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Biogeography of oribatid mites (Acari)
No full textBoden ist eine komplexe Mikrolandschaft, die eine Vielzahl einzigartiger Lebensformen im Boden beherbergt. Obwohl in den letzten Jahrzehnten das Bewusstsein für die Bedeutung der Bodenbiodiversität und der damit verbundenen Ökosystemfunktionen zugenommen hat, ist die Bodenbiodiversität immer noch eine „mysteriöse Blackbox“, die darauf wartet, dass Ökologen den Schlüssel finden, um sie zu öffnen. Infolgedessen hinken Informationen und Verständnis über die Bodenbiodiversität und der Biogeographie der Bodentiere im Vergleich zu anderen Organismengruppen immer noch hinterher. Die moderne Biogeographie verbindet Bereiche wie Systematik, Ökologie, Evolution, Geologie, Paläontologie und Klimatologie. Sie ist grundlegend für die Erforschung der Biodiversität und ihrer Verbreitung und daher der wahrscheinlichste Schlüssel zum Verständnis der Bodenbiodiversität. Daher habe ich in dieser Dissertation die integrierte biogeographische Methode mit Hornmilben als repräsentativen Bodenorganismen verwendet, um diese Box zu öffnen und zu enthüllen, wie die winzigen Bewohner koexistieren.
Die indo-australische Archipelregion ist Alfred Russel Wallaces Muse und gilt als Geburtsort der modernen Biogeographie. In Kapitel 2 untersuchten wir zunächst die Diversität und das Unähnlichkeitsmuster der Hornmilbenpopulationen in dieser Biodiversitäts-Hotspot-Region und fanden heraus, dass die Artenvielfalt und der Endemismus der Hornmilben in den elf Regionen (Australien, Bali, Borneo, Indochinesische Halbinsel, Java, Kleine Sundainseln, Neuguinea, Neuseeland, Philippinen, Sulawesi und Sumatra) hoch waren. Das Unähnlichkeitsmuster deutete auf eine biogeographische Regionalisierung hin, wonach die elf Regionen drei Hauptgruppen bildeten, wobei Neuguinea eine Übergangszone zwischen Ost-Südostasien und Australien und den westlichen acht Regionen darstellt. Wir fanden außerdem heraus, dass der Artenwechsel die Hauptkomponente des Unähnlichkeitsmusters darstellt und im Allgemeinen mit der geologischen Distanz korreliert, was die Schlüsselrolle der Vikarianz für die Evolution von Hornmilben hervorhebt.
In Kapitel 3 haben wir aus einer breiteren Perspektive das globale Muster und die potenziellen Mechanismen untersucht, die dem Endemismus und der Überlappung von Bodenhornmilben zugrunde liegen. Anhand einer globalen Bestandsaufnahme der Hornmilben haben wir festgestellt, dass die meisten „endemischen“ Arten und auch Gattungen in Eurasien vorkommen, was darauf hindeutet, dass diese Region das Zentrum der Radiation der Hornmilben war. Bemerkenswert ist auch, dass wir innerhalb Eurasiens eine unterschiedliche Artenzusammensetzung zwischen Europa und dem paläarktischen Asien festgestellt haben. Die Vielfalt der Hornmilben auf Familienebene unterschied sich jedoch zwischen den fünf biogeografischen Regionen nicht, was darauf hindeutet, dass Hornmilben viel älter sind als Pangaea, was die Ansicht ihres Ursprungs im frühen Paläozoikum stützt. Außerdem vermehrten sich fast 50 % der 55 kosmopolitischen Arten durch Thelytokie und besiedeten Ökosysteme in hohen Breiten, was darauf hindeutet, dass parthenogenetische Arten über einen universellen Genotyp verfügen und weltweit verbreitet sind.
Aufbauend auf dem übergreifenden Hintergrund und den Ergebnissen von oben haben wir eine Gebirgsuntersuchung in Eurasien – den Alpen in Europa und dem Changbai-Gebirge in der Paläarktis Asiens – konzipiert, um das Zusammenspiel von historischer geologischer Sedimentation, aktuellen Umweltfaktoren sowie den Artmerkmalen bei der Strukturierung von Ursprung, Ausbreitung, Anpassung und Verbreitung der Bodenhornmilben besser zu verstehen ( Kapitel 4, 5 und 6 ). Obwohl die Alpen und das Changbai-Gebirge auf ähnlichen Breitengraden liegen, haben wir in Kapitel 4 unterschiedliche Muster von Diversität, Gemeinschaftsstruktur und Fortpflanzungsart der Bodenhornmilben entlang eines Höhengradienten in zwei Gebirgszügen beobachtet. Vermutlich sind diese Unterschiede hauptsächlich auf die größeren Temperaturschwankungen und den strengeren Frost im Changbai-Gebirge im Vergleich zu den Alpen zurückzuführen. Darüber hinaus legt die Tatsache, dass die Parthenogenese bei Arten, die sich zwischen den beiden Gebirgen überschneiden, dominiert, nahe, dass parthenogenetische Taxa tendenziell größere Verbreitungsgebiete haben als sexuelle Taxa.
Anschließend verwendeten wir in Kapitel 5 das Konzept der trophischen Nische, um den Mechanismus der Artenvielfalt der Hornmilben und ihr Zusammenleben in verschiedenen Lebensräumen in Bergböden aufzudecken. Wir stellten ausgeprägte Unterschiede bei der Nutzung basaler Ressourcen und trophischer Positionen fest, die durch die 13 C- bzw. 15 N-Werte angezeigt wurden. Anschließend zeigte die Korrelation zwischen dem pH-Wert der Streu und dem C/N-Verhältnis mit Isotopenmetriken, dass die Differenzierung der trophischen Nische zwischen den beiden Bergen hauptsächlich auf das unterschiedliche Ausgangsgestein mit kalkhaltigen Böden in den Alpen und Basaltgrundgestein am Changbai-Gebirge zurückzuführen war, da das CaCO 3 in den Alpen eine große Anzahl von Arten mit sklerotisierter Kutikula begünstigt. Wir stellten außerdem fest, dass alle diese Variationen mit Unterschieden in funktionellen Merkmalen wie Körpermasse und Fortpflanzungsmodus zusammenhängen.
