22455 research outputs found
Sort by
Innovative diagnostische und therapeutische Ansätze in der Hornhaut- und refraktiven Chirurgie
Get PDF
Die Rolle der Perfusionsdauer auf den Reperfusionsschaden des small for size Syndroms und Erprobung medikamentöser Therapiestrategien mit genauerem Blick auf pathophysiologische Signalkaskaden
Get PDFREFRAME: fundamentals of a reference frame alignment method towards kinematic phenotyping of total knee arthroplasty patients based on mobile gait analysis
Get PDFResearch studies surveying satisfaction rates of osteoarthritis patients after total knee arthroplasty have continually found that up to one in five individuals are not fully satisfied with their surgical outcomes. Under the hypothesis that the problem stems from a need for more personalised treatment approaches, experts in the field of orthopaedics have explored the use of different implant geometries, surgical techniques, and alignment methods. The widespread adoption of a fully personalised knee replacement approach with custom, individually made implants for every patient faces a multitude of barriers and is thus not realistically feasible given existing resources and infrastructure, especially for high-volume clinics. Patient phenotyping, on the other hand, holds the potential for improved surgical outcomes by guiding clinicians to opt for targeted treatment approaches that incorporate patient-specific characteristics without demanding a fully customised implant be designed and manufactured for every single patient. Functional gait phenotyping thus relies on clustering osteoarthritis patients into subgroups or “phenotypes” according to clinically meaningful differences between their joint motion patterns. Advocates of such a phenotyping approach expect that ongoing research will establish relationships between different phenotypes and patient satisfaction rates after treatment with e.g. a specific implant geometry to address specific kinematic patterns and knee instability. By identifying the functional phenotype to which each patient belongs, clinicians could therefore make better-informed decisions regarding which treatment approaches to favour (or which to avoid), and thus maximise chances of patient satisfaction.
The development and practical adoption of a functional phenotyping approach to total knee replacement in osteoarthritis patients require the fulfilment of two key objectives. First, a motion capture system that is capable of objectively quantifying joint movement patterns in vivo, and that can easily and conveniently be incorporated into the existing clinical workflow that osteoarthritis patients follow, must be readily available. Second, we should be able to reliably identify differences between joint motion patterns based on the data collected by such a system. While motion capture systems to analyse gait in vivo are commercially available, the market is dominated by optoelectronic systems, often employing retroreflective markers. Frequently considered the “gold standard” despite known susceptibility to errors associated with soft tissue artefact, optical marker systems are not only difficult to use and time-consuming, but also cumbersome and expensive. One of the underlying goals of this thesis therefore focused on the research and development of alternative technologies to optical motion capture. A mobile gait analysis system for the assessment of tibiofemoral kinematics was designed using two low-cost inertial measurement units. The prototype system involved attaching the mobile sensors to the thigh and shank, and measuring angular velocity and linear acceleration during a movement. A sensor fusion algorithm based on Rauch-Tung-Striebel smoothing was then implemented and adapted to estimate the rotational kinematics of the tibiofemoral joint from the raw inertial values. The system was methodically validated using a six degrees-of-freedom robotic joint simulator, relying on real tibiofemoral kinematics that had originally been captured in vivo using moving videofluoroscopy as ground truth data.
Even though a first cursory assessment of results obtained from validation tests indicated the prototype system performed with promising accuracy, a deeper analysis considered the magnitude of any remaining differences between the IMU-based and simulated ground truth kinematics. This exploration revealed important insights into previously misunderstood (sometimes even altogether disregarded) effects of differences in local segment reference frame orientations (and positions) that can result from the lack of consensus regarding joint axes and coordinate system origin definitions. Notably, this work demonstrated that in order for the comparison of two (or more) sets of kinematic signals to be considered robust, researchers must first ensure that possible discrepancies in local reference frame definitions have been properly addressed. To this end, a Frame Orientation Optimisation Method (FOOM) was both developed and tested as part of this dissertation, as a computational approach that allows researchers to harmonise the orientation of joint axes in all three dimensions and thus ensure robust comparisons of kinematic signals (even where these stem from different sources). FOOM was thoroughly validated by relying once again on moving videofluoroscopy data of a tibio-femoral joint during gait.
Application of the developed FOOM approach to re-assess the findings of two representative phenotyping studies demonstrated that FOOM had implications beyond ensuring a reliable assessment of accuracy in IMU-based joint kinematic estimates. Insights from the analysis with FOOM were found to critically impact the identification of clinically meaningful functional gait phenotypes of the knee. Importantly, two phenotypes could not be considered different functionally until FOOM had excluded the possibility that signal differences came from frame inconsistencies (rather than distinct joint movement patterns). Considering that the tibiofemoral joint in fact possesses six degrees-of-freedom, and that the relevant segments can not only rotate but also translate relative to each other, FOOM was further expanded and developed into the REference FRame Alignment MEthod (REFRAME). A comprehensive, flexible, yet robust and repeatable framework, REFRAME allows researchers to post-process previously collected kinematic data to ensure local segment reference frames are consistent in both orientation and position across datasets, thereby unifying the comparison of joint rotations and translations. Developed into and released as an openly accessible tool, REFRAME will now allow the wider biomechanics community to compare joint kinematics across subjects, trials, motion capture systems and even institutions.
