510 Mathematik
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Changes in the efficacies of synapses are thought to be the neurobiological basis of learning and memory. The efficacy of a synapse depends on its current number of neurotransmitter receptors. Recent experiments have shown that these receptors are highly dynamic, moving back and forth between synapses on time scales of seconds and minutes. This suggests spontaneous fluctuations in synaptic efficacies and a competition of nearby synapses for available receptors. Here we propose a mathematical model of this competition of synapses for neurotransmitter receptors from a local dendritic pool. Using minimal assumptions, the model produces a fast multiplicative scaling behavior of synapses. Furthermore, the model explains a transient form of heterosynaptic plasticity and predicts that its amount is inversely related to the size of the local receptor pool. Overall, our model reveals logistical tradeoffs during the induction of synaptic plasticity due to the rapid exchange of neurotransmitter receptors between synapses.
Changes in the efficacies of synapses are thought to be the neurobiological basis of learning and memory. The efficacy of a synapse depends on its current number of neurotransmitter receptors. Recent experiments have shown that these receptors are highly dynamic, moving back and forth between synapses on time scales of seconds and minutes. This suggests spontaneous fluctuations in synaptic efficacies and a competition of nearby synapses for available receptors. Here we propose a mathematical model of this competition of synapses for neurotransmitter receptors from a local dendritic pool. Using minimal assumptions, the model produces a fast multiplicative scaling behavior of synapses. Furthermore, the model explains a transient form of heterosynaptic plasticity and predicts that its amount is inversely related to the size of the local receptor pool. Overall, our model reveals logistical tradeoffs during the induction of synaptic plasticity due to the rapid exchange of neurotransmitter receptors between synapses.
Volatility is a widely recognized measure of market risk. As volatility is not observed it has to be estimated from market prices, i.e., as the implied volatility from option prices. The volatility index VIX making volatility a tradeable asset in its own right is computed from near- and next-term put and call options on the S&P 500 with more than 23 days and less than 37 days to expiration and non-vanishing bid. In the present paper we quantify the information content of the constituents of the VIX about the volatility of the S&P 500 in terms of the Fisher information matrix. Assuming that observed option prices are centered on the theoretical price provided by Heston's model perturbed by additive Gaussian noise we relate their Fisher information matrix to the Greeks in the Heston model. We find that the prices of options contained in the VIX basket allow for reliable estimates of the volatility of the S&P 500 with negligible uncertainty as long as volatility is large enough. Interestingly, if volatility drops below a critical value of roughly 3%, inferences from option prices become imprecise because Vega, the derivative of a European option w.r.t. volatility, and thereby the Fisher information nearly vanishes.
Biologische Signalwege bilden komplexe Netzwerke aus, um die Zellantwort sensibel regulieren zu können. Systembiologische Ansätze werden eingesetzt, um biologische Systeme anhand von Computer-gestützten Modellen zu untersuchen. Ein mathematisches Modell erlaubt, neben der logischen Erfassung der Regulation des biologischen Systems, die systemweite Simulation des dynamischen Verhaltens und Analyse der Robustheit und Anfälligkeit.
Der TNFR1-vermittelte Signalweg reguliert essenzielle Zellvorgänge wie Entzündungsantworten,
Proliferation und Zelltod. TNFR1 wird von dem Zytokin TNF-α stimuliert und fördert daraufhin die Bildung verschiedener makromolekularer Komplexe, welche unterschiedliche Zellantworten einleiten, von der Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB, welcher die Expression von proliferationsfördernden Genen reguliert, bis zu zwei Formen des Zelltods, der Apoptose und der Nekroptose. Die Regulation der verschiedenen Zellantworten wird auch als molekularer Schalter bezeichnet. Die exakten molekularen Vorgänge, welche die Zellantwort modulieren, sind noch nicht vollständig entschlüsselt. Eine Fehlregulation des Signalwegs kann chronische Entzündungen hervorrufen oder die Entstehung von Tumoren fördern.
In dieser Thesis haben wir die neuesten Erkenntnisse der Forschung des TNFR1-Signalwegs anhand von umfangreichen Interaktionsdaten aus der Literatur erstmals in einem Petrinetz-Modell erfasst und analysiert. Das manuell kuratierte Modell umfasst die sequenziellen Prozesse der NF-κB-Aktivierung, Apoptose und Nekroptose und berücksichtigt den Einfluss posttranslationaler Modifikationen.
