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Emergence and resilience in multi-agent reinforcement learning
Get PDFOur world represents an enormous multi-agent system (MAS), consisting of a plethora of agents that make decisions under uncertainty to achieve certain goals. The interaction of agents constantly affects our world in various ways, leading to the emergence of interesting phenomena like life forms and civilizations that can last for many years while withstanding various kinds of disturbances. Building artificial MAS that are able to adapt and survive similarly to natural MAS is a major goal in artificial intelligence as a wide range of potential real-world applications like autonomous driving, multi-robot warehouses, and cyber-physical production systems can be straightforwardly modeled as MAS. Multi-agent reinforcement learning (MARL) is a promising approach to build such systems which has achieved remarkable progress in recent years. However, state-of-the-art MARL commonly assumes very idealized conditions to optimize performance in best-case scenarios while neglecting further aspects that are relevant to the real world.
In this thesis, we address emergence and resilience in MARL which are important aspects to build artificial MAS that adapt and survive as effectively as natural MAS do. We first focus on emergent cooperation from local interaction of self-interested agents and introduce a peer incentivization approach based on mutual acknowledgments. We then propose to exploit emergent phenomena to further improve coordination in large cooperative MAS via decentralized planning or hierarchical value function factorization. To maintain multi-agent coordination in the presence of partial changes similar to classic distributed systems, we present adversarial methods to improve and evaluate resilience in MARL. Finally, we briefly cover a selection of further topics that are relevant to advance MARL towards real-world applicability.Unsere Welt stellt ein riesiges Multiagentensystem (MAS) dar, welches aus einer Vielzahl von Agenten besteht, die unter Unsicherheit Entscheidungen treffen müssen, um bestimmte Ziele zu erreichen. Die Interaktion der Agenten beeinflusst unsere Welt stets auf unterschiedliche Art und Weise, wodurch interessante emergente Phänomene wie beispielsweise Lebensformen und Zivilisationen entstehen, die über viele Jahre Bestand haben und dabei unterschiedliche Arten von Störungen überwinden können. Die Entwicklung von künstlichen MAS, die ähnlich anpassungs- und überlebensfähig wie natürliche MAS sind, ist eines der Hauptziele in der künstlichen Intelligenz, da viele potentielle Anwendungen wie zum Beispiel das autonome Fahren, die multi-robotergesteuerte Verwaltung von Lagerhallen oder der Betrieb von cyber-phyischen Produktionssystemen, direkt als MAS formuliert werden können. Multi-Agent Reinforcement Learning (MARL) ist ein vielversprechender Ansatz, mit dem in den letzten Jahren bemerkenswerte Fortschritte erzielt wurden, um solche Systeme zu entwickeln. Allerdings geht der Stand der Forschung aktuell von sehr idealisierten Annahmen aus, um die Effektivität ausschließlich für Szenarien im besten Fall zu optimieren. Dabei werden weiterführende Aspekte, die für die echte Welt relevant sind, größtenteils außer Acht gelassen.
In dieser Arbeit werden die Aspekte Emergenz und Resilienz in MARL betrachtet, welche wichtig für die Entwicklung von anpassungs- und überlebensfähigen künstlichen MAS sind. Es wird zunächst die Entstehung von emergenter Kooperation durch lokale Interaktion von selbstinteressierten Agenten untersucht. Dazu wird ein Ansatz zur Peer-Incentivierung vorgestellt, welcher auf gegenseitiger Anerkennung basiert. Anschließend werden Ansätze zur Nutzung emergenter Phänomene für die Koordinationsverbesserung in großen kooperativen MAS präsentiert, die dezentrale Planungsverfahren oder hierarchische Faktorisierung von Evaluationsfunktionen nutzen. Zur Aufrechterhaltung der Multiagentenkoordination bei partiellen Veränderungen, ähnlich wie in klassischen verteilten Systemen, werden Methoden des Adversarial Learning vorgestellt, um die Resilienz in MARL zu verbessern und zu evaluieren. Abschließend wird kurz eine Auswahl von weiteren Themen behandelt, die für die Einsatzfähigkeit von MARL in der echten Welt relevant sind
Arten- und Formenkenntnis von Kindern und Erwachsenen am Beispiel der Wirbeltiere unter besonderer Berücksichtigung der Vögel
Get PDFArten- und Formenkenntnis ist nicht nur eine Voraussetzung für Maßnahmen zum Schutz der biologischen Vielfalt, sondern leistet auch einen Beitrag zur Erschließung der Welt und steigert das persönliche Wohlbefinden. Trotz dieser Bedeutung liegen aus Deutschland keine aktuellen Daten vor, wie viele Arten verschiedene Bevölkerungsgruppen erkennen. In dieser Dissertation wurde deshalb die Arten- und Formenkenntnis von Kindern und Erwachsenen bei Wirbeltieren im Allgemeinen und Vögeln im Besonderen untersucht, die Bedeutung verschiedener Einflussfaktoren auf diese ermittelt und schließlich auf Grundlage dieser Daten ein Kompetenzstrukturmodell der taxonomischen Bildung sowie Lerngelegenheiten zum Aufbau von Arten- und Formenkenntnissen entwickelt.
