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Selbstüberwachte Deep Learning Methoden für die medizinische Bildanalyse
No full textDeep learning has seen widespread application in many domains, mainly for its ability to learn data representations from raw input data. Nevertheless, its success has so far been coupled with the availability of large annotated (labelled) datasets. This is a requirement that is difficult to fulfil in several domains, such as in medical imaging. Annotation costs form a barrier in extending deep learning to clinically-relevant use cases. The labels associated with medical images are scarce, since the generation of expert annotations of multimodal patient data at scale is non-trivial, expensive, and time-consuming. This substantiates the need for algorithms that learn from the increasing amounts of unlabeled data. Self-supervised representation learning algorithms offer a pertinent solution, as they allow solving real-world (downstream) deep learning tasks with fewer annotations. Self-supervised approaches leverage unlabeled samples to acquire generic features about different concepts, enabling annotation-efficient downstream task solving subsequently.
Nevertheless, medical images present multiple unique and inherent challenges for existing self-supervised learning approaches, which we seek to address in this thesis: (i) medical images are multimodal, and their multiple modalities are heterogeneous in nature and imbalanced in quantities, e.g. MRI and CT; (ii) medical scans are multi-dimensional, often in 3D instead of 2D; (iii) disease patterns in medical scans are numerous and their incidence exhibits a long-tail distribution, so it is oftentimes essential to fuse knowledge from different data modalities, e.g. genomics or clinical data, to capture disease traits more comprehensively; (iv) Medical scans usually exhibit more uniform color density distributions, e.g. in dental X-Rays, than natural images. Our proposed self-supervised methods meet these challenges, besides significantly reducing the amounts of required annotations.
We evaluate our self-supervised methods on a wide array of medical imaging applications and tasks. Our experimental results demonstrate the obtained gains in both annotation-efficiency and performance; our proposed methods outperform many approaches from related literature. Additionally, in case of fusion with genetic modalities, our methods also allow for cross-modal interpretability. In this thesis, not only we show that self-supervised learning is capable of mitigating manual annotation costs, but also our proposed solutions demonstrate how to better utilize it in the medical imaging domain. Progress in self-supervised learning has the potential to extend deep learning algorithms application to clinical scenarios.Deep Learning findet in vielen Bereichen breite Anwendung, vor allem wegen seiner Fähigkeit, Datenrepräsentationen aus rohen Eingabedaten zu lernen. Dennoch war der Erfolg bisher an die Verfügbarkeit großer annotatierter Datensätze geknüpft. Dies ist eine Anforderung, die in verschiedenen Bereichen, z. B. in der medizinischen Bildgebung, schwer zu erfüllen ist. Die Kosten für die Annotation stellen ein Hindernis für die Ausweitung des Deep Learning auf klinisch relevante Anwendungsfälle dar. Die mit medizinischen Bildern verbundenen Annotationen sind rar, da die Erstellung von Experten Annotationen für multimodale Patientendaten in großem Umfang nicht trivial, teuer und zeitaufwändig ist. Dies unterstreicht den Bedarf an Algorithmen, die aus den wachsenden Mengen an unbeschrifteten Daten lernen. Selbstüberwachte Algorithmen für das Repräsentationslernen bieten eine mögliche Lösung, da sie die Lösung realer (nachgelagerter) Deep-Learning-Aufgaben mit weniger Annotationen ermöglichen. Selbstüberwachte Ansätze nutzen unannotierte Stichproben, um generisches Eigenschaften über verschiedene Konzepte zu erlangen und ermöglichen so eine annotationseffiziente Lösung nachgelagerter Aufgaben.
Medizinische Bilder stellen mehrere einzigartige und inhärente Herausforderungen für existierende selbstüberwachte Lernansätze dar, die wir in dieser Arbeit angehen wollen: (i) medizinische Bilder sind multimodal, und ihre verschiedenen Modalitäten sind von Natur aus heterogen und in ihren Mengen unausgewogen, z.B. (ii) medizinische Scans sind mehrdimensional, oft in 3D statt in 2D; (iii) Krankheitsmuster in medizinischen Scans sind zahlreich und ihre Häufigkeit weist eine Long-Tail-Verteilung auf, so dass es oft unerlässlich ist, Wissen aus verschiedenen Datenmodalitäten, z. B. Genomik oder klinische Daten, zu verschmelzen, um Krankheitsmerkmale umfassender zu erfassen; (iv) medizinische Scans weisen in der Regel eine gleichmäßigere Farbdichteverteilung auf, z. B. in zahnmedizinischen Röntgenaufnahmen, als natürliche Bilder. Die von uns vorgeschlagenen selbstüberwachten Methoden adressieren diese Herausforderungen und reduzieren zudem die Menge der erforderlichen Annotationen erheblich.