Schließlich haben wir in Kapitel 6 durch die Erstellung eines Chronogramms der Hornmilbenarten des eurasischen Kontinents die historische Entwicklung der untersuchten Hornmilben in den beiden Gebirgszügen rekonstruiert und die ökologischen und evolutionären Mechanismen anhand eines auf Merkmalen basierenden Konzepts aufgedeckt. Generell stellten wir fest, dass die Bodenhornmilben des Changbai-Gebirges phylogenetisch älter sind als die Arten in den Alpen. Insbesondere verfügen die meisten der im Changbai-Gebirge vorkommenden Arten über eine größere trophische Variation, ein größeres geographisches Verbreitungsgebiet und vermehren sich häufiger durch Parthenogenese als Arten aus den Alpen. Da sich alle Arten des Changbai-Gebirges lange vor dessen Hebung entwickelten, vermuten wir, dass phylogenetisch ältere Linien mit generalistsichen Eigenschaften ihr Überleben und ihre Evolution während der Gebirgshebung förderten oder das Berggebirge danach besiedelten.
Insgesamt bietet diese Dissertation ein ganzheitliches Verständnis der Biogeographie von Bodentieren , vom Individuum bis zur Gemeinschaft, von der äußeren Morphologie bis zur inneren Physiologie, von der klassischen Taxonomie bis zur modernen Phylogenie, von der geologischen Geschichte bis zur heutigen Umwelt, vom Gebirge bis zur Insel und vom lokalen bis zum globalen Maßstab. Bemerkenswerterweise sind all diese Aspekte nicht unabhängig voneinander, und jede Studie dieser Dissertation hebt das synthetisierte Konzept und die integrierten Methoden bei der Beantwortung von Fragen im Zusammenhang mit der Bodenbiodiversität hervor.Soil is a complex micro-landscape that provides a multitude of unique habitats supporting soil-dwelling life-forms. Though, over the past decades, there has been an increasing awareness of the importance of soil biodiversity and associated ecosystem functions, however, soil biodiversity is still a “mysterious black box” waitting for ecologist to find the key to open it. As a consequence, information on and understanding of soil biodiversity and also soil animal biogeography is still lagging behind compared to that of other groups of organisms. Modern biogeography links and integrates fields such as systematics, ecology, evolution, geology, paleontology and climatology, being fundamental to the studies of biodiversity and distribution, and therefore being key to understanding soil biodiversity. Therefore, in this dissertation, I used the integrated biogeographical method using soil-living oribatid mites as representive soil organisms to open this box and unveil how those tiny inhabitants live and co-occur in the soil system.
The Indo-Australian (=Malayan) Archipelago region is Alfred Russel Wallace’s Muse, and it has been regarded as the birthplace of modern biogeography. In Chapter 2, we investigated the diversity and dissimility pattern of oribatid mite assemblages in this biodiversity hotspot region, and found that oribatid mite species diversity and endemism is high in the eleven regions, i.e., Australia, Bali, Borneo, Indo-China Peninsula, Java, Lesser Sunda Islands, New Guinea, New Zealand, Philippines, Sulawesi and Sumatra. Dissimility patterns suggest biogeographical regionalization with the eleven regions arranged into three main groups with New Guinea being a transition zone between east Southeast Asia and Australia and the eight western regions. This separation is similar to the well-known Wallace’s line and it separates oribatid mites from the Sunda shield and the Sahul shield. We further found that species turnover comprised the main component of the dissimility pattern and was generally correlated with geological distance highlighting the key role of vicariance for oribatid mite occurrence patterns.
In Chapters 3, we examined the global pattern and potential mechanisms driving the endemism and overlap of soil oribatid mites. Using a global oribatid mite inventory we found that most “endemic” species and also genera occur in Eurasia indicating that this region was the centre of radiation of oribatid mites. Notably, we further found a different species composition between Europe and Palearctic Asia within Eurasia. However, oribatid mite diversity at family level did not differ among the five biogeographic regions indicating that oribatid mites are much older than the existence of Pangaea supporting the view of their origin in the early Palaeozoic. Moreover, nearly 50 % of the 55 cosmopolitan species reproduce by thelytoky and colonize high latitude ecosystems, which points to parthenogenetic species possessing a cosmopolitain general-purpose genotype.
Building on the overaching background and results from above, we specifically designed a mountain study within Eurasia—the Alps in Europe and Changbai Mountain in Palearctic Asia—to further understand the interplay of historical geological settings, current environmental factors as well as species traits in structuring the distribution of soil oribatid mites (Chapters 4, 5 and 6). Despite the Alps and Changbai Mountain are at similar latitude, we observed different patterns of diversity, community structure and reproductive mode of soil oribatid mites along altitudinal gradients at those two mountain ranges (Chapter 4). The findings point to the predominant importance of the larger temperature fluctuations and more severe frost conditions on Changbai Mountain compared with the Alps. Additionally, parthenogenesis dominated in species overlapping between the two mountains suggesting that parthenogenetic taxa tend to have broader distribution ranges than sexual taxa.
In Chapter 5, we used the trophic niche concept to reveal the mechanism responsible for oribatid mite species diversity and their coexistence in different montane soil habitats. We found pronounced differences in the use of basal resources and trophic positions as indicated by 13C and 15N values, respectively. The correlation between litter pH and C/N ratio with isotopic metrics indicated that trophic niche differentiation between the two mountains was mainly due to different parent rock with calcareous soils in the Alps and basalt bedrock on Changbai Mountain, as the CaCO3 in the Alps favors a large number of species with mineralized cuticles. We further found that all these variations were related to differences in functional traits such as body mass and reproductive mode
Finally, in Chapter 6, by building a chronogram of oribatid mite species from the Eurasian continent, we reconstructed the historical development of the oribatida lineages at the two mountain ranges and uncovered the ecological and evolutionary mechanisms using a trait-based concept. In general, we found that soil oribatid mites on Changbai Mountain are phylogenetically older than species in the Alps. Notably, most of the species occurring on Changbai Mountain possess broader trophic variation, have larger geographical range sizes and more often reproduce via parthenogenesis compared to species from the Alps. As all species on Changbai Mountain evolved long before the uplift of the mountain range, we suggest that the more generalistic traits of phylogenetically older lineages promoted their survival and evolution during mountain uplift or the colonization of the mountain thereafter.
