TY - THES A1 - Haddad, Daniel T1 - Hochfeld 1H-NMR-Mikroskopie zur biophysikalischen Grundlagenforschung T1 - High Field 1H-NMR-Microscopy for Basic Biophysical Research N2 - Dank der mit modernen NMR-Spektrometern (Kernspintomographen) routinemäßig realisierbaren isotropen räumlichen Auflösungen von wenigen Mikrometern, ergeben sich für die 1H NMR-Mikroskopie zahlreiche neue Anwendungsgebiete. Allerdings sind die Möglichkeiten und Grenzen der NMR-Mikroskopie bezüglich ihrer praktischen Anwendbarkeit bisher nur wenig untersucht worden. Die vorliegende Arbeit ist im Bereich der biophysikalischen Grundlagenforschung angesiedelt und soll die praktische Anwendbarkeit der NMR-Mikroskopie auf neuen medizinischen und biologischen Anwendungsgebieten anhand von ausgewählten Beispielen aus diesen Bereichen demonstrieren. Die einzelnen Projekte besitzen deswegen immer auch den Charakter von Machbarkeitsstudien, die aufzeigen sollen, welche Möglichkeiten und Vorteile die NMR-Mikroskopie im Vergleich zu etablierten Untersuchungsmethoden bietet. Im Detail wurden unterschiedliche lebende und fixierte biologische Proben mittels NMR-Mikroskopie zerstörungsfrei und räumlich hochaufgelöst dargestellt. Dabei variierte die spezielle Zielsetzung von der Visualisierung der Invasion eines Tumorsphäroiden in ein Zellaggregat anhand von T2-Parameterkarten (Zeitkonstante der Spin-Spin-Relaxation) über die dreidimensionale Darstellung des Gehirns der Honigbiene in der intakten Kopfkapsel bis hin zur nicht-invassiven Abbildung der Anatomie prenataler Delphine. Für alle durchgeführten Projekte war der nicht-invasive Charakter der NMR-Experimente von entscheidender Bedeutung. Die zu beobachtende Tumorinvasion durfte nicht durch die Messung beeinflusst werden, das Bienengehirn sollte möglichst naturgetreu abgebildet werden, und die untersuchten Delphine sind seltene Museumsstücke, die nicht zerstört werden durften. Die verschiedenen Proben wurden mit der jeweils bestmöglichen räumlichen Auflösung visualisiert, die sich entweder durch das minimal nötige Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) oder durch die zur Verfügung stehende Messzeit ergab. Um einzelne feine Strukturen in den Bildern auflösen zu können, mussten sowohl das SNR, als auch das Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis optimiert werden. Die Messungen wurden an Hochfeld-NMR-Spektrometern bei 500 und 750 MHz durchgeführt, um das für die hohe Auflösung notwendige SNR zu gewährleisten. Mit den Experimenten konnten zahlreiche Fragen bezüglich mikroskopischer Details der verschiedenen untersuchten Proben nicht-invasiv beantworten werden. Gleichzeitig führten sie zu neuen interessanten Fragestellungen bezüglich der NMR-Mikroskopie an fixierten Proben. Darüber hinaus konnte die praktische Anwendbarkeit der NMR-Mikroskopie als Alternative bzw. Ergänzung zu herkömmlichen Untersuchungsmethoden wie der konfokalen Lasermikroskopie bei der Visualisierung des Bienengehirns und der konventionellen Histologie bei der Untersuchung der Anatomie der prenatalen Delphine demonstriert werden. Durch die Untersuchung der speziellen Vorteile und der Grenzen der Anwendung der NMR-Mikroskopie gegenüber den herkömmlichen Untersuchungsmethoden konnte konkret der praktische Nutzen ihres Einsatzes aufgezeigt und Ergebnisse erzielt werden, die sonst nicht erzielbar wären. Gerade der Einsatz der NMR-Mikroskopie in Form der NMR-Histologie stellt einen vielversprechenden Weg zur Etablierung der NMR-Mikroskopie als Routineuntersuchungsmethode dar. Als ebenso erfolgreich hat sich die Anwendung der NMR-Mikroskopie als Untersuchungsmethode bei der Beobachtung der Tumorinvasion erwiesen, so dass sie auch in der medizinischen in-vitro Forschung und Therapiesimulation als sinnvolle Alternative zu den vorhandenen Methoden angesehen werden kann. Anhand der ausgewählten Anwendungsbeispiele ist es in dieser Arbeit somit gelungen, neue, konkrete Einsatzmöglichkeiten für die NMR-Mikroskopie zu eröffnen und ihre praktische Anwendbarkeit als Untersuchungsmethode für Fragestellungen im Bereich der medizinischen in-vitro Forschung und verschiedener neuro- und entwicklungsbiologischer Bereiche zu demonstrieren. N2 - With modern MR-spectrometers it is possible to achieve isotropic spatial resolutions in the range of only a few microns. Thus, several new fields of application for 1H-MR-Microscopy are being developed. Still, the practical possibilities and limitations of this technique have only been determined rarely. This work has a biophysical background and uses different examples to demonstrate the practical applicability of NMR-Microscopy in the medical and biological sector. Therefore, the different projects are feasibility studies which are used to compare the possibilities and advantages of NMR-Microscopy with other, established examination techniques. In detail, using MR-Microscopy, different living and fixed biological samples have been visualized non-invasively with high spatial resolution. The specific purpose of the studies ranged from the visualization of the invasion of tumor-spheroids into cell aggregates using T2 parameter maps (time constant of the spin-spin relaxation) to the three-dimensional display of the honey bee brain in the intact head capsule and the non-invasive visualization of the anatomy of prenatal dolphins. For all these projects, the non-invasive character of MR-experiments was of utmost importance. The tumor invasion was not to be disturbed by the measurements, the bee brain should be visualized as close to its true natural shape as possible and the examined dolphins represent rare museum specimens which should not be destroyed. The different samples were all imaged with the best possible spatial resolution which was either limited by the necessary signal-to-noise ratio (SNR) or the available scan time. In order to resolve single details and fine structures in the images, it was necessary to optimize the SNR as well as the contrast-to-noise ratio. To guarantee the necessary SNR, the measurements were performed on high field MR-spectrometers with resonance frequencies of 500 and 750 MHz. Numerous questions