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Elektronenreiches, siliziumhaltiges Phosphinan für schnelle Pd-katalysierte C-X-Kupplungsreaktionen und Katalytische und mechanistische Untersuchungen zur Umsetzung von Isocyanat
Get PDFDie Optimierung zu kostengünstigen und umweltschonenden, industriellen Prozessen ist heutzutage wichtiger denn je. Die Unterstützung durch die Wissenschaft kann dazu einen wichtigen Beitrag leisten. Dies kann einerseits durch die Entwicklung neuer Katalysatorsysteme erreicht werden, andererseits auch durch die mechanistische Untersuchung bestehender Verfahren und Katalysen. Das Ziel der beiden Projekte dieser Dissertation ist die Verbesserung industriell relevanter Prozesse.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein alternativer Phos-Ligand für Pd-katalysierte C-X-Kupplungsreaktionen entwickelt. Das Design des Liganden wurde an die modernen Anforderungen für Kupplungsreaktionen angepasst. Durch neue elektronische und sterische Eigenschaften wurde ein effizienter Ligand für den Einsatz in Buchwald-Hartwig- und Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplungsreaktionen von heteroatomhaltigen Substraten geschaffen. Der Ligand wurde zunächst durch eine fünfstufige Synthese hergestellt. Der letzte Synthese-Schritt wurde optimiert, um eine Ausbeute des Liganden von herausragenden 95 % zu erreichen. Im nächsten Schritt wurden die Reaktionsbedingungen beider Kreuzkupplungsreaktionen optimiert. Für die C-C- und C-N-Kupplungsreaktionen wurden jeweils sechs verschiedene Parameter variiert, um ideale Rahmenbedingungen zu schaffen. Dies führte zu einer mehr als 18-fachen Aktivitätssteigerung im Vergleich zu dem literaturbekannten XPhos-Liganden. Mit den optimierten Reaktionsbedingungen wurde eine Palette von insgesamt 21 pharmazeutisch relevanten Kupplungsprodukten in Pd-katalysierten C-C- und C-N-Kupplungsreaktionen mit dem synthetisierten Liganden in sehr guten Ausbeuten unter milden Reaktionsbedingungen hergestellt.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein Katalysatorscreening für die Herstellung von Iminooxadiazindion durchgeführt. Insgesamt 14 verschiedene Katalysatoren wurden getestet, darunter konnten neun Iminooxadiazindion bilden. Zusätzlich wurde das Additiv HFIP verwendet, was im Gegensatz zu den bekannten Katalysatoren eine Aktivitätssteigerung um das 1.5-fache erzielte. Um ein mechanistisches Verständnis für die Bildung von Iminooxadiazindion zu erhalten, wurden Orbitrap-MS-Messungen der Katalyselösungen mit insgesamt sieben verschiedenen Katalysatoren durchgeführt. Intermediate konnten dabei detektiert werden, die erste Hinweise auf den Reaktionsweg von Iminooxadiazindion liefern. Damit ist ein Grundstein für weitere Untersuchungen des Mechanismus gelegt, der bisher völlig ungeklärt war und für die Industrie ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung alternativer und effektiver Katalysatoren darstellt. Des Weiteren wurde der Acetat-initiierte Mechanismus der Bildung von Carbodiimid aus tertiären Isocyanaten analytisch untersucht. Für den neuen Katalysator wurde ein Mechanismus bestehend aus der Aktivierung des Präkatalysators und einem katalytischen Zyklus mittels Orbitrap-MS postuliert, der die Unterschiede zur Acetat-initiierten Katalyse von primären Isocyanat zu Isocyanurat aufzeigt. Dieses Projekt zeigt die Relevanz der mechanistischen Untersuchung für die Verbesserung von industriellen Prozessen und deren Katalysatoren.Optimization to cost-effective and environmentally friendly, industrial processes is more important today than ever before. The support of science can make a major contribution to this. It can be achieved by the development of new catalyst systems on the one hand, but also by the mechanistic investigation of existing procedures and catalysts on the other hand. The aim of the two projects of this dissertation is the improvement of industrially relevant processes.