Overall, this dissertation provides a holistic understanding of soil animal biogeography, from individuals to community, from external morphology to internal physiology, from classicical taxonomy to modern phylogeny, from geological history to present environment, from mountains to islands, and from local to global scale. Remarkably, all these aspects are not independent, and each study from this dissertation collectively highlights the synthesized concept and integrates methods when answering soil biodiversity associated questions.2025-07-0
Klinische Validierung einer mobilen 4D-Kamera und Entwicklung einer Analysemethodik für mimische Bewegungen vor dem Hintergrund der kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgischen Therapie
No full textHintergrund:
Mimische Bewegungen sind ein zentrales Element sozialer Interaktion und des psychischen Wohlbefindens. Im Rahmen der kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgischen Therapie skelettaler Dysgnathien finden dynamische Aspekte bislang kaum Berücksichtigung. Moderne 4D-Bildgebung ermöglicht neue Einblicke, ist jedoch meist teuer und stationär. Diese Studie untersucht das Potenzial eines mobilen 4D-Systems für den klinischen Einsatz.
Ziele:
Die Genauigkeit der mobilen Intel RealSense D415-Kamera im Vergleich zum Goldstandard (Canfield Vectra H5) sollte überprüft und ein strukturierter Analyseprozess für mimische Bewegungsmuster entwickelt werden. Zudem wurden Bewegungsunterschiede zwischen Patient*innen mit skelettaler Klasse I, II und III untersucht.
Methoden:
Im Rahmen einer prospektiven Pilotstudie wurden 30 Proband*innen (je 10 pro Klasse) rekrutiert. Standardisierte mimische Bewegungen (Lächeln, Lippenspitzen, Wangenaufblasen) wurden mit beiden Kamerasystemen aufgezeichnet. Anschließend erfolgte die Entwicklung einer Auswertungsmethodik auf Basis von Landmark-Tracking und geometrischer Morphometrie.
Ergebnisse:
Hintergrund:
Mimische Bewegungen sind ein zentrales Element sozialer Interaktion und des psychischen Wohlbefindens. Im Rahmen der kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgischen Therapie skelettaler Dysgnathien finden dynamische Aspekte bislang kaum Berücksichtigung. Moderne 4D-Bildgebung ermöglicht neue Einblicke, ist jedoch meist teuer und stationär. Diese Studie untersucht das Potenzial eines mobilen 4D-Systems für den klinischen Einsatz.
Ziele:
Die Genauigkeit der mobilen Intel RealSense D415-Kamera im Vergleich zum Goldstandard (Canfield Vectra H5) sollte überprüft und ein strukturierter Analyseprozess für mimische Bewegungsmuster entwickelt werden. Zudem wurden Bewegungsunterschiede (Dauer, Ausmaß und Muster) zwischen Patient*innen mit skelettaler Klasse I, II und III untersucht.
Methoden:
Im Rahmen einer prospektiven Pilotstudie wurden 30 Proband*innen (je 10 pro Klasse) rekrutiert. Standardisierte mimische Bewegungen (Lächeln, Lippenspitzen, Wangenaufblasen) wurden mit beiden Kamerasystemen aufgezeichnet. Anschließend erfolgte die Entwicklung einer Auswertungsmethodik auf Basis von Landmark-Tracking und geometrischer Morphometrie.
Ergebnisse:
Die Intel D415 zeigte eine ausreichende Genauigkeit (mittlere RMS-Abweichung < 1,0 mm) und wurde für den klinischen Einsatz als geeignet eingestuft. Auf Grundlage der Daten konnten Durchschnittsprofile je skelettaler Klasse generiert werden. Es zeigten sich jedoch nur wenig signifikante Unterschiede in Dauer, Ausmaß und Bewegungsmuster zwischen den skelettalen Klassen. Einzig ein neuartiger Analyseansatz, der in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut entwickelt wurde, zeigte deutlich signifikante Unterschiede zwischen den untersuchten Dysgnathieformen.
Schlussfolgerung:
Mobile 4D-Kamerasysteme wie die Intel D415 eignen sich grundsätzlich für die Analyse mimischer Bewegungen und bieten Potenzial für Anwendung in der Therapieplanung, -bewertung und Telemedizin. Die entwickelte Methodik stellt einen innovativen Ansatz für weitere klinische und forschungsbezogene Anwendungen dar.
Schlussfolgerung:
Mobile 4D-Kamerasysteme wie die Intel D415 eignen sich grundsätzlich für die Analyse mimischer Bewegungen und bieten Potenzial für Anwendung in der Therapieplanung, -bewertung und Telemedizin. Die entwickelte Methodik stellt einen innovativen Ansatz für weitere klinische und forschungsbezogene Anwendungen dar.Background:
Facial expressions are a key component of social interaction and psychological well-being. In the context of combined orthodontic-orthognathic treatment for skeletal dysgnathia, dynamic aspects of facial motion have so far received limited consideration. Although modern 4D imaging technologies offer valuable insights, they are typically expensive and stationary. This study explores the potential of a mobile 4D imaging system for clinical use.
Objectives:
The study aimed to assess the accuracy of the mobile Intel RealSense D415 camera in comparison to a clinical gold standard (Canfield Vectra H5) and to develop a structured analytical workflow for evaluating facial motion patterns. Furthermore, differences in movement duration, amplitude, and trajectory among patients with skeletal Classes I, II, and III were investigated.
Methods:
A prospective pilot study was conducted involving 30 participants (10 per skeletal class). Standardized facial expressions (smiling, lip pursing, cheek puffing) were recorded using both imaging systems. A custom analysis method was then developed, based on landmark tracking and geometric morphometrics.
