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Poster presentation from Twentieth Annual Computational Neuroscience Meeting: CNS*2011 Stockholm, Sweden. 23-28 July 2011. To truly appreciate the myriad of events which relate synaptic function and vesicle dynamics, simulations should be done in a spatially realistic environment. This holds true in particular in order to explain the rather astonishing motor patterns presented here which we observed within in vivo recordings which underlie peristaltic contractions at a well characterized synapse, the neuromuscular junction (NMJ) of the Drosophila larva. To this end, we have employed a reductionist approach and generated three dimensional models of single presynaptic boutons at the Drosophila larval NMJ. Vesicle dynamics are described by diffusion-like partial differential equations which are solved numerically on unstructured grids using the uG platform. In our model we varied parameters such as bouton-size, vesicle output probability (Po), stimulation frequency and number of synapses, to observe how altering these parameters effected bouton function. Hence we demonstrate that the morphologic and physiologic specialization maybe a convergent evolutionary adaptation to regulate the trade off between sustained, low output, and short term, high output, synaptic signals. There seems to be a biologically meaningful explanation for the co-existence of the two different bouton types as previously observed at the NMJ (characterized especially by the relation between size and Po),the assigning of two different tasks with respect to short- and long-time behaviour could allow for an optimized interplay of different synapse types. As a side product, we demonstrate how advanced methods from numerical mathematics could help in future to resolve also other difficult experimental neurobiological issues.
Poster presentation from Twentieth Annual Computational Neuroscience Meeting: CNS*2011 Stockholm, Sweden. 23-28 July 2011. Parallel multiunit recordings from V1 in anesthetized cat were collected during the presentation of random sequences of drifting sinusoidal gratings at 12 fixed orientations while gamma oscillations were present. In agreement with the seminal work [1], most units were orientation selective to varying degrees and synchronization was evident in spike train crosscorrelograms computed between units with similar preferred orientations, particularly during the presentation of optimal stimuli. Interestingly, a subset of units, which we refer to as synchronization hubs, were additionally found to synchronize with units having differing preferred orientations which was consistent with a previous study [2]. Moreover, oscillatory patterning in spike train autocorrelograms was also found to be strongest in units denoted as synchronization hubs, and synchronization hubs also tended to have narrower tuning curves relative to other units. We used simplified computational models of small networks of V1 neurons to demonstrate that neurons subject to a sufficiently strong level of inhibitory input can function as synchronization hubs. Neurons were endowed either with integrate-and-fire or conductance-based dynamics and each neuron received a combination of excitatory (AMPA) synaptic inputs that were Poisson-distributed and inhibitory (GABA) inputs that were coherent at a gamma-frequency range. If the strength of rhythmic inhibition was increased for a subset of neurons in the network, and excitation was increased simultaneously to maintain a fixed firing rate, then these neurons produced stronger oscillatory patterning in their discharge probabilities. The oscillations in turn synchronized these neurons with other neurons in the network. Importantly, the strength of synchronization increased with neurons of differing orientation preferences even though no direct synaptic coupling existed between the hubs and the other neurons. Enhanced levels of inhibition account for the emergence of synchronization hubs in the following way: Inhibitory inputs exhibiting a gamma rhythm determine a time window within which a cell is likely to discharge. Increased levels of inhibition narrow down this window further simultaneously leading to (i) even stronger oscillatory patterning of the neuron's activity and (ii) enhanced synchronization with other neurons. This enables synchronization even between cells with differing orientation preferences. Additionally, the same increased levels of inhibition may be responsible for the narrow tuning curves of hub neurons. In conclusion, synchronization hubs may be the cells that interact most strongly with the network of inhibitory interneurons during gamma oscillations in primary visual cortex.