In drei unabhängig durchgeführten empirischen Fragebogen-Studien wurden insgesamt knapp 4000 Probanden befragt. Eine dieser drei Studien untersuchte an 984 Gymnasiast:innen der Jahrgangsstufe 6 wie viele Wirbeltier-Arten die Kinder erkennen konnten. Die beiden weiteren Studien testeten die Vogel-Arten- und Formenkenntnis von 1957 Schüler:innen aller Schularten bzw. einer repräsentativ ausgewählten Gruppe von 1003 Erwachsenen. Mithilfe von soziodemographischen Variablen, der Anzahl an Gelegenheiten, Tierbeobachtungen zu machen, sowie persönlichen Interessen und Erwartungen sollte die Varianz der mittleren Testleistungen aufgeklärt werden.
Schülerinnen schneiden in den Tests besser als Schüler ab, während das Geschlecht bei Erwachsenen, genau wie die Größe des Wohnorts keine Rolle spielt. Kinder aus Großstädten erkennen mehr Vogel-, aber nicht mehr Wirbeltier-Arten als jene aus ländlichen Regionen. Schüler:innen mit nicht-deutscher Muttersprache erzielen schlechtere Testergebnisse im Bereich der Wirbeltier-Formenkenntnis. Unter den Erwachsenen erkennen ältere Menschen signifikant mehr Vögel als jüngere. Gelegenheiten für Tierbeobachtungen verbessern die Arten- und Formenkenntnis stärker, wenn sie gezielt (z.B. an Futterstellen, Nistkästen oder bei der Stunde der Winter- bzw. Gartenvögel) erfolgen, als wenn sie sich zufällig beim Spielen oder im Rahmen von Unterrichtsgängen ereignen. Die persönliche Erwartung an das Testergebnis war der Prädiktor mit der größten Effektstärke für die Wirbeltier-Arten- und Formenkenntnis, gefolgt von der unterrichtenden Lehrkraft. Weder das Lieblingsfach der Schüler:innen noch ihre Leistungen im Fach Biologie wirkten sich auf die Zahl der erkannten Wirbeltier-Arten aus. Bei Erwachsenen hatten weitere Faktoren aus dem Bereich der persönlichen Interessen (z.B. Mitgliedschaft in einem Naturschutzverband, Spendenbereitschaft oder die Quellen des Wissens) einen Einfluss auf die Anzahl der richtig benannten Vögel. Unter den Wirbeltieren werden Säugetiere besonders gut, Vögel dagegen eher schlecht erkannt.
Der Vergleich mit ähnlichen Untersuchungen aus der Vergangenheit belegt ein „shifting baseline“ Syndrom bei Schüler:innen, die heute rund 15% weniger Wirbeltier- bzw. rund 20% weniger Vogel-Arten erkennen als bei vergleichbaren Erhebungen im Jahr 2006 bzw. 2007.
Der Befund, dass die Arten- und Formenkenntnis der Testpersonen stärker von den tatsächlichen Naturbeobachtungen der Probanden sowie persönlichen Interessen und Erwartungen als von soziodemographischen Faktoren abhängt, legt die Vermutung nahe, dass beim Erwerb dieses Fachwissens motivatorische Aspekte eine besondere Rolle spielen. Dies erklärt auch, warum Kinder die für sie interessanten Säugetiere häufiger richtig benennen als Vertreter anderer Taxa. Neben dem Interesse an den Tieren fördern auch auffällige morphologische Merkmale oder sprechende Namen im Gegensatz zur Beobachtbarkeit der Arten die Bekanntheit der Tiere.