Results:
The Intel D415 camera demonstrated sufficient accuracy (mean RMS deviation < 1.0 mm) and was considered suitable for clinical applications. Based on the collected data, average motion profiles were generated for each skeletal class. However, only minimal statistically significant differences in motion duration, amplitude, and patterns were observed across the groups. A novel analysis approach developed in collaboration with the Max Planck Institute revealed clear and statistically significant differences between the dysgnathia types under investigation.
Conclusion:
Mobile 4D camera systems such as the Intel D415 are generally appropriate for the analysis of facial motion and offer promising potential for use in treatment planning, evaluation, and telemedicine. The proposed analytical method presents an innovative framework for future clinical and research applications.2025-08-0
Cerebral mapping of neuronal redox changes in a mouse model of Rett syndrome
No full textAs part of this study, changes in the neuronal redox balance in the brains of Rett mice are mapped and correlated with the progression of Rett syndrome. Fluorescence microscopy techniques (primarily ratiometric CCD camera imaging and two-photon microscopy) were used along with the optical redox indicator roGFP1. This redox indicator is already stably expressed in the Rett mice, allowing for optical analyses to be performend directly on acutely isolated brain tissue without the need for prior transfection or transduction. With this method it was possible to document the changes in the neuronal redox balance in different brain areas, in different ages and genotypes of mice.2025-08-0
Influence of electrode position in the subthalamic nucleus on the motoric stimulation effect one year after deep brain stimulation in parkinson's disease
No full textParkinson’s disease is one of the most common neurodegenerative disorders with a steadily increasing incidence. As the disease progresses, deep brain stimulation of the subthalamic nucleus becomes an established therapeutic option. Since the stimulation effect can only be reliably assessed one year after surgery, the identification of early, directly applicable predictors for motor outcome is of great clinical relevance. Advances in imaging technology have made it possible to precisely assess electrode positioning postoperatively. This study was aimed at examining a correlation between the accuracy of electrode positioning and the one-year motor outcome, including intraoperatively collected data, in PD patients who were treated with deep brain stimulation of the nucleus subthalamicus. The primary goal was to determine whether suboptimal electrode positioning leads to insufficient motor improvement, hence possibly indicating a required revision.
A retrospective analysis was conducted on a consecutive cohort of 151 patients who underwent awake deep brain stimulation surgery targeting the subthalamic nucleus between 2010 and 2017 at the University Medical Center Göttingen, Germany. The dataset included clinical records, cranial computed tomography, magnetic resonance imaging scans and intraoperative stimulation protocols. The nucleus subthalamicus was visualized by preoperative magnetic resonance imaging scans and the implanted electrodes were localized through postoperative computed tomography imaging. Image fusion was performed using stereotactic planning software to determine both the actual and an imaging morphology-based “optimal” electrode position, expressed in coordinates relative to the mid-commissural point. The Euclidean distance between the actual and optimal electrode positions was calculated. Patients were divided into six groups based on the anatomical location of the implanted electrodes in relation to the nucleus subthalamicus. Electrode localization was then analyzed based on motor outcome parameters and intraoperative parameters. Complete datasets were available for 87 patients comprising a total of 174 implanted electrodes and were utilized for correlation analyses and intergroup comparisons.
Deep brain stimulation was very effective (OP index 1.18 on average, postoperative LEDD reduction by 35,6%). Mean distance to the morphologically defined optimal electrode position was relatively small (right side: 2.85 mm; left side: 3,51 mm). Most electrodes were located in the dorsolateral nucleus subthalamicus (right side: 39/87; left side: 47/87). The correlation analyses and group comparisons revealed no statistically significant results.
The one-year motor outcome in Parkinson’s patients treated with deep brain stimulation of the nucleus subthalamicus is not significantly influenced by deviations from the presumed optimal electrode placement. Thus, a suboptimal lead placement does not necessarily result in an insufficient motor outcome at a one-year follow-up.2025-08-2
Pleiotrope Effekte Empagliflozins auf humanes und murines Myokard
No full textHeart failure with preserved ejection fraction (HFpEF) remains a clinical challenge with limited treatment options. Empagliflozin, a sodium-glucose co-transporter 2 (SGLT2) inhibitor, has been shown to reduce cardiovascular mortality and hospitalization in heart failure patients, yet the underlying cardiac mechanisms remain incompletely understood. This dissertation investigates the direct, diabetes-independent effects of empagliflozin on myocardial function using both human and murine myocardial tissue. Human failing hearts and murine myocardial strips were analyzed ex vivo to assess systolic and diastolic parameters under empagliflozin treatment. The results demonstrated that empagliflozin significantly reduced diastolic tension without affecting systolic force development or calcium handling indicators. Notably, no significant differences were observed in post-rest behavior or force-frequency relationships compared to controls. These findings suggest that the beneficial effects of empagliflozin on diastolic function may occur independently of systemic metabolic changes, highlighting a novel therapeutic mechanism in the treatment of HFpEF. This work adds mechanistic insight to the EMPA-REG OUTCOME study and offers a rationale for further translational studies.2025-08-1
Changes in the superficial retinal vascular plexus after surgical removal of the internal limiting membrane - evaluation using non-interventional OCT angiography
No full textDas Ziel der vorliegenden Arbeit war die Detektion möglicher Veränderungen der
Netzhautgefäßstruktur infolge der mechanischen Entfernung (Peeling) der Membrana
limitans interna (MLI). Hierzu diente das Krankheitsbild des Makulaforamens als Modell und
die bildgebende Diagnostik mittels optischer Kohärenztomographie (Optical coherence
tomography, OCT) und optischer Kohärenztomographie Angiographie (Optical coherence
tomography angiography, OCTA) als Untersuchungsmethode.
Im Rahmen einer prospektiven longitudinalen Studie wurden die Studien- und Partneraugen
von insgesamt 15 Patienten einen Tag vor als auch vier und zwölf Wochen nach der
Operation untersucht. Das wichtigste medizinische Einschlusskriterium war dabei das
Fehlen anderer Netzhauterkrankungen.
