MODULARITY, NOISE, AND NATURAL SELECTION

Most biological systems are formed by component parts that are to some degree interrelated. Groups of parts that are more associated among themselves and are relatively autonomous from others are called modules. One of the consequences of modularity is that biological systems usually present an unequal distribution of the genetic variation among traits. Estimating the covariance matrix that describes these systems is a difficult problem due to a number of factors such as poor sample sizes and measurement errors. We show that this problem will be exacerbated whenever matrix inversion is required, as in directional selection reconstruction analysis. We explore the consequences of varying degrees of modularity and signal-to-noise ratio on selection reconstruction. We then present and test the efficiency of available methods for controlling noise in matrix estimates. In our simulations, controlling matrices for noise vastly improves the reconstruction of selection gradients. We also perform an analysis of selection gradients reconstruction over a New World Monkeys skull database to illustrate the impact of noise on such analyses. Noise-controlled estimates render far more plausible interpretations that are in full agreement with previous results.

Influence of Mid-Trimester Amniotic Fluid on Endogenous and Lipopolysaccharide-Mediated Responses of Mononuclear Lymphoid Cells

Problem We evaluated the influence of amniotic fluid (AF) on immune mediator production by mononuclear leukocytes. Method of study Thirty mid-gestation AFs were incubated with peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) in the presence or absence of lipopolysaccharide (LPS). Supernatants were tested for interleukin (IL) -6, 10, 12, 23, tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) and monocyte chemotactic protein (MCP)-1. Results Endogenous mediator production was minimal or non-detectable. AF stimulated endogenous MCP-1, IL-6 and TNF-alpha release. In the presence of LPS, production of MCP-1 and IL-10 by PBMCs was enhanced eightto ninefold by AF. Release of IL-6 and IL-23 was enhanced less than twofold by the addition of AF while TNF-alpha production was unchanged. AF-stimulated mediator production was similar irrespective of pregnancy outcome. Conclusion Selective AF stimulation of LPS-mediated MCP-1 and IL-10 release may be a mechanism to promote antibody production and the influx of phagocytic cells to engulf pathogens while downregulating the production of pro-inflammatory cytokines.

Alveolar Bone Morphology in Patients With Bilateral Complete Cleft Lip and Palate in the Mixed Dentition: Cone Beam Computed Tomography Evaluation

Objectives: To verify the thickness and level of alveolar bone around the teeth adjacent to the cleft by means of cone beam computed tomography (CBCT) in patients with complete bilateral cleft lip and palate prior to bone graft surgery and orthodontic intervention. Method: The sample comprised 10 patients with complete bilateral cleft lip and palate (five boys and five girls) in the mixed dentition. The mean age was 9.5 years, and all subjects showed a G3 interarch relationship according to the Bauru index. The thickness of alveolar bone surrounding the maxillary incisors and the maxillary canines was measured in CBCT axial section using the software iCAT Xoran System. The distance between the alveolar bone crest and the cement-enamel junction (CEJ) was measured in cross sections. Results: The tomography images showed a thin alveolar bone plate around teeth adjacent to clefts. No bone dehiscence was observed in teeth adjacent to clefts during the mixed dentition. A slight increase in the distance between the alveolar bone crest and the CEJ was observed in the mesial and lingual aspects of canines adjacent to cleft. Conclusion: In patients with BCLP in the mixed dentition, teeth adjacent to the alveolar cleft are covered by a thin alveolar bone plate. However, the level of alveolar bone crest around these teeth seems to be normal, and no bone dehiscence was identified at this age.

Respiratory syncytial virus (RSV) pneumonia in a southern muriqui (Brachyteles arachnoides)

Background An adult male Brachyteles arachanoides, kept in captivity since 1990, was found dead without apparent clinical evidence. Methods Necropsy report, histopathology, immunohistochemistry, and ultrastructural examination were conducted. Results Pulmonary syncytial cells were positive for respiratory syncytial virus (RSV), and ultrastructural examination revealed viral particles inside macrophages compatible with the Paramyxoviridae family. Conclusions Muriquis are susceptible to RSV pneumonia followed by respiratory distress syndrome and death.

Can an immune-regulatory vaccine prevent HIV infection?