Der Rückgang der Arten- und Formenkenntnis bei Schüler:innen könnte u.a. auf die geringere Bedeutung taxonomischer Inhalte in den Biologie-Lehrplänen zurückzuführen sein. Um diesem Verlust des Wissens entgegenzuwirken, sollten Arten- und Formenkenntnis in schulischen und außerschulischen Prozessen verbessert werden. Dafür wird ein Kompetenzstrukturmodell der taxonomischen Bildung entwickelt und diskutiert, das neben dem Erkennen von Arten aus dem Kompetenzbereich „Fachwissen“ auch das Bestimmen unbekannter Spezies aus dem Kompetenzbereich „Erkenntnisgewinnung“ umfasst. Die Nutzung digitaler Medien erlaubt dabei neue didaktische und methodische Ansätze. Die konkrete Umsetzung dieser Überlegungen wird an Praxisbeispielen für den Biologie-Unterricht (BISA-Projekt) und die Erwachsenenbildung (NABU│naturgucker-Akademie) vorgestellt, um so Menschen zu befähigen, die mit dem Erhalt der biologischen Vielfalt verbundenen Herausforderungen zu meistern.Species knowledge is not only a prerequisite for measures to protect biodiversity, but also contributes to the understanding of the world and increases personal well-being. Despite this importance, there are no current data from Germany on how many species different population groups recognize. In this dissertation, therefore, the children’s and adults’ species knowledge of vertebrates in general and birds in particular were investigated, the significance of various influencing factors was determined and finally a competence structure model of taxonomic literacy as well as learning opportunities for the development of species knowledge were developed on the basis of these data.
In three independently conducted empirical questionnaire studies, a total of almost 4000 people were interviewed. One of these three studies examined 984 grammar school students in grade 6 to see how many vertebrate species the children could recognize. The two further studies tested the bird species knowledge of 1957 pupils of all school types ana a representatively selected group of 1003 adults. With the help of sociodemographic variables, the number of opportunities to make animal observations, as well as personal interests and expectations, the variance of the mean test performance should be evaluated.
Female students perform better than male students in the tests, while gender does not matter in adults, just like the size of the place of residence. Children from large cities recognize more bird species, but not more vertebrate species than those from rural areas. Students with a non-German mother tongue achieve worse test results in vertebrate species knowledge. Among adults, older people recognize significantly more birds than younger ones. Opportunities for animal observation improve species knowledge more if they are focused (e.g. at feeding sites, nesting boxes or at the hour of winter or garden birds) than if they happen by chance while playing or during excursions with the class. The personal expectation of the test result was the predictor with the greatest effect size for vertebrate species knowledge, followed by the teacher. Neither the students' favorite subject nor their performance in biology affected the number of vertebrate species recognized. In adults, other factors from the area of personal interests (e.g. membership in a nature conservation association, willingness to donate or the sources of knowledge) had an influence on the number of correctly named birds. Among vertebrates, mammals are particularly well recognized, while birds were poorly identified.
The comparison with similar studies from the past shows a "shifting baseline" syndrome in students, who today recognize about 15% fewer vertebrate and about 20% fewer bird species than in comparable surveys of 2006 and 2007.
The finding that the test subjects' knowledge of species depends more on the subjects' actual observations of nature as well as on personal interests and expectations than on sociodemographic factors suggests that motivatory aspects play a special role in the acquisition of this expertise. This also explains why children are more likely to correctly name mammals, that are more interesting to them than representatives of other taxa. In addition to the interest in the animals, conspicuous morphological features, or meaningful names, in contrast to the observability of the species, promote the popularity of the animals.