about microscopic details of the examined samples could be answered non-invasively with the experiments performed. At the same time, the experiments led to new interesting questions about MR-Microscopy on fixed samples. Furthermore, the practical applicability of MR-Microscopy as an alternative or a supplement to conventional examination methods could be demonstrated. Here, these methods were confocal laser microscopy in the case of the honey bee brain and conventional histology in the case of the prenatal dolphins. By investigating the specific advantages and limitations of MR-Microscopy in these cases, it was possible to demonstrate the practical value of its application and to obtain results which would otherwise have been impossible. Especially the use of MR-Microscopy as MR-Histology is a promising application which will help to establish MR-Microscopy as a routine examination method. Since the tumor invasion process could also be observed very successfully using MR-Microscopy, this technique can as well be considered as a valuable tool for medical in-vitro research and therapy simulation and thus an alternative to existing methods. In summary, with the examples chosen in this work, it was possible to find new applications for MR-Microscopy and to demonstrate the practical applicability of this method in the fields of medical in-vitro research as well as neurological and developmental biology. KW - NMR-Spektroskopie KW - NMR-Bildgebung KW - Hochauflösendes Verfahren KW - NMR KW - Magnetresonanztomographie KW - Kernspintomographie KW - Mikroskopie KW - Bildgebung KW - MRI KW - magnetic resonance KW - imaging KW - microscopy Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-12449 ER - TY - THES A1 - Köhler, Sascha T1 - Entwicklung hochaufgelöster NMR-Methoden zur morphologischen und funktionellen Charakterisierung des Herzmuskels T1 - Development of high resolution NMR techniques for morphological and functional characterization of heart muscle N2 - Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, neue Messverfahren zu entwickeln, die eine umfassende Charakterisierung des Herzmuskels ermöglichen. Sowohl die Morphologie als auch die Funktion und der Gefäßstatus wurden am intakten und am krankhaft veränderten isolierten Herzmuskel der Ratte mit NMR-Mikroskopietechniken untersucht. N2 - The goal of the present work is the development of new NMR techniques, which can be used for a broad characterization of the heart muscle. The morphology as well as the function and the status of coronary arteries was investigated in intact and in chronic infarcted hearts. KW - Herzfunktionsdiagnostik KW - NMR-Bildgebung KW - NMR KW - Bildgebung KW - Mikroskopie KW - Herz KW - Muskelfaser KW - NMR KW - imaging KW - microscopy KW - heart KW - muscle fiber Y1 - 2003 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9060 ER - TY - THES A1 - Purea, Edmund Armin T1 - New Methods and Applications in Nuclear Magnetic Resonance Microscopy using small RF Coils T1 - Neue Methoden und Anwendungen kleiner HF-Spulen in der NMR-Mikroskopie N2 - Nuclear magnetic resonance (NMR) imaging is a well-established imaging technique. If the achieved spatial resolution is below 100 um, it is usually denoted as magnetic resonance microscopy (MRM). The spatial resolution limit is on the order of a few um. As a downside, high resolution imaging is usually time-consuming and technological requirements are very sumptuous. Furthermore, miniaturization of the radiofrequency (RF) coil leading to a so-called microcoil is necessary; it also brings along detrimental effects. Therefore, there is a high potential for optimizing present MRM methods. Hence it is the aim of this work to improve and further develop present methods in MRM with focus on the RF coil and to apply those methods on new biological applications. All experiments were conducted on a Bruker 17.6 T system with a maximum gradient strength of 1 T/m and four RF receiver channels. Minimizing the RF coil dimensions, leads to increased artefacts due to differences in magnetic susceptibility of the coil wire and surrounding air. Susceptibility matching by immersing the coil in FC-43 is the most common approach that fulfills the requirements of most applications. However, hardly any alternatives are known for cases where usage of FC-43 is not feasible due to its specific disadvantages. Two alternative substances (bromotricholoromethane and Fomblin Y25) were presented and their usability was checked by susceptibility determination and demonstration experiments after shimming under practical conditions. In a typical MRM microcoil experiment, the sample volume is significantly smaller than the maximum volume usable for imaging. This mismatch has been optimized in order to increase the experiment efficiency by increasing the number of probe coils and samples used. A four-channel probehead consisting of four individual solenoid coils suited for cellular imaging of Xenopus laevis oocytes was designed, allowing simultaneous acquisition from four samples. All coils were well isolated and allowed quantitative image acquisition with the same spatial resolution as in single coil operation. This method has also been applied in other studies for increased efficiency: using X. laevis oocytes as a single cell model, the effect of chemical fixation on intracellular NMR relaxation times T1 and T2 and on diffusion was studied for the first time. Significant reduction of relaxation times was found in all cell compartments; after reimmersion in buffer, values return close to the initial values, but there were small but statistically significant differences due to residual formaldehyde. Embryos of the same species have been studied morphologically in different developmental stages. Wild type embryos were compared to embryos that had experienced variations in protein levels of chromosomal proteins HMGN and H1A. Significant differences were found between wild type and HMGN-modified embryos, while no difference was observed between wild type and H1-modified embryos. These results were concordant with results obtained from light microscopy and