Poster presentation from Twentieth Annual Computational Neuroscience Meeting: CNS*2011 Stockholm, Sweden. 23-28 July 2011. Background: Oscillatory activity in high-beta and gamma bands (20-80Hz) is known to play an important role in cortical processing being linked to cognitive processes and behavior. Beta/gamma oscillations are thought to emerge in local cortical circuits via two mechanisms: the interaction between excitatory principal cells and inhibitory interneurons – the pyramidal-interneuron gamma (PING) [1], and in networks of coupled inhibitory interneurons under tonic excitation – the interneuronal gamma (ING) [2]. Experimental evidence underlines the important role of inhibitory interneurons and especially of the fast spiking (FS) interneurons [3,4]. We show in simulation that an important property of FS neurons, namely the membrane resonance (frequency preference), represents an additional mechanism – the resonance induced gamma (RING), i.e. modulation of oscillatory discharge by resonance. RING promotes frequency stability and enables oscillations in purely excitatory networks. Methods: Local circuits were modeled with small world networks of 80% excitatory and 20% inhibitory neuron populations interconnected in small-world topology by realistic conductance-based synapses. Neuron populations were leaky integrate and fire (LIF) or Izhikevich resonator (RES) neurons. We also tested networks of purely inhibitory and purely excitatory RES neurons. Networks were stimulated with miniature postsynaptic potentials (MINIs) [5] and with low frequency sinusoidal (0.5 Hz) input that mimics the effect of gratings passing trough the visual field. The activity was calibrated to match recordings from cat visual cortex (firing rate, oscillatory activity). Results: Sinusoidal input modulates network oscillation frequency. This effect is most prominent in IF excitatory and IF inhibitory (IF-IF) networks and less prominent (about 4 times) in IF-RES or RES-IF networks where frequency remains relatively stable. The most stable frequency was observed in networks of pure resonators (RES-RES, None-RES, RES-None). Interestingly, purely excitatory RES networks (RES-None) were also able to exhibit oscillations through RING. By contrast purely excitatory or inhibitory IF networks (IF-None, None-IF) were not able to express oscillations under these conditions, matching experimental parameters. Conclusions: In both PING and ING, adding membrane resonance to principal cells or inhibitory interneurons stabilizes network oscillation frequency via the RING mechanism. Notably, in networks of purely excitatory networks, where ING and PING are not defined, oscillations can emerge via the RING mechanism if membrane resonance is expressed. Thus, RING appears as a potentially important mechanism for promoting stable network oscillations.
TRENTOOL : an open source toolbox to estimate neural directed interactions with transfer entropy
(2011)
To investigate directed interactions in neural networks we often use Norbert Wiener's famous definition of observational causality. Wiener’s definition states that an improvement of the prediction of the future of a time series X from its own past by the incorporation of information from the past of a second time series Y is seen as an indication of a causal interaction from Y to X. Early implementations of Wiener's principle – such as Granger causality – modelled interacting systems by linear autoregressive processes and the interactions themselves were also assumed to be linear. However, in complex systems – such as the brain – nonlinear behaviour of its parts and nonlinear interactions between them have to be expected. In fact nonlinear power-to-power or phase-to-power interactions between frequencies are reported frequently. To cover all types of non-linear interactions in the brain, and thereby to fully chart the neural networks of interest, it is useful to implement Wiener's principle in a way that is free of a model of the interaction [1]. Indeed, it is possible to reformulate Wiener's principle based on information theoretic quantities to obtain the desired model-freeness. The resulting measure was originally formulated by Schreiber [2] and termed transfer entropy (TE). Shortly after its publication transfer entropy found applications to neurophysiological data. With the introduction of new, data efficient estimators (e.g. [3]) TE has experienced a rapid surge of interest (e.g. [4]). Applications of TE in neuroscience range from recordings in cultured neuronal populations to functional magnetic resonanace imaging (fMRI) signals. Despite widespread interest in TE, no publicly available toolbox exists that guides the user through the difficulties of this powerful technique. TRENTOOL (the TRansfer ENtropy TOOLbox) fills this gap for the neurosciences by bundling data efficient estimation algorithms with the necessary parameter estimation routines and nonparametric statistical testing procedures for comparison to surrogate data or between experimental conditions. TRENTOOL is an open source MATLAB toolbox based on the Fieldtrip data format. ...