The decline in the knowledge of species among pupils could be due, among other things, to the lower importance of taxonomic content in biology curricula. In order to counteract this loss of expertise, species knowledge should be fostered in school and extracurricular processes. For this purpose, a competence structure model of taxonomic education is developed and discussed, which, in addition to the recognition of species from the competence area "content knowledge", also includes the determination of unknown species from the competence domain "knowledge acquisition". The use of digital media allows new didactic and methodological approaches. The concrete implementation of these considerations will be presented using practical examples for biology lessons (BISA project) and adult education (NABU│naturgucker-Akademie) in order to enable people to meet the challenges associated with the conservation of biodiversity
Precise aminoethylene-based nanocarriers for dynamic nucleic acid delivery: A balancing act between polyplex stability and cargo release
Get PDFCharacter-level and syntax-level models for low-resource and multilingual natural language processing
Get PDFThere are more than 7000 languages in the world, but only a small portion of them benefit from Natural Language Processing resources and models. Although languages generally present different characteristics, “cross-lingual bridges” can be exploited, such as transliteration signals and word alignment links. Such information, together with the availability of multiparallel corpora and the urge to overcome language barriers, motivates us to build models that represent more of the world’s languages.
This thesis investigates cross-lingual links for improving the processing of low-resource languages with language-agnostic models at the character and syntax level. Specifically, we propose to (i) use orthographic similarities and transliteration between Named Entities and rare words in different languages to improve the construction of Bilingual Word Embeddings (BWEs) and named entity resources, and (ii) exploit multiparallel corpora for projecting labels from high- to low-resource languages, thereby gaining access to weakly supervised processing methods for the latter.
In the first publication, we describe our approach for improving the translation of rare words and named entities for the Bilingual Dictionary Induction (BDI) task, using orthography and transliteration information. In our second work, we tackle BDI by enriching BWEs with orthography embeddings and a number of other features, using our classification-based system to overcome script differences among languages. The third publication describes cheap cross-lingual signals that should be considered when building mapping approaches for BWEs since they are simple to extract, effective for bootstrapping the mapping of BWEs, and overcome the failure of unsupervised methods. The fourth paper shows our approach for extracting a named entity resource for 1340 languages, including very low-resource languages from all major areas of linguistic diversity. We exploit parallel corpus statistics and transliteration models and obtain improved performance over prior work. Lastly, the fifth work models annotation projection as a graph-based label propagation problem for the part of speech tagging task. Part of speech models trained on our labeled sets outperform prior work for low-resource languages like Bambara (an African language spoken in Mali), Erzya (a Uralic language spoken in Russia’s Republic of Mordovia), Manx (the Celtic language of the Isle of Man), and Yoruba (a Niger-Congo language spoken in Nigeria and surrounding countries)
Gruppentherapie bei Patienten und Patientinnen mit Angststörung oder somatoformem Schwindel
Get PDFNach derzeitigem Kenntnisstand ist dies die erste Studie die Personen mit einem somatoformen Schwindel mit Personen mit einer Angststörung vergleicht sowie die erste Studie, die neurobiologische Daten zu einer kognitiven Verhaltensthera-pie von Personen mit somatoformen Schwindel darlegt. Die vorliegenden psychometrischen als auch neurobiologischen Daten weisen darauf hin, dass hier von unterschiedlichen Patientenkollektiven ausgegangen werden muss. Personen mit einem somatoformen Schwindel sind somit keine klassischen Angstpatienten/-innen im engeren Sinne, weisen jedoch eine starke Angstkomponente auf. Bei-spielsweise zeigten die Personen mit einem somatoformen Schwindel vor Beginn der Behandlung ähnlich hohe Angstwerte wie die Angstgruppe, die signifikant höher lagen als die der Kontrollgruppen. Es konnte gezeigt werden, dass diese nicht alleine durch die komorbiden Angststörungen erklärt werden kann, da ers-tens nicht alle betroffenen Personen eine komorbide Angststörung hatten sowie keine Reduktion wie in der Angstgruppe stattfand. Im Gegenteil, es scheint, dass die Schwindelsymptome die Angstsymptome aufrechterhalten und von einer Kon-fundierung auszugehen ist. Zusätzlich muss von einem zeitlich überdauernden Angsttemperament (engl. trait) ausgegangen werden, wie die prä-post-Analysen zeigten. Gleichzeitig wies die Schwindelgruppe höhere Schwindelwerte (statisti-schem Trendniveau, VSS-VER Fragebogen - Subskala Schwindelsymptomstärke) als Personen mit einer Angststörung auf. Weiterhin wies auch das Angststö-rungskollektiv eine ausgeprägte Schwindelsymptomatik auf im Vergleich zur Kon-trollgruppe. Die Hypothese 1, dass sich eine Psychotherapie gleich wirksam auf beide Gruppen auswirkt, musste verworfen werden. Die Angstgruppe zeigte einen stärkeren Rückgang in Angst- und Depressionswerten als die Schwindelgruppe bei meist mittleren Effektstärken. Dennoch konnten auch Personen mit einem so-matoformen Schwindel von der Gruppentherapie profitieren, indem sich der Um-gang mit den Symptomen sowie die Lebenszufriedenheit signifikant verbesserten.