histology. The technique of molecular imaging was also performed on X. laevis embryos. Commercially available antibodies coupled to ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) dextrane coated particles (MACS) served as a specific probe detectable by MRM, the aim being the detection of tissue specific contrast variations. Initially, the relaxivity of MACS was studied and compared to Resovist and VSOP particles. The iron concentration was determined quantitatively by using a general theoretical approach and results were compared to values obtained from mass spectroscopy. After incubation with MACS antibodies, intraembryonal relaxation times were determined in different regions of the embryo. These values allowed determination of local iron oxide particle concentrations, and specific binding could be distinguished from unspecific binding. Although applications in this work were focused on X. laevis oocytes and embryos, 3D-imaging on a beewolf head was also carried out in order to visualize the postpharyngeal gland. Additionally, an isolated beewolf antenna was imaged with a spatial resolution of (8 um)^3 for depiction of the antennal glands by using a microcoil that was specially designed for this sample. The experiments carried out in this work show that commercially available MRM systems can be significantly optimized by using small sample-adapted RF coils and by parallel operation of multiple coils, by which the sample throughput and thus time-efficiency is increased. With this optimized setup, practical use was demonstrated in a number of new biological applications. N2 - Bildgebung mittels magnetischer Kernresonanz (NMR) ist eine etablierte Methode. Liegt die erreichte Ortsauflösung unter 100 um, wird sie allgemein als Magnetresonanz-Mikroskopie (MRM) bezeichnet. Die Untergrenze der Auflösung liegt in der Größenordnung weniger um. Da höchstaufgelöste Bildgebung meist sehr zeitintensiv ist, kostspielige Anforderungen an die zugrunde liegende Technologie setzt und zudem durch die notwendige Verkleinerung der Hochfrequenz (HF)-Spule auf sogenannte microcoils und Erhöhung der Bildauflösung auch nachteilige Effekte zunehmen, besteht viel Optimierungsbedarf bei bestehenden MRM-Methoden. Das Ziel dieser Arbeit war daher die Verbesserung und Weiterentwicklung bestehender Methoden der MRM mit besonderem Augenmerk auf die HF-Spule und ihre Anwendung auf neue biologische Fragestellungen. Alle Experimente wurden an einem Bruker 17.6T System mit einer maximalen Gradientenstärke von 1T/m und vier HF-Empfangskanälen durchgeführt. Die Miniaturisierung der HF-Spule führt zu Bildverzerrungen aufgrund des Unterschieds in magnetischer Suszeptibilität zwischen Luft und Spulendraht. Der übliche Ansatz der Suszeptibilitätsanpassung mit FC-43 ist für die meisten Anwendungen ausreichend, jedoch gibt es kaum bekannte Alternativen für den Fall, dass die Nachteile von FC-43 eine Verwendung verhindern. Es wurden zwei neue Substanzen (Bromtrichlormethan sowie Fomblin Y25) vorgestellt und ihre Verwendbarkeit mittels Suszeptibilitätsmessung und experimentellen Shim-Ergebnissen im praktischen Einsatz geprüft. Bei üblichen MRM-Experimenten mit ’microcoils’ ist das Probenvolumen deutlich kleiner als das maximal für Bildgebung zur Verfügung stehende Volumen. Dieses Ungleichgewicht wurde ausgenutzt, um die Effizienz von Mikroskopie-Experimenten durch parallelen Einsatz mehrerer ’microcoils’ zu erhöhen. Ein Probenkopf mit vier entkoppelten Solenoidspulen wurde für zelluläre Bildgebung an Xenopus laevis (Krallenfrosch)-Oozyten konstruiert. Ohne Auflösungsverlust konnten damit vier Proben zeitgleich quantitativ untersucht werden. Diese Methode wurde auch in weiteren Studien zur Steigerung der Effizienz eingesetzt: Am Modell einzelner Zellen (X. laevis-Oozyten) wurde die Auswirkung chemischer Fixierung auf NMR-Relaxationszeiten (T1, T2) sowie Diffusion erstmals intrazellulär untersucht. Es konnten erhebliche Verkürzungen der Relaxationszeiten in allen Zellkompartimenten festgestellt werden, die nach Spülung mit Pufferlösung bis auf geringe, statistisch signifikante Abweichungen bedingt durch verbleibendes Formaldehyd auf die Ausgangswerte der nichtfixierten Zelle zurückkehrten. In einem weiteren Projekt wurden Embryonen derselben Spezies in verschiedenen Entwicklungsstadien morphologisch untersucht. Wildtyp-Embryonen wurden mit Embryonen verglichen, deren natürlicher Gehalt an chromosomalen Proteinen HMGN und H1A verändert wurden. Signifikante Unterschiede zwischen Wildtyp und HMGN-veränderten Embryonen konnten festgestellt werden, während sich kein Unterschied zu H1A-veränderten Embryonen zeigte. Lichtmikroskopie und Histologie lieferten damit übereinstimmende Ergebnisse. Ebenfalls an Xenopus-Embryonen wurde die Technik der molekularen Bildgebung eingesetzt. Ziel war es, mit kommerziell erhältlichen Antikörpern, die an superparamagnetische Eisenoxidpartikel mit einer Größe von wenigen nm (USPIO) mit Dextranhülle gekoppelt sind (MACS), gewebespezifische Kontraständerungen zu erhalten. Zunächst wurde die Relaxivität von MACS untersucht und mit Resovist- sowie VSOP-Partikeln verglichen. Anschließend wurde die Eisenkonzentration quantitativ unter Zuhilfenahme eines allgemeinen theoretischen Modells bestimmt und mit Ergebnissen verglichen, die massenspektroskopisch gewonnen wurden. Nach Inkubation mit MACS wurden Relaxationszeiten intraembryonal in verschiedenen Regionen gemessen. Daraus wurden Konzentrationen von Eisenoxid-Partikeln berechnet; zusätzlich konnte zwischen spezifischer und unspezifischer Bindung differenziert werden. Obwohl der Anwendungsschwerpunkt dieser Arbeit auf der Bildgebung an X. laevis- Oozyten und Embryonen lag, wurde auch Bildgebung am Kopf eines Bienenwolfs zur 3D-Darstellung der Postpharyngealdrüse durchgeführt. Zusätzlich wurde mit einer speziell auf das Untersuchungsobjekt angepassten ’microcoil’ eine isolierte Bienenwolfantenne mit einer Auflösung von (8 um)^3 untersucht; Ziel war die Darstellung der Antennaldrüsen. Die durchgeführten Projekte zeigen, dass bei kommerziell erhältlichen MRM-Systemen deutliches Optimierungspotential existiert: zum