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This Ph. D. thesis with the title "Characterisation of laser-driven radiation beams: Gamma-ray dosimetry and Monte Carlo simulations of optimised target geometry for record-breaking efficiency of MeV gamma-sources" is dedicated to the study of the acceleration of electrons by intense sub-picosecond laser pulses propagating in a sub-millimeter plasma with near-critical electron density (NCD) and resulting generation of the gamma bremsstrahlung and positrons in the targets of different materials and thickness.
Laser-driven particle acceleration is an area of increasing scientific interest since the recent development of short pulse, high-intensity laser systems. The interaction of intense high-energy, short-pulse lasers with solid targets leads to the production of high-energy electrons in the relativistic laser intensity regime of more than 1018 W /cm2. These electrons play the leading role in the first stage of the interaction of laser with matter, which leads to the creation of laser sources of particles and radiation. Therefore, the optimisation of the electron beam parameters in the direction of increasing the effective temperature and beam charge, together with a slight divergence, plays a decisive role, especially for further detection and characterisation of laser-driven photon and positron beams.
In the context of this work, experiments were carried out at the PHELIX laser system (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion eXperiments) at GSI Helmholtz Center for Heavy-Ion Research GmbH in Darmstadt, Germany. This thesis presents a thermoluminescence dosimetry (TLD) based method for the measurement of bremsstrahlung spectra in the energy range from 30 keV to 100 MeV. The results of the TLD measurements reinforced the observed tendency towards the strong increase of the mean electron energy and number of super-ponderomotive electrons. In the case of laser interaction with long-scale NCD-plasmas, the dose caused by the gamma-radiation measured in the direction of the laser pulse propagation showed a 1000-fold increase compared to the high contrast shots onto plane foils and doses measured perpendicular to the laser propagation direction for all used combinations of targets and laser parameters.
In this thesis I present novel characterisation method using a combination of TLD measurements and Monte Carlo FLUKA simulations applicable to laser-driven beams. The thermoluminescence detector-based spectrometry method for simultaneous detection of electrons and photons from relativistic laser-induced plasmas initially developed by Behrens et al. (Behrens et al., 2003) and further applied in experiments at PHELIX laser (Horst et al., 2015) delivered good spectral information from keV energies up to some MeV, but as it was presented in (Horst et al., 2015) this method was not really suitable to resolve the content of photon spectra above 10 MeV because of the dominant presence of electrons. Therefore, I created new evaluation method of the incident electron spectra from the readings of TLDs. For this purpose, by means of MatLab programming language an unfolding algorithm was written. It was based on a sequential enumeration of matching data series of the dose values measured by the dosimeters and calculated with of FLUKA-simulations. The significant advantage of this method is the ability to obtain the spectrum of incident electrons in the low energy range from 1 keV, which is very difficult to measure reliably using traditional electron spectrometers.
The results of the evaluation of the effective temperature of super-ponderomotive electrons retrieved from the measured TLD-doses by means of the Monte-Carlo simulations demonstrated, that application of low density polymer foam layers irradiated by the relativistic sub-ps laser pulse provided a strong increase of the electron effective temperature from 1.5 - 2 MeV in the case of the relativistic laser interaction with a metallic foil up to 13 MeV for the laser shots onto the pre-ionized foam and more than 10 times higher charge carried by relativistic electrons.
The progressive simulation method of whole electron spectra described with two -temperatures Maxwellian distribution function has been developed and the results of dose simulations were compared with the acquired experimental data. The advanced feature of this method, which distinguishes it from the results of the simulation of the photon spectrum using the interaction with the target of mono-energetic electron beams (Nilgün Demir, 2013; Nilgün Demir, 2019) or the initial electron spectrum expressed as a function of one electron temperature (Fiorini, 2012), is the ability to simulate the initial electron spectrum described by the Maxwellian distribution function with two temperatures.
The important objective of this thesis was dedicated to the study and characterisation of laser-driven photon beams. In addition to this, the positron beams were evaluated. The investigation of bremsstrahlung photons and positrons spectra from high Z targets by varying the target thickness from 10 µm to 4 mm in simulated models of the interactions of electron spectra with Maxwellian distribution functions allowed to define an optimal thickness when the fluences of photons and positrons are maximal. Furthermore based on the results of FLUKA simulations the gold material was found to be the most suitable for the future experiments as e − γ target because of its highest bremsstrahlung yield.
Additionally Monte Carlo simulations were performed applying the obtained electron beam parameters from the electron acceleration process in laser-plasma interactions simulated with particle-in-cell (PIC) code for two laser energies of 20 J and 200 J. The corresponding electron spectra were imported into a Monte Carlo code FLUKA to simulate the production process of bremsstrahlung photons and positrons in Au converter. FLUKA simulations showed the record conversion of efficiency in MeV gammas can reach 10%, which reinforces the generation of positrons. The obtained results demonstrate the advantages of long-scale plasmas of near critical density (NCD) to increase the parameters of MeV particles and photon beams generated in relativistic laser-plasma interaction. The efficiency of the laser-driven generation of MeV electrons and photons by application of low-density polymer foams is essentially enhanced.
Herzkreislauferkrankungen führen weltweit weiterhin die Liste der häufigsten Todesursachen an. Dem frühzeitigen Erkennen kardialer Veränderungen kommt daher eine besondere Bedeutung zu. Das Erkennen subklinischer Veränderungen des Myokards mit Hilfe des myokardialen T1 Mappings und der Strain Analyse in der kardialen MRT mit der Bestimmung der Korrelation von T1 Mapping und Veränderung des myokardialen Strains war das primäre Ziel der vorliegenden Arbeit. Das native T1 Mapping sollte dabei diffuse kardiale Fibrose erkennen, während die Strainparameter zur Analyse der subtilen kardialen Funktion dienten. Wenn eine vermehrte diffuse Fibrose eine Einschränkung der myokardialen Funktion bedeutet, so müssten sich das native T1 Mapping und die Strainparameter gleichsinnig verändern.
Eingeschlossen in die Untersuchung wurden Patienten, die im Rahmen ihres Klinikaufenthaltes an der Kerckhoff-Klinik Bad Nauheim ein kardiales MRT erhielten und ihre Zustimmung zur Aufnahme in das geführte Register gaben. Alle durchgeführten MRT-Untersuchungen besaßen dabei eine medizinische Indikation. Die Untersuchung umfasste eine Blutentnahme sowie die Bildakquisition und das Ausfüllen eines Fragebogens. In der anschließenden Bildauswertung wurden das native T1 Mapping, eine Featuretrackinganalyse, sowie die reguläre diagnostische Beurteilung durch einen Facharzt durchgeführt. Die Patienten wurden anschließend nach ihren Diagnosen in Gruppen eingeteilt. Ein Jahr nach ihrer Untersuchung wurden die Patienten kontaktiert und erneut befragt, um den Anteil an „major adverse cerebro- and cardiovasculare events“ (MACCE) und der Gesamtsterblichkeit am Gesamtkollektiv festzustellen.
Es zeigten sich signifikante Zusammenhänge zwischen nativem T1 Mapping und den Strainparametern, ebenso wie signifikante Zusammenhänge von schwächerer Effektstärke zwischen ECV und den Strainparametern. Das erhöhte native T1 Mapping ging mit verringerten Strainparametern einher, was auf eine vermehrte Fibrose schließen lässt. In der Überlebensanalyse bezüglich des allgemeinen Überlebens zeigte sich nur das native T1 Mapping als unabhängiger Prädiktor, während bei den MACCE zusätzlich auch die Anzahl der betroffenen Segmente im „late gardolinium enhancement“ (LGE) einen unabhängigen Prädiktor darstellten. Der globale longitudinale Strain (GLS) verfehlte bezüglich der MACCE knapp das Signifikanzniveau, zeigte aber eine Tendenz zur Signifikanz.
Natives T1 Mapping und, in begrenztem Maße, möglicherweise auch der Strain haben eine besondere Rolle in der Diagnostik und können bereits früh kardiale Veränderungen detektieren. Da die erhöhten T1 Zeiten als Marker für morphologische Veränderungen mit den Strains als funktionelle Parameter korrelierten, lässt sich spekulieren, dass Fibrose eine Einschränkung der Funktion bedingt.