In the first part of this thesis, an alternative Phos ligand for Pd-catalyzed C-X coupling reactions was developed. The design of the ligand was adapted to the modern requirements of coupling reactions. New electronic and steric properties were used to create an efficient ligand for the use in Buchwald-Hartwig and Suzuki-Miyaura cross-coupling reactions of heteroatom-containing substrates. The ligand was first prepared by a five-step synthesis. The last synthesis step was optimized to achieve an outstanding 95% yield. In the next step, the reaction conditions of both cross-coupling reactions were optimized. Six different parameters were varied for each of the C-C and C-N coupling reactions to achieve ideal conditions. This resulted in a more than 18-fold increase in activity compared to the literature known XPhos ligand. With the optimized reaction conditions, a range of a total of 21 pharmaceutically relevant coupling products were prepared in Pd-catalyzed C-C and C-N coupling reactions with the synthesized ligand in very good yields under mild reaction conditions.
In the second part of this thesis, a catalyst screening for the preparation of iminooxadiazinedione was performed. A total of 14 different catalysts were tested, among which nine were able to form iminooxadiazinedione. In addition, the additive HFIP was used, which, in contrast to the known catalysts, achieved a 1.5-fold increase in activity. To obtain a mechanistic understanding of the formation of the asymmetric trimer, Orbitrap-MS measurements of the catalytic solutions were performed with a total of seven different catalysts. Intermediates were detected, providing initial evidence for the reaction pathway of iminooxadiazinedione. This lays a foundation for further investigation of the mechanism, which was previously completely unclear and provides an important tool for the industry to develop alternative and effective catalysts. Furthermore, the acetate-initiated mechanism of carbodiimide formation from tertiary isocyanates was investigated. A mechanism consisting of activation of the precatalyst and a catalytic cycle using Orbitrap-MS was postulated for the applied catalyst, revealing differences from acetate-initiated catalysis of primary isocyanate to isocyanurate. This project demonstrates the relevance of mechanistic investigation for the improvement of industrial processes and their catalysts
Assessing cognitive achievement and affective outcomes on chemistry-related activities in a bilingual science lab for school students
Get PDFUmfassende Veränderungsprozesse zu neuen Technologien, die dem globalen Wandel unterliegen, rufen in westlichen Nationen eine zunehmende Nachfrage an naturwissenschaftlich-technisch vorgebildetem Personal hervor. So scheint es wenig überraschend, dass sich die Berichte über den Nachwuchskräftemangel im MINT-Bereich in Ländern wie Deutschland, Israel oder den USA in den letzten Jahrzehnten zusehends häuften. Eine vielfach erwähnte Ursachenzuschreibung findet sich in der - aus Sicht junger Menschen - mangelnden Relevanz naturwissenschaftlicher Schulfächer für das eigene Leben wieder. Zu selten werden im Unterricht aktuelle und noch weniger praxisbezogene Aspekte mit Realbezug in den naturwissenschaftlichen Unterricht integriert, die der Schülerschaft deren alltägliche Bedeutung nahebringen.