einen durch verkleinerte und probenangepasste HF-Spulen, zum anderen durch die Parallelisierung mehrerer Spulen, wodurch der Probendurchsatz und damit die Zeiteffizienz gesteigert werden kann. Mit diesem optimierten Aufbau konnte anschließend die Nutzbarkeit der MRM bei neuen biologischen Anwendungen gezeigt werden. KW - Magnetische Resonanz KW - NMR-Bildgebung KW - Glatter Krallenfrosch KW - Bienenwolf KW - NMR-Mikroskopie KW - Simultanbildgebung KW - MRI KW - magnetic resonance KW - imaging KW - microscopy Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-31066 ER - TY - THES A1 - Stojanovic, Jelena T1 - Cortical functional activations in musical talents and nontalents in visuomotor and auditory tasks: implications of the effect of practice on neuroplasticity T1 - Funktionelle kortikale Aktivierungen bei Musiktalenten und musikalischen Laien in visuomotorischen und auditorischen Aufgaben: Implikationen von Übungseffekten für Neuroplastizität N2 - Neuroplasticity is a term indicating structural and functional changes in the brain through the lifespan. In the present study, differences in the functional cortical activations between the musical talents and non-talents were investigated after a short-term practice of the visuomotor and auditory tasks. Visuomotor task consisted of the finger tapping sequences, while auditory task consisted of passive listening to the classical music excerpts. Non-talents were divided in two groups: trained non-talents who practiced the task prior to scanning and untrained non-talents who did not practice the task. Functional activations were obtained by the functional magnetic resonance imaging (fMRI) in a 1.5T Scanner. It was hypothesized that talents would exhibit different functional activations from non-talents in both tasks as a result of the long-term music practice, which would account for the brain plasticity. Decreased activation of the same areas in talents in respect to the non-talents as well as the activation of different areas between the talents and non-talents was hypothesized. In addition due to a plethora of previous studies showing increased activations in the primary motor cortex (M1) in musicians, as well as left inferior frontal gyrus (lIFG), increased activation of the M1 and lIFG in talents were hypothesized. Behavioral results did not reveal differences in performance among the three groups of subjects (talents, non-talents who practiced the task, and non-talents who did not practice the task). The main findings from imaging results of the visuomotor task confirmed the hypothesis of the increased activation in the M1 in talents. Region of interest analyses of the lIFG revealed the highest activation in the untrained non-talents, lower activation in talents, and least activation in the trained non-talents. Posthoc imaging analyses revealed higher activations in the cerebella of subjects who practiced the visuomotor task. For the auditory task, the effect of auditory practice was observed in the right inferior frontal gyrus (rIFG). These results should be interpreted with caution due to the absence of behavioral differences among the groups. N2 - Die Erforschung von Neuroplastizität hat Implikationen sowohl für klinische Fragestellungen als auch den Bereich der Lernpsychologie. Plastizität erweitert die Perspektive vom Gehirn als einer festen Struktur hin zu einem veränderbaren, flexiblen Organ. Neuroplastizität wird in verschiedenen Bereichen sichtbar: Sowohl nach Schädel-Hirn-Trauma oder Schlaganfall, als Kompensation von beschädigten Arealen durch angrenzende Bereiche, als auch im gesunden Hirn bei der Verbesserung einer Fähigkeit durch wiederholte Übung. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Erforschung von Neuroplastizität leisten durch Übertragung der Konzepte von kurz- und langfristigen Übungseffekten auf den Bereich der Musikalität. Vorhergehende Studien konnten sowohl strukturelle als auch funktionelle kortikale Unterschiede zwischen Musiktalenten und musikalischen Laien nachweisen. In anderen Bereichen (z.B. Sprache, motorisches Lernen, abstraktes Material) konnten zumindest temporäre funktionale kortikale Veränderungen durch Übung bei gesunden Probanden gezeigt werden. In der vorliegenden Arbeit werden die Unterschiede zwischen diesen möglichen “temporären” Veränderungen und langanhaltenden Veränderungen untersucht. Die Studie beinhaltete zwei verschiedenen Aufgaben: eine visuomotorische Aufgabe mit visueller Präsentation von Tapping-Sequenzen und eine auditorische Aufgabe bestehend aus der auditorischen Präsentation klassischer Musikstücke aus dem 19. Jahrhundert. Die musikalischen Laien wurden randomisiert einer von zwei Gruppen zugeteilt: Musikalische Laien, die die visuomotorische Aufgabe übten (untrainiert in der auditorischen Aufgabe) und Laien, die die auditorische Aufgabe übten (untrainiert in der visuomotorischen Aufgabe). Die dritte Gruppe bildeten Musiktalente, definiert als Probanden mit einer durchschnittlichen Übungszeit von 130 Minuten am Tag seit mindestens 2 Jahren vor Beginn der Studie. Die Laien hatten 5 Jahre vor Beginn der Studie kein Instrument mehr gespielt. Die Untersuchungsmethode dieser Arbeit ist funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT). Sie basiert auf dem Prinzip der Beobachtung von Veränderungen im Sauerstoffgehalt des Blutes in den Hirngefäßen. Diese Veränderungen werden in Zusammenhang gebracht mit neuronaler Aktivität; daher erlaubt die Beobachtung des Blutsauerstoffgehalts einen Rückschluss auf gesteigerte Aktivität in den beobachteten Arealen. Eine univariate Varianzanalyse fand keine signifikante Interaktion des Gruppenfaktors (untrainierte Laien, trainierte Laien, Musiktalente) mit IQ und akademischer Laufbahn. Ein zusätzlicher Ein-Stichproben-t-Test zeigte keine Leistungsunterschiede zwischen Laien und Talenten. Für die visuomotorische Aufgabe zeigte die Bildgebungsanalyse die folgenden Ergebnisse: Gruppenunterschiede in der Aktivierung (Talente vs. Laien) des bilateralen Precuneus, rechten mittleren temporalen Gyrus und linken mittleren frontalen Gyrus. Eine Region-of-Interest (ROI)- Analyse für den Haupteffekt der Aufgabe zeigte signifikante Aktivierungen im linken primärmotorischen Kortex (M1). Zusätzliche Aktivierungen fanden sich im linken inferior frontalen Gyrus (lIFG) bezüglich des Kontrasts „trainierte Laien vs. untrainierte Laien plus Talente“ bzw. „kurzzeitiger Übungseffekt vs. keine Übung plus langfristiger Übungseffekt“. Für die auditorische Aufgabe zeigten sich signifikante Aktivierungen im rechten inferior frontalen Gyrus (rIFG) für den „Talente plus trainierte Laien vs. Untrainierte Laien“- Kontrast. