Cologne Excellence Cluster on Cellular Stress Responses in Aging Associated Diseases
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An Integrated Modelling and Simulation Framework for Alpine Skiing Dynamics: Combining Empirical Data and Cellular Automaton Approaches
Get PDFThis doctoral dissertation advances the understanding of alpine skiing dynamics by developing an integrated framework that combines conceptual modelling, empirical trajectory analysis, and advanced simulations to explore skier movement and efficiency under diverse environmental and physical conditions. Motivated by the increasing importance of safety and slope management in modern skiing, this research addresses a critical gap: the lack of comprehensive models that capture both the environmental forces acting on skiers and their behavioural responses on the slopes.
The research unfolds in four interrelated stages. First, it introduces a foundational modelling concept designed to simulate skier traffic on alpine slopes, using principles inspired by pedestrian and vehicular flow models but adapted to the unique dynamics of skiing. In the second phase, the focus shifts to the extraction and correction of real-world skier trajectory data. Leveraging video footage from various skiing environments, the study applies rigorous correction techniques to address distortions caused by camera angles, lens effects, and perspective errors. The third stage conducts a comprehensive statistical analysis of the corrected trajectory data. Here, the research identifies key behavioural markers such as turning points, defined by combinations of velocity shifts and curvature changes; minimum distances between skiers, which reveal patterns of interaction and implicit safety margins; and the fundamental diagram, illustrating the relationship between skier density, speed, and flow. Notably, the findings draw intriguing parallels between skier traffic and other self-driven systems, such as pedestriancrowds and ant trails, highlighting underlying universal principles.
Building upon this empirical foundation, the fourth phase develops a cellular automaton (CA)-based simulation model that integrates six crucial factors: slope angle, surface friction, boundary constraints, terrain curvature, aerodynamic drag, and directional inertia. Results demonstrate that slope angle serves as the primary driver of speed, while surface friction and aerodynamic drag increase resistive forces, thereby reducing overall efficiency. Boundary effects, although minimal on wide slopes, play a significant role in shaping lateral motion and path optimization. Terrain curvature affects turning dynamics, especially on irregular or challenging surfaces, while directional inertia enhances straight-line motion but limits a skier’s adaptability when responding
to slope variations.
In conclusion, the research offers valuable contributions to sports science, particularly in improving slope design, enhancing safety protocols, and informing athlete training strategies. Beyond practical applications, the findings also enrich our theoretical understanding of human-environment interactions in high-speed, outdoor sports settings
Auswirkungen einer Ernährungsintervention mit Docosahexaensäure, Cholin und/oder Lutein im frühen Leben auf die zelluläre Zusammensetzung des Hippocampus weiblicher Ratten im späteren Leben