Wir evaluieren unsere selbstüberwachten Methoden in verschiedenen Anwendungen und Aufgaben der medizinischen Bildgebung. Unsere experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die von uns vorgeschlagenen Methoden sowohl die Effizienz der Annotation als auch die Leistung steigern und viele Ansätze aus der verwandten Literatur übertreffen. Darüber hinaus ermöglichen unsere Methoden im Falle der Fusion mit genetischen Modalitäten auch eine modalübergreifende Interpretierbarkeit. In dieser Arbeit zeigen wir nicht nur, dass selbstüberwachtes Lernen in der Lage ist, die Kosten für manuelle Annotationen zu senken, sondern auch, wie man es in der medizinischen Bildgebung besser nutzen kann. Fortschritte beim selbstüberwachten Lernen haben das Potenzial, die Anwendung von Deep-Learning-Algorithmen auf klinische Szenarien auszuweiten
Does scientific evidence sell?
No full textExamining the dissemination of evidence on social media, we analyzed the discourse around eight visible scientists in the context of COVID-19. Using manual (N = 1,406) and automated coding (N = 42,640) on an account-based tracked Twitter/X dataset capturing scientists’ activities and eliciting reactions over six 2-week periods, we found that visible scientists’ tweets included more scientific evidence. However, public reactions contained more anecdotal evidence. Findings indicate that evidence can be a message characteristic leading to greater tweet dissemination. Implications for scientists, including explicitly incorporating scientific evidence in their communication and examining evidence in science communication research, are discussed
Virtual reality in digital education
No full textVirtual reality promises high potential as an immersive, hands-on learning tool for training 21st-century skills. However, previous research revealed that the mere use of digital tools in higher education does not automatically translate into learning outcomes. Instead, information systems studies emphasized the importance of effective use behavior to achieve technology usage goals. Applying the affordance network approach, we investigated what constitutes effective usage behavior regarding a virtual reality collaboration system in digital education. Therefore, we conducted 18 interviews with students and observations of six course sessions. The results uncover how affordance actualization contributed to the achievement of learning goals. A comparison with findings of previous studies on other information systems (i.e., electronic medical record systems, big data analytics, fitness wearables) allowed us to highlight system-specific differences in effective use behavior. We also demonstrated a clear distinction between concepts surrounding effective use theory facilitating the application of the affordance network approach in information systems research
Neue Quellen zu Humboldts Kuba-Forschung. Das „Digitale Dossier“ des Proyecto Humboldt Digital (2019–2023)
No full textDie deutsch-kubanische Forschungs- und Digitalisierungsinitiative „Proyecto Humboldt Digital“ (ProHD) hat während ihrer Projektlaufzeit (2019–2023) wichtige Quellen zum Thema „Humboldt und Kuba“ erstmals digital erschlossen. Als Kooperation zwischen der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften und der Oficina del Historiador de la Ciudad de La Habana hat ProHD damit wichtige Akzente für die Archivdigitalisierung, die digitale Editionsphilologie und die digitale Wissenschaftskommunikation in Kuba gesetzt. Das Korpus der erschlossenen Bestände wird hier in fünf Schlaglichtern vorgestellt: 1) Quellen zur Humboldt’schen Forschungsreise, 2) Juan Luis de la Cuesta, 3) Materialien zu Kuba aus dem Humboldt-Nachlass, 4) Zensur und Beschlagnahme des Essai politique sur l’île de Cuba, 5) Francisco de Arango y Parreño.La iniciativa alemana-cubana “Proyecto Humboldt Digital” (ProHD) ha hecho accesibles digitalmente por primera vez importantes fuentes sobre el tema “Humboldt y Cuba” durante el período de su ejecución (2019–2023). Como cooperación entre la Academia de Ciencias y Humanidades de Berlín-Brandeburgo y la Oficina del Historiador de la Ciudad de La Habana, ProHD ha inspirado