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high-frequency (> 400 Hz)
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oscillation
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Titelseiten Inhaltsverzeichnis 1\. Einleitung 2\. Material und Methoden 3\. Ergebnisse: MUA-Antworten im AL 4\. Ergebnisse: Oszillationen des LFP im AL 5\. Ergebnisse: Differentielle Konditionierung und MUA im AL 6\. Ergebnisse: Differentielle Konditionierung und LFP im AL 7\. Ergebnisse: Korrelationen zwischen LFP-Oszillationen und MUA-Spikes im AL 8\. Ergebnisse: MUA-Antworten im α-L 9\. Ergebnisse: Oszillationen des LFP im α-L 10\. Ergebnisse: Differentielle Konditionierung und MUA im α-L 11\. Ergebnisse: Differentielle Konditionierung und LFP im α-L 12\. Ergebnisse: Korrelationen zwischen LFP-Oszillationen und MUA-Spikes im α-L 13\. Diskussion 14\. Zusammenfassung 15\. Summary Reference list,Ziel der vorliegenden Arbeit war es, in vivo lernspezifische Veränderungen neuronaler Aktivität im Gehirn der Honigbiene zu messen. Zu diesem Zweck wurden Multielektroden verwendet. Der Vorteil von Multielektroden ist dabei, gleichzeitig die elektrische Aktivität mehrerer Neurone in einem Ensemble messen und so eine hohe zeitliche Auflösung mit räumlicher Auflösung zu verbinden zu können. Die Messungen neuronaler Aktivität wurden separat in zwei Neuropilen des olfaktorischen Systems des Gehirns der Honigbiene vorgenommen: im Antennallobus (AL) als primärem olfaktorischen Neuropil und im α-Lobus (α􀁄-L), einem Ausgangsbereich des Pilzkörpers (MB). Gleichzeitig wurden die Tiere differentiell auf 2 Düfte konditioniert (CS+ und CS- ), während ein dritter Duft als Kontrolle (Ctrl) diente. Die neuronale Aktivität wurde sowohl in einem 10-100 Hz-Bereich als lokales Feldpotential (LFP) als auch in einem 300-6000 Hz-Bereich als Spikeaktivität gemessen. Spikesignale wurden als Multi Unit Activity (MUA) analysiert. Eine Registrierung der elektrischen Aktivität des Muskels M17 diente als Monitor für die erfolgreiche Konditionierung auf den belohnten Duft. Es konnte gezeigt werden, dass Multielektroden in der Lage sind, Änderungen im neuronalen Netzwerk zu erfassen, und dass ein Lernexperiment mit dieser Technik möglich ist. Im AL wurden bei den MUAs alle Duftantwortcharakteristika gefunden, die auch aus Intrazellulärableitungen bekannt sind. Die Ensemblerepräsentationen im selben Tier waren duftspezifisch. Die Frequenzzusammensetzung des LFP erwies sich als lokal und nicht duftspezifisch. Auffällig war der hohe Anteil des 45-55 Hz Bandes an den dominanten Frequenzen in den duftinduzierten LFP-Oszillationen sowie ein signifikantes locking der Spikes von 30% aller MUAs darauf. Die Untersuchung der Antwortstärkeänderungen über alle MUAs und Tiere hinweg ergab, dass die Mehrzahl der MUAs für CS+ und CS- ihre Antwortstärke auf den Duft nach der Konditionierung verringert haben. Wird nach einer Änderung ohne Berücksichtigung des Vorzeichens gefragt, dann zeigten signifikant mehr MUAs für den CS+ eine Änderung als für den CS- und Ctrl. Im LFP zeigte sich für den CS+ eine signifikante Verschiebung vom 41-100 Hz auf das 15-40 Hz-Band im Powerspektrum nach der Konditionierung. Zusammengenommen, deuten diese Effekte auf eine generelle Änderung der neuronalen Ensembleaktivität infolge der Konditionierung im AL hin. Im α􀁄-L glich die Antwortcharakteristik der MUAs der von bereits in früheren Arbeiten intrazellulär abgeleiteten MB- Ausgangsneuronen. MUA-Antworten in Einzeltieren zeigten weniger Duftspezifizität als im AL; außerdem war die Frequenzzusammensetzung der duftinduzierten Powerspektren weniger komplex. Nach der Konditionierung zeigte die Mehrheit der MUAs stimulusunspezifisch stärkere Duftantworten. Der einzige signifikante Unterschied zwischen belohntem und unbelohntem Duft ist eine stärkere Zunahme der Spikezahlen in den 2. 