Developing vaccines to prevent the establishment of HIV infection has been fraught with difficulties. It might therefore be important to consider other new strategies. Since several studies suggest that anti-inflammatory stimuli can protect from HIV infection and because HIV replicates preferably in activated T cells, we suggest here that the reduction of immune activation through a HIV-specific regulatory T-cell vaccine might thwart early viral replication. Thus, because immune activation is a good predictor of disease progression and the immune activation set point has been shown to be an early event during HIV infection, vaccinating to achieve control of early virus-specific immune activation might be advantageous.

The genetic diversity of Plasmodium malariae and Plasmodium brasilianum from human, simian and mosquito hosts in Brazil

Plasmodium malariae is a protozoan parasite that causes malaria in humans and is genetically indistinguishable from Plasmodium brasilianum, a parasite infecting New World monkeys in Central and South America. P. malariae has a wide and patchy global distribution in tropical and subtropical regions, being found in South America, Asia, and Africa. However, little is known regarding the genetics of these parasites and the similarity between them could be because until now there are only a very few genomic sequences available from simian Plasmodium species. This study presents the first molecular epidemiological data for P. malariae and P. brasilianum from Brazil obtained from different hosts and uses them to explore the genetic diversity in relation to geographical origin and hosts. By using microsatellite genotyping, we discovered that of the 14 human samples obtained from areas of the Atlantic forest, 5 different multilocus genotypes were recorded, while in a sample from an infected mosquito from the same region a different haplotype was found. We also analyzed the longitudinal change of circulating plasmodial genetic profile in two untreated non-symptomatic patients during a 12-months interval. The circulating genotypes in the two samples from the same patient presented nearly identical multilocus haplotypes (differing by a single locus). The more frequent haplotype persisted for almost 3 years in the human population. The allele Pm09-299 described previously as a genetic marker for South American P. malariae was not found in our samples. Of the 3 non-human primate samples from the Amazon Region, 3 different multilocus genotypes were recorded indicating a greater diversity among isolates of P. brasilianum compared to P. malariae and thus, P. malariae might in fact derive from P. brasilianum as has been proposed in recent studies. Taken together, our data show that based on the microsatellite data there is a relatively restricted polymorphism of P. malariae parasites as opposed to other geographic locations. (c) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Statistical methods for biomedical signal analysis and processing

Statistical modelling and statistical learning theory are two powerful analytical frameworks for analyzing signals and developing efficient processing and classification algorithms. In this thesis, these frameworks are applied for modelling and processing biomedical signals in two different contexts: ultrasound medical imaging systems and primate neural activity analysis and modelling. In the context of ultrasound medical imaging, two main applications are explored: deconvolution of signals measured from a ultrasonic transducer and automatic image segmentation and classification of prostate ultrasound scans. In the former application a stochastic model of the radio frequency signal measured from a ultrasonic transducer is derived. This model is then employed for developing in a statistical framework a regularized deconvolution procedure, for enhancing signal resolution. In the latter application, different statistical models are used to characterize images of prostate tissues, extracting different features. These features are then uses to segment the images in region of interests by means of an automatic procedure based on a statistical model of the extracted features. Finally, machine learning techniques are used for automatic classification of the different region of interests. In the context of neural activity signals, an example of bio-inspired dynamical network was developed to help in studies of motor-related processes in the brain of primate monkeys. The presented model aims to mimic the abstract functionality of a cell population in 7a parietal region of primate monkeys, during the execution of learned behavioural tasks.

Controllo dell'atto di prensione: coinvolgimento dell'area V6A nell'orientamento del polso