importantes pautas para la digitalización de archivos, la ecdótica digital y la comunicación científica digital en Cuba. El corpus de los fondos catalogados se presenta aquí en cinco puntos destacados: 1) fuentes en torno al viaje humboldtiano, 2) Juan Luis de la Cuesta, 3) materiales sobre Cuba de la colección Humboldt, 4) Censura y confiscación del Essai politique sur l’île de Cuba, 5) Francisco de Arango y Parreño.The German-Cuban initiative “Proyecto Humboldt Digital” (ProHD) has made important archival sources on “Humboldt and Cuba” digitally accessible for the first time during the project period (2019–2023). As a cooperation between the Berlin-Brandenburg Academy of Sciences and Humanities and the Office of the Historian of the City of Havana, ProHD has inspired key principles for archival digitization, digital scholarly editions and digital scholarly communication in Cuba. The digital corpus is presented in this article along five main strands: 1) documents related to Humboldt’s voyage, 2) Juan Luis de la Cuesta, 3) Documents on Cuba from the Humboldt personal papers, 4) censorship and confiscation of the Essai politique sur l’île de Cuba, 5) Francisco de Arango y Parreño
Föderalistische Weichenstellungen zwischen Bizone und Bundesrepublik
No full textDer Föderalismus, dessen Wurzeln bis in das Mittelalter zurückreichen, gehört zu den Grundtatsachen der deutschen Geschichte. Dieses historische Erbe spiegelt sich in der heutigen deutschen Staatlichkeit wider, wie sie im Grundgesetz verankert ist und von Bund, Ländern und Kommunen mit Leben erfüllt wird. Renommierte Historiker, Politologen und Rechtswissenschaftler zeichnen in diesem Band die grundlegenden Entwicklungen der Föderalismusgeschichte in Deutschland seit der Gründung des deutschen Nationalstaats (1871) nach. Sie zeigen dabei die Kontinuitäten und Systembrüche deutscher Staatlichkeit auf – vom Kaiserreich über die Weimarer Republik und den NS-Staat bis hin zur Gegenwart in der Bundesrepublik Deutschland
The roots of errors in adaptive performance
No full textPurpose
The purpose of this study was to investigate work-related adaptive performance from a longitudinal process perspective. This paper clustered specific behavioral patterns following the introduction of a change and related them to retentivity as an individual cognitive ability. In addition, this paper investigated whether the occurrence of adaptation errors varied depending on the type of change content.
Design/methodology/approach
Data from 35 participants collected in the simulated manufacturing environment of a Research and Application Center Industry 4.0 (RACI) were analyzed. The participants were required to learn and train a manufacturing process in the RACI and through an online training program. At a second measurement point in the RACI, specific manufacturing steps were subject to change and participants had to adapt their task execution. Adaptive performance was evaluated by counting the adaptation errors.
Findings
The participants showed one of the following behavioral patterns: (1) no adaptation errors, (2) few adaptation errors, (3) repeated adaptation errors regarding the same actions, or (4) many adaptation errors distributed over many different actions. The latter ones had a very low retentivity compared to the other groups. Most of the adaptation errors were made when new actions were added to the manufacturing process.
Originality/value
Our study adds empirical research on adaptive performance and its underlying processes. It contributes to a detailed understanding of different behaviors in change situations and derives implications for organizational change management
Adblocker und cheat bots - Thema und Variationen für das Softwareurheberrecht
No full text1. Es ist zweifelhaft, ob die Dateien, die beim Abrufen einer Internetseite an den Nutzer übermittelt werden, Computerprogramme im Sinne von § URHG § 69a UrhG sind.
2. Bei Nutzung eines Adblockers erfolgt keine unberechtigte Vervielfältigung im Sinne von § URHG § 69c Nr. URHG § 69C Nummer 1 UrhG, da die HTML-Dateien und weitere Elemente mit Zustimmung des Seitenbetreibers in den Arbeitsspeicher des Nutzer geladen werden.