Hinsichtlich der neurobiologischen Daten zeichnete sich ein Ergebnis entgegen unserer Hypothesen ab. In den Prä-Post-Messungen reduzierten sich die BOLD-Aktivierungen in den emotionalen, vestibulären und visuellen Netzwerken in allen Gruppen, wobei die größte Abnahme in der Kontrollgruppe festzustellen war, gefolgt von der Angstgruppe. Es ist davon auszugehen, dass die gesunde Kon-trollgruppe besser an die negativ emotionalen Bilder adaptierte als die Versuchs-gruppen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass mit zunehmender psychischer Beeinträchtigung die negative Emotionalität der Bilder auch nach mehrmaliger Betrachtung stärker erhalten bleibt, was sich direkt proportional als neurobiolo-gisches Korrelat abzeichnet. Für diese Annahme sprechen sowohl die Fragebog-energebnisse als auch die weiteren neurobiologischen Direktvergleiche der Gruppen zum zweiten Messzeitpunkt nach der Therapie. So wies die Schwindel-gruppe eine höhere BOLD-Aktivität im Angstnetzwerk (Amygdala, IFG) und dem Schwindelnetzwerk (SMG, Lobulus parietalis inferior, Cerebellum, Precuneus und Cuneus) als die Angstgruppe auf. Somit muss auch auf neurobiologischer Ebene die Hypothese 1, dass sich eine Psychotherapie gleich wirksam auf beide Gruppen auswirkt, verworfen werden. Daraus lässt sich ableiten, dass sich durch Psycho-therapie ein größerer neurophysiologischer Effekt in der Angstgruppe als in der Schwindelgruppe erzielen ließ, da dieser Unterschied zum ersten Messzeitpunkt zwischen den Versuchsgruppen noch nicht so deutlich bestanden hatte. Unter-mauert wird dieses Ergebnis noch zusätzlich durch die ROI-Analysen, denn ein signifikanter Rückgang der neuronalen Aktivität wurde nur in der Angstgruppe in Strukturen des Angstnetzwerks (Hippocampus, Thalamus, IFG und Insula) von T1 zu T2 festgestellt.
Für einen Therapieeffekt in der Angstgruppe spricht eine Zunahme an neurona-ler Aktivität in frontalen Arealen (dlPFC, OFC), welche mit einer erhöhten kogniti-ven Kontrolle in Verbindung gebracht werden im Sinne einer verbesserten Emo-tionsregulation. Therapieeffekte in der Schwindelgruppe ließen sich deutlich schwieriger neurobiologisch einordnen. Dies hängt einerseits mit einer einge-schränkten Datenlage und andererseits mit unterschiedlichen Provokationsme-thoden der Einzelstudien zusammen. Darüber hinaus ist davon auszugehen, dass Personen mit Schwindel aufgrund einer stark physiologisch erlebten Komponente bzw. eines somatisch geprägten Krankheitsverständnisses weniger zugänglich für Psychotherapie sind. Neurobiologische Korrelate, die für eine Wirksamkeit von Psychotherapie bei Personen mit somatoformen Schwindel sprechen würden, sind ein Rückgang der neuronalen Aktivität im Cuneus, im motorischen und soma-tosensorischen Kortex (Gyrus precentralis und Gyrus postcentralis) und in visuel-len Arealen. Dieser Befund könnte auf eine Verringerung der Haltungskontrolle und visuellen Kompensation hinweisen, wie er u.a. bei Best et al. (2015) bzw. Limburg et al. (2021) nach einer Psychotherapie beschrieben wurde. Weiterhin konnte eine signifikante Abnahme der neuronalen Aktivität im STG in der Schwin-delgruppe beobachtet werden, einer Struktur, welche im Zusammenhang mit Angst-, aber auch Schwindelsymptomen steht, so dass hier von einem Therapieef-fekt ausgegangen wird.