In conclusion, the scientific outcomes of this dissertation have implications that extend far beyond its initial scope of developing a mobile motion capture for the identification of functional phenotypes among osteoarthritis patients. This dissertation fundamentally challenges a shockingly common assumption in biomechanics research, which misguidedly assumes that the presence of differences between sets of kinematic signals inherently implies there are differences between the underlying movement patterns. In addition to identifying and explaining this critical problem, this thesis lays the foundation of a computational framework that can be used to address it: REFRAME. The unmistakable convergence of local reference frames (and of kinematic signals stemming from the same movement) after REFRAME implementation provided solid evidence of the method’s potential to ensure a consistent and reproducible evaluation of joint motion. This doctoral dissertation therefore represents a valuable step forward, extending past the practical development and validation of a mobile gait analysis tool for functional gait phenotyping in osteoarthritis patients, and evolving into a critical inquiry and re-conceptualisation of the fundamental principles behind the comparison of joint kinematics in the field of biomechanics.Verschiedene Studien, in denen die Zufriedenheit von Arthrose-Patienten nach einer Knie-Totalendoprothese untersucht wurde, haben ergeben, dass bis zu jeder fünfte Patient mit dem Ergebnis seiner Operation nicht vollständig zufrieden ist. Unter der Hypothese, dass dieses Problem auf den Bedarf an individuelleren Behandlungsansätzen zurückzuführen ist, haben Experten auf dem Gebiet der Orthopädie die Verwendung verschiedener Implantatgeometrien, Operationstechniken und Ausrichtungsmethoden getestet. Die flächendeckende Einführung eines vollständig personalisierten Behandlungsansatzes für den Kniegelenkersatz mit individuell angefertigten Implantaten für jeden Patienten stößt auf eine Vielzahl von Hindernissen und ist angesichts der vorhandenen Ressourcen und Infrastruktur nicht realistisch umsetzbar, insbesondere nicht für Kliniken mit hohem Patientenaufkommen. Die Phänotypisierung von Patienten bietet hingegen das Potenzial für bessere chirurgische Ergebnisse, indem sie Ärzte unterstützt, gezielte Behandlungsansätze zu wählen, bei denen patientenspezifische Merkmale berücksichtigt werden, ohne dass für jeden einzelnen Patienten ein vollständig maßgeschneidertes Implantat entwickelt und hergestellt werden muss. Die funktionelle Gangphänotypisierung beruht daher auf der Einteilung von Arthrose-Patienten in Untergruppen oder "Phänotypen" anhand klinisch bedeutsamer Unterschiede zwischen ihren Gelenkbewegungsmustern. Die Befürworter eines solchen Phänotypisierungsansatzes erwarten, dass die aktuelle und zukünftige Forschung Beziehungen zwischen verschiedenen Phänotypen und der Patientenzufriedenheit nach der Behandlung mit z. B. einer bestimmten Implantatgeometrie, um patientenspezifische Kinematik und Knieinstabilität zu adressieren, herstellen wird. Durch die Identifizierung des funktionellen Phänotyps jedes Patienten könnten Ärzte daher besser informierte Entscheidungen hinsichtlich der zu bevorzugenden (oder zu vermeidenden) Behandlungsansätze treffen und so die Chancen auf Patientenzufriedenheit maximieren.
Die Entwicklung und praktische Anwendung eines funktionellen Phänotypisierungsansatzes für die Knie-Totalendoprothesenimplantation bei Arthrose-Patienten erfordern die Erfüllung von zwei zentralen Zielen. Erstens muss ein Bewegungserfassungssystem zur Verfügung stehen, das objektiv die Bewegungsmuster in vivo quantifizieren kann. Zweitens sollten wir die Möglichkeit haben, auf Grundlage der von einem solchen System erfassten Daten zuverlässig Unterschiede zwischen den Bewegungsmustern der Gelenke zu erkennen. Obwohl Systeme zur Bewegungserfassung zur Analyse des Gangs in vivo kommerziell verfügbar sind, wird der Markt von optoelektronischen Systemen - oft mit retroreflektierenden Markern - dominiert. Optische Markersysteme - die trotz der bekannten Anfälligkeit für Fehler im Zusammenhang mit Weichteilartefakten häufig als "Goldstandard" genannt werden - sind nicht nur komplex und zeitaufwendig in der Anwendung, sondern auch um-ständlich und teuer. Eines der grundlegenden Ziele dieser Arbeit war daher die Erforschung und Entwicklung von alternativen Technologien zur optischen Bewegungserfassung. Es wurde ein mobiles Ganganalysesystem für die Bewertung der tibiofemoralen Kinematik entwickelt, das zwei kostengünstige inertiale Messeinheiten (engl. inertial measurement units, IMUs) verwendet. Bei dem Prototypsystem wurden die mobilen Sensoren am Oberschenkel und am Unterschenkel befestigt und die Winkelgeschwindigkeit sowie die lineare Beschleunigung während einer Bewegung gemessen. Anschließend wurde ein Sensordatenfusionsalgorithmus basierend auf der Rauch-Tung-Striebel Glättung implementiert und angepasst, um die Rotationskinematik des tibiofemoralen Gelenks aus den Rohdaten der Inertialmessung abzuleiten. Das System wurde methodisch mit einem robotischen Gelenksimulator mit sechs Freiheitsgraden validiert, der sich auf reale tibiofemorale Kinematik stützte, die ursprünglich in vivo mit dynamischer Videofluoroskopie als Basisdaten erfasst worden war.
Auch wenn eine erste vorläufige Bewertung der Ergebnisse aus den Validierungstests darauf hindeutete, dass das Prototypsystem mit einer vielversprechenden Genauigkeit funktioniert, wurde bei einer tiefergehenden Analyse das Ausmaß der verbleibenden Unterschiede zwischen der IMU-basierten und der simulierten Ground-Truth-Kinematik untersucht. Diese Untersuchung brachte wichtige Erkenntnisse über bisher unverstandene (manchmal sogar außer Acht gelassene) Auswirkungen von Unterschieden in den Ausrichtungen (und Positionen) lokaler Segmentkoordinatensysteme zutage, die sich aus dem fehlenden Konsens über die Definitionen der Gelenkachsen und des Koordinatensystemursprungs ergeben können. Diese Arbeit hat insbesondere gezeigt, dass der Vergleich zweier (oder mehrerer) Datensätze kinematischer Signale nur dann als robust angesehen werden kann, wenn die Forscher zunächst sicherstellen, dass mögliche Diskrepanzen in den Definitionen lokaler Koordinatensysteme ausreichend berücksichtigt wurden. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen dieser Dissertation eine Optimierungsmethode für die Ausrichtung von Koordinatensystemen (engl. Frame Orientation Optimisation Method, FOOM) entwickelt und getestet. Dabei handelt es sich um einen mathematischen Ansatz, der es Forschern ermöglicht, die Orientierung der Gelenkachsen in allen drei Dimensionen zu harmonisieren und so einen robusten Vergleich kinematischer Signale zu gewährleisten (selbst wenn diese aus unterschiedlichen Quellen stammen). FOOM wurde gründlich validiert, indem erneut dynamische Videofluoroskopiedaten des Tibiofemoralgelenks beim Gehen herangezogen wurden.