Prehension in an act of coordinated reaching and grasping. The reaching component is concerned with bringing the hand to object to be grasped (transport phase); the grasping component refers to the shaping of the hand according to the object features (grasping phase) (Jeannerod, 1981). Reaching and grasping involve different muscles, proximal and distal muscles respectively, and are controlled by different parietofrontal circuit (Jeannerod et al., 1995): a medial circuit, involving area of superior parietal lobule and dorsal premotor area 6 (PMd) (dorsomedial visual stream), is mainly concerned with reaching; a lateral circuit, involving the inferior parietal lobule and ventral premotor area 6 (PMv) (dorsolateral visual stream), with grasping. Area V6A is located in the caudalmost part of the superior parietal lobule, so it belongs to the dorsomedial visual stream; it contains neurons sensitive to visual stimuli (Galletti et al. 1993, 1996, 1999) as well as cells sensitive to the direction of gaze (Galletti et al. 1995) and cells showing saccade-related activity (Nakamura et al. 1999; Kutz et al. 2003). Area V6A contains also arm-reaching neurons likely involved in the control of the direction of the arm during movements towards objects in the peripersonal space (Galletti et al. 1997; Fattori et al. 2001). The present results confirm this finding and demonstrate that during the reach-to-grasp the V6A neurons are also modulated by the orientation of the wrist. Experiments were approved by the Bioethical Committee of the University of Bologna and were performed in accordance with National laws on care and use of laboratory animals and with the European Communities Council Directive of 24th November 1986 (86/609/EEC), recently revised by the Council of Europe guidelines (Appendix A of Convention ETS 123). Experiments were performed in two awake Macaca fascicularis. Each monkey was trained to sit in a primate chair with the head restrained to perform reaching and grasping arm movements in complete darkness while gazing a small fixation point. The object to be grasped was a handle that could have different orientation. We recorded neural activity from 163 neurons of the anterior parietal sulcus; 116/163 (71%) neurons were modulated by the reach-to-grasp task during the execution of the forward movements toward the target (epoch MOV), 111/163 (68%) during the pulling of the handle (epoch HOLD) and 102/163 during the execution of backward movements (epoch M2) (t_test, p ≤ 0.05). About the 45% of the tested cells turned out to be sensitive to the orientation of the handle (one way ANOVA, p ≤ 0.05). To study how the distal components of the movement, such as the hand preshaping during the reaching of the handle, could influence the neuronal discharge, we compared the neuronal activity during the reaching movements towards the same spatial location in reach-to-point and reach-to-grasp tasks. Both tasks required proximal arm movements; only the reach-to-grasp task required distal movements to orient the wrist and to shape the hand to grasp the handle. The 56% of V6A cells showed significant differences in the neural discharge (one way ANOVA, p ≤ 0.05) between the reach-to-point and the reach-to-grasp tasks during MOV, 54% during HOLD and 52% during M2. These data show that reaching and grasping are processed by the same population of neurons, providing evidence that the coordination of reaching and grasping takes place much earlier than previously thought, i.e., in the parieto-occipital cortex. The data here reported are in agreement with results of lesions to the medial posterior parietal cortex in both monkeys and humans, and with recent imaging data in humans, all of them indicating a functional coupling in the control of reaching and grasping by the medial parietofrontal circuit.

Impact of forest fragmentation and disturbance on the endangered tropical tree Prunus africana (Rosaceae)