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Übung beider Aufgaben zur Verwendung unterschiedlicher kortikaler Areale und damit vermutlich verbundener Strategien führt, es gab jedoch keinen Effekt auf der Verhaltensebene. Aufgrund der fehlenden Verhaltensunterschiede müssen die Ergebnisse der Bildgebung mit Vorsicht interpretiert werden. Zukünftige Studien sollten Talente mit längerer durchschnittlicher Übungszeit berücksichtigen, längere Übungszeit der Aufgaben beinhalten, um Bodeneffekte zu verhindern, und eventuell eine komplexere auditorische Aufgabe zur Vermeidung von Deckeneffekten. KW - Neuronale Plastizität KW - Musikalität KW - plasticity KW - talent KW - music KW - imaging Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-51898 ER - TY - THES A1 - Ruchty, Markus T1 - Sensory basis of thermal orientation in leaf-cutting ants T1 - Sensorische Grundlagen der thermischen Orientierung bei Blattschneiderameisen N2 - Leaf-cutting ants have a highly developed thermal sense which the insects use to regulate the own body temperature and also to optimize brood and fungus development. Apart from the already described temperature guided behaviors inside the nest it is unknown to what extent the ants may use their thermal sense outside the nest. As part of the present thesis, the question was addressed whether leaf-cutting ants (Atta vollenweideri) are able to learn the position of a warm object as landmark for orientation during foraging. Using absolute conditioning, it was shown that ten training trials are sufficient to elicit the association be-tween food reward and the temperature stimulus. In the test situation (without reward) a significantly higher amount of ants preferred the heated site compared to the unheated con-trol. Importantly, thermal radiation alone was sufficient to establish the learned association and served as orientation cue during the test situation (chapter IV). Based on the experi-mental design used in the previous chapter, the localization of thermosensitive neurons, which detect the underlying thermal stimuli, is restricted to the head or the antennae of the ants. The antennal sensillum coeloconicum is a potential candidate to detect the thermal stimuli during the orientation behavior. In chapter V the sensillum coeloconicum of Atta vollenweideri was investigated concerning its gross morphology, fine-structure and the phy-siology of the associated thermosensitive neuron. The sensillum is predominantly located on the apical antennal segment (antennal tip) where around 12 sensilla are clustered, and it has a peg-in-pit morphology with a double walled, multiporous peg. The sensory peg is deeply embedded in a cuticular pit, connected to the environment only by a tiny aperture. The sen-sillum houses three receptor neurons of which one is thermosensitive whereas the sensory modality of the other two neurons remains to be shown. Upon stimulation with a drop in temperature, the thermosensitve neuron responds with a phasic-tonic increase in neuronal activity (cold-sensitive neuron) and shows rapid adaptation to prolonged stimulation. In ad-dition, it is shown that thermal radiation is an effective stimulus for the thermosensitive neuron. This is the first evidence that sensilla coeloconica play an important role during the thermal orientation behavior described in chapter IV. During the test situation of the classic-al conditioning paradigm, the ants showed rapid antennal movements, indicating that they scan their environment in order to detect the heated object. Rapid antennal movements will result in rapid discontinuities of thermal radiation that re-quire thermosensitive neurons with outstanding sensitivity and high temporal resolution. In Chapter VI the question was addressed whether the thermosensitive neuron of the sensilla coeloconica fulfils these preconditions. Extracellular recordings revealed that the neuron is extremely sensitive to temperature transients and that, due to the response dynamics, an estimated stimulus frequency of up to 5 Hz can be resolved by the neuron. Already a tem-perature increase of only 0.005 °C leads to a pronounced response of the thermosensitive neuron. Through sensory adaptation, the sensitivity to temperature transients is maintained over a wide range of ambient temperatures. The discovered extreme sensitivity, the high temporal resolution and the pronounced adaptation abilities are further evidence support-ing the idea that sensilla coeloconica receive information of the thermal environment, which the ants may use for orientation. In order to understand how the ants use their thermal environment for orientation, it is ne-cessary to know where and how thermal information is processed in their central nervous system. In Chapter VII the question is addressed where in the brain the thermal information, specifically received by the thermosensitive neuron of sensilla coeloconica, is represented. By selectively staining single sensilla coeloconica, the axons of the receptor neurons could be tracked into the antennal lobe of Atta vollenweideri workers. Each of the three axons termi-nated in a single functional unit (glomerulus) of the antennal lobe. Two of the innervated glomeruli were adjacent to each other and are located lateral, while the third one was clear-ly separate and located medial in the antennal lobe. Using two-photon Ca2+ imaging of an-tennal lobe projection neurons, the general representation of thermal information in the antennal lobe was studied. In 11 investigated antennal lobes up to six different glomeruli responded to temperature stimulation in a single