Um diese Fächer attraktiver zu gestalten, haben sich in Deutschland und weiteren europäischen Ländern mit dem außerschulischen Lernort Schülerlabor den Schulunterricht ergänzende, erfolgreiche Lernumgebungen etabliert. Diese gewähren den Lernenden durch authentische Vermittlung aktueller und anwendungsbezogener Forschungsarbeiten Einblicke in die Wissenschaft. Auch wenn sich in der Vergangenheit bei der Untersuchung derartiger Initiativen häufig nur kurzfristig positive Effekte abbilden ließen, erweiterte sich dennoch das Angebot an Schülerlabor hinsichtlich ihrer Rahmenbedingungen. So beschäftigten sich jüngste Arbeiten auch mit der Konzeption bilingualer Lernarrangements. Diese bergen enormes Potential interdisziplinäre Kompetenzen von Lernenden zu fördern, die in der naturwissenschaftlichen Grundbildung neben fachlichen und fachpraktischen Fähigkeiten aufgrund der globalen Vernetzung immer bedeutsamer werden. Der Einsatz der heute dominanten Wissenschaftssprache Englisch stellt dabei ein wichtiges Werkzeug für den Diskurs gesellschafts-relevanter Themen in den Naturwissenschaften und neuen Technologien dar. Die raren Studien aus dem Fachbereich der Biologie bestätigen den Erfolg, der sich durch den im
Lernort integrierten interdisziplinären Lehransatz Content and Language Integrated Learning auf in der Schülerlaborbegleitforschung untersuchte Zielvariablen widerspiegelt. Bisher ist jedoch weder bekannt, welche Auswirkungen die Umsetzung eines derartigen Lernsettings auf
den Fachbereich Chemie hat, noch ob diese nachhaltig reproduzierbar sind. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit dieser Forschungslücke nachgegangen und untersucht, welche kognitiven wie affektiven Effekte das bilinguale Modul zum Forschungsgebiet der Nanotechnologie hervorbringt. Darüber hinaus wurde der Einfluss einer schulischen Einbindung des Lernorts durch eine Vor- und Nachbereitung der im Schülerlabor behandelten Inhalte hinsichtlich der Langzeiteffekte benannter Konstrukte betrachtet.
Im Schülerlabor LMUchemlab standen somit für das bilinguale Modul Modern Materials drei Forschungsschwerpunkte im Fokus: Das Fachwissen (1), die tätigkeitsbezogene intrinsische Motivation (2) und das Fähigkeitsselbstkonzept im Fach Chemie (3). Neben eigens konzipierten wurden auch bereits erprobte Versuche aus dem Schülerlaborprogramm klick! der Kieler Forschungswerkstatt aus der Christian-Albrechts Universität zu Kiel angeboten. Überdies wurde in einer Nebenstudie am ¨ Weizmann Institute of Science ein ähnliches Setting
geschaffen, um arabisch- und jüdisch-israelische Schüler*innen zu zwei (1,2) der drei genannten Ziele zu beforschen.
In einem quasi-experimentellen Design mit quantitativem Ansatz wurden die gesetzten Ziele evaluiert. Hierzu wurden 393 Schüler*innen der Sekundarstufe II in der Hauptstudie im Rahmen der Intervention untersucht. Das Modul wurde sowohl bilingual-Englisch als auch monolingual-Deutsch angeboten. Die Fragebogenerhebung erfolgte als Papier-und-Bleistifttest, der jeweils vor (Prä-prä, Prä-test) und nach der Intervention (Post-test, Follow-Up) eingesetzt wurde.
In der am Weizmann Institute of Science durchgeführten Nebenstudie wurden in einer verkürzten Version des Settings 199 Teilnehmende in einem Prä-Post Studiendesign untersucht. Dabei fand die Intervention sowohl monolingual-Arabisch, monolingual-Hebräisch als auch bilingual-Englisch (Arabisch oder Hebräisch) statt.