Die Anwendung des entwickelten FOOM-Ansatzes zur Neubeurteilung der Ergebnisse von zwei repräsentativen Phänotypisierungsstudien zeigte, dass FOOM über die Gewährleistung einer zuverlässigen Bewertung der Genauigkeit von IMU-basierten kinematischen Gelenkschätzungen hinausgeht. Es wurde festgestellt, dass die Erkenntnisse aus der FOOM-Analyse einen entscheidenden Einfluss auf die Identifizierung von klinisch bedeutsamen funktionellen Gangphänotypen des Knies haben. Insbesondere konnten zwei Phänotypen erst dann als funktionell unterschiedlich angesehen werden, wenn FOOM die Möglichkeit ausgeschlossen hatte, dass die Signalunterschiede auf Inkonsistenzen im Koordinatensystem (und nicht auf unterschiedliche Gelenkbewegungsmuster) zurückzuführen waren. In Anbetracht der Tatsache, dass das tibiofemorale Gelenk tatsächlich über sechs Freiheitsgrade verfügt und dass die Segmente sich nicht nur relativ zueinander drehen, sondern auch verschieben können, wurde FOOM weiter ausgebaut und weiterentwickelt zur REference FRame Alignment MEthod (REFRAME). REFRAME ist ein umfassendes, flexibles, aber dennoch robustes und wiederholbares Framework, das es Forschern ermöglicht, zuvor gesammelte kinematische Daten nachzubearbeiten, um sicherzustellen, dass die lokalen Segmentkoordinatensysteme sowohl in der Ausrichtung als auch in der Position über alle Datensätze hinweg konsistent sind, wodurch der Vergleich von Rotationen und Translationen der Gelenke vereinheitlicht wird. REFRAME wurde zu einem frei zugänglichen Tool entwickelt und bereitgestellt und es ermöglicht nun Forschungsgruppen in der Biomechanik, Gelenkkinematiken über Probanden, Studien, Motion Capture Systeme und sogar Institutionen hinweg zu vergleichen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die wissenschaftlichen Ergebnisse dieser Dissertation weit über die Entwicklung einer mobilen Bewegungserfassungsmethode zur Identifizierung von funktionellen Phänotypen bei Arthrose-Patienten hinausgehen. Diese Dissertation stellt eine häufige vorkommende Annahme in der Biomechanik-Forschung grundlegend in Frage, die fälschlicherweise davon ausgeht, dass das Vorhandensein von Unterschieden zwischen kinematischen Signalen automatisch Unterschiede zwischen den zugrunde liegenden Bewegungsmustern impliziert. Diese Arbeit identifiziert und erklärt nicht nur dieses kritische Problem, sondern legt auch den Grundstein für ein computergestütztes Verfahren, das zur Lösung dieses Problems eingesetzt werden kann: REFRAME. Die unverkennbare Konvergenz der lokalen Koordinatensysteme (und der kinematischen Signale, die aus derselben Bewegung stammen) nach der Implementierung von REFRAME lieferte einen soliden Beweis für das Potenzial der Methode, eine konsistente und reproduzierbare Bewertung der Gelenkbewegung zu gewährleisten. Diese Dissertation stellt daher einen wertvollen Schritt in die Zukunft dar, der über die praktische Entwicklung und Validierung eines mobilen Ganganalysetools für die funktionelle Gangphänotypisierung bei Arthrose-Patienten hinausgeht und zu einer kritischen Analyse und Neukonzeptionierung der grundlegenden Prinzipien beim Vergleich von Gelenkkinematiken im Bereich der Biomechanik führt
Nanostructured iridium oxide electrocatalysts for PEM electrolysis
Get PDFIn light of the growing demand for green and renewable energy, hydrogen has emerged as a promising energy carrier for the near future. Given its extensive range of applications, from basic chemical synthesis feedstock source to re-electrification with a fuel cell, the demand for green hydrogen is anticipated to grow significantly in the future.
This thesis presents a number of projects that facilitate the efficient conversion of electrical energy to chemical energy with the acidic proton exchange membrane electrolysis of water for the purpose of efficiently producing hydrogen. The aforementioned approaches place an emphasis on sustainability with respect to the materials utilized, or alternatively, demonstrate a significant reduction in the consumption of rare and non-abundant iridium metal, which serves as the active component of the employed catalysts. The synthesized materials were subjected to extensive examination with regard to their performance and stability through the utilization of a range of physical analytical techniques, including electrochemistry ranging from static wet-cell experiments to single cell electrolyzers, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, and electron microscopy techniques. The overarching theme that emerges from this work is the impact of nanostructuring materials on their catalytic performance.
In the initial project discussed in this thesis, a SnO₂ filament morphology was electrospun and wet-chemically coated with IrO(OH)x to create a composite material that acts as a catalyst for the oxygen evolution reaction. The filaments were oxidized at varying temperatures in air to ascertain the optimal temperature range for achieving high interconnectivity and crystallization of the IrO₂ layer, which resulted in enhanced conductivities and associated activities compared to the non-oxidized compound by establishing percolation pathways for electrons. Transmission electron microscopy was employed to elucidate the macroscopic processes undergone by iridium oxide at varying temperatures. An optimal temperature of 375 °C was identified, at which the interconnectivity and crystallinity were in an optimal state. At lower temperatures, the degree of crystallinity was insufficient for optimal conductivity and activity in the context of catalysis. Conversely, at higher temperatures, the increased degree of crystallinity and formation of larger crystallites resulted in the formation of isolated IrO₂ crystallites on the filament. This resulted in a reduction of conductivity and, consequently, in a decline of catalytic activity.