500 ms der Duftgabe. Es ist daher möglich, dass viele der abgeleiteten Ausgangsneurone andere bzw. zusätzliche Informationen als Duftidentitäten oder die Assoziation Duft/Belohnung übermittelt haben.,The aim of this study was to measure learning-specific changes of the neuronal activity in the honeybee´s brain in vivo. Therefore, multichannel recordings were used. The advantage of multichannel recordings is the possibility to measure simultaneously the electrical activity of several neurons of an assembly and to combine high temporal resolution with spatial resolution. Measurements of neuronal activity were taken separately from two neuropiles of the olfactory system of the honeybee´s brain: The antennal lobe (AL) as the first olfactory neuropile, and the α-Lobe (α-L) which is an output region of the mushroom body (MB). Simultaneously, the animals were conditioned differentially to two odours (CS+ and CS-). A third odour served as a control (Ctrl). Neuronal activity was measured both in a 10-100 Hz frequency range for the recording of the local field potential (LFP) and in a 300-600 Hz frequency range for the recording of neuronal spike activity. Spike signals were analysed as multi unit activity (MUA). Registration of the electrical acticity of the muscle M17 served as a monitor for the successful conditioning to the rewarded odour. It could be demonstrated that multichannel recordings are able to register changes in the neuronal network and that it was possible to perform a learning experiment with this technique. In the AL, in MUAs all response characteristics to odours were found that are already known from intracellular recordings. Assembly representations within the same animal were odour specific. The frequency spectrum of the LFP was both local and non-odour specific. A strong contingent of the 45-55 Hz frequency band to the dominant frequency bands of the odour induced LFP oscillations and the significant correlation of 30% of all MUAs to that band was found. The investigation of the changes of the olfactory responses of AL MUAs over all animals due to conditioning revealed that the majority of MUAs decreased their response srength. Asking for a change in response strength without looking for the sign of the strength one can find that significant more MUAs changed for the CS+ than for the CS- or Ctrl. In the LFP a significant shift of the 41-100 Hz frequency band towards the 15-40 Hz band was observed after conditioning for the CS+. Taken together, these effects point to a general change of the neural assembly activity within the AL. In the α-L, in MUAs all response characteristics to odours could be found that are already known from intracellular recordings of MB output neurons. MUA responses showed less odour specificity than in the AL and the composition of the frequency spectrum of odour induced LFP oscillations was less complex. After conditioning, the majority of MUAs showed stronger olfactory responses, but non-stimulus specific. The only significant difference between MUA responses to CS+ and CS- was a stronger increase for the CS+ relative to the CS- after conditioning within the second 500 ms after stimulus onset. Therefore it is possible that many of the recorded α-L MUA responses conveyed other or additional information than the identy of odours or the association between odour and reward.,
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TITLE CONTENTS CHAPTER 1. INTRODUCTION 1 CHAPTER 2. ELECTROCHEMICAL METHODS AND MATERIALS 17 CHAPTER 3. CO OXIDATION ON A Ru (0001) ELECTRODE 39 CHAPTER 4. ELECTROCATALYTIC OXIDATION OF HCOOH ON A Pt RING ELECTRODE 61 CHAPTER 5. SPATIOTEMPORAL EDGE EFFECTS ON A Pt RIBBON 121 CHAPTER 6. ELECTROCHEMICAL OSCILLATIONS IN METHANOL OXIDATION 143 CHAPTER 7. SUMMARY AND OUTLOOK 160 CHAPTER 8. DEUTSCHE ZUSAMMENFASSUNG 167 REFERENCES 171 Curriculum Vitae i List of Publications iii Acknowledgements v,This work addresses recent research on phenomena of spatiotemporal self- organisation in electrochemical systems. It is written from the viewpoint of electrocatalysis exemplified by the electrocatalytic