Die Fragestellung, ob es für Patienten und Patientinnen mit einem somatoformen Schwindel neue innovative Therapiekonzepte bedarf, kann mit dieser Studie nicht endgültig beantwortet werden und muss durch zukünftige Studien eruiert wer-den. Vermutlich handelte es sich bei Personen mit einem somatoformen Schwin-del um ein schwerwiegenderes bzw. chronifizierteres Krankheitsbild bzw. Patien-tenkollektiv im Vergleich zur Angstgruppe. Sicherlich bedarf es eines größeren Psychotherapiestundenkontingents in der Behandlung des somatoformen Schwindels, um psychotherapeutische Maßnahmen sicherer in den Alltag integ-rieren und aufrechterhaltende Faktoren besser eruieren zu können. Es ist auch davon auszugehen, dass eine Schwindel-Exposition weniger wirksam war als eine Angstexposition. Daher sollten weitere Provokationsmethoden hinsichtlich Schwindelsymptome zum Einsatz kommen. Denkbar wäre ein Ansatz der zusätz-lich das visuellen System berücksichtigt, da Patienten und Patientinnen mit soma-toformen Schwindel übermäßig visuell kompensieren. In zukünftigen Studien soll-te weiterhin eine größere Stichprobe, eine Katamnese, eine Posturographiemes-sung sowie ein Messdesign, welches Habituationseffekte durch Messwiederholung besser kontrolliert, Berücksichtigung finden.To the best of our knowledge, this is the first study to compare people with soma-toform vertigo to people with anxiety disorder and the first study to present neu-robiological data on cognitive behavioural therapy for people with somatoform vertigo. The available psychometric as well as neurobiological data indicate that different patient collectives must be assumed here. Patients suffering from soma-toform vertigo are therefore not classic anxiety patients in the strict sense, but they do have a strong anxiety component. For example, the patients with somato-form vertigo showed similarly high anxiety scores before the start of treatment as the anxiety group, which were significantly higher than those of the control groups. It could be shown that this cannot be explained by a comorbid anxiety disorder alone, because firstly, not all patients had a comorbid anxiety disorder. Secondly, the patients with somatoform vertigo were not able to reduce their anx-iety symptoms as much as in the anxiety group. On the contrary, it seems that the vertigo symptoms maintain the anxiety symptoms and a confounding can be as-sumed. In addition, an anxiety trait that persists over time must be assumed, as the pre-post analyses showed. At the same time, the dizziness group had higher dizziness scores (statistical trend level, VSS-VER questionnaire - dizziness symp-tom intensity subscale) than people with an anxiety disorder. Furthermore, the anxiety group also showed a pronounced dizziness symptomatology compared to the control group.
Hypothesis 1, that psychotherapy would have the same effect on both groups, had to be rejected. The anxiety group showed a stronger decrease in anxiety and de-pression scores than the dizziness group with mostly medium effect sizes. Never-theless, people with somatoform vertigo also benefited from the group therapy by significantly improving their symptom management and life satisfaction.
With regard to the neurobiological data, one result emerged contrary to our hy-potheses. In the pre-post measurements, the BOLD activations in the emotional, vestibular and visual networks were reduced in all groups, with the greatest de-crease in the control group, followed by the anxiety group. It can be assumed that the healthy control group adapted better to the negative emotional images than the experimental groups. Conversely, this could mean that with increasing psy-chological impairment, the negative emotionality of the images is retained more strongly even after repeated viewing, which is directly proportional as a neurobi-ological correlate. This assumption is supported by both the questionnaire results and the further neurobiological direct comparisons of the groups at the second measurement point after the therapy. The dizziness group showed a higher BOLD activity in the fear network (amygdala, IFG) and the dizziness network (SMG, lobu-lus parietalis inferior, cerebellum, precuneus and cuneus) than the anxiety group. Thus, also on a neurobiological level, hypothesis 1, that psychotherapy has the same effect on both groups, must be rejected. It can be deduced from this that a greater neurophysiological effect could be achieved in the anxiety group than in the dizziness group through psychotherapy, as this difference had not yet existed so clearly between the experimental groups at the first measurement time point.