Weiterhin wurden Analysemethoden für Signalwegs-Modelle entwickelt, welche die spezifischen Anforderungen dieser biologischen Systeme berücksichtigen und eine biologisch motivierte Netzwerkanalyse ermöglichen. Die Manatee-Invarianten identifizieren Signalflüsse im Gleichgewichtszustand in Modellen, die Zyklen aufweisen, und werden als Linearkombination von Transitions-Invarianten gebildet. Diese Signalflüsse erfassen idealerweise einen Prozess von der Rezeptorstimulation zur Zellantwort in einem Modell eines Signalwegs. Die Bestimmung aller möglichen Signalflüsse in Modellen von Signalwegen ist eine notwendige Voraussetzung für weitere biologisch motivierte Analysen, wie die in silico-Knockout Analyse. Wir haben ebenfalls ein neues Konzept zur Untersuchung von in silico-Knockouts vorgestellt. Die Effekte der in silico-Knockouts auf einzelne Komplexe und Prozesse des Signalwegs werden in der in silico-Knockout-Matrix repräsentiert. Wir haben die Software-Anwendung isiKnock entwickelt, welche beide Konzepte kombiniert und eine systematische Knockout-Analyse von Petrinetz-Modellen unterstützt.
Das Petrinetz-Modell des TNFR1-Signalwegs wurde auf seine elementaren Eigenschaften geprüft und die etablierten Analysen wie Platz-Invarianten und Transitions-Invarianten durchgeführt. Hierbei konnten die Transitions-Invarianten nicht in allen Fällen komplette biologische Signalflüsse beschreiben. Wir haben ebenfalls die neu vorgestellten Methoden auf das Petrinetz-Modell angewandt. Anhand der Manatee-Invarianten konnten wir die zusammenhängenden Signalflüsse identifizieren und nach ihrem biologischen Ausgang klassifizieren sowie die Auswirkungen der Rückkopplungen untersuchen. Wir konnten zeigen, dass die survival-Antwort durch die Aktivierung von NF-κB am häufigsten auftritt, danach die Apoptose, gefolgt von der Nekroptose. Die alternativen Signalflüsse in Form der Manatee-Invarianten spiegeln die Robustheit des biologischen Systems wider. Wir führten eine ausgiebige in silico-Knockout-Analyse basierend auf den Manatee-Invarianten durch, um die Proteine des Signalwegs nach ihrem Einfluss einzustufen und zu gruppieren. Die Proteine des Komplex I wiesen hierbei den größten Einfluss auf, angeführt von der Rezeptorstimulation und RIP1. Wir betrachteten und diskutierten die Regulation des molekularen Schalters anhand der Knockout-Analyse von selektierten Proteinen und deren Auswirkung auf wichtige Komplexe im Modell. Wir identifizierten die Ubiquitinierung in Komplex I sowie die NF-κB-abhängige Genexpression als die wichtigen Kontrollpunkte des TNFR1-Signalwegs. In Komplex II ist die Regulation der Aktivierung der Caspase-Aktivität entscheidend.
Die umfangreiche Netzwerkanalyse basierend auf Manatee-Invarianten und systematischer in silico-Knockout-Analyse verifizierte das Petrinetz-Modell und erlaubte die Untersuchung der Robustheit und Anfälligkeit des Systems. Die neu entwickelten Methoden ermöglichen eine fundierte, biologisch relevante Untersuchung von in silico-Modellen von Signalwegen. Der systembiologische Ansatz unterstützt die Aufklärung der Regulation und Funktion des verflochtenen Netzwerks des TNFR1-Signalwegs.
Strong convergence rates for numerical approximations of stochastic partial differential equations
(2018)
In this thesis and in the research articles which this thesis consists of, respectively, we focus on strong convergence rates for numerical approximations of stochastic partial differential equations (SPDEs). In Part I of this thesis, i.e., Chapter 2 and Chapter 3, we study higher order numerical schemes for SPDEs with multiplicative trace class noise based on suitable Taylor expansions of the Lipschitz continuous coefficients of the SPDEs under consideration. More precisely, Chapter 2 proves strong convergence rates for a linear implicit Euler-Milstein scheme for SPDEs and is based on an unpublished manuscript written by the author of this thesis. This chapter extends an earlier result1 by slightly lowering the assumptions posed on the diffusion coefficient and a different approximation of the semigroup. In Chapter 3 we introduce an exponential Wagner-Platen type numerical scheme for SPDEs and prove that this numerical approximation method converges in the strong sense with oder up to 3/2−. Moreover, we illustrate how the (mixed) iterated stochastic-deterministic integrals, that are part of our numerical scheme, can be simulated exactly under suitable assumptions.