Get PDFZiel dieser Studie war die Untersuchung einer Ernaehrungsintervention mit Docosahexaensaure, Cholin und/oder Lutein im fruehen Leben auf die zellulaere Zusammensetzung des Hippocampus weiblicher Ratten im spaeteren Leben. Es wurden Hippocampi weiblicher Ratten am postnatalen Tag (P) 143 untersucht, welche ab P14 bis P56 entweder eine Kontrollnahrung erhalten hatten oder eine Interventionsnahrung mit einzeln zugesetzten Substanzen oder einer 2- bzw. 3-fachkombination der Wirkstoffe. Es wurden in Kryo-Medium eingebettete 8 um dicke Schnitte des Hippocampus angefertigt und mit Hilfe von HE-gefaerbten Schnitten die Zielebene Bregma -3,24 ausfindig gemacht. Danach erfolgten IF-Faerbungen mit DAPI sowie den folgenden Antikoerper-Kombinationen: (1) anti-oligodendrocyte transcription factor 2 Antikoerper (Olig2) plus anti-Ki67 Antikoerper, (2) anti-neuronal nuclei Antikoerper (NeuN) plus anti-doublecortin Antikoerper (DCX), (3) anti-glial fibrillary acidic protein Antikoerper (GFAP) plus anti-Ki67 Antikoerper sowie (4) anti-ionized-calcium-binding-adapter-molecule 1 Antikoerper (Iba1). Die Faerbungen wurden mit ImageJ ausgewertet, wobei Analysen im Bereich des Corpus callosum, CA 1-3 sowie im Gyrus dentatus erfolgten. Hier ergab sich jeweils eine signifikant erhoehte Anzahl Olig2-positiver Zellen im Corpus callosum der DHA-Gruppe sowie der Cholin plus Lutein-Gruppe. Die NeuN-positiven Zellen der Region CA1-3 fanden sich in der Gruppe Cholin plus Lutein plus DHA vermehrt, im Bereich des Gyrus dentatus in den Gruppen Cholin plus Lutein und Lutein plus DHA, waehrend sich bei Analyse von DCX, GFAP und Iba1 keine signifikanten Unterschiede zeigten. Zusammenfassend zeigten sich auch 12 Wochen nach Ende der fruehen Ernaehrungsintervention noch vereinzelt nachweisbare Effekte, insbesondere auf die Anzahl reifer Neuronen sowie teils auch der Oligodendrozyten. Signifikante Auswirkungen auf neuronale Vorlaeuferzellen, Mikroglia oder Astroglia liessen sich jedoch nicht verzeichnen
Qualifikationsarbeiten im Lehramt. Forschungstagebuch
Get PDFDas Forschungstagebuch der Graduiertenschule für Lehrer*innenbildung (GSLB) ist ein neues Arbeitsmittel zur Begleitung von Promotionsprojekten. Es enthält zahlreiche Inhalte, Reflexionsimpulse und Strukturierungshilfen, die durch die einzelnen Phasen eines Promotionsvorhabens führen – von der ersten Orientierung bis zur Auswertung. Es unterstützt Promovierende dabei, Entscheidungen sichtbar zu machen, den Überblick zu behalten und den eigenen Forschungsprozess individuell zu dokumentieren. Auch der Austausch mit Betreuungspersonen und Peers kann so gezielter vorbereitet und begleitet werden
Entwicklung des Leasinggeschäfts in Deutschland
Get PDFDie vorliegende Dissertation besteht aus drei Beiträgen, die sich mit der Entwicklung des Leasinggeschäfts in Deutschland auseinandersetzen. Der erste Beitrag behandelt die Geschäftsaktivitäten und die Performance deutscher Leasing-Gesellschaften. Ein Datensatz, der Informationen aus den Geschäftsberichten von mehr als 200 deutschen Leasing-Gesellschaften aus den Jahren 2009 bis 2022 enthält, gibt Aufschluss über deren Geschäftsaktivitäten und Finanzierungsstrategien. Gemessen an Leistungskennzahlen wie Gesamtkapital-Rentabilität, Eigenkapital-Rentabilität und Cost Income Ratio hat sich die Situation der Leasing-Gesellschaften im letzten Jahrzehnt verschlechtert, dennoch performten sie in diesem Zeitraum besser als Banken.
Der zweite Beitrag, welcher auf dem um einige Angaben erweiterten oben genannten Datensatz basiert, beschäftigt sich mit dem leasingspezifischen Substanzwert als Form der freiwilligen Publizität. Freiwillige Publizität und insbesondere alternative Leistungskennzahlen werden von Unternehmen in der externen Rechnungslegung verwendet, besonders um Ertrags- und Vermögenslage umfassend und in ihrem Sinne darzustellen. Leasing-Gesellschaften, die den Substanzwert veröffentlichen, erreichen bei seiner Verwendung eine deutliche Verbesserung von Eigenkapitalquote und Gesamtkapital-Rentabilität. So können sie ihre eigene Lage ähnlich gut bzw. besser darstellen als Leasing-Gesellschaften ohne Substanzwertangabe, die bessere bilanzielle Kennzahlen aufweisen können. Die Wahrscheinlichkeit einer Substanzwertangabe erhöht sich im Falle einer niedrigen bilanziellen Eigenkapitalquote, was mit den Erkenntnissen zu deren Verbesserung bei Verwendung des Substanzwerts konsistent ist.