Die Netzhautdicke wurde automatisch vom Algorithmus des OCT-Geräts bestimmt. Die
Netzhautgefäße wurden mithilfe der OCTA dargestellt und in mehrere Schichten unterteilt.
Außerdem wurden der zu untersuchende para- und perifoveale Bereich in jeweils vier
Sektoren unterteilt. Im Fokus standen hier die perifovealen Veränderungen des
oberflächlichen und tiefen Gefäßplexus.
Als Ergebnis sahen wir mit Ausnahme des temporalen Sektors eine Zunahme der Netzhautdicke besonders im nasalen Bereich.
Bezüglich der Gefäßdichte des oberflächlichen Gefäßplexus sahen wir in den perifovealen
Sektoren eine vorübergehende Abnahme nach vier Wochen in zwei Sektoren.
Im tiefen Gefäßplexus beobachteten wir in drei Sektoren hingegen eine Zunahme der Gefäßdichte.
Zusammenfassend sahen wir im perifovealen Bereich eine Tendenz zur Zunahme der
Gefäßdichte im tiefen Gefäßplexus sowie der Netzhautdicke. Eine mögliche Ursache dieser
Veränderungen ist eine durch das Peeling ausgelöste Müllerzellgliose. Um diese Hypothese
in weiteren Studien zu bestätigen oder zu widerlegen, wäre zusätzlich eine postoperative
Messung der Dicke der einzelnen Netzhautschichten notwendig. Außerdem wäre neben
einer höheren Studienteilnehmerzahl ein längerer Beobachtungszeitraum wünschenswert,
um festzustellen, ob die in dieser Dissertation beschriebenen Veränderungen über einen
längeren Zeitraum zu beobachten sind.The aim of this study was to detect possible changes in the retinal vessel structure as a result of mechanical removal (peeling) of the internal limiting membrane (MLI). For this purpose, the clinical picture of the macular hole served as a model and imaging diagnostics using optical coherence tomography (OCT) and optical coherence tomography angiography (OCTA) as an examination method.
As part of a prospective longitudinal study, the study and partner eyes of a total of 15 patients were examined one day before as well as four and twelve weeks after the operation. The most important medical inclusion criterion was the absence of other retinal diseases. The retinal thickness was automatically determined by the algorithm of the OCT device. The retinal vessels were visualised using OCTA and divided into several layers. In addition, the para- and perifoveal areas to be examined were each divided into four sectors. The focus here was on the perifoveal changes in the superficial and deep vascular plexus. As a result, with the exception of the temporal sector, we saw an increase in retinal thickness, particularly in the nasal area.
With regard to the vascular density of the superficial vascular plexus, we saw a temporary decrease in the perifoveal sectors after four weeks in two sectors. In the deep vascular plexus, however, we observed an increase in vessel density in three sectors.
In summary, we saw a tendency towards an increase in vessel density in the deep vascular plexus and retinal thickness in the perifoveal area. A possible cause of these changes is Müller cell gliosis triggered by the peeling. In order to confirm or refute this hypothesis in further studies, a postoperative measurement of the thickness of the individual retinal layers would also be necessary. Furthermore, in addition to a higher number of study participants, a longer observation period would be desirable in order to determine whether the changes described in this dissertation can be observed over a longer period of time.2025-09-1
From Chaos to Equilibrium: Dynamics and Thermodynamics of Fermionic Quantum Matter
No full textThis dissertation presents a comprehensive investigation of fermionic quantum matter into the intricate relationship between quantum chaos, thermalization, and their connection to gravitational duals, with particular emphasis on the Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) model and its extensions. Through an integrated approach combining analytical solutions in the large-N limit with advanced numerical techniques, we explore fundamental questions in quantum many-body physics, including the interplay of chaos and ergodicity, universal transport in non-Fermi liquids, and the role of gravitational analogs in strongly correlated systems.
We first demonstrate that coupled SYK lattices evade instantaneous thermalization despite weak charge fluctuations, governed by a discrete wave equation dependent solely on hopping strength, independent of on-site interactions. Thermodynamically, coupled SYK models exhibit critical exponents universal to van der Waals fluids and AdS black holes, yet diverge from the Hawking-Page transition at ultralow temperatures, revealing a continuum of first-order phase transitions. They simultaneously retain the quantum chaotic properties of both a single-dot SYK model and black holes. In extended SYK chains, we identify a universal DC conductivity bound across interaction regimes, identifying crossovers between insulating, Fermi liquid, strange metal, and bad metal phases with signatures of holographic insulator behavior. Quench dynamics in mixed SYK systems reveal rapid thermalization without prethermal plateaus, enabling direct observation of thermalization in closed quantum systems in the thermodynamic limit. To diagnose ergodicity-breaking, we introduce the Krylov variance, a probe of operator localization in Krylov space, validated through mass-deformed SYK and quantum East models. Finally, we uncover Page curve entanglement dynamics and temporal quantum phase transitions in entanglement Hamiltonians of interacting fermionic chains, where symmetry-sector crossings highlight limitations of perturbative calculations performed around initial times, such as in Hawking’s analysis of black hole evaporation. We provide a condensed matter analog of the holographic “island formula” — a mechanism invoking quantum extremal surfaces to resolve the black hole information paradox.
Methodologically, this work integrates large-N-type expansions, Keldysh contour techniques, and numerical methods to bridge condensed matter physics, quantum information, and gravitational duality. The results establish SYK-type systems as a universal framework for studying non-Fermi liquids, quantum criticality, and black hole analogs, while paving the way for exploring bosonic extensions and generalizations to open quantum systems.2025-07-1
Feasibility and Clinical Value of Stress Real-Time Cardiac Magnetic Resonance Imaging Using Bicycle Ergometry for the Diagnosis of Heart Failure with Preserved Ejection Fraction
No full textDiagnosing heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF) remains challenging, as symptoms in early stages occur only under stress and the gold standard, exercise right heart catheterization, carries the risks of an invasive procedure.
The aim of this thesis was to evaluate the feasibility and diagnostic value of real-time cardiac magnetic resonance (RT-CMR) exercise imaging as a noninvasive alternative for the assessment of HFpEF.