Anthropogene Fragmentierung und Störung von Wäldern beeinflussen ökologische Prozesse. Darüber hinaus werden genetische Drift und Inzucht verstärkt und die Fitness von Populationen beeinträchtigt. Um die Einflüsse von Fragmentierung und Störung auf die Biodiversität und Prozesse in tropischen Wäldern zu ermitteln, habe ich im „Kakamega Forest“, West-Kenia, die Baumart Prunus africana genauer untersucht. Dabei lag der Fokus auf (i) der Frugivorengemeinschaft und Samenausbreitung, (ii) der Kleinsäugergemeinschaft im Kontext der Samenprädation und (iii) der genetische Populationsstruktur von Keimlingen und adulten Bäumen. Der Vergleich von Keimlingen mit adulten Bäumen ermöglicht es, Veränderungen im Genfluss zwischen Generationen festzustellen. Die Ergebnisse zeigten, dass im untersuchten Waldgebiet insgesamt 49 frugivore Arten (Affen und Vögel) vorkommen. Dabei lag die Gesamtartenzahl im zusammenhängenden Wald höher als in den isoliert liegenden Fragmenten. An den Früchten von P. africana konnten insgesamt 36 Arten fressend beobachtet werden. Hier jedoch wurden in Fragmenten eine leicht erhöhte Frugivorenzahl sowie marginal signifikant erhöhte Samenausbreitungsraten nachgewiesen. Der Vergleich von stark gestörten mit weniger gestörten Flächen zeigte eine höhere Gesamtartenzahl sowie eine signifikant höhere Frugivorenzahl in P. africana in stark gestörten Flächen. Entsprechend war die Samenausbreitungsrate in stark gestörten Flächen marginal signifikant erhöht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die quantitative Samenausbreitung in fragmentierten und gestörten Flächen etwas erhöht ist und somit eine gewisse Artenredundanz besteht, die den Verlust einzelner Arten ausgleichen könnte. Prunus africana Samen, die auf dem Boden lagen, wurden hauptsächlich von einer Nagerart (Praomys cf. jacksonii) erbeutet. Dabei war in gestörten Waldbereichen eine tendenziell höhere Prädatoraktivität zu beobachten als in weniger gestörten. Zudem waren einzelne Samen im Gegensatz zu Samengruppen in gestörten Flächen signifikant höherem Prädationsdruck ausgesetzt. Diese Ergebnisse zeigen, dass Fragmentierung sowie anthropogene Störungen auf unterschiedliche Prozesse im Lebenszyklus eines tropischen Baumes gegensätzliche Effekte haben können. Eine Extrapolation von einem auf einen anderen Prozess kann somit nicht erfolgen. Die genetische Differenzierung der adulten Baumpopulationen war gering (FST = 0.026). Der Großteil ihrer Variation (~ 97 %) lag innerhalb der Populationen, was intensiven Genfluss in der Vergangenheit widerspiegelt. Die genetische Differenzierung der Keimlinge war etwas erhöht (FST = 0.086) und ~ 91 % ihrer Variation lag innerhalb der Populationen. Im Gegensatz zu den adulten Bäumen konnte ich für Keimlinge ein „Isolation-by-distance“-Muster feststellen. Somit sind erste Hinweise auf begrenzten Genfluss im Keimlingsstadium infolge von Fragmentierung gegeben. Obwohl die Momentaufnahmen im Freiland keine Abnahme in der Frugivorenzahl und Samenausbreitung von P. africana als Folge von Fragmentierung beobachten ließen, weisen die Ergebnisse der genetischen Studie auf einen bereits reduzierten Genaustausch zwischen den Populationen hin. Somit lässt sich feststellen, dass die Faktoren Fragmentierung und Störung genetische Diversität, ökologische Prozesse und Artendiversität in Wäldern jeweils auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Um Konsequenzen derartiger Einflüsse folgerichtig abschätzen zu können, sind Studien auf unterschiedlichen Diversitätsebenen unabdingbar.

Vergleichende computergestützte funktionsmorphologische Analyse an Molaren cercopithecoider Primaten

