Nina Schukraft [geb. Scheffler]

• In the face of threat, animals react with a defensive reaction to avoid or reduce harm. This defensive reaction encompasses apart from behavioral changes also physiological, analgetic, and endocrine adaptations. Nonetheless, most animal studies on fear and anxiety are based on behavioral observations only, disregarding other aspects of the defensive reaction, or integrating their inter-related dynamics only insufficiently. The first part of this thesis aimed in characterizing patterned associations of behavioral and physiological responses,In the face of threat, animals react with a defensive reaction to avoid or reduce harm. This defensive reaction encompasses apart from behavioral changes also physiological, analgetic, and endocrine adaptations. Nonetheless, most animal studies on fear and anxiety are based on behavioral observations only, disregarding other aspects of the defensive reaction, or integrating their inter-related dynamics only insufficiently. The first part of this thesis aimed in characterizing patterned associations of behavioral and physiological responses, termed integrated defensive states. Analyzing cardiac and behavioral responses in mice undergoing multiple fear and anxiety paradigms revealed a complex and dynamic interaction of those readouts on both, short and long timescales. Microstates, stereotypical combinations of i.e. freezing and decelerating heart rates, are short-lasting and were, in turn, shown to be influenced by slow acting macrostate changes. One of those higher order macrostates, called `rigidity`, was defined as a latent process that constrains the range of momentary displayed heart rate values. Furthermore, integrated defensive states were found to be highly dependent on the cue and the context the animals are confronted with. Importantly, same behavioral observations, i.e. freezing, were associated with distinct cardiac responses, highlighting the importance of multivariate analysis of integrated defensive states. Defensive states are orchestrated by the brain, which has evolved evolutionary conserved survival circuits. A central brain area of these circuits is the periaqueductal gray (PAG) in the midbrain. It plays a pivotal role in mediating defensive states, as it receives signals about external and internal information from multiple brain regions and sends information to both, higher order brain areas as well as to the brainstem ultimately causing the execution of threat responses. In the second part of this thesis, different neuronal circuit elements in the PAG were optically manipulated in order to gain mechanistic insight into the defense network in the brain underlying the previously delineated cardio-behavioral defensive states. Optical activation of glutamatergic PAG neurons evoked heterogeneous, light-intensity dependent responses. However, a further molecular restriction of the glutamatergic neuronal population targeting only Chx10+ neurons, led to a cardio-behavioral state that resembled spontaneous freezing-bradycardia bouts. In summary, this thesis presents a multivariate description of defensive states, which includes the complex interaction of cardiac and behavioral responses on different timescales and, furthermore, functionally dissects different excitatory and inhibitory PAG circuit elements mediating these defensive states.…
• Tiere reagieren mit einer Abwehrreaktion auf eine Bedrohung, um Schaden zu vermeiden oder zu verringern. Diese Abwehrreaktion umfasst neben Verhaltensänderungen auch physiologische, analgetische und endokrine Anpassungen. Dennoch stützen sich die meisten Tierstudien auf dem Gebiet von Furcht- und Angstforschung nur auf Verhaltensbeobachtungen und lassen dabei andere Aspekte der Abwehrreaktion außer Acht oder berücksichtigen ihre komplexen gegenseitigen Beziehungen nur unzureichend. Das Ziel des ersten Teils dieser Arbeit war, bestimmteTiere reagieren mit einer Abwehrreaktion auf eine Bedrohung, um Schaden zu vermeiden oder zu verringern. Diese Abwehrreaktion umfasst neben Verhaltensänderungen auch physiologische, analgetische und endokrine Anpassungen. Dennoch stützen sich die meisten Tierstudien auf dem Gebiet von Furcht- und Angstforschung nur auf Verhaltensbeobachtungen und lassen dabei andere Aspekte der Abwehrreaktion außer Acht oder berücksichtigen ihre komplexen gegenseitigen Beziehungen nur unzureichend. Das Ziel des ersten Teils dieser Arbeit war, bestimmte Zusammenhänge von Verhalten und physiologischen Reaktionen zu charakterisieren, die hier als integrierte Defensivzustände bezeichnet werden. Um Defensivzustände bei Mäusen hervorzurufen, wurden diese mehreren Furcht- und Angstparadigmen unterzogen. Die Analyse der dabei hervorgerufenen Herzratenänderungen und Verhaltensanpassungen ergab eine komplexe und dynamische Interaktion dieser beiden Reaktionen, bei denen sowohl kurz- als auch auf längerfristige Änderungen eine Rolle spielen. Mikrozustände, stereotype Kombinationen von z. B. Freezing und Verlangsamung der Herzfrequenz, sind von kurzer Dauer und werden wiederum durch langsamer wirkende Makrozustände beeinflusst. Einer dieser auf einer übergeordneteren Ebene wirkenden Makrozustände, "rigidity" genannt, wurde als latenter Prozess definiert, der den Ausprägungsbereich der zu jedem Zeitpunkt möglichen Maximal- und Minimalherzfrequenz beschreibt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass integrierte Defensivzustände in hohem Maße von dem Auslösereiz und dem Kontext abhängen, mit dem die Tiere konfrontiert werden. Eine wichtige Erkenntnis hierbei war, dass dieselben Verhaltensbeobachtungen, z. B. Freezing, mit unterschiedlichen kardialen Antworten assoziiert sein kann. Dies unterstreicht die Bedeutsamkeit von multivariaten Analysen integrierter Defensivzustände. Defensivzustände werden vom Gehirn gesteuert, das evolutionär konservierte neuronale Überlebensschaltkreise entwickelt hat. Ein zentrales Hirnareal dieser Schaltkreise ist das Periaquäduktale Grau (PAG) im Mittelhirn. Diese Hirnstruktur spielt eine wichtige Rolle bei der Vermittlung von Defensivzuständen, da es diverse Signale über sowohl äußere als auch innere Zustände aus multiplen Hirnregionen empfängt und gleichzeitig Informationen an Hirnareale höherer Ordnung sowie an den Hirnstamm sendet, der letztendlich die Ausführung von Defensivreaktionen vermittelt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden verschiedene neuronale Schaltkreiselemente im PAG optogenetisch manipuliert, um einen mechanistischen Einblick in das Defensivnetzwerk im Gehirn zu erhalten, das den zuvor beschriebenen kardio-verhaltensmäßigen Defensivzuständen zugrunde liegt. Die optische Aktivierung von glutamatergen PAG-Neuronen war mit einer heterogenen, von der Lichtintensität abhängigen Reaktionen assoziiert. Eine weitere molekulare Restriktion der glutamatergen Neuronenpopulation, die nun ausschließlich auf Chx10+ Neuronen abzielte, führte hingegen zu einem kardio-verhaltensmäßigen Zustand, der vergleichbar mit zuvor beobachteten spontanen Freezing-Bradykardie-Zuständen war. Zusammenfassend umfasst diese Arbeit eine multivariate Beschreibung von Defensivzuständen, die das komplexe Zusammenspiel von kardialen und verhaltensmäßigen Reaktionen auf verschiedenen Zeitachsen umfasst sowie - mittels Optogenetik - eine funktionelle Charakterisierung von verschiedenen exzitatorischen und inhibitorischen PAG-Schaltkreiselementen, die diese Defensivzustände vermitteln.…