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Zusammenhang zwischen der mediterranen und der DASH-Diät und dem Auftreten und Gray-Scale Median von Carotis-Plaques
No full textShelf-specific processes in the ocean carbon cycle: an investigation of tides
No full textContinental shelves function as a highly dynamic transition zone that connects the carbon reservoirs of the terrestrial biosphere and the ocean, and disproportionally contribute to the global ocean sink for atmospheric CO2. Despite their relevance for the global carbon cycle and hence the Earth’s climate, major knowledge gaps on the control of oceanic CO2 uptake on continental shelves and the relative contributions of processes specific to the shelf environment remain. This dissertation contributes to a better mechanistic understanding of carbon cycling on continental shelves by investigating the role of tides on the Northwest European Shelf (NWES), one of the largest temperate shelf seas in the global ocean.
Tides are one of the dominant physical forcing mechanisms on the NWES. Multifaceted tidal processes affect the shelf carbon cycle across varying spatial scales and modulate the biological cycling of carbon and nutrients. The compound impact of tides on the shelf carbon cycle is poorly understood, but it is relevant for global modelling approaches that often neglect tidal forcing, such as those utilized in climate change assessment reports.
In this dissertation, the novel three-dimensional coupled physical-biogeochemical numerical model framework SCHISM-ECOSMO-CO2 is presented and applied for the first time. The model framework, which is based on an unstructured grid approach, is established as a flexible and adaptable platform for research on the NWES carbon cycle and applied to comprehensively investigate how tidal processes influence carbon transport, transformation and air-sea gas exchange at regional and shelf-wide scales.
The dissertation is divided into three individual studies following the development trajectory of the model framework. As a first step, I explore the capabilities of the cross-scale physical model component and present two new unstructured horizontal grid configurations developed for research on the NWES carbon cycle: a coarse resolution configuration optimized for the computationally efficient application of complex biogeochemical models and a high-resolution configuration applying local grid refinement to realize kilometrical-scale resolution to improve physical process representation. Both configurations encompass the same model domain, which covers the entire NWES, the Baltic Sea, and a portion of the eastern North Atlantic to enable a consistent investigation of regional-scale impacts, including ocean-shelf exchange. The validation of both model configurations against observations demonstrates adequate model performance regarding the general hydrography on the NWES, with the high-resolution configuration resolving small-scale internal tides and showing better process representation in numerically challenging regions like the Norwegian Trench and the Baltic Sea. The overall high consistency between the results of the two grid configurations underlines the flexibility and configurability of the model framework. The successful implementation of the cross-scale physical model component thus lays the foundation for research on the NWES carbon cycle along two connected avenues, namely the improved representations of physical and biogeochemical shelf-specific processes.
Subsequently, I validate and apply the coupled physical-biogeochemical model framework for a hindcast simulation over the period 2011-2014 and a sensitivity experiment to obtain a quantification of the impact of tidal forcing on shelf primary production. Tidally enhanced vertical mixing of nutrients is found responsible for about 1/6 of the total annual primary production on the NWES. However, the tidal impact on primary production is largely restricted to shallow inner-shelf regions. The application of the cross-scale model framework for the first time provides an estimate of the compound impact of internal-tide-driven mixing on NWES primary production and reveals that the kilometrical-scale internal tide field only marginally contributes to biological carbon fixation on the shelf.
In a final step, I extend the model framework by additionally coupling and validating a carbonate system model which is subsequently applied for a hindcast simulation over the period 2001-2005 to investigate tidal impacts on air-sea CO2 exchange and carbon cycling on the NWES. Tidal forcing is found to weaken the NWES CO2 sink, with a sensitivity experiment neglecting tides resulting in a 13% stronger shelf CO2 sink. This impact is dominated by physical tidal processes such as tidal mixing in inner-shelf regions and tide-induced shelf circulation. The previously identified enhanced biological carbon fixation, in contrast, has a minor effect on net CO2 uptake. The impact of internal tides on air-sea CO2 exchange on the NWES is found to be negligible. In terms of the shelf carbon budget, tides are shown to mainly affect carbon reservoirs on the NWES. Tides primarily modulate the dissolved inorganic carbon stock in the water column, while tidal impacts on off-shelf carbon export and long-term carbon burial in the sediments are small.
