Cologne Excellence Cluster on Cellular Stress Responses in Aging Associated Diseases
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Dynamics and Signatures of an Emergent Gauge Field
Get PDFOne of the most profound predictions of modern condensed matter physics is that gauge theories
may emerge naturally in the low-energy description of certain solid state systems. This is in
stark contrast with particle physics, where gauge theories have to be postulated. Emergent gauge
theories often bring with them quasiparticles that carry fractions of a fundamental quantum
number, holding the potential to revolutionize quantum technologies.
The paradigmatic Kitaev model, an exactly solvable quantum spin liquid, realizes an
emergent static Z2 gauge field and itinerant Majorana fermions coupled to it. Remarkably,
there is a large class of materials that have shown significant promise for realizing this exotic
phase of matter. Despite tremendous experimental efforts, a conclusive proof of emergent
gauge fields and fractionalized excitations of the Kitaev spin liquid has remained elusive. Any
material realizations of this model inevitably contain interactions that break the integrability of
the model, and make the gauge fields dynamical. Understanding the properties this dynamical
emergent gauge field is crucial for predicting its observable signatures in real materials.
In this thesis, we develop a comprehensive theory of dynamical gauge fields in the Kitaev
spin liquid, weakly perturbed away from its integrable limit. We focus on the dynamical
properties of the fundamental gauge excitation - the vison, dressed by a cloud of Majorana
fermions.
Through a controlled perturbation theory, we calculate the dispersion of a single vison,
induced by an off-diagonal exchange term and an external magnetic field h. Our findings
reveal that the sign of the Kitaev interaction has a profound influence on the dynamical
and topological properties of visons. While they can move efficiently and coherently in the
ferromagnetic Kitaev model, their motion in an antiferromagnetic (AFM) Kitaev model is
driven by the an incoherent, Majorana-assisted hopping. Remarkably, in the presence of an
external magnetic field, visons of the AFM Kitaev model become topological, predicting a
novel contribution to the thermal Hall effect. The massless Majorana fermions scatter from the
vison’s gauge flux in a highly singular manner. Employing a modified Boltzmann formalism to
capture this behavior, we show that it leads to a universal mobility in the low-temperature (T)
limit, μ(T) = 6ℏv_m
(k_B T)^2 , where v_m is the velocity of Majorana fermions.
Motivated by the layered three-dimensional (3D) structure of candidate materials, we
investigate the gauge field dynamics in weakly coupled multilayer Kitaev spin liquids. The
interplay of novel conservation laws and robust topological constraints prevents single vison
motion, leading instead to a variety of dynamic vison-pairs. The conservation laws put strong
constraints on the motion of these excitations. Depending on the stacking pattern, inter-layer
pairs may exhibit a fully two-dimensional (2D) motion within the layers, or a highly restricted
one-dimensional mobility. Intra-layer pairs can, however, move across layers, with the direction
of motion determined by the stacking pattern. Furthermore, we show how the anisotropy of
Kitaev couplings strongly influences the coherence of interlayer tunnelling.
In the final part, we focus on two experimental signatures of mobile visons: Raman
spectroscopy and the thermal Hall effect. Using an effective two-particle model of visons, we
calculate the low-energy Raman response of visons in a generic ferromagnetic Kitaev spin
liquid. Our results reveal distinct signatures of anyonic statistics in the continuum response and
sharp peaks associated with anyon-bound states. Notably, these sharp peaks exhibit a strong
sensitivity to the chirality of Raman light, a feature observed in several experiments. Finally,
we provide a detailed calculation of the thermal Hall effect resulting from dynamical visons in the antiferromagnetic Kitaev model, discussing its implications for experimental detection
Der Einfluss von Diät-induziertem Übergewicht (DIO) und Sport auf die Asprosin-Expression und -Lokalisation in murinen Herzen
Get PDFAsprosin ist ein Fasten-induziertes glukogenes Hormon, welches mit Fettleibigkeit und Diabetes mellitus in Verbindung gebracht wird. Während mehrere Studien auf eine kardioprotektive Wirkung hinweisen, ist wenig darüber bekannt, ob Asprosin im Herzen synthetisiert wird, und falls ja, in welchen Herzregionen es nachgewiesen werden kann. Ebenso ist unbekannt, ob verschiedene Stoffwechselbedingungen die kardiale Expression und Lokalisation von Asprosin beeinflussen. Dieses Grundlagenwissen ist jedoch notwendig, um einen möglichen Einfluss von Asprosin auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen besser zu verstehen. Die vorliegende Arbeit ergründet folglich die Frage, ob Asprosin im Herzen synthetisiert wird, ob seine Expression von der Region abhängt und ob sich die Expressionswerte bei körperlichem Training oder Übergewicht ändern.