3. Bei Nutzung eines Adblockers erfolgt auch keine Umarbeitung der im Arbeitsspeicher gespeicherten Daten, da der Adblocker lediglich Auswirkungen auf den Programmablauf hat, nicht aber in die Programmsubstanz eingreift. (Leitsätze der Redaktion
Sozialisierung und Entwicklung von rassifiziertem Wissen bei Jugendlichen in ungerechten Gesellschaften
No full textBackground: Societies worldwide have become more diverse yet continue to be inequitable. Understanding how youth growing up in these societies are socialized and consequently develop racial knowledge has important implications not only for their well-being but also for building more just societies. Importantly, there is a lack of research on these topics in Germany and Europe in general.
Aim and Method: The overarching aim of the dissertation is to investigate 1) where and how ethnic-racial socialization (ERS) happens in inequitable societies and 2) how it relates to youth’s development of racial knowledge, which comprises racial beliefs (e.g., prejudice, attitudes), behaviors (e.g., actions preserving or disrupting inequities), and identities (e.g., inclusive, cultural). Guided by developmental, cultural, and ecological theories of socialization and development, I first explored how family, as a crucial socialization context, contributes to the preservation or disruption of racism and xenophobia in inequitable societies through its influence on children’s racial beliefs and behaviors. I conducted a literature review and developed a conceptual model bridging research on ethnic-racial socialization and intergroup relations (Study 1). After documenting the lack of research on socialization and development of racial knowledge within and beyond family contexts outside of the U.S., I conducted a qualitative study to explore ERS in Germany through the lens of racially marginalized youth (Study 2). Then, I conducted two quantitative studies to explore the separate and interacting relations of multiple (i.e., family, school) socialization contexts for the development of racial beliefs and behaviors (Study 3), and identities (Studies 3, 4) in Germany. Participants of Study 2 were 26 young adults (aged between 19 and 32) of Turkish, Kurdish, East, and Southeast Asian heritage living across different cities in Germany. Study 3 was conducted with 503 eighth graders of immigrant and non-immigrant descent (Mage = 13.67) in Berlin, Study 4 included 311 early to mid-adolescents of immigrant descent (Mage= 13.85) in North Rhine-Westphalia with diverse cultural backgrounds.
Results and Conclusion: The findings revealed that privileged or marginalized positions of families in relation to their ethnic-racial and religious background in society entail differential experiences and thus are an important determining factor for the content/process of socialization and development of youth’s racial knowledge. Until recently, ERS research mostly focused on investigating how racially marginalized families have been the sources of support for their children in resisting racism and how racially privileged families contribute to transmission of information upholding racism (Study 1). ERS for racially marginalized youth in Germany centered heritage culture, discrimination, and resistance strategies to racism, yet resistance strategies transmitted to youth mostly help to survive racism (e.g., working hard) by upholding it instead of liberating themselves from racism by disrupting it (e.g., self-advocacy, Study 2). Furthermore, when families and schools foster heritage and intercultural learning, both contexts may separately promote stronger identification with heritage culture and German identities, and more prosocial intentions towards disadvantaged groups (i.e., refugees) among youth (Studies 3, 4). However, equal treatment in the school context led to mixed results: equal treatment was either unrelated to inclusive identity, or positively related to German and negatively related to heritage culture identities (Studies 3, 4). Additionally, youth receiving messages highlighting strained and preferential intergroup relations at home while attending schools promoting assimilation may develop a stronger heritage culture identity (Study 4). In conclusion, ERS happened across various social contexts (i.e., family, community centers, school, neighborhood, peer). ERS promoting heritage and intercultural learning, at least in one social context (family or school), might foster youth’s racial knowledge manifesting in stronger belonging to multiple cultures and in prosocial intentions toward disadvantaged groups. However, there is a need for ERS targeting increasing awareness of discrimination across social contexts of youth and teaching youth resistance strategies for liberation from racism.Hintergrund: Gesellschaften auf der ganzen Welt sind vielfältiger geworden, doch sie sind nach wie vor ungleich. Zu verstehen, wie Jugendliche, die in diesen Gesellschaften aufwachsen, sozialisiert werden und folglich rassifiziertes Wissen entwickeln, hat nicht nur wichtige Implikationen für ihr Wohlbefinden, sondern auch für den Aufbau gerechterer Gesellschaften. In Deutschland und in Europa im Allgemeinen besteht jedoch bislang ein Mangel an Forschung zu diesen Themen.
