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Immersive Virtual Reality Games for Societal Impact: Physical Activity, Active Aging, and Social Interaction
Get PDFMany of today’s challenges are tightly connected to a rapid digitalization, which is accelerating societal developments significantly. However, while technological advancements may bear the risk of amplifying societal challenges, they can also help to solve these challenges. With the goal of tackling societal challenges, this dissertation targets the United Nations’ third sustainable development goal of “good health and well-being - ensure healthy lives and promote well-being for all at all ages”. To this end, this dissertation takes a Human-Computer Interaction (HCI) perspective and focuses on designing, developing, and evaluating technology-based solutions, specifically immersive virtual reality (VR) games, to help address three societal challenges of today’s world: (i) physical activity, (ii) active aging, and (iii) social interaction.
In the last decades, VR-head-mounted displays (HMDs) have experienced rapid improvements in performance, accessibility, and affordability. Especially, games have become a major application area of this technology since its immersive nature is an ideal fit for delivering engaging and playful experiences. Immersive VR games do not only entertain users but also have enormous potential for addressing pressing societal challenges due to their immersive, spatial, and motivating characteristics. However, our understanding of how to design and develop these games for such purposes is still limited. Accordingly, this dissertation presents research contributions on how immersive VR games can help address the three outlined societal challenges.
Overall, in this dissertation, we examine the spectrum of immersive VR games, from single-user experiences to multi-user environments, and address diverse target groups, including younger and older adults, as well as older adults with different degrees of dementia. As a first societal challenge, we focus on how immersive VR games can support physical activity. We provide an up-to-date overview, envision new training opportunities, and offer empirical insights into the benefits of using real-time continuous cues and various game elements. Following this, we show how VR games can support active aging by designing age-appropriate cognitive and physical exercises, considering requirements of older adults with dementia, evaluating the impact of augmented interactions, and analyzing advantages and disadvantages of different exergaming technologies. Lastly, we showcase how immersive VR games can support social interaction. We demonstrate their potential for creating social gaming environments, provide a theoretical understanding and uncover research gaps of asymmetric multiplayer immersive VR games, use asymmetric game design and resulting interdependences to bridge the gap between players of different mediums, and explore how existing social ties influence the experience of asymmetric multiplayer immersive VR games. The dissertation concludes with a discussion of the main contributions, the key lessons learned, and the future research directions. Our work establishes a foundation for future research in the field of HCI and promotes the use of immersive VR games to foster a positive societal impact for individuals of all ages and conditions.Viele der heutigen Herausforderungen sind eng mit einer rasanten Digitalisierung verbunden, die gesellschaftliche Entwicklungen erheblich beschleunigt. Technologische Fortschritte bergen zwar das Risiko, gesellschaftliche Herausforderungen zu verstärken, können aber auch zu deren Lösungen beitragen. Mit dem Ziel, gesellschaftliche Herausforderungen anzugehen, adressiert diese Dissertation das dritte Ziel für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen: “Gute Gesundheit und Wohlbefinden – ein gesundes Leben gewährleisten und das Wohlbefinden für alle in jedem Alter fördern”. Diese Dissertation adoptiert eine HCI-Perspektive und konzentriert sich auf die Gestaltung, Entwicklung und Evaluierung technologiebasierter Lösungen, insbesondere immersiver VR-Spiele, um drei gesellschaftliche Herausforderungen der heutigen Welt anzugehen: (i) körperliche Aktivität, (ii) aktives Altern und (iii) soziale Interaktion.
In den letzten Jahrzehnten haben sich VR-HMDs rasant in Bezug auf Leistung, Zugänglichkeit und Erschwinglichkeit entwickelt. Insbesondere Spiele sind zu einem wichtigen Anwendungsbereich dieser Technologie geworden, da ihre immersive Natur ideal ist, um fesselnde und spielerische Erfahrungen zu vermitteln. Immersive VR-Spiele dienen jedoch nicht nur der Unterhaltung der Nutzer, sondern besitzen aufgrund ihrer immersiven, räumlichen und motivierenden Eigenschaften auch ein enormes Potenzial, um drängende gesellschaftliche Herausforderungen anzugehen. Dennoch ist unser Verständnis dafür, wie diese Spiele für solche Zwecke gestaltet und entwickelt werden können, sehr begrenzt. Diese Dissertation präsentiert Forschungsbeiträge, die zeigen, wie immersive VR-Spiele dazu beitragen können, die drei skizzierten gesellschaftlichen Herausforderungen anzugehen.
