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  • optical parametric oscillator... femtosecond Ti:Sapphire laser frequency comb
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  • In living organisms, biological clocks regulate 24 h (circadian) molecular, physiological, and behavioral rhythms to maintain homeostasis and synchrony with predictable environmental changes, in particular with those induced by Earth’s rotation on its axis. Harmonics of these circadian rhythms having periods of 8 and 12 h (ultradian) have been documented in several species. In mouse liver, harmonics of the 24-h period of gene transcription hallmarked genes oscillating with a frequency two or three times faster than circadian periodicity. Many of these harmonic transcripts enriched pathways regulating responses to environmental stress and coinciding preferentially with subjective dawn and dusk. At this time, the evolutionary history of genes with rhythmic expression is still poorly known and the role of length-of-day changes due to Earth’s rotation speed decrease over the last four billion years is totally ignored. We hypothesized that ultradian and stress anticipatory genes would be more evolutionarily conserved than circadian genes and background non-oscillating genes. To investigate this issue, we performed broad computational analyses of genes/proteins oscillating at different frequency ranges across several species and showed that ultradian genes/proteins, especially those oscillating with a 12-h periodicity, are more likely to be of ancient origin and essential in mice. In summary, our results show that genes with ultradian transcriptional patterns are more likely to be phylogenetically conserved and associated with the primeval and inevitable dawn/dusk transitions.
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  • brain oscillations
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  • Eine einzigartige experimentelle Beobachtung, welche die Basis für eine ganzheitliche, neurowissentschafliche Theorie für Gedächtnis darstellen könnte, sind sharp wave-ripples (SWRs). SWRs werden in lokalen Neuronennetzwerken erzeugt und sind wichtig für Gedächtniskonsolidierung; SWRs sind charakteristische Ereignisse der lokalen Feldpotentiale im Hippocampus des Säugetiers, die in Phasen von Schlaf und Ruhe vorkommen. Eine SWR besteht aus einer sharp wave, einer ≈ 100 ms langen Auslenkung des Feldpotentials, welche mit ripples, 110–250 Hz Oszillationen, überlagert ist. Jüngste Experimente bekräftigen die Theorie, dass ripples in Netzwerken inhibitorischer Interneurone (INT-INT) erzeugt werden, die aus parvalbumin-positive basket cells (PV+BCs) bestehen. PV+BCs sind untereinander über rekurrente inhibitorische Synapsen und Gap Junctions (GJs) gekoppelt. In dieser Arbeit untersuche ich die spezifische Funktion von interneuronalen Gap Junctions in ripples. Im Hauptteil dieser Arbeit demonstriere ich, dass GJs in INT-INT Netzwerken die neuronale Synchronität und die Feuerrate während ripples erhöhen, die ripple-Frequenz sich hingegen nur leicht verändert. Zusätzlich zeige ich, dass diese rippleunterstützenden Effekte nur dann auftreten, wenn die GJ-Transmission schnell genug ist (≈< 0.5 ms), was wiederum somanahe Kopplung voraussetzt (≈< 100 µm). Darüber hinaus zeige ich, dass GJs die oszillatorische Stärke der ripples erhöhen und so die minimale für ripples notwendige Netzwerkgröße verringern. Abschließend zeige ich, dass ausschließlich mit Gap Junctions gekoppelte INT-INT Netzwerke zwar mit ripple Frequenz oszillieren können, aber wahrscheinlich nicht der Erzeuger von experimentell beobachteten ripple-artigen Oszillationen sind. Zusammengenommen zeigen meine Resultate, dass schnelle Gap Junction-Kopplung von Interneuronen die Entstehung von ripples begünstigt und somit SWRs unterstützt, welche einen wichtigen Beitrag zur Bildung unserers Gedächtnisses leisten.,A unique experimental observation that opens ways for a holistic, bottom-up theory for memory generation are sharp-wave ripples (SWRs). SWRs are generated in local neuronal networks and are important for memory consolidation. SWRs are prominent features of the extracellular field potentials in the mammalian hippocampus that occur during rest and sleep; they are characterized by sharp waves, ≈ 100 ms long voltage deflections, that are accompanied by ripples, i.e., 110–250 Hz oscillations. Recent experiments support the view that ripples are clocked by recurrent networks of inhibitory interneurons (INT-INT), which are likely constituted by networks of parvalbumin-positive basket cells (PV+BCs). PV+BCs are not only recurrently coupled by inhibition but also by gap junctions (GJs). In this thesis, I investigate the specific function of interneuronal GJs in hippocampal ripples. Consequently, I simulate INT-INT networks and demonstrate that gap