oxidation of formic acid (HCOOH) and methanol (CH3OH). First, the electro-oxidation of carbon monoxide was studied, since CO oxidation is an important elementary step in the HCOOH and CH3OH oxidation. A rough Ru (0001) surface has higher catalytic activity for CO oxidation compared with the flat Ru (0001) electrode due to active defects of the surface. In formic acid oxidation on a Pt ring electrode, reversible transitions between standing waves and travelling pulses were observed when the potential or the concentration of formic acid near the ring electrode were used as control parameters. We also found the anti-phase resp. in-phase edge oscillations on a thin Pt ribbon electrode, when the reference electrode was close to (resp. far away from) the ribbon working electrode. The edge of the ribbon tended to be in a more passive state (high potential) compared with the centre. A surprising experimental observation is phase resetting and controlled pulse reversal induced by external perturbation via a trigger electrode at one location of the ring. Usual phase resetting was obtained for small amplitude perturbations, while stronger perturbations resulted in reversal of the direction of the travelling pulse (i.e., from clockwise to anti-clockwise and vice versa). All spatiotemporal experimental observations are in very good agreement with theoretical simulations carried out with a reaction-migration model and can be rationalized in terms of short-range positive and long-range negative migration coupling. The experimental proof of a hidden negative differential resistance oscillator in methanol oxidation suggested that a higher thermodynamic efficiency of a direct methanol fuel cell could be possible by applying autonomous and/or externally driven potential oscillations with appropriate frequency.,Diese Arbeit behandelt das Phänomenen der raumzeitlichen Selbst-Organisation in elektrochemischen Systemen, anhand der elektrokatalytischen Oxidation von Ameisensäure (HCOOH) und Methanol (CH3OH). Zunächst wurde die Elektro-Oxidation von Kohlenmonoxid untersucht, da die CO- Oxidation einen wichtigen Elementarschritt in der Ameisensäure- wie Methanol- Oxidation darstellt. Eine raue Ru (0001)-Oberfläche wies in bezug auf CO- Oxidation höhere katalytische Aktivität auf als eine glatte, als Folge aktiver Oberflächendefekte. In der Ameisensäure-Oxidation auf einer Pt-Ring-Elektrode wurden reversible Übergänge zwischen stehenden Wellen und Pulsen beobachtet, wenn das Potential oder die HCOOH-Konzentration als Kontrollparameter dienten. Auf einer dünnen streifenförmigen Pt-Elektrode wurden Antiphasen- bzw. In-Phasen-Oszillationen bei naher bzw. weit entfernter Referenzelektrode gefunden. Eine überaschende experimentelle Beobachtung war Phasenneueinstellung bzw. kontrollierte Richtungs- umkehr rotierender Pulse auf einer Ringelektrode, hervorgerufen durch eine externe Störung über eine Triggerelektrode an einer Stelle des Rings. Bei kleiner Störamplitude ergab sich das übliche "Phase resetting", während größere zur Pulsumkehr führten. Alle raumzeitlichen experimentellen Beobachtungen stimmen sehr gut mit theoretischen Simulationen mithilfe eines Reaktions-Migrations-Modells überein und können aufgrund der Kombination kurzreichweitiger positiver mit langreichweitiger negativer Migrationkopplung verstanden werden. Der experimentelle Nachweis von Oszillationen in der Methanol-Oxidation, die auf einem versteckten negativen differentiellen Widerstand basieren, deutete auf die Möglichkeit hin, in Methanol-betriebenen Brennstoffzellen die thermodynamische Effizienz durch Anwendung autonomer und/oder extern getriebener Oszillationen geeigneter Frequenz zu erhöhen.,