This result is further supported by the ROI analyses, because a significant de-crease in neuronal activity was only found in the anxiety group in structures of the anxiety network (hippocampus, thalamus, IFG and insula) from T1 to T2. Fur-thermore, it can be assumed that people with vertigo are less accessible to psy-chotherapy due to a strongly physiologically experienced component or a somati-cally shaped disease model. Neurobiological correlates that would suggest an effi-cacy of psychotherapy in individuals with somatoform vertigo are a decrease in neuronal activity in the cuneus, motor and somatosensory cortex (precentral gy-rus and postcentral gyrus) and visual areas. This finding could indicate a reduc-tion in postural control and visual compensation, as described by Best et al. (2015) and Limburg et al. (2021), among others, after psychotherapy. Further-more, a significant decrease in neuronal activity in the STG could be observed in the dizziness group, a structure that is associated with anxiety, but also dizziness symptoms, so that a therapeutic effect can be assumed here
Identifizierung und Validierung von Referenzgenen zur relativen Quantifizierung der mRNA-Expression in neonatalem murinem Lungengewebe mittels RT-qPCR
Get PDFDie quantitative Echtzeit-PCR (real time quantitative polymerase chain reaction, abgekürzt qPCR) ist eine moderne Technik für die Genexpressionsanalyse und ist in diversen Forschungsbereichen etabliert. Sie weist zahlreiche markante Vorteile auf, wie hohe Sensitivität und Spezifität, zuverlässige Reproduzierbarkeit sowie großer dynamischer Bereich mit der Fähigkeit, auch geringste Mengen an Genaktivität in Form von mRNA-Expression zuverlässig nachzuweisen.
Für die Interpretation der gewonnenen Rohdaten wird die sog. relative Quantifizierung bevorzugt eingesetzt, weil mit dieser leicht durchführbaren Methode die experimentell bedingten, unspezifischen Variationen in der Genexpression effektiv behoben werden können und dadurch nur echte Variationen der Genexpression, die das zu untersuchende, biologische Phänomen erklärt, detektiert werden können. Bei der relativen Quantifizierung wird die Expression der Zielgene zu der der Referenzgene "relativ" quantifiziert. Um zuverlässig als Referenzgene zu dienen, muss eine vernachlässigbar niedrige Expressionsvariabilität der Referenzgene vorausgesetzt werden, und zwar idealerweise unabhängig von biologischen, technischen und experimentellen Bedingungen.
Bei humanen Lungenerkrankungen werden oft Signalwege der Embryonalentwicklung reaktiviert. Daher bietet sich ein neonatales Mausmodell zur Untersuchung dieser Signalwege in murinem Lungengewebe an. Dabei ist die Auswahl geeigneter Referenzgene besonders herausfordernd, weil während des Reifungsprozesses der Lunge komplexe transkriptionelle und epigenetische Regulation diverser Gene stattfindet. Trotzdem liegen bisher nur begrenzt Daten über zuverlässige Referenzgene für Mauslungen während der neonatalen Entwicklungsphase und bei experimentell induzierter Lungenschädigung (z.B. durch Hyperoxie-Exposition) vor.
Im vorliegenden Projekt haben wir konventionell verwendete Referenzgene sowie neue Referenzgenkandidaten hinsichtlich ihrer Expressionsvariabilität in neonatalen Lungen von C57BL/6-Mäuse evaluiert, wobei biologische, technische und experimentelle Effekte berücksichtigt wurden. Im ersten Schritt wurden dafür Referenzgenkandidaten aus Fachartikeln zu Mauslungenstudien bzw. zu Evaluierungsstudien, die die Zuverlässigkeit von Referenzgenen untersucht haben, zusammengetragen. Außerdem wurden mittels der Analysesoftware Genevestigator bereits publizierte Microarray-Daten auf mögliche Referenzgenkandidaten hin analysiert. Daraus ergaben sich insgesamt 122 Referenzgenkandidaten. Davon wurde anschließend eine Reihe von Genen ausgeschlossen, die einerseits unsere vordefinierten Kriterien nicht erfüllten oder andererseits eine hohe Expressionsvariabilität in unseren eigenen Microarray-Daten bzw. in Genevestigator aufwiesen. Aus dieser Vorauswahl ergaben sich 24 Referenzgenkandidaten, die in RT-qPCR-Experimenten in Lungenproben von C57BL/6-Mäusen validiert wurden. Dabei wurden biologische (Entwicklungsstadium, Geschlecht), technische
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(RNA-Qualität) sowie experimentelle (Hyperoxie-Exposition) Variablen berücksichtigt. Die gewonnenen Expressionsdaten, repräsentiert als unbearbeitete Cq-Werte, wurden mit Hilfe von zwei gängigen Analysealgorithmen (GeNorm und Normfinder) zur Identifizierung zuverlässiger Referenzgene analysiert. Die Expression der Referenzgenkandidaten in diversen pulmonalen Zelltypen wurde in Zusammenarbeit mit unserem Projektpartner Prof. Sucre (Vanderbilt University Medical Center, Nashville, USA) mittels Einzelzell-RNA-Sequenzierung bestimmt.