In the subsequent project, the insights gained from the initial project were integrated, and the impact of nanostructuring the iridium oxide phase on catalytic behavior was further elucidated. Specifically, the stability of an epitaxial catalyst-support system in comparison to a non-epitaxial catalyst was investigated with regard to the oxygen evolution reaction in proton exchange membrane electrolysis. IrO₂ and SnO₂ were utilized, both of which possess highly similar lattice parameters and exhibit a proclivity for epitaxy. Conversely, IrO₂ on TiO₂, which predominantly comprised the anatase structure, renders epitaxy nearly impossible. The impact of firm anchoring and good contact, which arises from the epitaxial growth of IrO₂ on SnO₂, on the stability and activity of the catalyst was examined, particularly at lower iridium contents. Electrochemical experiments conducted with a corresponding membrane electrode assembly demonstrated enhanced activity in comparison to non-epitaxially grown IrO₂ layers on nanoparticulate TiO2 with a comparable iridium content. Further in-depth and long-term measurements are required to validate enhanced stability.
In the final and concluding project of this thesis, an investigation was conducted into the potential for coating novel materials with IrO₂ through nanostructuring. An iridium oxide layer with a thickness of only a few atom layers was deposited on a highly crystalline silicified DNA origami architecture using atomic layer deposition (ALD). Furthermore, ZnO and TiO₂ were also deposited on pure (non-silicified) DNA origami. Scanning electron microscopy demonstrated the successful complete and homogeneous coating of the various compounds, penetrating fully into the DNA origami crystal structure and indicating consistent coverage.
Proof-of-principle experiments for an application in acidic water electrolysis indicate that this DNA origami-based system exhibits promising stability, as evidenced by post-catalytic scanning electron microscopy imaging. Promising prospective applications of this system may be achieved through the skillful engineering of DNA origami crystals with larger pores or a consistent crystal film growth on suitable substrates.
Furthermore, the nanostructuring of the material was achieved by coating the DNA origami with a thin IrO2 layer to split water. This development has opened up new paths for the functionalization of the material, paving the way for potential applications in areas such as photonic crystals. In conclusion, this work has demonstrated that nanostructuring of diverse support materials represents a promising strategy for the development of low-iridium containing catalysts for the oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolysis. These catalysts are distinguished by high activity and stability. An additional emphasis is placed on enabling synthesis methods such as a wet chemical process which yielded reproducible coating of semiconductor oxide supports on a range of solvent volumes producing catalysts from a few mg up to 5 g to establish electrolysis for producing green hydrogen to ultimately meet global energy demand. The comprehensive electrochemical and materials science characterization results enhance our understanding regarding the factors contributing to activity and stability of low-iridium water electrolysis catalysts. This enables the overcoming of morphological constraints, and subsequent studies based on this work can advance the understanding of energy conversion processes with the ultimate goal of further reducing the iridium content of oxygen evolution catalysts
Molecular mechanisms underlying the regulation of nuclear organization in early mouse embryos
Get PDFMammalian gametogenesis and early development involve extensive epigenomic reorganization, offering a unique opportunity to address important yet underexplored questions central to reproductive biology and regenerative medicine. How does the maternal germline reprogram to produce a fertilization-competent egg? How is the epigenome established following fertilization? What molecular pathways orchestrate this process in vivo? What are the dependencies between the different layers of the epigenome? How do these dynamic changes functionally influence developmental plasticity and cell fate?
To address these questions, the thesis employs mouse oocytes and preimplantation embryos as a model for early mammalian development. The low-input DamID technique was adapted to map genome interactions with the nuclear lamina across different developmental stages, focusing on lamina-associated domains (LADs). We found that autosomal LADs are already undetectable in growing oocytes. These gene desert regions, usually heterochromatic in other cell types, contain oocyte-specific enhancer elements that regulate folliculogenesis.
After fertilization, LADs undergo gradual yet dynamic reorganization during the maternal-to-zygotic transition, both following the first mitosis and throughout the progression of the second cell cycle. This repositioning correlates with the expression of genes and transposable elements in 2-cell stage embryos. Inhibition of transcription during zygotic genome activation (ZGA) impairs the correct rearrangement of LADs, leading to atypical features of lamina-associated chromatin.
Single-cell Repli-seq showed that DNA replication occurs according to a less-defined pattern in the zygote, and the replication timing (RT) program gradually consolidates with developmental progression. Our findings suggest that LAD formation precedes and potentially predisposes the partitioning of the genome into early and late replicating domains. We identified RIF1 as a key regulator of replication timing consolidation in vivo, with its depletion resulting in a less coordinated RT program in 4-cell stage embryos and beyond. Intriguingly, the changes in RT in RIF1-depleted embryos are uncoupled from changes in genome–lamina association.
A targeted screen identified chromatin pathways required for de novo LAD establishment. Although LADs are not inherited from oocytes, this work suggests that the maternal germline carries epigenetic bookmarking to guide the establishment of nuclear organization in zygotes. Our observations indicate that the absence of a constitutive heterochromatin pathway permits the distinctive LAD fragmentation at the 2-cell stage to coexist with a non-canonical chromatin landscape. We propose that LAD boundaries are reorganized based on positional information from H3K4me3 and H3K9me3 domains, which counteract each other. Remarkably, the initial establishment of LADs in zygotes is not essential for preimplantation development, as embryos can reconstruct their nuclear architecture by the 2-cell stage.
In summary, this thesis provides valuable insights into the molecular understanding of epigenome establishment and highlights hierarchies between embryonic chromatin, 3D nuclear organization, and genome function
Modern data science in conflict research
Get PDFDriven by digital communication, social media, satellite technology, and the widespread digitization of information, the past few decades have seen a dramatic increase in the volume of data that is being produced and collected every day. As a result, data science, in the form of statistical modelling, machine learning and artificial intelligence, is playing an increasingly important role across both industry and academic research. In recent years, these developments have also begun to impact and transform the field of conflict research. This thesis contributes to this transformation by utilizing modern computational methods and novel data sources to improve the analysis, forecasting and understanding of armed conflict.