Insgesamt untersuchen wir in dieser Dissertation das Spektrum immersiver VR-Spiele, von Einzelspieler-Erfahrungen bis hin zu Mehrbenutzerumgebungen, und sprechen verschiedene Zielgruppen an, darunter jüngere und ältere Erwachsene sowie ältere Erwachsene mit unterschiedlichen Demenzgraden. Zunächst konzentrieren wir uns darauf, wie immersive VR-Spiele körperliche Aktivität unterstützen können. Wir geben einen aktuellen Überblick, stellen neue Trainingsmöglichkeiten vor und bieten empirische Einblicke in die Vorteile von kontinuierlichem Feedback in Echtzeit und anderen Spielelementen. Anschließend zeigen wir, wie immersive VR-Spiele das aktive Altern unterstützen können, indem wir altersgerechte kognitive und körperliche Übungen entwickeln, die Anforderungen älterer Menschen mit Demenz erforschen, die Auswirkungen augmentierter Interaktionen untersuchen und die Vor- und Nachteile verschiedener Exergaming-Technologien analysieren. Schließlich zeigen wir, wie immersive VR-Spiele die soziale Interaktion unterstützen können. Wir demonstrieren ihr Potenzial für soziale Spielumgebungen, vermitteln ein theoretisches Verständnis für und decken Forschungslücken bei asymmetrischen immersiven VR-Mehrspieler-Spielen auf, nutzen asymmetrisches Spieldesign und daraus resultierende Interdependenzen für das gemeinsame Spielen über verschiedene Medien, und untersuchen, wie bestehende soziale Bindungen die Erfahrung asymmetrischer immersiver VR-Mehrspieler-Spiele beeinflussen. Die Dissertation endet mit einer Diskussion der wichtigsten gewonnenen Erkenntnisse und der offenen Fragestellungen für zukünftige Forschung. Unsere Arbeit stellt eine Grundlage für zukünftige Forschung im Bereich der Mensch-Computer-Interaktion dar und zeigt das Potenzial des Einsatzes immersiver VR-Spiele, um eine positive gesellschaftliche Wirkung für Menschen jeden Alters und jeder Lebenslage zu erzielen
PIK3CA Hotspot Mutations in Saliva as a Diagnostic Marker in Oral Squamous Cell Carcinoma Patients
No full textZielsetzung: Ziel der vorliegenden Studie war der repräsentative Nachweis von PIK3CA Mutationsprofilen in Tumorproben des oralen Plattenepithelkarzinoms und in den dazugehörigen präoperativ gewonnenen Speichelproben. Die Entdeckung von PIK3CA Hotspot Mutationen in oralen Plattenepithelkarzinomen und deren gleichzeitiges Auftreten im Speichel könnte den Nutzen von LB als geeignetes Instrument für die nicht-invasive Früherkennung und Nachsorge von Patienten mit oralem Plattenepithelkarzinom aufzeigen.
Material und Methoden: Von 29 Patienten, bei denen ein primäres orales Plattenepithelkarzinom im operablen Stadium diagnostiziert wurde, wurden Speichelproben präoperativ gewonnen und Gewebeproben während der Tumorresektion entnommen. Die Tumor-DNA wurde sowohl aus Gewebe- als auch aus Speichelproben nach Standardprocedere extrahiert. Alle Proben wurden auf DNA-Quantität und -Qualität kontrolliert, und die genetische Übereinstimmung der Probenpaare bestätigt. Der Variantennachweis erfolgte mit dem MassARRAY® System, einer Massenspektrometrie zur Analyse genetischer Basenfolgen. Die Mutationsanalyse in der DNA aus dem Tumorgewebe und aus den Speichelproben wurde mit dem ClearSEEK™ PIK3CA Panel durchgeführt, das 20 Hotspot Mutationen in PIK3CA erfasst. Zur Bestätigung der erfassten Mutationen wurden die Proben ebenso mit dem UltraSEEK® Lung Panel analysiert, das eine sensitivere Nachweisgrenze aufweist, aber weniger PIK3CA Varianten erfasst.