Kein einziger Referenzgenkandidat zeigte stabile Expression bei allen untersuchten Exprimentalbedingungen, so dass kein einzelnes Gen als ubiquitär verwendbares und damit ideales Referenzgen eingesetzt werden könnte. Vielmehr erwiesen sich unterschiedliche Referenzgenkandidaten abhängig von den untersuchten biologischen, technischen und experimentellen Bedingungen und vom jeweiligen Algorithmus als am stabilsten exprimiert (siehe Abb. 5-1 Zusammenfassung der zuverlässigen Referenzgene in der Diskussion).
Die im Rahmen des vorliegenden Projektes identifizierten, stabil exprimierten Referenzgene werden zur akkuraten Interpretation zukünftiger RT-qPCR-Experimente in neonatalen Mäusen beitragen.RT-qPCR is the established, state-of-the-art method for gene expression analysis in a variety of research areas. The technology has distinct advantages such as high sensitivity and specificity, reliable reproducibility and high dynamic range so as to detect transcripts at low copy numbers.
A so-called relative quantification is preferably applied for the interpretation of raw RT-qPCR data because the experiment-derived, unspecific variations of gene expression can be effectively removed through this easily applicable analysis method and the true variations of gene expression underlying the biologic phenomenon under investigation can be fully revealed. In the relative quantification, the expression of the gene of interest is "relatively" quantified to that of so-called reference genes. For a reliable performance, the reference genes need to possess negligible expression variability which should not be influenced by biological, technical and experimental conditions.
In human pulmonary diseases, the signal pathways of embryonic development are often activated and thus, the neonatal murine model provides various possibilities for investigating these signal pathways underlying human diseases. In the developing lungs of mice, the selection of appropriate reference genes is particularly challenging since complex transcriptional and epigenetic regulations of diverse genes occur. Despite the plethora of studies with neonatal lungs, there is only limited data available addressing reference gene expression for the developing lungs with experimentally induced lung injury, e.g., by hyperoxia exposure.
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In the present study, commonly used and novel software-predicted reference gene candidates were evaluated for their expression variability in the lung of neonatal C57BL/6 mice while considering the effect of biologic, technical and experimental variables. In a first step, published studies for commonly used reference genes or evaluation studies for reliable reference genes were reviewd. In addition, publicly available microarray datasets were screened using the Genevestigator software, resulting in an initial selection of 122 candidates. A series of candidate genes was then excluded from further processing, if they were not matching pre-defined criteria or showed high expression variability in own microarray data derived from neonatal lung and data from Genevestigator. The 24 final reference gene candidates from this pre-selection step were evaluated by RT-qPCR in lung tissue samples of C57BL/6 mice under consideration of critical biological variables (developmental stage, sex) and technical conditions (RNA quality) as well as an experimental challenge (hyperoxia exposure). The obtained expression data were analyzed using GeNorm and Normfinder algorithms to identify reliable reference genes from the candidate gene set. In cooperation with Dr. Sucre (Vanderbilt University Medical Center, Nashville, USA), the cell-specific expression of the final reference gene candidates was analyzed using single- cell RNA-sequencing in the developing mouse lung.
None of the reference gene candidates showed stable gene expression throughout all investigated experimental conditions so that there was no ubiquitous ideal reference gene from our candidate genes, but rather, several different reference gene candidates were shown to be reliable reference genes depending on the investigated, biological, technical and exprimental conditions and each analysis algorithm (see Abb. 5-1 summarized reliable reference genes in the discussion section).
The identified reliable reference genes will provide valuable resource for accurate interpretation of future RT-qPCR experiments investigating neonatal mouse lung tissue