Part I of this thesis introduces conflict research and provides the broader context for the contributing articles. It outlines the field’s main objectives and challenges, and the potential of data science in addressing them. Following an overview of well-established conflict event databases and best practices for working with them, the first part turns to novel data sources for the field. It first introduces satellite imagery and remote sensing variables, which are derived from the former, and explores their applications in conflict research. It then discusses social media as a data source, highlighting its opportunities and limitations. Next, it provides an introduction into statistical modelling, with a particular focus on generalized additive models (GAMs), which play an important role across all contributions. This is followed by an overview on predictive modelling in the context of conflict forecasting, covering the most widely used machine learning approaches in the field. Part I closes with a summary of the contributing articles and an outlook on the future direction of the field.
Part II of the thesis demonstrates how these novel data sources can be incorporated into both statistical and machine learning models for conflict. The first contribution shows how remote sensing datasets, such as landcover classifications and nighttime lights, can improve the forecasting performance of predictive models in conflict-ridden countries with limited official data sources. The second contribution employs freely available synthetic aperture radar (SAR) satellite images from the European Space Agency (ESA) to detect the destruction of buildings during war. Specifically, a technique called Interferometric SAR (InSAR) is used and combined with a non-parametric median regression and a robust statistical assessment to identify destruction and its timing at the building level. In the third contribution, the language used in tweets from Ukraine is analysed before and during the Russian invasion. Using generalized additive mixed models, the study disentangles sample effects, arising from the in- and outflux of users, from behavioural effects. It identifies a clear shift in language from Russian to Ukrainian with the outbreak of the war, primarily driven by behavioural changes of the users.
In the final part of the thesis, Part III, a statistical model is proposed to capture the diffusion effects of armed conflict across space and time. Specifically, the fourth contribution develops a generalized additive model with a flexible smoothing basis over past conflict, constructed from a set of exponential decay functions with varying decay rates. The model is able to capture the long-lasting and far-reaching spatio-temporal dependencies exhibited by conflict. Further analysis shows that conflict typically breaks out in densely populated areas and from there subsequently diffuses into less populated regions.Getrieben durch digitale Kommunikation, soziale Medien, Satellitentechnologie und die umfassende Digitalisierung von Informationen hat die Datenmenge, die täglich erzeugt und gesammelt wird, in den vergangenen Jahrzehnten dramatisch zugenommen. Infolgedessen spielt Data Science, in Form von statistischer Modellierung, maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz, eine zunehmend wichtige Rolle sowohl in der Industrie als auch in der akademischen Forschung. In den letzten Jahren haben diese Entwicklungen auch begonnen, die Konfliktforschung zu beeinflussen und zu verändern. Diese Dissertation trägt zu diesem Wandel bei, indem moderne statistische und datenwissenschaftliche Methoden sowie neuartige Datenquellen genutzt werden, um die Analyse, Vorhersage und das Verständnis zu bewaffneten Konflikten zu verbessern.
Teil I dieser Dissertation führt in die Konfliktforschung ein und liefert den übergeordneten Kontext für die Forschungsbeiträge. Es werden die zentralen Ziele und Herausforderungen des Forschungsfeldes skizziert sowie das Potenzial von Data Science zur Bewältigung dieser Herausforderungen aufgezeigt. Nach einem Überblick über etablierte Datenbanken für Konfliktereignisse und bewährte Praktiken im Umgang mit diesen, widmet sich der erste Teil neuartigen Datenquellen für die Konfliktforschung. Zunächst werden Satellitenbilder und daraus abgeleitete Fernerkundungsvariablen vorgestellt und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Konfliktforschung erläutert. Anschließend werden soziale Medien als Datenquelle thematisiert, wobei deren Potenziale und Grenzen diskutiert werden. Es folgt eine Einführung in die statistische Modellierung mit besonderem Fokus auf generalisierte additive Modelle (GAMs), die in allen Forschungsbeiträgen dieser Dissertation eine wichtige Rolle spielen. Im nachfolgenden Abschnitt wird ein Überblick über prädiktive Modellierung im Kontext der Konfliktvorhersage gegeben, einschließlich der am häufigsten eingesetzten maschinellen Lernverfahren in diesem Bereich. Teil I schließt mit einer Zusammenfassung der Forschungsbeiträge und einem Ausblick auf zukünftige Entwicklungen im Forschungsfeld ab.
Teil II der Arbeit zeigt, wie diese neuartigen Datenquellen in statistische und maschinelle Lernmodelle für Konflikte integriert werden können. Der erste Forschungsbeitrag veranschaulicht, wie Fernerkundungsdaten, bspw. Landbedeckungsklassen und nächtliche Lichtemissionen, die Prognosegüte von Vorhersagemodellen in konfliktreichen Ländern mit begrenzten amtlichen Daten verbessern können. Der zweite Beitrag verwendet frei verfügbare Synthetic Aperture Radar (SAR) Satellitenbilder der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), um die Zerstörung von Gebäuden während Kriegen zu erkennen. Hierzu wird eine Technik namens interferometrisches SAR (InSAR) eingesetzt und mit einer nichtparametrischen Medianregression sowie einer robusten statistischen Evaluierung kombiniert, um Zerstörung und dessen Zeitpunkt auf Gebäudeebene zu identifizieren. Im dritten Forschungsbeitrag wird die Sprachnutzung in Tweets aus der Ukraine vor und während der russischen Invasion analysiert. Unter Verwendung generalisierter additiver Mischmodelle werden Stichprobeneffekte, verursacht durch das Zu- und Abwandern von Social-Media-Nutzer:innen, von Effekten durch Verhaltungsänderungen getrennt. Die Analyse zeigt einen klaren Wechsel von Russisch zu Ukrainisch mit Ausbruch des Krieges, der hauptsächlich auf Verhaltensänderungen zurückzuführen ist.