This dissertation provides new insights on the role of tides in the NWES carbon cycle and thereby informs on the consequences of neglecting tides in modelling approaches. The presented results, however, preclude an extrapolation to global continental shelves because of the heterogeneity in the main forcing mechanisms of coastal carbon dynamics in different shelf seas. The gained process understanding and the extensive validation of the SCHISM-ECOSMO-CO2 model framework performed in the course of the dissertation further highlight several promising avenues for active model development that show potential to improve simulations of the shelf carbon cycle and may help address key uncertainties and capacitate critical future research.Kontinentalschelfs fungieren als eine hochdynamische Übergangszone, die die Kohlenstoffreservoirs der terrestrischen Biosphäre und des Ozeans verbindet und überproportional zur Aufnahme von atmosphärischem CO2 durch den globalen Ozean beiträgt. Trotz ihrer Relevanz für den globalen Kohlenstoffkreislauf und damit für das Klimasystem der Erde bestehen erhebliche Wissenslücken bezüglich der Kontrolle der ozeanischen CO2-Aufnahme auf Kontinentalschelfs und der relativen Beiträge schelfspezifischer Prozesse. Diese Dissertation trägt zu einem besseren mechanistischen Verständnis des Kohlenstoffkreislaufs auf Kontinentalschelfs bei, indem sie die Rolle der Gezeiten auf dem Nordwest-Europäischen Schelf (NWES) untersucht, einem der größten Schelfmeere im globalen Ozean in gemäßigten Breiten.
Gezeiten sind einer der dominierenden physikalischen Prozesse auf dem NWES. Vielschichtige Gezeitenprozesse beeinflussen den Kohlenstoffkreislauf auf dem Schelf über verschiedene räumliche Skalen hinweg und modulieren den biologischen Kreislauf von Kohlenstoff und Nährstoffen. Die komplexen Auswirkungen der Gezeiten auf den Kohlenstoffkreislauf auf dem Schelf sind bisher nicht umfassend untersucht, obwohl sie relevant für globale Modellierungsansätze sind, wie sie in Weltklimaberichten verwendet werden, da diese häufig Gezeiten vernachlässigen.
Das neue drei-dimensionale gekoppelte physikalisch-biogeochemische numerische Modellsystem SCHISM-ECOSMO-CO2 wird in dieser Dissertation vorgestellt und erstmals angewendet. Das Modellsystem, welches auf einem unstrukturierten Gitteransatz basiert, wird als flexible und anpassbare Plattform für Forschung zum Kohlenstoffkreislauf auf dem NWES etabliert und angewendet, um umfassend zu untersuchen, wie Gezeitenprozesse den Transport von Kohlenstoff, seine Umwandlung sowie den Austausch von Kohlenstoff zwischen Ozean und Atmosphäre auf regionaler und schelfweiter Skala beeinflussen.