The second part of this thesis, i.e. Chapter 4 and Chapter 5, is devoted to strong convergence rates for numerical approximations of SPDEs with superlinearly growing nonlinearities driven by additive space-time white noise. More specifically, in Chapter 4, we prove strong convergence with rate in the time variable for a class of nonlinearity-truncated numerical approximation schemes for SPDEs and provide examples that fit into our abstract setting like stochastic Allen-Cahn equations. Finally, in Chapter 5, we extend this result with spatial approximations and establish strong convergence rates for a class of full-discrete nonlinearity truncated numerical approximation schemes for SPDEs. Moreover, we apply our strong convergence result to stochastic Allen-Cahn equations and provide lower and upper bounds which show that our strong convergence result can, in general, not essentially be improved.
Die digitale Pathologie ist ein neues, aber stetig wachsendes, Feld in der Medizin. Die kontinuierliche Entwicklung von verbesserten digitalen Scannern erlaubt heute das Abscannen von kompletten Gewebeschnitten und Whole Slide Images gewinnen an Bedeutung. Ziel dieser Arbeit ist die Methodenentwicklung zur Analyse von Whole Slide Images des klassischen Hodgkin Lymphoms. Das Hodgkin-Lymphom, oder Morbus Hodgkin, ist eine Tumorerkrankung des Lymphsystems, bei der die monoklonalen Tumorzellen in der Regel von B-Lymphozyten im Vorläuferstadium abstammen.
Etwas mehr als 9.000 Hodgkin-Lymphom-Fälle werden jährlich in den USA diagnostiziert. Zwar ist die 5-Jahre-Überlebensrate für Hodgkin-Lymphome mit 85,3 % vergleichsweise hoch, dennoch werden etwa 1.100 Todesfälle pro Jahr in den USA registriert. Auf mikroskopischer Ebene sind die Hodgkin-Reed-Sternberg Zellen (HRS-Zellen) typisch für das klassische Hodgkin Lymphom. HRS-Zellen haben einen oder mehrere Zellkerne, die stark vergrößert sind und eine grobe Chromatinstruktur aufweisen. Immunhistologisch gibt es für HRS-Zellen charakterisierende Marker, so sind HRS-Zellen positiv für den Aktivierungsmarker CD30.
Neben der konventionellen Mikroskopie, ermöglichen Scanner das Digitalisieren von ganzen Objektträgern (Whole Slide Image). Whole Slide Images werden bisher wenig in der Routinediagnostik eingesetzt. Ein großer Vorteil von digitalisierten Gewebeschnitten bietet sich bei der computergestützten Analyse. Automatisierte Bildanalyseverfahren wie Zellerkennung können Pathologen bei der Diagnose unterstützen, indem sie umfassende Statistiken zur Anzahl und Verteilung von immungefärbten Zellen bereitstellen.
Die untersuchten immunohistologischen Bilder wurden vom Dr. Senckenbergisches Institut für Pathologie des Universitätsklinikums Frankfurt bereit gestellt. Die betrachteten Gewebeschnitte sind gegen CD30 immungefärbt, einem Membranrezeptor, welcher in HRS-Zellen und aktivierten Lymphozyten exprimiert wird. Die Gewebeschnitte wurden mit einem Aperio ScanScope slide scanner digitalisiert und liegen mit einer hohen Auflösung von 0,25 μm pro Pixel vor. Bei den vorliegenden Gewebeschnittgrößen ergeben sich Bilder mit bis zu 90.000 x 90.000 Pixeln.
Der untersuchte Bilddatensatz umfasst 35 Bilder von Lymphknotengewebeschnitten der drei Krankheitsbilder: Gemischtzelliges klassisches Hodgkinlymphom, noduläres klassisches Hodgkinlymphom und Lymphadenitis. Die Bildverarbeitungspipeline wurden teils neu implementiert, teils von etablierten Bilderkennungssoftware und -bibliotheken wie CellProfiler und Java Advanced Imaging verwendet. CD30-positive Zellobjekte werden in den Gewebeschnitten automatisiert erkannt und neben der globalen Position im Whole Slide Image weitere Morphologiedeskriptoren berechnet, wie Fläche, Feret-Durchmesser, Exzentrität und Solidität. Die Zellerkennung zeigt mit 84 % eine hohe Präzision und mit 95 % eine sehr gute Sensitivität.