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der türkischen Musikpolitik in der Zeit von Atatürk und seinem Auftrag insbesondere an den Komponisten, Ahmed Adnan Saygun, im Rahmen der vielfältigen Reformen in der jungen türkischen Republik, eine zeitgenössische türkische Kunstmusik zu schaffen. Mit dem Begriff des Kulturtransfers wird die Umsetzung von Atatürks Musikpolitik beschrieben, der auf die Entwicklung der Musik im 19. Jahrhundert, dem Zeitalter des sogenannten Nationalismus, zurückgreift und mit dem Kulturtransfer anderer Nationen verglichen wurde. Neben Saygun wurde auch das Wirken von vier anderen türkischen Komponisten, die mit Saygun die sogenannten ‚Türkischen Fünf‘ bildeten, erwähnt, die diesen Auftrag Atatürks sehr unterschiedlich umsetzten in einer Zeit der gesellschaftlichen Veränderungen und des ‚Kulturkampfs‘. In diesem Zusammenhang wurden die fünf Sinfonien von Saygun analysiert, der als ein Vorbild und Pionier fast aller Arten türkisch-klassischer Musik im Rahmen dieser musikalischen Revolution angesehen werden kann.
Saygun hat in Zusammenarbeit mit Béla Bartók türkische Volkslieder aufgenommen, verschriftlicht und systematisiert. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, wie Saygun, der die türkische Kunst- und Volksmusik sowie in Paris die westeuropäische klassische Musik studiert hat, diese mit Mitteln klassischer Musikformen verbindet. Anhand der fünf Sinfonien von Ahmed Adnan Saygun wird gezeigt, dass er nicht nur als Komponist, sondern auch als Musikethnologe eine führende Rolle in der zeitgenössischen türkischen Kunstmusik übernahm und über den Kulturtransfer hinaus eine eigene ‚musikalische Sprache‘ entwickelte.
Eine der wichtigsten Quellen dieser Arbeit sind die handschriftlichen Partituren der Sinfonien und die Originalartikel von Ahmed Adnan Saygun, insbesondere Sayguns handgeschriebene Artikel ‚Orkestra‘ (dt.: Orchester) und die Artikelsammlung ‚Yalan‘ (dt.: Lüge), die in die deutsche Sprache übersetzt wurden. Als Ergebnisse der Analyse und Interpretation dieser und anderer Quellen, konnten Methoden aufgezeigt werden, die in Sayguns Werke und insbesondere in seinen Sinfonien in rhythmischen, melodischen, harmonischen und motivisch-thematischen Strukturkonstruktionen verwendet und als Beispiele einer zeitgenössischen türkischen Kunstmusik interpretiert werden. Dabei wurde herausgearbeitet, wie Saygun Elemente der türkischen Kunst- und Volksmusik verwendete, diese zunächst in tradierte Formen westeuropäischer klassischer Musik einbettete, um unter Hinzuziehung von eigenen kunstphilosophischen Ansätzen eine Form von ‚universaler Musik‘ zu kreieren.
Mechanistic characterization of photoisomerization reactions in organic molecules and photoreceptors
(2023)
In dieser Arbeit wurden verschiedene Einflüsse auf die Dynamik von Photoisomerisierungen in Phytochromen und indigoiden Photoschaltern untersucht. Beide Forschungsgebiete teilen wesentliche Aspekte wie die Kontrolle durch sterische Wechselwirkungen und den starken Einfluss der Polarität oder der ionischen Umgebung.
Auf dem Gebiet der Phytochrome wurde die relative Positionierung der knotenlosen Phytochrome innerhalb der Superfamilie der Phytochrome in Bezug auf ihre Photodynamik und den Effekt von Grundzustandsheterogenität herausgearbeitet. Es wurde anhand von ultraschnellen, zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten der einzelnen GAF-Domäne All2699g1 im Vergleich mit dem vollständigen knotenlosen Phytochrom All2699g1g2 und dem strukturell ähnlichen knotenlosen Phytochrom SynCph2 gezeigt, dass knotenlose Phytochrome in ihrer Vorwärtsdynamik eine komplexe mehrphasige Kinetik mit einem langlebigen angeregten Zustand (~100 ps) aufweisen. Die beobachtete mehrphasige Kinetik konnte einer initialen Chromophordynamik sowie einer nicht exponentiellen Reorganisation der chromophor-umgebenden Proteinmatrix zugeordnet werden. Dies steht im starken Kontrast zur im Gebiet der Phytochrome etablierten Beschreibung derartiger mehrphasiger Kinetiken mittels heterogener Grundzustände. Stattdessen wurde ein konserviertes kinetisches Muster identifiziert, welches die mehrphasige Dynamik beschreibt und in allen in dieser Arbeit untersuchten Phytochrome beobachtet wurde. Zudem konnte dieses Muster in einem Phytochrom der Gruppe I und einem Phytochrom der Gruppe III, die einen ähnlichen Pr Dunkelzustand aufweisen, gezeigt werden, was eine breite Anwendbarkeit des damit verbundenen Mechanismus vermuten lässt. Weiterhin konnte die zentrale Rolle eines konservierten Tyrosins in der Photoisomerisierung anhand von Mutationsstudien in All2699g1 herausgearbeitet werden. Diese konservierte Aminosäure muss im Rahmen der Reorganisation der Proteinmatrix vom Chromophor weggezogen werden, damit die sterische Blockade abgebaut werden kann, die die Isomerisierung des Chromophors zunächst verhindert. Da diese Bewegung von diversen Faktoren in der den Chromophor umgebenden Proteinmatrix abhängt, weist sie eine nicht exponentielle Kinetik auf, die je nach Phytochrom, der spezifischen Flexibilität und dem vorhandenen Raum in der Bindetasche unterschiedliche Lebenszeiten aufweist.
Die Rückreaktion knotenloser Phytochrome konnte ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert werden, welche im Pikosekundenbereich abläuft, und damit signifikant schneller ist als die Vorwärtsreaktion. Im Gegensatz zur Vorwärtsreaktion nimmt Grundzustandsheterogenität in der Rückreaktion eine weitaus bedeutendere Rolle ein. Hier weisen die in All2699g1 vorhandenen heterogenen Grundzustandspopulationen jeweils eine eigene Kinetik ihres angeregten Zustands auf, während die homogenen Grundzustände von All2699g1g2 und SynCph2 jeweils nur einen Zerfall des angeregten Zustands zeigen. Der Ursprung dieser Heterogenität konnte im Wasserstoffbrückennetzwerk des Chromophors lokalisiert und mit dem konservierten Tyrosin und einem konservierten Serin in der PHY-Domäne verknüpft werden. Die Anwesenheit der PHY-Domäne sorgt demnach für eine Verringerung der Grundzustandsheterogenität und des vorhandenen Raums in der Bindetasche, wodurch die Effizienz der Photoreaktion optimiert wird.
Zuletzt konnte die Millisekundendynamik knotenloser Phytochrome und der Einfluss der PHY-Domäne auf diese aufgeklärt werden. Die PHY-Domäne sorgt hierbei durch den verringerten Raum in der Bindetasche dafür, dass die zunächst stattfindende thermische Relaxation des Chromophors signifikant verlangsamt wird, während spätere Änderungen im Photozyklus nur wenig beeinflusst werden.
Auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter konnte, anhand eines sterisch überladenen Hemithioindigo Photoschalters, der Photoisomerisierungsmechanismus des Hula-Twists beobachtet und eine starke Lösungsmittelabhängigkeit der entsprechenden Kinetik aufgezeigt werden. Aus den durchgeführten zeitaufgelösten Anrege-Abtast-Experimenten in verschiedenen Lösungsmitteln konnte ein Modell für die Photodynamik des verwendeten Hemithioindigo Photoschalters entwickelt werden. In unpolaren Lösungsmitteln muss eine hohe Barriere zur produktiven konischen Durchschneidung überwunden werden, was zu Lebenszeiten des angeregten Zustands im Nanosekundenbereich führt. Der Weg zur produktiven konischen Durchschneidung folgt dabei dem Hula-Twist Mechanismus. Dieser Pfad ist in polaren Lösungsmitteln unerreichbar, weshalb eine schnelle Relaxation über eine unproduktive konische Durchschneidung stattfindet.
Im zweiten Projekt auf dem Gebiet der indigoiden Photoschalter wurde anhand der neuartigen Klasse der Iminothioindoxyl Photoschalter ein Schwingungsenergiedonor für Schwingungsenergietransferstudien entwickelt. Das daraus entwickelte Modellsystem, bestehend aus einer künstlichen Aminosäure auf Basis des Iminothioindoxyl Photoschalters und einem daran gekoppelten Schwingungsenergiesensor, wurde charakterisiert und die primäre Photoreaktion untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der angeregte Zustand des Modellsystems kurzlebig ist und unter Abgabe von großen Mengen an Schwingungsenergie zerfällt, unabhängig von der Anregungswellenlänge und dem verwendeten Lösungsmittel. Somit zeigt das entwickelte System vorteilhafte Eigenschaften für Schwingungsenergietransferstudien.