Die Dissertation ist in drei einzelne Studien unterteilt, die auf den Entwicklungsschritten des Modellsystems beruhen. Im ersten Schritt erschließe ich die Potenziale der flexiblen physikalischen Modellkomponente und präsentiere zwei neue unstrukturierte horizontale Gitterkonfigurationen, die für die Forschung zum Kohlenstoffkreislauf auf dem NWES entwickelt wurden: eine grob aufgelöste Konfiguration, die für die rechnereffiziente Anwendung komplexer biogeochemischer Modelle optimiert ist, und eine hochauflösende Konfiguration, die lokale Gitterverfeinerung anwendet, um eine Auflösung im Kilometermaßstab zu realisieren und dadurch die Darstellung physikalischer Prozesse zu verbessern. Beide Konfigurationen umfassen dasselbe Modellgebiet, das den gesamten NWES, die Ostsee und einen Teil des östlichen Nordatlantiks abdeckt, um eine konsistente Untersuchung regionaler Auswirkungen, einschließlich des Austauschs zwischen Ozean und Schelf, zu ermöglichen. Die Validierung beider Modellkonfigurationen anhand von Beobachtungen zeigt eine angemessene Modellleistung hinsichtlich der allgemeinen Hydrographie auf dem NWES, wobei die hochauflösende Konfiguration kleinskalige interne Gezeiten auflöst und bessere Modellergebnisse in numerisch herausfordernden Regionen wie dem Norwegischen Rinne oder der Ostsee aufweist. Die insgesamt hohe Konsistenz der Ergebnisse der beiden Gitterkonfigurationen unterstreicht die Flexibilität und Konfigurierbarkeit des Modellsystems. Die erfolgreiche Implementierung der physikalischen Modellkomponente bildet somit die Grundlage für die Forschung zum Kohlenstoffkreislauf auf dem NWES entlang zweier miteinander verbundener Wege, nämlich der verbesserten Darstellung physikalischer und biogeochemischer schelfspezifischer Prozesse.
Anschließend validiere ich das gekoppelte physikalisch-biogeochemische Modellsystem und generiere damit eine Hindcast-Simulation über den Zeitraum 2011-2014 und ein Sensitivitätsexperiment, welche die Quantifizierung des Einflusses von Gezeiten auf die Primärproduktion auf dem NWES ermöglichen. Es wird festgestellt, dass durch Gezeiten verstärkte vertikale Vermischung von Nährstoffen für etwa 1/6 der gesamten jährlichen Primärproduktion auf dem NWES verantwortlich ist. Der Einfluss der Gezeiten auf die Primärproduktion beschränkt sich jedoch weitgehend auf flache innere Schelfregionen. Die Anwendung des hochaufgelösten Modellsystems liefert erstmals eine Abschätzung des Einflusses von internen Gezeiten auf die Primärproduktion auf dem NWES und zeigt, dass das interne Gezeitenfeld nur marginal zur biologischen Kohlenstoffbindung auf dem Schelf beiträgt.
Im letzten Schritt erweitere ich das Modellsystem durch die zusätzliche Kopplung und Validierung eines Karbonatsystem-Modells, das anschließend für eine Hindcast-Simulation über den Zeitraum 2001-2005 und ein Sensivitätsexperiment verwendet wird, um Gezeiteneinflüsse auf den CO2-Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre und den Kohlenstoffkreislauf auf dem NWES zu untersuchen. Es wird festgestellt, dass Gezeiten die CO2-Senke auf dem NWES schwächen, wobei ein Sensitivitätsexperiment ohne Gezeiten zu einer um 13 % stärkeren CO2-Senke führt. Dieser Einfluss wird von physikalischen Prozessen wie der Vermischung durch Gezeiten in inneren Schelfregionen und der durch Gezeiten induzierten Schelfzirkulation dominiert. Die zuvor identifizierte verstärkte biologische Kohlenstoffbindung hat im Gegensatz dazu nur eine geringe Auswirkung auf die Netto-CO2-Aufnahme. Schließlich wird festgestellt, dass der Einfluss interner Gezeiten auf den CO2-Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre auf dem NWES vernachlässigbar ist. In Bezug auf den Kohlenstoffhaushalt des NWES wirken Gezeiten hauptsächlich auf die Kohlenstoffreservoirs auf dem Schelf selbst. Gezeiten modulieren hauptsächlich den Bestand an gelöstem anorganischem Kohlenstoff in der Wassersäule, während die Auswirkungen der Gezeiten auf den Kohlenstoffexport vom Schelf und die langfristige Kohlenstoffsequestration in den Sedimenten gering sind.