Seventy-five patients presenting with exertional dyspnoea and signs of diastolic dysfunction (E/e′ > 8, left ventricular ejection fraction ≥ 50%) were prospectively recruited. All participants underwent RT-CMR, echocardiography, and right heart catheterization at rest and during exercise. Classification into HFpEF or non-cardiac dyspnoea (NCD) was based on pulmonary capillary wedge pressure (≥15 mmHg at rest or ≥25 mmHg during stress).
RT-CMR was feasible in all patients, even under exercise conditions. Left atrial long-axis strain (LA-LAS) during stress emerged as the strongest independent predictor of HFpEF, outperforming conventional volume-based metrics. LA-LAS was highly reproducible and detectable without specialized software. The high spatial and temporal resolution of RT-CMR allowed detailed functional assessment under physiologic stress, enabling early-stage detection of HFpEF. These findings support RT-CMR as a promising noninvasive alternative to invasive stress testing. Future multicenter studies are needed to confirm its diagnostic value and clinical applicability.2025-09-0
Vergleich Extrakorporaler high-flow und low-flow Lungenersatzverfahren im Großtier-ARDS-Modell
No full textAcute Respiratory Distress Syndrome (ARDS) is a complex critical care condition requiring lung-protective ventilation strategies to minimize ventilator-induced lung injury (VILI). Extracorporeal support systems such as ECMO and ECCO₂R are often used to facilitate ultra-protective ventilation. This study aimed to compare the effectiveness of high-flow ECMO and low-flow ECCO₂R regarding gas exchange in a large animal ARDS model.
Twenty-four animals were assigned to two different ARDS models (saline aspiration vs. oleic acid infusion) and treated with either ECMO or ECCO₂R. While both interventions achieved similar arterial oxygenation, ECMO resulted in better systemic oxygen delivery, improved hemodynamics, and reduced oxygen consumption and CO₂ production. In contrast, ECCO₂R was associated with impaired hemodynamics and increased respiratory workload.
The findings suggest that ECMO is the more effective strategy in severe ARDS, whereas ECCO₂R may be considered a less invasive alternative in moderate cases.2025-10-1
Smartphone experiments as recitation tasks: Development, implementation, and evaluation in the context of the physics study entry phase
No full textVor dem Hintergrund der Bestrebungen zur Gestaltung einer fundierten, lernwirksamen, aber auch studierendenfreundlichen Studiengangsphase Physik ist es u. a. von großem Interesse, (i) wie Studierende in ihrem Lernen insbesondere auch affektiv unterstützt werden können und (ii) wie sie das erste Studienjahr aus eigener Perspektive erleben. Im Zentrum dieser Arbeit steht daher die Frage, wie Smartphones in den Kontext der Studieneingangsphase Physik als Übungsaufgaben affektiv förderlich implementiert werden können. Ausgangspunkt hierfür ist zum Einen das in der Literatur diskutierte praktisch-technische Potenzial, mithilfe von Smartphones ein flexibles, selbstgesteuertes Experimentieren außerhalb von Laboren etwa im Selbststudium zu ermöglichen. Diesem wird mit Blick auf Theorien des situierten und kontextbasierten, mitunter auch projektorientierten Lernens ein gewisses affektives Potenzial zugeschrieben. Zum anderen zeigt sich in der Literatur eine Diskrepanz zwischen der Breite an Ideen zu Smartphone-Experimenten und der bisherigen Implementation sowie systematischen Evaluation in der Hochschullehre.
In drei Lehrprojekten auf lokaler, nationaler und internationaler Ebene wurden Smartphone-gestützte Experimentieraufgaben für die Studieneingangsphase Physik entwickelt, implementiert und evaluiert. Im Projekt DigiPhysLab entstanden gemeinsam mit den Universitäten in Jyväskylä und Zagreb 15 Aufgaben im Umfang von ein bis zwei Praktikumstagen, die für die Präsenz- und Distanzlehre z. B. in der COVID-19-Pandemie geeignet sind. Im Projekt Physik.SMART wurden an der RWTH Aachen University neun kürzere Experimentieraufgaben für den Einsatz als reguläre Übungsaufgaben in der Experimentalphysik I entwickelt. Im Projekt Innovation+ wurden sechs Aufgaben aus dem Projekt DigiPhysLab zu längeren Projektaufgaben ebenfalls begleitend zur Experimentalphysik I weiterentwickelt. Die Aufgaben aus DigiPhysLab und Innovation+ wurden als Open Educational Resources in Deutsch, Englisch sowie teils Finnisch und Kroatisch veröffentlicht, um Lehrenden deren Adaption und Nutzung zu ermöglichen.
Die Aufgaben aus Physik.SMART und Innovation+ wurden an der RWTH Aachen University bzw. Universität Göttingen implementiert und bezüglich der studentischen Wahrnehmung des Lernens mit den Aufgaben (z. B. Zielklarheit, Umsetzbarkeit der Aufgaben zuhause, Nützlichkeit der verwendeten Technologien) und der affektiven Wirkungen (z. B. Neugier, Interesse, Realitätsbezug, disziplinäre Authentizität und Autonomie) evaluiert. Die Erhebungsinstrumente basierten teils auf bestehenden Skalen, u. a. von Klein (2016), teils auf Eigenentwicklungen in DigiPhysLab. Eine Skalenanalyse in Physik.SMART ergab zufriedenstellende Skalen zur Evaluation Smartphone-gestützter Experimentieraufgaben im Physikstudium.