Die Ergebnisse der Hauptstudie zum Forschungsschwerpunkt Fachwissen (1) lassen auf vergleichbare kognitive Zuwächse schließen. Demnach hatte der Einsatz der Fremdsprache Englisch keinen negativen Einfluss auf den fachwissenschaftlichen Wissenserwerb. Die hierzu angebotene Vor- und Nachbereitung führte jedoch zu vernachlässigbaren Effekten auf die Behaltensleistung teilnehmender Schülerinnen und Schüler. Weiterhin konnten durch eine hierarchische Clusteranalyse drei Lernertypen (sprachlich begabt (1), sprachlich und naturwissenschaftlich begabt (2), naturwissenschaftlich begabt (3)) ermittelt werden. Dabei erwies sich die bilinguale Intervention für Lernende mit sowohl sprachlichen als auch naturwissenschaftlichen Dispositionen als vorteilhaft. Deutliche Unterschiede brachte hingegen die Messung affektiver Konstrukte zwischen den monolingual und bilingual instruierten Schülerinnen und Schülern hervor. Demnach ergaben sich für den Forschungsschwerpunkt Motivation (2) messbare Differenzen in der intrinsischen Motivation, die durch den Einsatz der Fremdsprache bewirkt wurden. Das bilinguale Setting stellte sich somit als weniger intrinsisch motivierend heraus und schien bis auf die Sub-Skala
zur wahrgenommenen Kompetenz keine Langzeiteffekte hervorzurufen. Hier konnten zudem die Vornoten im Fach Chemie, sowie die Sub-Skalen Interesse/Freude, wahrgenommene Kompetenz und wahrgenommene Wahlfreiheit als Prädikatoren der tätigkeitsbezogenen intrinsische Motivation ausgemacht werden. Hinsichtlich des Forschungsschwerpunktes zum chemischen Fähigkeitsselbstkonzept (3) konnten in der bilingualen Intervention unabhängig vom Lernertyp keine signifikanten Unterschiede gemessen werden. Lediglich in der monolingualen Gruppe ergaben sich schwache positive Effekte auf naturwissenschaftlich interessierte
Schüler*innen. Hier konnte zumindest ein kurzfristiger Anstieg des chemischen Fähigkeitsselbstkonzeptes nachgewiesen werden. Weiterhin ließen sich in der bilingualen Intervention
für die Vor- und Nachbereitung keine Einflüsse auf das Fähigkeitsselbstkonzept der Lernenden nachweisen. Ähnlich wie für die Variable Motivation konnte ein Zusammenhang zwischen der Chemie Vornote und dem Geschlecht der Lernenden zum chemischen Fähigkeitsselbstkonzept ermittelt werden. Auch in der am Weizmann Insititute of Science durchgeführten Nebenstudie konnten, unabhängig von der Instruktionssprache, ähnliche Fachwissenszuwächse zwischen arabisch israelischen und jüdisch-israelischen Schüler*innen im bilingualen Modul nachgewiesen werden.
Die Untersuchung zeigte weiterhin, dass die arabisch-bilingual instruierten Schüler*innen ein signifikant höheres Druckempfinden nach der Intervention aufwiesen, wodurch die intrinsische Motivation der Lernenden negativ beeinflusst wurde. Angesichts der Ergebnisse dieser Studie, lässt sich einschränkend festhalten, dass eine Implementierung des integrativen Lehransatzes in einem naturwissenschaftlich geprägten Schülerlabor das Potential birgt, interdisziplinäre Kompetenzen im Fach Chemie zu fördern. Des weiteren zeigt sich für das schulische Lernen, dass ein stärkerer Realbezug durch den authentischen Einsatz der Sprache Englisch im Fach Chemie gefördert werden kann. Dabei wird sinnstiftendes Lernen zu global diskutierten Themen ermöglicht.Due to global developments created by wide-ranging transformation trends in new technologies, many Western nations are facing a growing demand for scientifically and technically trained employees. Consequently, reports of a shortage of young STEM professionals in countries such as Germany, Israel and the US may not come surprising but even accumulated over the past few decades. One of the identified reasons that lead to this development is that science education has been perceived as irrelevant in young adults' daily life. In most science lessons, latest research is still rarely included nor does it provide students with practical examples of real-world relevance that would help to understand the importance of the field.