Insgesamt konnten somit die Mechanismen der Photoisomerisierungsreaktionen in knotenlosen Phytochromen und indigoiden Photoschaltern aufgeklärt und daraus die Relevanz der Umgebung für derartige Reaktionen herausgearbeitet werden.
Auszubildende sollen durch die Berufsausbildung u.a. die Kompetenz erlangen, berufliche Probleme zu lösen. Abschlussprüfungen dienen der Kompetenzerfassung, schriftlich-kaufmännische Prüfungsaufgaben bilden allerdings noch unzureichend Problemsituationen ab, deren Lösung Problemlösekompetenz erfordert. An der Erstellung von Prüfungsaufgaben sind auch Lehrkräfte kaufmännisch-beruflicher Schulen beteiligt. In der Arbeit wird untersucht, wie sie in der ersten und zweiten Phase der Lehrer*innenbildung auf das Erstellen problemhaltiger Aufgaben zu summativ-diagnostischen Zwecken vorbereitet werden. Hierfür werden Dokumentenanalysen zu beiden Phasen der Lehrer*innenbildung durchgeführt. Die Ergebnisse werden mittels einer Fragebogenstudie mit Studiengangsleiter*innen sowie Interviews mit Fachleiter*innen der Studienseminare gesichert. Um die Wahrnehmung angehender Lehrkräfte zu erfahren, werden Interviews mit Masterstudierenden der Wirtschaftspädagogik sowie Lehrkräfte im Vorbereitungsdienst (LiV) an kaufmännisch-beruflichen Schulen durchgeführt.
Durch die Vorstudien gelingt es, Optimierungsbedarfe in der Ausbildung von Lehrkräften kaufmännisch-beruflicher Schulen festzuhalten. Davon ausgehend wird ein Trainingskonzept begründet ausgewählt. Die Evaluation dessen erfolgt mittels einer quasi-experimentellen Studie mit Masterstudierende und LiV. Zur qualitativen Evaluation werden Interviews mit Teilnehmenden der Interventionsgruppe durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Teilnehmenden das Training als Intervention überwiegend positiv wahrnehmen und dieser, zumindest mit Blick auf das Erstellen von problemhaltigen Aufgaben, zu einem Lernzuwachs führt. Durch die bedarfsorientierte Intervention und dessen Evaluationsergebnisse wird ein Konzept vorgeschlagen, welches eine Lösung zur Deckung bestehender Optimierungsbedarfe bietet. Die Ergebnisse der Arbeit haben das Potential, langfristig einen Beitrag zur Verbesserung der Lehrer*innenbildung zu leisten und somit u.a. Assessmentaufgaben valider zu gestalten.
In this dissertation, different aspects of turbulent transport and thermally driven flows over complex terrain are investigated. Two publications concentrate on the vertical heat and moisture exchange in the convective boundary layer over mountainous terrain. To study this, Large-Eddy Simulation (LES) is used. Both turbulent and advective transport mechanisms are evaluated over the simple orography of a quasi-two-dimensional, periodic valley with prescribed surface fluxes. Here, terrain elevation varies along only one of the horizontal coordinate axes. Even a relatively shallow orography, possibly unresolved in existing numerical weather prediction models, modifies the domain-averaged moisture and temperature profiles. For the analysis, the flow is decomposed into a local turbulent part, a local mean circulation, and a large-scale part. An analysis of the turbulent kinetic energy and turbulent heat and moisture flux budgets shows that the thermal circulation significantly contributes to the vertical transport. It is found that thermal upslope winds are important for the moisture transport from the valley to the mountain tops. In total, moisture export out of the valley is mostly accomplished by the mean circulation. On the temperature distribution, which is horizontally relatively homogeneous, the thermal circulation has a weaker impact. If an upper-level wind is present, it interacts with the thermal circulation. This weakens the vertical transport of moisture and thus reduces its export out of the valley. The heat transport is less affected by the upper-level wind because of its weaker dependence on the thermal circulation. These findings were corroborated in a more realistic experiment simulating the full diurnal cycle using radiation forcing and an interactive land surface model.
Based on these results, coherent turbulent structures in the convective boundary layer over non-flat terrain are studied in further detail. A conditional sampling method based on the concentration of a decaying passive tracer is implemented in order to identify the boundary-layer plumes objectively. Conditional sampling allows to quantify the contribution of plume structures to the vertical transport of heat and moisture. In case of the idealized valley, vertical transport by coherent structures is the dominant contribution to the turbulent components of both heat and moisture flux. It is comparable in magnitude to the advective transport by the mean slope-wind circulation, although it is more important for heat than for moisture transport. A set of less idealized simulations considers the flow over three-dimensional terrain. In this case, conditional sampling is carried out by using a simple domain-decomposition approach. We demonstrate that thermal updrafts are generally more frequent on hill tops than over the surroundings, but they are less persistent on the windward sides when large-scale winds are present in the free atmosphere.
The tools for flow decomposition and budget analysis are also applied in another idealized case with a quasi-two-dimensional valley featuring the stable boundary layer. Here, the formation of a low stratus cloud is investigated. The main driver for the cloud formation is radiative cooling due to outgoing longwave radiation. Despite a purely horizontal flow, the advection terms in the prognostic equations for heat and moisture produce vertical mixing across the upper cloud edge leading to a loss of cloud water content. However, this behavior is not due to any kind of thermally-driven circulation. Instead, this spurious mixing is caused by the diffusive error of the advection scheme in regions where the sloping surfaces of the terrain-following vertical coordinate intersect the cloud top. It is shown that the intensity of the (spurious) numerical diffusion strongly depends on the horizontal resolution, the order of advection, and the choice of the scalar advection scheme. A LES with 4 m horizontal resolution serves as a reference. For horizontal resolutions of a few hundred meters, carried out with a model setup as it is used in Numerical Weather Prediction, a strong reduction of the simulated liquid-water path is observed. In order to keep the (spurious) numerical diffusion at coarser resolutions small, at least a fifth-order advection scheme should be used. In the present case, a WENO scalar advection scheme turns out to increase the numerical diffusion along a sharp cloud edge compared to an upwind scheme. Furthermore, the choice of the vertical coordinate has a strong impact on the simulated liquid-water path over orography. With a modified definition of the terrain-following sigma coordinate, it is possible to produce cloud water where the classical sigma coordinate does not allow any cloud formation.
Eine überlebenswichtige Eigenschaft von Mensch und Tier ist es, sich bei Gefahr durch eine Schreckreaktion in Sicherheit zu bringen. Doch woran erkennt ein Organismus, in welcher Situation es „sinnvoll“ wäre, sich zu erschrecken und welche Eigenschaften sensorischer Stimuli tragen zu dem Gefahreneindruck bei? Bei plötzlich eintretenden, lauten auditorischen Reizen kann es zur Auslösung der akustischen Schreckreaktion kommen. Dies führt bei Menschen, aber auch bei kleineren Säugetieren zu einer reflexartigen Kontraktion der Nacken-, Gesichts- und Skelettmuskulatur. Die Erforschung der akustisch evozierten Schreckreaktion (ASR) dient dem besseren Verständnis der neurobiologischen Grundlagen sensorischer Verarbeitung. Modulationen der ASR mithilfe von Präpulsen (Präpulsinhibition) ermöglichen Einblicke in die Funktion der Kochlea, des Hörnervs, der Hirnstammstrukturen und anderer beteiligter Gehirnregionen.
In dieser Arbeit wurden kurzzeitige Änderungen von Frequenz oder Intensität des akustischen Hintergrundes als neuartige Präpulse untersucht. Die Bedeutung verschiedener Reizparameter dieser Präpulse wurde in der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal systematisch erforscht. Um zu prüfen, welche Präpulsstimulationen eine Inhibition der ASR auslösen können, wurde eine Reihe von Parametern umfassend getestet. In einem weiteren Schritt wurde analysiert, ob es mithilfe von gezielten Änderungen von Frequenz oder Intensität möglich sein könnte, Unterscheidungsschwellen, oder gar Hörschwellen von Versuchstieren zu bestimmen.