Im abschließenden Teil der Arbeit, Teil III, wird ein statistisches Modell vorgeschlagen, um die Diffusionseffekte von bewaffneten Konflikten über Raum und Zeit zu erfassen. Konkret entwickelt der vierte Beitrag ein generalisiertes additives Modell mit einer flexiblen Glättungsbasis über vergangenene Konflikte, die aus einer Vielzahl exponentieller Zerfallfunktionen mit unterschiedlichen Abnahmefaktoren besteht. Das Modell kann die langfristigen und weitreichenden räumlich-zeitlichen Abhängigkeiten, die Konflikte aufweisen, adäquat erfassen und abbilden. Weitere Analysen zeigen, dass bewaffnete Konflikte typischerweise in dicht besiedelten Gebieten ausbrechen und sich von dort aus in weniger besiedelte Regionen ausbreiten
Untersuchung kardiovaskulärer und neurohumoraler Parameter zur Evaluierung nozizeptiver Reaktionen beim Hühnerembryo
Get PDFHühnerembryonen werden in vielen Bereichen der Forschung zur Beantwortung wissenschaftlicher Fragestellungen eingesetzt, ohne dass sie durch gesetzliche Vorgaben zur Belastungsreduktion geschützt werden. Außerdem wird die Geschlechtsbestimmung im Ei mit anschließender Tötung männlicher Embryonen seit dem Verbot des Tötens männlicher Eintagsküken Anfang 2022 in Deutschland kommerziell eingesetzt. Anhand der wissenschaftlichen Datenlage konnte bis dato jedoch kein Zeitpunkt des Einsetzens von Nozizeption (= Reizweiterleitung) und Schmerzperzeption genannt werden. Die vorliegende Studie untersuchte nozizeptive Reaktionen von Hühnerembryonen anhand von kardiovaskulären und neurohumoralen Parametern. Sie war Teil eines vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft beauftragten Forschungsprojektes, bei dem außerdem Verhaltensbeobachtungen durchgeführt sowie die elektrische Hirnaktivität aufgezeichnet wurde.
Hühnerembryonen an Bruttag (ED) 7, ED 9 und ED 12 – 18 wurden hinsichtlich der Reaktion auf einen noxischen (= tatsächlich oder potenziell gewebeschädigenden) mechanischem Reiz (Pinch) im Vergleich zu einer Berührung an der Schnabelbasis als Kontrolle (Touch) im mittleren arteriellen Blutdruck (MAP) und in der Herzfrequenz (HR) untersucht. Der MAP und die HR wurden dabei mit einem Mikrotip-Katheter, der in eine Arterie der Chorioallantoismembran eingesetzt wurde, aufgezeichnet. Außerdem wurde eine Reaktion der Katecholamine Dopamin (DOPA), Norepinephrin (NE) und Epinephrin (E) nach Pinch im Vergleich zu Touch bei Embryonen von ED 15 bis 18 untersucht. Hierfür wurde Allantois-/Amnionflüssigkeit vor und zu drei verschiedenen Zeitpunkten nach dem Reiz entnommen.
Der MAP von Hühnerembryonen an ED 16 bis 18 stieg nach Pinch im Vergleich zu Touch signifikant an. Ebenfalls wurden signifikante Veränderungen der HR nach Pinch im Vergleich zu Touch an ED 17 und 18 beobachtet. Die Injektion des Lokalanästhetikums Lidocain reduzierte die Reaktion im MAP auf Pinch bei Embryonen an ED 18 signifikant. Vereinzelt wurden Reaktionen in MAP und HR bereits bei Embryonen an ED 15 beobachtet. In den Proben der Allantois-/Amnionflüssigkeit konnte nur DOPA detektiert und quantifiziert werden. Es konnte jedoch keine Reaktion von DOPA nach Pinch im Vergleich zu Touch dargestellt werden.
Der MAP erwies sich in der vorliegenden Studie als sensitivster Parameter zur Evaluation nozizeptiver Reaktionen bei Hühnerembryonen. Auf Basis der Ergebnisse kann die Fähigkeit zur Nozizeption an ED 15 nicht ausgeschlossen und ab ED 16 angenommen werden. Das in dieser Studie durchgeführte Versuchssetup zur Bestimmung neurohumoraler Parameter erwies sich für die Darstellung einer nozizeptiven Reaktion beim Hühnerembryo als nicht geeignet. Zusammenfassend liefert die vorliegende Studie neue Erkenntnisse zur Methodik der Erfassung kardiovaskulärer Parameter und zur Beurteilung nozizeptiver Reaktionen bei Hühnerembryonen.Chicken embryos are used in various areas of research to answer scientific questions without being protected by legal requirements to reduce stress. In addition, sex determination in the egg with subsequent killing of male embryos is being used commercially in Germany since the ban on killing male day-old chicks at the beginning of 2022. Based on the scientific data available, however, it has not yet been possible to determine the time of onset of nociception (= stimulus transmission) and pain perception. The present study investigated nociceptive reactions of chicken embryos by means of cardiovascular and neurohumoral parameters. It was part of a research project commissioned by the Federal Ministry of Food and Agriculture, which also included behavioral observations and the recording of electrical brain activity.
Chicken embryos on embryonic day (ED) 7, ED 9 and ED 12 – 18 were examined in terms of their response to a noxious (= actually or potentially tissue damaging) mechanical stimulus (Pinch) compared to a light touch at the base of the beak as a control (Touch) in mean arterial blood pressure (MAP) and heart rate (HR). MAP and HR were recorded using a microtip catheter inserted into an artery of the chorioallantoic membrane. In addition, a response of the catecholamines dopamine (DOPA), norepinephrine (NE) and epinephrine (E) after Pinch was examined in comparison to Touch in embryos from ED 15 to 18. For this purpose, allantoic/amniotic fluid was collected before and at three different time points after the stimulus.
The MAP of chicken embryos at ED 16 to 18 increased significantly after Pinch compared to Touch. Significant changes in HR were also observed after Pinch compared to Touch on ED 17 and 18. Injection of the local anesthetic lidocaine significantly reduced the response of MAP after Pinch in ED 18 embryos. Occasionally, reactions in MAP and HR were already observed in embryos on ED 15. Only DOPA could be detected and quantified in the allantoic/amniotic fluid samples. However, no reaction of DOPA after Pinch could be displayed compared to Touch.