Die Analyse funktioneller Zusammenhänge zwischen Ernährung und Zahnmorphologie ist ein wichtiger Aspekt primatologischer und paläontologischer Forschung. Als überdauernder Teil des Verdauungssystems geben Zähne die bestmöglichen Hinweise auf die Ernährungsstrategien (ausgestorbener) Arten und eine Fülle weiterer Informationen. Aufgrund dessen ist es für die wissenschaftliche Arbeit von größter Bedeutung, die Zähne so detailliert und exakt wie möglich in ihrer gesamten Struktur zu erfassen. Bisher wurden zumeist zweidimensionale Parameter verwendet, um die komplexe Kronenmorphologie von Primatenmolaren vergleichend zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, Zähne verschiedener Arten von Altweltaffen mittels computerbasierter Methoden dreidimensional zu erfassen und neue Parameter zu definieren, mit denen die Form dieser Zähne objektiv erfasst und funktionell interpretiert werden kann. Mit einem Oberflächen-Scanner wurden die Gebisse einer Stichprobe von insgesamt 48 Primaten von fünf verschiedenen Arten eingescannt und mit Bildverarbeitungsmethoden so bearbeitet, dass dreidimensionale digitale Modelle einzelner Backenzähne zur Analyse vorlagen. Es wurden dabei sowohl Arten ausgewählt, die eine für ihre Gattung typische Ernährungsweise besitzen - also Frugivorie bei den Cercopithecinen und Folivorie bei den Colobinen - als auch solche, die eine davon abweichende Alimentation bevorzugen. Alle Altweltaffen haben sehr ähnliche Molaren. Colobinen haben jedoch höhere und spitzere Zahnhöcker, dünneren Zahnschmelz und scheinen ihre Zähne weniger stark abzukauen als die Meerkatzen. Diese Beobachtungen konnten mit Hilfe der neuen Parameter quantifiziert werden. Aus der 3D-Oberfläche und der Grundfläche der Zähne wurde ein Index gebildet, der die Stärke des Oberflächenreliefs angibt. Dieser Index hat bei Colobinen deutlich höhere Werte als bei Cercopithecinen, auch bei Zähnen, die schon stark abgekaut sind. Die Steilheit der Höcker und ihre Ausrichtung wurden außerdem gemessen. Auch diese Winkelmessungen bestätigten das Bild. Je höher der Blätteranteil an der Ernährung ist, desto höher sind die Indexwerte und umso steiler sind die Höcker. Besonders wichtig war es, dies auch für abgekaute Zähne zu bestätigen, die bisher nicht in funktionelle Analysen miteinbezogen wurden. Die Ausrichtung der Höckerseiten gibt Hinweise auf die Kaubewegung, die zum effizienten Zerkleinern der Nahrung notwendig ist. Die Ausrichtung der Höcker der Colobinen deutet darauf hin, dass diese Primaten flache, gleitende Kaubewegungen machen, bei denen die hohen Höcker aneinander vorbei scheren. Dies ist sinnvoll zum Zerschneiden von faserreicher Nahrung wie Blättern. Cercopithecinen scheinen ihre Backenzähne eher wie Mörser und Stößel zu verwenden, um Früchte und Samen zu zerquetschen und zu zermahlen. Je nachdem, was neben der hauptsächlichen Nahrung noch gekaut wird, unterscheiden sich die Arten graduell. Anders als bisher vermutet wurde, konnte gezeigt werden, dass Colobinen trotz des dünnen Zahnschmelzes ihre Zähne weniger stark abkauen und weniger Dentin freigelegt wird. Dies gibt eindeutige Hinweise auf die Unterschiede in der mechanischen Belastung, die während des Kauvorgangs auf die Zähne wirkt, und lässt sich gut mit der Ernährung der Arten in Zusammenhang bringen. Anhand dieser modellhaften Beobachtungen können in Zukunft ausgestorbene Arten hinsichtlich ihrer Ernährungsweise mit 3D-Techniken untersucht werden.

Comparative genomics and phylogenetics of the vertebrate CYP3 family

CYP3A verstoffwechselt mehr als 50% aller gegenwärtig in der Therapie eingesetzten Wirkstoffe, die häufig an klinisch relevanten Arzneimitttel-Wechselwirkungen beteiligt sind. Das Verständnis über die Bedeutung und die Regulation von einzelnen CYP3A Genen in der Pharmakologie und Physiologie ist unvollständig. Wir untersuchten die Evolution des CYP3 Genlokus über einen Zeitraum von 450 Millionen Jahre mittels genomischer Sequenzen von 16 Tierarten. Neue CYP3 Unterfamilien (CYP3B, C und D) entstanden über eine beschleunigte Evolution aus CYP3A Vorstufen von Clupeocephala Spezies. Ausgeprägte funktionelle Unterschiede traten zwischen CYP3A in Säugern und Clupeocephala CYP3 auf. Alle amnioten CYP3A Gene entwickelten sich aus zwei CYP3A Urgenen. Aufgrund der Entstehung von Säugern mit Plazenta ging eines von ihnen verloren während das andere eine neue genomische Umgebung infolge einer Translokation erlangte. In Primaten unterzog sich CYP3A mit mehreren Genduplikationen, Deletionen, Pseudogenisierung und Genkonversionen einer raschen evolutionären Veränderung. Die Entwicklung von CYP3A in Schmalnasenaffen (Alte Welt Affen, große Menschenaffen und Menschen) unterschieden sich wesentlich von Neue Welt Primaten (z.B. gewöhnlichen Krallenaffen) und Feuchtnasenaffen (z.B. Galago). Stellvertretend für die CYP3A Protein-codierende Sequenz entdeckten wir zwei frühe Episoden von besonders starker positiver Selektion: (1) auf CYP3A7 in der frühen hominoiden Evolution, welche im fetalen Zeitraum von einer Einschränkung der hepatischen Expression begleitet war, und (2) auf humanes CYP3A4 im Anschluss an die Teilung der Abstammungslinie in Schimpansen und Mensch. In Übereinstimmung mit diesen Befunden beeinflussen drei von vier positiv ausgewählten Aminosäuren, die in früheren biochemischen CYP3A Studien untersucht wurden, die Aktivität und Regioselektivität. Es ist somit naheliegend, dass CYP3A7 und CYP3A4 katalytische Funktionen erworben haben können, die besonders wichtig waren für die Evolution von Hominoiden und Menschen. Die Charakterisierung von CYP3A Promotoren in Primaten zeigte eine Anreicherung von ER6 Elementen in CYP3A Promotoren von Primaten und einen Trend in Richtung Erhöhung der ER6 Enstehung entlang den Abstammungslinien, die zu humanen und Schimpansen CYP3A4 führten. Die steigende Anzahl an ER6 Elementen kann durch die ausgeprägte CYP3A4 Induzierbarkeit und Expressionsvariabilität im Menschen verursacht sein.