Ergebnisse: Insgesamt wurde in sieben der 29 Tumorgewebeproben (24 %) durch ClearSEEK™ eine PIK3CA Variante gefunden. UltraSEEK® bestätigte diese Varianten zusätzlich in vier dieser sieben positiven Gewebeproben. Von den drei Varianten, die von UltraSEEK® nicht erkannt wurden, waren zwei nicht im Panel enthalten und eine war zwar enthalten, wurde aber nicht erkannt. Von den sieben im Gewebe gefundenen Varianten konnten fünf auch in den passenden Speichelproben (71 %) nachgewiesen werden, entweder mit ClearSEEK™ oder mit UltraSEEK®.
Schlussfolgerung: Der Nachweis von PIK3CA Hotspot Mutationen beim oralen Plattenepithelkarzinom und korrespondierenden Speichelproben unterstreicht den potenziellen Nutzen von LB für die Diagnostik des oralen Plattenepithelkarzinoms insbesondere im Hinblick auf die Tumornachsorge und Rezidiverkennung.Background/Aim: This study aimed at the analogous detection of PIK3CA mutations, common in oral squamous cell carcinoma (OSCC), in matched tumor and saliva samples.
Patients and Methods: Tissue and saliva samples were obtained from 29 patients diagnosed with primary OSCC. Saliva samples were obtained preoperatively; tissue specimens were acquired during tumor resection. Tumor DNA was extracted from both tissue and saliva samples. All samples were controlled for DNA quantity and quality and genetic matching of sample pairs was confirmed using the iPlex Pro Exome QC Panel. Variant detection was performed using the MassARRAY® System, a mass-spectrometry based detection system. Mutational analysis in saliva and tissue tumor DNA was made using the multiplexed ClearSEEK™ PIK3CA Panel covering 20 hotspot mutations in PIK3CA and the UltraSEEK® Lung Panel, with a more sensitive limit of detection but covering less PIK3CA variants.
Results: Overall, a PIK3CA variant was found in seven of the 29 tumor tissue samples (24%) by ClearSEEK™; UltraSEEK® additionally confirmed the variant in four of these seven positive tissue samples. Of the three variants not detected by UltraSEEK®, two were not included in the panel and one was included but not detected. Of the seven variants found in tissue, five could also be detected in the matching saliva samples (71%), either by utilizing ClearSEEK™ or UltraSEEK®.
Conclusion: The detection of PIK3CA hotspot mutations in OSCC and their simultaneous occurrence in saliva underline the potential benefit of liquid biopsies for non-invasive cancer detection and follow-up care of OSCC patients
LC-MS/MS-basierte Proteomanalyse der Auswirkungen pathogener HRAS-Varianten auf humane Keratinozyten
No full textDie kleine GTPase HRAS ist ein wichtiges Signalprotein, das an der epidermalen Homöostase beteiligt ist. Mutationen in HRAS führen zu Aminosäuresubstitutionen, welche weitreichende Auswirkungen haben und zum Beispiel zu Hauterkrankungen führen. Pathogene Keimbahnvarianten verursachen die nicht-mosaische RASopathie Costello-Syndrom (CS), eine seltene Entwicklungsstörung, die auch die Haut betrifft und bei >80 % der CS-Patienten mit der Variante HRASGly12Ser assoziiert ist. Postzygotische Mutationen führen zu sogenannten mosaischen RASopathien, wie dem Nävus-Sebaceus-Syndrom, bei dem >85 % der Patienten die Variante HRASGly13Arg aufweisen. Zudem findet sich die onkogene Variante HRASGly12Val häufig in dermatologischen und anderen malignen Erkrankungen.
Alle HRAS-Varianten führen zu einer konstitutiven Aktivierung, jedoch bewirken sie jeweils unterschiedliche epidermale Phänotypen mit spezifischen molekularen Veränderungen. Um diese Effekte zu untersuchen, wurde die permanente humane Keratinozyten-Zelllinie HaCaT herangezogen, welche wichtige epidermale Eigenschaften wie die Fähigkeit zur Differenzierung beibehält. HaCaT-Zellen, die stabil verschiedene HRAS-Varianten exprimieren, wurden mittels LC-MS/MS-basierter Bottom-Up-Proteomik analysiert. Ko-Immunpräzipitation (Ko-IP) in Kombination mit LC-MS/MS diente zur Untersuchung von Protein-Interaktionspartnern, gefolgt von Analysen des Gesamtzell-Proteoms und des Phosphoproteoms zur Bestimmung der Änderungen von Proteinabundanzen und Phosphorylierungsmustern.