Diese Dissertation liefert neue Erkenntnisse über die Rolle der Gezeiten für den Kohlenstoffkreislauf auf dem NWES und informiert damit über die Konsequenzen der Vernachlässigung von Gezeiten in Modellierungsansätzen. Die präsentierten Ergebnisse lassen jedoch keine Extrapolation auf weitere Kontinentalschelfs im globalen Ozean zu, da die Hauptantriebsmechanismen der Kohlenstoffdynamik in verschiedenen Schelfmeeren unterschiedlich sind. Das gewonnene Prozessverständnis und die umfangreiche Validierung des SCHISM-ECOSMO-CO2-Modellsystems, die im Verlauf der Dissertation durchgeführt wurde, zeigen zudem mehrere vielversprechende Wege für die aktive Modellentwicklung auf, die Potenzial zur Verbesserung der Simulationen des Schelfkohlenstoffkreislaufs haben und dazu beitragen können, zentrale Unsicherheiten zu adressieren. Diese Dissertation eröffnet somit die Möglichkeit für wichtige Forschung in der Zukunft
The exploration of microglial immune tolerance induction on post-stroke inflammation
No full textDer Schlaganfall ist eine Krankheit mit hoher Morbidität und Mortalität, die für Patienten, Pflegepersonal und die Gesellschaft eine große Belastung darstellt. Neben der primären Gewebeschädigung durch das hypoxische Ereignis trägt eine sekundäre Entzündung zum verzögerten Zelltod im Hirnparenchym bei. Das angeborene Immunsystem im ZNS, insbesondere repräsentiert durch Mikroglia, kann durch periphere Injektionen von LPS aktiviert und in eine entzündungshemmende Immuntoleranzphase gebracht werden. Um zu überprüfen, dass die LPS-induzierte Immuntoleranz in Mikroglia in der Lage ist, die Entzündungsreaktion des Schlaganfalls zu lindern, wurden Kurz- und Langzeitexperimente durchgeführt. Zu Beginn wurde in der Kurzzeitstudie (1/3 Tage nach Schlaganfall) eine FACS-Analyse durchgeführt, um Veränderungen der Immunzellzusammensetzung im Gehirn sowie den Hirnhäuten zu überprüfen. Hierbei wurde kein statistischer Unterschied zwischen der LPS-Gruppe und der Kontrollgruppe festgestellt. Auch die langfristigen FACS-Ergebnisse (14 Tage nach Schlaganfall) zeigen eine im Allgemeinen unveränderte Immunlandschaft nach Induktion von Immuntoleranz in Mikroglia im Vergleich zur Kontrollgruppe. Bei der Untersuchung der Auswirkungen der Immuntoleranz in den Mikroglia auf die Größe der Schlaganfallläsion und das funktionelle Outcome konnte jedoch eine signifikant kleinere Läsionsgröße an Tag 3 und ein stärkerer Rückgang der Läsion von Tag 1 bis Tag 3 beobachtet werden. Eine Tendenz zu einer geringeren Schlaganfallgröße nach LPS-induzierter Immuntoleranz in Mikroglia an Tag 1 und Tag 14 wurde ebenfalls beobachtet. Darüber hinaus zeigte die LPS-Gruppe 4 Wochen nach der Immuntoleranzinduktion (ohne Schlaganfall) ein verändertes Angstverhalten, sowie eine verstärkte Fortbewegung im Openfield-Test 14 Tage nach dem Schlaganfall, jedoch keine Verbesserung des Kurzzeitgedächtnisses. In einer sich anschließenden Sequenzierung des Transkriptoms der Mikroglia zeigte die durchgeführte Analyse eine entzündungshemmende Veränderung der Mikrogliafunktion sowohl in den kortikalen als auch in den subkortikalen Mikroglia in LPS-behandelten Mäusen unter dem Aspekt der Herunterregulierung der oxidativen Phosphorylierung, des E2f-Signalweges unddes Myc Signalweges. In dieser Studie konnten wir die entzündungshemmende Wirkung der Induktion einer angeborenen Immuntoleranz auf die Erholung nach einem Schlaganfall nachweisen, was auf ein therapeutisches Potenzial der angeborenen Immunität im ZNS hinweist
Eine erhöhte beta2-adrenerge Signalübertragung fördert die Frakturheilung durch Kallus-Neovaskularisation in Mäusen