Der dritte Beitrag betrachtet die Leasingnehmerseite und untersucht die Auswirkungen des neuen Leasing-Bilanzierungsstandards IFRS 16 auf deren Verhalten. Es werden die Abschlüsse der Jahre 2013 bis 2022 von ca. 400 nach IFRS und ca. 400 nach HGB bilanzierenden deutschen Unternehmen erfasst und ausgewertet. Diese werden als Behandlungs- (IFRS) und Kontroll- (HGB) Gruppen genutzt. Es zeigt sich, dass sich die Nutzung von Leasing durch den neuerlichen Ausweis in der Bilanz erhöht hat. Dabei wird deutlich, dass Vergütungssysteme und bisherige Leasingnutzung eine zentrale Rolle bei der Entscheidung für die Nutzung von Leasing spielen. Auch ist zu beobachten, dass die Einführung von IFRS 16 einen Rückgang beim Kauf von Gütern zur Folge hat und dass weniger Kredite zur Fremdfinanzierung genutzt werden, da beides von Leasing verdrängt wird. Diese Verhaltensänderungen gehen einher mit einer Erhöhung der Investment-Effizienz
Wirkung von DMF auf inflammatorische Mikroglia
Get PDFIn den vergangenen Jahren hat sich Dimethylfumarat als vielversprechendes Medikament zur Behandlung verschiedener Krankheiten herausgestellt. Insbesondere das Präparat Tecfidera hat als Vorreiterarznei für die Behandlung der schubförmig remittierenden Multiplen Sklerose an Bedeutung gewonnen und wird seit 2014 verordnet. Die anti-entzündlichen und antioxidativen Eigenschaften von DMF wurden in zahlreichen Studien nachgewiesen und die Frage nach einem erweiterten Anwendungsspektrum kam auf. Heutzutage wird DMF auch zur Behandlung von autoimmunen Hauterkrankungen eingesetzt. Ein therapeutisches Ziel in der Behandlung von neurodegenerativen Erkrankungen ist es, die Immunantwort zu verändern, welche im ZNS unter anderem von Mikrogliazellen moduliert wird. Diese sind als residente Immunzellen dafür verantwortlich, das zentrale Nervensystem zu schützen. Es sind jedoch oft langanhaltende Immunreaktionen, die den Übergang von einer entzündlichen zu einer chronischen degenerativen Neuropathologie ermöglichen. Dieser Prozess führt im weiteren Verlauf, wie bei der altersbedingten Makuladegeneration, zum Untergang von Sinneszellen. Die in-vitro-Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen: DMF interveniert hier, indem es die Reaktivität der Mikroglia moduliert. Dabei wird auf Transkriptions-, Sekretions- und auf oxidativer Ebene die Balance wiederhergestellt. Gleichermaßen beeinflusst DMF wichtige Schlüsselfunktionen von Mikroglia, was ebenfalls eine übertriebene Immunantwort verhindert. Abschließend konnte nachgewiesen werden, dass das Zurückführen in den Ruhestand der Mikrogliazellen schädliche Auswirkungen auf Fotorezeptorzellen so stark dezimiert, dass die Neurotoxizität signifikant abnahm. Die Wirkungsweise von DMF ist zum heutigen Tag nicht vollständig verstanden, aber diese präklinischen Ergebnisse deuten auf vielversprechende ophthalmologische Einsatzmöglichkeiten hin. Obgleich es weiterer Evidenz durch in-vivo- Studien bedarf, besteht Zuversicht in der Behandlung der weltweit verbreitetsten Augenerkrankung, der altersbedingten Makuladegeneration
Die Wirksamkeit von psychotherapeutischen Interventionen bei Menschen mit einer Behinderung des Stütz- und Bewegungsapparates - ein systematisches Literaturreview
Get PDFDieses systematische Review (PROSPERO-ID: CRD42022250055) untersucht psychotherapeutische Interventionen für Menschen mit muskuloskelettaler Behinderung und deren Einfluss auf die psychische Gesundheit. Eine systematische Suche in PubMed, Cochrane und PsycInfo sowie eine manuelle Recherche wurde im Zeitraum Februar bis April 2022 durchgeführt. Eingeschlossen wurden Studien, die psychotherapeutische Interventionen bei Personen mit muskuloskelettaler Behinderung evaluierten und Patient Reported Outcome Measures (PROMS) zu psychischer Gesundheit erhoben. Die Qualitätsbewertung erfolgte mit dem EPHPP-Instrument. Von 4569 identifizierten Publikationen erfüllten 15 Studien (6 RCTs, 9 Non-RCTs) die Einschlusskriterien. In 11 Studien zeigten sich positive Effekte auf die psychische Gesundheit, in vier Studien kein signifikanter Nutzen der psychotherapeutischen Intervention. Es bestehen qualitativ hochwertige Belege für die Wirksamkeit von ACT bei Depressivität sowie moderate Evidenz für CBT bei Depressivität und Angst.