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The experimental discovery of dilute ultracold quantum gases in 1995 has instigated a broad interest in ultracold atoms and molecules, and paved the way for extensive studies of a wide range of both experimental and theoretical topics. Various theories were developed to describe Bose-Einstein condensates (BECs) for different ranges of temperature and interaction strengths. This thesis focuses on studying the mean-field theory of the Gross-Pitaevskii (GP) equation which provides a good description for the macroscopic wave function when both quantum and thermal fluctuations are negligible. This means that the range of validity is restricted to small interaction strengths at zero temperature. Within the GP theory we study analytically and numerically the nonlinear dynamics of BECs which are induced by a harmonic modulation of either the interaction strength or the harmonic trapping potential. At first a detailed numerical investigation reveals that solving the partial differential equation of Gross and Pitaevskii can be reduced to solving ordinary differential equations for the condensate widths within a Gaussian variational approach. Despite this tremendous simplification the prominent nonlinearity of the underlying GP equation is inherited by the variational equations, which thus allow to describe a rich variety of nonlinear phenomena in different experimental setups. In order to describe them analytically we transfer the Poincar\'e-Lindstedt method, which represents a well-established tool in the field of nonlinear dynamics, to the Gaussian variational approach. Modulation of some of the parameters of a BEC can give rise to prominent nonlinear features, such as shifts in the frequencies of collective oscillation modes, higher harmonics generation, and resonant mode coupling. As a first application we consider a recent Bose-Einstein condensate of Li-7, which has been excited experimentally by a harmonic modulation of the atomic s-wave scattering length with the help of a Feshbach resonance. Combining an analytical perturbative approach with extensive numerical simulations, we analyze the emerging nonlinear dynamics. In particular, we present the resulting shift of collective excitation spectra close to parametric resonances where the driving frequency coincides with a collective mode frequency. Another application of experimental importance is to study geometric resonances in BECs with two-body and three-body contact interactions, where changing the geometry of the trapping potential leads to commensurate collective excitation frequencies with emerging nonlinear effects such as frequency shifts and resonant mode coupling. In this context we also show that a small repulsive three-body interaction is able to extend the stability region of the condensate for an attractive two-body interaction as it increases the critical number of atoms in the trap. Apart from a periodic modulation of a system parameter the dipole mode frequency can be excited by introducing an abrupt change in the potential, where the center of mass oscillates according to the Kohn theorem back and forth in the trapping potential with the natural trap frequency irrespective of both the strength and the type of the two-particle interaction. To this end, we study the collective excitation modes of a Bose-Einstein condensate in a harmonic Ioffe- Pritchard in the vicinity of a Feshbach resonance for experimentally realistic parameters of a Rb-85 BEC, where the dipole mode is excited in z-direction. A linearization of the underlying equations of motions shows that the dipole mode frequency decreases when the bias magnetic field approaches the Feshbach resonance, so the Kohn theorem is violated. Finally within a variational approach we discuss the physical properties of a BEC in an axially-symmetric harmonic trap with a single vortex in the center. At first we analyze the equilibrium configuration and determine the vortex size as well as the Thomas- Fermi radii of the condensate in the Thomas-Fermi limit. Then we calculate the critical rotation frequency for the emergence of the vortex and compare our findings with the literature. Finally, we investigate how the presence of the vortex changes the