Signifikante Unterschiede wurden auf allen Ebenen festgestellt: im Interaktom, im Proteom und im Phosphoproteom. Alle Varianten führten zu einer verstärkten Interaktion zwischen HRAS und bekannten RAS-Effektorproteinen wie RAF1, RIN1 und MLLT4/AFDN, was einige Veränderungen im (Phospho-)Proteom bewirkte. Insgesamt verursachte HRASGly13Arg die ausgeprägtesten Verschiebungen im Interaktom, wobei mehrere hundert Proteine signifikante Veränderungen in ihrer Abundanz zeigten. Auch deutliche Veränderungen im Proteom und im Phosphoproteom wurden beobachtet, darunter die Aktivierung der Zytoskelett-Reorganisation, des Vesikel-mediierten Transports, des Immunsystems sowie der Apoptose. Die Variante HRASGly12Ser bewirkte eine weniger ausgeprägte Veränderung des Interaktoms und zeigte entsprechend geringere Auswirkungen auf das (Phospho-)Proteom. RAS-RAF-MAPK-Signaling und Apoptose wurden verstärkt, während Zytoskelett-Signaling beeinträchtigt war. HRASGly12Val führte zu einer erhöhten Reorganisation des Zytoskeletts, verstärktem RAS-RAF-MAPK-Signaling und vermehrten Zelloberflächeninteraktionen, während intrazelluläres Signaling herunterreguliert wurde.
Alle Varianten hatten Gemeinsamkeiten, wie Änderungen der zellulären Architektur und Dynamik, aber auch eine Beeinträchtigung der Genexpression und Transkription sowie Störungen der epidermalen Homöostase. Nichtsdestotrotz führten alle HRAS-Varianten zu einem individuellen Proteomprofil, was die Bedeutung der Investigation jeder einzelnen Varianten-assoziierten Pathologie unterstreicht.
Insgesamt liefert diese Studie wertvolle Einblicke in die durch HRAS-Mutationen verursachten Veränderungen im Proteom und hebt hervor, welche Verschiebungen in Signalwegen und zellulären Prozessen den Krankheiten zugrunde liegen
Induced interactions between dressed impurities in one-dimensional ultracold quantum gases
No full textEntity Analysis: Disambiguation and Typing with Graphs
No full textInformation has been ubiquitous on the web in various styles, e.g. news articles, blog posts, encyclopedic contents, etc. Wikipedia, for example, consists of articles, containing encyclopedic information on entities, e.g. locations, organizations, persons, events, animals, cars, films, etc., and has grown into a valuable resource. Yet, finding the relevant information is still an issue: consider the scenario one wants to know about “What is the most critical step in Michael Jordan’s career after joining the Chicago Bulls?”. A search engine might retrieve the documents related to “Michael Jordan (basketball player)”, “Michael Jordan (scientist)”, and “Michael Jordan (football player)”. The key challenge here is the lexical ambiguity of entities. Thus, resolving this ambiguity is a crucial process and task in natural language processing to enable several applications, e.g. retrieving the relevant information as examplified here.
In this thesis, we discuss the annotation of the entities in two levels: 1) the process of assigning labels to entity mentions, e.g. “Michael Jordan” in a textual context, with the ultra-fine type information, e.g. basketball player, scientist, football player – entity typing, and 2) the process of matching them to a knowledge graph record e.g. providing the link (https://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Jordan) – entity disambiguation.