Psychotherapeutische Interventionen können die psychische Gesundheit von Menschen mit muskuloskelettaler Behinderung verbessern. Angesichts methodischer Limitationen, der geringen Studienanzahl und erheblicher Heterogenität sind jedoch weitere hochwertige randomisierte kontrollierte Studien mit aktiven Kontrollgruppen, standardisierten Outcome-Parametern und längeren Nachbeobachtungen erforderlich, um belastbare Therapieempfehlungen abzuleiten
Reinforcement Learning in dynamic environments: Comparing human and artificial recurrent neural networks regarding the exploration/exploitation tradeoff
Get PDFAdaptive decision-making requires balancing exploration and exploitation, especially in volatile environments. This dissertation examines the computational mechanisms of this tradeoff in humans and recurrent neural networks (RNNs) using restless bandit tasks. The first study compares human learners and 24 RNN architectures, revealing that humans favor directed exploration, while RNNs show higher-order perseveration. Computational modeling confirms these distinct strategies, with human learners leveraging uncertainty-based exploration bonuses and RNNs relying on reinforcement learning heuristics. The second study explores meta-reinforcement learning (meta-RL) in adapting to volatility. RNNs trained under varying conditions demonstrate that exposure to diverse environments enhances adaptability, with meta-volatility-trained networks dynamically adjusting learning rates and exploration strategies, mirroring human-like flexibility. Unpublished analyses further investigate the role of RNN capacity in shaping learning behaviors. Larger networks exhibit increased directed exploration and reduced perseveration, aligning more closely with human learners. These findings suggest that network complexity enables artificial agents to approximate human-like decision-making. Overall, this dissertation provides new insights into how biological and artificial agents optimize exploration-exploitation tradeoffs, highlighting the role of experience, environmental volatility, and neural capacity in adaptive learning
Physiological responses of freshwater fish to multiple stressors in urban rivers: a transcriptomic approach
Get PDFThis thesis investigates freshwater fish's physiological and molecular responses to multiple stressors in urban rivers, using a transcriptomic approach to understand the impacts of environmental changes, particularly salinization, on fish health. Urbanization contributes to the degradation of freshwater ecosystems, leading to altered water quality and the introduction of multiple stressors, such as salinity, temperature fluctuations, and pollution. These stressors significantly affect fish physiology, particularly in key organs like the gills and liver, which are essential for osmoregulation, respiration, and immune response. The thesis harnesses transcriptomics, a powerful tool for analyzing gene expression, to provide insights into the early molecular responses of fish to environmental stressors. Traditional methods often fail to capture the complexity of multiple simultaneous stressors, but transcriptomics allows for the detection of specific gene expression changes before they manifest in overt physiological or ecological effects. This approach is particularly valuable in understanding how fish maintain homeostasis, compensate for environmental challenges, and potentially recover from stress, offering a detailed view of species' responses to urban-induced environmental changes.