In diesem Kontext wurde ein Tiermodell männlicher Wildtyp-Mäuse (C57BL/6J) verwendet, die entweder eine Standarddiät (SD, RUN) oder zur Übergewichtsinduktion eine Western-Style Diät (DIO) erhielten. Die RUN-Gruppe führte zusätzlich ein freiwilliges Laufradtraining durch.
Die Herzen der Versuchstiere wurden mithilfe immunhistochemischer Färbungen, qRT-PCR und Western Blot-Analysen untersucht, um die räumliche Verteilung sowie die Gen- und Proteinexpression von Asprosin zu bestimmen.
Es zeigte sich, dass das Vorkommen von Asprosin im Herzen eine starke Abhängigkeit vom Zelltyp aufweist, mit einem intensiven Vorkommen insbesondere in Endothelzellen und am Endokard und einem schwächeren Vorkommen in und um Kardiomyozyten. Außerdem fand sich Asprosin in einem faserartigen Muster mit einer ausgeprägten Co-Lokalisierung mit Fibrillin-1. Darüber hinaus war eine erhöhte Asprosin-Protein-Expression in den Ventrikeln unter DIO zu beobachten. In einem zellulären Modell konnte zudem bestätigt werden, dass Asprosin von Kardiomyozyten synthetisiert wird.
Zusammenfassend konnte die vorliegende Arbeit somit aufzeigen, dass Asprosin im Herzen in Abhängigkeit von der Stoffwechsellage synthetisiert wird. Es ist hauptsächlich in Endothelzellen, im Endokard und in einer faser-ähnlichen Struktur in unmittelbarer Nähe zu Fibrillin-1 zu finden. Diese Ergebnisse leisten damit einen Beitrag zum besseren Verständnis von Asprosin und seiner möglichen Rolle bei der Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen
Objektiver und subjektiver Stress als ergonomischer Risikofaktor für Chirurg*innen während robotisch assistierter versus konventioneller Ösophagektomien
Get PDFDiese Studie präsentiert die Ergebnisse von subjektiven sowie objektiven Stressmessungen von fünf Chirurg*innen während robotisch assistierter sowie offen chirurgisch durchgeführter Ösophagektomien.
Anhand der Erfassung des State-Trait-Anxiety-Inventory und der Messung und Analyse der Herzratenvariabilität wurden die Stresslevel von Chirurg*innen während unterschiedlicher Operationstechniken miteinander verglichen.
Folgende Ergebnisse können festgehalten werden: Während der robotisch assistierten Operationen konnten während der Anastomosenphase signifikant erhöhte Stresslevel gegenüber der übrigen Operationszeit festgestellt werden.
Während der offenen Operationen konnten anhand der Analyse der Herzratenvariabilität höhere objektive Stresslevel errechnet werden als während der robotisch assistierten Operationen. Subjektive Stressmessungen wiesen ebenfalls auf höhere Stresslevel während der offenen Operationen hin.
Diese Studie demonstriert die Durchführbarkeit von objektiven und subjektiven Stressmessungen während komplexer und großer viszeralchirurgischer Operationen wie der Ösophagektomie. Zudem werden die große Aussagekraft und Nutzbarkeit von HRV-Daten als Instrument der objektiven Stressmessung herausgestellt. Darüber hinaus wird eine Methodik vorgestellt, die die Ergebnisse von subjektiven Stressmessungen mittels State-Trait-Anxiety-Inventory (STAI) interindividuell vergleichbar macht.