No full textMit zunehmendem Alter kommt es zu einem physiologischen Anstieg des Sympathikotonus und zu einer Abnahme der Knochenmasse im nicht-frakturierten Skelett. Vorherige Studien haben gezeigt, dass die durch Noradrenalin (Norepinephrin; NE) induzierte Abnahme der Knochenbildung und die Zunahme der Knochenresorption durch den beta2-adrenergen Rezeptor (Adrb2) vermittelt werden. Die Rolle von Adrb2 bei der Heilung eines gebrochenen Knochens war jedoch unklar. Um die Rolle von Adrb2 bei der Frakturheilung zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Mausmodell verwendet, bei dem eine Femurosteotomie mit einem Fixateur externe stabilisiert wird. Während Adrb2 bei jungen Mäusen mit niedrigem Sympathikotonus keine Rolle bei der Frakturheilung spielte, erwies sich Adrb2 bei adulten Mäusen mit erhöhtem Sympathikotonus als essenziell für die Knochenregeneration.
Mechanistisch konnte gezeigt werden, dass Adrb2 die Expression des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors A (Vegfa) im Periost induziert und dadurch die Bildung von Typ-H-Blutgefäßen im Frakturkallus fördert, die die Neovaskularisation mit der Osteogenese koppeln. Die pharmakologische Blockade von Adrb2 mit Propranolol beeinträchtigte die Frakturheilung bei adulten Mäusen, während der Adrb2-Agonist Formoterol die Frakturheilung durch Regulierung der Neovaskularisation im Kallus förderte. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass das sympathische Nervensystem für die Knochenheilung unter hyperadrenergen Bedingungen, wie sie im höheren Lebensalter auftreten, von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus wurde Adrb2 als mögliches therapeutisches Ziel zur Verbesserung der Knochenheilung identifiziert
Mental Health of Siblings of Children with Rare Congenital Surgical Diseases during the COVID-19 Pandemic
No full textDie COVID-19-Pandemie hat viele Aspekte unserer Gesellschaft beeinflusst, insbesondere vulnerable Gruppen wie Familien mit Kindern, die an seltenen Krankheiten leiden. Die psychosozialen Auswirkungen von COVID-19 auf die gesunden Geschwister von Kindern mit seltenen Krankheiten wurden jedoch noch nicht untersucht. Daher zielte diese Studie darauf ab, die psychische Gesundheit gesunder Geschwister von Kindern mit seltenen angeborenen kinderchirurgischen Erkrankungen während der COVID-19-Pandemie auszuwerten. Die gesunden Geschwister wurden in einer quantitativen Querschnittsstudie zwischen April 2020 und April 2021 untersucht. Daten zur psychischen Gesundheit wurden mithilfe der Elternversion des „Strengths and Difficulties Questionnaire“ (SDQ) gesammelt. Von 104 Familien nahmen 81 (77,88%) an der Umfrage teil. Gesunde Geschwister wiesen ähnliche Zustände an emotionalen und Verhaltensproblemen im Vergleich zu Normdaten der Bevölkerung vor der COVID-19-Pandemie auf. Durch Regressionsanalysen wurden psychosoziale und krankheitsspezifische Risikofaktoren der jeweiligen Ergebnisse bei gesunden Geschwistern identifiziert. Schlussfolgernd sollten Fachkräfte des Gesundheitswesens sich bewusst sein, dass die psychische Gesundheit von den gesunden Geschwistern gefährdet sein könnte. Daher könnte die Untersuchung auf psychosoziale Defizite während Pandemien entscheidend sein, um psychiatrische Störungen in dieser Bevölkerung zu verhindern
A phase microscope for ultra-cold quantum gases
No full textCoherence properties play a central role in quantum systems and are fundamental to phenomena such as superfluidity and superconductivity. Ultracold gases in optical lattices provide an versatile platform for quantum simulation, allowing precise control to explore coherence properties that underlie complex quantum phenomena.