The thesis is organized into three chapters, each addressing different aspects of how freshwater fish respond to multiple anthropogenic stressors. The first chapter examines the impact of varying chloride concentrations on gene expression related to osmoregulation in Gasterosteus aculeatus. The second chapter explores tissue-specific molecular responses to extreme salinity in invasive hybrid minnows, providing insights into their physiological resilience and potential invasiveness. The third chapter investigates the combined effects of multiple stressors, including temperature and dissolved oxygen variations, on gene expression in Cottus rhenanus. The findings consistently highlight salinity as a critical factor influencing fish health, even when other stressors are present. This research underscores the ecological threat posed by freshwater salinization and the importance of incorporating transcriptomic data into conservation strategies. The thesis contributes to a growing understanding of how urbanization and environmental change impact freshwater ecosystems and provides valuable molecular biomarkers for assessing the health of fish populations in increasingly urbanized environments.
Future research directions include integrating transcriptomics with epigenetics to provide a more comprehensive understanding of how multiple stressors shape physiological responses and adaptability in organisms. This integrative approach can enhance conservation efforts by offering early indicators of stress and informing strategies to protect freshwater biodiversity in the face of global human-driven change
Spin selectivity of chiral molecules on surfaces
Get PDFThe purpose of this thesis is to investigate the spin selectivity of chiral molecules adsorbed
onmagneticsubstrates, withtheaimofimprovingourunderstandingofthecomplexinter-
actions between chirality and magnetism. This research centers on the chirality-induced
spin selectivity (CISS) effect, an emerging phenomenon that has captured the interest of
the scientific community due to its potential applications in spintronics, efficient quantum
computing, enantioseparation, and selective chemical processes. Since the initial identi-
fication of the CISS effect, extensive research on various molecules and substrates has
yielded significant outcomes. Observations have been made that electrons transmitted
through chiral molecules at room temperature exhibit spin polarizations exceeding sev-
eral tens of percent. The findings also include the enantiospecific adsorption of chiral
molecules on perpendicularly magnetized ferromagnetic substrates.
This area of research, which explores both theoretical and experimental aspects of the
CISS effect, remains a topic of scientific interest. Despite substantial experimental evi-
dencesupportingCISS,acomprehensivetheoreticalunderstandingremainselusive. Present
theoretical approaches often fail to bridge the gap between the magnitudes of experimen-
tal results and theoretical predictions, such as spin polarization values or enantiospecific
adsorption energies.
A significant challenge in bridging experimental and theoretical studies stems from the
complexity of real-world experiments. Often, these involve molecular ensembles and yield
data that reflect averages of various configurations, such as adsorption sites and pathways
of electric current. Additionally, experimental conditions may necessitate modifications
likeprotectivecoatingstopreventoxidation(e.g., Aucoatingonferromagneticsubstrates)
and can introduce other variables such as water from ambient humidity. Meanwhile, the-
oretical models typically overlook these complexities. In response, this PhD research
project is designed to thoroughly investigate the CISS effect under ultra-high vacuum
(UHV) conditions, with precise control over geometric configurations at the atomic scale.
This approach could facilitate a closer alignment between experimental observations and
theoretical calculations. This thesis investigates chiral heptahelicene (7[H]) molecules adsorbed on various single-
crystalline substrates, ranging from the noble metal Cu(111) to more reactive substrates
like ferromagnetic Co bilayer nanoislands on Cu(111) and Fe bilayers on W(110). Low-
temperature spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM) and spectroscopy
(SP-STS) are employed to examine molecules that have been deposited on these surfaces
through sublimation under UHV conditions.
Themoleculesremainstructurallyintactafterdeposition, withtheproximalphenanthrene
group aligned parallel to the substrate surface. The high-resolution STM topography
data provide a precise method for accurately determining the chirality of individual hep-
tahelicene molecules on these crystalline substrates. Additionally, detailed SP-STS mea-
surements from individual molecules indicate distinct adsorption properties: molecules
undergo physisorption on Cu(111) and chemisorption on Co and Fe bilayers. Notably,
both Co and Fe bilayers maintain their ferromagnetic properties and exhibit out-of-plane
(OOP) magnetization.
