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Dendrite morphogenesis is a complex but well-orchestrated process. Various studies reported the involvement of alteration in dendrite morphology in different brain disorders, including neuropsychiatric disorders. Initially, beta B2-crystallin (gene symbol: Crybb2/CRYBB2) has been described as a structural protein of the ocular lens. Mutations of the corresponding gene, Crybb2, lead to cataract. Recent studies in mice suggested that mutations in Crybb2 cause alterations in hippocampal morphology and function, albeit its function in hippocampal neuron development remained elusive. In the current study, we found that Crybb2 contributes to dendritogenesis in vitro and in vivo. Furthermore, screening of previous data on differential expression-arrays, we found Tmsb4X up-regulated in Crybb2 mutants mouse brain. Additionally, Tmsb4X was co-expressed with Crybb2 at actin-enriched cell ruffles. Over-expression of Tmsb4X in cultured hippocampal neurons inhibited dendritogenesis, which phenocopied Crybb2 knockdown. The current study uncovers a new function of Crybb2 in brain development, especially in dendritogenesis, and the possible interplay partner Tmsb4X involved in this process. (C) 2018 Elsevier Inc. All rights reserved.

In der vorliegenden Arbeit wurden folgende Fragestellungen untersucht: (1) Kann durch Applikation von Glutamat am apikalen Dendriten von Pyramidenneuronen ein LTP ("long-term potentiation")- und/oder LTD ("long-term depression")-ähnlicher Effekt induziert werden? (2) Wie groß ist gegebenenfalls die räumliche Spezifität dieses Effektes? (3) Ist synaptisch induzierte LTD mit einer Reduktion der postsynaptischen Glutamatsensitivität assoziiert? (4) Wie sind GABAA- und GABAB-Rezeptoren relativ zueinander auf der Membran des apikalen Dendriten verteilt? Die Experimente wurden an Lamina V Pyramidenneuronen in Hirnschnitten des somatosensorischen Neocortex der Ratte durchgeführt. Für die gezielte Stimulation mit Neurotransmittern wurden die Neurone mit der Infrarotvideomikroskopie visualisiert und ihre elektrische Aktivität mit "Patch"-Pipetten abgeleitet. Die Applikation des Neurotransmitters (Glutamat, GABA) erfolgte durch die photolytische Freisetzung desselben aus einer durch Veresterung inaktivierten ("caged") Verbindung (Infrarot-gelenkte Photostimulation). Im ersten Teil der Dissertation konnte gezeigt werden, daß durch Applikation von Glutamat am apikalen Dendriten eine Reduktion der Glutamatantwort-Amplitude (Photostimulations-LTD) ausgelöst werden kann. Diese Form von Langzeitplastizität wird rein postsynaptisch exprimiert, ist mit einer Abnahme der dendritischen Glutamatsensitivität assoziiert und besitzt die selben Eigenschaften sowie Induktions- und Expressionsmechanismen wie synaptische LTD. Dies deutet stark darauf hin, daß auch die Expression synaptischer LTD im Neocortex rein postsynaptisch erfolgt. Die hohe räumliche Auflösung der Infrarot-gelenkten Photostimulation ermöglichte es weiterhin die räumliche Spezifität der Photostimulations-LTD zu untersuchen. Sie betrug mindestens 10 µm. Dies weist darauf hin, daß eine Feinabstimmung der Transmissionsstärke in Abhängigkeit von der synaptischen Aktivität auf der Ebene einzelner Synapsen stattfindet. Da LTP und LTD die prominentesten zellulären Modellvorstellungen von Lernvorgängen sind, würde sich ein derart hochspezifischer Mechanismus für eine "high-density" Speicherung von Information gut eignen. Im zweiten Teil der Dissertation wurde die differentielle Verteilung von funktionellen GABAA- und GABAB-Rezeptoren entlang des apikalen Dendriten untersucht. Hierzu wurden die Neurone am Soma abgeleitet und GABA (Gamma-Aminobuttersäure) schrittweise in Richtung des distalen Dendriten appliziert. Bei dieser Kartierung der GABA-Sensitivität zeigten sowohl die Amplituden der GABAA- als auch die der GABAB-Antworten einen statistisch identischen, linearen Abfall in Richtung des distalen Dendriten. Dieser Befund deutet unter Berücksichtigung der Kabel-Theorie darauf hin, daß das relative Verhältnis der GABAA- zu den GABAB-Rezeptoren am Dendriten größer als am Soma ist. Die Kabel-Theorie besagt, daß die schnellen GABAA-Antworten elektrotonisch stärker in der Amplitude abgeschwächt werden, als die langsamen GABAB-Antworten. Diese unterschiedlich starke elektrotonische Beeinflussung der GABAA- und GABAB-Antworten konnte durch numerische Simulationen quantifiziert werden. Weiterhin wurde eine Art inverses Experiment durchgeführt. Hierzu wurden die Neurone am apikalen Dendriten abgeleitet und GABA schrittweise in Richtung des Somas appliziert. Die Ergebnisse dieser Kartierung wurden mit theoretischen Voraussagen verglichen, die auf den Ergebnissen der somatischen Ableitungen und den numerischen Simulationen der elektrotonischen Amplitudenabschwächung basierten. Es zeigte sich eine hohe Übereinstimmung. Dies bestätigt, daß die numerischen Simulationen korrekt durchgeführt wurden und daß das relative Verhältnis der GABAA- zu den GABAB-Rezeptoren am Dendriten größer als am Soma ist. Der bei den somatischen Ableitungen beobachtete statistisch identische Abfall der Amplituden der GABAA- und GABAB-Antworten zeigt, daß das Soma von jedem dendritischen Stimulationsort die GABAA- und GABAB-Antworten im selben Amplitudenverhältnis empfängt. Das in Richtung des distalen Dendriten kontinuierlich zunehmende relative Verhältnis der GABAA- zu den GABAB-Rezeptoren scheint demnach Unterschiede in der elektrotonischen Amplitudenabschwächung zwischen GABAA- und GABAB-Antworten zu kompensieren. Dies weist stark darauf hin, daß die differentielle Verteilung von ligandengesteuerten Ionenkanälen ein grundlegender Mechanismus bei Neuronen ist, um den passiven Kabeleigenschaften entgegenzuwirken. In this thesis the information transfer with glutamate and GABA was investigated on neo-cortical pyramidal neurons using controlled photostimulation .

