalldruckpegeln zeigten im Mittel keinen Einfluss der kortikalen Inhibition auf die Abhängigkeit der neuronalen Aktivitätsrate und der Synchronisation vom Schalldruckpegel. Allerdings fanden sich im Einzelfall Änderungen in der Synchronisation auf SAM Reize unter BIC. Insgesamt scheint der Einfluss der kortikalen Inhibition auf Veränderungen der neuronalen Antwort im Zusammenhang mit variierenden Schalldruckpegeln gering bzw. nicht vorhanden zu sein.
Gepaarte assoziative Magnetstimulation (PAS) kann im primären menschlichen Motorkortex (M1) sowohl langzeitpotenzierungs- (LTP) als auch langzeitdepressionsähnliche (LTD) Erregbarkeitsveränderungen hervorrufen. Dies kann durch die Untersuchung magnetisch evozierter Potentiale (MEP) erfasst werden. Dagegen ist wenig über die Auswirkungen von PAS auf willkürliche Aktivität des motorischen Kortex bekannt. Im ersten Experiment haben wir bewegungsabhängige kortikale Potentiale (MRCP) bei zehn gesunden Probanden im EEG registriert, um die willkürliche Aktivität im Motorkortex während der Vorbereitung zweier motorischer Aufgaben zu erfassen. Die Probanden mussten dabei entweder den Daumen abduzieren (Hauptmuskel: Musculus abductor pollicis brevis, APB) oder das Handgelenk strecken (Hauptmuskel: Musculus extensor carpi radialis, ECR). Die Amplituden der motorisch evozierten Potentiale im APB wurden dabei durch PASLTP gesteigert, durch PASLTD vermindert und blieben bei PAScontrol unverändert. Im Gegensatz dazu wurden sie im ECR durch keine PAS-Bedingungen verändert. PASLTP verminderte die Negativität der MRCP während des späten Bereitschaftspotentials (-500 bis 0 ms vor Bewegungsbeginn) nur in der APB-Aufgabe. Diese Veränderungen zeigten sich hauptsächlich über zentralen Elektroden kontralateral zur bewegten Hand. Dieser Effekt korrelierte negativ mit dem durch PASLTP induzierten MEP-Anstieg im APB. PASLTD und PAScontrol hatten dagegen keinen Einfluss auf die MRCP Amplituden. Unsere Ergebnisse deuten auf eine spezifische Wechselwirkung von PAS mit willkürlicher Aktivität im Motorkortex während der Vorbereitung motorischer Aufgaben hin. Dies könnte durch ein Zusammenspiel aus erhöhter Exzitabilität von M1 und einer unterbrochenen effektiven Konnektivität zwischen prämotorischen Arealen und M1 erklärt werden. Die Modulation des dorsolateralen prämotorischen Kortex (PMd) durch repetitive transkranielle Magnetstimulation (rTMS) verändert die kortikospinale Erregbarkeit in M1. Die Auswirkungen von PMd-rTMS auf vorbereitende Prozesse für willkürliche Bewegungsabläufe sind jedoch unklar. Contingent negative variation (CNV) repräsentiert im EEG kortikale Vorbereitungsprozesse äußerlich getriggerter Bewegungen während das Bereitschaftspotential (BP) Vorbereitungsprozesse intern getriggerter Bewegungen repräsentiert. Im zweiten Experiment wurden CNV und BP jeweils vor und nach PMd-rTMS untersucht. Das Experiment bestand aus drei CNV-Versuchsblöcken mit insgesamt 243 Durchgängen. Dabei mussten die Probanden auf visuelle Anweisung hin eine zwei-Item Finger-Bewegungssequenz durchführen. RTMS wurde sowohl mit 1 Hz als auch mit 5 Hz bei einer Intensität von 110% der aktiven motorischen Schwelle (AMT) unter individueller MR-Navigation appliziert. Die Erfassung des BP erfolgte während der Durchführung derselben motorischen Aufgaben, allerdings bekamen die Probanden keine Anweisungen. Die Durchschnittsamplituden der frühen und späten Komponente von CNV (CNV1:1500-500 ms vor dem Startsignal (S2); CNV: 500-0 ms vor S2) und der frühen und späten Komponente des BP (BP1: 1500-500 ms vor EMG Beginn; BP2: 500-0 ms vor EMG-Beginn) wurden quantitativ für 25 zentrale Elektrodenpositionen verglichen. CNV2 zeigte eine signifikante Bahnung über dem frontal-zentralen Bereich nach 1 Hz PMd-rTMS, blieb aber unverändert nach 5 Hz PMd-rTMS. CNV1, BP1 und BP2 blieben durch 1 Hz und 5 Hz PMd-rTMS unbeeinflusst. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass der dominante PMd eine wichtigere Rolle in der Vorbereitung extern getriggerter Bewegungen spielt, als dies bei intern getriggerten Bewegungen der Fall zu sein scheint. Die CNV2-Antwort könnte eine intensive Interaktion innerhalb des menschlichen motorischen Kontrollnetzwerks anzeigen, die möglicherweise auf kompensationsähnlichen Mechanismen beruht.
Intrinsic response properties of auditory thalamic neurons in the Gerbil (Meriones unguiculatus)
(2007)
Neurons in the medial geniculate body (MGB) have the complex task of processing the auditory ascending information from the periphery and a more extensive descending input from the cortex. Differences in the pattern of afferent and efferent neuronal connections suggest that neurons in the ventral and dorsal divisions of the MGB take different roles in this complex task. The ventral MGB (vMGB) is the primary, tonotopic, division and the dorsal MGB (dMGB) is one of the higher order, nontonotopic divisions. The vMGB neurons are arranged tonotopically, have sharp tuning properties, and a short response delay to acoustic stimuli. The dMGB neurons are not tonotopically arranged, have broad tuning properties, and a long response delay to acoustical stimuli. These two populations of neurons, with inherently different tasks, may display differences in intrinsic physiological properties, e.g. the capacity to integrate information on a single cell level. Neurons of the ventral and dorsal divisions of the MGB offer an ideal system to explore and compare the intrinsic neuronal properties related to auditory processing. Coronal slices of 200 μm thicknesses were prepared from the thalamus of 4 - 5 week old gerbils. The current-clamp configuration of the patch-clamp technique was used to do experiments on the dorsal and ventral divisions of the medial geniculate body. Slices were subsequently Nissl stained to verify the location of recording. Recordings from the dorsal and ventral divisions exhibited differences in response to depolarizing current injections. The ventral division responded with significantly shorter first spike latency (vMGB = 41.50 ± 7.7, dMGB = 128.43 ± 16.28; (p < 0.01)) and rise time constant (vMGB = 6.95 ± 0.90, dMGB = 116.67 ± 0.13; (p < 0.01)) than the dMGB. Neurons in the dorsal division possessed a larger proportion of slowly accommodating neurons (rapidly accommodating: vMGB: 89%, dMGB: 64%), including a subpopulation of neurons that fired at resting membrane potential. Neurons in the vMGB are primarily responsible for relaying primary auditory input. Dorsal MGB neurons relay converging multimodal input. A comparative analysis with the primary auditory neurons, the Type I and Type II spiral ganglion neurons, reveals a similar pattern. Type I neurons relay primary auditory input and exhibit short first spike latencies and rise time constants. The Type II neurons relay converging input from many sources, while possessing significantly slower response properties and a greater subpopulation of slowly accommodating neurons. Hence, accommodation, first spike latency, and rise time constant are suggested to be a reflection of the amount of input that must be integrated before an action potential can be fired. More converging input correlates to slower accommodation, a longer first spike latency and rise time. Conversely, a greater capacity to derive discrete input is associated with rapid accommodation, along with a short first spike latency and rise time.
Echoortende Fledermäuse verfügen über ein hochauflösendes Gehör. Sie können anhand einer geringen Zeitverzögerung zwischen ausgesendetem Echoortungsruf und dem Echo die Entfernung von Objekten bestimmen. Je nach Spezies und deren spezifischer Ortungsstrategie gibt es unterschiedliche Typen von Ortungslauten. Die meisten Fledermäuse verwenden frequenzmodulierte (FM) Ortungssignale und zählen zu den FM-Fledermäusen. CF-FM-Fledermäuse verwenden dagegen zusätzlich zu FM-Komponenten konstantfrequente Signalelemente (CF-FM). Diese sind besonders zur Detektion flügelschlagender Beuteinsekten in dichter Vegetation von Vorteil. Im auditorischen Kortex (AC) von Fledermäusen existieren so genannte FM-FM-Neurone, die auf die Auswertung der Verzögerungszeiten zwischen Rufaussendung (FM-Ruf) und Echo (FM-Echo) spezialisiert sind. Eine Besonderheit von FM-FM-Neuronen ist, dass sie bei CF-FM-Fledermäusen systematisch, entsprechend ihrer bevorzugten Echoverzögerungen, im AC angeordnet sind. Somit sind die FM-FM-Neurone chronotop entlang einer rostro-kaudalen Achse organisiert. Solche FM-FM-Neurone wurden bislang auch in FM-Fledermäusen nachgewiesen, jedoch waren sie nicht chronotop organisiert. Ein Ziel dieser Promotionsarbeit war es, FM-FM-Neurone bei der FM-Fledermaus Carollia perspicillata hinsichtlich ihrer Eigenschaften und ihrer räumlichen Anordnung im AC zu untersuchen. Die Befunde der vorliegenden Studie an C. perspicillata zeigen, dass alle untersuchten Neurone im dorsalen AC sowohl auf hochfrequente Reintöne als auch auf FM-FM-Stimulation reagierten. Die Echoverzögerungen, auf welche die Neurone im Areal reagierten, lagen zwischen 1 und 32 ms, was einer Distanz zwischen Fledermaus und Objekt von 16 cm bis 5,3 m entspricht. Überraschenderweise waren die kortikalen FM-FM-Neurone bei C. perspicillata chronotop organisiert, ähnlich wie bei insektenfressenden CF-FM-Fledermäusen. Warum eine chronotope Anordnung von FM-FM-Neuronen im AC bei CF-FM-Fledermäusen von Nutzen sein kann, ist nicht geklärt. Bislang wurde vermutet, dass eine systematische Anordnung die Zeitverarbeitungsprozesse optimiert und vor allem beim Insektenjagen in dichter Vegetation vorteilhaft sein könnte. Der vorliegende Befund ist außergewöhnlich, da er zeigt, dass auch bei der überwiegend frugivoren Fledermaus C. perspicillata FM-FM-Neurone chronotop angeordnet sind, und damit verdeutlicht, dass der funktionelle Rückschluss hinsichtlich des Beutefangs neu diskutiert werden muss. Neben der Charakterisierung von FM-FM-Neuronen bei adulten C. perspicillata war Ziel der vorliegenden Arbeit, die postnatale Entwicklung des AC im Hinblick auf die Frequenzrepräsentation zu untersuchen. Während der Entwicklung von C. perspicillata wurden drei wichtige Veränderungen festgestellt: (1) Das Audiogramm zeigt, dass der Hörbereich von Neugeborenen charakteristische Frequenzen (CF) zwischen 15 und 80 kHz aufweist. Dieser Frequenzbereich entspricht etwa 72% des Hörbereichs von Adulten. Während der ersten vier postnatalen Entwicklungswochen findet eine Frequenzverschiebung um etwa 0,4 Oktaven hin zu höheren Frequenzen statt. Insgesamt erhöhen sich die CF der Neurone im dorsalen AC von Neugeborenen bis hin zu Adulten um 30 kHz. (2) Die Sensitivität der hochfrequenten Neurone nimmt während der ersten postnatalen Woche um 15 dB zu und bleibt ab dieser Entwicklungsphase relativ konstant. (3) Die Sensitivität der tieffrequenten Neurone im ventralen AC nimmt im Laufe der Entwicklung um etwa 30 dB zu. Die CF der tieffrequenten Neurone sinken unerwartet während der postnatalen Entwicklung von Juvenilen zu Adulten um etwa 10 kHz. Diese Ergebnisse könnten auf eine bidirektionale Ausreifung der Cochlea hinweisen. Eine dritte ontogenetische Teilstudie der vorliegenden Arbeit befasste sich erstmalig mit den FM-FM-Neuronen und deren Organisation während der postnatalen Entwicklung. Die Befunde zeigen, dass während der Ontogenese drei wichtige Modifikationen auftreten: (1) Bereits bei Neugeborenen liegt der Anteil an FM-FM-Neuronen bei 21% im Vergleich zur Aktivität auf Reintöne. Dieser Anteil nimmt in der ersten Entwicklungswoche auf 56% zu und steigt einhergehend mit der beginnenden Flugtüchtigkeit der Tiere in der dritten Entwicklungswoche abrupt auf 84%. (2) Bei Neugeborenen werden im Vergleich zu älteren Entwicklungsphasen ausschließlich Entfernungen zwischen Fledermaus und Objekt von 50 cm bis 2,5 m auf neuronaler Ebene mittels FM-FM-Neurone codiert. Bereits nach der ersten postnatalen Woche sind die CD ähnlich verteilt wie bei adulten Tieren. Die Sensitivität an den CD nimmt während der Entwicklung vom Neugeborenen zum Adulten um etwa 20 dB zu. (3) Bereits bei Neugeborenen sind die FM-FM-Neurone im dorsalen AC chronotop angeordnet und über alle Altersgruppen hinweg bleibt die Chronotopie bestehen. Die Befunde der vorliegenden Studie zeigen erstmalig, dass die kortikalen Zeitverarbeitungsareale und die Chronotopie pränatal angelegt werden.
Die mittelamerikanische Jagdspinne Cupiennius salei Keys. zeigt nach Reizung ventraler Tasthaare auf den proximalen Beingliedern in freier Natur und auch im Labor das relativ einfache, reflektorische Verhalten des „Körperanhebens“. Ziel der vorliegenden Arbeit war, den am Körperanheben maßgeblich beteiligten Coxamuskel c2 hinsichtlich seiner Anatomie, seiner funktionellen Faserzusammensetzung und Innervation sowie seiner Aktivität beim „Körperanheben“ und bei weiteren Bewegungsweisen der Spinne zu untersuchen. (1) Der c2-Muskel liegt im Prosoma der Spinne und setzt für jedes Bein am anterioren Coxarand an. In den 1. - 3. Beinpaaren liegt c2 zweigeteilt (apodemaler und tergaler Anteil), im Hinterbeinpaar dagegen einteilig (nur tergaler Anteil) vor. (2) Histochemische Nachweisreaktionen (Glykogengehalt, relative Succinatdehydrogenase- und relative myofibrilläre Adenosintriphosphatase-Aktivität) ergeben eine heterogene Faserzusammensetzung des c2-Muskels aus 4 Muskelfasertypen (A, B, C, D). Der apodemale c2-Anteil besteht homogen aus A-Fasern. (3) Messungen mit Laserdiffraktometrie zeigen für die A- und B-Fasern signifikant kürzere Sarkomerlängen als für die C- und D-Fasern. (4) Sodium-Dodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese weist als Besonderheit für die A- und B-Fasern eine Paramyosin-Isoform P1 (107 kDa), eine Isoform der leichten Ketten des Myosins LC2 (22 kDa) und vermehrt eine Troponin-Isoform T4 (46 kDa) nach. In den Cund D-Fasern kommt allein eine 43-kDa-Bande und vermehrt eine Troponin-Isoform T2 (50 kDa) vor. (5) Der c2-Muskel der Vorder- und Hinterbeine wird durch einen eigenen Nerv innerviert. Retrograde Anfüllungen („Backfills“) des Nervs mit neuronalen Tracern legen eine polyneurale Innervation des c2-Muskels aller Beine dar, höchstwahrscheinlich jeweils durch 6 Motoneurone. Zwei davon sind jeweils positiv GABA (Gamma-Amino-Buttersäure) -immunreaktiv; dies ist ein Hinweis auf eine mögliche inhibitorische Innervation des c2-Muskels. (6) Wie Elektromyogramme freilaufender Spinnen zeigen, besteht das Körperanhebeverhalten aus zwei aufeinanderfolgenden Reaktionen: einer lokalen c2-Kontraktion im taktil gereizten Bein, die eine Bewegung im zugehörigen Prosoma-Coxa-Gelenk verursacht, und einer durch diese aktive Bewegung hervorgerufenen plurisegmentalen Reaktion im c2 der übrigen 7 Beine. Wird eine Coxa passiv bewegt, kann auch in festgelegten Spinnen eine plurisegmentale Reaktion aller 8 Beine ausgelöst werden. (7) Sowohl bei der lokalen als auch bei der plurisegmentalen Reaktion des „Körperanhebens“ rekrutiert c2 die gleichen neuromuskulären Einheiten. Dies deutet auf die gleiche zentalnervöse Endstrecke beider Reaktionen hin. Die Anzahl der elektrophysiologisch unterscheidbaren neuromuskulären Einheiten stimmt mit der der anatomisch nachgewiesenen Motoneuronen und Fasertypen überein. (8) Der tergale c2-Anteil ist immer, der apodemale Anteil nur bei schnellem Körperanheben, schnellen Laufstarts und bei Schreckreaktionen (Flucht) der Spinne aktiv. Hierbei rekrutiert der apodemale Teil nur zu Beginn der Verhaltensweise schnelle phasische Einheiten. (9) Ich diskutiere bei welchen Bewegungsweisen der Spinne die 4 Fasertypen vermeindlich zum Einsatz kommen, wie sie höchstwahrscheinlich innerviert werden und welche Konsequenzen die c2-Zweiteilung in den vorderen Beinpaaren (1 - 3) auf die Beinbewegung im Verhalten haben könnte. Am wahrscheinlichsten ist eine verstärkte Druckerhöhung zur Beinextension durch schnelle anfängliche Kontraktionen des „apodemalen Hebels“ und eine vektorielle Kräfteaddition der zwei Muskelteile. (10) Anhang II behandelt den internen Gelenkrezeptor R0 im Prosoma-Coxa-Gelenk. Ausschaltversuche weisen R0 als unentbehrlich für das Zustandekommen der plurisegmentalen Reaktion aus. Lage und Anordnung der R0-Sinneszellen sind in den Beinpaaren 1 - 3 und den Hinterbeinen verschieden.
Visual information is processed hierarchically in the human visual system. Early during processing basic features are analysed separately while at later stages of processing, they are integrated into a unified percept. By investigating a basic visual feature and following its integration at different levels of processing one can identify specific patterns. In certain visual impairments, these patterns can function defectively and their detailed study can clarify the cause of the visual deficit. Here we investigate orientation as a basic feature and use a property of the visual system called adaptation. Adaptation occurs as a decrease in the level of neural activity during repetitive presentation of the same stimulus. Psychophysical studies have shown that adaptation transfers interocularly, meaning that if only one eye is adapted the other eye shows also adaptation effects. Our aim was to investigate interocular transfer by means of functional magnetic resonance imaging (fMRI). Even though adaptation was demonstrated in the fMRI environment, the interocular transfer was never investigated in such a setup. First, we developed a method to measure interocular transfer of adaptation to gratings with fMRI. We then went further to test it in various groups of subjects. In normally sighted humans interocular transfer was present both in early (striate) as well as later visual areas (extrastriate). In subjects with impaired stereovision (with or without normal visual acuity) interocular transfer was absent in the investigated regions. Detailed analysis of the recorded differences between subjects with and subjects without stereovision was performed. The results of this analysis are presented in detail in this book. These results suggest that the neuronal mechanisms involved in the interocular transfer of pattern adaptation share, at least in part, the neural circuitry underlying binocular functions and stereopsis. We conclude that fMRI adaptation can be used for the assessment of cortical binocularity in humans with normal and impaired stereopsis. Further investigations are needed to address more subtle aspects of the lack of interocular transfer. Towards this purpose, through a fourth experiment we propose further directions that might shed more light on the issue of stereovision and its clinical implications. We show that carefully tuned variations in our experimental procedure might reveal other aspects of binocularity in the human visual system. We believe that the method we developed, apart from the interesting results shown here, has a high potential to be further used for other research questions. Following the above summarized ideas, the thesis comprises of three parts (chapters). The first chapter provides the main theoretical backgrounds of the visual system and of the MRI imaging technique, chapter two describes the experimental procedures while the results and their detailed discussion are detailed in chapter three.