In this thesis, we investigate the coherence properties of an ultra cold Bose gas in a two-dimensional optical lattice, focusing on phase coherence and fluctuations across the Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) phase transition. We utilize matter-wave microscopy with an optical matter-wave lens to magnify the atomic wavefunction, enabling us to image the density distribution with single-site resolution.
The ability to turn off interaction allows us to measure a coherent wavefunction released from a lattice. This reveals the two-dimensional Talbot effect, where the periodic density modulations from the lattice is self-imaged and we capture in-situ images of these periodic revivals. The strength of the revivals are a direct measure for the spatial coherence of the system. Furthermore, we present the implementation of a phase microscope for ultra cold quantum gases. The phase microscope enables us to extract the relative phases on single lattice sites. We measure the phase correlation towards the BKT phase transition and obtain a critical exponent for the algebraic decay in our system. The matter-wave and phase microscopy techniques presented here offer an approach towards exploring coherence in strongly correlated quantum systems, providing full spatial resolution and potential insights into phase transitions and novel quantum phases
Zusammenhang von Schlafbezogenen Atmungsstörungen mit Herzinsuffizienz und Vorhofflimmern – Prävalenz, Risikofaktoren und Prognose
No full textSchlafbezogene Atmungsstörungen (SDB) sind eine häufige Komorbidität bei kardiovaskulären Erkrankungen wie Herzinsuffizienz (HF) und Vorhofflimmern (AF). Um in Zukunft das Risikofaktormanagement zu verbessern, wurde in dieser Arbeit die Prävalenz von SDB inklusive möglicher diagnostischer Lücken bei kardiologischen Patienten untersucht.
N = 1775 Teilnehmer der AFHRI-Kohortenstudie (30.3% Frauen, mittleres Alter 64.1 Jahre) wurden mittels systematischer Patienteninterviews und anhand klinischer Daten inklusive Elektrokardiogramm, Echokardiographie und Laborwerten untersucht.
In unserer kardiologischen Risikokohorte hatten ca. 9,9% der Studienteilnehmer ein diagnostiziertes Schlafapnoe-Syndrom (SAS) und ca. 50% eine SDB, bei der zusätzlich regelmäßiges Schnarchen als Diagnosekriterium berücksichtigt wurde. Unter HF-Patienten lag der Anteil mit ca. 12% SAS und 49% SDB in einem ähnlichen Bereich. Hierbei war das Auftreten von SDB bei HF-Patienten mit Übergewicht, Rauchen, arterieller Hypertonie, KHK, Myokardinfarkt, Diabetes mellitus und AF assoziiert. Unter HF-Patienten trat AF häufiger zusammen mit SDB (N = 210) als ohne SDB (N = 132) auf. Außerdem war diese Subgruppe bei zusätzlichem AF gleichzeitig signifikant älter und äußerte häufiger Palpitationen und Ödeme. In Hinblick auf prognostische Faktoren zeigten Studienteilnehmer mit HF eine signifikant höhere Mortalität sowie ein häufigeres Auftreten des kombinierten Endpunktes. Wohingegen das gleichzeitige Auftreten von HF mit SDB oder SAS keinen signifikanten Einfluss auf die Prognose hatte. Ebenso zeigte zusätzliches AF keinen signifikanten Überlebenseinfluss. Jedoch trat unter Studienteilnehmern mit HF, SDB und AF der kombinierte Endpunkt signifikant häufiger auf als unter solchen ohne zusätzliches AF.