Die Experimente zur Modulation der ASR wurden mit weiblichen Sprague Dawley-Ratten durchgeführt. Dabei wurde eine Vielzahl von Verhaltensparadigmen untersucht. Dazu zählten Präpulse mit unterschiedlichem Frequenzgehalt und variabler Dauer. Zusätzlich wurden neuartige Paradigmen etabliert, um die Fähigkeit zur Frequenz- und Intensitätsdiskriminierung zu untersuchen. Hierbei wurde der Frequenzgehalt oder die Intensität einer kontinuierlichen Hintergrundstimulation verändert, um eine Präpulswirkung zu erzeugen. Um die Möglichkeiten der Bestimmung von Hörschwellen mittels der Präpulsinhibition (PPI) zu ergründen, wurde die Intensität von Präpulsen systematisch verändert. Die so generierten Schwellenwerte wurden durch die Messung früher akustisch evozierter Hirnstammpotenziale verifiziert. Schließlich sollten, unter Zuhilfenahme der Signaldetektionstheorie, aus den erhobenen Daten diverse Schwellen bestimmt werden: Für die Intensitätsänderungen der Präpulse in Stille wurden Hörschwellen bestimmt, während bei Änderungen der Frequenz und Intensität Unterscheidungsschwellen bestimmt werden sollten.
Mit steigender Größe eines Frequenzsprungs in einer kontinuierlichen Hintergrundstimulation war eine stärkere Inhibition der ASR feststellbar; ein Effekt, der stark von der Hintergrundfrequenz abhängig war. Bei einer Stimulation mit 8 kHz konnten signifikant höhere Inhibitionswerte erzielt werden als mit 16 kHz. Bei der Untersuchung des Zeitablaufs der Stimulation ergab sich, dass eine abgesetzte Stimulation mit einer Abweichung von 80 ms Dauer bis 50 ms vor dem Schreckreiz für die höchsten Inhibitionen sorgte.
Die durch eine Intensitätsänderung einer kontinuierlichen Hintergrundstimulation ausgelöste PPI hing primär von der Größe und Richtung des Intensitätssprungs ab. Mit zunehmender Sprunggröße stiegen die Inhibitionswerte an. Eine Erhöhung der Hintergrundintensität um 10 dB hatte einen signifikanten Einfluss auf die Inhibitionswerte. Auch hier zeigte sich eine höhere Sensitivität in Form von höheren Inhibitionen für Stimuli mit einer Hintergrundfrequenz von 8 kHz als für alle anderen getesteten Hintergrundfrequenzen.
Die Bestimmung von Hörschwellen mittels intensitätsabhängiger PPI wies im Vergleich mit den elektrophysiologisch bestimmten Hörschwellen ein heterogenes Bild mit starken individuellen Schwankungen auf: Bei etwa der Hälfte der Tiere waren die Hörschwellen beider Messungen sehr vergleichbar, bei den übrigen Tieren konnten mittels PPI für eine oder mehrere Frequenzen keine aussagekräftigen Hörschwellen erzielt werden. Die elektrophysiologisch bestimmten Hörschwellen waren am sensitivsten, während PPI-Stimulationen signifikant höher waren. Außerdem bewirkten PPI-Stimulationen mit Reintönen signifikant sensitivere Hörschwellen im Vergleich zu einem Schmalbandrauschen.
Für die Bestimmung der Unterscheidungsschwellen von Frequenzänderungen konnte beobachtet werden, dass die Tiere auf Frequenzsprünge hin zu niedrigeren Frequenzen signifikant sensibler reagierten, als hin zu Aufwärtssprüngen (-1.2 bzw. +4.5%). Bei der Intensitätsunterscheidung hingegen konnte beobachtet werden, dass die Tiere signifikant sensitiver auf Intensitätserhöhungen als auf Erniedrigungen reagierten (-5.9 bzw. +2.7 dB).
Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Arbeit festgestellt werden, dass die PPI zur Bestimmung von absoluten Hörschwellen starken Schwankungen unterlag, sodass diese Methode nur eingeschränkt als Alternative zu operanter Konditionierung oder elektrophysiologischen Ableitungen in Frage kommt. Des Weiteren erzeugten bereits kleine Änderungen des Frequenzgehalts oder der Intensität einer Hintergrundstimulation eine robuste PPI. Somit können reflexbasierte Messungen mit überschwelligen Stimuli genutzt werden, um Unterscheidungsschwellen in Versuchstieren zu bestimmen. Diese Herangehensweise stellt also eine vielversprechende Methode dar, um Hörstörungen zu untersuchen, die nach einem Schalltrauma auftreten können. In einem nächsten Schritt könnte sie zur weiteren Charakterisierung von verstecktem Hörverlust beitragen.
Seed dispersal is a key ecosystem function for plant regeneration, as it involves the movement of seeds away from the parental plants to particular habitats where they can germinate and transition to seedlings and ultimately adult plants. Seed dispersal is shaped by a diversity of abiotic and biotic factors, particularly by associations between plants and climate and between plants and other species. Due to the ongoing loss of biodiversity and changing global conditions, such interactions are prone to change and pose a severe threat to plant regeneration. One way to address this challenge is to study associations between plant traits and abiotic and biotic factors to understand the potential impacts of global change on plant regeneration. Plant communities have long been analyzed through the lens of vegetative traits, mainly ignoring how other traits interact and respond to the environment. For instance, while associations between vegetative traits (e.g., specific leaf area, leaf nitrogen content) and climate are well studied, there are few case studies of reproductive traits in relation to trait-environment associations in the context of global change.
Thus, the overarching aim of this dissertation is to explore how trait-environment associations, with a special focus on reproductive traits, can improve our understanding of the effect that global change may have on seed dispersal, and ultimately on plant regeneration. To this end, my research focuses on studying associations between plant traits and abiotic and biotic factors along an elevational gradient in both forests and deforested areas of tropical mountains. This dissertation addresses three principal research objectives.
First, I investigate the extent to which reproductive (seed and fruit traits) and vegetative traits (leaf traits) are related to abiotic and biotic factors for communities of fleshy-fruited plants in the Ecuadorian Andes. I used multivariate analyses to test associations between four (a)biotic factors and seven reproductive traits and five vegetative traits measured on 18 and 33 fleshy fruited plant species respectively. My analyses demonstrate that climate and soil conditions are strongly associated with the distribution of both reproductive and vegetative traits in tropical tree communities. The production of “costly” vs. “cheap” seeds, fruits and leaves, i.e., the production of few rewarding fruits and acquisitive leaves versus the production of many less-rewarding fruits and conservative leaves, is primarily limited by temperature, whereas the size of plant organs is more related to variation in precipitation and soil conditions. My findings suggest that associations between reproductive and vegetative traits and the abiotic environment follow similar principles in tropical tree communities.
Second, I assess how climate and microhabitat conditions affect the prevalence of endozoochorous plant species in the seed rain of tropical montane forests in southern Ecuador. I analyzed seed rain data for an entire year from 162 traps located across an elevational gradient spanning of 2000 m. I documented the microhabitat conditions (leaf area index and soil moisture next to each seed trap) at small spatial scale as well as the climatic conditions (mean annual temperature and rainfall in each plot) at large spatial scale. After a one-year of sampling, I counted 331,838 seeds of 323 species/morphospecies. My analyses demonstrate that the prevalence of endozoochorous plant species in the seed rain increases with temperature across elevations and with leaf area index within elevations. These results show that the prevalence of endozoochory is shaped by the interplay of both abiotic and biotic factors at large and small spatial scales.
Third, I examine the potential of seed rain to restore deforested tropical areas along an elevational gradient in southern Ecuador. For this chapter, I collected seed rain using 324 seed traps installed in 18 1-ha plots in forests (nine forest plots) and in pastures (nine deforested plots) along an elevational gradient of 2000 m. After a sampling period of three months, I collected a total of 123,039 seeds of 255 species/morphospecies from both forests and pastures along the elevational gradient. I did not find a consistent decrease in the amount and richness of seed rain between forests and pastures, but I detected a systematic change in the type of dispersed seeds, as heavier seeds and a higher proportion of endozoochorous species were found in forests compared to pastures at all elevations. This finding suggests that deforestation acts as a strong filter selecting seed traits that are vital for plant regeneration.
Understanding the role that trait-environment associations play in how plant communities regenerate today could serve as a basis for predicting changes in regeneration processes of plant communities under changing global conditions in the near future. Here, I show how informative the measurement of reproductive traits and trait environment associations are in facilitating the conservation of forest habitats and the restoration of deforested areas in the context of global change.