The single unit doctrine proposes that each one of our percepts and sensations is represented by the activity of specialized high-level cells in the brain. A common criticism applied to this proposal is the one referred to as the "combinatorial problem". We are constantly confronted with unlimited combinations of elements and features, and yet we face no problem in recognizing patterns and objects present in visual scenes. Are there enough neurons in the brain to singly code for each one of our percepts? Or is it the case that perceptions are represented by the distributed activity of different neuronal ensembles? We lack a general theory capable of explaining how distributed information can be efficiently integrated into single percepts. The working hypothesis here is that distributed neuronal ensembles signal relations present in the stimulus by selectively synchronizing their spiking responses. Synchronization is generally associated with oscillatory activity in the brain. Gamma oscillations in particular have been linked to various integrative processes in the visual system. Studies in anesthetized animals have shown a conspicuous increase in power for the gamma frequency band (30 to 60 Hz) in response to visual stimuli. Recently, these observations have been extended to behavioral studies which addressed the role of gamma activity in cognitive processes demanding selective attention. The initial motivation for carrying out this work was to test if the binding-by-synchronization (BBS) hypothesis serves as a neuronal mechanism for perceptual grouping in the visual system. To this aim we used single and superimposed grating stimuli. Superimposed gratings (plaids) are bi-stable stimuli capable of eliciting different percepts depending on their physical characteristics. In this way, plaids can be perceived either as a single moving surface (pattern plaids), or as two segregated surfaces drifting in different directions (component plaids). While testing the BBS hypothesis, we performed various experiments which addressed the role of both stimulus and cortical architecture on the properties of gamma oscillations in the primary visual cortex (V1) of monkeys. Additionally, we investigated whether gamma activity could also be modulated by allocating attention in time. Finally, we report on gamma-phase shifts in area V1, and how they depend on the level of neuronal activation. ...
In welchen Situationen steht ein Tier unter Stress und wie beeinflusst Stress dessen Wohlbefinden? Dies sind die Kernfragen, mit denen Zoos konfrontiert sind, wenn es darum geht, den Bedürfnissen ihrer Tiere gerecht zu werden. Die Beantwortung dieser Fragen ist jedoch angesichts der großen individuellen Variabilität des Inputs, der Stress hervorrufen kann,und des Outputs, der das Wohlbefinden bestimmt, eine Herausforderung. Um diese Herausforderung zu meistern, brauchen Zoos Kenntnisse darüber, welche Haltungsbedingungen und Managementsituationen Verhaltens-, physiologische oder emotionale Veränderungen hervorrufen, sowohl positive als auch negative. Dies trifft insbesondere auf Arten zu, die aufgrund ihrer Biologie und des großen öffentlichen Interesses große Anforderungen an das Management in Menschenobhut stellen, wie den Afrikanischen Elefanten. Die vorliegende Arbeit hatte daher das Ziel, unter Berücksichtigung der individuellen Variation die Auswirkungen bestimmter Managementsituationen auf physiologischen Stress und das Wohlbefinden der Tiere zu evaluieren.
Für diese Arbeit wurden zehn Afrikanische Elefanten aus drei Zoos im Rahmen eines Experiments in 2016 und 2017 mehrmals untersucht. Dieses Experiment umfasste zum einen die Messung von physiologischem Stress auf der Basis der Konzentration des „Stresshormons“ Cortisol im Speichel der Elefanten. Zu diesem Zweck wurden an bestimmten Tagen und zu folgenden Zeitpunkten Speichelproben entnommen: morgens, nachmittags vor und mehrmals nach einer von zwei Managementsituationen (positives Verstärkungstraining [PRT] und neuartiges Enrichmentobjekt [NOV]). Zum anderen diente die Exposition gegenüber dem neuartigen Enrichmentobjekt als sogenannter Novel Object Test. Dieser Standardtest der Persönlichkeitsforschung bei Tieren deckte bei anderen Arten konsistente Verhaltensunterschiede zwischen Individuen auf. Um zu untersuchen, ob dies auch auf Afrikanische Elefanten zutrifft, wurden die individuellen Verhaltensreaktionen auf das neuartige Objekt aufgezeichnet. Darüber hinaus wurden unabhängig von dem Experiment vor und nach einem Transport jeweils morgens und nachmittags Speichelproben von dem transferierten Tier und von zwei Tieren im Bestimmungszoo gesammelt, um den Effekt dieses potenziellen Stressors auf die individuellen Cortisolspiegel zu untersuchen.
Publikation A zeigt, dass die Elefanten unter den Bedingungen des Routinemanagements (das heißt dem routinemäßigen Tagesablauf der Tierpflege) am Morgen signifikant höhere Cortisolwerte im Speichel aufwiesen als am Nachmittag. Diese diurnale Variation der Cortisolsekretion ist typisch für tagaktive Arten und wurde daher auch für die untersuchten Elefanten erwartet. Unter Stressbedingungen wurde weder ein signifikanter Unterschied zwischen den Cortisolspiegeln vor und nach dem Transport noch zwischen den Cortisolwerten am Morgen und am Nachmittag festgestellt. Der prozentuale Unterschied zwischen dem morgendlichen und nachmittäglichen Cortisolspiegel war jedoch beim transferierten Tier nach dem Transport wesentlich geringer als vor dem Transport, was möglicherweise auf eine Stressreaktion auf den Transport und die Eingewöhnung im neuen Zoo hindeutet. Darüber hinaus zeigten sich deutliche Cortisolanstiege unmittelbar nach der ersten Zusammenführung des transferierten Tiers mit dem Bullen im neuen Zoo. Dieses Ergebnis demonstriert zum einen, dass Cortisol physiologischen Stress widerspiegelt. Zum anderen zeigt es die Notwendigkeit, zeitnah nach einem Stressor Speichelproben zu entnehmen, was nach dem Transport nicht möglich war.
Die Studie in Manuskript B zeigt unterschiedliche durchschnittliche Zeitverläufe der Cortisolantworten im Speichel auf die Managementsituationen PRT und NOV. PRT könnte aufgrund des beobachteten cortisolsenkenden und damit potenziell stresspuffernden Effekts förderlich für das Wohlbefinden sein. NOV induzierte im Mittel eine moderate, kurzfristige Cortisolantwort. Dies deutet darauf hin, dass die Tiere geringem physiologischem Stress ausgesetzt waren, mit dem sie jedoch erfolgreich umgehen konnten. Außerdem bestand eine bemerkenswerte individuelle Variation in den Cortisolverläufen in derselben Situation. Die Unterschiede im Cortisolspiegel zwischen den Tieren hingen mit dem Alter (bei NOV) und dem Zoo (bei PRT) zusammen. Der Effekt des Geschlechts und des Haltungssystems auf den Cortisolspiegel war hingegen variabel. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die individuelle Variation der Cortisolsekretion unbedingt berücksichtigt werden muss, um physiologischen Stress zuverlässig zu erkennen.
Die Studie in Manuskript C ergab, dass sich die untersuchten Tiere im Novel Object Test konsistent in ihrem Verhalten gegenüber einem neuartigen Objekt unterschieden. Dieses Ergebnis zeigt, dass der Novel Object Test auch bei Elefanten genutzt werden kann, um die Persönlichkeit der Tiere zu untersuchen...
Echolocation allows bats to orientate in darkness without using visual information. Bats emit spatially directed high frequency calls and infer spatial information from echoes coming from call reflections in objects (Simmons 2012; Moss and Surlykke 2001, 2010). The echoes provide momentary snapshots, which have to be integrated to create an acoustic image of the surroundings. The spatial resolution of the computed image increases with the quantity of received echoes. Thus, a high call rate is required for a detailed representation of the surroundings.
One important parameter that the bats extract from the echoes is an object’s distance. The distance is inferred from the echo delay, which represents the duration between call emission and echo arrival (Kössl et al. 2014). The echo delay decreases with decreasing distance and delay-tuned neurons have been characterized in the ascending auditory pathway, which runs from the inferior colliculus (Wenstrup et al. 2012; Macías et al. 2016; Wenstrup and Portfors 2011; Dear and Suga 1995) to the auditory cortex (Hagemann et al. 2010; Suga and O'Neill 1979; O'Neill and Suga 1982).
Electrophysiological studies usually characterize neuronal processing by using artificial and simplified versions of the echolocation signals as stimuli (Hagemann et al. 2010; Hagemann et al. 2011; Hechavarría and Kössl 2014; Hechavarría et al. 2013). The high controllability of artificial stimuli simplifies the inference of the neuronal mechanisms underlying distance processing. But, it remains largely unexplored how the neurons process delay information from echolocation sequences. The main purpose of the thesis is to investigate how natural echolocation sequences are processed in the brain of the bat Carollia perspicillata. Bats actively control the sensory information that it gathers during echolocation. This allows experimenters to easily identify and record the acoustic stimuli that are behaviorally relevant for orientation. For recording echolocation sequences, a bat was placed in the mass of a swinging pendulum (Kobler et al. 1985; Beetz et al. 2016b). During the swing the bat emitted echolocation calls that were reflected in surrounding objects. An ultrasound sensitive microphone traveling with the bat and positioned above the bat’s head recorded the echolocation sequence. The echolocation sequence carried delay information of an approach flight and was used as stimulus for neuronal recordings from the auditory cortex and inferior colliculus of the bats.
Presentation of high stimulus rates to other species, such as rats, guinea pigs, suppresses cortical neuron activity (Wehr and Zador 2005; Creutzfeldt et al. 1980). Therefore, I tested if neurons of bats are suppressed when they are stimulated with high acoustic rates represented in echolocation sequences (sequence situation). Additionally, the bats were stimulated with randomized call echo elements of the sequence and an interstimulus time interval of 400 ms (element situation). To quantify neuronal suppression induced by the sequence, I compared the response pattern to the sequence situation with the concatenated response patterns to the element situation. Surprisingly, although the bats should be adapted for processing high acoustic rates, their cortical neurons are vastly suppressed in the sequence situation (Beetz et al. 2016b). However, instead of being completely suppressed during the sequence situation, the neurons partially recover from suppression at a unit specific call echo element. Multi-electrode recordings from the cortex allow assessment of the representation of echo delays along the cortical surface. At the cortical level, delay-tuned neurons are topographically organized. Cortical suppression improves sharpness of neuronal tuning and decreases the blurriness of the topographic map. With neuronal recordings from the inferior colliculus, I tested whether the echolocation sequence also induced neuronal suppression at subcortical level. The sequence induced suppression was weaker in the inferior colliculus than in the cortex. The collicular response makes the neurons able to track the acoustic events in the echolocation sequence. Collicular suppression mainly improves the signal-to-noise ratio. In conclusion, the results demonstrate that cortical suppression is not necessarily a shortcoming for temporal processing of rapidly occurring stimuli as it has previously been interpreted.
Natural environments are usually composed of multiple objects. Thus, each echolocation call reflects off multiple objects resulting in multiple echoes following the calls. At present, it is largely unexplored how neurons process echolocation sequences containing echo information from more than one object (multi-object sequences). Therefore, I stimulated bats with a multi-object sequence which contained echo information from three objects. The objects were different distances away from each other. I tested the influence of each object on the neuronal tuning by stimulating the bats with different sequences created from filtering object specific echoes from the multi-object sequence. The cortex most reliably processes echo information from the nearest object whereas echo information from distant objects is not processed due to neuronal suppression. Collicular neurons process less selectively echo information from certain objects and respond to each echo.
For proper echolocation, bats have to distinguish between own biosonar signals and the signals coming from conspecifics. This can be quite challenging when many bats echolocate adjacent to each other. In behavioral experiments, the echolocation performance of C. perspicillata was tested in the presence of potentially interfering sounds. In the presence of acoustic noise, the bats increase the sensory acquisition rate which may increase the update rate of sensory processing. Neuronal recordings from the auditory cortex and inferior colliculus could strengthen the hypothesis. Although there were signs of acoustic interference or jamming at neuronal level, the neurons were not completely suppressed and responded to the rest of the echolocation sequence.
The objectives of this thesis were to understand how distinct classes of cell types interact to shape oscillatory activity in cortical circuits of the turtle. We chose the turtle cortex as a model system for cortical computations for two reasons. One is that the phylogenetic position of turtles makes their cortex functionally and anatomically particularly interesting. The second is that reptilian brains present several unique experimental advantages. Turtles have a three-layered cortex that forms the dorsalmost part of their pallium and receives direct input from visual thalamus. Thus turtle cortex, while sharing several features with mammalian cortices, constitutes a simpler system for studying cortical computations and dynamics. Freshwater turtles are semiaquatic species, that dive for hours and hibernate for months without breathing. Their brains are adapted to these behaviors so that they can operate under severe anoxia. This property allows for ex vivo wholebrain and whole-cortex (”cortical slab”) preparations in vitro, enabling the use of many sophisticated techniques for monitoring activity in parallel.
I thus set out to utilize the advantages of our model system, by using optogenetic methods to reliably evoke oscillations in an ex vivo whole-cortex preparation while observing activity in parallel with planar multi-electrode arrays (MEA), linear silicon depth-electrodes and patch-clamp recording techniques. This required several technical aspects to be solved. Prior work in turtle cortex (Prechtl, 1994; Prechtl et al., 1997; Senseman and Robbins, 2002) indicated that visual stimuli evoke complex activity patterns (e. g. wave patterns) in dorsal cortex. The goal was to examine these dynamics in detail and to provide mechanistic explanations for them whenever possible. The recent advent of optogenetics, the development of microelectrode arrays, and the possibility to combine these techniques with classical electrophysiological approaches on a resistant, accessible and stable preparation led me to explore a number of technical avenues.
First I had to establish gene delivery methods in reptiles. I settled on recombinant viruses, and show results from several serotypes of adeno-associated virus (AAV), i lentivirus and rabies virus. I report successful gene expression of genes of interest with several subtypes of AAV, including the commonly used AAV2/1 and AAV2/5 serotypes. Second I had to find promoters enabling global and cell-type specific gene expression in reptiles. Ubiquitous high-yield promoters such as CAG/CB7 or CMV drive high levels of expression in turtles; cell-type specific promoters such as hSyn (expression limited to neurons) and CaMKIIa (expression limited exclusively o mostly to excitatory neurons) appear similarly biased in turtles. Other cell-type specific promoters reported in the literature (fNPY, fPV, fSST) failed to express in turtles.
A second major aspect of my work focused on electrophysiological recordings using microelectrode arrays and the interpretation of extracellular signals recorded from cortex in ex vivo preparations. We observed that spike signals produced by pyramidal and inhibitory neurons were very often followed by a slower potential. We identified these slower potentials as reflections of synaptic currents, and thus of the axonal projections of the neurons, at least within the deep layers of cortex. This also resulted in a means to classify neurons as excitatory or inhibitory with much higher reliability than classical methods (e. g. spike width). The final aspect of my work concerns the use of optogenetics to dissect the mechanisms of cortical oscillations and wave propagation. I show that oscillations can be induced by light in turtle cortex after transfection with AAV2/1 carrying the gene for channelrhodopsin 2 (ChR2). By using the CaMKIIa promoter, ChR2 induced currents are limited to LII/III excitatory cells; we can therefore control excitatory drive to cortical networks. If this drive is strong enough, layer III inhibitory interneurons are recruited and fire in a concerted fashion, silencing the excitatory population. The visually evoked 20 Hz oscillations observed in chronically recorded animals (Schneider, 2015) or in anaesthetized animals (Fournier et al., in press) thus appear to result from a feedback loop between E and I cells within layers II & III. Details of these interactions are being investigated but - layer I interneurons, by contrast, do not seem to be involved. By pulsing light I could control the frequency of the oscillations within a range of several Hz around the natural oscillation frequency. Above this range, cortex could only follow the stimulus at a fraction (1/2, 1/3,...) of the light pulse frequency. Using a digital micromirror device, I limited activation of the cortical networks spatially, enabling the study of wave propagation in this system.
Reptilian cortex offers a relatively simple model system for a reductionist and comparative strategy on understanding cortical computations and dynamics. Turtle dorsal cortex could thus give fundamental insights to the primordial organization tional, computational and functional principles of cortical networks. These insights are relevant to our understanding of mammalian brains and may prove valuable to decipher fundamental questions of modern neuroscience.
Tympanal hearing organs of insects emit distortion-product otoacoustic emissions (DPOAEs) which are indicative of nonlinear mechanical sound processing. General characteristics of insect DPOAEs are comparable to those measured in vertebrates, despite distinct differences in ear anatomy. DPOAEs appear during simultaneous stimulation with two pure tones (f1<f2) as additional spectral peaks at frequencies of nf1-(n-1)f2 and nf2-(n-1)f1, with the 2f1-f2 emission being the most prominent one. Insect DPOAEs are highly vulnerable to manipulations that interfere with the animal's physiological state and disappear after death. First evidence from locusts suggested that scolopidial mechanoreceptors might play a role in frequency-specific DPOAE generation (Möckel et al. 2007). The overall aim of this thesis was to determine the source of sensitive, nonlinear hearing at high frequencies and of DPOAE generation in tympanal organs of insects.
The first project of the present thesis involved general characteristics of DPOAE generation in the bushcricket Mecopoda elongata and the selective exclusion of the scolopidial mechanoreceptors using the neuroactive insectizide pymetrozine (Möckel et al. 2011). Pymetrozin appears to act highly effective and selectively on chordotonal organs, without affecting other sensory organs that lack scolopidial receptors. Pymetrozine solutions were applied as closely as possible to the scolopidia via a cuticle opening in the tibia, distally to the organ. Applications at concentrations between 10-3 and 10-7 M led to a pronounced and irreversible decrease of DPOAE amplitudes. Both this study on bushcrickets (Möckel et al. 2011) and an earlier one on locusts (Möckel et al. 2007) hence indicate the involvement of scolopidia in DPOAE generation in insects, by using complementary methods (pharmacological versus mechanical manipulation) and different animal models.
The second project of the present thesis investigated the temperature-dependence of DPOAEs in the locust Locusta migratoria (Möckel et al. 2012). The suggested biological origin of acoustic two-tone distortions in insects should involve metabolic processes, whose temperature-dependence would directly affect the DPOAE generation. Body temperature shifts resulted in reversible, level- and frequency-dependent effects on the 2f1–f2 emission. Using low f2 frequencies of up to 10 kHz, a body temperature increase (median +8–9°C) led to an upward shift of DPOAE amplitudes of approximately +10 dB, whereas a temperature decrease (median –7°C) was followed by a reduction of DPOAE amplitudes by 3 to 5 dB. Both effects were only present in the range of the low-level component of DPOAE growth functions below f2 stimulus levels of approximately 30-40 dB SPL. Emissions induced by higher stimulus levels and frequencies (e.g. 12 and 18 kHz) remained unaffected by any temperature shifts. The Arrhenius activation energy of the underlying cellular component amounted to 34 and 41 kJmol-1 (for growth functions measured with 8 and 10 kHz as f2, respectively). Such activation energy values provide a hint that an intact dynein-tubulin system within the scolopidial receptors could play an essential part in the DPOAE generation in tympanal organs.