Verglichen mit der bisherigen Literatur legen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit eine Untererfassung von SAS bei kardiologischen Patienten nahe. Insgesamt unterstreichen unsere Daten den komplexen Zusammenhang von SDB mit HF und AF. Schlafbezogene Atmungsstörungen und typische Symptome sind eine häufige Komorbidität bei Patienten mit HF sowie AF und mit verschiedenen weiteren Risikofaktoren assoziiert, deren Bedeutung für Therapie und Prognose weiter untersucht werden müssen
All-optical investigation of the role of CaMKII in long-term plasticity in the hippocampus and the development of a method for ultrastructural analysis of synapses
Get PDFDynamic changes in synaptic efficacy and structure, termed synaptic plasticity, are a major mechanism of information storage in the brain. Calcium–calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) is one of the most important memory molecules that, through its autophosphorylation feature, transforms transient activation due to synaptic activity-related increases in calcium into longer-lasting changes in synaptic strength. Whether CaMKII is essential to induce and/or to maintain synaptic plasticity remains controversial. I took advantage of optogenetic tools to investigate the role of CaMKII in synaptic plasticity by inducing plasticity and manipulating relevant signaling pathways at the same time. Specifically, I induced spike-timing-dependent plasticity (STDP) at Schaffer collateral synapses in rat hippocampal slice cultures by optogenetic stimulation of two neuronal populations expressing spectrally separated channelrhodopsins. The all-optical protocol induced timing-dependent long-term potentiation (tLTP), increasing synaptic strength both acutely and more interestingly, chronically. Optical inhibition of CaMKII during tLTP induction complete blocked acute tLTP, but interestingly, chronic tLTP did still emerge. Optical activation of CaMKII, on the other hand, accomplished by photoactivatable CaMKII, induced acute functional, structural and ultrastructural alterations at synapses. Structural plasticity often developed in a spatially clustered manner. However, these CaMKII-activation-induced synaptic alterations did not last for more than one day. Together, these data suggest that activity-dependent potentiation of synaptic inputs has two phases: CaMKII is necessary and sufficient for the induction of early LTP. A second, CaMKII-independent mechanism, possibly through the persistent activity of protein kinase Mζ (PKMζ), is responsible for the selective strengthening of inputs days later.
Although significant progress has been made in understanding the mechanism of information storage at the synaptic level, our knowledge of the mechanisms of long-term synaptic information storage and the ultrastructural anatomical features of synaptic plasticity is still rudimentary. For this reason, I developed a genetic labeling method that allows the visualization of synapses of interest under electron microscopy (EM) in a robust and versatile manner. I use two organelle-targeted peroxidases, dAPEX2-NES and SYP-HRP, and the Cre/LoxP system, which together allow specific labeling of optogenetically manipulated synapses at the EM level. Optimizing transfection, stimulation, fixation and image analysis, I have established a pipeline for the ultrastructural analysis of synapses after optogenetic stimulation
Essays on public good provision: experimental and empirical evidence
No full textThis dissertation contains three different essays that study the provision of public goods. These three studies share the common overarching theme of how the nature of the public good can be expected to have a negative effect on its provision (development of climate mitigation technologies in Chapter 2, and local public goods in Chapter 3 and 4). These three studies also use empirical approaches that aim to find causal relationships, although the methodologies differ – Chapter 2 uses a quasi-experimental design, while Chapters 3 and 4 use laboratory experimental settings. Lastly, two of the chapters also study how this provision can be improved, by setting new environmental regulations (Chapter 2) or new transfer mechanisms (Chapter 3).
Chapter 2 examines how environmental regulation can spur green innovation. By studying a tax reform introduced in Germany in 1999, this study analysis whether firms responded by developing new green technologies. By matching German firms with similar, foreign companies and using a difference-in-differences design, this chapter estimates causal effects of this reform. This study finds no evidence of an effect of the reform on green transport innovation, while small firms decrease the number of green energy technologies developed after the introduction of the reform, although this result is not robust to different specifications. Finally, some potential reasons for this null effect are discussed, such as exemptions and reductions in the tax rate.
