Volume 24, Issue 4

Zusammenfassung Die menschliche Inselrinde ist ein Hauptknotenpunkt in einem neuronalen Netzwerk, welches aus dem eigenen Körper stammende Erregungen mit Einflüssen aus der Umwelt integriert und dabei die autonome, emotionelle und sozial-kognitive Homöostase des Körpers erhält. Die Insel ist in den letzten Jahren ins Zentrum der Aufmerksamkeit gerückt. Vergleichende anatomische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Insel in vielen Spezies am lateralen Rand des Neokortex liegt. Wenig erforscht ist die vorgeburtliche Entwicklung der menschlichen Insel, die sich als frühestes Kortexareal entwickelt. Ursprung der Pyramidalzellen der Insel ist ein kleiner Abschnitt der proliferativen Ventrikulär/Subventrikulärzone an der kortikostriatalen Grenze (KSG). Von den hier liegenden Zellen der radialen Glia, die als Stammzellen dienen, entspringt ein dichtgewebtes Faszikel aus Gliafortsätzen, welches durch die Capsula externa läuft und als Migrationssubstrat für die Neuroblasten aus der KSG in die Insel dient. Um die 10/11 Schwangerschaftswoche biegen sich der Lateralventrikel und die ihm anliegende KSG C-förmig um, sodass sich die Insel nun zwischen einer dorsalen fronto-parietalen und einer ventralen, temporalen KSG entwickelt und von diesen mit absteigenden bzw. aufsteigenden Migrationsströmen von Neuroblasten entlang des radialen Gliafaszikels versorgt wird. Als Folge der Ventrikelrotation wird die menschliche Insel während der Ontogenese vom lateralen Rand des Kortex in dessen Mittelpunkt verlagert, was im Einklang mit ihren integrativen Funktionen innerhalb der Hirnaktivität steht.

The human insula is a key node in a neuronal network which integrates interoceptive stimuli from the own body, and exteroceptive stimuli from the environment, and thus maintains the autonomic, emotional and socio-cognitive homeostasis of the body. In the last years, the insula has come into the focus of attention. Comparative anatomical studies showed that in many species the insula forms the lateral edge of the cortex. Very little is known about the prenatal development of the human insula, which is the first cortical region to mature. The origin of the pyramidal neurons for the insula is a small sector of the proliferating ventricular/subventricular zone at the cortico-striatal boundary (CSB). The CSB contains the radial glia cells, which are stem cells and give rise to a dense fascicle of radial glia processes. This fascicle traverses the external capsule and serves as a migration substrate for the neuroblasts on their way from the CSB into the insula. Around the 10/11 th week of gestation, the lateral ventricle and its adjacent structures including the CSB bend in a C-shaped fashion. The insula now develops between a dorsal, fronto-parietal and a ventral, temporal CSB, which provide descending and ascending streams of neuroblasts, respectively, migrating along the radial glia fascicle. As a consequence of the ventricular rotation during ontogenesis, the human insula changes its initial position at the lateral edge of the cortex to its final central location, which reflects its integrative functions in brain activity.

Zusammenfassung Neurotransmittergesteuerte Rezeptoren sind auf vielfältige Weise an der synaptischen Signalleitung und Modulation beteiligt. Am Beispiel der Glutamatrezeptoren wird schnell deutlich, dass diese Rezeptorfamilien eine enorme Diversität aufweisen und es daher eine große Herausforderung bleibt, die unterschiedlichen Funktionen nah miteinander verwandter Rezeptorsubtypen aufzuklären. Pharmakologische und genetische Methoden werden zunehmend durch optogenetische Ansätze ergänzt, welche es erlauben, das Rezeptorsignaling mit Licht zu manipulieren. Am Beispiel der Glutamatrezeptoren lege ich dar, wie kovalent verankerte photoschaltbare Liganden genutzt werden können, um einzelne Rezeptorsubtypen mit hoher räumlicher und zeitlicher Präzision in ausgewählten Zellen zu kontrollieren. Mit diesen und ähnlichen Techniken eröffnen sich neue, vielversprechende Möglichkeiten, die Funktion bestimmter Rezeptoren im Nervensystem zu untersuchen.

Neurotransmitter-gated receptors contribute to synaptic transmission and modulation in many ways. Considering glutamate receptors as an example, it becomes clear that these receptor families are highly diverse and that it is experimentally challenging to disentangle the different functional contributions of closely related receptor subtypes. Pharmacological and genetic methods are now complemented by optogenetic approaches, which allow for controlling receptor signaling with light. Using glutamate receptors as an example, I summarize how tethered photoswitchable ligands can be used to control individual receptor subtypes with high spatial and temporal precision, and in specific cells. These, and similarly exciting approaches, offer new possibilities for probing the function of individual receptors in the nervous system.

Zusammenfassung Unsere Sinne werden fortwährend mit den unterschiedlichsten Signalen bombardiert. Um dieses Sinneschaos zu verstehen, muss das Gehirn Sinnesreize integrieren, wenn sie von einer Quelle kommen, aber separate verarbeiten, wenn sie von unterschiedlichen Quellen kommen. Somit beruht multisensorische Wahrnehmung entscheidend auf dem Erfassen der kausalen Struktur, die die Sinnesreize erzeugt hat. Verhaltensstudien legen nahe, dass das Gehirn zwischen Integration and Segregation wie von normativen Modellen der Bayesianischen kausalen Inferenz vorhergesagt abwägt. Neueste funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) und Elektroenzephalographie (EEG) Studien zeigten, dass das Gehirn Bayesianische kausale Inferenz durchführt, indem es mehrere Wahrnehmungsschätzwerte dynamisch auf verschiedenen Ebenen der corticalen Hierarchie der Sinnesverarbeitung enkodiert. Erst an der Spitze der Hierarchie in anterioren parietalen Arealen formt das Gehirn Wahrnehmungsschätzwerte, die die Ungewissheit des Beobachters über die kausal Struktur der Umgebung berücksichtigt, wie von Modellen der Bayesianischen kausalen Inferenz vorhergesagt.