The third project of this thesis demonstrated mechanical DPOAE analogs in the tympanum's vibration pattern during two-tone stimulation in the locust Schistocerca gregaria, using laser Doppler vibrometry (Möckel et al. 2014). DPOAE generation crucially relies on the integrity of the scolopidial mechanoreceptors (Möckel et al. 2007, 2011), which in locusts, directly attach to the tympanal membrane. During two-tone stimulation, DPOAEs were shown to mechanically emerge at the tympanum region where the auditory mechanoreceptors are attached. Those emission-coupled vibrations differed remarkably from tympanum waves evoked by external pure tones of the same frequency, in terms of wave propagation, energy distribution, and location of amplitude maxima. In contrast to traveling wave-like characteristics of externally evoked vibrations, intrinsically generated waves were locally restricted to the region around the high frequency receptors’ attachment position. The mechanical gradient of the tympanal membrane that leads to direction-dependent properties probably avoids the spreading of these locally evoked waves, which are then reflected and occur only in restricted areas as standing waves. Selective inactivation of mechanoreceptors by mechanical lesions did not affect the tympanum's response to external pure tones, but abolished the emission's displacement amplitude peak. These findings provide evidence that tympanal auditory receptors, comparable to the situation in mammals, comprise the required nonlinear response characteristics, which during two-tone stimulation lead to additional, highly localized deflections of the tympanum.
The neocortical microcircuit, a local network of excitatory and inhibitory neurons, is a highly complex information processing unit, which can flexibly be modulated to adapt to external context and internal state such as motivation or attention. The mechanisms underlying these adaptations for flexible processing are not sufficiently understood yet. The aim of this study is to further elucidate the role of inhibitory and excitatory components of the local neocortical microcircuit for the processing of sensory information in an awake, behaving animal.
Layer 1 of the neocortex is of particular importance because it contains afferents from the thalamus and more distant cortical regions, which relay top-down information that is important for processes such as learning and attention. The dendrites of the excitatory pyramidal neurons located in deeper layers extend into layer 1, and in addition to that layer 1 contains inhibitory neurons, as well as axons from inhibitory somatostatin expressing (SOM) neurons located in lower layers. These layer 1 inhibitory neurons and SOM axons are therefore well positioned to control top-down information transfer at the pyramidal dendrites, and thus to flexibly regulate information processing in the local circuit. To further investigate this, the stimulus responses in inhibitory (SOM axons) and excitatory (layer 2/3 pyramidal neurons) components of the neocortical microcircuit were measured in primary auditory cortex during learning, when auditory stimuli gain relevance.
For this purpose, I first established a suitable learning behaviour, an auditory GO-NOGO discrimination task, which can be performed by head-fixed mice under the microscope. The task also contains a visual start cue, which signals the start of every trial, as a multimodal element. Mice learn to distinguish two auditory stimuli by being rewarded with water after the GO stimulus and receiving no reward after the NOGO stimulus. They indicate that they have identified the stimuli accordingly by licking at a water dispenser during the GO stimulus and not during the NOGO stimulus. Licking during the NOGO stimulus is punished by an aversive air puff. As the mice learn this behaviour, the stimuli gain relevance. The activity in the same neuronal structures was observed over the course of all training sessions via 2-photon imaging in awake, behaving mice, and their stimulus responses were measured throughout the learning process, acquiring a comprehensive dataset. In these data, short-term and long-term plasticity of the stimulus responses can be detected and these changes in the stimulus responses differ for SOM axons and pyramidal neurons. Already from the first training day, stimulus responses change in the course of a single session, both in SOM axons and in pyramidal cells. With time over the course of task acquisition, the stimulus representation in a group of pyramidal neurons in layer 2/3 is enhanced and distal dendrites are less inhibited over training through reduced activation of the SOM axons, so that the integration of information along the somatodendritic axis shifts, increasing the relative impact of top-down information. This shift is even stronger for the NOGO stimulus in correct trials compared to the GO stimulus. This is the first study to show that this somato-dendritic shift by SOM-axon responses occurs at different strengths for the GO and NOGO stimulus, probably due to the different learned responses (action or refraining), which require different forms of circuit control. After learning, the neuronal responses to GO and NOGO stimuli also differ in pyramidal neurons, with the GO stimulus evoking stronger responses than the NOGO stimulus. This learned distinction is reversed in passive trials during which the mice have no possibility to respond to the stimuli, in both SOM axons and pyramidal neurons, resulting in similar response sizes for both stimuli. This indicates that not only learning over the long term, but also short-term changes regarding the state (active execution of the discrimination task or no active participation during the stimulus presentations) affect the processing of the stimuli in the local circuit. In addition, on an even shorter time scale pyramidal neurons show a modulation of responses from trial to trial, probably due to anticipation of reward, which is absent from SOM axon responses. Thus, there are various levels of plasticity that develop over the course of training: long-term changes in the response size of both the excitatory and inhibitory components that facilitate stimulus recognition when engaged, and short-term modulation (possibly in anticipation of reward) in excitatory neurons that could underlie sensorimotor transformation. Both pyramidal neurons and SOM axons in the primary auditory cortex respond to multimodal and reinforcement-related stimuli, likely contributing to the optimisation of circuit dynamics for goal-directed information processing. This shows that the circuit flexibly adjusts information processing under different circumstances, depending on the relevance the stimuli carry and whether the mouse is active or inactive and can use the presented information to achieve a goal.
In der vorliegenden dreiteiligen Studie werden Mongolische Wüstenrennmäuse untersucht, deren Hörspektren im tieffrequenten Bereich und deren Unterscheidungsfähigkeiten von Kommunikationsrufen denen des Menschen ähneln. Die extrazelluläre Aktivität im primären auditorischen Kortex (AI) der narkotisierten Versuchstiere, evoziert durch Reintöne und arteigene Kommunikationsrufe, wird in der linken (LH) und rechten Gehirnhemisphäre (RH) aufgenommen. Es werden Multikanalelektroden (16 Eingangskanäle) verwendet, welche eine simultane Aufnahme der neuronalen Aktivitäten aller kortikalen Schichten ermöglichen. Zur Analyse der neuronalen Mechanismen werden Wellenformen einzelner Elektrodenkanäle und Aktivitätsprofile, bestehend aus den Wellenformen aller Elektrodenkanäle in einem Zeitfenster von 600 ms, auf Ebene von Aktionspotentialen (MUA), lokalen Feldpotentialen (LFP) und Current-source-density (CSD) Analysen, untersucht. Während MUAs die neuronalen Aktionspotentiale im Nahfeld der Elektrode reflektieren, umfassen die LFPs die summierten Potentiale (inhibitorisch und exzitatorisch) von Neuronen eines größeren Areals. Die CSDs hingegen werden durch die Integration von LFP-Wellenformen benachbarter, linear angeordneter Elektrodenkanäle berechnet und ermöglichen so eine Lokalisation der Ursprünge geräuschspezifischer Aktivitätsflüsse.
Im ersten Teilprojekt werden CSD-Profile in Antwort auf unterschiedliche Reintöne untersucht, um die Aktivitätskomponenten, die so genannten Sinks, für weiterführende Analysen zu quantifizieren. Es können zwei primäre (s1 und s2), drei mittlere (s3-s5) und vier späte (s6-s9) Sinks in einem Zeitfenster von 600 ms definiert werden. Eine Veränderung der Stimulusfrequenz eine Oktave über und unter der charakteristischen Frequenz (CF), beziehungsweise des Lautstärkepegels = 24 dB über der minimalen Schwelle, führt zu qualitativen Veränderungen in der CSD-Profilstruktur. Die Sink s7 wird durch Stimuli mit niedrigem Lautstärkepegel weniger verlässlich evoziert, wohingegen die Sink s9 bei Stimuli eine Oktave über der CF verlässlicher evoziert wird. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass im AI die spektralen Informationen eine Oktave über und unter der CF asymmetrisch integriert werden.
Auf Einzelschichtebene konnte bereits gezeigt werden, dass spektrotemporale Eigenschaften von Stimuli durch MUAs schlechter reflektiert wurden als durch LFPs, was vermutlich eine direkte Konsequenz der unterschiedlichen Ursprünge der Signaltypen ist. Daher werden im zweiten Teilprojekt die spezifischen Unterschiede der MUA-, LFP- und CSD-Antworten auf Ebene kortikaler Schichten und kompletter laminarer Profile untersucht, um die Unterschiede und den Informationsgehalt der drei Signaltypen zu charakterisieren. Signifikante Unterschiede, welche durch zwei Reintöne und sieben Kommunikationssignale evoziert werden, können verstärkt im mittleren und späten Latenzbereich und in granulären und infragranulären Schichten vorgefunden werden. Der Grad der Rufspezifizität ist in LFP und CSD-Antworten im Vergleich zu demjenigen in MUA-Antworten größer. Die Segregationsleistung ist im Vergleich zu einzelnen kortikalen Schichten in den von kortikalen Kolumnen abgeleiteten laminaren Profilen um den Faktor 1,8-2,6 erhöht. Die Neuronenpopulationen einzelner kortikaler Kolumnen sind vermutlich wichtig für die Kodierung von Geräuschen, welche sich in ihren spektrotemporalen Eigenschaften unterscheiden.
Viele vorangegangene Studien konnten zeigen, dass die Gehirnhemisphären akustische Signale asymmetrisch verarbeiten. Daher werden im dritten Hauptteil die laminaren Profile der LH und RH quantitativ und statistisch verglichen. Die MUA-, CSD-Profile und im geringeren Maße auch die LFP-Profile zeigen systematische Unterschiede auf signifikantem Niveau in der Dauer, Onset Latenz und vertikalen Ausdehnung bestimmter Aktivitäten. Kommunikationsrufe evozieren in der LH, welche beim Menschen auf Sprachstimuli spezialisiert ist, im Vergleich zur RH komplexere CSD-Profile. Die neuronale MUA-, LFP- und CSD-Aktivitätsstärke ist in der RH für weniger komplexe Stimuli teilweise signifikant erhöht. Die Asymmetrie in der Auftrittsverlässlichkeit der Sink s6 lässt vermuten, dass sich die intrakolumnäre Vernetzung in Schicht VIa zwischen der LH und RH unterscheidet. Die wenigen, signifikanten und nicht systematischen Unterschiede zwischen den Sink-Parametern der LH und RH nach kortikaler Ausschaltung mit dem GABAA-Rezeptor Agonist Muscimol weisen darauf hin, dass die Hemisphärenasymmetrie durch Prozesse des ipsilateralen Kortex maßgeblich beeinflusst wird.
Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss sowohl akuter als auch chronischer Aufnahme subletaler Mengen des Insektizids Thiacloprid auf Einzelbienen und Bienenvölker untersucht. Anlass für diese Art an Untersuchungen gibt ein seit Jahren in Nordamerika und Europa auftretendes unerklärliches Phänomen, „Colony Collapse Disorder“ genannt, bei dem Bienenvölker durch einen plötzlichen Verlust der Flugbienen zusammenbrechen. Als Ursache für das Völkersterben stehen neben anderen Faktoren wie Parasiten, Pathogenen und Umweltfaktoren die Insektizide aus der Gruppe der Neonikotinoide und deren Auswirkungen auf Bienen in subletalen Mengen im Verdacht. Basierend auf Studien der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) wurde der zugelassene Einsatz der drei Neonikotinoide Clothianidin, Imidacloprid und Thiamethoxam im Pflanzenschutz für zunächst zwei Jahre durch die EU-Kommission stark eingeschränkt.
Thiacloprid, ein weiteres Insektizid, welches zur Gruppe der Neonikotinoide gehört, ist weiterhin für den Einsatz im Pflanzenschutz zugelassen. Es wirkt in ähnlicher Weise wie die zuvor genannten Neonikotinoide als Agonist am nikotinischen Acetylcholinrezeptor, wobei es jedoch als weniger toxisch für Bienen gilt. Trotzdem sind subletale Auswirkungen dieses Neonikotinoids auf Bienen denkbar, die sich in Verhaltensänderungen der Bienen äußern und als Folge Einfluss auf das gesamte Bienenvolk nehmen könnten.
In der hier vorliegenden Arbeit wurden in chronisch mit Thiacloprid eingefütterten Völkern über mehrere Monate regelmäßige Populationsschätzungen durchgeführt, um die Entwicklung der Bienenvölker unter Aufnahme von Thiacloprid festzustellen. In einem weiteren Versuch wurde die Entwicklung der Brut unter chronischer Fütterung mit Thiacloprid beobachtet. Zusätzlich wurde eine große Zahl an Bienen mit RFID-Transpondern ausgestattet, um das Flugverhalten zu dokumentieren. Insbesondere wurden hier der Zeitpunkt des ersten Ausflugs und die Lebensdauer der Bienen zu Vergleichen herangezogen. Nach akuter Fütterung einer subletalen Einzeldosis Thiacloprid wurden Versuche zum Heimkehrvermögen von Bienen durchgeführt.
Unter feldrelevanten und bis zu zehnfach höheren Thiacloprid-Konzentrationen wurden keine beeinträchtigenden Einflüsse auf die Volksentwicklung beobachtet. Bei Konzentrationen, die um ein 25faches bzw. ein 40faches höher als die feldrelevante Konzentration waren, wurde festgestellt, dass die Brutzellenanzahl im Verhältnis zur Bienenanzahl verringert war. Bienen aus chronisch mit Thiacloprid eingefütterten Völkern starteten mit höherem Alter zu ihrem ersten Flug aus dem Bienenstock. Die Zeit, die die Bienen als Sammlerinnen verbrachten, änderte sich nicht. Durch Beobachtungen der Brutflächen konnte festgestellt werden, dass sich die Brut in Thiacloprid-gefütterten Völkern entsprechend der Brut in Kontrollvölkern entwickelte. Aufgrund weiterer Ergebnisse wurde eine Störung der olfaktorischen Wahrnehmung von Bienen aus Thiacloprid-gefütterten Völkern vermutet. Die akut verabreichte subletale Dosis an Thiacloprid führte zu einem erheblichen Verlust an heimkehrenden Bienen und deutet auf eine Beeinträchtigung des Orientierungs- bzw. Navigationsvermögens der Bienen hin.
In den durchgeführten Versuchen wurden sowohl direkte Auswirkungen von chronischer und akuter Aufnahme subletaler Mengen an Thiacloprid, als auch indirekte Auswirkungen auf Honigbienen beobachtet. Da teilweise erst bei hohen, nicht feldrelevanten Konzentrationen in den Versuchen Effekte beobachtet wurden, kann nur bedingt durch die Verhaltensänderung von Einzelbienen auf daraus resultierende Auswirkungen auf ein gesamtes Bienenvolk unter realistischen Bedingungen geschlossen werden.
Das Hören hat für den Menschen eine maßgebliche Bedeutung hinsichtlich Kommunikation und Orientierung. Auch wenn sich der Mensch stark auf seinen visuellen Sinn verlässt, wird mit dem Ausfall des Hörvermögens deutlich, wie viele Informationen oft unterbewusst über die Analyse von Schallsignalen gezogen werden. Trotz dieser grundlegenden Relevanz sind bis heute noch nicht alle Komponenten, die dem Hörprozess zugrunde liegen, entschlüsselt.
Um sich diesen offenen Fragestellungen anzunähern, müssen Forscher oft auf Tiermodelle zurückgreifen. Auf Grund ihres exzellenten Gehörs haben sich hier in den letzten Jahrzehnten Fledermäuse als taugliche Versuchstiere qualifiziert. Diese Tiere sind in der Lage sich ohne Verwendung des visuellen Systems in absoluter Dunkelheit zu orientieren, indem sie mit Hilfe der wiederkehrenden Echos ihrer ausgesendeten Ultraschalllaute die Umgebungsstrukturen analysieren. Weiterhin umfasst der zur Kommunikation und Ortung verwendete Frequenzbereich bei Fledermäusen ein Vielfaches von dem des menschlichen, was ebenfalls verschiedene Aspekte der Hörforschung begünstigt. Die in dieser Studie verwendete fruchtfressende Fledermausart Carollia perspicillata eignet sich hervorragend für akustische Untersuchungen, da ihr Innenohr keine speziellen morphologischen Spezialisierungen aufweist.
Anhand der Fledermausart C. perspicillata sollen innerhalb der vorliegenden Studie verschiedene offene Fragestellungen bezüglich der Innenohrmechanik näher beleuchtet werden. Um sich diesen Fragestellungen anzunähern, wurde eine Kombination aus zwei etablierten Methoden verwendet. Zum einen die Messung von Distortions-Produkt otoakustischen Emissionen (DPOAEs), welche auf Grund ihrer Generierung durch aktive Prozesse innerhalb der Kochlea die Möglichkeit bietet, Veränderungen im Innenohr festzustellen und zum anderen kontralaterale akustische Stimulation (KAS), welche eine erprobte Methode zur Aktivierung des efferenten Systems darstellt. Dadurch, dass die äußeren Haarsinneszellen in der Kochlea direkte synaptische Kontakte mit efferenten Fasern der absteigenden Hörbahn eingehen, kann eine Aktivierung des efferenten Systems Modulationen des kochleären Verstärkers bewirken, wodurch sich wiederum die Antworteigenschaften der Kochlea verändern. Mit einer Kombination dieser beiden Methoden lassen sich demnach zum einen höhere Zentren der Hörbahn aktivieren, die über efferente Fasern einen direkten Einfluss auf das Innenohr nehmen, zum anderen die induzierten Modulationen in Form von DPOAEs mit Hilfe eines sensitiven Mikrofons aufnehmen. Die Grundvoraussetzung für die Funktionalität dieser Methodenkombination ist das Vorhandensein von efferenten Fasern innerhalb der Kochlea. Da das efferente System verschiedener Säuger eine große Diversität aufweist, wurden innerhalb dieser Arbeit zusätzlich zu den akustischen Untersuchungen histologische Schnittserien der Kochlea von C. perspicillata angefertigt. Hierbei lag das Hauptaugenmerk auf dem Verlauf der efferenten Fasern innerhalb der Kochlea. Mit Hilfe der Thiocholinmethode wurde der Ort der Umsetzung des Achetylcholinabbauenden Enzyms Achetylcholin-esterase angefärbt. Achetylcholin ist der vorranig vorkommende Transmitter an den efferenten Synapsen.
Diese Studie untersucht weiter den Einfluss der Narkose auf das Innenohr. In zahlreichen Studien, die Innenohrmechanik betreffend, wurden die Untersuchungen an narkotisierten Tieren durchgeführt. Oftmals wird zwar die Problematik der möglichen Beeinflussung des Innenohres durch das verwendete Narkosemittel diskutiert, aber meisthin als unumgänglich eingestuft. Innerhalb der vorliegenden Studie wurde ein Großteil der Experimente an narkotisierten und auch wachen Tieren durchgeführt, um die Auswirkungen der häufig verwendeten Ketamin-Xylazin-Narkose auf die Innenohr-aktivität zu verdeutlichen.
In der Literatur lässt sich eine Vielzahl von akustischen Untersuchungen finden, in denen artifizielle Stimuli wie Reintöne oder Rauschen verwendet werden. Die Problematik dahinter ergibt sich daraus, dass diese Art der Töne in der Natur selten zu finden sind. Derartige Studien werfen daher die Frage auf, ob das Innenohr beispielsweise Rauschstimuli auf die gleiche Weise verarbeitet wie natürliche, komplexere Stimuli. Innerhalb der vorliegenden Studie wurden demzufolge im Vergleich zu artifiziellen Stimuli arteigene Rufe der Fledermausspezies C. perspicillata aufgenommen und als akustische Stimuli während der Messungen verwendet.