We study on these tasks in several aspects. We systemize design features of entity disambiguation and linking systems, developed since 2015 as a result of the “deep learning revolution” in natural language processing. This work distills a generic architecture and discusses its prominent components as well as the vast variety of modifications of this general architecture. In a similar manner, the summarization of the ultra-fine entity typing models, which address a lack of the annotated data issue is presented. There are numerous types in the type vocabulary of ultra-fine entity typing task. This results in difficulties for human to label them and thus, it is a crucial challenge in this task. To address this issue, we explore an unsupervised way, which requires no labeled data for training. This study relies on the information from a graph of terms (known as distributional thesaurus) that carries crucial information about terms and their relations. We explore the leverage of distributionally induced word/term senses through such a graph in an ultra-fine entity typing task. More specifically, we analyze the use of the labels information of the appropriate induced word/term sense to the entity mention. The graph is constructed through the features of terms, in this study, nonetheless, there could be many different graphs built in various ways. For example, a graph constructed through page links in Wikipedia information. We leverage such a graph to transform it to graph embeddings and utilize it as a vector representation of entities. One of the essential components of the generic architecture (presented in our first study) is entity representations with the goal to capture semantic meaning of the entities and/or semantic relatedness between entities in various aspects. We investigate the role of entity embeddings, constructed through this graph information. We present a simple technique for the integration of the structured information of entities into an entity disambiguation model with graph embeddings.
All in all, we have analyzed recently proposed neural entity disambiguation and linking models, which generally show better performance than the classical solutions. With the guidance of this analysis, new researchers to this field would understand the task and this might help shaping future works in this field. We have investigated the leverage of information from the graph structures in entity disambiguation and ultra-fine entity typing tasks. We observe that use of information coming from graph structure helps on these tasks. This might lead to use such kind of information in different tasks/scenarios, for future studies.Informationen sind im Web allgegenwärtig und in verschiedenen Formaten verfügbar, z. B. in Nachrichtenartikeln, Blogbeiträgen oder enzyklopädischen Inhalten. Wikipedia besteht beispielsweise aus Artikeln, die enzyklopädische Informationen zu Entitäten wie Orten, Organisationen, Personen, Ereignissen, Tieren, Autos, Filmen usw. enthalten, und hat sich zu einer wertvollen Ressource entwickelt. Dennoch bleibt die Suche nach relevanten Informationen eine Herausforderung: Stellen wir uns das Szenario vor, in dem jemand wissen möchte: „Was war der entscheidendste Schritt in Michael Jordans Karriere nach seinem Wechsel zu den Chicago Bulls?“ Eine Suchmaschine könnte Dokumente zu „Michael Jordan (Basketballspieler)“, „Michael Jordan (Wissenschaftler)“ und „Michael Jordan (Fußballspieler)“ abrufen. Die zentrale Herausforderung hierbei ist die lexikalische Mehrdeutigkeit von Entitäten. Daher ist die Auflösung dieser Mehrdeutigkeit ein wesentlicher Prozess und eine zentrale Aufgabe in der Verarbeitung natürlicher Sprache, um verschiedene Anwendungen zu ermöglichen, z. B. das Abrufen relevanter Informationen, wie es hier veranschaulicht wurde.
In dieser Arbeit diskutieren wir die Annotation von Entitäten auf zwei Ebenen: 1) den Prozess der Zuweisung von Labels zu Entitätsnennungen, z. B. „Michael Jordan“ in einem Textkontext, mit ultra-feinen Typinformationen, z. B. Basketballspieler, Wissenschaftler, Fußballspieler – Entitätstypisierung, und 2) den Prozess des Abgleichs mit einem Eintrag in einem Wissensgraphen, z. B. durch Bereitstellung eines Links (https://de.wikipedia.org/wiki/Michael_Jordan) – Entitätsdisambiguierung.