Abstarct Our senses are constantly bombarded with a myriad of signals. To make sense of this cacophony, the brain needs to integrate signals emanating from a common source, but segregate signals originating from the different sources. Thus, multisensory perception relies critically on inferring the world’s causal structure (i. e. one common vs. multiple independent sources). Behavioural research has shown that the brain arbitrates between sensory integration and segregation consistent with the principles of Bayesian Causal Inference. At the neural level, recent functional magnetic resonance imaging (fMRI) and electroencephalography (EEG) studies have shown that the brain accomplishes Bayesian Causal Inference by dynamically encoding multiple perceptual estimates across the sensory processing hierarchies. Only at the top of the hierarchy in anterior parietal cortices did the brain form perceptual estimates that take into account the observer’s uncertainty about the world’s causal structure consistent with Bayesian Causal Inference.

Zusammenfassung Robben sind in ihrem Lebensraum, den Küstenregionen und Meeren, wohlorientiert und zeigen sich als erfolgreiche Jäger. Sowohl auf ihren Wanderungen zwischen Ruheplätzen und Futtergründen als auch beim Aufspüren von Beute leisten die Sinnessysteme der Robben gute Arbeit, obwohl sich die Robben und damit ihre Sinnessysteme in ihrem Lebensraum und aufgrund ihrer amphibischen Lebensweise mit einigen Herausforderungen konfrontiert sehen. In diesem Übersichtsartikel werden die bisher vorhandenen Informationen über die Sinnessysteme der Robben und über spezifische Anpassungen der Sinne an Lebensraum und -weise im ersten Kapitel zusammengetragen und im letzten Kapitel kritisch beleuchtet. Hierbei wird der Fokus auf die Erkenntnisse gelegt, die über die Sinne des Seehunds erhalten wurden, da der Seehund durch intensive Erforschung in den letzten Jahrzehnten zum Modellorganismus innerhalb der Robben hinsichtlich der Sinnesorgane wurde. Im zweiten und dritten Kapitel werden dann die sensorischen Grundlagen in Bezug zu Orientierung, Navigation und Futtersuche gesetzt. Dies ermöglicht auch das Aufzeigen von Fragenstellungen, z. B. wie und wo die Informationen einzelner Sinne integriert werden.

Summary: Seals and sea lions are well-oriented in their habitat, the coastal regions and oceans, and are, moreover, successful hunters. During their movements between haul-out places and foraging grounds as well as during foraging, the sensory systems of seals and sea lions provide useful information, although the animals, and thus their sensory systems, face considerable challenges in their habitat and due to their amphibious lifestyle. In this review, in the first chapter, we compiled and later (chapter 4) discuss the information on the senses of seals and sea lions in general and their specific adaptations to habitat and lifestyle in particular. We hereby focus on the senses of harbor seals. Harbor seals turned into a model organism regarding the sensory systems due to intensive sensory research of the last decades. In the second and third chapter, the sensory basics are put into the context of orientation, navigation, and foraging. This allows formulating new research questions, such as where and how the information from different senses is integrated.

Zusammenfassung Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) wird durch die Interaktion verschiedener Zelltypen in zerebralen Gefäßen gebildet und übernimmt eine zentrale Rolle in der Homöostase des Gehirns. Als Pförtner des Zentralen Nervensystems (ZNS) kontrolliert sie ständig den Austausch von Stoffen zwischen Blut und Gehirn. In vielen neurodegenerativen Erkrankungen, wie beispielsweise der Alzheimer-Demenz (AD), weist die BHS Veränderungen auf, welche die Funktion des Gehirns stören und eine Degeneration dessen fördern. Die BHS ist somit essenziell für das gesunde Gehirn. Durch Abtransport potenziell toxischer Amyloid-beta Peptide (Aβ) reguliert die BHS die Konzentration von löslichem Aβ in der interstitiellen Flüssigkeit (ISF) des Gehirns und ist somit ein wichtiger Beseitungsmechanismus, um diese loszuwerden. In diesem Artikel sollen sowohl Aufbau als auch die physiologischen Besonderheiten der zerebralen Gefäße besprochen werden, sowie auf die pathologischen Veränderungen eingegangen werden, die bei der AD auftreten und somit die Funktion der BHS stören.

The blood brain-barrier (BBB), built up by the interaction of different cell types in vessels of the brain, is essential for brain homeostasis. As a gatekeeper of the central nervous system (CNS), the BBB controls the exchange of molecules between brain and blood. In many neurodegenerative diseases including Alzheimer’s disease (AD) the BBB show alterations which impair brain function and promote neurodegeneration. As an important elimination route for neurotoxic amyloid-beta (Aβ), the BBB is crucial for the healthy brain by regulating the concentration of soluble Aβ in the interstitial fluid (ISF) in the brain. Here, we discuss the composition and distinctive physiological features of CNS vasculature and the pathological alterations that are present in AD and disturb BBB function.