Dieses gewonnene Wissen kann in zahlreichen weiteren Studien zum Thema Stress in der Chirurgie genutzt werden
Der Kölner Exekutiv-Test (KEX): Validierung eines Testverfahrens zur Erfassung exekutiver Funktionsstörungen bei idiopathischem Parkinson-Syndrom
Get PDFDie Parkinson-Erkrankung zaehlt zu den haeufigsten neurodegenerativen Erkrankungen weltweit. Neben den charakteristischen motorischen Symptomen treten auch nicht-motorische Symptome, insbesondere kognitive Beeintraechtigungen wie exekutive Dysfunktionen, frueh und haeufig auf. Diese wirken sich erheblich auf die Lebensqualitaet und Alltagskompetenz der Betroffenen aus. Die exekutiven Funktionen (EF) umfassen zentrale kognitive Prozesse wie Inhibition, Arbeitsgedaechtnis und kognitive Flexibilitaet. Ihre komplexe Struktur stellt hohe Anforderungen an valide und zuverlaessige diagnostische Verfahren.
Ziel dieser Arbeit war die Validierung des Koelner Exekutiv-Tests (KEX), eines neuen, umfassenden Instruments zur Erfassung exekutiver Dysfunktionen bei Patienten mit idiopathischem Parkinson-Syndrom (IPS). Im Rahmen einer multizentrischen, nicht-interventionellen Querschnittsstudie wurde der KEX an 81 Patienten mit IPS sowie 44 gesunden Kontrollpersonen durchgefuehrt und hinsichtlich seiner psychometrischen Eigenschaften analysiert. Die Gruppen waren hinsichtlich Alter, Geschlecht und Bildungsniveau vergleichbar. Bei den Analysen konnten signifikante Unterschiede zwischen IPS-Patienten und Kontrollpersonen in nahezu allen Untertests festgestellt werden, wobei IPS-Patienten schlechter abschnitten. Der KEX zeigte insgesamt eine gute konvergente Validitaet in der Korrelation mit etablierten Tests zur Messung der EF.
Der KEX erwies sich als valides und zuverlaessiges Instrument zur Diagnostik exekutiver Dysfunktionen bei Patienten mit IPS. Weitere Studien, insbesondere mit longitudinalem Design, sind erforderlich, um die Entwicklung kognitiver Defizite ueber die Zeit sowie deren Zusammenhang mit weiteren klinischen Parametern vertieft zu untersuchen
Entrepreneurial ecosystems and start-ups in Germany: Regional approaches to innovation and ecological sustainability
Get PDFStart-ups are increasingly recognized as key drivers of both economic competitiveness and ecological sustainability in advanced economies. However, the geographical conditions that enable these dual objectives – particularly through the lens of entrepreneurial ecosystems (EEs) – remain largely unexplored. This is especially relevant in the context of Germany, which, despite its advanced economy, exhibits a globally underperforming and regionally uneven start-up ecosystem.
The overarching aim of this dissertation is to analyze how regional EEs contribute to two distinct yet complementary forms of entrepreneurship: product-innovative start-ups, which promote economic competitiveness through novel goods and services, and green start-ups, which embed ecological sustainability into their core business models. A regional approach is essential, as EEs are inherently place-based and shaped by locally varying social, economic, and infrastructural conditions that influence start-up success. Drawing on quantitative firm-level data from the IAB/ZEW Start-up Panel, this dissertation employs econometric analyses to examine the relationships between EEs and start-ups engaging in product innovation and green business activities at the regional level in three empirical papers.
The findings of the first paper (Chapter 3) show that EEs can influence product innovation in start-ups – but with varying effectiveness across regions. In particular, the urban-rural context plays a decisive role in determining how innovation drivers take effect. This highlights the need for place-sensitive policy measures to support product innovation across different regions. By contrast, the second paper (Chapter 4) shows that many EE components are not inherently unsuitable across region types but rather misaligned with the specific needs of green start-ups. The findings reveal a partial mismatch between existing EEs and the requirements of green start-ups – robust across urban, intermediate, and rural regions. This underscores the need for purpose-sensitive adaptations in EEs to overcome systemic lock-ins that inhibit green entrepreneurial activity. The third paper (Chapter 5) deepens this line of argument by investigating alternative, purpose-aligned ecosystem indicators. Using the example of cycling infrastructure, it demonstrates how physical infrastructure in traditional EEs can be reoriented to more effectively support green start-ups. The results show a statistically significant positive relationship between the share of cycling infrastructure and green start-up activity at the regional level in Germany – robust across urban, intermediate, and rural regions.