Coding of reaching in 3-D space

Many psychophysical studies suggest that target depth and direction during reaches are processed independently, but the neurophysiological support to this view is so far limited. Here, we investigated the representation of reach depth and direction by single neurons in an area of the medial posterior parietal cortex (V6A). Single-unit activity was recorded from V6A in two Macaca fascicularis monkeys performing a fixation-to-reach task to targets at different depths and directions. We found that in a substantial percentage of V6A neurons depth and direction signals jointly influenced fixation, planning and arm movement-related activity in 3D space. While target depth and direction were equally encoded during fixation, depth tuning became stronger during arm movement planning, execution and target holding. The spatial tuning of fixation activity was often maintained across epochs, and this occurred more frequently in depth. These findings support for the first time the existence of a common neural substrate for the encoding of target depth and direction during reaching movements in the posterior parietal cortex. Present results also highlight the presence in V6A of several types of cells that process independently or jointly eye position and arm movement planning and execution signals in order to control reaches in 3D space. It is possible that depth and direction influence also the metrics of the reach action and that this effect on the reach kinematic variables can account for the spatial tuning we found in V6A neural activity. For this reason, we recorded and analyzed behavioral data when one monkey performed reaching movements in 3-D space. We evaluated how the target spatial position, in particular target depth and target direction, affected the kinematic parameters and trajectories describing the motor action properties.

The role of medial parieto occipital cortex in visuospatial attention and reach planning: electrophysiological studies in human and non-human primates

We usually perform actions in a dynamic environment and changes in the location of a target for an upcoming action require both covert shifts of attention and motor planning update. In this study we tested whether, similarly to oculomotor areas that provide signals for overt and covert attention shifts, covert attention shifts modulate activity in cortical area V6A, which provides a bridge between visual signals and arm-motor control. We performed single cell recordings in monkeys trained to fixate straight-ahead while shifting attention outward to a peripheral cue and inward again to the fixation point. We found that neurons in V6A are influenced by spatial attention demonstrating that visual, motor, and attentional responses can occur in combination in single neurons of V6A. This modulation in an area primarily involved in visuo-motor transformation for reaching suggests that also reach-related regions could directly contribute in the shifts of spatial attention necessary to plan and control goal-directed arm movements. Moreover, to test whether V6A is causally involved in these processes, we have performed a human study using on-line repetitive transcranial magnetic stimulation over the putative human V6A (pV6A) during an attention and a reaching task requiring covert shifts of attention and reaching movements towards cued targets in space. We demonstrate that the pV6A is causally involved in attention reorienting to target detection and that this process interferes with the execution of reaching movements towards unattended targets. The current findings suggest the direct involvement of the action-related dorso-medial visual stream in attentional processes, and a more specific role of V6A in attention reorienting. Therefore, we propose that attention signals are used by the V6A to rapidly update the current motor plan or the ongoing action when a behaviorally relevant object unexpectedly appears at an unattended location.

Serumfreie Collagen-Monolayer- und Sandwich-Kulturen primärer Hepatozyten als ein wertvolles Modell zur Detektion von Toxizität und Arzneimittelwechselwirkungen in vitro