Ziel und Methode: Das übergreifende Ziel der Dissertation ist es, 1) zu untersuchen, wo und wie ethnic-racial socialisation (ERS) in ungerechten Gesellschaften stattfindet und 2) wie ERS mit der Entwicklung von rassifiziertem Wissen bei Jugendlichen zusammenhängt. Rassifiziertes Wissen umfasst rassifizierte Überzeugungen (z.B. Vorurteile, Einstellungen), Verhaltensweisen (z.B. Handlungen, die Ungleichheiten aufrechterhalten oder bekämpfen) und Identitäten (z.B. inklusiv, kulturell). Auf der Grundlage entwicklungspsychologischer, kultureller und ökologischer Sozialisations- und Entwicklungstheorien untersuchte ich zunächst, wie die Familie als entscheidender Sozialisationskontext durch ihren Einfluss auf rassifizierte Überzeugungen und Verhaltensweisen der Kinder zur Aufrechterhaltung oder Bekämpfung von Rassismus und Fremdenfeindlichkeit in ungleichen Gesellschaften beiträgt. Ich führte eine Literaturrecherche durch und entwickelte ein konzeptuelles Modell, das Forschung zu ERS und zu Intergruppenbeziehungen verbindet (Studie 1). Nachdem ich den Mangel an Forschung zu Sozialisation und zur Entwicklung von rassistischem Wissen innerhalb und außerhalb des familiären Kontexts außerhalb der USA dokumentiert hatte, führte ich eine qualitative Studie durch, um ERS in Deutschland durch die Brille rassistisch markierter Jugendlicher zu untersuchen (Studie 2). Anschließend führte ich zwei quantitative Studien durch, um die separaten und interagierenden Zusammenhänge zwischen verschiedenen Sozialisationskontexten (z. B. Familie, Schule) und der Entwicklung rassifizierte Überzeugungen und Verhaltensweisen (Studie 3) und Identitäten (Studien 3, 4) in Deutschland zu untersuchen. Teilnehmer*innen der Studie 2 waren 26 junge Erwachsene (im Alter zwischen 19 und 32 Jahren) türkischer, kurdischer, ost- und südostasiatischer Herkunft, die in verschiedenen Städten in Deutschland leben. Studie 3 wurde mit 503 Achtklässler*innen mit und ohne Migrationshintergrund (Mage = 13,67) in Berlin durchgeführt. Studie 4 umfasste 311 Jugendliche im frühen bis mittleren Jugendalter mit Migrationshintergrund und unterschiedlichen kulturellen Hintergründen (Mage= 13,85) in Nordrhein-Westfalen.
Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Die Ergebnisse zeigen, dass privilegierte oder marginalisierte Positionen von Familien in Bezug auf ihren ethnisch, „rassistischen“ und religiösen Hintergrund in der Gesellschaft unterschiedliche Erfahrungen mit sich bringen. Somit sind sie ein wichtiger Bestimmungsfaktor für den Inhalt und Prozess der Sozialisation und die Entwicklung des rassifizierten Wissens von Jugendlichen. Bis vor kurzem konzentrierte sich die ERS-Forschung vor allem auf die Untersuchung der Frage, wie rassistisch markierte Familien ihre Kinder beim Widerstand gegen Rassismus unterstützen und wie nicht-rassistisch markierte Familien Informationen vermitteln, die Rassismus aufrechterhalten (Studie 1). ERS bei rassistisch markierten Jugendlichen in Deutschland fokussierte auf die Herkunftskultur, Diskriminierung und Widerstand gegen Rassismus. Jedoch zielten die an die Jugendlichen weitergegebenen Widerstandsstrategien meistens darauf ab, den Rassismus zu überleben (z.B. hart zu arbeiten), und sie ihn aufrechterhalten, anstatt sich vom Rassismus zu befreien, indem sie ihn bekämpfen (z. B. Selbstbehauptung, Studie 2). Wenn Familien und Schulen das herkunftskulturelle und interkulturelle Lernen fördern, können beide Kontexte getrennt voneinander eine stärkere herkunftskulturelle und deutsche Identität sowie mehr prosoziale Absichten gegenüber benachteiligten Gruppen (z. B. Geflüchtete) unter Jugendlichen fördern (Studien 3, 4). Die Gleichbehandlung im schulischen Kontext führte jedoch zu widersprüchlichen Ergebnissen: Die Gleichbehandlung stand entweder in keinem Zusammenhang mit der inklusiven Identität oder war positiv mit der deutschen und negativ mit der herkunftskulturellen Identität verbunden (Studien 3, 4). Darüber hinaus können Jugendliche, die zu Hause Botschaften erhalten, die angespannte und präferenzielle Intergruppenbeziehungen hervorheben, während sie Schulen besuchen, die Assimilation fördern, eine stärkere herkunftskulturelle Identität entwickeln (Studie 4). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ERS in verschiedenen sozialen Kontexten stattfand (d. h. Familie, Gemeindezentren, Schule, Nachbarschaft, Gleichaltrige). ERS, welche herkunftskulturelles und interkulturelles Lernen zumindest in einem sozialen Kontext (Familie oder Schule) unterstützt, könnte das rassifizierte Wissen der Jugendlichen fördern, das sich in prosozialen Absichten gegenüber benachteiligten Gruppen und einer stärkeren Zugehörigkeit zu mehreren Kulturen manifestiert. Es besteht jedoch ein Bedarf an ERS, die darauf abzielt, das Bewusstsein für Diskriminierung bei Jugendlichen über soziale Kontexte hinweg zu schärfen und Jugendlichen Widerstandsstrategien zur Befreiung von Rassismus zu vermitteln
Validation of a german version of the caregiver strain questionnaire-short form 11 (CGSQ-SF11)
No full textObjective
Caring for a child, particularly one with special healthcare needs, is a demanding task that can lead to the experience of caregiver strain. This in turn has an effect on the caregiver’s mental health, as well as on the child and his or her treatment. To enable the identification of afflicted parents, this study aims to provide a German version of the Caregiver Strain Questionnaire–Short Form 11 (CGSQ-SF11) and to examine its factor structure and psychometric properties.
Methods
Data from 698 caregivers were included in the analyses. Caregivers completed the CGSQ-SF11 along with measures of parenting stress (PSI-SF), stress (PSS-10), anxiety (GAD-7), depression (PHQ-8), family-related quality of life (FLQ), and social desirability (SES-17) as additional instruments for validation. A two-week follow-up questionnaire included only the CGSQ-SF11. Exploratory factor analysis followed by a confirmatory factor analysis was conducted for parents of children with and without special healthcare needs, separately. Further analyses examined the validity and reliability of the instrument.
Results
For parents of children with special healthcare needs, a three-factor structure (objective, internalized subjective, externalized subjective strain) with a second-order factor (caregiver strain) was supported. For parents of children without special healthcare needs, a similar three-factor structure was found, although the second-order factor was not supported. Measurement invariance between the two groups was not confirmed. Internal consistency, test-retest reliability, and validity were largely supported in both groups.
Conclusions
The results indicate that the German version of the CGSQ SF-11 is a valid and reliable questionnaire for measuring caregiver strain
Steuerung kollektiver Dynamiken in neuronalen Populationen
No full textSynchronization is an emergent phenomenon in complex systems that characterizes a self-organized transition from disorder to order. It can be found across various time scales in many natural scenarios and engineering applications. This dissertation contributes to the theory of control and analysis of synchronization in networks of coupled oscillators.
Motivated by the treatment technique of Deep Brain Stimulation in neuroscience, this dissertation's first part is devoted to effectively desynchronizing a population of oscillators using precisely timed stimulation. In the first approach, we model pathological synchronization by a partially synchronized state in a population of Kuramoto phase oscillators and analytically determine the most vulnerable phases for applying charge-balanced pulsatile stimulation. However, as comprehensive knowledge of a system's microscopic specifics is unlikely in real-world systems, we also study the inference of macroscopic quantities relevant for identifying vulnerable phases from scalar observations. Moreover, we also study the desynchronization by phase-specific stimulation in the particular case of two coupled oscillators with the restriction that stimulation and measurements can be applied only to one oscillator.