collective excitation frequencies and we discuss the free expansion of the BEC. All these results indicate how nonlinear dynamics properties could be made clearly observable in future experiments on the basis of our results.,Die experimentelle Entdeckung verdünnter ultrakalter Quantengase im Jahre 1995 hat ein breites Interesse an ultrakalten Atomen und Molekülen hervorgerufen und den Weg zu intensiven weitreichenden Untersuchungen sowohl experimenteller als auch theoretischer Themen bereitet. Verschiedene Theorien wurden entwickelt, um Bose-Einstein-Kondensate (BECs) in verschiedenen Temperaturbereichen und mit unterschiedlichen Wechselwirkungsstärken zu beschreiben. Die vorliegende Doktorarbeit konzentriert sich auf die Gross- Pitaevskii (GP) Molekularfeldtheorie, die eine gute Beschreibung der makroskopischen Wellenfunktion darstellt, wenn sowohl quantenmechanische als auch thermische Fluktuationen vernachlässigbar sind. Das bedeutet, dass der Gültigkeitsbereich auf kleine Wechselwirkungsstärken am absoluten Temperaturnullpunkt beschränkt ist. Innerhalb der GP-Theorie studieren wir analytisch und numerisch die nichtlineare Dynamik von BECs, die durch eine harmonische Modulation von entweder der Wechselwirkungsstärke oder des harmonischen Fallenpotentials hervorgerufen wird. Zunächst zeigt eine detaillierte numerische Untersuchung, dass das Lösen der partiellen Differentialgleichung von Gross und Pitaevskii auf das Lösen von gewöhnlichen Differentialgleichungen für die Kondensatbreiten innerhalb eines Gaußschen Variationsansatzes zurückgeführt werden kann. Trotz der erheblichen Vereinfachung wird die Nichtlinearität der zugrundeliegenden GP-Gleichung auf die Variationsgleichungen übertragen, so dass eine Beschreibung der reichhaltigen nichtlinearen Phänomene in verschiedenen experimentellen Aufbauten möglich ist. Um diese analytisch zu beschreiben, übertragen wir die Poincar\'e-Lindstedt-Methode, die ein etabliertes Werkzeug im Gebiet der nichtlinearen Dynamik darstellt, auf den Gaußschen Variationszugang. Die Modulation eines Parameters im BEC kann zu bedeutenden nichtlinearen Eigenschaften führen, wie z.B. Verschiebungen in den Frequenzen kollektiver Moden, Erzeugung höherer Harmonischer und resonate Modenkopplung. Als eine erste Anwendung betrachten wir ein neues Experiment mit einem Li-7 Bose- Einstein-Kondensat, das durch eine harmonische Modulation der s-Wellenstreulänge mit Hilfe einer Feshbach Resonanz angeregt wurde. Durch Kombination eines analytischen störungstheoretischen Zuganges mit aufwändigen numerische Simulationen analysieren wir die sich ausbildende nichtlineare Dynamik. Insbesondere untersuchen wir die resultierende Verschiebung der kollektiven Anregunsspektren in der Nähe einer parametrischen Resonanz, wo die antreibende Frequenz mit einer kollektiven Modenfrequenz zusammenfällt. Eine andere Anwendung von experimenteller Bedeutung besteht darin, geometrische Resonanzen in BECs mit Zwei- und Drei-Teilchen-Wechselwirkungen zu studieren, wo eine Veränderung der Geometrie des Fallenpotentials zu kommensurablen kollektiven Anregungsfrequenzen mit emergenten nichtlinearen Efekten wie Frequenzverschiedungen und resonanter Modenkopplung führt. In diesem Zusammenhang zeigen wir auch, dass eine kleine repulsive Drei-Teilchchen- Wechselwirkung die Stabilitätsregion eines Kondensates mit einer attraktiven Zwei-Teilchen-Wechselwirkung vergrößern kann, da dies die kritische Atomzahl in der Falle erhöht. Abgesehen von einer periodischen Modulation eines Systemparameters kann die Dipolmodenfrequenz auch dadurch angeregt werden, dass man eine plötzliche Änderung des Potential bewirkt, so dass der Schwerpunkt gemäß des Kohn-Theorems im Fallenpotential unabhängig von der Stärke und von dem Typ der Zwei-Teilchen-Wechselwirkung mit der natürlichen Fallenfrequenz hin- und heroszilliert. Hierzu studieren wir die kollektiven Anregungsmoden eines Bose-Einstein-Kondensates in einer harmonischen Ioffe- Pritchard-Falle in der