specimen. Both, warm- and cold-sensitive glomeruli could be identified. All thermosensitive glomeruli were located in the medial half of the antennal lobe. Based on the correlative evidence of the general representation of thermal information and the results from the single sensilla stainings, it is assumed that thermal information received by sensilla coeloconica is processed in the medial of the three target glomeruli. This part of the thesis shows the important role of the antennal lobe in temperature processing and links one specific thermosensitive neuron to its target region (a single glomerulus). In chapter V it was shown that the sensilla coeloconica are clustered at the antennal tip and have an extraordinary peg-in-pit morphology. In the last chapter of this thesis (Chapter VIII) the question is addressed whether the morphology of the sensilla coeloconica predicts the receptive field of the thermosensitive neuron during the detection of thermal radiation. The sensory pegs of all sensilla coeloconica in the apical cluster have a similar orientation, which was not constraint by the shape of the antennal tip where the cluster is located. This finding indicates that the sensilla coeloconica function as a single unit. Finally the hypothesis was tested whether a single sensillum could be direction sensitive to thermal radiation based on its eye-catching morphology. By stimulating the thermosensitive neuron from various angles around the sensillum this indeed could be shown. This is the last and most significant evi-dence that the sensilla coeloconica may be adapted to detect spatially distributed heated objects in the environment during the thermal landmark orientation of ants. N2 - Blattschneiderameisen besitzen einen hochgradig entwickelten Temperatursinn, den sie hauptsächlich zur Regulation ihrer Körpertemperatur, aber auch zur Optimierung der Brut- und Pilzentwicklung einsetzen. Abgesehen von temperaturgesteuerten Verhaltensweisen innerhalb des Nests ist nicht bekannt, ob die Tiere ihren Temperatursinn auch außerhalb des Nests einsetzen können. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird der Frage nachgegan-gen, ob Blattschneiderameisen (Atta vollenweideri) die Position eines warmen Objektes de-tektieren können und ob sie das Objekt anschließend als erlernte Landmarke zur Orientie-rung während des Furagierens nutzen können. Mit Hilfe eines absoluten Konditionierungs-paradigmas konnte gezeigt werden, dass nach zehn Trainingsdurchläufen die Assoziation zwischen Futter und einem thermischem Stimulus von den Tieren gebildet wird. In der unbe-lohnten Testsituation entscheiden sich die signifikant höhere Anzahl der Tiere für die er-wärmte Seite. Alleine die thermische Strahlung des erwärmten Körpers ist bereits ausrei-chend, um die Assoziation zu bilden und während des Tests als Orientierungssignal zu dienen (Kapitel IV). Durch die Art und Weise der Durchführung des Experiments im vorangegangenen Kapitel, konnte der Ort, an dem sich die nötigen thermosensitiven Neurone befinden, auf den Kopf bzw. die Antennen der Tiere beschränkt werden. Aufgrund ihrer Position auf den Antennen gelten die Sensilla coeloconica als potentielle Kandidaten für die Detektion der notwendigen Stimuli während des thermischen Orientierungsverhaltens. In Kapitel V dieser Arbeit wird das Sensillum coeloconicum in Bezug auf seine Morphologie, seine Ultrastruktur und die Physiologie des assoziierten thermosensitiven Neurons untersucht. Sensilla coeloconica be-finden sich hauptsächlich auf dem letzen Antennensegment, der Antennenspitze, in einer Gruppe von bis zu 12 einzelnen Sensillen. Morphologisch kann das Sensillum als Grubensensillum klassifiziert werden und es enthält einem doppelwandigen Zapfen, der von zahlreichen Poren durchzogen ist. Der Zapfen ist tief in eine kutikuläre Grube eingelassen und nur über eine winzige Apertur mit der Umwelt verbunden. Das Sensillum beherbergt drei Rezeptorneurone, von denen eines thermosensitiv ist, während die sensorische Modali-tät der anderen beiden Neurone bis auf weiteres unklar ist. Als Antwort auf eine Abnahme in der Stimulustemperatur generiert das thermosensitive Neuron eine phasisch-tonische Erhö-hung der neuronalen Aktivität (kältesensitives Neuron) und adaptiert sehr schnell an anhaltende Stimulationen. Zusätzlich kann gezeigt werden, dass thermische Strahlung ein wirksa-mer Stimulus für das thermosensitive Neuron ist. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind ein erster Hinweis darauf, dass die Sensilla coeloconica eine wichtige Rolle während des thermischen Orientierungsverhaltens spielen. Bei der klassischen Konditionierung wurden schnelle Antennenbewegungen bei den Ameisen festgestellt, die sich in der Testsituation zwischen dem warmen Objekt und dem Kontrollob-jekt entscheiden mussten. Diese schnellen Bewegungen könnten bedeuten, dass die Tiere Ihre Umgebung nach dem konditionierten warmen Objekt absuchen. Solche schnellen An-tennenbewegungen führen zu schnellen Temperaturänderungen und die Detektion dieser Stimuli setzt thermosensitive Neurone mit besonderer Sensitivität und erhöhtem zeitlichen Auflösungsvermögen voraus. In Kapitel VI wird untersucht, ob das thermosensitive Neuron der Sensilla coeloconica diese Voraussetzungen erfüllt. Extrazelluläre Ableitungen zeigen, dass das Neuron extrem sensitiv auf Temperaturänderungen reagiert und dass aufgrund der Antwortdynamik Stimulationsfrequenzen von bis zu fünf Hertz aufgelöst werden können. Schon eine Temperaturänderung von 0.005 °C führt zu einer ausgeprägten Antwort des thermosensitiven Neurons. Durch sensorische Adaption bleibt diese erhöhte Sensitivität über einen großen Umgebungstemperaturbereich erhalten. Die außergewöhnliche Sensitivi-tät, die hohe zeitliche Auflösung sowie die Adaptionsfähigkeit des thermosensitiven Neurons sind weitere Hinweise darauf, dass die Sensilla coeloconica in der Lage sind Stimuli zu rezi-pieren, welche zur thermischen Orientierung genutzt werden könnten. Um zu verstehen, wie sich die Tiere anhand ihrer thermischen Umwelt orientieren, ist es nötig zu wissen, wo im Zentralnervensystem die thermische