Im Zuge dieser Fragestellung wurde in einem weiteren Teilprojekt versucht ein neues Verfahren zur Messung von OAEs zu etablieren, mit dem es möglich ist das Ohr nicht ausschließlich mit den herkömmlich verwendeten Reintönen zu stimulieren, sondern ebenfalls mit komplexen Lauten, wie arteigenen Kommunikations- und Echo-ortungsrufen. Hierfür wurde ein von Douglas Keefe vorgestelltes Paradigma zur Messung von OAE-Residualen herangezogen, welches die am Trommelfell gemessenen akustischen Signale von den Trommelfellantworten auf einzelne Komponenten dieser Signale subtrahiert.
Anhand der in dieser Studie gewonnenen Ergebnisse kann deutlich gezeigt werden, dass eine akustische Stimulation der kontralateralen Kochlea mit verschiedenen artifiziellen sowie arteigenen Stimuli zuverlässig eine Änderung des Pegels der 2f1-f2 DPOAE von bis zu 37,3 dB in der ipsilateralen Kochlea bei wachen Tieren bewirkt. Dabei unterscheidet sich die Art der Beeinflussung deutlich je nach verwendetem kontralateralem Stimulus. Die Stimulation mit artifiziellem Breitbandrauschen supprimiert den Emissionspegel über den gesamten getesteten Frequenzbereich um etwa 11,6 dB, während die verwendeten arteigenen Laute eine vergleichbare Beeinflussung des DPOAE-Pegels ausschließlich in einem Frequenzbereich zwischen 50 und 70 kHz bewirken. Im Frequenzbereich von 20 bis 30 kHz verursachen die arteigenen Laute nahezu keine Pegelabsenkung, was im deutlichen Kontrast zu den Ergebnissen unter KAS mit Breitbandrauschen steht. Unter Narkoseeinfluss konnte, unabhängig vom verwendeten Stimulus, keine Beeinflussung des DPOAE-Pegels festgestellt werden, was die Annahme bestätigt, dass die verwendete Ketamin-Xylazin-Narkose einen drastischen Einfluss auf den Hörprozess und insbesondere auf das efferente System nimmt. Die Ursache dafür, dass arteigene Stimuli anders verarbeitet werden als artifizielle Stimuli (wie z. B. Breitbandrauschen) konnte zwar nicht abschließend geklärt werden, aber die Vermutung liegt nahe, dass in diesem Verarbeitungsprozess höhere Zentren der Hörbahn involviert sind und selektiven Einfluss auf die ablaufenden Prozesse nehmen.
Die Etablierung des OAE-Residual-Messparadigmas auf der Basis der Methode von Keefe und Ling (1998) sollte die Möglichkeit bieten sowohl Reintöne als auch komplexe, arteigene Stimuli zu verwenden und so eine Erweiterung des herkömmlich verwendeten Messverfahrens darstellen. Über verschiedene Vorversuche unter Anwendung einer Zweitonreizung konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse des neu entwickelten Paradigmas mit denen der herkömmlichen DPOAE-Messungen hinsichtlich Reintonstimuli vergleichbar sind. Anhand der gewonnenen Ergebnisse mit einer Stimulation mit komplexen Signalen zeigen sich allerdings die Schwierigkeiten der neuen Methode. Die bisher erhobenen Daten zeigen keine klaren, reproduzierbare Ergebnisse, sollten aber die Grundbedingungen für die weiterführenden Versuche ebnen.
Die Funktion der äußeren Haarsinneszellen geht weit über die normale Rezeptoreigenschaft der Kategorie Mechanorezeptor hinaus. Äußere Haarzellen mit ihrer reichhaltigen efferenten Innervierung sind nicht nur für die sensorische Aufnahme mechanischer Bewegung zuständig, sondern ermöglichen aufgrund ihrer motorischen Funktionen die mechanische Verstärkung der Wanderwelle in der Cochlea. Äußere Haarzellen sind eine maßgebliche Komponente des ´cochleären Verstärkers` und ihr Ausfall führt zur Schwerhörigkeit. Beiprodukte des cochleä-ren Verstärkers sind otoakustische Emissionen, deren Messung Aufschluss über aktive mechanische Prozesse im Innenohr gibt.
Die äußeren Haarsinneszellen bilden Synapsen mit dem olivo-cochleären efferenten System, welches im Zentrum der vorliegenden Untersuchung steht. Es vermittelt den Einfluss des Zentralnervensystems auf das Corti-Organ des Innenohrs. Über die akustische Reizung des olivo-cochleären Reflexbogens ist man in der Lage, das efferente System zu aktivieren und gleichzeitig die Antworteigenschaften der Cochlea zu verändern. Efferente Modulationen des cochleären Verstärkers können sich z. B. in einer Veränderung des Emissionspegels bemerk-bar machen. Die Fledermausspezies Carollia perspicillata ist aufgrund ihres Echoortungs-systems mit einem sehr sensitiven und hochauflösenden Hörvermögen ausgestattet und eignet sich hervorragend als Modelltier in der Hörforschung, insbesondere auch deshalb, da oto-akustische Emissionen sehr gut messbar sind.
Das efferente System von C. perspicillata wurde in dieser Untersuchung durch akustische Stimulation der kontralateralen Cochlea angeregt. Die Stimuli, die nicht nur in ihrem Pegel sondern auch in ihrer Bandbreite und in der Mittelfrequenz in Relation zu den ipsilateralen Stimulusfrequenzen variierten, beeinflussten dabei die Generierung der otoakustischen Emis-sionen (DPOAE, engl: distortion product otoacoustic emissions) im ipsilateralen Ohr: akustische Stimulation der kontralateralen Cochlea bewirkte zuverlässig eine Änderung der DPOAE- Amplitude im kontralateralen Ohr. Vor allem eine Suppression des cochleären Verstärkers in Form von DPOAE-Pegelverminderungen wurde beobachtet. Die supprimieren-den Effekte erreichten trotz leiser bis moderater kontralateraler Rauschpegel (bis maximal 54 dB SPL) Werte von bis zu 14, 17.1 und 13.9 dB SPL (bei f2 = 20, 40 und 60 kHz und effek-tivstem kontralateralen Rauschstimulus) und waren damit deutlich größer als in vorangegang-enen Studien an anderen Spezies. Die DPOAE-Pegelverminderungen waren positiv mit dem x Pegel der kontralateralen akustischen Stimulation, ebenso wie seiner Bandbreite und der Mittelfrequenzen in Relation zu den ipsilateralen Stimulusfrequenzen korreliert. Es gab keinen absoluten Frequenzbereich, in dem die efferenten Effekte am größten gewesen wären. Vielmehr traten maximale Effekte immer durch etwas oberhalb der ipsilateralen Stimulusfre-quenzen gelegene kontralaterale Rauschstimuli auf. Die Effekte waren auch abhängig von der Bandbreite des kontralateralen Rauschstimulus und maximal bei einer relativen Bandbreite von 1.5 Oktaven. Die Verschiebung des efferenten Effekts hin zu hohen Frequenzen und die Bandbreitenabhängigkeit sind vereinbar mit den anatomischen Eigenschaften der Projektio-nen der medialen olivo-cochleären Efferenzen in der Säugetiercochlea. Kontralaterale akusti-sche Reizung bewirkte auch eine Verschiebung der Wachstumsfunktionen der 2f1-f2 -DPOAE in einen unsensitiven Bereich und außerdem eine Verformung der Wachstumsfunktion. Bei-des könnte durch Beeinträchtigung des cochleären Verstärkers verursacht sein. Eine Beteili-gung des Mittelohrmuskels an den Effekten kann nahezu ausgeschlossen werden und die beobachteten Effekte sind höchstwahrscheinlich dem olivo-cochleären System zuzuschreiben.
Funktionell ist denkbar, dass bei C. perspicillata das mediale olivo-cochleäre System im Kontext einer Frequenzverschärfung bei der cochleären Verstärkung der Basilarmembranbe-wegung aktiv wird. Aus diesem Grund wurden ipsilateral sogenannte DPOAE-Suppressions- Abstimmkurven gemessen, welche die mechanische Abstimmschärfe im Innenohr beschrei-ben. Während und nach kontralateraler Reizung kam es zu Veränderungen der Abstimmkur-ven. Signifikante Effekte konnten allerdings nicht festgestellt werden, da die Veränderungen der Suppressions-Abstimmkurven variabel und schlecht kategorisierbar war.
Die vorliegenden Ergebnisse unterstützen weit verbreitete Hypothesen zur Funktion der medialen olivo-cochleären Effernzen in Bezug auf mechanische Suppression, Verbesserung des cochleären Signal-Rauschverhältnisses und einer generellen frequenzspezifischen Wirkung.
Humans and other primates are highly visual animals. Our daily visual activities such as recognizing familiar faces, interacting with objects, or reading, are supported by an extensive system of interacting brain areas. The interactions between the many individual nerve cells both within and between brain areas need to be coordinated. One possible solution to achieve flexible coordination between cells in the network is rhythmic activity, or oscillations. The focus of the thesis will be activity in the largest visual area, V1, in non-human primates. In V1, high-frequency activity, so-called gamma-band activity (“gamma”, ca. 30-90 Hz) can be frequently observed and has been suggested to play a role in coordinating activity in the visual system. In Chapter 1, the coordination problem, the primate visual system and gamma-band oscillations are introduced in detail. The following chapters explore the dependence of gamma on contextual influences. Does V1 use contextual information to optimize co-ordination? In the first part, the short-term consequences of repeated encounters with visual stimuli on V1 responses are explored (Chapters 2 and 3). Inspired by results from colored, naturalistic images in the first part, the second part tests the dependence of gamma on spatial and chromatic stimulus aspects (Chapters 4 and 5).
Stimulus repetition is a simple yet powerful way to tap into our brains’ ability to learn and adapt to our environment. Repeated presentation of a visual stimulus tends to decrease responses to this stimulus. Is this accompanied by changes in the coordination of brain activity? In Chapter 2, the stimulus-specificity of repetition effects on gamma was tested using naturalistic stimuli. V1 is most typically studied using black-and-white, artificial stimuli that are very familiar to the animals. Here, colored natural images were repeatedly presented that were initially novel to the animals, to provide a wider and more naturalistic range of stimulation. Both multi-unit spiking activity (MUA) and gamma showed stimulus-specific repetition effects. MUA responses de-creased most strongly for initial repetitions and less for later repetitions. In contrast, gamma could increase or decrease for initial repetitions, but tended to increase for later repetitions. This points to the operation of multiple plasticity mechanisms. One process may rapidly decrease MUA and gamma and be related to initial novelty or adaptation. The other increases gamma, is active for more repetitions, and could constitute a form of refinement of coordination over time. Moreover, based on the spacing of stimulus repetitions, stimulus memory in V1 persisted for tens of seconds.
In the following Chapter 3, the stimulus location specificity and persistence of the repetition effects for longer timescales were tested. To this end, the observation that the increase in gamma with repetition was strongest for the first tens of repetitions was used to test for location specificity and memory. Using simple artificial stimuli that were repeated many times at two alternating locations, both location specificity and memory on the order of minutes was observed. Due to the structure of the primate visual system, location specificity suggests that the repetition effects involve early to mid-level visual areas such as V1. Memory for previous stimulus presentations on the order of minutes has not been previously reported for V1 gamma. Taken together, these experiments demonstrate short-term plasticity of gamma that is stimulus- and location specific and persists on the timescale of minutes.
In Chapter 2, the average gamma-band response to the large, naturalistic stimuli was highly stimulus dependent. Relative increases in gamma-band activity scaled between tens and thousands of percent change depending on the stimulus. Particularly the color of the stimuli appeared to play a strong role, although the stimulus set was too limited and uncontrolled to draw strong conclusions. In Chapters 4 and 5, underlying mechanisms for the stimulus specificity of gamma were explored using more well-controlled, artificial stimuli that varied in color and spatial structure.
Much of vision relies on the analysis of spatial structure. Each nerve cell in V1 only responds to visual stimuli in a particular, small part of the visual field, its so-called “receptive field” (RF). Compared to isolated RF stimulation, nearby cells that are stimulated by a similar structure from different parts of visual space can show response decreases, commonly known as “surround suppression”, and may show coordinated activity in the gamma band. In Chapter 3, responses to large, uniformly colored disks are contrasted with responses to black or white (achromatic) disks. A first experiment showed that gamma-band responses were stronger for colored than achromatic stimuli, whereas MUA responses could decrease below baseline for colored stimuli. To test whether these phenomena were related to surround suppression, stimulus size was manipulated in a second experiment. When stimuli were of sufficient size to induce surround suppression, clear gamma-band responses emerged. Surround suppression and gamma were stronger for chromatic stimuli. However, the change of stimulus size could have changed not only surround suppression but also stimulus saliency. Therefore, in a third experiment, the overall size of the stimulus was kept constant, and the spatial structure of the stimulus was manipulated. In comparison to uniform, predictable stimulus structure, mismatches between the center of the stimulus and the surrounding visual space led to strong increases in MUA responses and strong de-creases in gamma-band activity. These effects were restricted to the recording sites with RFs at the mismatch location. These experiments underpin the strong role of both spatial structure and color for gamma in V1.
In Chapter 4, responses to different color hues are studied in more detail. Gamma response strength depended on hue, being strongest for red compared to blue and green stimuli when measured with a gray background. To better understand the underlying mechanisms of the differential responses, the spatio-temporal context in the form of the background color was manipulated. Background color had a strong influence on gamma strength. Using differently colored backgrounds, different parts of the color signaling pathways could be adapted. Response differences to different color hues could be explained well with a model that incorporates differences in adaptation between pathways involving long- compared to medium-wavelength cone signals.
Taken together, these experiments indicate a strong role of both spatial context (stimulus size and structure) and temporal context and drive (repetition, adaptation) for the generation of gamma-band activity in V1. Functional implications of these dependencies are considered in the final Chapter 6, and a role for gamma-band syn-chronization in a coding regime for visual inputs that generate strong drive and high predictability is suggested.
Rhythms, i.e. periodic sequences of events or states, are a ubiquitous feature of physiological systems such as the heart, the lungs or the brain. For the brain in particular, the diversity of rhythms is remarkable, ranging from low frequency rhythms in the slow/delta band (0.5-4 Hz) during sleep to gamma band oscillations (30-120 Hz) rhythms during alert behavior, all expressed in various brain areas and at various spatial scales. To understand whether these rhythms subserve a function for the organism it is important to also understand the underlying mechanisms that generate them. While the generation of some rhythms appear to be well-understood, e.g. sleep spindles, others such as the cortical beta rhythm (13-30 Hz) have remained elusive.
Understanding the generation of a brain rhythm involves multiple spatial scales, from identifying intracellular mechanisms such as the contribution of individual transmembrane currents to studying how specific neuronal populations or areas affect the full physiological rhythm present in the intact, highly interconnected brain. The aim of this work has been to delineate the mechanistic contributions of individual brain areas to the in vivo generation of two particular rhythms present in efferent areas: (1) The first part of this work studies the influence of thalamocortical neurons on cortical slow/delta waves (0.5-4 Hz) of sleep that are sometimes also present in awake animals. (2) The second part is about the contribution of primary visual cortex to the beta rhythm (13-30 Hz) in extrastriate cortex of awake behaving animals.
The human brain is one of the most complex biological systems. More than 100 billion neurons build networks that control basic body functions and highly coordinated movements, enable us to express emotions, feelings and thoughts and to store memories over years and even throughout life time. Ultimately, “We are who we are because of what we learn and what we remember” (Kandel 2006). Under pathological conditions, the brain function is challenged. Most if not all neurological diseases have in common that they are either triggered and/or accompanied by inflammatory processes of brain tissue, referred to as neuroinflammation. Such inflammatory processes directly affect an elementary neural mechanism relevant for learning and memory: synaptic plasticity. Indeed, neurons are highly dynamic structures and able to respond to specific stimuli with morphological, functional and molecular adaptations that modify the strength and number of neuronal contact sides (synapses). Hence, the main motivation of this thesis was to identify the neural targets through which inflammation affects brain function and synaptic plasticity in particular. The principles of synaptic plasticity have been studied intensively in the hippocampus, an anatomical structure localized within the temporal lobes that is essential for the consolidation of memories and spatial navigation. Synaptic plasticity is coordinated by complex interactions of thousands of molecules and proteins. Among those proteins, synaptopodin (SP) is localized at a strategic position within excitatory synapses and has been shown to be fundamentally involved in the regulation of synaptic plasticity.
To induce neuroinflammation and to study its effects on SP as well as synaptic plasticity, the classic model of lipopolysaccharide (LPS) was applied. This thesis discloses that inflammatory processes impair the ability of neurons to express hippocampal synaptic plasticity in vivo, which is accompanied by a downregulation of SP-mRNA and protein level in the mouse hippocampus, indicating that SP is one of the cellular targets through which inflammatory signaling pathways affect synaptic plasticity and hence neural function. To learn more about the cellular and molecular mechanisms, an in vitro LPS model was established using entorhino-hippocampal organotypic slice cultures (OTCs).
While confirming the major effect of LPS on SP, this thesis furthermore shows that neuroinflammation crucially involves the cytokine TNFα to transduce its effects on SP, and that microglial cells are the main source of TNFα production under inflammatory conditions. In an attempt to learn more about the mechanisms that are affected under conditions of neuroinflammation effects of retinoic acid (RA), a vitamin A derivate were tested. This is mainly because SP as well as RA have been shown to modulate synaptic plasticity through the accumulation of glutamate receptors at the postsynaptic site: SP via the association with the actincytoskeleton as well as intracellular calcium stores, and RA directly via the modulation of local protein synthesis within dendrites. Indeed, in slice cultures exposed to RA, hippocampal SP cluster size is upregulated, both in vitro and in vivo. Intriguingly, a lack of SP prevents RA-induced synaptic strengthening of hippocampal dentate granule cells in OTCs. This suggests a direct contribution of SP in RA-dependent synaptic plasticity. Interestingly, co-immunoprecipitation of SP-mRNA together with the RA-receptor alpha (RARα) further implies that RA directly controls synaptic plasticity via regulation of SP-protein expression. It is therefore interesting to speculate that RA may increase SP expression or prevent its reduction and thus alterations in synaptic plasticity under conditions of neuroinflammation. Taken together, this thesis identifies SP as an important neuronal target of TNFα-mediated alterations in synaptic plasticity. Moreover, the work on RA indicates that SP affects the ability of neurons to express synaptic plasticity by modulating/mediating local protein synthesis. Since neuroinflammatory processes are an elementary concomitant feature and/or cause of neurological diseases, I am confident that future work on the effects of inflammatory processes on brain function may provide the perspective in devising new therapeutic strategies for the treatment of neuropathologies such as Alzheimer’s disease, multiple sclerosis, epilepsy or stroke, by targeting SP expression and SP-mediated synaptic plasticity.