Umgebung einer Feshbach-Resonanz für experimentell realistische Parameter eines Rb-85 BECs, wo die Dipolmode in z-Richtung angeregt ist. Eine Linearisierung der zugrunde liegenden Bewegungsgleichungen zeigt, dass die Dipolmodenfrequenz kleiner wird, wenn das Magnetfeld die Feshbach-Resonanz erreicht, so dass das Kohn-Theorem verletzt wird. Schließlich diskutieren wir innerhalb eines Variationszuganges die physikalischen Eigenschaften eines BECs in einer axialsymmetrischen harmonischen Falle mit einem einzelnen Vortex im Zentrum. Zunächst untersuchen wir die Gleichgewichtskonfiguration und bestimmen sowohl die Vortex-Größe als auch die Thomas-Fermi-Radien des Kondensates im Thomas-Fermi-Limes. Dann berechnen wir die kritische Rotationsfrequenz für die Emergenz eines Vortex und vergleichen unsere Ergebnisse mit der Literatur. Schließlich untersuchen wir, wie die Anwesenheit eines Vortex die kollektiven Anregungsfrequenzen verändert und wir diskutieren die freie Expansion eines BECs. All diese Resultate zeigen, wie nichtlineare dynamische Eigenschaften auf der Grundlage unserer Resultate in künftigen Experimenten beobachtet werden können.,
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beta oscillations
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oscillations
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In our daily lives we are faced with thousands of decisions: from complex ‘should I cross while it’s on a red light?’, to abstract ‘do I spell color with o or ou?’, to sensory dominated questions like ‘did my phone just vibrate?’. To navigate all of these different types of decisions, the brain has to incorporate a plethora of information from sensory and memory systems, requiring many neuronal populations from distinct cortical areas to work together. Neuroscientists posit that cortical oscillations play an important part in this process. I investigated the role of such cortical rhythms for the short retention of information in working memory and decision making with three experimental studies. In all experiments, participants were asked to compare two sequentially presented stimuli. To solve this task, the first stimulus has to be kept in memory for a short while and is then compared to the second. While participants held the first stimulus in memory, magnetoand electroencephalographic recordings revealed a parametric modulation of parietal and prefrontal beta oscillations with the to-be-remembered stimulus feature. At the same time, we observed a previously unknown prefrontal gamma power decrease that was negatively correlated with the beta band effects. Therefore we suspect that there is a fronto-parietal network that communicates in these two frequency bands during working memory. In addition, we found decision-related activity in premotor beta power that encoded participants’ choices 0.7 seconds before they enacted their responses. Moreover, we also found a well-known parietal signal, which tracked the evolution of the decision over time. Interestingly, this signal was modulated by the difficulty of the decisions, indicating that present theories about perceptual decision making need to be extended.,Der Mensch trifft täglich tausende Entscheidungen, von komplexen (”Gehe ich über die rote Ampel?“), über abstrakte (”Buchstabiere ich Foto mit F oder Ph?“), zu sensorisch geprägten (”Hat mein Telefon gerade vibriert?“). Das Gehirn muss dabei flexibel auf eine Vielzahl von sensorischen Reizen und Entscheidungstypen reagieren. Um dies zu ermöglichen, arbeiten viele Neurone in ganz unterschiedlichen kortikalen Arealen zusammen. Neurowissenschaftlervermuten, dass kortikale Oszillationen dabei eine zentrale Rolle spielen.Sie reflektieren das Zusammenwirken vieler Neurone und werden zur Kommunikationneuronaler Populationen genutzt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Rolle einzelnerRhythmen für das kurzfristige Speichern von Informationen im Arbeitsgedächtnis, sowie das Treffen von Entscheidungen