In dieser Arbeit wurden Zellkulturen primärer Hepatozyten von Ratte und Mensch hinsichtlich ihrer Eignung untersucht Speziesunterschiede der toxischen Wirkung und des Metabolismus von Substanzen darzustellen und inwieweit die in vitro-Ergebnisse in vivo vergleichbar bzw. übertragbar sind. Des Weiteren wurde ein Zellkulturmodell entwickelt, das eine Kultivierung von primären Hepatozyten aus Ratte, Mensch und Maus über einen Zeitraum von mindestens einer bis zwei Wochen erlaubt.rnrnDie Zellkulturen primärer Hepatozyten von Ratte und Mensch zeigten deutliche Unterschiede in der substanzinduzierten Veränderung der Genexpression nach Behandlung mit den, vor allem für den Menschen, lebertoxischen Substanzen Diclofenac und Troglitazon. Diese Unterschiede traten hauptsächlich in der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme sowie deren transkriptionsregulierenden Kernrezeptoren in den humanen Hepatozyten auf. Ebenso war eine verstärkte Stressantwort zu beobachten.rnDeutliche Speziesunterschiede konnten ebenso in der Wirkung der Arzneimittelentwicklungssubstanz EMD 392949 auf die Aktivität bzw. Genexpression von Cytochrom P450 Enzymen sowie deren Regulatoren nachgewiesen werden. Des Weiteren konnte hier eine sehr gute Übereinstimmung der Ergebnisse aus den Zellkulturen primärer Ratten- bzw. Humanhepatozyten mit jenen aus in vivo-Experimenten mit Ratten bzw. Affen (Macaca fascicularis) beobachtet werden, was die Aussagekraft der Primärkulturen verdeutlichte.rnDie große Übereinstimmung zwischen Enzymaktivität und Genexpression in der Induktion fremdstoffmetabolisierender Enzyme konnte durch die Behandlung mit einer Reihe speziesspezifischer Induktoren in Zellkulturen primärer Ratten- bzw. Humanhepatozyten bestätigt werden; vor allem nach dem von der amerikanischen Arzneimittelzulassungsbehörde (FDA, Food and Drug Administartion) vorgeschlagenen Bewertungsschema zur Untersuchung der CYP-Induktion.rnrnDie Lebensdauer sowie der Differenzierungsgrad von primären Hepatozyten in Kultur sind stark abhängig von den Zellkulturbedingungen. Durch diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass spezifische Eigenschaften von Rattenleberzellen durch Kultivierung in einem Sandwich aus zwei hydratisierten Collagengelschichten und unter serumfreien Bedingungen für einen Zeitraum von mindestens zwei Wochen aufrechterhalten werden können. Dieses Kulturmodel konnte auf Primärhepatozyten von Mensch und Maus übertragen werden und erweitert die möglichen Anwendungen hin zu einer Behandlung über einen längeren Zeitraum und der Untersuchung von subchronischen Effekten.rn

Spatio-temporal credit assignment in population learning

Learning by reinforcement is important in shaping animal behavior, and in particular in behavioral decision making. Such decision making is likely to involve the integration of many synaptic events in space and time. However, using a single reinforcement signal to modulate synaptic plasticity, as suggested in classical reinforcement learning algorithms, a twofold problem arises. Different synapses will have contributed differently to the behavioral decision, and even for one and the same synapse, releases at different times may have had different effects. Here we present a plasticity rule which solves this spatio-temporal credit assignment problem in a population of spiking neurons. The learning rule is spike-time dependent and maximizes the expected reward by following its stochastic gradient. Synaptic plasticity is modulated not only by the reward, but also by a population feedback signal. While this additional signal solves the spatial component of the problem, the temporal one is solved by means of synaptic eligibility traces. In contrast to temporal difference (TD) based approaches to reinforcement learning, our rule is explicit with regard to the assumed biophysical mechanisms. Neurotransmitter concentrations determine plasticity and learning occurs fully online. Further, it works even if the task to be learned is non-Markovian, i.e. when reinforcement is not determined by the current state of the system but may also depend on past events. The performance of the model is assessed by studying three non-Markovian tasks. In the first task, the reward is delayed beyond the last action with non-related stimuli and actions appearing in between. The second task involves an action sequence which is itself extended in time and reward is only delivered at the last action, as it is the case in any type of board-game. The third task is the inspection game that has been studied in neuroeconomics, where an inspector tries to prevent a worker from shirking. Applying our algorithm to this game yields a learning behavior which is consistent with behavioral data from humans and monkeys, revealing themselves properties of a mixed Nash equilibrium. The examples show that our neuronal implementation of reward based learning copes with delayed and stochastic reward delivery, and also with the learning of mixed strategies in two-opponent games.