Neuronale Repräsentation intrinsischer cochleärer Signale im Colliculus inferior der Wüstenrennmaus
(2008)
Die vorliegende Arbeit untersucht die neuronale Repräsentation von cochleären Verzerrungsprodukten im auditorischen Mittelhirn der Wüstenrennmaus. Die hohe Sensitivität und die gute Frequenzauflösung des Hörorgans der Säugetiere basiert auf einer aktiven mechanischen Verstärkung der schallinduzierten Basilarmembranschwingung im Innenohr. Die äußeren Haarsinneszellen, die während des Transduktionsprozesses zyklisch ihre Länge ändern und dabei zusätzliche Schwingungsenergie in das System zurückführen, sind der zugrunde liegende Motor des aktiven cochleären Verstärkers. Die stark nichtlinearen Eigenschaften dieses Verstärkers führen allerdings bei gleichzeitiger Verstärkung mehrerer Frequenzkomponenten zur Generierung von Kombinationsschwingungen, welche im Ursprungssignal nicht vorhanden sind. Wird das Ohr beispielsweise durch zwei Töne mit den Frequenzen f1 und f2 stimuliert (f1<f2), so entstehen verschiedene Kombinationsschwingungen, deren prominenteste das quadratische (f2-f1) und das cubische (2 f1-f2) Verzerrungsprodukt sind. Diese Verzerrungen des Ursprungssignals breiten sich von ihrem Entstehungsort im Innenohr, dem Überlappungsbereich der Stimuluswanderwellen, im Flüssigkeitsraum der Cochlea aus und werden über das Mittelohr in den Gehörgang übertragen. Im Gehörgang sind sie mit Hilfe eines sensitiven Mikrophons als otoakustische Emissionen (DPOAE - distortion product otoacoustic emissions) messbar. Zusätzlich bilden sie an ihrem Resonanzort auf der Basilarmembran, vergleichbar mit einem externen Stimuluston gleicher Frequenz, eine eigene Wanderwelle aus und aktivieren den Transduktionsprozess. Die neuronalen Korrelate der cochleären Verzerrungsprodukte sind auf verschiedenen Stationen der Hörbahn messbar und cochleäre Verzerrungsprodukte können als separate Töne wahrgenommen werden. In der vorliegenden Arbeit wurden die neuronalen Korrelate und otoakustischen Emissionen von cochleären Verzerrungsprodukten erstmals simultan bestimmt. Durch den direkten Vergleich der neuronalen Aktivität mit der peripheren Emissionsmessung sollen eventuelle zentralnervöse Veränderungen der Repräsentation der cochleären Verzerrungsprodukte untersucht werden. Dazu wurde die elektrische Aktivität von 91 Neuronen des Colliculus inferior der Wüstenrennmaus während der Stimulation durch zwei hochfrequente Stimulustöne gemessen. Die Frequenzen der Stimulustöne waren so gewählt, dass die Frequenz eines, durch sie evozierten Verzerrungsproduktes, mit der charakteristischen Frequenz des jeweiligen Neurons übereinstimmte. In 95 % aller Messungen konnte eine robuste neuronale Aktivität während Zweitonstimulation gemessen werden, die sich auf die Stimulation durch ein spezifisches cochleäres Verzerrungsprodukt zurückführen lässt. Bei einem Teil der Versuche wurden die Verzerrungsprodukte durch direkte intracochleäre Auslöschung mit einem dritten Tonstimulus eindeutig als Quelle der neuronalen Aktivität bestätigt. Für Verzerrungsproduktfrequenzen oberhalb 1,3 kHz lassen sich die Antworten der Neurone im schwellennahen Bereich gut mit den simultan im Gehörgang bestimmten DPOAE-Pegeln erklären, was einen engen Zusammenhang zwischen intracochleärem Verzerrungsproduktpegel und DPOAE-Pegel nahe legt. Bei höheren Stimuluspegeln konnten die maximalen neuronalen Antworten auf den intracochleären Verzerrungsproduktstimulus signifikant von der Einzeltonantwort abweichen, wobei sowohl eine Erhöhung als auch eine Reduktion der Maximalantwort möglich war. Ein inhibitorischer bzw. verstärkender Einfluss der Stimulustöne auf die neuronale Verzerrungsproduktantwort wird als mögliche Ursache der Unterschiede diskutiert. Für Verzerrungsproduktfrequenzen unterhalb 1,3 kHz wurde ein deutlicher Unterschied zwischen dem intracochleären Verzerrungsproduktpegel und dem im Gehörgang gemessenen Emissionspegel deutlich. Ein Teil der getesteten tieffrequenten Neurone antwortete während Zweitonstimulation bereits für Stimuluspegel, die unterhalb der Reintonschwelle des Neurons lagen. Eine frequenzspezifische Verschlechterung der Mittelohrübertragungsleistung bei tiefen Frequenzen wird als mögliche Ursache für die unterschwelligen Antworten der Neurone diskutiert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass cochleäre Verzerrungsprodukte einen substanziellen Anteil an der neuronalen Repräsentation von komplexen Stimuli haben können. Im Besonderen machen die vorgestellten Daten deutlich, dass die neuronalen Repräsentation der Grundfrequenz eines komplexen Klangs wesentlich von cochleären Verzerrungsprodukten beeinflusst sein kann. Dies bedeutet, dass bereits im Innenohr Tonhöheninformation extrahiert werden kann und damit die Relevanz in der Literatur diskutierter neuronaler Mechanismen zur Berechnung von Tonhöhe relativiert wird.
Reading is an essential ability to master everyday life in our society. The ability to read is based on specific connections between brain regions involved in the reading process – so-called cortical networks for reading. These cortical networks for reading allow us to learn the correct identification of visual words. The use of visual words is based on knowledge about the orthography (lexical) and the meaning of words (semantic). This knowledge must be acquired by beginning readers (first grader), i.e. beginning readers learn in a first step to link letters to a whole word and in a second step associate this whole word with meaning. To retrieve this knowledge during visual word recognition (VWR) a cortical network for lexical-semantic process must be activated. However, it is currently unclear whether beginning readers and reading experts activate the same neuronal network during VWR. Therefore, the aim of this thesis was to investigate the question whether beginning readers (first grader, children) and reading experts (adults) use different cortical networks for the lexical-semantic processing in VWR.
To address this question we recorded electroencephalographic (EEG) activity during VWR in children and adults. Children and adults were instructed to read a visualizable word to compare this word with a following picture stimulus. The first part of this thesis is concerned with the analysis of ERPs for visual word recognition in children and adults at sensor level. For both groups we observed the typical ERP components P100 and N170 for visual word recognition. These components differed in amplitude and time course between both groups. The second part of this thesis investigated the neuronal generators (brain areas) of ERPs during VWR and possible differences between children and adults at source level. We observed a high overlap in brain areas involved during VWR in children and adults. However, the brain areas differed in activation and time course between children and adults. Finally, the third and most important part of the thesis investigated the question whether children and adults use different cortical networks for the lexical-semantic processing in VWR over time. To address this question Dynamic Causal Modeling (DCM) and Bayesian model comparison were used. We compared nine biologically plausible cortical network models underlying the ventral lexical-semantic path in VWR. In addition, increasing time intervals were used to consider possible changes of network structure during VWR. The network models included eight brain regions (four bilateral pairs) involved in the lexical-semantic processing in VWR: occipital cortex (OC), temporo-occipital part of inferior temporal gyrus (ITG), temporal pole (TP), and inferior frontal gyrus (IFG). In almost all time intervals we found evidence that children and adults use the same cortical networks for the lexical-semantic processing in VWR. However, we found differences between adults and children in the connection strengths of the favoured model. Interestingly, we found a stronger direct connection from OC to IFG in adults compared to children.
In conclusion, our results suggest that children and adults activate largely the same lexical-semantic networks during VWR over time. This supports the notion that children and adults use the same biological fiber connections for VWR. However in contrast to children, adults showed increased use of the shortcut pathway from OC to IFG. The increased use of the shortcut pathway from OC to IFG in adults can be interpreted as consequence of learning. Learning causes in accordance with the Hebbian learning rule (“neurons that fire together, wire together” (Hebb, 1949)) synaptic change. Consequently the frequent coactivation of the input and output stage of OC and IFG during the lexical-semantic process facilitates the stronger direct connection between both brain areas. The stronger direct connection from OC to IFG most likely allows adult reading experts to speed up the lexical-semantic process during VWR. Accordingly, we conclude that the stronger direct connections from OC to IFG in adults compared to children underlay the different reading capabilities in both groups.
Veränderungen in der akustischen Umwelt sind häufig mit Ereignissen verbunden. Diese wiederum können für ein Tier eine besondere Verhaltensrelevanz haben, im Gegensatz zu einem gleichbleibenden akustischen Hintergrund, der mit keinem positiven oder negativen Ereignis verbunden ist. Es ist also naheliegend zu spekulieren, dass Veränderungen oder neue akustische Reize im zentralen Nervensystem anders repräsentiert werden als der kontinuierliche Hintergrund und dass diese Repräsentation sowohl von der Häufigkeit der Stimuli als auch vom Unterschied zum akustischen Hintergrund abhängt. In Elektroenzaphalografie-Messungen (EEG) am Menschen wurde eine besondere Aktivitätsänderung bei auditorischen Abweichungen erstmals 1978 nachgewiesen. Dabei wurde ein akustischer Reiz über einen längeren Zeitraum regelmäßig wiederholt (Standard) und in einigen, seltenen Fällen durch einen anderen Reiz (Deviant) ersetzt. Dieser Deviant löste eine zusätzliche negative Komponente im EEG aus (Mismatch negativity), die bei den Standard-Stimuli nicht vorhanden war. Eine Voraussetzung, um MMN auszulösen, ist die Präsentation von einigen Standard-Stimuli, sodass eine neuronale Repräsentation des Stimulus aufgebaut werden kann, gegen die jeder weitere Reiz abgeglichen wird. Die zelluläre Basis von MMN und des zugrunde liegenden Mechanismus zur Detektion von auditorischen Veränderungen ist nur wenig erforscht. Als möglicher zellulärer Detektionsmechanismus akustischer Veränderungen wurde die Stimulus-spezifische Adaptation (SSA) vorgeschlagen, die zugleich der Ursprung von MMN im primären auditorischen Kortex sein könnte. SSA beschreibt die Eigenschaft von Neuronen der Hörbahn, auf die Wiederholung von identischen Reizen mit abnehmender Aktivität zu antworten und zugleich die Fähigkeit beizubehalten, andere Stimuli weiterhin mit hoher Aktivität zu repräsentieren. Die veränderte neuronale Repräsentation von Tönen mit niedriger Auftrittswahrscheinlichkeit, im Vergleich zu Tönen mit hoher Auftrittswahrscheinlichkeit, wurde bereits sehr eindrücklich im auditorischen Kortex der anästhesierten Katzen demonstriert. Die vorliegende Arbeit hat es sich zum Ziel gesetzt, bei der Repräsentation von auditorischen Abweichungen die Lücke zwischen der Ebene aufsummierter Potenziale (EEG beim Menschen) und der Ebene einzelner kortikaler Neurone zu schließen. Gleichzeitig sollte dabei erstmalig SSA im auditorischen Kortex des wachen Tieres nachgewiesen und so eine pharmakologische Interaktion der normalerweise eingesetzten Anästhetika mit SSA ausgeschlossen werden. Der experimentelle Ansatz basierte auf elektrophysiologischen Messungen mit chronisch implantierten Mikroelektroden im wachen Tier. Die Elektroden waren im auditorischen Kortex positioniert und ermöglichten eine gleichzeitige Messung der lokalen aufsummierten Potenziale (lokale Feldpotenziale, LFP) und der Aktionspotenziale einzelner Neurone als extrazelluläre Potenzialveränderungen. Das Stimulationsparadigma bestand aus Folgen zweier Reintöne, die mit unterschiedlicher Auftrittwahrscheinlichkeit präsentiert wurden. Der Ton mit hoher Auftrittwahrscheinlichkeit bildete den akustischen Hintergrund, der Ton mit niedriger Auftrittswahrscheinlichkeit (Deviant) die akustische Abweichung. In dieser Arbeit konnte erstmalig nachgewiesen werden, dass Neurone im auditorischen Kortex der wachen Ratte akustische Abweichungen mit einer höheren Aktivität repräsentieren als den auditorischen Hintergrund (bis zu 19,5% Aktivitätsunterschied). Stimulusspezifische Adaptation ist somit auch im wachen Tier Teil der neuronalen Codierung der akustischen Umwelt. Mithilfe der Signalentdeckungstheorie konnte des Weiteren gezeigt werden, dass die unterschiedliche neuronale Repräsentation von häufigen und seltenen Stimuli auch zu einer erhöhten neuronalen Unterscheidbarkeit zwischen beiden Stimuli führte. Auf der Ebene der ereigniskorrelierten LFPs konnte SSA in zwei Komponenten nachgewiesen werden: der ersten, negativen Auslenkung und der folgenden, positiven Auslenkung. Besonders in der ersten, negativen Komponente war SSA systematisch nachzuweisen und sie war zusätzlich starkmit der Aktivität der einzelnen Neuronen korreliert, während die positive Komponente der LFPs keine Korrelation mit den Messungen der einzelnen Nervenzellen zeigte. Der Grad der SSA hing von der Auftrittwahrscheinlichkeit und dem Frequenzabstand der beiden Töne ab. Keine der Messungen hatte die besondere Charakteristik von MMN. Zusammenfassend lässt sich die Aussage treffen, dass SSA auch im wachen Tier nachgewiesen wurde, sowohl auf der Ebene einzelner Neurone als auch in der aufsummierten Aktivität, wenn auch in einer schwächeren Ausprägung als in den bisher veröffentlichten Ergebnissen in anästhesierten Tieren. Ein direkter Beitrag der kortikalen Neurone zu MMN konnte nicht gezeigt werden, es gab aber einen starken Zusammenhang zwischen den einzelnen Neuronen und den LFPs.
Es gibt für die Orientierung von Vögel ein allgemeingültiges Konzept, das Karte-Kompass-Prinzip (Kramer 1953, 1957): Der Karten-Schritt besteht darin, den eigenen Standort zu ermitteln und mit dem Ziel in Beziehung zu setzten. Damit wird die geografische Richtung bestimmt, die im Kompass-Schritt in eine konkrete Richtung umgesetzt wird. Für Beides nutzen Vögel auch das Magnetfeld der Erde; in der Karte als einen Faktor den Verlauf der Intensität, im Magnetkompass die Achse der Feldlinien. Der Magnetrezeptor, der die Karte mit Informationen versorgt, ist im Schnabel lokalisiert, der des Kompasses im Auge. Ich habe mich in meiner Arbeit darauf konzentriert, die zwei potenziellen Magnetrezeptoren der Vögel feinstrukturell und immunhistologisch weiter zu charakterisieren.
Für den Magnetkompass wird auf Grund des Radikalpaar-Modells angenommen, dass Cryptochrome die Rezeptormoleküle sein könnten (Ritz et al. 2000). Bei Vögeln sind vier Cryptochrome bekannt, allerdings muss das Rezeptormolekül des Magnetkompasses auch in seiner Lokalisation bestimmte Kriterien erfüllen. Die für meine Arbeit bedeutsamen Kriterien sind: (1) die gleiche Ausrichtung der Proteine in einer Rezeptorzelle und (2), dass die einzelnen Rezeptorzellen alle Raumrichtungen abdecken. Ich habe in meiner Arbeit Cryptochrom 1a (Cry1a) und Cryptochrom 1b (Cry1b) auf ihr Vorkommen in der Retina von Rotkehlchen (Erithacus rubecula) und Hühnern (Gallus gallus) untersucht. Cry1b befindet sich bei Rotkehlchen während der Zugzeit in den Ganglienzellen, in denen es teilweise an Membranen gebunden vorliegt, die jedoch keine bevorzugte Richtung haben. Somit erscheint mir Cry1b als Rezeptormolekül für den Magnetkompass als eher ungeeignet. Cry1b könnte, wie viele Cryptochrome, an der Steuerung von circadianen Rhythmen beteiligt sein. Cry1a hingegen ist bei beiden untersuchten Vogelarten in den UV/V-Zapfen an die Diskmembranen gebunden, was eine Ausrichtung ermöglicht. Die UV/V-Zapfen sind über die gesamte Retina gleichmäßig verteilt, und durch die sphärische Form des Auges decken die einzelnen Rezeptoren jede Raumrichtung ab. Somit erfüllt Cry1a die Bedingungen des Radikalpaar-Modells, und ich schließe daraus, dass es sich hierbei um das Rezeptormolekül des Magnetkompasses handeln könnte. Cry1a ändert nach Lichtabsorption wie viele Cryptochrome seine Konformation. Der von mir verwendete Antikörper bindet nur die lichtaktivierte Form des Proteins. In Versuchen, in denen Hühner verschiedenen monochromatischen Lichtern ausgesetzt wurden, zeigt sich, dass sich Cry1a in UV bis Gelb in lichtaktiviertem Zustand befindet. Dies stimmt sowohl mit der spektralen Empfindlichkeit des Magnetkompasses der Vögel als auch mit der des Flavins, des lichtsensitiven Teils des Cryptochroms, überein. Versuche mit grünem Licht lassen vorsichtige Rückschlüsse auf das für den Magnetkompass relevante Radikalpaar zu: so ist das Flavin erst im zweiten Oxidationsschritt grünlicht-sensitiv, und Cry1a ist nur nachweisbar, also lichtaktiviert, wenn der erste Schritt bereits im Hellen abgelaufen ist. Versuche in denen die Tiere vorab im Dunkeln waren, führen nicht zur erneuten Lichtaktivierung unter grünem Licht. Dies macht nur eines der beiden im Flavinzyklus entstehenden Radikalpaare wahrscheinlich, nämlich das in der Reoxidation entstehende, da das Radikalpaar im ersten Schritt der Oxidation unter Grün nicht entsteht.
In Bezug auf den Magnetrezeptor im Schnabel konnte bereits bei Tauben eine detaillierte Struktur beschrieben werden, die als Magnetrezeptor geeignet ist, nämlich Magnetit- bzw. Maghemit-Teilchen in Dendriten der Nerven (Fleissner et al. 2003). Auch Hühner haben eisenhaltige Strukturen im Oberschnabel, die in ihrer Eisenoxid-Zusammensetzung denen der Tauben entsprechen (Falkenberg et al. 2010). Ich konnte in meiner Arbeit zeigen, dass die eisenhaltigen Strukturen im Oberschnabel der adulten Hühner an oder in Nervenfasern liegen. Elektronenoptisch bestehen diese eisenhaltigen Strukturen im Nervengewebe bei Hühnern, wie bei Tauben beschrieben, aus einem 3-5 µm großen Vesikel, der von eisenhaltigen ‘Schuppen’ besetzt ist, aus circa 1 µm langen Plättchen und Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 1 µm. Sie sind in Feldern angeordnet, in denen diese Zellstrukturen gleich ausgerichtet sind. In der Anzahl und Lokalisation der Felder der eisenhaltigen Dendriten gibt es Unterschiede zwischen Hühnern und Tauben, allerdings ist unklar, inwie¬weit dies zu Unterschieden in der Verarbeitung im Gehirn führt. Die Entwicklung der eisenhaltigen Dendriten der Hühner beginnt erst nach dem Schlupf, am Tag des Schlupfes haben Küken noch keine eisenhaltigen Strukturen, abgesehen von roten Blutkörperchen. In den ersten 5 Tagen werden eisenhaltige Makrophagen im frontalen Bereich des Schnabels gebildet, die anschließend wieder reduziert werden. Bei 12 Tage alten Hühnern werden diese auch im lateralen Bereich des Oberschnabels angelegt und ebenfalls dort bis Tag 21 wieder reduziert. 21 Tage alte Hühner haben nur noch wenige eisenhaltige Makrophagen, allerdings ein erstes Feld von eisenhaltigen Dendriten. Die Röntgenabsorption zeigt einen Unterschied in der Eisenoxid-Zusammensetzung zwischen eisenhaltigen Makrophagen und eisenhaltigen Dendriten. Es könnte sein, dass die eisenhaltigen Makrophagen an der Synthese der eisenhaltigen Dendriten beteiligt sind, da sie Eisen aufnehmen, aber auch wieder abgeben können und in demselben Zeitraum reduziert werden, wie die eisenhaltigen Dendriten aufgebaut werden.
Sowohl Tauben als auch Rotkehlchen haben sich phylogenetisch bereits vor 95 Millionen Jahren von den Hühnern abgespalten. Es gibt sowohl in der Lokalisation von Cry1a als auch in der Struktur der einzelnen eisenhaltigen Dendriten keine Unterschiede, so dass es sich bei den beiden Magnetrezeptoren der Vögel vermutlich um sehr alte Mechanismen handelt, die sich in der Evolution kaum verändert haben. Vermutlich sind sie vogelspezifisch, da es in dieser Hinsicht keine erkennbare Gemeinsamkeit mit anderen Wirbeltieren gibt.