Wir untersuchen diese Aufgaben aus verschiedenen Perspektiven. Wir systematisieren die Designmerkmale von Entitätsdisambiguierungs- und Verknüpfungssystemen, die seit 2015 als Folge der „Deep-Learning-Revolution“ in der Verarbeitung natürlicher Sprache entwickelt wurden. Diese Arbeit destilliert eine allgemeine Architektur und diskutiert ihre wichtigsten Komponenten sowie die Vielzahl an Modifikationen dieser allgemeinen Struktur. In ähnlicher Weise wird eine Zusammenfassung der Modelle zur ultra-feinen Entitätstypisierung präsentiert, die das Problem des Mangels an annotierten Daten adressieren. Das Vokabular der ultra-feinen Entitätstypisierung umfasst zahlreiche Typen. Dies führt zu Herausforderungen für Menschen bei der manuellen Annotation und stellt somit eine zentrale Schwierigkeit in dieser Aufgabe dar. Um dieses Problem zu lösen, untersuchen wir einen unüberwachten Ansatz, der keine annotierten Trainingsdaten erfordert. Diese Studie basiert auf Informationen aus einem Graphen von Begriffen (bekannt als distributionelles Thesaurus), der wichtige Informationen über Begriffe und deren Relationen enthält. Wir analysieren, wie sich distributionell induzierte Wort- bzw. Begriffs-Sinnesinformationen durch einen solchen Graphen für die ultra-feine Entitätstypisierung nutzen lassen. Konkret untersuchen wir, wie die Label-Informationen des passenden induzierten Wort- bzw. Begriffssinns auf die Entitätsnennung angewendet werden können. Der Graph wird in dieser Studie anhand von Merkmalsinformationen von Begriffen erstellt. Dennoch gibt es verschiedene Möglichkeiten, Graphen zu konstruieren, z. B. durch die Nutzung von Seitenverlinkungen aus Wikipedia. Wir verwenden einen solchen Graphen, um ihn in Graph-Embeddings zu transformieren und als Vektorrepräsentation von Entitäten zu nutzen. Eine der zentralen Komponenten der allgemeinen Architektur (präsentiert in unserer ersten Untersuchung) ist die Entitätsrepräsentation, mit dem Ziel, die semantische Bedeutung von Entitäten und/oder ihre semantische Verwandtschaft in verschiedenen Kontexten zu erfassen. Wir untersuchen die Rolle von Entitäts-Embeddings, die durch diese Graphinformationen konstruiert werden, und präsentieren eine einfache Technik zur Integration der strukturierten Entitätsinformationen in ein Entitätsdisambiguierungsmodell mit Graph-Embeddings.
Zusammenfassend haben wir kürzlich vorgeschlagene neuronale Modelle zur Entitätsdisambiguierung und -verknüpfung analysiert, die in der Regel eine bessere Leistung als klassische Lösungen zeigen. Diese Analyse kann neuen Forschenden in diesem Bereich helfen, die Aufgabe besser zu verstehen und zur Entwicklung zukünftiger Arbeiten beitragen. Darüber hinaus haben wir den Einfluss von Graphstrukturen auf die Entitätsdisambiguierung und ultra-feine Entitätstypisierung untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Nutzung von Informationen aus Graphstrukturen diese Aufgaben positiv beeinflusst. Dies könnte dazu führen, dass solche Informationen in zukünftigen Studien für verschiedene Aufgaben und Szenarien genutzt werden
Advancing Monitoring Strategies - less-invasive methods for detecting change in fish communities in Baltic Sea Marine Protected Areas
No full textMarine protected areas (MPAs) and in particular no-take zones can contribute to restore ecosystem function and structure, support biodiversity conservation and ecosystem services and may help sustaining fisheries. The area dedicated to marine protection has increased globally and will further increase due to political regulations, such as the EU Biodiversity Strategy. The conservation objectives of MPAs often include the recovery of populations of vulnerable and exploited species, such as fish species or populations. To assess whether conservation objectives are being met and with that ensure effective MPA management, robust monitoring is required. However, traditional monitoring methods, such as bottom trawling, are likely to conflict with conservation objectives of MPAs leading to the increasing importance of non-invasive alternatives.
Therefore, this thesis focuses on the development and evaluation of non-invasive monitoring methods for the detection of changes in sandy-bottom demersal fish communities in MPAs in the German Baltic Sea, a brackish, low diversity environment. Thereby, the particular focus was on the evaluation of video-based methods.
At first a literature review was conducted to identify available monitoring methods based on four criteria as well as highlighting their advantages and disadvantages (Study I). Based on this, a fit-for purpose guide was developed and applied to the case of monitoring Baltic Sea MPAs. The findings indicate, that besides traditional bottom trawling, alternative less-invasive methods, including video-based approaches, could be sufficient for specific research purposes. However, available methods require further development regarding sampling design and standardization of methods, which is crucial for robust monitoring programs and the comparability with established surveys. This study complements the general introduction of this thesis and forms the foundation for the subsequent studies.