Neue Synthesestrategien als Thema des Chemieunterrichts - Experimente zur Kombinatorischen Chemie
(2010)
In der vorliegenden Dissertation wurde die experimentelle Umsetzung der Thematik Kombinatorische Chemie für den Chemieunterricht in der Sekundarstufe II ausgearbeitet. Dazu wurden geeignete Experimente erarbeitet, die einen Einblick in die Kombinatorische Chemie und somit in die neuen Arbeitmethoden der heutigen Chemie schaffen. Mit deren Hilfe gängige Synthesemethoden wie die Split and Combine-Synthese, Teabag-Methode, Spot-Methode und Pin-Methode aufgezeigt werden können und von den Schülern selbst durchgeführt werden. Als ein vorteilhaftes Modell zum Aufzeigen der Arbeitsweise der Kombinatorischen Chemie haben sich Farbstoffe erwiesen, da sie schnell darstellbar sind und keiner aufwendigen Detektion der entstandenen Produkte bedürfen. Als erstes Farbstoffsystem wurden Azofarbstoffe ausgewählt, da sie auch im fakultativen Themenbereich „Farben“ im Chemieunterricht thematisiert werden. Die Übertragung der normalerweise in Lösung hergestellten Azofarbstoffe auf die Festphasenchemie musste zuerst eine geeignete und kostengünstige Festphase gefunden werden. Hierbei haben sich im Handel erhältliche Ionenaustauscher (Harze ohne Linker), die auch zur Wasseraufbereitung verwendet werden, als geeignet herausgestellt. Die erforderlichen Reaktionsbedingungen der Lösungsreaktionen wurden erprobt, optimiert und auf die Festphasenchemie übertragen. Eine Übertragung der Syntheseprinzipien auf drei weitere Farbstoffsysteme wie der Fluoreszenzfarbstoffe der Pyrydin- und Pyrylium-Reihe sowie der Oxidationsfarbstoffe schloß sich an. Nunmehr stehen für den schulischen Einsatz, aber auch für die Ausbildung, einfache Systeme zur Verfügung, die anhand schnell und problemlos durchzuführender Experimente einen Zugang zu unterschiedlichen Methoden der Kombinatorischen Chemie vermitteln können. Dabei bieten die Experimente Anregungen für weitere Arbeiten. Als problematisch stellte sich jedoch der Zugang zu mehrstufigen kombinatorischen Synthesen auf dem Gebiet der Farbstoffe dar. Hier stößt man mit den aus didaktischen Überlegungen sehr einfach gewählten Beispielen an eine Grenze. Ergänzend wurde die Thematik Kombinatorische Chemie mit hochbegabten Schülern der Internatsschule Schloß Hansenberg und interessierten Schülern aus dem Raum Frankfurt, die an dem Projekt Science Camp teilnahmen, erprobt und das Verständnis für diese Thematik mittels eines Fragebogens untersucht. Ein direkter Vergleich beider Schülergruppen konnte aufgrund unterschiedlicher schulischer Bildung nicht vorgenommen werden, weshalb die Auswertung lediglich erste Eindrücke vermittelt. Danach ist das bisher ausgearbeitete Konzept in Lerngruppen mit hochbegabten Schülern gut einsetzbar. Ein Vergleich mit durchschnittlich leistungsstarken Lerngruppen steht noch aus. Eine wünschenswerte Erweiterung und ein Ausbau der Thematik aus Sicht der Schulchemie sollte anorganische Systeme mit einbeziehen und Strategien der Dekonvolution.
Background: In many species males face a higher predation risk than females because males display elaborate traits that evolved under sexual selection, which may attract not only females but also predators. Females are, therefore, predicted to avoid such conspicuous males under predation risk. The present study was designed to investigate predator-induced changes of female mating preferences in Atlantic mollies (Poecilia mexicana). Males of this species show a pronounced polymorphism in body size and coloration, and females prefer large, colorful males in the absence of predators. Results: In dichotomous choice tests predator-naïve (lab-reared) females altered their initial preference for larger males in the presence of the cichlid Cichlasoma salvini, a natural predator of P. mexicana, and preferred small males instead. This effect was considerably weaker when females were confronted visually with the non-piscivorous cichlid Vieja bifasciata or the introduced non-piscivorous Nile tilapia (Oreochromis niloticus). In contrast, predator experienced (wild-caught) females did not respond to the same extent to the presence of a predator, most likely due to a learned ability to evaluate their predators' motivation to prey. Conclusions: Our study highlights that (a) predatory fish can have a profound influence on the expression of mating preferences of their prey (thus potentially affecting the strength of sexual selection), and females may alter their mate choice behavior strategically to reduce their own exposure to predators. (b) Prey species can evolve visual predator recognition mechanisms and alter their mate choice only when a natural predator is present. (c) Finally, experiential effects can play an important role, and prey species may learn to evaluate the motivational state of their predators. Keywords: Sexual selection; female choice; non-independent mate choice; predator recognition; Poecilia mexicana