In the present study, MAP proved to be the most sensitive parameter for the evaluation of nociceptive reactions in chicken embryos. Based on the results, the capacity for nociception cannot be excluded at ED 15 and can be assumed from ED 16 onwards. The experimental set-up used in this study to determine neurohumoral parameters was not suitable for displaying a nociceptive response in the chicken embryo. In summary, the present study provides new insights into the methodology of recording cardiovascular parameters and the assessment of nociceptive responses in chicken embryos
Functional approaches to Fermi polarons in cold atomic gases and solid-state systems
Get PDFWenn ein attraktives Störstellenatom in ein Fermigas aus ultrakalten Atomen eingetaucht wird, so formt sich ein Fermi-Polaron. Dies ist ein prominentes Quasiteilchen und liefert ein faszinierendes Beispiel für einen korrelierten Quanten-Vielteilchenzustand. In dieser Dissertation benutzen wir verschiedene funktionale Ansätze, um physikalische Systeme zu beschreiben, die mit dem Fermi-Polaron-Problem zusammenhängen.
Zunächst stellen wir eine neue Messmethode vor, um korrelierte ultrakalte atomare Gase mithilfe von Rydberg-Anregungen zu untersuchen. Wenn das Störstellenatom zu einem Rydberg-Zustand angeregt wird, verursacht es die Bildung von ultralangreichweitigen Rydberg-Molekülen mit den umgebenden Gasatomen. In Radiofrequenz-Spektren gibt die Besetzung dieser molekularen Zustände Auskunft über die Dichte- und Energieeigenschaften des umgebenden Mediums. Wir rekonstruieren Dichteprofile aus Absorptionsspektren, die mithilfe der funktionalen Determinanten-Methode berechnet werden, und veranschaulichen, dass die Rydbergatom-Spektroskopie eine in-situ-Messung des Fermi-Polarons ermöglicht. Des Weiteren diskutieren wir, wie diese Methode benutzt werden kann, um die zeitaufgelöste Formierung eines Fermi-Polarons und Eigenschaften einer BCS-Supraflüssigkeit zu untersuchen.
Der Hauptteil dieser Dissertation widmet sich der Entwicklung von feldtheoretischen Methoden wie der funktionalen Renormierungsgruppe (fRG) und dem Parquet-Formalismus. In der Quantenfeldtheorie werden allgemeine Wechselwirkungen zwischen zwei Teilchen in der Vierpunkt-Vertexfunktion modelliert, die ein hochgradig kompliziertes Objekt hinsichtlich ihrer Frequenzabhängigkeit ist. Eine Aufteilung der Vertexfunktion in Austauschprozesse einzelner Bosonen (SBE, aus dem Englischen single-boson exchange) ist geeignet, um die Vertexfunktion numerisch zu behandeln, und bietet eine intuitive physikalische Interpretation der Wechselwirkungsprozesse. Wir verallgemeinern den SBE-Formalismus auf den Fall mit zwei unterscheidbaren Teilchenarten und entwickeln ein numerisches Programm, um die zugehörigen Vertexfunktionen für Probleme ohne Impulsabhängigkeit auszurechnen. Exakte Formeln für das Hubbard-Modell auf einem Gitterpunkt in Anwesenheit eines Magnetfeldes bieten dabei einen praktischen Anhaltspunkt. Darüber hinaus bewerten wir verschiedene selbstkonsistente Summierungsmethoden, um Potenzgesetze eines statischen Fermi-Polarons zu untersuchen. Hierbei zeigen wir, dass der Parquet-Formalismus die Singularität an der Fermikante in Röntgenabsorptionsspektren von Metallen auf Genauigkeit bis zum subführenden Logarithmus auflösen kann, wenn Austauschprozesse zwischen mehreren Bosonen miteinbezogen werden.
Im Zusammenhang mit der fRG leiten wir Multiloop-Flussgleichungen für die SBE-Vertices her und zeigen, wie eine Cutoff-Abhängigkeit in der nackten Wechselwirkung eine flexiblere Behandlung von bosonischen Propagatoren ermöglicht. Wir präsentieren eine Anwendung der fRG im SBE-Formalismus für das zweidimensionale Hubbard-Modell. Im Verlauf der Arbeit ordnen wir die bisherigen fRG-Untersuchungen von Fermi-Polaronen ein und erörtern, wie diese in zukünftigen Nachforschungen erweitern werden können.When an attractive impurity atom is immersed in a Fermi gas of ultracold atoms, a Fermi polaron is formed. This is a paradigmatic quasi-particle and serves as a fascinating example of a correlated quantum many-body state. In this dissertation, we use different functional approaches to describe physical systems related to the Fermi polaron problem.
In the first part, we present a new measurement technique for probing correlated ultracold atomic gases by using Rydberg excitations. When the impurity atom is excited to a Rydberg state, it induces the formation of ultralong-range Rydberg molecules with the surrounding gas atoms. In radio-frequency spectra, the occupation of these molecular states provides information about the density and energy properties of the surrounding medium. We reconstruct density profiles from absorption spectra, calculated using the functional determinant approach, and demonstrate that Rydberg atom spectroscopy allows for an in situ measurement of the Fermi polaron. Furthermore, we discuss how this technique can be applied to probe the time-dependent formation of a Fermi polaron and to analyze properties of a BCS superfluid.
The main part of this dissertation is dedicated to the development of field-theoretical methods like the functional renormalization group (fRG) and the parquet formalism. In quantum field theory, general interactions between two particles are incorporated in the four-point vertex function, which is a highly complicated object in terms of its frequency dependence. A decomposition of the vertex function into single-boson exchanges (SBE) offers a convenient way of handling the vertex function numerically and provides an intuitive physical interpretation of interaction processes. We generalize the SBE formalism to the case of two distinct particle types and develop a numerical program to compute the corresponding vertex functions for problems without momentum dependence. Exact formulas for a single-site Hubbard model in the presence of a magnetic field offer a practical testing case. Moreover, we evaluate various self-consistent summation techniques to analyze the power-law behavior of a static Fermi polaron. Hereby, we show that the parquet formalism may resolve the Fermi-edge singularity in X-ray absorption spectra of metals up to subleading logarithmic accuracy when including multi-boson exchange processes.