Video-based methods have been identified as a potential alternative for the monitoring of demersal fish communities in the Baltic Sea, being one of the methods closest to being non-invasive (Study I). For example, remote underwater video (RUV) has been successfully used in many bioregions on a global scale. To evaluate whether RUV represents a non-invasive alternative to beam trawling, commonly used diversity metrics were compared and sampling effort was assessed. The results indicate that RUV generally exhibits lower precision and requires greater sampling effort than beam trawling. Moreover, its applicability is limited by low taxonomic resolution and reduced species detectability (Study II).
Recognizing the limitations of RUVs, Study III aimed to enhance the performance by employing baited remote underwater video (BRUVs) and optimizing the sampling design, including the number of stations and deployment duration. The addition of bait led to a clear improvement in performance, as shown by comparisons of commonly used biodiversity metrics derived from RUVs and BRUVs. The optimal sampling design for BRUVs was estimated to involve 33-minute deployments at 20 sampling stations. Nevertheless, low taxonomic resolution remained a limiting factor, primarily due to the specific environmental conditions (e.g., visibility, similar morphological features of fish species) of the Baltic Sea (Study III).
Overall, the findings of this thesis suggests that while RUVs and BRUVs may not be fully suitable for detecting changes in overall fish diversity in low-diversity sandy habitats, they can be effective for investigating specific groups or targeted research objectives. The investigation of other alternatives or the complementary use of methods, such as eDNA sampling, may facilitate the monitoring of these communities. Recommendations for efficient sampling design can be applied in similar ecosystems worldwide. While the findings of this thesis contribute to improving non-invasive monitoring approaches, they also emphasize the importance of pilot studies to optimize sampling strategies for the unique conditions of the Baltic Sea, as insights from other bioregions may not be directly transferable.
Meeresschutzgebiete (Marine Protected Areas, MPAs), insbesondere solche, die keiner Nutzung unterliegen, können zur Wiederherstellung von Ökosystemfunktionen und -strukturen beitragen, die Erhaltung der biologischen Vielfalt und von Ökosystemleistungen unterstützen und zum Erhalt der Fischerei beitragen. Die für den Meeresschutz ausgewiesene Fläche hat weltweit deutlich zugenommen und wird infolge politischer Vorgaben, wie etwa der EU-Biodiversitätsstrategie, weiter steigen. Dabei umfassen, die Schutzziele von Meeresschutzgebieten häufig die Erholung von Populationen bedrohter und ausgebeuteter Arten, wie z.B. Fischarten oder Fischbeständen. Um zu beurteilen, ob die Schutzziele erreicht werden und somit ein effektives Management zu gewährleisten, ist ein robustes Monitoring erforderlich. Die Anwendung traditioneller Standardmethoden zur Datenaufnahmen, wie z.B. der Einsatz von Grundschleppnetzen zur Erfassung der Fischfauna, kann allerdings in Konflikt mit den Schutzzielen stehen. Dadurch entsteht der zunehmende Bedarf an nicht-invasiven Methoden zur Datenerhebung.
Der Fokus dieser Dissertation liegt in der Entwicklung und Evaluierung nicht-invasiver Monitoring Methoden zur Erfassung der Veränderungen in demersalen Fischgemeinschaften in sandigen Habitaten in der Ostsee, einem Brackwassermeer mit geringer Artenvielfalt. Dabei lag ein besonderer Schwerpunkt auf der Evaluierung der Anwendbarkeit von video-basierten Methoden.
Zunächst wurde eine Literaturanalyse durchgeführt, um verfügbare Monitoring Methoden anhand von vier Kriterien zu identifizieren und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile herauszuarbeiten. Auf dieser Basis wurde ein Leitfaden entwickelt und auf das Monitoring von Meeresschutzgebieten (MPAs) in der Ostsee angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass neben dem Einsatz von Grundschleppnetzen auch alternative, weniger invasive Methoden – darunter video-basierte Methoden – für bestimmte Fragestellungen geeignet sein können. Allerdings besteht bei den verfügbaren Methoden weiterhin Entwicklungsbedarf hinsichtlich der Probennahme Strategie und der Standardisierung, um robuste Monitoring Programme zu entwickeln und die Vergleichbarkeit mit traditionellen Monitoring Programmen sicherzustellen (Studie I). Diese Studie ergänzt die allgemeine Einleitung und bildet die Grundlage für die nachfolgenden Studien.