Taken together, the findings of this dissertation contribute to the theoretical advancement of the EE concept by underscoring the importance of purpose- and place-sensitive adaptations for supporting diverse forms of entrepreneurial activity. Furthermore, the dissertation offers practical insights for regional policymakers seeking to foster innovation for competitiveness and ecological sustainability in Germany’s economy. It emphasizes the need for regionally tailored strategies and a reorientation of certain traditional EE components – such as targeted investments in cycling infrastructure
Computational study of aqueous geochemical fluids at high temperature and pressure
Get PDFAqueous fluids play a critical role in the evolution of the Earth - starting from the atmosphere to the deep Earth. They are important carriers of heat energy and matter thereby playing an important role in several chemical reactions that determine the geochemistry of the Earth's interior. Hydrothermal solutions in the Earth reduce the melting point of rocks leading to the formation of volcanoes and plate tectonics. Lower water activity compared to CO2 in the Venusian crust leads to an increase in the melting point of rocks at elevated pressure which hinders plate tectonics. In a way, it is because of the aqueous fluid induced dynamic nature that several lifeforms have sustained on our planet. Hydrothermal fluids also play a dominant role in mobilising several strategically important elements followed by their precipitation resulting in the formation of ore deposits. Elements mobilised and deposited by aqueous fluids depend on the chemical composition and the prevalent thermodynamic conditions. As a result detailed understanding of the chemical structure and composition of hydrothermal fluids under geological conditions is warranted. Several spectroscopic studies have been conducted over the years to delineate the speciation of aqueous fluids. These have been accompanied by high temperature and high pressure experiments with devices like hydrothermal autoclaves, pressure vessels or heated/hydrothermal diamond anvil cells that aim to determine different physical and transport properties of aqueous fluids. However, these experiments are limited in their temperature, pressure and composition ranges.
Ever since computers became available for unclassified scientific research, consistent effort has been made to implement fundamental laws of physics (like Newton's Laws of Motion, Schrödinger Equation) thereby providing insights into the structure and dynamics of natural systems on the atomistic scale. Development of more advanced and efficient hardware has made use of MD simulations realizable in studying different fluid rock interaction processes. These studies not only complement available experimental data but also provide an alternate framework to verify various assumptions and simplifications in existing theoretical models of fluids. In addition to these, MD simulations can provide insights into the structure and composition of aqueous geochemical fluids at conditions difficult to simulate in laboratories.
In this thesis different types of MD simulations have been used to study geochemical fluids with different compositions at supercritical conditions. Different target properties are calculated and compared against available experimental data using DFT based AIMD simulations and CMD simulations. This provides discernment in the precision and accuracy of these techniques at geological conditions. In the different chapters of the thesis, we study properties of important solvents as well as solutes and the impact of different simulation parameters on them. In Chapter 3, we show that the GGA XC functional like BLYP and meta-GGA XC functional like r2SCAN predicts similar structural properties of aqueous H2SO4 and Na2SO4 solutions at supercritical conditions. Using r2SCAN gives better estimates of the different vibrational modes of oxidized sulfur species as compared to the BLYP functional. However, the predicted vibrational frequencies are still underestimated in comparison to experimental data. Both the functionals reproduce the temperature-induced shifts in different vibrational modes. Electrical conductivity of NaCl solutions in supercritical conditions are calculated with ReaxFF and pairwise SPC/E models in Chapter 4. We show that although ReaxFF is a polarizable, dissociative forcefield fitted on lots of QC data, its accuracy is not good in predicting a property (in this case electrical conductivity) not explicitly present in the training dataset. In Chapter 5, a new ab initio based PIM interaction potential is developed at supercritical conditions. We discuss fundamental issues related to transferability of interaction potentials and establish the superiority of the newly developed interaction potential in predicting structural and thermodynamic properties of La3+ in chloride bearing hydrothermal fluids.