Der Einfluss von Trauma-aktiviertem platelet-rich fibrin auf mesenchymale Stammzellen in vitro
(2023)
Ziel dieser Arbeit war es, die Wechselwirkung zwischen MSC und PRF von Traumapatienten herauszuarbeiten und zu überprüfen, ob ein therapeutischer Einsatz der Kombination von MSC und Trauma-aktiviertem PRF in Frakturen sinnvoll erscheint.
Hierfür wurden MSC mit PRF über einen Zeitraum von 24 oder 120 Stunden co-inkubiert und die metabolische Aktivität, definierte Faktoren im Überstand (IL-6, CXCL10, VEGF und IDO-2) und die Genexpression ausgewählter Faktoren (MAPK8, MAPK14, IL-6, CXCL10,IDO-1, TNFAIP6, VEGFA, RUNX2 und COL1A) in bis zu drei Messzeitpunkten überprüft. Die Versuche erfolgten vergleichend mit Traumapatienten und gesunden Probanden.
Es konnte gezeigt werden, dass Trauma-aktiviertes PRF verglichen mit PRF von gesunden Probanden die metabolische Aktivität von MSC nach 120 Stunden erhöhen kann. Zudem stellten sich erhöhte Werte des inflammatorischen Faktors IL-6 im Überstand bei Traumapatienten nach 24 und 72 Stunden dar, welche bis zum dritten Messzeitpunkt nach 120 Stunden wieder abfielen. Ein ähnlicher Verlauf zeigte sich bei den Messwerten von VEGFA, einem Faktor, welcher eine große Rolle bei der Angiogenese spielt.
Über alle Messzeitpunkte hinweg konnten niedrigere Werte in der Genexpression von COL1A und RUNX2 im Vergleich zu den Kontrollmessungen erfasst werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass im Vergleich zu PRF gesunder Probanden Trauma-aktiviertes PRF die Möglichkeit besitzt, die Proliferation von MSC zu stimulieren. Außerdem wurde beobachtet, dass Trauma-aktiviertes PRF ein inflammatorisches und angiogenetisches Potenzial nach 72 Stunden besitzt, welches nach 120 Stunden allerdings wieder abfällt. Möglicherweise kann durch den Einfluss von MSC der Inflammation entgegengewirkt werden. Ein signifikantes osteogenes Potenzial des Trauma-aktivierten PRFs konnte zu keinem Messzeitpunkt nachgewiesen werden.
Inwiefern der Einsatz von MSC in Kombination mit Trauma-aktiviertem PRF die Frakturheilung verbessern kann, konnte in der vorliegenden Studie nicht eindeutig geklärt werden. Es kann allerdings davon ausgegangen werden, dass die Implantation von Trauma-aktiviertem PRF und MSC in den Defekt erst nach Verstreichen einer bestimmten Zeitperiode nach dem Trauma durchgeführt werden sollte. Die Gründe für diese Annahme sind das erhöhte proliferative und verringerte inflammatorische Potenzial im Verlauf. Eine Ursache für das Fehlen der osteogenen Differenzierung der MSC kann der kurze Messzeitraum sein.
Weitere Studien sollten folgen, um das Potenzial der Kombination von MSC und Trauma-aktiviertem PRF als therapeutisches Verfahren zu überprüfen.
Die Krebsstammzellforschung gelangte in den letzten Jahren vermehrt in den Fokus der Tumorforschung. Im Tumor bilden Krebsstammzellen eine kleine Population an Zellen mit Stammzelleigenschaften, wodurch sie eine große Rolle bei der Entstehung von Rezidiven, Metastasen, sowie der Entwicklung von Chemotherapieresistenzen spielen. Um eine gezielte Bekämpfung von Krebsstammzellen zu ermöglichen, müssen diese im
Tumor zunächst zuverlässig durch Krebsstammzellmarker detektiert werden können.
Gerade bei soliden pädiatrischen Tumoren, wie dem Hepatoblastom, ergeben sich hierbei Schwierigkeiten dadurch, dass im sehr heterogenen Tumorgewebe viele Zellen aufgrund der embryonalen Natur des Tumors bereits Stammzellmarker exprimieren, ohne dass es sich bei diesen Zellen um Krebsstammzellen handelt. Das Hepatoblastom ist mit 2/3 der Lebertumore des Kindes die häufigste maligne Leberneoplasie im Kindesalter.
Auch wenn es bereits Hinweise auf das Vorliegen von Krebsstammzellen im Hepatoblastom gibt, so konnten diese bisher nicht genauer durch fest definierte Krebsstammzellmarker identifiziert werden.
Um dies zu erreichen, wurden in dieser Arbeit die beiden Hepatoblastomzelllinien HuH6 und HepG2 auf die Expression der bereits bekannten Krebsstammzellmarker CD90, CD34 und CXCR4 überprüft. Zusätzlich wurde auf eine Bindung des „oval cell“ Antikörpers, OV-6, untersucht. Mittels Durchflusszytometrie-Analysen konnte eine Zellpopulation gefunden werden, welche die Oberflächenmarker CD34 und CD90 koexprimiert und gleichzeitig den OV-6 Antikörper bindet. Im nächsten Schritt wurden die Zellen auf einige Krebsstammzelleigenschaften überprüft. Zur weiteren Untersuchung dieser Subpopulation erfolgte mittels MACS (magnetic activated cell sorting) eine Anreicherung der CD90 exprimierenden Zellen. Diese wurde mittels qPCR auf die Expression der Pluripotenzmarker Oct4 und Nanog, sowie der Zytidindeaminase AID untersucht. Es konnte eine signifikant erhöhte Expression von AID und Oct4 detektiert werden. Im Gegensatz hierzu zeigte sich die Expression von EpCAM, c-myc und Albumin, welche als Kontrollgene untersucht wurden, nicht signifikant erhöht. Um auf das Metastasierungspotential der CD90 angereicherten Zellen rückzuschließen, wurde ein Migrationsassay mit angereicherten und depletierten Zellen durchgeführt. Hier wiesen die CD90 angereicherten Zellen, im Vergleich zu den depletierten Zellen eine erhöhte Migration auf. Im Tumorsphäroid-Assay war die HepG2 Zelllinie in der Lage Tumor-61 -sphäroide auszubilden. Nach der Passagierung zeigten diese eine erhöhte Expression der Krebsstammzellmarker CD90 und CD34, sowie der Pluripotenzmarker Oct4 und Nanog.
Zusammengefasst kann mit den Krebsstammzellmarkern CD90, CD34 und OV-6 eine Subpopulation im Hepatoblastom identifiziert werden, die nach unseren Analysen Krebsstammzelleigenschaften aufweisen. Mithilfe dieses Markersets können nun neue Therapieansätze auf ihre Effektivität, Krebsstammzellen gezielt zu eliminieren, getestet werden.
Brain development is a complex and highly organized process that relies on the coordinated interaction between neurons and vessels. These cell systems form a neurovascular link that involves the exchange of oxygen, ions, and other physiological components necessary for proper neuronal and vascular function. This physiologically coupled process is executed through analogous structural and molecular signaling mechanisms shared by both cell types. At the neurovascular interface, the cellular crosstalk via these shared signaling mechanisms allows for the synchronized expansion and integration of neurons and vessels into complex cellular networks. This study investigated the role of VEGFR2, a receptor for vascular endothelial growth factor (VEGF), during postnatal neuronal development in the mouse hippocampus. Prior studies have revealed physiological roles of VEGF, a pro-angiogenic morphogen, in nervous system development. However, it was unclear if VEGF signaling had a direct effect on neuronal physiology and function through neuronal-expressing receptors. In this investigative work, we identified a previously unknown function of VEGFR2, whereby VEGF-induced signaling coordinates the development and circuitry integration of CA3 pyramidal neurons in the early postnatal mouse hippocampus. Mechanistically, we found that VEGFR2 signaling requires receptor endocytosis, a process mediated by ephrinB2. We also found that VEGF-induced cooperative signaling between VEGFR2 and ephrinB2 is functionally required for the dendritic arborization and spine maturation of developing CA3 neurons during the first few postnatal weeks. Moreover, in a collaborative effort with the research group of Carmen Ruiz de Almodovar, formerly at the University of Heidelberg, we simultaneously studied VEGF-induced VEGFR2 signaling in CA3 axonal development. Together, we aimed to gain a comprehensive understanding of the complex interplay between VEGF and VEGFR2 signaling during the early postnatal development of CA3 neurons. Ruiz de Almodovar’s research group found that, unlike the branch and spine development of CA3 dendrites, VEGF-VEGFR2 signaling promotes axonal development through mechanisms that are independent of ephrinB2 function. Our findings on CA3 dendritic development are reported in the published manuscript, Harde et al. (2019), and the complementary work on CA3 axonal development from Ruiz de Almodovar's group is presented in the co-published manuscript, Luck et al. (2019). Although the totality of Ruiz de Almodovar's group's work on CA3 axons is not fully discussed here, it is referenced where noted to provide biological context for our findings on CA3 dendritic development.