Videobasierte Methoden wurden als potenzielle, nicht-invasive Alternative für das Monitoring der demersalen und benthischen Fischgemeinschaften in der Ostsee identifiziert (Studie I). Innerhalb dieser hat sich der Einsatz von stationären Videoeinheiten (Remote Underwater Video, RUV) bereits in zahlreichen Regionen weltweit bewährt. Zur Bewertung, ob der Einsatz von RUVs eine nicht-invasive Alternative zur Datenaufnahme mit Baumkurren darstellen könnte, wurden gängige Diversitätsmetriken verglichen und der erforderliche Probennahme aufwand analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass RUVs im Vergleich zur Baumkurre in der Regel eine geringere Präzision aufweisen und einen höheren Aufwand bei der Probenahme erfordern. Zudem ist die Anwendbarkeit von RUVs durch eine begrenzte taxonomische Auflösung sowie eine eingeschränkte Erfassung der Diversität limitiert. (Studie II).
Angesichts der begrenzten Effektivität von RUVs hatte Studie III das Ziel, die Effizienz durch den Einsatz von beköderten Unterwasservideoeinheiten (baited remote underwater video, BRUVs) zu verbessern und das Probennahme Design hinsichtlich der Anzahl der Stationen und der Aufnahmezeit zu optimieren. Der Einsatz von Ködern führte zu einer signifikanten Verbesserung, wie der Vergleich etablierter Biodiversitätsindizes zwischen RUVs und BRUVs zeigte. Die optimale Probennahme Strategie für BRUVs wurde auf eine Einsatzdauer von 33 Minuten und 20 Stationen bestimmt. Die geringe taxonomische Auflösung blieb jedoch ein limitierender Faktor, was primär auf die spezifischen Umweltbedingungen der Ostsee zurückzuführen ist (Studie III).
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass RUVs und BRUVs zwar nicht geeignet sind, Veränderungen in der Diversität der Fischgemeinschaften in sandigen Habitaten mit geringer Diversität zu erfassen, jedoch für die Untersuchung spezifischer Gruppen oder bestimmter Forschungsfragen genutzt werden könnten. Der Einsatz weiterer Methoden (Studie I) sowie der ergänzende Einsatz von eDNA-Analysen, könnten ein Monitoring der Fischdiversität gewährleisten. Die entwickelten Empfehlungen für ein effizientes Probennahme Design lassen sich auf ähnliche Ökosysteme weltweit übertragen. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zur Weiterentwicklung nicht-invasiver Monitoring Ansätze und unterstreichen zugleich die Notwendigkeit von Pilotstudien zur Optimierung von Probennahme Strategien, die auf die einzigartigen Bedingungen der Ostsee abgestimmt sind, da Erkenntnisse aus anderen Regionen nicht immer direkt übertragbar sind
Search for Light Pseudoscalars in Exotic Decays of the Higgs Boson with the CMS Experiment
No full textThis thesis presents a search for a pair of light pseudoscalar bosons produced from the decays of the 125 GeV Higgs boson, focusing on final states with four tau leptons. This search is motivated by numerous beyond the standard model theories that predict an extended scalar sector, introducing a wide array of new physical states beyond the single Higgs boson observed in the standard model. Such theories, including the Two-Higgs-Doublet Model with an additional singlet (2HDM+S), suggest new interactions and couplings, enabling the 125 GeV Higgs to decay into lighter pseudoscalar bosons. These exotic decays serve as direct probes of new physics beyond the standard model. Given the enhanced couplings of light pseudoscalars to leptons in various scenarios within these models, the final states analyzed in this study are of particular relevance.
The search is based on data from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV collected by the CMS detector at the LHC during the Run 2 data-taking period, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb-1. The analysis targets pseudoscalars with masses between 4 and 15 GeV, which result in highly collimated decay products and present a challenging final state with overlapping fermion signatures. A specialized strategy, deviating from standard reconstruction and selection techniques, is implemented by utilizing muons and tracks for event identification.
No significant deviation of data with respect to the standard model expectation is observed in this search. Consequently, model-independent upper limits are set at 95 % confidence level on the cross section times branching ratio for the 4τ final state, relative to the SM Higgs production cross section. Additionally, exclusion limits are established for various benchmark scenarios within the 2HDM+S framework, further constraining the parameter space of this model