Chapter 3 and Chapter 4 investigate the role of networks in public good provision. Chapter 3 studies the provision of a weakest link public good in a circular network, where the provision of the good is calculated at a local level – formed by a participant’s direct connections in the network. The treatments vary (i) the endowment of participants, whether it is homogeneous or heterogeneous, (ii) in the case of heterogeneous endowment, how it is spatially distributed – alternating or clustered together – and (iii) whether participants can transfer funds freely to each other or through an intermediary common account. This chapter finds that participants tend to transfer a sizable part of their endowment to their direct neighbors. Endowment heterogeneity is detrimental to poorer participants, but only when they are clustered together, showing that spatial distribution matters for final payoff inequality. Using an intermediary account does not improve average provision, but it decreases inequality when participants are clustered together.
Chapter 4 analyses the provision of local public goods in networks. In this setting, participants benefit directly from the investments in the public good done in their own location, as well as in the location of their direct neighbors. The treatments vary in terms of the (i) participants’ endowment – homogeneous or heterogeneous –, (ii) and in the case of heterogeneous endowment, whether participants with the same endowment are alternating or clustered together. This chapter finds that participants tend to invest a large share of their endowments on their direct neighbors’ locations. When participants are clustered together regarding their endowment, there is a net transfer from rich to poor participants,
facilitated by the rich participants at the border of the cluster. Participants also show a reward (punishment) behavior, where they increase (reduce) the investments to their (un)cooperative neighbor
Einsicht unter der Lernlinse - Was spontane Lerndynamiken uns über Einsicht lehren können
No full textInsight is widely considered as a distinctive facet of human cognition, closely linked to creativity and metacognitive reasoning. It manifests as sudden comprehension and marked improvements in performance. Despite over a century of research, the cognitive and neural underpinnings of insightful problem solving remain subjects of ongoing debate.
This thesis investigates insight as a learning phenomenon in both humans and artificial neural networks, with a particular focus on the role of sleep as an incubator for insight and its relation to computational mechanisms underlying insight-like learning.
Chapter 1 begins by tracing the historical trajectory of insight research, introducing experimental paradigms and related key concepts such as impasse, incubation, suddenness and affective components, neural correlates, and computational models. The second section of the chapter introduces the PSSST — a novel hidden rule insight paradigm designed to investigate the acquisition of both a hidden and explicit strategy with high temporal precision. This unique paradigm offers a fine grained temporal window into the learning dynamics that culminate in insight.
In Chapter 2, the PSSST is employed to characterise insight in human participants based on three core attributes: suddenness, selectivity and delay. These behavioural characteristics allow for the comparative study of insight-like behaviour across biological and artificial intelligence systems, providing a foundation for understanding the computational mechanisms that drive insight.
Chapter 3 focuses on this comparison between humans and artificial neural network learning dynamics. Simple neural networks, devoid of complex cognitive processes, exhibit learning dynamics that qualitatively and quantitatively align with human behavioural characteristics of
insight. Further analysis of different network architectures and learning trajectories revealed that a regularised gating mechanism and noise added to gradient updates are crucial for eliciting insight-like behaviour. These mechanisms in combination enable the accumulation of “silent knowledge” — initially masked by regularised gating. These findings suggest a link between behavioural markers of insight and measurements of noise and regularisation and their neural counterparts in biological systems, thereby opening new avenues for investigating insight in the brain.
Chapter 4 examines the relationship between insight and sleep, identifying a significant role for N2 sleep and aperiodic neural activity. Participants who reached N2, but not N1 sleep, showed an increased likelihood of gaining insight on the PSSST after a daytime nap, implying a role of deeper sleep for insight. EEG power spectrum analysis further demonstrated that the spectral slope best predicted insight, beyond sleep stages alone. These findings align with the theory that regularisation is linked to synaptic downscaling during deeper sleep, reinforcing the proposed connection between insight and regularisation in both computational and biological contexts