Im Zuge der Arbeitsbeschaffung, der Aufrüstung und der nachfolgenden Kriegsfinanzierung stand der nationalsozialistischen Regierung ein Bündel prinzipieller Finanzierungsalternativen zur Verfügung. Bei der Finanzierung der Arbeitsbeschaffungsmaßnahmen griff das Regime auf das vorhandene Instrumentarium der Vorgängerregierungen zurück. Insofern war das Prinzip der Wechselfinanzierung zur kurzfristigen Mobilisierung von Liquidität keine Innovation der NS-Regierung, sondern lediglich die Fortsetzung einer bereits praktizierten Finanzierungsmethode. In Hinblick auf die Faktoren „Ergiebigkeit“ und „zeitlicher Verfügbarkeit“ musste im Rahmen der Kriegsfinanzierung primär auf die kurzfristige Verschuldung zurückgegriffen werden. Keine andere Finanzierungsalternative hätte – unter Berücksichtigung der „Blitzkriegstrategie“ und dem damit verbundenen außerordentlichen Mittelbedarf - in solch kurzer Zeit die erforderliche Finanzkraft ohne Reibungsverluste und zeitliche Verzögerungen garantieren können. In steuerpolitischer Hinsicht schöpfte die Regierung zwar ansteigende Einkommen und Gewinne ab, doch fand die Steuergesetzgebung ihre Grenze in der gesellschaftlichen Akzeptanz sowie bei der Berücksichtigung distributionspolitischer Motive. Pläne zur weiteren Steuererhöhung oder gar zur Einführung neuer Steuern wurden zu Gunsten der Zustimmung in der Bevölkerung zur Regimepolitik verworfen. Das Primat der Fundierung kurzfristiger Kreditaufnahme wurde mit Fortdauer des Krieges aufgegeben. Die Konsolidierung der schwebenden Schulden hinkte dem Tempo des kurzfristigen staatlichen Kreditbedarfs mit Fortdauer des Krieges hinterher. Große Teile des Finanzierungsbedarfs wurden durch Enteignung und Kontribution gedeckt. Die übermäßige Beanspruchung ausländischer Volkseinkommen und – vermögen glich jedoch nur einen Teil des inländischen Geld-Gütermarkt-Ungleichgewichtes aus. Darüber hinaus waren mit der Besetzung ausländischer Territorien aber auch Kosten für die Versorgung der Bevölkerung verbunden. Selbst unter Missachtung jeglicher Humanität gegenüber der ausländischen Bevölkerung waren die Ressourcenbeiträge der besetzten Länder begrenzt. Bei der sog. „geräuschlosen Kriegsfinanzierung“ kamen verschiedene Instrumente zur Absorption überschüssiger Kaufkraft zum Einsatz. Langfristige Schuldpapiere wurden überwiegend nicht am freien Kapitalmarkt begeben, sondern direkt den Kapitalsammelstellen zugeteilt. Gesetzlich definierte Grenzen der Lohn- und Preisbildung sowie die Beschränkungen des Kapital- und Gütermarktes flankierten die Bemühungen um die Stilllegung überschüssiger Einkommen. Mit dem kriegsbedingten Ausufern des Mittelbedarfs schwand jede Rücksichtnahme auf die gesetzlichen und ökonomischen Grenzen. Die langfristige Verschuldung konnte fortan der kurzfristigen Kreditaufnahme nicht mehr folgen. Die Sparkassen stellten aufgrund ihrer Nähe zum Einzelkunden und ihres organisatorischen Aufbaues eine idealtypische Konstruktion für die Absorption von Spargeldern dar. Darüber hinaus hatten sie eine dominierende Stellung auf dem Spareinlagenmarkt.
S. leicht übererarbeitete Version der Dissertation: Das "Handbook of...", um das es in dieser Arbeit geht, wird, wenn es vollendet werden sollte, 20 Bände mit insgesamt ca. 16000 Seiten Informationen zu einer aus Anonymisierungsgründen hier nicht näher bezeichneten Bevölkerungsgruppe umfassen, die im gegenwärtigen Nordamerika als ethnische Minderheit gilt. Der komplette Titel des Handbook war länger, wird aber ebenfalls aus Gründen der Anonymisierung nicht erwähnt. Es war als eine Enzyklopädie geplant, die die bis dato gewonnenen wissenschaftlichen Kenntnisse über die Geschichte und Kultur dieser Gruppe von der frühesten Prähistorie bis zur Gegenwart mit dem Ziel zusammenfassen sollte, ein von ausgesuchten Wissenschaftlern geschriebenes enzyklopädisches Referenzwerk nicht nur für Fachleute, sondern auch für die Allgemeinheit zu schaffen (General Editor 1987). In Form einer Monographie wird dargestellt, wo und wie das Handbook produziert wurde, welche unterschiedlichen berufs- und branchenkulturellen Elemente im Redaktionsbüro zusammentrafen und welche von außen auf es einwirkten, wobei natürlich nur eine Auswahl beschrieben und keine komplette Auflistung vorgenommen werden konnte. Das "Handbook of ..." wurde Mitte der sechziger Jahre geplant, Anfang der siebziger konkret begonnen und war 1997 bei Band 10 von 20 geplanten Bänden angekommen. Im Redaktionsbüro wurden die von vielen verschiedenen Autoren geschriebenen Beiträge aneinander angeglichen, um eine für Enzyklopädien erforderliche Einheitlichkeit zu erreichen. Überprüft, und gegebenenfalls korrigiert, wurden die Texte auf die Einhaltung des Themas und ihre Schlüssigkeit hin, auf eine (in Angleichung an andere Beiträge des Bandes und der Serie) einheitliche Schreibweise von Namen und Begriffen, auf korrekte Sachangaben sowie auf fehlerfreie Zitate und Literaturangaben. Solche Überprüfungen wurden nicht nur für das Handbook vorgenommen, sondern genauso in anderen großen und renommierten Enzyklopädie- und Lexikonverlagen wie der Encyclopedia Britannica und dem Brockhausund Dudenverlag. Durch die Stellung als Wissensautorität und 'letzte Instanz' in der Klärung von strittigen Fragen waren sie es ihrem Ruf schuldig, (möglichst) fehlerfreie Werke herauszubringen. ...