In order to make these subjects more attractive, out-of-school learning environments were successfully entrenched in Germany and other European countries. These science labs for school students describe a distinct form of extracurricular settings that complement school science by providing learners with an authentic insight into current and applied research. Even though in the past, most studies in this field produced only temporary positive effects, the broad variety of science labs for school students has nevertheless expanded leading to new establishments differing in their conditions. Recent studies thereby addressed the conception of bilingual learning arrangements. These bear an enormous potential to promote learners' interdisciplinary competencies. Besides subject-specific and practical skills these competences have become even more important for scientific literacy. English as today's dominant language of science represents an important tool for the discourse of socially relevant topics in the natural sciences and new technologies. The rare studies from the field of biology confirmed the success reflected by the integration of the interdisciplinary teaching approach Content and Language Integrated Learning in the learning site on target variables researched in science labs for school students. To date, however, the effects of implementing this laboratory variable in chemistry are neither understood nor known to be reproducible in the long-term. Therefore, the present work addressed this research gap and investigated the impact on cognitive and affective constructs of a bilingual module on experiments with a nanotechnological background. In addition, the influence of a school-based preparation and follow-up of the contents dealt with in the science lab for school students was considered in order to examine possible long-term effects.
Against this background, the investigation of the science lab for school students LMUchemlab on the bilingual module Modern Materials focused on three main research areas: subject knowledge (1), activity-related intrinsic motivation (2) and the chemistry self-concept (3). Besides experiments that were designed specifically for this purpose, already tested experiments from the science labs for school students' program klick! of the Kieler Forschungswerkstatt provided by the Christian-Albrechts University, Kiel were also offered in the learning site.
Moreover, in a side study at the Weizmann Institute of Science, a similar setting was created to examine Arab- and Jewish-Israeli students on two (1,2) of the three aforementioned objectives.
The study followed a quasi-experimental design with a quantitative approach to evaluate the set objectives. 393 secondary level II students took part in the main study. The module was offered both bilingually-English as well as monolingually-German. The evaluation was conducted using a paper-and-pencil test, which was administered before (pre-pretest, pretest) and after the intervention (posttest, follow-up).
In the side study conducted at the Weizmann Institute of Science, an abbreviated version of the setting was applied to examine 199 participants in a pre-post study design. Here, the intervention took place in both monolingual-Arabic, monolingual-Hebrew, and bilingual-English (Arabic or Hebrew).
Results from the main study on the research focus subject knowledge (1) suggest comparable cognitive gains. According to these findings, the use of English as a foreign language had no negative influence on the acquisition of scientific knowledge. However, the preparation and follow-up offered for this purpose led to negligible retention effects.\\
In this regard, three learner types (language-oriented (1), all-rounder (2), science-oriented (3)) were identified through a hierarchical cluster analysis. The bilingual intervention proved to be particularly beneficial for learners with both linguistic and scientific dispositions (all-rounder students).
Contrary, the measurement of affective constructs revealed clear differences between the monolingually and bilingually instructed students. Measurable variances were found for the research focus on motivation (2) based on the foreign language use. As a result, the bilingual setting turned out to be less intrinsically motivating and did not seem to produce any long-term effects except for the sub-scale on \textit{perceived competence}. In addition, students' previous grades in chemistry, as well as the sub-scales interest/pleasure and perceived competence, were found to be predictors of students' activity-based intrinsic motivation. Regarding the research focus on learners' chemistry self-concept (3), no significant differences have been measured in the bilingual intervention regardless of the type of learner. Only in the monolingual group weak positive effects were found among science-oriented students. Here, at least a short-term increase in learners' chemistry self-concept could be demonstrated. Furthermore, the preparation and post-processing had no effects on students' chemistry self-concept in the bilingual intervention. Similar to the variable motivation, a relation was found between students' chemistry grade, gender and their chemistry self-concept.
Likewise, the side study conducted at the \textit{Weizmann Institute of Science} demonstrated similar increases in subject knowledge among Arab-Israeli and Jewish-Israeli students, regardless of the language of instruction. The study further showed that the Arabic-bilingual instructed students exhibited a significantly higher sense of pressure after the intervention, resulting in a negative impact on the learners' intrinsic motivation.