Die paravertebralen Grenzstränge entwickeln sich aus Neuralleistenzellen des Rumpf- und Lendenbereichs. Diese sammeln sich im Hühnerembryo an Embryonaltag 2,5-3 an der dorsalen Aorta und formen die primären sympathischen Ganglien. Die dorsale Aorta sezerniert Morphogene, welche einen Teil der Vorläuferzellen zur Differenzierung zu Neuroblasten anregt. Die sympathischen Neuroblasten sind, obgleich sie bereits neurale und noradrenerge Marker exprimieren, zur Zellteilung fähig. Sie unterscheiden sich darin von anderen Neuralleistenderivaten wie beispielsweise den Neuronen der parasympathischen Ziliarganglien und der sensorischen Hinterwurzelganglien. Schließlich wandern die primären sympathischen Ganglien weiter und bilden lateral zum Notochord die paravertebralen Grenzstränge (Rohrer, 2011).
Der Homöodomänen-Transkriptionsfaktor PROX1 wird im Laufe der Entwicklung höherer Vertebraten in vielen Geweben exprimiert. Welche Wirkung PROX1 dabei auf Überleben, Migration, Proliferation und Differenzierung hat, hängt davon ab, in welchem Zelltyp er aktiv ist (Dyer et al., 2003; Lavado et al., 2010). Im peripheren Nervensystem konnte PROX1 embryonal in den Hinterwurzelganglien und den sympathischen Ganglien nachgewiesen werden (Becker et al., 2009; Diplomarbeit Julia Holzmann, 2010). Zielsetzung dieser Dissertation war es, die Expression und die Funktion von PROX1 in sympathischen Ganglien von Hühnerembryonen zu analysieren.
Die Expressionsanalyse von PROX1 zeigte, dass der Anteil der PROX1-positiven Neurone an Embryonaltag 5 (E5) ein Maximum erreicht und danach im Laufe der Entwicklung stetig abnimmt. Dies gilt ebenso für die Population der proliferierenden Neuroblasten, welche ebenfalls im Laufe der Hühnerentwicklung erstmals detailliert untersucht wurde. Diese Korrelation führte zu der Vermutung, dass PROX1 hauptsächlich in proliferierenden Zellen exprimiert wird, welche anschließend experimentell bestätigt werden konnte. Die Population der PROX1-positiven und die der p27-negativen Neuroblasten haben in allen untersuchten Hamburger Hamilton-Stadien (HH-St 21-37) eine vergleichbare Größe. Dennoch ist PROX1 durchgehend in einem kleinen Teil der p27-positiven Neurone enthalten. Diese Population verändert sich im Laufe der Entwicklung kaum und das Fluoreszenzsignal eines oder beider Proteine ist bei doppelpositiven Zellen deutlich schwächer. Diese und andere Daten dieser Arbeit weisen darauf hin, dass es sich um Neuroblasten handelt, welche gerade aus dem Zellzyklus austreten. In postmitotischen Neuronen geht PROX1 verloren. Obwohl PROX1 in allen untersuchten HH-Stadien stark in der Population proliferierender Neurone exprimiert wird, zeichnet sich ab E7 eine kleinere Population von Neuroblasten in S-Phase ab, welche kein PROX1 enthalten.
Die Vorläuferzellen von Ziliarganglien werden, ähnlich wie die der sympathischen Ganglien, durch BMP-Proteine zur Differenzierung angeregt (Müller und Rohrer, 2002). Aufgrund der Ähnlichkeiten in der Entwicklung beider Neuralleistenderivate wurde die Expression von PROX1 in dieser Dissertation auch in Ziliarganglien untersucht: Der Transkriptionsfaktor wird dort nur an E4 und E5 vereinzelt in Neuronen exprimiert und nahezu gar nicht in Vorläuferzellen. In späteren HH-Stadien ist PROX1 in Ziliarganglien nicht mehr nachweisbar.
Ebenfalls konnte hier gezeigt werden, dass PROX1 in primären sympathischen Ganglien an E3 (HH-St 21) in Vorläuferzellen exprimiert wird, welche bereits begonnen haben, sich zu Neuroblasten zu differenzieren. Noch bevor die Differenzierung dieser Zellen jedoch abgeschlossen ist, wird PROX1 transient herunterreguliert. Die entstehenden Neuroblasten treten in dieser Phase kurzzeitig aus dem Zellzyklus aus. Da sich die Größe der p27-negativen und der PROX1-positiven Population auch an E3 stark ähnelt, kann man schließen, dass die Zellteilung in den Neuroblasten erst bei erneuter PROX1-Expression wieder aufgenommen wird. Ab E5 ist PROX1 fast ausschließlich in Neuroblasten nachweisbar.
Eine Funktionsanalyse von PROX1 unter Kulturbedingungen und im Hühnerembryo sollte durch Knockdown und Überexpression zeigen, welchen Einfluss der Transkriptionsfaktor auf die Proliferation der Neuroblasten nimmt. Die Manipulation der PROX1-Expression hatte in vitro einen proproliferativen Effekt. In vivo unterschieden sich Knockdown und Überexpression aber nicht von der Kontrolle.
Zusammenfassend wurde in dieser Doktorarbeit die Expression von PROX1 in sympathischen Ganglien von Hühnerembryonen im Detail analysiert. Der Transkriptionsfaktor ist sowohl in Vorläuferzellen als auch in Neuroblasten nur transient vorhanden. Zwar konnte eine klare Korrelation zwischen der Expression von PROX1 und der Proliferation der sympathischen Neuroblasten festgestellt werden, allerdings konnte eine Wirkung von PROX1 auf die Proliferation durch Funktionsanalysen nur teilweise bestätigt werden. Zusammen weisen die Daten darauf hin, dass PROX1 eine Rolle in der Feinregulation der Proliferation spielt.
Autism spectrum disorder (ASD) is a common neurodevelopmental disorder with a multifarious clinical presentation. Even though many genetic risk factors have been identified and studied in mouse models, the neurophysiological mechanisms underlying the autistic phenotype are still unclear. Based on the high rates of comorbidity with epilepsy, it was hypothesized that the balance between excitation and inhibition in neural circuits may be disrupted in autistic individuals.
In this dissertation, synaptic and network activity was measured in three different genetically modified mouse models that exhibit the characteristic behavioral abnormalities of the disorder: the Neurobeachin (Nbea) haploinsufficient mouse, the Neuroligin-3 (Nlgn3) knockout (KO) mouse, and the Neuroligin-4 (Nlgn4) KO mouse. Each of the affected proteins is involved in the formation and/or function of synapses in the central nervous system. Therefore, it was posited that the reduction or deletion of these proteins might alter the balance of excitatory to inhibitory synaptic transmission in individual neurons and in neural circuits. Extracellular recordings in the hippocampal dentate gyrus of anesthetized mice revealed that the excitation-inhibition (E-I) balance was reduced in Nbea haploinsufficient and Nlgn4 KO mice, but unchanged in Nlgn3 KO mice despite a reduction in excitatory synaptic transmission to dentate granule cells. Unexpectedly, the intrinsic excitability of dentate granule cells was altered in all three mouse models. These results imply that a homeostatic increase in the intrinsic excitability is able to compensate for the decreased excitatory transmission in Nlgn3 KO mice, whereas the decreased intrinsic excitability in the Nbea haploinsufficient and Nlgn4 KO mice leads to a reduction in the E-I balance. Taken together, these findings suggest that the influence of genetic factors on the E-I balance might be a potential common mechanism underlying the development of ASD.
Die Verarbeitung während des Hörprozesses von Säugetieren verläuft von der Kochlea mit den inneren und äußeren Haarsinneszellen (äHZ) über afferente Nervenbahnen bis zum auditorischen Kortex (AK). Die daran beteiligten Schaltstationen und deren Funktion sind überwiegend aufgeklärt. Die Hörbahn ist zudem in besonderer Weise durch efferente Rückkopplungen gekennzeichnet, die interne Modulationen sowie sekundäre Reaktionen auf den Reiz ermöglichen. Anatomisch betrachtet verlaufen efferente Projektionen vom AK zu sämtlichen am Hörprozess beteiligten Kerngebieten. Vom Olivenkomplex erfolgt über mediale und laterale Fasern eine Innervation der äHZ bzw. des Hörnervs. Trotz der gut beschriebenen Anatomie ist die funktionelle Beziehung zwischen dem AK und der Peripherie weitgehend ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde der funktionelle Zusammenhang vom AK zu den äHZ in der mongolischen Wüstenrennmaus untersucht. Dafür wurde entweder eine pharmakologische Blockierung der Kortexaktivität durch den Natriumkanalblocker Lidocain erzeugt oder eine Aktivierung der Kortexaktivität durch die Anwendung elektrischer Reize ausgelöst. Der Einfluss der Manipulationen wurde in der Kochlea mittels Messungen von Distorsionsprodukt-otoakustischen Emissionen (DPOAE) erfasst. Diese entstehen durch die nichtlineare Verstärkung leiser Schallsignale durch die äHZ zur Erzielung hoher Sensitivität und Frequenzauflösung. Die DPOAE treten als kubische (z. B. 2f1-f2) und quadratische (z. B. f2-f1) Verzerrungen auf und geben Aufschluss über unterschiedliche Parameter der äHZ-Verstärkungsfunktion.
Die Lidocainversuche wurden entweder kontra- oder ipsilateral zur DPOAE-Messung durchgeführt. In beiden Konstellationen traten nach der Lidocaininjektion Erhöhungen und Verringerungen der DPOAE-Pegel im Vergleich zur Basismessung oder unveränderte DPOAE-Pegel auf. Im Mittel lagen die Pegeländerungen bei ca. 11 dB, in Einzelfällen betrugen sie bis zu 44,8 dB. In den Gesamtdaten waren die Effekte nach kontralateraler Injektion oft signifikant größer als nach ipsilateraler Injektion. Ebenso waren die Effekte in der 2f1-f2 Emission meist signifikant größer als in der f2-f1 Emission. Zudem wurde beobachtet, dass signifikant größere Effekte bei einer Stimulation mit Pegeln von 60/50 dB SPL im Vergleich zu 40/30 dB SPL erreicht wurden. Grundsätzlich trat in allen Datensätzen eine Reversibilität der DPOAE-Pegel mit zunehmender Versuchsdauer auf. Die Effekte waren direkt nach der Injektion am größten und erreichten je nach Stimuluspegel und Emissionstyp nach 28-100 min die Basispegel. In keinem der Datensätze lag eine Abhängigkeit der im Kortex gereizten charakteristischen Frequenz (CF) zum betroffenen Frequenzbereich in der Kochlea vor. Die Effekte waren über den gesamten gemessenen Frequenzbereich von 1-40 kHz nachweisbar. Allerdings waren die Frequenzbereiche von 1-10 kHz und 30,5-40 kHz besonders stark von der Lidocaininjektion betroffen.
Auch nach der elektrischen Reizung wurden die drei oben beschriebenen Effekttypen definiert. Mit 54,6 % war der Prozentsatz unveränderter DPOAE-Pegel allerdings sehr hoch. In den anderen beiden Kategorien konnten zusätzlich Differenzierungen im zeitlichen Verhalten der DPOAE-Pegel vorgenommen werden. In 21,6 % bzw. 16,5 % der Datensätze waren die Verringerungen bzw. Erhöhungen bis zum letzten gemessenen Zeitpunkt nach der elektrischen Reizung irreversibel und nur in jeweils 2,8 % der Datensätze war eine Reversibilität zu verzeichnen. In diesen Fällen war die Effektdauer mit im Mittel 31 bzw. 25 min kürzer als in den Lidocainversuchen. Auch die Effektstärken waren mit maximal 23,9 dB und je nach Effekttyp im Mittel 5,1-13,7 dB geringer als nach der Lidocaininjektion. Die größten Effekte traten in einem mittleren Stimuluspegelbereich von 45-55 dB SPL auf. Wiederum konnte keine Abhängigkeit des betroffenen Frequenzbereichs von der kortikal gereizten CF nachgewiesen werden. In Einzelfällen waren auf DPOAE-Ebene nur die Frequenzen ober- und unterhalb der kortikalen CF beeinflusst, wohingegen bei der CF selbst keine Effekte auftraten.
Durch Kontrollexperimente (Salineinjektion bzw. Einführen der Elektrode ohne elektrische Reizung) konnte nachgewiesen werden, dass die Effekte durch die Manipulation der Kortexaktivität hervorgerufen wurden. Somit liegt eine funktionelle Beziehung zwischen dem AK und der Peripherie vor, die langanhaltende massive Ausmaße annehmen kann. Die Effektrichtung ist vermutlich durch die exzitatorisch oder inhibitorisch wirkenden Neurone vom Colliculus inferior zum Olivenkomplex bedingt. Die größeren Effekte in der kontralateralen Konfiguration lassen sich durch die Diskrepanz in der Anzahl der gekreuzten (2/3) und ungekreuzten (1/3) medialen Efferenzen erklären. Die kubischen Komponenten der äHZ-Verstärkungsfunktion scheinen stärker beeinflusst zu sein als die quadratischen Komponenten, was in größeren Pegeländerungen in der 2f1-f2 Emission resultiert. Die teils großen Effektstärken sowie die nicht vorhandene Frequenzabhängigkeit zwischen AK und Kochlea sind vermutlich auf den großen Kortexbereich zurückzuführen, der von den gewählten Injektionsvolumina bzw. elektrischen Reizstärken betroffen war. Die großen Effekte im mittleren Stimuluspegelbereich lassen sich sowohl mit einer möglichen Schutzfunktion der Efferenzen vor zu lauten Schallereignissen als auch mit einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zur erleichterten Detektion akustischer Signale in Einklang bringen. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Aktivität des AK einen starken Einfluss auf periphere auditorische Mechanismen hat, wodurch die kochleäre Verarbeitung akustischer Signale je nach kortikalem Verarbeitungsstatus massiv modifiziert werden kann.
Der Gyrus dentatus ist eine anatomische Region im Hippocampus und besitzt die einzigartige Fähigkeit auch im adulten Gehirn lebenslang neue Nervenzellen zu generieren. Dieser Prozess wird als adulte Neurogenese bezeichnet, stellt eine besondere Form struktureller Plastizität dar und es wurde gezeigt, dass adult neugebildete Körnerzellen im Gyrus dentatus essentiell am Prozess des hippocampalen Lernens und der Gedächtnisausbildung beteiligt sind. Es wird vermutet, dass neue Körnerzellen aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften verstärkt auf neue Informationsmuster reagieren können und darauf spezialisiert sind Muster, die eine hohe Ähnlichkeit zueinander haben zu separieren und diese Unterschiede zu kodieren. Obwohl bereits eine Vielzahl von wissenschaftlichen Studien zum Verständnis der Entwicklung und Funktion adult neugebildeter Körnerzellen beitragen konnte, bestehen immer noch Unklarheiten darin, wie sich diese neuen Nervenzellen strukturell entwickeln, wann es zu einer funktionellen Integration kommt und wie diese beiden Prozesse miteinander zusammenhängen. In den vorliegenden Arbeiten wurde die strukturelle Entwicklung und synaptische Integration adult neugebildeter Körnerzellen in das bestehende hippocampale Netzwerk der Ratte und Maus unter in vivo Bedingungen untersucht. Zur Beantwortung dieser Fragen wurden Methoden aus der Anatomie, Histologie und in vivo Elektrophysiologie kombiniert. Der Nachweis neuer Körnerzellen erfolgte entweder durch immunhistologische Färbungen gegen spezifische Marker für unreife und reife Körnerzellen, Markierungen mit Bromdesoxyuridin oder retro- bzw. adenovirale intrazerebrale Injektionen und Expression von GFP. Es wurde eine in vivo Stimulation des Tractus perforans in der anästhesierten Ratte zur Langzeitpotenzierung der Körnerzellsynapsen und anschließend eine immunhistologische Analyse der Expression von synaptischen Aktivitäts- und Plastizitätsmarkern in neugebildeten und reifen Körnerzellen nach der Stimulation durchgeführt. Zusätzlich wurden detaillierte drei-dimensionale Rekonstruktion dendritischer Bäume erstellt und dendritische Dornenfortsätze an retroviral markierten Zellen analysiert.
Die vorliegenden Daten belegen den generellen Verlauf der Entwicklung neugeborener Körnerzellen in zwei unterschiedliche Phasen: eine frühe dendritische Reifung und eine späte funktionelle und synaptische Integration. Neugeborene Körnerzellen zeigten ein rasches dendritisches Auswachsen, dass innerhalb der ersten drei bis vier Wochen abgeschlossen war. Während dieses Wachstumsprozesses passieren Dendriten nacheinander die Körnerzellschicht und anschließend die innere, mittlere und äußere Molekularschicht. Dadurch sind sie innerhalb ihrer morphologischen Entwicklungsphasen anatomisch auf spezifische präsynaptische Partner limitiert. In der wissenschaftlichen Literatur wird eine transiente kritische Phase beschrieben, in der neugeborene Körnerzellen eine starke Plastizität und sensitivere synaptische Erregbarkeit aufweisen. Obwohl die vorliegenden Resultate keine direkten Hinweise auf eine stärkere bzw. sensitivere Plastizität neugeborener Körnerzellen liefern, konnte eine Phase zwischen vier und fünf Wochen identifiziert werden, in der neue Körnerzellen einen sprunghaften Anstieg in ihrer Fähigkeit zur Expression synaptischer Aktivitätsmarker (z.B. Arc und c-fos) und Ausbildung struktureller Plastizität (Dendriten und Dornenfortsätze) zeigten. Die präsentierten Resultate machen deutlich, dass Dornenfortsätze neuer Körnerzellen nach elf Wochen eine vergleichbare Dichte, Größenverteilung und Plastizität aufzeigen, die vergleichbar mit denen vorhandener Körnerzellen sind. Die Fähigkeit zur dendritischen Plastizität nach synaptischer Aktivierung zeigten jedoch nur neugeborene Körnerzellen zwischen der vierten und fünften Woche. Diese Ergebnisse implizieren, dass die Integration neugebildeter Körnerzellen kontinuierlich verläuft und obwohl die vorliegenden Daten die Existenz einer dendritischen Plastizität und einen sprunghaften Anstieg synaptischer Plastizität in der vierten und fünften Woche belegen, wurden keine weiteren Hinweise auf eine transiente kritische Phase gefunden. Des Weiteren zeigten dendritische Bäume von gereiften adult neugeborenen und reifen Körnerzellen Unterschiede, die daraufhin deuten, dass neue Körnerzellen eine eigene Subpopulation darstellen.
Paradoxer Schlaf als Parameter zur Messung der Stressbelastung bei Giraffen (Giraffa camelopardalis)
(2012)
Das Wohlbefinden von Tieren zu schützen ist im Grundgesetz der Bundesrepublik Deutschland festgeschrieben. Das Wohlbefinden eines Tieres wissenschaftlich zu bewerten ist jedoch eine bislang ungelöste Herausforderung. Die Biologie nähert sich dem Problem, subjektive Empfindungen eines Tieres objektiv darzustellen, vorrangig über die Messung der Stressbelastung.