Es konnte gezeigt werden, dass in Lymphadenitisfällen im Schnitt deutlich weniger CD30- positive Zellen präsent sind als in klassisches Hodgkinlymphom. Während hier im Schnitt nur rund 3.000 Zellen gefunden wurden, lag der Durchschnitt für das Mischtyp klassisches Hodgkinlymphom bei rund 19.000 CD30 positiven Zellen. Während die CD30-positiven Zellen in Lymphadenitisfällen relativ gleichmäßig verteilt sind, bilden diese in klassischen Hodgkinlymphom-Fällen Zellcluster höherer Dichte.
Die berechneten Morphologiedeskriptoren bieten die Möglichkeit die Gewebeschnitte und den Krankheitsverlauf näher zu beschreiben. Zudem sind bisher Größe und Erscheinungsbild der HRS-Zellen hauptsächlich anhand manuell ausgewählter Zellen bestimmt worden. Ein Maß für die Ausdehnung der Zellen ist der maximale Feret-Durchmesser. Bei CD30-Zellen im klassischen Hodgkinlymphom liegt dieser im Durchschnitt bei 20 μm und ist somit deutlich größer als die durchschnittlich gemessenen 15 μm in Lymphadenitis.
Es wurde ein graphentheoretischer Ansatz gewählt, um die CD30 positiven Zellen und ihre räumliche Nachbarschaft zu modellieren. In CD30-Zellgraphen von klassischen Hodgkinlymphom-Gewebeschnitten ist der durchschnittliche Knotengrad gegenüber den von Lymphadenitis-Bildern stark erhöht. Der Vergleich mit Zufallsgraphen zeigt, dass die beobachteten Knotengradverteilungen nicht für eine zufällige Verteilung der Zellen im Gewebeschnitt sprechen. Eigenschaften und Verteilung von Communities in CD30-Zellgraphen können hinzugenommen werden, um klassisches Hodgkinlymphom Gewebeschnitte näher zu charakterisieren.
Diese Arbeit zeigt, dass die Auswertung von Whole Slide Image unterstützend zur Verbesserung der Diagnose möglich ist. Die mehr als 400.000 automatisch erkannten CD30-positiven Zellobjekte wurden morphologisch beschrieben, und zusammen mit ihrer Position im Gewebeschnitt ist die Betrachtung wichtiger Eigenschaften des klassischen Hodgkinlymphoms realisierbar. Zellgraphen können durch weitere Zelltypen erweitert werden und auf andere Krankheitsbilder angewendet werden.
Precise timing of spikes between different neurons has been found to convey reliable information beyond the spike count. In contrast, the role of small phase delays with high temporal variability, as reported for example in oscillatory activity in the visual cortex, remains largely unclear. This issue becomes particularly important considering the high speed of neuronal information processing, which is assumed to be based on only a few milliseconds, or oscillation cycles within each processing step.
We investigate the role of small and imprecise phase delays with a stochastic spiking model that is strongly motivated by experimental observations. Within individual oscillation cycles the model contains only two signal parameters describing directly the rate and the phase. We specifically investigate two quantities, the probability of correct stimulus detection and the probability of correct change point detection, as a function of these signal parameters and within short periods of time such as individual oscillation cycles.
Optimal combinations of the signal parameters are derived that maximize these probabilities and enable comparison of pure rate, pure phase and combined codes. In particular, the gain in detection probability when adding imprecise phases to pure rate coding increases with the number of stimuli. More interestingly, imprecise phase delays can considerably improve the process of detecting changes in the stimulus, while also decreasing the probability of false alarms and thus, increasing robustness and speed of change point detection.
The results are applied to parameters extracted from empirical spike train recordings of neurons in the visual cortex in response to a number of visual stimuli. The results suggest that near-optimal combinations of rate and phase parameters can be implemented in the brain, and that phase parameters could particularly increase the quality of change point detection in cases of highly similar stimuli.
The thesis is about random Constraint Satisfaction Problems (rCSP). These are random instances of classical problems in NP. In the literature the study of rCSP involve identifying-locating phase transition phenomena as well as investigating algorithmic questions.
Recently, some ingenious however mathematically non-rigorous theories from statistical physics have given the study of rCSP a new perspective; the so-called Cavity Method makes some very impressing predictions about the most fundamental properties of rCSP.
In this thesis, we investigate the soundness of some of the most basic predictions of the Cavity Method, mainly, regarding the structure of the so-called Gibbs distribution on various rCSP models. Furthermore, we study some fundamental algorithmic problem related to rCSP. This includes both analysing well-known dynamical process (dynamics) like Glauber Dynamics, Metropolis Process, as well as proposing new algorithmic approaches to some natural problems related to rCSP.