In the light of the results this study has brought about, it can be concluded that implementing CLIL in a bilingual science lab for school students has the potential to promote students' interdisciplinary competencies in chemistry. Moreover, it was demonstrated that the authentic use of English in such a setting fosters a stronger connection to real world problems. This facilitates meaningful learning of globally discussed topics
Klinische Ethikberatung in Psychiatrie und Psychotherapie
Get PDFIn der vorliegenden Dissertation wird die Klinische Ethikberatung in Psychiatrie und Psychotherapie sowohl aus einer mikro- als auch aus einer makroperspektivischen Perspektive betrachtet.
Zunächst wurde aus der bereits vorliegenden Forschungsliteratur die Notwendigkeit der Erhebung eines deutschlandweiten Status Quo abgeleitet. Zu diesem Zweck wird in der ersten, makroperspektivischen Veröffentlichung die Verbreitung und der Entwicklungsstand der Klinischen Ethikberatung in deutschen Kliniken für Psychiatrie und Psychotherapie empirisch erhoben und eingeordnet. Mithilfe einer quantitativen Querschnittsbefragung in psychiatrischen Kliniken werden Daten zum grundsätzlichen Bestehen ethischer Strukturen und ggfs. deren Charakteristika generiert. Nach sowohl deskriptiver als auch inferenzstatistischer Auswertung kann gezeigt werden, dass in mehr als der Hälfte der befragten Kliniken Klinische Ethikberatung angeboten wird. Bei einem Drittel ist das Themenfeld bisher noch nicht thematisiert worden, oder wird sogar grundsätzlich abgelehnt. Die übrigen Kliniken befinden sich noch in der Aufbauphase. Hinsichtlich der Methodik, Zusammensetzung des Teams, Häufigkeit und Wartezeit, dem konkreten klinikinternen Prozess von Anfrage bis Durchführung sowie dem Bestehen von verpflichtenden Konsilen können deutliche Unterschiede zwischen den Kliniken festgestellt werden. Daraus wird sowohl die Forderung nach einer grundsätzlichen quantitativen Zunahme als auch nach qualitativer Verbesserung abgeleitet.
Um den konkreten Ablauf der Implementierung ethischer Strukturen verstehen zu können, wird in der zweiten Publikation eine mikroperspektivische Perspektive eingenommen. Es wird die Einführung der Klinischen Ethikberatung an einer deutschen Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie wissenschaftlich begleitet. Den empirischen Ausgangspunkt bilden Mitarbeiterbefragungen, die zu zwei Zeitpunkten vor und nach der Einführung durchgeführt werden. Die statistische Auswertung zeigt, dass die eigene Teilnahme an einer Ethikberatung deren Bewertung signifikant positiv beeinflusst. Besonders bei Zwangsmaßnahmen kann eine deutliche Zunahme der Befürwortung der Fallbesprechung gefunden werden. Die Ergebnisse betonen die Relevanz der aktiven Integration und Partizipation der Mitarbeitenden in und an Ethikberatungen.In this dissertation, clinical ethics consultation in psychiatry and psychotherapy is examined from both, a macro- and a microperspective.
First, the need to survey a Germany-wide status quo was derived from the existing research literature. To this end, the first, macro-perspective publication empirically surveys and classifies the prevalence and developmental status of clinical ethics consultation in German hospitals for psychiatry and psychotherapy. With the help of a quantitative cross-sectional survey in psychiatric clinics, data on the prevalence of ethical structures and, if applicable, their characteristics were generated. After both descriptive and inferential statistical evaluation, it can be shown that clinical ethics consultation is offered in more than half of the hospitals surveyed. In one third of the clinics, the topic has not yet been addressed or is even rejected in principle. The remaining clinics are still in the development phase. With regard to the methodology, composition of the team, frequency and waiting time, the concrete internal hospital process from inquiry to implementation, as well as the existence of obligatory consults, clear differences between the hospitals can be determined. From this, the demand for a fundamental quantitative increase as well as for qualitative improvement is derived.