Die Datenerhebung erfolgte semesterbegleitend an beiden Standorten mit vergleichbaren Instrumenten. In Physik.SMART wurden alle neun Smartphone-gestützten Experimentieraufgaben und drei parallele Programmieraufgaben jeweils in kurzen Umfragen mit bis zu 188 Studierenden evaluiert. Zwei weitere Umfragen mit 108 bzw. 78 Studierenden verglichen die affektiven Wirkungen der Experimentieraufgaben mit den Programmier- und klassischen Rechenaufgaben. In Innovation+ erfolgten über die Projektlaufzeit fünf Umfragen mit wechselnden Skalen und bis zu 125 Studierenden. Die ähnlichen Evaluationsansätze erlauben einen vorsichtigen projektübergreifenden Vergleich beider Implementationsansätze. Die Evaluationsergebnisse zeigen insgesamt eine zufriedenstellende studentische Wahrnehmung des Lernens mit den Experimentieraufgaben in beiden Ansätze. Die Studierenden nennen sowohl Lob, etwa die einfache Durchführung von Physik-Experimenten mit dem Smartphone, als auch Kritik, etwa den Zeit- bzw. Gesamtaufwand bei den Projektaufgaben. Bezüglich der affektiven Wirkung ergab sich dagegen ein eher gemischtes Bild. So beurteilten die Studierenden in Aachen die klassischen Rechenaufgaben über die untersuchten Variablen hinweg gleich oder besser als die dortigen Smartphone-Experimente als wöchentliche Übungsaufgaben. Diese wurden hingegen gleich oder besser beurteilt als die Smartphone-Experimente als Projektaufgaben in Innovation+ in Göttingen. Die Programmieraufgaben in Aachen wurden von den untersuchten Aufgaben am niedrigsten beurteilt. Angesichts des erstmaligen Einsatzes der meisten Smartphone-gestützten Experimentieraufgaben in der Lehre sind die Ergebnisse vorsichtig optimistisch einzuschätzen, zeigen jedoch, dass ihr affektives Potenzial bislang nur teilweise ausgeschöpft worden sein dürfte. Mögliche Gründe reichen vom Evaluationsprozess (z. B. Zeitpunkte der Datenerhebung im Semester) über die Aufgabengestaltung (insbesondere bezüglich Offenheits- und Komplexitätsgrads), die konkrete Implementation und
Rahmenbedingungen der Lehrveranstaltung bis hin zu den Lernvoraussetzungen der Studierenden.
Die Entwicklung, Implementation und Evaluation der Smartphone-gestützten Experimentieraufgaben wurde in dieser Arbeit aus Lehrenden- und Studierendenperspektive gerahmt. Auf Lehrendenseite entstand in DigiPhysLab ein Rahmenmodell zu Designprinzipien digital-gestützter Experimentieraufgaben, das den Entwicklungsprozess von der Zielgruppencharakterisierung und Lernzielformulierung über die Aufgabenkonzeption und Materialentwicklung bis hin zur Implementation unter Berücksichtigung der Rahmenbedingungen aufzeigt. Zudem wurde in einer Studie mit 79 Praktikumslehrenden in Deutschland, Finnland und Kroatien die Verwendung digitaler Technologien in Experimentiersituationen sowie die damit verbundenen Erfahrungen, Einstellungen und Lernziele untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine breite Nutzung verschiedener digitaler Technologien in Physikpraktika, insbesondere von Smartphones und Tablets während der COVID-19-Pandemie, aber auch darüber hinaus. Im Gegensatz zu etablierten Lernzielen wie dem Erwerb experimenteller Fähigkeiten oder der Verknüpfung von Theorie und Praxis werden digitalisierungsbezogene Lernziele als weniger relevant eingeschätzt, wenngleich das Erlernen der Technologienutzung zur Messwerterfassung und -analyse als sehr wichtig beurteilt wird. Verschiedenen Technologien wird dabei ein spezifischer Nutzen zur Erreichung der Lernziele von Praktika zugesprochen, z. B. Smartphones und Tablets zur Förderung der Motivation und persönlichen Entwicklung oder Mikrocontrollern zum Erwerb experimenteller Fähigkeiten.
Auf Studierendenseite wurde im Projekt Belastungstrajektorie das studentische Belastungserleben als eine zentrale Kontextvariable der Studieneingangsphase mithilfe des Perceived Stress Questionnaire (Fliege et al., 2001) untersucht. Die Panelstudie über drei Semester und zwei Jahrgänge mit insgesamt 67 Messzeitpunkten und bis zu 128 Teilnehmenden zeigt einen charakteristischen Verlauf des Belastungserlebens im ersten Studienjahr. Von einem niedrigen Ausgangsniveau im Vorkurs bzw. der ersten Vorlesungswoche steigt das Belastungserleben binnen weniger Wochen auf ein erhöhtes Niveau an, das bis nach den Prüfungen weitgehend stabil bleibt, bevor es dann wieder auf ein Niveau teils unter dem Ausgangsniveau absinkt. Zentrale Belastungsquellen sind die wöchentlichen Übungsblätter, die Mathematik-Lehrveranstaltungen, die Prüfungen und die Prüfungsvorbereitung sowie die Praktikumsprotokolle. Das Belastungsmonitoring erfasst die affektive Wahrnehmung der Studieneingangsphase aus Studierendensicht und beschreibt somit auch den Kontext für die Rezeption der Smartphone-gestützten Experimentieraufgaben.
Insgesamt zeigt die Arbeit in einem proof of concept, dass Smartphone-Experimente als kürzere Übungsaufgaben und längere Projektaufgaben ins erste Semester des Physikstudiums implementiert werden können, sich intendierte affektive Wirkungen aber nicht automatisch einstellen und bei derartigen neuen Lehr-Lernangeboten der komplexe Kontext der Studieneingangsphase Physik mitberücksichtigt werden muss. Perspektivisch sollte die Weiterentwicklung der Aufgaben und die erneute Evaluation in kontrollierten Vergleichsstudien erfolgen, um die Wirkung von Smartphone-Experimenten noch genauer zu untersuchen. Zugleich ermuntern die Ergebnisse Lehrende und Forschende, den Einsatz von Smartphone-Experimenten in der Hochschullehre und die Berücksichtigung des studentischen Erlebens der Studieneingangsphase Physik weiter voranzutreiben, um langfristig zentralen Herausforderungen der qualitativ hochwertigen, adressatengerechten Lehre, der Sicherung des Studienerfolgs und der Reduktion von Studienabbruch zu begegnen.Against the background of efforts to design a solid, effective, yet student-friendly introductory phase of physics study programs, there is particular interest in (i) how students can be supported in their learning, especially concerning affective responses, and (ii) how they experience the first year of study from their own perspective. Therefore, this thesis centers on how smartphones can be implemented as learning tasks in the physics study entry phase in an affectively beneficial way. The starting point is, on the one hand, the practical and technical potential of smartphones discussed in the literature to enable flexible, self-directed experimentation outside of laboratories, e.g., during self-study. From the perspective of theories of situated, context-based, and partly also project-oriented learning, this potential is also considered to have affective value. On the other hand, the literature reveals a gap between the number of ideas for smartphone experiments and their actual implementation and systematic evaluation in higher education.