VEGFR2 signaling within neurovascular niches is known to play a role in the neurogenesis of neural progenitor cells during embryonic development and within the adult brain. However, the precise localization of neuronal VEGFR2 expression and functional role within the nervous system during postnatal brain development was unknown. To investigate this, we used immunohistochemistry to identify the spatial expression of VEGFR2 within the mouse hippocampus during the first few weeks after birth. Our results showed that VEGFR2 was predominantly expressed within the hippocampal vasculature, consistent with prior studies. However, we also observed localized VEGFR2 expression in pyramidal cell neurons of the hippocampal CA3 region by postnatal day 10 (P10). This spatially restricted postnatal expression of VEGFR2 in CA3 neurons suggested a potential role in the development of these neurons during this developmental stage.
The first two weeks after birth in the mouse hippocampus is a critical period for the development of neuronal circuits, as neurons undergo extensive dendritic arborization and spine formation. To explore the role of VEGFR2 in the postnatal nervous system, we used a Nes-cre VEGFR2lox/- mouse line to target the deletion of VEGFR2 expression within the nervous system while preserving normal receptor expression in all other cell types. We also generated corresponding control mice that were negative for Nes-cre. By breeding these mice with Thy1-GFP reporter mice, we could analyze the functional consequences of VEGFR2 by assessing the morphologies of CA3 dendritic trees and spine density and maturation at P10 and P15, respectively. Our analysis showed that CA3 neurons in Nes-cre VEGFR2lox/- mice had less complex dendritic arbors compared to control mice. There were significant reductions in total length and branch points, particularly in areas located 100-250 μm from the cell soma within the stratum radiatum layer. Additionally, Nes-cre VEGFR2lox/- mice exhibited a significant decrease in spine density accompanied by an increased proportion of immature spines. These findings suggest that VEGFR2 plays a crucial role in the proper development of CA3 dendrites and spines during the early postnatal weeks.
In view of a growing world population and the finite nature of fossil resources, the development of eco-friendly production processes is essential for the transition towards a sustainable industry. Methanol, which can be produced both petrochemically and from renewable resources, offers itself as bridging technology and attractive alternative raw material for biotechnological processes. This work describes developments for the progress of the well-studied methylotrophic α proteobacterium Methylorubrum extorquens AM1 towards an efficient methylotrophic cell factory. Although many homologous and heterologous production routes have already been described and realized for M. extorquens in a laboratory scale, no industrial process has yet been realized. Three major reasons can be identified for this: (1) A limited choice of tools for genetic modifications, (2) a lack of understanding of carbon fluxes and side reactions occurring in modified strains, such as product reimports, and (3) the lack of tailored production strains for profitable target products and optimized bioprocessing protocols. The aim of the present work was to achieve developments for the mentioned areas. As a model application, the high-level production of chiral dicarboxylic acids from the substrate methanol was chosen. Enantiomerically pure chiral compounds are of great interest, e.g., as building blocks for chiral drugs. The ethylmalonyl CoA metabolic pathway (EMCP) which is part of the primary metabolism of M. extorquens, harbors unique chiral CoA-ester intermediates. Their acid derivatives can be released by cleavage of the CoA-moiety using heterologous enzymes. The dicarboxylic acids 2 methylsuccinic acid and mesaconic acid were produced in a previous study by introducing the heterologous thioesterase YciA into M. extorquens. In the said study, a combined product titer of 0.65 g/L was obtained in shake flask experiments. These results serve as the basis for the developments in the present work.
First, the previously described reuptake of products was thoroughly investigated and dctA2, a gene encoding for an acid transporter, was identified as target for reducing the product reuptake. In addition, reuptake of mesaconic acid was prevented by converting it to (S)-citramalic acid, a product not metabolizable by M. extorquens, by the introduction of a heterologous mesaconase. Together with 2-methylsuccinic acid, for which a high enantiomeric excess of (S)-2-methylsuccinic acid was determined, a second chiral molecule was thus added to the product spectrum. For the release of dicarboxylic acid products, YciA, a broad-range thioesterase that accepts a variety of CoA-esters with different chain lengths as substrates, was chosen. The enzyme should theoretically be able to hydrolyze all CoA-esters of interest present in the EMCP. However, in culture supernatants of M. extorquens strains that were overexpressing the corresponding yciA gene, only mesaconic acid and 2 methylsuccinic acid could be detected. To expand the substrate spectrum of YciA thioesterase with respect to other EMCP intermediates, semi-rational enzyme engineering was attempted. Screening of the corresponding strains carrying the respective YciA variants did not result in strains capable of producing new dicarboxylic acid products. However, the experiments revealed an amino acid position that strongly affected the production of mesaconic acid and 2-methylsuccinic acid in vivo. By substituting the according amino acid in YciA, the maximum titers of mesaconic acid and 2-methylsuccinic acid could be increased substantially. Application of an improved thioesterase variant in a second E. coli-based process confirmed the enhanced activity of the enzyme. The desired extension of the product spectrum by another chiral molecule (2-hydroxy-3-methylsuccinic acid, presumably the (2S,3R)-form) was finally achieved by using an alternative thioesterase. Tailored fermentation strategies were developed for the high-level production of the above-mentioned products.
As second part of the work, two novel genetic tools for M. extorquens were developed and characterized. The pBBR1-derived plasmid pMis1_1B was shown to be stably maintained in M. extorquens cells. In addition, its suitability for co-transformations with other plasmids was demonstrated. The second tool, the cumate-inducible promoter Ps6, is tailored for expression of pathways with toxic products, as the transcription of genes controlled by Ps6 is strongly repressed in the absence of an inducer.
Overall, the present work demonstrates the enormous potential of using M. extorquens as a methylotrophic cell factory. In the applications shown, the biotechnological production of high-priced chiral molecules is combined with the use of an attractive alternative substrate. In addition, new achievements and approaches are presented to facilitate the development of future M. extorquens production strains.
The single-source shortest-path problem is a fundamental problem in computer science. We consider a generalization of the shortest-path problem, the $k$-shortest path problem. Let $G$ be a directed edge-weighted graph with $n$ nodes and $m$ edges and $s,t$ be two fixed nodes. The goal is to compute $k$ paths $P_1,\dots,P_k$ between two fixed nodes $s$ and $t$ in non-decreasing order of their length such that all other paths between $s$ and $t$ are at least as long as the $k$\nth path $P_k$. We focus on the version of the $k$-shortest path problem where the paths are not allowed to visit nodes multiple times, sometime referred to as $k$-shortest simple path problem.
The probably best known $k$-shortest path algorithm is Yen's algorithm. It has a worst-case time complexity of O(kn\cdot scp(n,m)), where scp(n,m) is the complexity of the single-source shortest-path algorithm used as a subroutine. In case of Dijkstra's algorithm scp(n,m) is O(m + n\log n). One of the more recent improvements of Yen's algorithm is by Feng.
Even though Feng's algorithm is much faster in practice, it has the same worst-case complexity as Yen's algorithm.
The main results presented in this thesis are upper bounds on the average-case of Yen's and Feng's algorithm, as well as practical improvements and a parallel implementation of Yen's and Feng's algorithms including these improvements. The implementation is publicly available under GPLv3 open source license.
We show in our analysis that Yen's algorithm has an average-case complexity of O(k \log(n)\cdot scp(n,m)) on G(n,p) graphs with at least logarithmic average-degree and random edge weights following a distribution with certain properties.
On G(n,p) graphs with constant to logarithmic average-degree and uniform random edge-weights over $[0;1]$, we show an average-case complexity of O(k\cdot\frac{\log^2 n}{np}\cdot scp(n,m)). Feng's algorithm has an even better average-case complexity of O(k\cdot scp(n,m)) on unweighted G(n,p) graphs with logarithmic average-degree and for constant values of $k$. We further provide evidence that the same holds true for G(n,p) graphs with uniform random edge-weights over $[0;1]$.
On the practical side, we suggest new heuristics to prune even more single-source shortest-path computations than Feng's algorithm and evaluate all presented algorithms on G(n,p) and Grid graphs with up to 256 million nodes. We demonstrate speedups by a factor of up to 40 compared to Feng's algorithm.