Information prozessiert wird. In Kapitel VII wird analysiert, in welchem Bereich des Gehirns die thermische Information der Sensilla coeloconica repräsentiert ist. Mittels selektiver Färbung einzelner Sensilla coeloconica können die Axone der Rezeptorneurone im Gehirn verfolgt werden. Jedes der drei Axone endet in jeweils einer funktionellen Einheit (Glomerulus) im Antennallobus. Zwei der innervierten Glomeruli sind direkt benachbart und liegen im lateralen Teil des Antennallobus während der dritte Glomerulus im medialen Bereich zu finden ist. Mit Hilfe von zwei-Photonen Ca2+ Imaging der Projektionsneurone wurde die Repräsentation von thermischer Information im Antennallobus untersucht. In 11 untersuchten Antennalloben antworten bis zu sechs einzelne Glomeruli auf die Temperaturstimulation. Sowohl warm- als auch kalt-sensitive Glomeruli konnten identifiziert werden. Alle thermosensitiven Glomeruli tende Stimulationen. Zusätzlich kann gezeigt werden, dass thermische Strahlung ein wirksa-mer Stimulus für das thermosensitive Neuron ist. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind ein erster Hinweis darauf, dass die Sensilla coeloconica eine wichtige Rolle während des thermischen Orientierungsverhaltens spielen. Bei der klassischen Konditionierung wurden schnelle Antennenbewegungen bei den Ameisen festgestellt, die sich in der Testsituation zwischen dem warmen Objekt und dem Kontrollob-jekt entscheiden mussten. Diese schnellen Bewegungen könnten bedeuten, dass die Tiere Ihre Umgebung nach dem konditionierten warmen Objekt absuchen. Solche schnellen An-tennenbewegungen führen zu schnellen Temperaturänderungen und die Detektion dieser Stimuli setzt thermosensitive Neurone mit besonderer Sensitivität und erhöhtem zeitlichen Auflösungsvermögen voraus. In Kapitel VI wird untersucht, ob das thermosensitive Neuron der Sensilla coeloconica diese Voraussetzungen erfüllt. Extrazelluläre Ableitungen zeigen, dass das Neuron extrem sensitiv auf Temperaturänderungen reagiert und dass aufgrund der Antwortdynamik Stimulationsfrequenzen von bis zu fünf Hertz aufgelöst werden können. Schon eine Temperaturänderung von 0.005 °C führt zu einer ausgeprägten Antwort des thermosensitiven Neurons. Durch sensorische Adaption bleibt diese erhöhte Sensitivität über einen großen Umgebungstemperaturbereich erhalten. Die außergewöhnliche Sensitivi-tät, die hohe zeitliche Auflösung sowie die Adaptionsfähigkeit des thermosensitiven Neurons sind weitere Hinweise darauf, dass die Sensilla coeloconica in der Lage sind Stimuli zu rezipieren, welche zur thermischen Orientierung genutzt werden könnten. KW - Neurobiologie KW - Temperatur KW - Orientierung KW - Neurobiologie KW - soziale Insekten KW - Elektrophysiologie KW - Infrared radiation KW - thermal orientation KW - social insects KW - imaging KW - neurobiology Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48906 ER - TY - JOUR A1 - Lapa, Constantin A1 - Lückerath, Katharina A1 - Kleinlein, Irene A1 - Monoranu, Camelia Maria A1 - Linsenmann, Thomas A1 - Kessler, Almuth F. A1 - Rudelius, Martina A1 - Kropf, Saskia A1 - Buck, Andreas K. A1 - Ernestus, Ralf-Ingo A1 - Wester, Hans-Jürgen A1 - Löhr, Mario A1 - Herrmann, Ken T1 - \(^{68}\)Ga-Pentixafor-PET/CT for Imaging of Chemokine Receptor 4 Expression in Glioblastoma JF - Theranostics N2 - Chemokine receptor-4 (CXCR4) has been reported to be overexpressed in glioblastoma (GBM) and to be associated with poor survival. This study investigated the feasibility of non-invasive CXCR4-directed imaging with positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) using the radiolabelled chemokine receptor ligand \(^{68}\)Ga-Pentixafor. 15 patients with clinical suspicion on primary or recurrent glioblastoma (13 primary, 2 recurrent tumors) underwent \(^{68}\)Ga-Pentixafor-PET/CT for assessment of CXCR4 expression prior to surgery. O-(2-\(^{18}\)F-fluoroethyl)-L-tyrosine (\(^{18}\)F-FET) PET/CT images were available in 11/15 cases and were compared visually and semi-quantitatively (SUV\(_{max}\), SUV\(_{mean}\)). Tumor-to-background ratios (TBR) were calculated for both PET probes. \(^{68}\)Ga-Pentixafor-PET/CT results were also compared to histological CXCR4 expression on neuronavigated surgical samples. \(^{68}\)Ga-Pentixafor-PET/CT was visually positive in 13/15 cases with SUV\(_{mean}\) and SUV\(_{max}\) of 3.0±1.5 and 3.9±2.0 respectively. Respective values for \(^{18}\)F-FET were 4.4±2.0 (SUV\(_{mean}\)) and 5.3±2.3 (SUV\(_{max}\)). TBR for SUV\(_{mean}\) and SUV\(_{max}\) were higher for \(^{68}\)Ga-Pentixafor than for \(^{18}\)F-FET (SUV\(_{mean}\) 154.0±90.7 vs. 4.1±1.3; SUV\(_{max}\) 70.3±44.0 and 3.8±1.2, p<0.01), respectively. Histological analysis confirmed CXCR4 expression in tumor areas with high \(^{68}\)Ga-Pentixafor uptake; regions of the same tumor without apparent \(^{68}\)Ga-Pentixafor uptake showed no or low receptor expression. In this pilot study, \(^{68}\)Ga-Pentixafor retention has been observed in the vast majority of glioblastoma lesions and served as readout for non-invasive determination of CXCR4 expression. Given the paramount importance of the CXCR4/SDF-1 axis in tumor biology, \(^{68}\)Ga-Pentixafor-PET/CT might prove a useful tool for sensitive, non-invasive in-vivo quantification of CXCR4 as well as selection of patients who might benefit from CXCR4-directed therapy. KW - imaging KW - chemokine receptor-4 KW - glioblastoma KW - positron emission tomography/computed tomography KW - \(^{68}\)Ga-Pentixafor Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-168174 VL - 6 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Canessa, Andrea A1 - Pozzi, Nicolò G. A1 - Arnulfo, Gabriele A1 - Brumberg, Joachim A1 - Reich, Martin M. A1 - Pezzoli, Gianni A1 - Ghilardi, Maria F. A1 - Matthies, Cordula A1 - Steigerwald, Frank A1 - Volkmann, Jens A1 - Isaias, Ioannis U. T1 - Striatal Dopaminergic Innervation Regulates Subthalamic Beta-Oscillations and Cortical-Subcortical Coupling during Movements: Preliminary Evidence in Subjects with Parkinson's Disease JF - Frontiers in Human Neuroscience N2 - Activation of the basal ganglia has been shown during the