In the dissertation's second part, we derive a rigorous high-order phase reduction technique for arbitrarily coupled two-dimensional oscillators that provides the phase model terms of arbitrary power in the coupling parameter. In contrast to the classic first-order phase model, the resulting high-order phase model may conserve amplitude-mediated phenomena from its original model, enabling a more sophisticated synchronization analysis. We employ the technique to explicitly calculate the second-order phase model for linearly coupled Stuart-Landau oscillators, extending the paradigmatic Kuramoto model. Applied to a ring of identical non-locally coupled oscillators, the second-order phase model correctly replicates the size dependence of the synchronous patch in a chimera state, an impossible observation when considering only terms of the first order in the coupling strength. Moreover, in a ring of identical nearest-neighbor coupled oscillators, we derive a partial differential equation extending the Kuramoto-Sivashinsky equation.
The results of this dissertation provide insights into desynchronization by phase-specific stimulation under various real-world constraints that may benefit the implementation of stimulation protocols in medicine and neuroscience. Furthermore, they advance dynamical systems theory by deriving phase models of coupled oscillator populations incorporating high-order effects.Synchronisation ist ein emergentes Phänomen in komplexen Systemen, das einen selbstorganisierten Übergang von Unordnung zu Ordnung charakterisiert. Es kann über verschiedene Zeitskalen hinweg in vielen natürlichen Szenarien und technischen Anwendungen auftreten. Diese Dissertation trägt zur Theorie der Kontrolle und Analyse von Synchronisation in Netzwerken gekoppelter Oszillatoren bei.
Anlehnend an die Behandlungstechnik der tiefen Hirnstimulation in der Neurowissenschaft behandelt der erste Teil dieser Arbeit das Problem der effektiven Desynchronisation einer Population von Oszillatoren mit zeitlich präziser Pulsstimulation. In einem ersten Ansatz modellieren wir pathologische Synchronisation durch einen Zustand partieller Synchronisation in einer Population von Kuramoto-Phasenoszillatoren und bestimmen analytisch die anfälligste Phase für die Anwendung ladungsausgeglichener Pulsstimulation. Da allerdings umfassendes Wissen über die mikroskopischen Spezifikationen eines System unter Realbedingungen unwahrscheinlich ist, untersuchen wir auch die Inferenz makroskopischer Größen, die für die Identifikation anfälliger Phasen relevant sind, durch skalare Beobachtungen. Weiterhin untersuchen wir auch die Desynchronisation durch phasenspezifische Stimulation im besonderen Fall zweier gekoppelter Oszillatoren unter der Einschränkung, dass Stimulation und Messung nur an einem Oszillator angewandt werden können.
Im zweiten Teil der Dissertation leiten wir eine exakte Phasenreduktiontechnik höherer Ordnung für beliebig gekoppelte zweidimensionale Oszillatoren her, welche die Phasenmodellterme belieber Potenz im Kopplungsparameter liefert. Im Gegensatz zum klassischen Phasenmodell erster Ordnung kann das resultierende Phasenmodell höherer Ordnung amplitudenvermittelte Phänomene des Originalmodells erhalten und so eine fortgeschrittener Synchronisationsanalyse ermöglichen. Wir benutzen diese Technik, um explizit das Phasenmodell zweiter Ordnung für linear gekoppelte Stuart-Landau-Oszillatoren zu berechnen und erweitern damit das paradigmatische Kuramoto-Modell. Angewandt auf einen Ring identischer nicht-lokal gekoppelter Oszillatoren repliziert das Phasenmodell zweiter Ordnung korrekt die Größenabhängigkeit der synchronen Domäne in einem Chimera-Zustand; eine unmögliche Beobachtung, wenn nur Terme erster Ordnung in der Kopplungsstärke berücksichtigt werden. Darüber hinaus leiten wir in einem Ring identischer Oszillatoren mit nächste-Nachbarn-Kopplung eine partielle Differentialgleichung her, welche die Kuramoto-Sivashinsky-Gleichung erweitert.
Die Resultate dieser Dissertation liefern Einblicke in die Desynchronisation durch phasenspezifische Stimulation unter verschiedenen Realbedingungen, welche der Implementierung von Stimulationsprotokollen in Medizin und Neurowissenschaft zugute kommen können. Weiterhin bringen sie die Theorie dynamischer System durch die Herleitung von Phasenmodellen höherer Ordnung in Population gekoppelter Oszillatoren voran