Finally we discuss two ways to parallelize the suggested algorithms and evaluate them on grid graphs showing speedups by a factor of 2 using 4 threads and by a factor of up to 8 using 16 threads, respectively.
Artificial intelligence in heavy-ion collisions : bridging the gap between theory and experiments
(2023)
Artificial Intelligence (AI) methods are employed to study heavy-ion collisions at intermediate collision energies, where high baryon density and moderate temperature QCD matter is produced. The experimental measurements of various conventional observables such as collective flow, particle number fluctuations, etc. are usually compared with expensive model calculations to infer the physics governing the evolution of the matter produced in the collisions. Various experimental effects and processing algorithms can greatly affect the sensitivity of these observables. AI methods are used to bridge this gap between theory and experiments of heavy-ion collisions. The problems with conventional methods of analyzing experimental data are illustrated in a comparative study of the Glauber MC model and the UrQMD transport model. It is found that the centrality determination and the estimated fluctuations of the number of participant nucleons suffer from strong model dependencies for Au-Au collisions at 1.23 AGeV. This can bias the results of the experimental analysis if the number of participant nucleons used is not consistent throughout the analysis and in the final model-to-data comparison. The measurable consequences of this model dependence of the number of participant nucleons are also discussed. In this context, PointNet-based AI models are developed to accurately reconstruct the impact parameter or the number of participant nucleons in a collision event from the hits and/or reconstructed track of particles in 10 AGeV Au-Au collisions at the CBM experiment. In the last part of the thesis, different AI methods to study the equation of state (EoS) at high baryon densities are discussed. First, a Bayesian inference is performed to constrain the density dependence of the EoS from the available experimental measurements of elliptical flow and mean transverse kinetic energy of mid rapidity protons in intermediate energy collisions. The UrQMD model was augmented to include arbitrary potentials (or equivalently the EoSs) in the QMD part to provide a consistent treatment of the EoS throughout the evolution of the system. The experimental data constrain the posterior constructed for the EoS for densities up to four times saturation density. However, beyond three times saturation density, the shape of the posterior depends on the choice of observables used. There is a tension in the measurements at a collision energy of about 4 GeV. This could indicate large uncertainties in the measurements, or alternatively the inability of the underlying model to describe the observables with a given input EoS. Tighter constraints and fully conclusive statements on the EoS require accurate, high statistics data in the whole beam energy range of 2-10 GeV, which will hopefully be provided by the beam energy scan programme of STAR-FXT at RHIC, the upcoming CBM experiment at FAIR, and future experiments at HIAF and NICA. Finally, it is shown that the PointNet-based models can also be used to identify the equation of state in the CBM experiment. Despite the uncertainties due to limited detector acceptance and biases in the reconstruction algorithms, the PointNet-based models are able to learn the features that can accurately identify the underlying physics of the collision. The PointNet-based models are an ideal AI tool to study heavy-ion collisions, not only to identify the geometric event features, such as the impact parameter or the number of participant nucleons, but also to extract abstract physical features, such as the EoS, directly from the detector outputs.
The EMT-transcription factor ZEB1 has been intensively studied in solid cancers, where it is expressed at the invasive front and in cancer-associated fibroblasts (CAFs). In tumour cells, ZEB1 has been involved in multiple steps of cancer progression including stemness, metastasis and therapy resistance, yet its role in the tumour-microenvironment is largely unknown. Here, the role of Zeb1 in CAFs was investigated using mouse models reflecting different tumour stages in immunocompetent fibroblast specific Zeb1 KO mice. Fibroblast-specific depletion of Zeb1 accelerated tumour growth in the inflammation driven AOM/DSS tumour initiation model, reduced tumour growth and invasion in the sporadic AOM/P53 model and reduced liver metastasis in a progressed orthotopic transplantation model. Immunohistochemical and single cell RNA-sequencing analysis showed that Zeb1 ablation resulted in attenuated expression of the myofibroblast marker aSMA and reduced ECM deposition, indicating a shift among fibroblast subpopulations. Modulation of CAFs was furthermore associated with increased inflammatory signaling in fibroblasts resulting in immune infiltration into primary tumours and exaggerated inflammatory signaling in T cells, B cells and macrophages. These changes in the tumour microenvironment were associated with increased efficacy of immune checkpoint inhibition therapy. In summary, Zeb1 expression in CAFs was identified as a potential target to block immunosuppression and metastatic dissemination in colon cancer.
A synchrotron is a particular type of cyclic particle accelerator and the first accelerator concept to enable the construction of large-scale facilities [10], such as the largest particle accelerator in the world, the 27-kilometre-circumference Large Hadron Collider (LHC) by CERN near Geneva, Switzerland, the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, France for the synchrotron radiation, the superconducting, heavy ion synchrotron SIS100 under construction for the FAIR facility at GSI, Darmstadt, Germany and so on. Unlike a cyclotron, which can accelerate particles starting at low kinetic energy, a synchrotron needs a pre-acceleration facility to accelerate particles to an appropriate initial value before synchrotron injection. A pre-acceleration can be realized by a chain of other accelerator structures like a linac, a microtron in case of electrons, for example, Proton and ion injectors Linac 4 and Linac 3 for the LHC, UNLAC as the injector for the SIS18 in GSI and in future the SIS18 as injector for the SIS100. The linac is a commonly used injector for the ion synchrotron and consists of some key components. The three main parts of a linac are: An ion source creating the particles, a buncher system or an RFQ followed by the main drift tube accelerator DTL. In order to meet the energy and the beam current requirement of a synchrotron injector linac, its cost is a remarkable percentage of the total facility costs.
However, the normal conducting linac operation at cryogenic temperatures can be a promising solution in improving the efficiency and reducing the costs of a linac. Synchrotron injectors operate at very low duty factor with beam pulse lengths in 1 micros to 100 micros range, as most of the time is needed to perform the synchrotron cycle. Superconducting linacs are not convenient, as they cannot efficiently operate at low duty factor and high beam currents.
The cryogenic operation of ion linacs is discussed and investigated at IAP in Frankfurt since around 2012 [1, 37]. The motivation was to develop very compact synchrotron injectors at reduced overall linac costs per MV of acceleration voltage. As the needed beam currents for new facilities are increasing as well, the new technology will also allow an efficient realization of higher injector linac energies, which is needed in that case. Operating normal conducting structures at cryogenic temperature exploits the significantly higher conductivity of copper at temperatures of liquid nitrogen and below. On the other hand, the anomalous skin effect reduces the gain in shunt impedance quite a bit[25, 31, 9]. Some intense studies and experiments were performed recently, which are encouraging with respect to increased field levels at linac operation temperatures between 30 K and 70 K [17, 24, 4, 23, 5, 8]. While these studies are motivated by applications in electron acceleration at GHz-frequencies, the aim of this paper is to find applications in the 100 to 700 MHz range, typical for proton and ion acceleration. At these frequencies, a higher impact in saving RF power is expected due to the larger skin depth, which is proportional to the frequency to the power of negative half with respect to the normal skin effect. On the other hand, it is assumed that the improvement in maximum surface field levels will be similar to what was demonstrated already for electron accelerator cavities. This should allow to find a good compromise between reduced RF power needs for achieving a given accelerator voltage and a reduced total linac length to save building costs.
A very important point is the temperature stability of the cavity surface during the RF pulse. This is of increasing importance the lower the operating temperature is chosen: the temperature dependence of the electric conductivity in copper gets rather strong below 80 K, as long as the RRR - value of the copper is adequate. It is very clear, that this technology is suited for low duty cycle operated cavities only - with RF pulse lengths below one millisecond. At longer pulses the cavity surface will be heated within the pulse to temperatures, where the conductivity advantage is reduced substantially. These conditions fit very well to synchrotron injectors or to pulsed beam power applications.
H – Mode structures of the IH – and of the CH – type are well-known to have rather small cavity diameters at a given operating frequency. Moreover, they can achieve effective acceleration voltage gains above 10 MV/m even at low beam energies, and already at room temperature operation[29]. With the new techniques of 3d – printing of stainless steel and copper components one can reduce cavity sizes even further – making the realization of complex cooling channels much easier.
Another topic are copper components in superconducting cavities – like power couplers. It is of great importance to know exactly the thermal losses at these surfaces, which can’t be cooled efficiently in an easy way.