In seiner ausführlichen Untersuchung unterschiedlicher philosophischer Ansätze zum Prinzip „Verantwortung“ führt Ludger Heidbrink (2003) aus, dass die Standardtheorie der „Verantwortung“ auf drei Pfeilern beruhe, „dem Subjekt der Verantwortung, dem Objekt der Verantwortung und der Instanz der Verantwortung“ (ebd.: S. 21 f.; Hervorhebung von B. H.). Dabei bezieht er sich auf einige philosophische Ansätze, die Verantwortung in einer mehrstelligen Relation verstehen: Eine Person hat (1) Verantwortung für etwas (2) vor und gegenüber jemandem (3) und wird nach Maßgabe von gewissen Kriterien beurteilt (4) (u. a. Lenk/Maring 1993; Höffe 1993). An dieser Definition wird deutlich, dass es sich bei „Verantwortung“ um ein zutiefst soziales Handlungsprinzip dreht, denn eine Person, die verantwortlich handelt, tritt immer in irgendeiner Form in Interaktion mit ihrer sozialen Umwelt. So kümmern sich beispielsweise Eltern um ihre Kinder; Arbeitsnehmer stellen im Rahmen kollegialer Arbeitsteilung ein Produkt her oder erfüllen eine Dienstleistung für einen Kunden. Selbst wer sich gegenüber einem Tier oder der Natur verantwortlich verhält, erfüllt dabei eine moralische Norm, deren Einhaltung die Gesellschaft von ihm erwartet. Daran wird deutlich, dass eine Person, auch wenn sie sich in ihrem Handeln nicht direkt auf andere Menschen bezieht, gegenüber Personen oder Instanzen die Folgen ihres Verhaltens verantworten muss, was bedeutet, dass sie im Rahmen der Rechenschaftspflicht letztlich auch in eine Interaktion mit anderen Menschen tritt. Nur von mündigen Menschen kann Verantwortung für ihr Handeln erwartet werden. Der intersubjektive Charakter des Verantwortungspostulats lässt normalerweise auch zu, dass sich die beteiligten Personen über die Voraussetzungen verständigen können, unter denen das geforderte Handeln möglich ist oder war. Denn meistens genügt allein der Willen einer Person nicht zur Übernahme von Verantwortung.
As a part of this thesis, a Monte Carlo-based code has been developed capable of simulating the transition of proton beam properties to neutron beam properties as it occurs in the Li-7(p, n)Be-7 reaction. It is able to reproduce not only the angle-integrated energy distributions but it is also capable of predicting the angle-dependent neutron spectra as measured at Forschungszentrum Karlsruhe (Karlsruhe, Germany) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Braunschweig, Germany). Since the code retains all three spatial dimensions as well as all three velocity dimensions, it provides very detailed information on the neutron beam. The resulting data can aid in many different aspects, for example it can be used in shielding construction, or for lithium target design. In this work, the code is used to predict the neutron beam properties expected at the Frankfurt Neutron Source at Stern-Gerlach-Zentrum (FRANZ) facility. For different proton beam energies, the neutron distribution in x/p_x, y/p_y, and z/p_z is shown as well as a Mollweide projection, which illustrates the kinematic collimation effect that limits the neutron cone opening angle to less than 180 degree.