preparation and execution of movement. However, the functional interaction of cortical and subcortical brain areas during movement and the relative contribution of dopaminergic striatal innervation remains unclear. We recorded local field potential (LFP) activity from the subthalamic nucleus (STN) and high-density electroencephalography (EEG) signals in four patients with Parkinson’s disease (PD) off dopaminergic medication during a multi-joint motor task performed with their dominant and non-dominant hand. Recordings were performed by means of a fully-implantable deep brain stimulation (DBS) device at 4 months after surgery. Three patients also performed a single-photon computed tomography (SPECT) with [123I]N-ω-fluoropropyl-2β-carbomethoxy-3β-(4-iodophenyl)nortropane (FP-CIT) to assess striatal dopaminergic innervation. Unilateral movement execution led to event-related desynchronization (ERD) followed by a rebound after movement termination event-related synchronization (ERS) of oscillatory beta activity in the STN and primary sensorimotor cortex of both hemispheres. Dopamine deficiency directly influenced movement-related beta-modulation, with greater beta-suppression in the most dopamine-depleted hemisphere for both ipsi- and contralateral hand movements. Cortical-subcortical, but not interhemispheric subcortical coherencies were modulated by movement and influenced by striatal dopaminergic innervation, being stronger in the most dopamine-depleted hemisphere. The data are consistent with a role of dopamine in shielding subcortical structures from an excessive cortical entrapment and cross-hemispheric coupling, thus allowing fine-tuning of movement. KW - beta oscillations KW - Parkinson’s disease KW - motor control KW - movement disorders KW - imaging KW - subthalamic nucleus KW - coherence analysis Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-164061 VL - 10 IS - 611 ER - TY - JOUR A1 - Krstic, Jelena A1 - Herrmann, Marietta A1 - Gadjanski, Ivana A1 - Mojsilovic, Slavko T1 - Editorial: Microenvironment-derived stem cell plasticity JF - Frontiers in Cell and Developmental Biology N2 - No abstract available. KW - plasticity KW - stem cells KW - microenvironment KW - imaging KW - extracellular vesicles (EVs) KW - oxygen tension KW - tissue regeneration KW - immunomodulation Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-197424 SN - 2296-634X VL - 5 ER - TY - JOUR A1 - Rogowski-Lehmann, Natalie A1 - Geroula, Aikaterini A1 - Prejbisz, Aleksander A1 - Timmers, Henri J. L. M. A1 - Megerle, Felix A1 - Robledo, Mercedes A1 - Fassnacht, Martin A1 - Fliedner, Stephanie M. J. A1 - Reincke, Martin A1 - Stell, Anthony A1 - Januszewicz, Andrzej A1 - Lenders, Jacques W. M. A1 - Eisenhofer, Graeme A1 - Beuschlein, Felix T1 - Missed clinical clues in patients with pheochromocytoma/paraganglioma discovered by imaging JF - Endocrine Connections N2 - Background: Pheochromocytomas and paragangliomas (PPGLs) are rare but potentially harmful tumors that can vary in their clinical presentation. Tumors may be found due to signs and symptoms, as part of a hereditary syndrome or following an imaging procedure. Objective: To investigate potential differences in clinical presentation between PPGLs discovered by imaging (iPPGLs), symptomatic cases (sPPGLs) and those diagnosed during follow-up because of earlier disease/known hereditary mutations (fPPGL). Design: Prospective study protocol, which has enrolled patients from six European centers with confirmed PPGLs. Data were analyzed from 235 patients (37 iPPGLs, 36 sPPGLs, 27% fPPGLs) and compared for tumor volume, biochemical profile, mutation status, presence of metastases and self-reported symptoms. iPPGL patients were diagnosed at a significantly higher age than fPPGLs (P<0.001), found to have larger tumors (P=0.003) and higher metanephrine and normetanephrine levels at diagnosis (P=0.021). Significantly lower than in sPPGL, there was a relevant number of self-reported symptoms in iPPGL (2.9 vs 4.3 symptoms, P< 0.001). In 16.2% of iPPGL, mutations in susceptibility genes were detected, although this proportion was lower than that in fPPGL (60.9%) and sPPGL (21.5%). Patients with PPGLs detected by imaging were older, have higher tumor volume and more excessive hormonal secretion in comparison to those found as part of a surveillance program. Presence of typical symptoms indicates that in a relevant proportion of those patients, the PPGL diagnosis had been delayed. Precis: Pheochromocytoma/paraganglioma discovered by imaging are often symptomatic and carry a significant proportion of germline mutations in susceptibility genes. KW - pheochromocytoma KW - paraganglioma KW - imaging KW - signs and symptoms KW - prospective KW - Biochemical-Diagnosis KW - Plasma KW - MASS KW - Normetanephrine KW - Metanephrine KW - Paraganglioma KW - Society KW - Utility Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-226481 VL - 7 IS - 11 ER - TY - JOUR A1 - Kunz, Tobias C. A1 - Götz, Ralph A1 - Sauer, Markus A1 - Rudel, Thomas T1 - Detection of chlamydia developmental forms and secreted effectors by expansion microscopy JF - Frontiers in Cellular and Infection Microbiology N2 - Expansion microscopy (ExM) is a novel tool to improve the resolution of fluorescence-based microscopy that has not yet been used to visualize intracellular pathogens. Here we show the expansion of the intracellular pathogen Chlamydia trachomatis, enabling to differentiate its two distinct forms, catabolic active reticulate bodies (RB) and infectious elementary bodies (EB), on a conventional confocal microscope. We show that ExM enables the possibility to precisely locate chlamydial effector proteins, such as CPAF or Cdu1, within and outside of the chlamydial inclusion. Thus, we claim that ExM offers the possibility to address a broad range of questions and may be useful for further research on various intracellular pathogens. KW - expansion microscopy KW - chlamydia KW - secreted effectors KW - developmental forms KW - superresolution KW - imaging Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-195716 SN - 2235-2988 VL - 9 IS - 276 ER -