untersucht. Dieser Dissertation liegen drei Studien zugrunde, im Rahmen derer Versuchspersonen zwei nacheinander dargebotene Stimuli vergleichen sollten. Um diese Aufgabe zu bewältigen, muss der erste Stimulus kurz im Ged¨achtnis behalten werden. Dann kommt es zur eigentlichenEntscheidung, dem Abgleich der beiden Stimuli. Bei diesem Versuch konnten wir mit Hilfe von Magneto- und Elektroenzephalographie Oszillationen messen, die sich mit den Stimuluseigenschaften veränderten. Arbeitsgedächtnisprozesse waren dabei mit Beta-Oszillationen assoziiert. Insbesondere zeigten sich parietale und präfrontale Beta-Oszillationen, die mit Gamma-Oszillationen im präfrontalen Kortex zusammenspielten. Daher vermuten wir, dass ein fronto-parietales Netzwerk für das Behalten von Stimulus-Information von Bedeutung ist und diskutieren im Folgenden zugrundeliegende Mechanismen. Außerdem konnten wir während des Treffens von Entscheidungen prämotorischeBeta-Oszillationen messen, die 0,7 Sekunden vor der Antwort der Versuchsteilnehmer die Entscheidung reflektierten. Darüber hinaus zeigten sich auch bekannte parietale Signale, die den Prozess der Entscheidungsfindung abbildeten. Interessanterweise waren diese Signale vom Schwierigkeitsgrad der Aufgabe abhängig. Dies spricht dafür, dass aktuelleTheorien zu neuronalen Grundlagen der Entscheidungsfindung ergänzt werden müssen.,
Data Types:
  • Other
oscillations
Data Types:
  • Other
Aquired epilepsies in the elderly often result from brain lesions associated with bloodbrain barrier (BBB)-disruption like stroke, trauma, tumors or brain infections. Post-stroke epilepsy can thereby be related to cognitive decline and poor neurological outcome. Seizures and spreading depolarization arise as characteristic activity from ischemic lesions but may also contribute to lesion progression and reorganization of the adjacent neural network and are therefore critical electrophysiological correlates of the pathophysiology. As an important structure for memory consolidation but also as a very sensitive area for epileptogenesis, the hippocampus is a crucial structure for investigating mechanisms underlying the pathophysiology of BBB-dysfunctional induced changes in synaptic plasiticity and neural network activity. To elucidate mechanisms underlying the pathophysiology I investigated with a multi-methodological approach different aspects of changes in rat hippocampus following neocortical photothrombosis using magnetic resonance imaging, intracranial pressure and electrophysiological measurements as well as gene expression analysis. Cortical photothrombosis was associated with early peri- ischemic BBB dysfunction that included the underlying, ipsilateral hippocampus and increased intracranial pressure, both preceding the occurrence of vasogenic edema. Intrahippocampal field potential recordings revealed electrographic seizures within the first week in two thirds of animals. Predominantly seizing animals displayed an increase in theta and reduction in gamma frequency bands indicating disturbed inhibitory activity. Synaptic interactions and plasticity were studied in parasagittal hippocampal slices at 24 hrs and 7 days post-stroke. Field potential recordings in CA1 and CA3 uncovered multiple population spikes, epileptiform episodes and spreading depolarizations at 24 hrs declining at day 7. However, input-output analysis revealed that fEPSP-spike coupling was significantly enhanced at 7 days. In addition, CA1 feedback and feedforward inhibition were diminished over the first week. Slices generating epileptiform activity at 7 days revealed impaired bidirectional long-term plasticity following high and low frequency stimulation protocols. Supporting these findings, microarray and PCR data confirmed changes in expression of astrocyte-related genes and suggested downregulation in expression of GABAA-receptor subunits. In conclusion, BBB dysfunction in the peri-infarct hippocampus is within the first week related to