In der vorliegenden Arbeit werden zwei Aufbauten zurmagnetooptischen Untersuchung von Supraleitern beschrieben.Einer der beiden Aufbauten ist darauf optimiert die Flussdynamikvon Supraleitern auf Nanosekundenzeitskala zu untersuchen. Dieswird durch eine Pump-Probe-Technik realisiert. Mit dem anderen,neu entwickelten Aufbau, ist sowohl der magnetische Kontrast alsauch die laterale Auflösung verbessert worden.Dieser Fortschritt ermöglichte die Stabilitätsuntersuchung desSupraleiters Yttrium Nickel Bor Carbid (YNi2B2C). Ein Supraleiter, der wegen seinermagnetischen Anomalien einiges Forschungsinteresse hervorruft. DerVergleich mit den Materialien BSCCO und YBCO liefert für diese dreiMaterialien drei qualitativ unterschiedliche Verhalten. YNi2B2Czeigt die dendritische Instabilität, sobald ein externes Feld einen bestimmten Wertübersteigt. Dabei spielt die Probentemperatur keine Rolle.Bei dieser Art der Instabilität wird durchFlussbewegung ein elektrisches Feld induziert, das zuWärmeentwicklung führt, was wiederum die magnetische Relaxationfördert. Damit wird eine positive Rückkopplung etabliert und eskommt zu einem lawinenartigen Flusseindringen. Diese Instabilitätwird in Form von fingerartigen Flussstrukturen (Dendriten)beobachtet.Im Fall von YBCO, einem Supraleiter mit einer sehr hohen SprungtemperaturTc von ca. 93 K kann ein ähnliches Verhaltengefunden werden. Es unterscheidet sich allerdings insofern, alsdass für T > 0.37 * Tc keine Dendriten gefunden werden. BSCCO fällt ausdieser Reihe heraus, da der hier verwendete Einkristall überhauptkeine Instabilität zeigt.Eine weitere Messung, die durch die Verbesserung des Aufbausbegünstigt wurde, ist die Bestimmung der kritischen Stromdichte Jcanhand magnetooptischer Aufnahmen. Dabei werden Magnetfeldprofileanalysiert, die von einer Kante eines dünnen BSCCO Films stammen.Diese Messung kann mit den Ergebnissen einer Transportstrommessungverglichen werden, die an der selben Probe angefertigt wurde.Weiter werden theoretische überlegungen zum zeitlichenTemperaturverlauf eines Supraleiters nach Pulslaserbestrahlungangestellt, die mittels Messung an einer speziell dafürpräparierten YBCO Probe experimentell bestätigt werden können.Bringt man einen Supraleiter in ein Magnetfeld, wird dermagnetische Fluss zunächst verdrängt. Erwärmt man die Probe lokal,so wird der Supraleiter in Richtung des Gleichgewichtszustandesrelaxieren. Der Gleichgewichtszustand ist durch eine homogeneFlussverteilung gekennzeichnet. Die Dynamik die dabei auftrittwird an BSCCO-Einkristallen untersucht. Dabei wird festgestellt,dass sich die Dynamik bei der vorliegenden Probe aufMikrosekunden-Zeitskala abspielt. Dies ist viel langsamer als beiallen bisher untersuchten Filmen, deren magnetischeRelaxationszeiten bei einigen Nanosekunden liegen. Durch Beschussmit Pulsen geringer Intensität kann eine schrittweise Relaxationherbeigeführt werden. Die Profile die sich bei diesemRelaxationsprozess ergeben, sind denen sehr ähnlich, die durchzeitaufgelöste Messungen mit einer Blitzlampe als Beleuchtungzustande kommen. Dies demonstriert deutlich, dass es sich hiernicht um eine Instabilität handelt, sondern um einenRelaxationsprozess.Im Gegensatz dazu werden bei YNi2B2C Instabilitäten beobachtet.Dabei wird festgestellt, dass YNi2B2C verglichen mit anderenMaterialien sehr schnell relaxiert und auch keine deutlichvoneinander abgegrenzten Geschwindigkeitsbereiche ausbildet, wiesie in YBCO gefunden wurden.Weiter wird eine neue Theorie vorgestellt, aus der sich eineanalytische Formel für die Mindestgeschwindigkeit eines Dendritenergibt und die wichtige Verbesserungen gegenüber älteren Theorienliefert. Und es kann eine quantitative übereinstimmungvon Experiment und Theorie hergestellt werden.