Die Stressantwort eines Organismus setzt sich allgemein aus einer Kombination von vier Systemen zusammen: einer Verhaltensreaktion, einer Antwort des vegetativen Nervensystems, einer neuroendokrinen Antwort und einer Immunantwort. Der in Zoos am häufigsten untersuchte Parameter zur Messung der Stressbelastung ist die Analyse der Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot der Tiere. Da jedoch nicht in jeder Stresssituation das „Stresshormon“ Cortisol ausgeschüttet wird, ist es für eine exakte Bewertung der Stressbelastung notwendig, weitere Systeme der Stressantwort wie beispielsweise das Verhalten zu erfassen. Die Chronoethologie verfolgt diesen Ansatz, indem sie Änderungen des Zeitmusters im Verhalten eines Tieres als Antwort auf Veränderungen in der Umwelt oder eines endogenen Faktors erfasst und diese nach Kriterien der Befindlichkeit bewertet. Hier könnte zukünftig das Schlafverhalten eine herausragende Stellung einnehmen, da es von allen vier Stressantwortsystemen beeinflusst wird. Zudem wird aus der medizinischen Schlafforschung berichtet, dass sich insbesondere die Dauer, die ein Organismus im Paradoxen Schlaf (PS) verbringt, durch Stress verändert. Dennoch fand das Schlafverhalten zur Messung der Stressbelastung bei Zoo- und Wildtieren bislang kaum Beachtung. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Anwendbarkeit des PS als Parameter zur Messung der Stressbelastung bei Zoo- und Wildtieren zu erforschen, um letztlich die Beurteilung des Wohlbefindens von Tieren weiter zu objektivieren. Aufgrund ihrer einzigartigen Schlafstellung während des PS sowie ihrer hohen Sensibilität gegenüber Umweltveränderungen wurde die Giraffe (Giraffa camelopardalis) als Modelltier für diesen non-invasiven Forschungsansatz gewählt.
Im Rahmen der Arbeit wurde in 645 Nächten das Schlafverhalten von 17 Giraffen unterschiedlichen Alters und Geschlechts beobachtet und analysiert. Um stressbedingte Veränderungen im PS-Muster erkennen zu können, wurden die Giraffen zunächst unter „Normalbedingungen“ beobachtet, um hieraus Referenzwerte zu generieren. Anschließend wurden unterschiedliche als stressintensiv einzustufende Situationen wie Nahrungsmangel, Transport, Veränderungen in der Herdenstruktur, Auswirkungen einer Geburt auf das Muttertier sowie verschiedene singuläre Ereignisse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das PS-Muster der Giraffen untersucht und den Referenzwerten gegenübergestellt. Um die Methode der Schlafbeobachtung als Parameter der Stressbelastung zu validieren, wurde zusätzlich ein bei Wiederkäuern etablierter, bereits genannter Stress-Parameter eingesetzt: die Messung der Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot mit Hilfe eines Enzymimmunoassays. Diese Methode wurde hier erstmalig an Giraffen angewendet.
Durchschnittlich hielt eine Giraffe unter Normalbedingungen 27 Minuten pro Nacht paradoxen Schlaf. Dabei war die nächtliche PS-Dauer in hohem Maße vom Alter abhängig. Während juvenile Giraffen im Mittel 63 Minuten PS pro Nacht aufwiesen, verbrachten gealterte Giraffen nur 4,5 Minuten pro Nacht in der PS-Stellung. Infolge eines Stressors veränderte sich die PS-Dauer der Tiere: So zeigten alle vier transportierten Giraffen in den ersten Nächten nach ihrem Transport keinen PS oder stark reduzierte PS-Zeiten. Parallel erhöhte sich nach dem Transport die Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot aller Giraffen für mehrere Tage. Auch die untersuchten Veränderungen in der Herdenstruktur hatten in den meisten Fällen signifikante Veränderungen der PS-Dauer zur Folge. Die stärkste im Rahmen dieser Arbeit beobachtete Veränderung des Schlafverhaltens bewirkte der Tod eines Giraffenbullen: Die adulte Giraffenkuh hielt in der Folge für eine Dauer von 21 Tagen keinen paradoxen Schlaf mehr. Ihre Cortisolmetaboliten-Konzentration im Kot stieg nach dem Tod des Bullen hingegen nicht an. Die beobachteten Giraffenmütter zeigten nach der Geburt ihrer jeweiligen Jungtiere ebenfalls eine reduzierte PS-Dauer. Hingegen hatten neugeborene Giraffen, die an Nahrungsmangel litten und innerhalb weniger Tage verstarben, eine höchst signifikant längere PS-Dauer als gleichalte Jungtiere, die überlebten.
Während bei Nahrungsknappheit eine erhöhte PS-Dauer helfen kann Energie zu sparen, ist eine Reduktion der PS-Dauer als Resultat erhöhter Aufmerksamkeit zu interpretieren, wie sie im Zuge der Feindvermeidung in Stress-Situationen sinnvoll ist.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die PS-Dauer im Gegensatz zur Cortisolmetaboliten-Konzentration von allen beobachteten Stressoren beeinflusst wurde. Dabei veränderte sich die PS-Dauer in Abhängigkeit des jeweiligen Stressors graduell unterschiedlich, was Rückschlüsse auf die Intensität des Stressors ermöglicht.
Der PS ist infolge dieser Ergebnisse hervorragend als Parameter zur Messung der Stressbelastung bei Giraffen geeignet. Die Analyse des PS kann dabei helfen, die Auswirkungen von subjektiv als stressintensiv oder stressarm eingestuften Situationen auf das Wohlbefinden eines Tieres objektiv zu bewerten. Darüber hinaus ermöglicht die kontinuierliche Überwachung des PS-Musters, z.B. mit Hilfe moderner Videosoftware, Beeinträchtigungen des Wohlbefindens, wie sie beispielsweise durch Unterernährung, Verletzung oder Krankheit hervorgerufen werden, frühzeitig zu erkennen, was ein zeitnahes Eingreifen zum Wohle des Tieres möglich macht.
Eine Einschränkung des Hörvermögens durch Schäden der Sinnesrezeptoren im Innenohr gilt beim Menschen sowie bei allen anderen Säugetieren als irreversibel. Die Hörforschung ist an der Frage interessiert, ob durch Plastizität in zentralen Teilen des auditorischen Systems Kompensationsmechanismen die Folgen mildern können. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Frage, ob und in welchem Umfang nach peripheren Hörschäden durch zentrale Kompensationsmechanismen eine Erholung des Hörvermögens auftritt auf der Basis von plastischen Änderungen der neuronalen Verarbeitung der Eingangssignale aus dem geschädigten Hörorgan. Schäden des Sinnesepithels im Innenohr, z.B. durch überlaute Beschallung oder ototoxische Substanzen, betreffen in der Regel zunächst die äußeren Haarzellen und führen zu einem Verlust der Empfindlichkeit und Frequenzspezifität des Hörvermögens. Eine primäre selektive Schädigung der inneren Haarzellen (IHZ) tritt im Tiermodell, aus unbekannten Gründen nur bei einer Spezies auf, dem Chinchilla (Chinchilla laniger) und zwar nach Gabe des antineoplastischen Medikament Carboplatin. Das gute Tieffrequenzhören der Chinchillas (0.1-20 kHz) ermöglicht außerdem Aussagen zur akustischen Signalverarbeitung in einem für das menschliche Gehör relevanten Frequenzbereich (0.02-16 kHz). Dieses Tiermodell bietet somit die Gelegenheit, die Veränderungen in zentralen Teilen des auditorischen Systems nach einer definierten sensorischen Schädigung zu untersuchen. Hierfür kommt u.a. das auditorische Mittelhirn, der Colliculus Inferior (IC) in Frage. Der IC wird als Hauptintegrationszentrum der Hörbahn angesehen weil er Eingänge von fast allen vor ihm liegenden auditorischen Kernen (z.B. Nucleus cochlearis, Nucleus olivaris und Leminscus lateralis) bekommt. Ein weiterer Grund für die Wahl des IC als Untersuchungsgebiet der vorliegenden Arbeit ist, die Frage zu beantworten, ob die auf der Ebene des auditorischen Kortex bereits nachgewiesene funktionelle Plastizität auch auf der Ebene des IC schon realisiert oder vorbereitet wird. Die vorliegende Arbeit untersucht das Antwortverhalten der Neurone im ICc an wachen Tieren vor und nach einem selektiven Teilverlust der IHZ bei Erhalt der äußeren Haarzellen. Die Arbeitshypothese ist, dass es nach einem abgeschwächten sensorischen Eingang zu Veränderungen der exzitatorischen und inhibitorischen Antwortfelder kommt, die als funktionelle Plastizität bzw. als Kompensation verstanden werden können. Anhand elektrophysiologischer Ableitungen im ICc von wachen, chronisch implantierten Tieren wurden die exzitatorischen und die inhibitorischen Antwortfelder der Neurone durch Einton- und Zweiton- Stimulation getrennt gemessen und bestimmt. Die Resultate zeigen, dass die exzitatorischen und inhibitorischen Antworteigenschaften im IC bei wachen und narkotisierten Tieren unterschiedlich sind. In wachen Tieren weist die Inhibition generell höhere Variation auf als in narkotisierten Tieren und ist unabhängiger von der Art der Exzitation. Eine Carboplatinbehandlung führte bei allen Tieren nach 3-7 Tagen zu einer Abnahme der Amplituden und einer Erhöhung der Schwellen der akustisch evozierten Hirnstammpotentiale (ABRs). Die histologische Untersuchung des Innenohres (10 Wochen nach Carboplatinbehandlung), zeigte bei allen Tieren Verluste der IHZ (zwischen 20 und 60%) entlang der gesamten Basilarmembran. Es wurden aber keine Verluste von ÄHZ festgestellt. Die Gehirn-Schnitte zeigten, dass die Registrierungen aus dem zentralen Teil des Colliculus Inferior stammen. Die physiologische Untersuchung der Antworteigenschaften der Neurone im IC 4-6 Wochen nach der carboplatinbedingten Schädigung der IHZ zeigte eine Reduktion der Inhibition, die u.a. deutlich an dem Verlauf der Intensitätskennlinien zu beobachten war. Nach dem Teilverlust der IHZ wurden viel weniger nichtmonotone Kennlinien gefunden als vor der Innenohrschädigung. Darüber hinaus beobachteten wir eine Reduzierung der inhibitorischen Regionen und eine signifikante Ausweitung der exzitatorischen Antwortfelder nach dem Teilverlust der IHZ. Die Resultate der vorliegenden Arbeit führen zu der Schlussfolgerung, dass nach einer Teilschädigung der inneren Haarzellen, unter Erhalt der ÄHZ nur ein geringer Sensitivitätsverlust in der zentralen Hörbahn auftritt. Der Verlust von 20-60% der IHZ und der damit einhergehende reduzierte afferente Informationsfluss führt zu physiologischen Veränderungen in der Hörbahn, die im IC von wachen Tieren vor allem durch eine Reduktion der Inhibition hervortritt. Dies deutet daraufhin, dass zentrale Kompensationsmechanismen bei peripheren Hörschäden nicht, wie bisher vermutet, erst in kortikalen sondern zum Teil bereits in subkortikalen Arealen (im Mittelhirn) stattfinden.
Using walls to navigate the room: egocentric representations of borders for spatial navigation
(2021)
Spatial navigation forms one of the core components of an animal’s behavioural repertoire. Good navigational skills boost survival by allowing one to avoid predators, to search successfully for food in an unpredictable world, and to be able to find a mating partner. As a consequence, the brain has dedicated many of its resources to the processing of spatial information. Decades of seminal work has revealed how the brain is able to form detailed representations of one’s current position, and use an internal cognitive map of the environment to traverse the local space. However, what is much less understood is how neural computations of position depend on distance information of salient external locations such as landmarks, and how these distal places are encoded in the brain.
The work in this thesis explores the role of one brain region in particular, the retrosplenial cortex (RSC), as a key area to implement distance computations in relation to distal landmarks. Previous research has shown that damage to the RSC results in losses of spatial memory and navigation ability, but its exact role in spatial cognition remains unclear. Initial electrophysiological recordings of single cells in the RSC during free exploration behaviour of the animal resulted in the discovery of a new population of neurons that robustly encode distance information towards nearby walls throughout the environment. Activity of these border cells was characterized by high firing rates near all boundaries of the arena that were available to the animal, and sensory manipulation experiments revealed that this activity persisted in the absence of direct visual or somatosensory detection of the wall.
It quickly became apparent that border cell activity was not only modulated by the distance to walls, but was contingent on the direction the animal was facing relative to the boundary. Approximately 40% of neurons displayed significant selectivity to the direction of walls, mostly in the hemifield contra-lateral to the recorded hemisphere, such that a neuron in left RSC is active whenever a wall occupies proximal space on the right side of the animal. Using a cue-rotation paradigm, experiments initially showed that this egocentric direction information was invariant to the physical rotation of the arena. Yet this rotation elicited a corresponding shift in the preferred direction of local head-direction cells, as well as a rotation in the firing fields of spatially-tuned cells in RSC. As a consequence, position and direction encoding in RSC must be bound together, rotating in unison during the environmental manipulations, as information about allocentric boundary locations is integrated with head-direction signals to form egocentric border representations.
It is known that the RSC forms many anatomical connections with other parts of the brain that encode spatial information, like the hippocampus and para-hippocampal areas. The next step was to establish the circuit mechanisms in place for RSC neurons to generate their activity in respect to the distance and direction of walls. A series of inactivation experiments revealed how RSC activity is inter-dependent with one of its communication partners, the medial entorhinal cortex (MEC). Together they form a wider functional network that encodes precise spatial information of borders, with information flowing from the MEC to RSC but not vice versa. While the conjunction between distance and heading direction relative to the outer walls was the main driver of neural activity in RSC, border cells displayed further behavioural correlates related to movement trajectories. Spiking activity in either hemisphere tended to precede turning behaviour on a short time-scale in a way that border cells in the right RSC anticipated right-way turns ~300 ms into the future.
The interpretation of these results is that the RSC’s primary role in spatial cognition is not necessarily on the early sensory processing stage as suggested by previous studies. Instead, it is involved in computations related to the generation of motion plans, using spatial information that is processed in other brain areas to plan and execute future actions. One potential function of the RSC’s role in this process could be to act correctly in relation to the nearby perimeter, such that border cells in one hemisphere are involved in the encoding of walls in the contralateral hemifield, after which the animal makes an ipsilateral turn to avoid collision. Together this supports the idea that the MEC→RSC pathway links the encoding of space and position in the hippocampal system with the brain’s motor action systems, allowing animals to use walls as prominent landmarks to navigate the room.
The nucleus reuniens drives hippocampal goal‑directed trajectory sequences for route planning
(2023)
Goal-directed spatial navigation requires accurate estimates of one’s position and destination, as well as careful planning of a route between them to avoid known obstacles in the environment. Despite its general importance across species, the neural circuitry supporting the ability for route planning remains largely unclear. Previous studies described that place cells in the hippocampal CA1 encode the animal's next movement direction (Wood et al., 2000; Ito et al., 2015) and upcoming navigational routes (Pfeiffer & Foster, 2013). However, it has been shown that part of the CA1 activity representing the animal’s future behaviors is not necessarily generated in the hippocampus, but is derived from the medial prefrontal cortex (PFC) via the nucleus reuniens of the thalamus (RE) (Ito et al., 2015). Notably, the importance of the PFC in navigation has been demonstrated in several studies, including the recent finding of a goal map in the orbitofrontal cortex (Basu et al., 2021). Therefore, I hypothesized that information flow from the PFC to CA1 via the RE plays a key role in route planning.
To assess the animals' route planning ability, I designed a new navigation task in which a rat has to navigate to a fixed target location from various starting positions in an arena. Furthermore, by adding an L-shaped wall in the maze and removing all light sources in the experimental room, this task forced the animals to plan a wall-avoiding route without relying on direct sensory perceptions. I confirmed that rats could learn this task successfully, memorizing the wall location and taking a smooth wall-avoidance route. To test the role of the RE, I inactivated RE neurons by expressing the inhibitory opsin SwiChR++, which resulted in a significant deficit in the animal’s route planning ability, taking a longer non-smooth path to the destination. By contrast, this manipulation did not affect navigation performance when a straight goal-directed route was available, suggesting a specific role of the RE in route planning. I further found that DREADDs-mediated inactivation of neurons in the bilateral hippocampi resulted in a similar deficit in route planning ability, implying cooperation between the RE and the hippocampus.
I finally examined the activity of hippocampal CA1 neurons with and without RE inactivation. While neurons in the hippocampus exhibited brief trajectory sequences corresponding to the animal’s subsequent goal-directed journey, I found that this goal-directed bias of trajectory events was significantly reduced by RE inactivation, likely associated with route-planning deficits in these animals.
Altogether, this dissertation demonstrates the role of the RE from both behavioral and neural coding perspectives, identifying a pivotal circuit element supporting the animal’s route-planning ability.
Neurodevelopmental psychiatric disorders (NPDs) like attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), autism spectrum disorder (ASD), and schizophrenia, affect millions of people worldwide. Despite recent progress in NPD research, much remains to be discovered about their underpinnings, therapeutic targets, effects of biological sex and age. Risk factors influencing brain development and signalling include prenatal inflammation and genetic variation. This dissertation aimed to build upon these findings by combining behavioural, molecular, and neuromorphological investigations in mouse models of such risk factors, i.e. maternal immune activation (MIA), neuron-specific overexpression (OE) of the cytoplasmatic isoforms of the RNA-binding protein RBFOX1, and neuronal deletion of the small Ras GTPase DIRAS2.
Maternal infections during pregnancy pose an increased risk for NPDs in the offspring. While viral-like MIA has been previously established elsewhere, this study was the first in our institution to implement the model. I validated NPD-relevant deficits in anxiety- and depression-like behaviours, as well as dose- and sex-specific social deficits in mouse offspring following MIA in early gestation. Proteomic analyses in embryonic and adult hippocampal (HPC) synaptoneurosomes highlighted novel and known targets affected by MIA. Analysis of the embryonic dataset implicated neurodevelopmental disruptions of the lipid, polysaccharide, and glycoprotein metabolism, important for proper membrane function, signalling, and myelination, for NPD-pertinent sequelae. In adulthood, the observed changes encompassed transmembrane trafficking and intracellular signalling, apoptosis, and cytoskeletal organisation pathways. Importantly, 50 proteins altered by MIA in embryonic and adult HPC were enriched in the NPD-relevant synaptic vesicle cycle. A persistently upregulated protein cluster formed a functional network involved in presynaptic signalling and proteins downregulated in embryos but upregulated in adults by MIA were correlated with observed social deficits. 49/50 genes encoding these proteins were significantly associated with NPD- and comorbidity-relevant traits in human phenome-wise association study data for psychiatric phenotypes. These findings highlight NPD-relevant targets for future study and early intervention in at-risk individuals. MIA-evoked changes in the neuroarchitecture of the NPD-relevant HPC and prefrontal cortex (PFC) of male and female mice highlighted sex- and region-specific alterations in dendritic and spine morphology, possibly underlining behavioural phenotypes.
To further investigate genetic risk factors of NPDs, I performed a study based on the implications of RBFOX1’s pleiotropic role in neuropsychiatric disorders and previous preclinical findings. Cytoplasmatic OE of RBFOX1, which affects the stability and translation of thousands of targets, was used to disseminate its role in morphology and behaviour. RBFOX1 OE affected dendritic length and branching in the male PFC and led to spine alterations in both PFC and HPC. Due to previously observed ASD-like endophenotypes in our Rbfox1 KO mice and the importance of gene × environment effects on NPD susceptibility, I probed the interaction of cytoplasmatic OE and a low-dose MIA on offspring. Both RBFOX1 OE alone and with MIA led to increased offspring loss during the perinatal period. Preliminary data suggested that RBFOX1 OE × MIA might increase anxiety- and anhedonia-like behaviours. Morphological changes in the adult male OE HPC and PFC suggested increased spine density and reduced dendritic complexity. A small post-mortem study in human dorsolateral PFC of older adults did not reveal significant effects of a common risk variant on RBFOX1 abundance.