In order to be able to understand the concrete process of implementing ethical structures, a micro-perspective is adopted in the second publication. Starting clinical ethics consultation at a German hospital for psychiatry and psychotherapy is scientifically accompanied. The empirical starting point is formed by employee surveys conducted at two points in time before and after the introduction. The statistical evaluation shows that the own participation in an ethics consultation influences its evaluation significantly positively. Especially in the case of coercive measures, a significant increase in the endorsement of case consultation can be found. The results emphasize the relevance of the active integration and participation of employees in and at ethics consultations
Inzidenz und Risikofaktoren von Hirnblutungen bei Patienten mit kardiogenem Schock und Therapie mittels veno-arterieller extrakorporaler Membranoxygenierung
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Studies of propagating slow waves in the ion cyclotron range of frequencies
Get PDFHeating magnetically confined plasma with electromagnetic waves in the ion cyclotron range of frequencies is an established method in fusion research. However, it was observed that ICRF heating can induce sputtering at the plasma facing components. This contaminates the plasma which then leads to unwanted radiation losses. The extrapolated plasma parameters in the first generation of fusion reactors are such that this problem might even elevate. It was the goal of this PhD thesis to study if the ICRF slow wave, a key ingredient in the line of arguments, can propagate in the edge of a reactor relevant tokamak
Neural correlates of contrast normalization in the Drosophila visual system
Get PDFThe fruit fly Drosophila melanogaster has long become a paramount model organism for research in life sciences. As a result of the fly’s high temporal resolution and its reliable optomotor response - a reflex that helps it compensate for movements of the environment, - Drosophila lends itself exceptionally well to the study of vision and, in particular, the mechanism of motion detection.
In the wild, Drosophila is active throughout the day, with especially high levels of activity at dawn and dusk, the periods of time when the visuals of the environment are changing rapidly. The fruit flies can also be found in a variety of habitats, from the expanse of an open field to the inside of a cluttered kitchen. Altogether, Drosophila encounters a variety of visual statistics it must employ to robustly respond to the outside world and succeed in finding food, escaping predators, and carrying out courtship behavior.
In my thesis, I focused on the effects of visual contrast, i.e., differences in brightness in the environment, on the fly’s motion vision. I studied the impact of the surround contrast on the filtering properties of the visual interneurons within the motion detection circuit, including the first direction-selective T4 and T5 cells and their main inputs, and how the fly compensates for the changes in contrast to faithfully match the direction and speed of its movement to the external motion under various contrast conditions.
Firstly, in Manuscript 1, we established the existence of contrast normalization in the early visual system of Drosophila and demonstrated its suppressive effect on the response amplitude at higher contrasts. We determined where contrast normalization first arises in the optic lobe and identified the main inputs into the T4 and T5 cells that exhibit contrast normalizing properties. We comprehensively characterized the normalization process: namely, it is fast, not dependent on the direction of motion, its effect comes from outside the receptive field of a cell and increases in strength with the size of the visual surround. Additionally, we demonstrated that the normalization relies on neuronal feedback and showed that adding a contrast normalization stage to the existing models of motion detection improves their robustness, matching their performance to the results obtained in behavioral experiments.
In Manuscript 2, we further investigated the effects of contrast normalization on the main inputs to T4 and T5 cells, now focusing on its effect on the filtering properties of the cells. We demonstrated that spatially or temporally dynamic surrounds elicit contrast normalization, while static ones do not. We further showed that, in addition to the suppressive effect on the amplitude, contrast normalization speeds up the kinetics of the response and confirmed that this effect is not due to signal saturation and involves a change in the filtering properties of the cell.
In summary, we elucidated the role of contrast normalization in the motion detection circuit in the early visual system of Drosophila, comprehensively described the characteristics of the normalization process, and outlined its effects on the filtering properties of the cells. We also emphasized the potential role of shunting inhibition and narrowed down the search for the main candidates in the contrast normalization mechanism, paving the way for future studies to further delve into the contrast normalization circuit and implementation mechanism