In three teaching projects at the local, national, and international levels, smartphone-based experimental tasks were developed, implemented, and evaluated for the physics study entry phase. In the project DigiPhysLab, 15 tasks were developed in collaboration with the Universities of Jyväskylä and Zagreb that are suitable for one to two lab days for both in-person and distance learning, such as during the COVID-19 pandemic. In the project Physik.SMART at RWTH Aachen University, nine shorter experimental tasks were developed for use as regular weekly recitation tasks in the Experimental Physics I course. In the project Innovation+, six tasks from DigiPhysLab were further developed into longer project tasks (undergraduate research projects), also to accompany Experimental Physics I. The tasks from DigiPhysLab and Innovation+ were published as Open Educational Resources in German, English, and partly also in Finnish and Croatian, to enable instructors to adapt and reuse them.
The tasks from Physik.SMART and Innovation+ were implemented at RWTH Aachen University and the University of Göttingen, respectively, and evaluated regarding students’ perceptions of learning with the tasks (e.g., goal clarity, feasibility at home, and use of technologies) as well as their affective responses (e.g., curiosity, interest, reference to reality, disciplinary authenticity, and autonomy). The survey instruments were partly based on existing scales, including those by Klein (2016), and partly on instruments developed within the DigiPhysLab project. A scale analysis conducted in Physik.SMART yielded satisfactory scales for evaluating smartphone-based experimental tasks in higher physics education.
Data collection was carried out over the course of the semester at both universities using comparable instruments. In Physik.SMART, all nine smartphone-based experimental tasks and three parallel programming tasks were evaluated through short surveys with up to 188 students. Two additional surveys with 108 and 78 students, respectively, compared the affective impacts of the experimental tasks with those of the programming tasks and standard recitation tasks. In Innovation+, five surveys were conducted over the course of the project, using varying scales and involving up to 125 students. The comparable evaluation approaches allow for a cautious cross-project comparison of the two implementation approaches. The evaluation results overall indicate a satisfactory students’ perception of learning with the experimental tasks in both approaches. Students mentioned both positive aspects, such as the ease of conducting physics experiments using a smartphone, and points of criticism, such as the workload and overall effort required by the project tasks. Regarding the affective impact, however, the results were more mixed. Students in Aachen rated the standard recitation tasks as equal to or better than the smartphone-based experimental tasks across the variables examined. These, in turn, were rated as equal to or better than the smartphone-based project tasks in Innovation+ in Göttingen. The programming tasks in Aachen received the lowest ratings among all task types examined. Given that most smartphone-based experimental tasks were used in teaching for the first time, the results can be considered cautiously optimistic, yet they also indicate that the affective potential of these tasks may have only been partially realized. Possible reasons range from the evaluation process (e.g., timing of data collection during the semester) to task design (particularly regarding openness and complexity), the specific implementation and circumstances of the course, and the students’ learning prerequisites.
The development, implementation, and evaluation of the smartphone-based experimental tasks in this study were framed from both the instructors’ and students’ perspectives. From the instructors’ perspective, a framework of design principles for digitally aided experimental tasks was developed within the DigiPhysLab project, outlining the development process from target group characterization and learning objective formulation to task design, material development, and implementation, all while accounting for contextual circumstances. In addition, a study with 79 physics lab instructors in Germany, Finland, and Croatia examined the use of digital technologies in physics labs, as well as associated experiences, attitudes, and learning objectives. The results reveal widespread use of various digital technologies in physics labs, particularly smartphones and tablets during the COVID-19 pandemic, but also beyond that. In contrast to well-established learning objectives, such as acquiring experimental skills or linking theory and practice, learning goals related to digitalization are rated as less relevant. However, learning how to use technology for data collection and analysis is considered very important. Different technologies are perceived to offer specific potential for achieving the learning objectives of lab courses; for instance, smartphones and tablets are associated with promoting motivation and personal development, while microcontrollers are linked to acquiring experimental skills.
From the students’ perspective, the project Belastungstrajektorie (trajectory of stress) investigated students’ stress perceptions as a central contextual variable of the physics study entry phase using the Perceived Stress Questionnaire (Fliege et al., 2001). The panel study, conducted over three semesters and two cohorts with a total of 67 measurement points and up to 128 participants, revealed a characteristic trajectory of stress during the first year of study. Starting from a low baseline level during the preparatory course and the first week of lectures, perceived stress increases within a few weeks to a higher level that remains relatively stable until after the exam period, before dropping back to a level partially below the initial baseline. Key sources of stress include weekly exercises, math courses, exams and exam preparation, as well as lab reports. This continuous monitoring of stress captures students’ affective perceptions of the study entry phase and thereby also describes the context of the reception of the smartphone-based experimental tasks.
Overall, this work presents a proof of concept showing that smartphone experiments can be implemented in the first semester of physics studies, both as shorter exercises and as longer project tasks (undergraduate research projects). However, the intended affective impacts do not automatically emerge, and the complex context of the physics study entry phase must be considered when designing such innovative teaching and learning formats. Looking ahead, further development of the tasks and renewed evaluation in controlled comparative studies are recommended to investigate the effects of smartphone experiments in greater depth. At the same time, the findings encourage instructors and researchers to continue advancing the integration of smartphone experiments in higher education and to give greater consideration to students’ experiences during the physics study entry phase, ultimately addressing key challenges of high-quality, learner-centered instruction, improving student success, and reducing dropout rates.2025-12-0