Building on our preliminary observations, our investigation delved deeper into the in-
teractions between chiral molecules and magnetic substrates, focusing on two principal
aspects.
First, we explored the enantiospecific adsorption of [7]H molecules onto OOP magne-
tized cobalt nanoislands, using both racemic and enantiopure samples. Our investiga-
tions revealed a magnetization-dependent enantiomeric excess upon deposition of these
molecules. In the experiment using a racemic mixture, a detailed statistical analysis of
over 740 molecules across 110 islands revealed an enantiomeric excess ratio of 0.7. This
ratio, when expressed by a Boltzmann factor, corresponds to an energy difference of ap-
proximately 10 ±2 meV. Further experiments revealed that this energy difference is not
related to differences in adsorption energy. This finding was further supported by sub-
sequent experiments with more than 2100 molecules on 225 islands, using enantiopure
molecules, demonstrating a consistent picture of enantioselectivity.
The results of our experiment were then compared with state-of-the-art density functional
theory (DFT) calculations performed by our colleagues at the Peter Grünberg Institute
(PGI-1), Jülich Research Center. Interestingly, these advanced spin-resolved ab initio
simulations showed no significant differences in enantio-dependent chemisorption ener-
gies. This discrepancy between the experimental results and the simulations, along with
further experimental findings that molecular mobility decreases significantly when reach-
ingthechemisorbedstateonthecobaltislands, ledustohypothesizethatenantioselection
primarily occurs during an earlier, physisorbed state. These observations suggest that van der Waals interactions, which are critical for molecular magnetochiral processes, should
also take spin fluctuations into account.
Secondly, spin-selective electron transport through chiral [7]H molecules at a low temper-
ature of 5K is investigated using a spin-sensitive STM tip. These molecules are deposited
on two distinct types of ferromagnetic bilayer substrates: racemic mixtures are deposited
on Co/Cu(111), while enantiopure molecules are deposited on Fe/W(110). This experi-
mentalapproachenablesthedirectmeasurementoftunnellingcurrentsthroughindividual
molecules under precisely controlled conditions. In this setup, the magnetization direction
of either the STM tip or the substrate can be systematically reversed, and the chirality
of the molecules can be selectively chosen, especially in experiments involving racemic
mixtures.
This methodology enables accurate assessments of magnetochiral conductance asymmetry
(MChA) by comparing the tunneling current measured through two different enantiomers
depositedonthesamemagneticdomain. Additionally, itallowsfortheevaluationofenan-
tiospecific magnetic conductance asymmetry (EMA) by comparing the tunneling current
measured through molecules of the same handedness on two magnetic domains with op-
posing OOP magnetization. As a result, there is significant conductance asymmetry for
[7]H molecules across both types of magnetic substrates, with EMA values on Co islands
reaching as high as 50%. This detailed investigation also allows us to effectively exclude
ensemble effects and electron-phonon coupling as primary contributing factors, thereby
taking a significant step forward in clarifying the underlying mechanisms influencing spin-
selective transport through chiral molecules
Harmonic and locally harmonic Maaß forms (corrected version)
Get PDFThis thesis contains the results of seven research papers on various types of harmonic and locally harmonic Maaß forms. To this end, this thesis is divided into two parts. The first part deals with harmonic Maaß forms and variants thereof, while the second part is devoted to constructions of new locally harmonic Maaß forms. The introductory chapter is divided into three parts. The first part provides an overall introduction to holomorphic and nonholomorphic modular forms, and summarizes some previous results in the theory of both classes of forms. The second part collects and presents the main results of this thesis, while the content of the third part is a brief discussion of some results from the second half of this thesis. The subsequent chapters contain the aforementioned research papers with minor edits to improve the overall exposition. Updated version of: Andreas Mono, Harmonic and locally harmonic Maaß forms (2023). Dissertation, Universität zu Köln