To expand upon NPD genetic risks, I evaluated the effects of a homo- (KO) or heterozygous (HET) Diras2 deletion in a novel, neuron-specific mouse model. DIRAS2’s function is largely unknown, but it has been associated with ADHD in humans and neurodevelopment in vitro. In adult mice, there were subtle sex-specific effects on behaviour, i.e. more pronounced NPD-relevant deficits in males, in keeping with human data. KO mice had subtly improved cognitive performance, while HET mice exhibited behaviours in line with core ADHD symptoms, e.g. earning difficulties (females), response inhibition deficits and hyperactivity (males), suggesting Diras2 dose-sensitivity and sex-specificity. The morphological findings revealed multiple aberrations in dendritic and spine morphology in the adult PFC, HPC, and amygdala of HET males. KOs changes in spine and dendritic morphology were exclusively in the PFC and largely opposite to those in HETs and NPD-like phenotypes. Region- and genotype-specific expression changes in Diras2 and Diras1 were observed in six relevant brain regions of adult HET and KO females, also revealing differences in the survival and morphology regulator mTOR, which might underlie observed differences.
In conclusion, the effects of MIA and partial Diras2 knockdown resembled each other in core, NPD-associated behavioural and morphological phenotypes, while cytoplasmatic RBFOX1 OE and full Diras2 KO differed from those. My findings suggest complex dose- and sex-dependent relationships between these prenatal and genetic interventions, whose NPD-relevant influences might converge onto neurodevelopmental molecular pathways. An assessment of such putative overlap, based on available data from the MIA proteomic analyses of embryonic and adult HPC, suggested the three models might be linked via downstream targets, interactions, and upstream regulators. Future studies should disseminate both distinct and shared aspects of MIA, RBFOX1, and DIRAS2 relevant to NPDs and build upon these findings.
Exploring the in vivo subthreshold membrane activity of phasic firing in midbrain dopamine neurons
(2021)
Dopamine is a key neurotransmitter that serves several essential functions in daily behaviors such as locomotion, motivation, stimulus coding, and learning. Disrupted dopamine circuits can result in altered functions of these behaviors which can lead to motor and psychiatric symptoms and diseases. In the central nervous system, dopamine is primarily released by dopamine neurons located in the substantia nigra pars compacta (SNc) and ventral tegmental area (VTA) within the midbrain, where they signal behaviorally-relevant information to downstream structures by altering their firing patterns. Their “pacemaker” firing maintains baseline dopamine levels at projection sites, whereas phasic “burst” firing transiently elevates dopamine concentrations. Firing activity of dopamine neurons projecting to different brain regions controls the activation of distinct dopamine pathways and circuits. Therefore, characterization of how distinct firing patterns are generated in dopamine neuron populations will be necessary to further advance our understanding of dopamine circuits that encode environmental information and facilitate a behavior.
However, there is currently a large gap in the knowledge of biophysical mechanisms of phasic firing in dopamine neurons, as spontaneous burst firing is only observed in the intact brain, where access to intrinsic neuronal activity remains a challenge. So far, a series of highly-influential studies published in the 1980s by Grace and Bunney is the only available source of information on the intrinsic activity of midbrain dopamine neurons in vivo, in which sharp electrodes were used to penetrate dopamine neurons to record their intracellular activity. A novel approach is thus needed to fill in the gap. In vivo whole-cell patch-clamp method is a tool that enables access to a neuron’s intrinsic activity and subthreshold membrane potential dynamics in the intact brain. It has been used to record from neurons in superficial brain regions such as the cortex and hippocampus, and more recently in deeper regions such as the amygdala and brainstem, but has not yet been performed on midbrain dopamine neurons. Thus, the deep brain in vivo patch-clamp recording method was established in the lab in an attempt to investigate the subthreshold membrane potential dynamics of tonic and phasic firing in dopamine neurons in vivo.
The use of this method allowed the first in-depth examination of burst firing and its subthreshold membrane potential activity of in vivo midbrain dopamine neurons, which illuminated that firing activity and subthreshold membrane activity of dopamine neurons are very closely related. Furthermore, systematic characterization of subthreshold membrane patterns revealed that tonic and phasic firing patterns of in vivo dopamine neurons can be classified based on three distinct subthreshold membrane signatures: 1) tonic firing, characterized by stable, non-fluctuating subthreshold membrane potentials; 2) rebound bursting, characterized by prominent hyperpolarizations that initiate bursting; and 3) plateau bursting, characterized by transient, depolarized plateaus on which bursting terminates. The results thus demonstrated that different types of phasic firing are driven by distinct patterns of subthreshold membrane activity, which may potentially signal distinct types of information. Taken together, the deep brain in vivo patch-clamp technique can be used for the investigation of firing mechanisms of dopamine neurons in the intact brain and will help address open questions in the dopamine field, particularly regarding the biophysical mechanisms of burst firing in dopamine neurons that control behavior.
The prefrontal cortex (PFC) is considered the cognitive center of the mammalian brain. It is involved in a variety of cognitive functions such as decision making, working memory, goal-directed behavior, processing of emotions, flexible action selection, attention, and others (Fuster, 2015). In rodents, these functions are associated with the medial prefrontal cortex (mPFC). Experiments in mice and rats have shown that neurons in the mPFC are necessary for successful performance of many cognitive tasks. Moreover, measurements of neural activity in the mPFC show excitation or inhibition in different cells in relation to specific aspects of the tasks to be solved. To date, however, it is largely unknown whether prefrontal neurons are stably activated during the same behaviors within a task and whether similar aspects are represented by the same neurons in different tasks. In addition, it is unclear how specifically neurons are activated, for example, whether cells that are activated in response to reward are activated in a different task without reward in a different situation or remain inactive. To address these questions, we recorded the same neurons in the mPFC of mice over the course of several weeks while the animals performed various behaviors.
To do this, we expressed GCaMP6 in pyramidal neurons in the mPFC of mice. A small lens was implanted in the same location and a miniature microscope ("miniscope") was used to record neural activity. Later the extracted neurons got aligned based on their shape and position across multiple days and sessions. The mice performed five different behavioral tests while neural activity was measured: A spatial working memory test in a T-maze, exploration of the elevated plus maze (EPM), a novel object recognition (NO) test including free open field (OF) exploration, a social interaction (SI) test and discriminatory auditory fear conditioning (FC). Each task was repeated at least twice to check for stable task encoding across sessions. Behavioral performance and neural correlates to specific task events were similar to earlier studies across all tasks. We utilized generalized linear models (GLM) to determine which behavioral variables most strongly influence neural activity in the mPFC. The position of the mouse in the environment was found to explain most of the variance in neural activity, together with movement speed they were the strongest predictors of neural activity across all tasks. Reward time points in the working memory test, the conditioned stimulus after fear conditioning, or head direction in general were also strongly encoded in the mPFC.
Many of the recorded neurons showed a stable spatial activity profile across multiple sessions of the same task. Similarly, cells that coded for position in one task tended to code for position in other tasks. Not only did the same cells code for position across multiple tasks, but cells also coded for movement speed and head direction. This indicates that at least these general behavioral variables are each represented by the same neurons in the mPFC. Interestingly, the stability of position or speed coding did not depend on the time between two sessions, but only on whether it was within the same or across different tasks. Within the same task, stability was slightly higher than across different tasks.
To find out whether task-specific behavioral aspects were also stably encoded in the mPFC, difference scores as the difference in neural activity between two task aspects like left- and right-choice trials or exposed and enclosed locations were calculated. Many cells encoded these aspects stably across different sessions of each task. Both the left-right differences in the different phases of the working memory test, the open-closed-arm differences in the elevated plus maze, the different activity between center and corners in the open field, the social target-object differences in the social interaction test, and the differences between the two tones during fear conditioning were all stably encoded across the population of mPFC cells. Only the distinction between the novel and the familiar object during object recognition was not stably encoded, but also the preference for the novel object was not present in the second session of novel object exploration.
There was also an overlap in coding for different aspects within a task across multiple sessions. For example, cells stably encoded left-right differences in the T-maze between different sessions as a function of walking direction across different phases of working memory, an aspect that we could already show within one session (Vogel, Hahn et al., 2022). During fear conditioning, the same cells showed a discrimination between CS+ and CS- that also responded to the start of CS+.
Consistency in the neurons activity across different tasks was also found, but only between tasks with similar demands, the elevated plus-maze and free exploration of the open field. Cells that were more active in the open arms also showed more activity in the center of the open field and vice versa. This could be an indicator that the cells were coding for anxiety or exposure across those tasks, indicating that neurons in the mPFC also stably encode general task aspects independent of the specific environment. However, it remains unclear what exactly these neurons encode; in the case of a general fear signal, one would also expect activation during fear conditioning which could not be found.
Overall, we found that neurons in the mPFC of mice encoded multiple general behavioral variables across multiple tasks and task-specific variables were encoded stably within each of the tested tasks. However, we found little task-specific variables that were systematically encoded by the same neurons with the exception being the elevated plus-maze and open field exploration, two tasks with similar features.
An exciting in vivo function of ATP-sensitive potassium channels in substantia nigra dopamine neurons Ð Implications for burst firing and novelty coding ÐPhasic burst activity is a key feature of dopamine (DA) midbrain neurons. This particular pattern of excitation of DA neurons occurs via a synaptically triggered transition from low-frequency background spiking to transient high-frequency discharges. Burst-firing mediated phasic DA release is critical for flexible switching of behavioural strategies in response to unexpected rewards, novelty and other salient stimuli. However, the cellular and molecular bases of burst signalling in distinct DA subpopulations of the substantia nigra (SN) or the ventral tegmental area (VTA) are unknown.
DA neuron excitability is controlled by synaptic network inputs, neurotransmitter receptors and ion channels, which generate action potentials and determine frequency and pattern of electrical activity in a complex interplay. ATP-sensitive potassium (K-ATP) channels are widely expressed throughout the brain, where in most cases they are believed to act as metabolically-controlled 'excitation brakes' by matching excitability to cellular energy states. However, their precise physiological in vivo function in DA neurons remains elusive.
To study burst firing and the underlying ionic mechanisms with single cell resolution, in vivo single-unit recordings were combined with juxtacellular neurobiotin labelling as well as immunohistochemical and anatomical identification of individual DA neurons. In vivo recordings were performed in adult isoflurane-anaesthetised wildtype (WT) and global K-ATP channel knockout mice, lacking the pore forming Kir6.2 subunit (Kir6.2-/-). In addition, DA cell-selective functional silencing of K-ATP channel activity in vivo was established using virus-mediated expression of dominant-negative Kir6.2 subunits. Careful control experiments ruled out any significant contributions from nonDA neurons as transduction was effectively limited to SN DA neurons rather than affecting those cells that innervate them. Virus-based K-ATP channel silencing in combination with juxtacellular recording and labelling was achieved to define the electrophysiological phenotype of individually identified, virally-transduced DA neurons in vivo.
Single-unit recordings revealed that K-ATP channels Ð in contrast to their conventional hyperpolarising role Ð in a subpopulation of DA neurons located in the medial SN (m-SN) act as cell-type selective gates for excitatory burst firing in vivo. The percentage of spikes in bursts was threefold reduced in Kir6.2-/- compared to WT mice. Classification of firing patterns based on visual inspection of autocorrelation histograms and on a newly developed spike-train-model confirmed the dramatic shift from phasic burst to tonic single-spike oscillatory firing in Kir6.2-/-. This significant decrease of burstiness was selective for m-SN DA neurons and was not exhibited by DA cells in the lateral SN or VTA. Virus-based K-ATP channel silencing in vivo unequivocally demonstrated that the activity of postsynaptic K-ATP channels was sufficient to disrupt bursting in m-SN DA neuron subtypes. Patch-clamp recordings in brain slices indicated an essential role of K-ATP channels for NMDA-mediated in vitro bursting. In accordance with previous studies in DA midbrain neurons, NMDA receptor stimulation triggered burst-like firing in m-SN DA cells in vitro, but only when K-ATP channels were co-activated in these neurons.
K-ATP channel-gated burst firing in m-SN DA neurons might be functionally relevant in awake, freely moving mice. To explore the behavioural consequences of SN DA neuron subtype-selective K-ATP channel suppression, spontaneous open field (OF) behaviour of mice with bilateral K-ATP silencing across the whole SN (medial + lateral) or in only the lateral SN was tested. Analysis of WT and global Kir6.2-/- mice showed reduced exploratory locomotor activity of Kir6.2-/- in a novel OF environment. Remarkably, K-ATP channel silencing in m-SN DA neurons phenocopied this novelty-exploration deficit, indicating that K-ATP channel-gated burst firing in medial but not lateral SN DA neurons is crucial for WT-like novelty-dependent exploratory behaviour.
In summary, a novel role of K-ATP channels in promoting the excitatory switch from tonic to phasic firing in vivo in a cell-type specific manner was discovered. The present PhD thesis provides several important insights into the pivotal function of K-ATP channels in medial SN DA cells, which project to the dorsomedial striatum, for burst firing and its important consequences for context-dependent exploratory behaviour.
In collaboration with two other research groups transcriptional up-regulation of K-ATP channel and NMDA receptor subunits and high levels of in vivo burst firing were detected in surviving SN DA neurons from Parkinson's disease (PD) patients Ð providing a potential link of K-ATP channel activity to neurodegenerative pathomechanisms of PD. Using high-resolution fMRI imaging another study in humans has recently identified distinct DA midbrain regions that are preferentially activated by either reward or novelty. Taken together, these human data and the results of the present PhD thesis suggest that burst-gating K-ATP channel function in SN DA neurons impacts on phenotypes in disease as well as in health.
Inhibition of midbrain dopamine (DA) neurons codes for negative reward prediction errors, and causally affects conditioning learning. DA neurons located in the ventral tegmental area (VTA) display two-fold longer rebound delays from hyperpolarizing inhibition in comparison to those in the substantia nigra (SN). This difference has been linked to the slow inactivation of Kv4.3-mediated A-type currents (IA). One known suppressor of Kv4.3 inactivation is a splice variant of potassium channel interacting protein 4 (KChIP4), KChIP4a, which has a unique potassium channel inactivation suppressor domain (KISD) that is coded within exon 3 of the KChIP4 gene. Previous ex vivo experiments from our lab showed that the constitutive knockout of KChIP4 (KChIP4 KO) removes the slow inactivation of IA in VTA DA neurons, with marginal effects on SN DA neurons. KChIP4 KO also increased firing pauses in response to phasic hyperpolarization in these neurons. Here I show, using extracellular recordings combined with juxtacellular labeling in anesthetized mice, that KChIP4 KO also selectively changes the number and duration spontaneous firing pauses by VTA DA neurons in vivo. Pauses were quantified with two different statistical methods, including one developed in house. No other firing parameter was affected, including mean frequency and bursting, and the activity of SN DA neurons was untouched, suggesting that KChIP4 gene products have a highly specific effect on VTA DA neuron responses to inhibitory input.
Following up on this result, I developed a new mouse line (KChIP4 Ex3d) where the KISD-coding exon 3 of KChIP4 is selectively excised by cre-recombinase expressed under the dopamine transporter (DAT) promoter, therefore disrupting the expression of KChIP4a only in midbrain DA neurons. I show that these mice have a highly selective behavioral phenotype, displaying a drastic acceleration in extinction learning, but no changes in acquisition learning, in comparison to control littermates. Computational fitting of the behavioral data with a modified Rescorla-Wagner model confirmed that this phenotype is congruent with a selective increase in learning from negative prediction errors. KChIP4 Ex3d also had normal open field exploration, novel object preference, hole board exploration and spontaneous alternation in a plus maze, indicating that exploratory drive, responses to novelty, anxiety, locomotion and working memory were not affected by the genetic manipulation. Furthermore semi-quantitative IHC revealed that KChIP4 Ex3d mice have increased Kv4.3 expression in TH+ neurons, suggesting that the absence of KChIP4a increases the binding of other KChIP variants, which known to increase surface expression of Kv4 channels.
Furthermore, in the course of my experimental study I identified that the most used mouse line where cre-recombinase is expressed under the DAT promoter (DAT-cre KI) has a different behavioral phenotype during conditioning in relation to WT littermate controls. These animals displayed increased responding during the initial trials of acquisition and delayed response latency extinction, consistent with an increase in motivation, which is in line with a decrease in DAT function.
I propose a working model where the disruption of KChIP4a expression in DA neurons leads to an increase in binding of other KChIP variants to Kv4.3 subunits, promoting their increased surface expression and increasing IA current density; this then increases firing pauses in response to synaptic inhibition, which in behaving animals translates to an increase in negative prediction error-based learning.
The midbrain DA system comprising dopamine (DA) neurons of the substantia nigra (SN) and the ventral tegmental area (VTA) is involved in various brain functions, including voluntary movement and the encoding and prediction of behaviorally relevant stimuli. In Parkinsonʼs disease (PD), a progressive degeneration of particularly vulnerable SN DA neurons causes a progressive DA depletion of striatal projection sites. As a consequence, motor symptoms such as tremor, hypokinesia and rigidity appear once about 50 % to 70 % of SN DA neurons have been lost. Under physiological conditions, SN DA neurons can encode behaviorally salient events and coordinated movements through tonic and phasic activity and correlated striatal DA release. Burst-activity mediates a phasic, supralinear rise of striatal DA levels and allows to activate coordinated movements via modulation of corticostriatal signals.
In the present dissertation project, pathophysiological adaptations of surviving SN DA neurons after a partial degeneration of the nigrostiatal system have been studied using a 6-hydroxydopamine mouse model of PD. Combining in vivo retrograde tracing techniques with in vitro whole-cell patch-clamp recordings, multifluorescent immunolabeling and confocal microscopy allowed an unambiguous correlation of electrophysiological phenotypes, anatomical positions and neurochemical phenotypes of recorded neurons on a single-cell level. In vitro, neuronal activity of SN DA neurons is characterized by spontaneous, slow pacemaker activity of 1 to 10 Hz and a high degree of spike-timing precision. In vitro current-clamp recordings of surviving SN DA neurons using acute brain slice preparations after a partial, PD-like degeneration of the nigrostriatal DA system showed a significant perturbation of spontaneous pacemaker activity, mirrored by a decreased spike-timing precision compared to controls. Selective pharmacology and whole-cell voltage-clamp recordings served to identify calciumactivated SK channels as molecular effectors of a perturbated pacemaker activity of surviving SN DA neurons. SK channels and have been shown to critically contribute to the spike-timing precision of SN DA neurons. Consistently, in vitro current-clamp recordings after pharmacological blockade of SK channels in vitro caused a significant decrease of spike-timing precision, occluding previously observed differences between surviving SN DA neurons and controls.In addition to in vitro patch-clamp recordings, extracellular single-unit recordings in anaesthetized animals in vivo served to study surviving SN DA neurons embedded in an intact neuronal network after a partial, PD-like degeneration of the nigrostriatal DA system. Combining in vivo single-unit recordings, juxtacellular neurobiotin labeling and multifluorescent immunohistochemistry allowed to directly correlate electrophysiological and neurochemical phenotypes as well as anatomical positions on a single-cell level. In vivo, surviving SN DA neurons showed a significant decrease of spike-timing precision as reflected by an increased irregularity and an augmented burst activity compared to controls.
The present dissertation project provided a unique combination of a neurotoxicological PD mouse model, retrograde tracing techniques and in vitro as well as in vivo electrophysiologiy, allowing to unambiguously correlate electrophysiological adaptations, projection-specific anatomical positions and neurochemical phenotypes of SN DA neurons after a partial degeneration of the nigrostriatal system. Surviving SN DA neurons exhibited a significant deficit of SK channel activity after a partial degeneration of the nigrostriatal DA system. In consequence of a diminished SK channel activity observed in vitro, surviving SN DA neurons exhibited and enhanced burst activity in vivo, providing a plausible mechanism to compensate a striatal DA depletion.