Overall, although state of the art techniques are precise and give important information about the geochemistry of supercritical fluids, significant scope of improvement exists. The thesis also serves to give an overview of fundamental issues related to the 'art' of interaction potential development that has to be kept in mind in future projects. This includes cardinal questions like XC functional to be used in generation of training data, types of data to be included in the training set and functional form of the potential to be fitted
Executive dysfunctions impair and levodopa improves articulatory timing in Parkinson‘s disease
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Der Effekt einer einmaligen akuten körperlichen Aktivität auf die nachfolgende Set Shifting Leistung - eine Metaanalyse
Get PDFPositive Effekte einer akuten körperlichen Aktivität auf die kognitive Leistungsfähigkeit inspirierten die Wissenschaft dazu die Effekte einer akuten körperlichen Aktivität auf
spezifische kognitive Subdomänen zu untersuchen. Viele Studien zeigten positive Effekte einer akuten körperlichen Aktivität auf die nachfolgende Set Shifting Leistung bei gesunden Erwachsenen. Set Shifting stellt eine Subdomäne der Exekutiven Funktionen dar und beinhaltet die Fähigkeit zwischen zwei verschiedenen kognitiven Sets zu wechseln. Die
Ergebnisse der bestehenden Studien sind jedoch uneindeutig. Dementsprechend wurde eine Metaanalyse durchgeführt, welche die verfügbaren Effektgrößen zusammengefasst und ausgewertet hat. Zusätzlich erfolgte eine Subgruppenanalyse, um mögliche
Moderatorvariablen zu identifizieren, die das Ausmaß der durch eine akute körperliche Aktivität induzierten positiven Effekte auf die Set Shifting Leistung bestimmen.
Medline, PsycINFO und SPORTDiscus wurden nach geeigneten Studien durchsucht. Die nach Hedges´s g korrigierten standardisierten Mittelwertdifferenzen wurden für die Analyse genutzt. Das Random Effects Modell wurde auf die Effektgrößen angewandt. Als potenzielle Moderatorvariablen auf den Effekt einer akuten körperlichen Aktivität auf die nachfolgende Set
Shifting Leistung wurden das Alter der Probanden und Probandinnen, die Art der körperlichen Aktivität, die Intensität der körperlichen Aktivität und die Art der Kontrollgruppe untersucht.
Zweiundzwanzig Studien mit insgesamt 1900 Probanden und Probandinnen wurden in die Analyse eingeschlossen. Alle aggregierten Effektgrößen reichten von gering bis moderat.
Insgesamt wurde ein geringer signifikanter positiver Effekt festgestellt (g = −0.32, 95 % CI −0.45 to −0.18). Die Heterogenität der eingeschlossenen Effektgrößen war moderat und signifikant (T2 = 0.0715, I2 = 46.4%, (p < 0.0016). Die Subgruppenanalyse zeigte einen größeren benefizienten Einfluss auf ältere Erwachsene im Vergleich zu jungen Erwachsenen (−0.42 vs. −0.29). Eine geringe Intensität der akuten körperlichen Aktivität (−0.51) führte zu größeren positiven Effekten als eine moderate (−0.24) oder hohe Intensität (−0.29). Studien, welche eine akute körperliche Aktivität mit einer aktiven Kontrollgruppe verglichen, zeigten einen wesentlich kleineren Effekt (−0.13) im Vergleich zu Studien mit einer passiven (−0.38) oder kognitiv beanspruchten Kontrollgruppe (−0.34). Interessanterweise zeigten sich keine großen Unterschiede im erzielten Effekt nach erfolgtem Krafttraining im Vergleich zu aerobem
Training (−0.30 vs. −0.32). Allerdings erreichten keine der untersuchten Moderatorvariablen eine statistische Signifikanz.
Eine akute körperliche Aktivität verbessert die nachfolgende Set Shifting Leistung. Allerdings ist die Effektstärke eher gering, sodass eine Relevanz für das alltägliche Leben fraglich ist. Die Ergebnisse indizieren, dass vor allem ältere Erwachsene sich nach einer akuten körperlichen
Aktivität in ihrer Leistung verbessern, aber auch junge Erwachsene, die sich auf dem Höhepunkt ihrer kognitiven Leistungsfähigkeit befinden, können von einer akuten körperlichen Aktivität profitieren. Eine geringe Intensität zeigt die höchste Effektivität, während die Art der
körperlichen Aktivität keinen Einfluss auf die Effektstärke zu haben scheint. Studien mit aktiven Kontrollgruppen zeigen den geringsten Effekt, was auf einen erwartungsgesteuerten Placebo Effekt zurückzuführen sein könnte