In the context of fRG, we derive multiloop flow equations for the SBE vertices and demonstrate how a cutoff dependence in the bare interaction provides a more flexible treatment of bosonic propagators. We include an application of fRG in the SBE formalism for the two-dimensional Hubbard model. Along the way, we classify the hitherto existing analyses of Fermi polarons using fRG and explain how these can be extended in future investigations
Characterization of novel NEDDylation inhibitors in in vitro models of atherogenesis
Get PDFIntracellular protein degradation is controlled by the ubiquitin-proteasome system (UPS) through post-translational modification of target proteins with ubiquitin. The central components of the UPS are cullin-RING ligases (CRLs). The CRLs’ ubiquitin ligase activity is regulated by post-translational modification with NEDD8 (neural precursor cells expressed developmentally downregulated-8), a protein structurally similar to ubiquitin. NEDDylation impacts cell homeostasis, cell death, and physiological cell functions by mediating the degradation of critical regulatory proteins. Especially the CSN (constitutive photomorphogenesis 9 (COP9) signalosome), which catalyzes the removal of NEDD8, is considered a promising therapeutical target in cancer research. Still, various studies indicate that the CSN also has a central role in inflammation and atherosclerosis. Recent efforts have identified multiple compounds that negatively impact NEDDylation. These compounds, at least partially, mimic, and consequently allow to study the CSN. MLN4924, which affects the E1 enzyme and therefore fully blocks NEDDylation, is atheroprotective in vivo and in vitro. To target cullin-NEDDylation more specifically, novel defective in cullin NEDDylation protein 1 (DCN1) inhibitors, which impair a later timepoint in the NEDDylation cascade, have been developed.
This thesis evaluated the effects of the novel DCN1 inhibitors NAcM-OPT and -COV, which had only been applied in cancer cell models so far, in murine and human monocyte and macrophage models in the context of atherosclerosis in vitro. The results suggested a less pronounced impact on CUL1- and CUL3-NEDDylation levels compared to MLN4924 in vitro. Still, the covalently binding NAcM-COV resulted in a more potent reduction of cullin-NEDDylation than the non-covalently binding NAcM-OPT. The atheroprotective effect of MLN4924 on macrophage protein secretion in vitro could not be observed when using the novel DCN1 inhibitors. Interestingly, treatment with NAcM-COV and MLN4924 significantly impaired monocyte mobility and viability in vitro.
This study provided first insights into the effectiveness of the novel DCN1 inhibitors on murine and human monocyte and macrophage models in the context of atherogenesis in vitro. This thesis pinpointed novel DCN1 inhibitors as a promising addition to the research of the CSN as they allow insight into specifically targeting CUL1- and CUL3-NEDDylation. These more specific inhibitors of NEDDylation could be future therapeutic alternatives to MLN4924 as they might result in fewer side effects.Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) steuert den intrazellulären Proteinabbau durch posttranslationale Modifikation der Zielproteine mit Ubiquitin. Die zentralen Schaltstellen des UPS sind Cullin-RING-Ligasen (CRLs), deren Ubiquitin-Ligase-Aktivität durch NEDD8 (neural precursor cells expressed developmentally downregulated-8) reguliert wird. Die NEDDylierung beeinflusst die Zellhomöostase und physiologische Zellfunktionen, indem sie den Abbau regulatorischer Proteine vermittelt. Das CSN (constitutive photomorphogenesis 9 (COP9) signalosome), welches die Entfernung von NEDD8 katalysiert, gilt daher als vielversprechendes therapeutisches Ziel in der Krebsforschung. Des Weiteren deuten verschiedene Studien darauf hin, dass das CSN auch bei Entzündungen und Atherosklerose eine wichtige Rolle spielt. In den letzten Jahren wurden mehrere Verbindungen identifiziert, die die NEDDylierung inhibieren und somit zumindest teilweise die Aktivität des CSN widerspiegeln. MLN4924, ein Inhibitor welcher die gesamte NEDDylierung blockiert, wirkt in vivo und in vitro atheroprotektiv. DCN1 (defective in cullin NEDDylation protein 1) Inhibitoren, die einen späteren Zeitpunkt in der NEDDylierungskaskade beeinträchtigen und nicht die NEDDylierung aller Culline beeinflussen, ermöglichen es, den Einfluss der Cullin-NEDDylierung gezielter zu erforschen.
In dieser Arbeit wurden die Wirkungen der neuartigen DCN1 Inhibitoren NAcM-OPT und -COV, welche bis dato nur an Krebszellmodellen getestet wurden, in murinen und humanen Monozyten- und Makrophagenmodellen in vitro im Kontext atherosklerotischer Entzündungsprozesse evaluiert. Die Ergebnisse deuteten auf einen weniger ausgeprägten Einfluss auf die CUL1- und CUL3-NEDDylierung im Vergleich zu MLN4924 hin. Dennoch führte das kovalent bindende NAcM-COV zu einer stärkeren Reduktion der Cullin-NEDDylierung als das nicht kovalent bindende NAcM-OPT. Die starke atheroprotektive Wirkung von MLN4924 auf die Sekretion inflammatorischer Mediatoren aus Makrophagen in vitro wurde mit den neuen DCN1 Inhibitoren nicht beobachtet. Interessanterweise beeinträchtigte die Behandlung mit NAcM-COV und MLN4924 die Mobilität und Vitalität der Monozyten in vitro.
Zusammenfassend lieferte diese Dissertation erste Einblicke in die Wirksamkeit der neuartigen DCN1 Inhibitoren an murinen und menschlichen Monozyten- und Makrophagenmodellen im Kontext der Atherogenese in vitro. Hierbei wurden die neuartigen DCN1 Inhibitoren als vielversprechende Ergänzung der Erforschung des CSN identifiziert, da sie Einblicke in die gezielte Regulation der CUL1- und CUL3-NEDDylierung ermöglichen. Perspektivisch könnten sich spezifischere NEDDylierungsinhibitoren auch als nebenwirkungsärmere therapeutische Alternativen zu MLN4924 etablieren