Aktivierende Mutationen der Fms-like tyrosine kinase (FLT3) treten bei 25 % der Patienten mit akuter myeloischer Leukämie (AML) auf und begünstigen die unkontrollierte Proliferation maligner Blasten. Autophagie ist ein intrazellulärer Prozess, durch den zytoplasmatische Bestandteile lysosomal abgebaut werden und fungiert als intrazellulärer Homöostase-Mechanismus unter Stress-Bedingungen.
Ziel dieser Arbeit war es, herauszufinden, ob FLT3-ITD+-AML-Zellen vulnerabel gegenüber Autophagie-Hemmung sind.
Hierzu wurde zunächst untersucht, wie sich FLT3-ITD-Signaling und Autophagie unter basalen Wachstumsbedingungen gegenseitig beeinflussen. In einem genetischen Modell zeigte sich, dass FLT3-ITD-transformierte wachstumsfaktorunabhängige Zellen während ihrer fortgesetzten Proliferation vermehrt Autophagie betreiben. Lysosomale Autophagie-Inhibitoren zeigten jedoch unter diesen Bedingungen keine erhöhte Wirksamkeit gegenüber FLT3-ITD-positiven Zellen. Humane FLT3-ITD-positive AML-Zellen zeigten nach genetischer Deletion von ULK1 ebenfalls nur transiente und milde Proliferationsdefizite. Unter basalen Wachstumsbedingungen zeigte sich also keine erhöhte Vulnerabilität FLT3-ITD-exprimierender Zellen gegenüber Autophagie-Inhibition.
Daraufhin wurde die Bedeutung von Autophagie während pharmakologischer Hemmung von FLT3 untersucht. FLT3-Inhibition mittels AC220, einem FLT3-spezifischer Tyrosinkinase-Inhibitor, induzierte bzw. steigerte die autophagische Aktivität ähnlich stark wie eine direkte mTOR-Inhibition. Dies ließ sich im Zellmodell therapeutisch ausnutzen: eine Kombinationsbehandlung mit AC220 und einem lysosomalen Autophagie-Inhibitor zeigte eine synergistische antiproliferative Wirkung. Dies stellt möglicherweise einen neuen rationalen Kombinationsbehandlungsansatz für die Therapie FLT3-ITD-positiver AML-Patienten dar.
Hintergrund: Anämie gehört zu den häufigsten Erkrankungen weltweit und stellt daher ein zentrales globales Gesundheitsproblem dar. Etwa ein Drittel aller chirurgischen Patienten weisen präoperativ eine Anämie auf. Dies wird als unabhängiger Risikofaktor für eine erhöhte Morbidität und Mortalität sowie für das vermehrte Auftreten postoperativer Komplikationen angesehen. Vor diesem Hintergrund wurde von der Weltgesundheitsorganisation (World Health Organization, WHO) ein patientenzentriertes Behandlungskonzept namens Patient Blood Management (PBM) gefordert, um unter anderem Anämien frühzeitig zu diagnostizieren und einen rationalen Einsatz von Fremdblutprodukten zu fördern. Trotz der Tatsache, dass PBM vor etwa 10 Jahren eingeführt wurde, scheint Deutschland im internationalen Vergleich eine überdurchschnittlich hohe Menge an Erythrozytenkonzentrat-(EK)Einheiten pro Kopf zu transfundieren. Die Ursachen dafür sind bislang unklar und könnten möglicherweise durch eine erhöhte Anämie- Prävalenz bei chirurgischen Patienten und dem damit verbundenen erhöhten Bedarf an Transfusionen einhergehen.
Zielsetzung: Ziel dieser Arbeit ist die multizentrische Erfassung der präoperativen Anämie-Prävalenz innerhalb des Zeitraums 2007-2019 in Deutschland.
Methoden: In dieser retrospektiven, multizentrischen Beobachtungsstudie wurden alle Patienten jeden Alters, die im Monat März der Jahre 2007, 2012, 2015, 2017 und 2019 in acht teilnehmenden Krankenhäusern operiert wurden, erfasst. Patientencharakteristika und klinische Daten wurden aus den Krankenhausinformationssystemen der teilnehmenden Krankenhäuser entnommen. Primäres Ziel war die Prävalenz der Anämie bei Krankenhausaufnahme. Sekundäre Endpunkte waren der Zusammenhang zwischen Anämie und Anzahl der transfundierten EKs, Dauer des Krankenhausaufenthalts und Sterblichkeit im Krankenhaus.
Ergebnisse: Von insgesamt 30.763 Patienten konnten 23.836 Patienten aus acht Krankenhäusern in die Analyse eingeschlossen werden. Im untersuchten Zeitraum zeigte sich eine Reduktion der präoperativen Anämie-Prävalenz erwachsener Patienten von 37% auf 32,2%. Die Zahl, der mit Erythrozytenkonzentraten -5- transfundierten Patienten, ging signifikant von 16,5 % im Jahr 2007 auf 7,8 % im Jahr 2019 zurück, wobei Patienten mit präoperativer Anämie im Vergleich zu Patienten ohne Anämie sechsmal mehr EKs erhielten. Insgesamt verkürzte sich die Krankenhausverweildauer seit 2007 deutlich, zeigte jedoch eine signifikante Verlängerung bei Vorliegen einer präoperativen Anämie. Die Sterblichkeitsrate war über die Jahre hinweg konstant, dennoch signifikant höher bei anämischen Patienten. Eine multivariate Regressionsanalyse mit festen Effekten ergab, dass präoperative Anämie und EK-Transfusion Prädiktoren für die Sterblichkeitsrate waren.
Diskussion: Die Prävalenz der präoperativen Anämie lag in unserer Studienpopulation im Jahr 2019 bei 32,2 %, was der weltweiten Prävalenz entspricht. Das Implementieren von PBM-Strategien, um präoperative Anämien frühzeitig zu identifizieren und zu therapieren sowie Blutprodukte rational einzusetzen, nimmt daher weiterhin einen großen Stellenwert ein. Diese perioperativen Maßnahmen sind für alle chirurgischen Patienten von zentraler Bedeutung, da eine präoperative Anämie den Bedarf an EK-Transfusionen erhöhen, die Liegezeit verlängern und mit einer erhöhten Sterblichkeitsrate assoziiert sein kann.
Cyber Physical Systems (CPS) are growing more and more complex due to the availability of cheap hardware, sensors, actuators and communication links. A network of cooperating CPSs (CPN) additionally increases the complexity. This poses challenges as well as it offers chances: the increasing complexity makes it harder to design, operate, optimize and maintain such CPNs. However, on the other side an appropriate use of the increasing resources in computational nodes, sensors, actuators can significantly improve the system performance, reliability and flexibility. Therefore, self-X features like self-organization, self-adaptation and self-healing are key principles for such systems.
Additionally, CPNs are often deployed in dynamic, unpredictable environments and safety-critical domains, such as transportation, energy, and healthcare. In such domains, usually applications of different criticality level exist. In an automotive environment for example, the brake has a higher criticality level regarding safety as the infotainment. As a result of mixed-criticality, applications requiring hard real-time guarantees compete with those requiring soft real-time guarantees and best-effort application for the given resources within the overall system. This leads to the need to accommodate multiple levels of criticality while ensuring safety and reliability, which increases the already high complexity even more.
This thesis deals with the question on how to conveniently, effectively and efficiently handle the management and complexity of mixed-critical CPNs (MC-CPNs). Since this cannot be done by the system developer without the assistance of the system itself any longer, it is essential to develop new approaches and techniques to ensure that such systems can operate under a range of conditions while meeting stringent requirements.
Based on five research hypothesis, this thesis introduces a comprehensive adaptive mixed-criticality supporting middleware for Cyber-Physical Networks (Chameleon), which efficiently and autonomously takes care of the management and complexity of CPNs with regard to the mixed-criticality aspect.
Chameleon contributes to the state-of-art by introducing and combining the following concepts:
- A comprehensive self-adaption mechanism on all levels of the system model is provided.
- This mechanism allows a flexible combination of parametric and structural adaptation actions (relocation, scheduling, tuning, ...) to modify the behavior of the system.
- Real-time constraints of mixed-critical applications (hard real-time, soft real-time, best-effort) are considered in all possible adaptation conditions and actions by the use of the importance parameter.
- CPNs are supported by the introduction of different scopes (local, system, global) for the adaptation conditions and actions. This also enables the combination of different scopes for conditions and actions.
- The realization of the adaptation with a MAPE-K loop instantiated by a distributed LCS allows for real-time capable reasoning of adaptation actions which also works on resource-spare systems.
- The developed rule language Rango offers an intuitive way to specify an initial rule set for LCS in the context of CPS/CPNs and supports the system administrators in the process of rule set generation.