hyperexcitability, early disinhibition and abnormal synaptic plasticity. Thus, the data reveal a strong connection between hippocampal neural networks presenting epileptiform activity and disturbed oscillatory activity as well as long-term plasticity. These insights reveal possible new diagnostic monitoring opportunities in finding patients at risk for epileptogenesis and cognitive impairment associated with peri-lesional BBB-dysfunction.,Erworbene Epilepsien in älteren Menschen resultieren häufig aus Hirnläsionen assoziiert mit Bluthirnschranken (BHS)-Störungen wie Schlaganfall, Trauma, Hirntumoren oder -entzündungen. Nach Schlaganfall entstandene Epilepsien können dabei mit kognitivem Abbau und schlechten neurologischen Ergebnissen verbunden sein. Krampfanfälle und Streudepolarisierungen (Spreading depolarizations) entstehen ferner oft als charakteristische Aktivität aus der ischämischen Läsion, können aber auch zur Läsionsausweitung und Reorganisation des anliegenden neuralen Netzwerkes beitragen und sind deshalb wegweisende elektrophysiologische Korrelate der Pathophysiologie. Als eine wichtige Struktur für die Gedächtniskonsolidierung aber auch als sensibles Areal der Epilepsieentstehung, ist der Hippokampus eine entscheidende Struktur um die pathophysiologischen Mechanismen zu untersuchen, die den BHSStörung induzierten Veränderungen der synaptischen Plastizität und der neuralen Netzwerkaktivitäten unterliegen. Zur mechanistischen Aufklärung der zugrundeliegenden Netzwerkpathophysiologie untersuchte ich verschiedene Aspekte der Veränderungen im Hippokampus der Ratte nach einer neokortikalen Photothrombose. Dabei verwendete ich vielseitige Methoden wie die Magnet Resonanz Tomographie, Hindruckmessungen, elektrophysiologische Ableitungen und Genexpressionsanalysen. Die kortikale Photothrombose war mit einer früh auftretenden peri-ischämischen BHS-Störung im darunterliegenden, ipsilateralen Hippocampus und erhöhtem Hirndruck assoziiert, welche der Entwicklung eines vasogenen Ödems vorrausgingen. Intrahippokampale Feldpotentialableitungen präsentierten innerhalb der ersten Woche nach Schlaganfall in zweidrittel der Tiere elektrographische Krampfanfälle. Vor allem krampfende Tiere zeigten sowohl einen Anstieg in Theta- als auch einen Abfall in Gammafrequenzbändern, was auf eine gestörte inhibitorische Aktivität hinweist. Synaptische Interaktionen und Plastizität wurden nach 24 h und 7 Tagen nach Schlaganfall in parasagittalen hippokampalen Hirnschnitten untersucht. Feldpotentialableitungen in CA1 und CA3 deckten multiple ‚population spikes’, epileptiforme Episoden und Streudepolarisierungen nach 24 h auf, welche nach 7 Tagen rückläufig waren. Allerdings zeigten Eingangs-Ausgangs-Analysen, dass die fEPSP-Spike Kopplung nach 7 Tagen signifikant erhöht war. Des Weiteren waren die feedback- und feedforward-Hemmungen in CA1 innerhalb der ersten Woche vermindert. Am 7. Tag präsentierten Hirnschnitte mit epileptiformer Aktivität eine beeinträchtigte bidirektionale Langzeitplastizität nach hoch- und niederfrequenten Stimulationsprotokollen. Unterstützend für diese Erkenntnisse bestätigten Microarray und PCR-Daten Expressionsveränderungen in Astrozyten-bezogenen Genen und deuteten eine verminderte Expression in GABAA- Rezeptor Subtypen an. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass BHS-Störung im peri-Infarkt Hippokampus innerhalb der ersten Woche mit Übererregbarkeit, früher Disinhibition und abnormer synaptischer Plastizität assoziiert ist. Dadurch stellen die Daten eine enge Verbindung zwischen hippokampalen neuralen Netzwerken mit epileptiformer Aktivität und gestörter oszillatorischer Aktivität sowie Langzeitplastizität dar. Diese Erkenntnisse zeigen neue, etwaige diagnostische Überwachungsmöglichkeiten auf, um Patienten zu entdecken, die potentiell in Gefahr sind eine Epilepsie sowie kognitive Einschränkungen im Rahmen einer peri-läsionalen BHS-Störung zu entwickeln.,
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