junctions increase the neuronal synchrony and firing rates during ripple oscillations, while the ripple frequency is only affected mildly. I further show that GJs only have these supporting effects on ripples when they are sufficiently fast (≈< 0.5 ms), which requires proximal GJ coupling (≈< 100 µm). Additionally, I find that gap junctions increase the oscillatory power of ripple oscillations and by this means reduce the minimal network size required for INT-INT networks to generate ripple oscillations. Finally, I demonstrate that exclusively GJ-coupled INT-INT networks can oscillate at ripple frequency, however, are unlikely the generator of experimentally observed ripple-like oscillations. In sum, my results show that fast interneuronal gap junction coupling promotes the emergence of ripples and hereby supports SWRs, which are important for the formation of memory.,
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  • Dynamische Effekte in Halbleiterlasern aufgrund aktiver optischer Rückkopplung werden untersucht. Basierend auf Laserstrukturen mit verteilter Rückkopplung wird ein neuer Lasertyp entwickelt. Durch Experimente und ergänzende Simulationen wird ein umfassender Überblick der Dynamik dieses neuen Lasertyps gegeben. Zuerst werden die grundsätzlichen Veränderungen der Laserdynamik durch verzögerte optische Rückkopplung diskutiert. Es zeigen sich Hysterese- und Pulsationsphänomene. Ursprung der Pulsationen sind entdämpfte Relaxationsoszillationen und Modenschwebungen. Die Pulsationsphänomene werden anhand von integrierten Mehrsektionslasern mit passiver und aktiver optischer Rückkopplung untersucht. Es zeigt sich, daß nur Laser mit aktiver Rückkopplung die vollständige Kontrolle von Rückkoppelphase und -stärke erlauben, und damit den Zugang zum gesamten Spektrum der Laserdynamik mit sehr kurzer Verzögerungszeit bieten. Anhand des Lasertyps mit aktiver Rückkopplung wird eine umfassende Bifurkationsanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse einer numerischen Untersuchung werden durch umfangreiche Experimente verifiziert. Sattel-Knoten-, Hopf- und Torus-Bifurkationen organisieren das Bauelementverhalten. Die Koexistenz von entdämpften Relaxationsoszillationen und Schwebungspulsationen erlaubt die Untersuchung von internen Synchronisationsphänomenen, Resonanzen und chaotischer Dynamik. Der Einfluß spontaner Emission auf die Laserdynamik zeigt sich am Beispiel rauschinduzierter Vorläufer einzelner Bifurkationen sowie am Übergang zwischen den beiden Pulsationsphänomenen. Abschließend wird die Anwendung des Lasers mit integriert-aktiver Rückkopplung als optischer Taktregenerator bei einer Datenrate von 40 Gbit/s demonstriert. Arbeitspunkte mit koexistierenden Oszillatoren und ganzzahligem Frequenzverhältnis eignen sich darüber hinaus zur rein optischen Frequenzteilung im GHz-Bereich.,Dynamical effects in semiconductor lasers due to active optical feedback are investigated. A novel laser type based on distributed feedback structures is developed and realized. Experiments as well as simulations give a comprehensive overview on the nonlinear dynamics of this laser type. First, the fundamental modifications of the solitary laser dynamics due to delayed optical feedback in the very short feedback cavity regime are discussed. Hysteresis effects and pulsation phenomena due to undamped relaxation oscillations and mode beating are identified. These oscillation types are experimentally confirmed by multi-section lasers with integrated passive and active feedback. It turns out that only the active feedback laser (AFL) allows for the full control of feedback phase and strength, enabling the access to the whole spectrum of laser dynamics in the very short delay limit. A complete bifurcation analysis for the AFL is presented. Results obtained in a numerical path-following study are verified by extensive experiments. Saddle-node, Hopf and torus bifurcations are identified to organize the device behavior. The coexistence of undamped relaxation oscillations and mode beating in the strong feedback regime allows for the experimental investigation of resonances, mutual locking and chaotic behavior. The modification of the laser dynamics by spontaneous emission noise is shown with the example of noisy precursors and irregular dynamics at the transition between the two oscillation types. Finally, the applicability of the AFL for optical clock recovery is demonstrated at a data rate of 40 Gbit/s. Operation points with coexisting oscillations and rational frequencies are shown to be suited for all-optical frequency division in the GHz range.,
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  • In dieser Arbeit werden zwei nichtlineare Phänomene untersucht, Multistabilität durch verzögerte Rückkopplung und Synchronisation von quasiperiodischen Oszillationen. Dies geschieht mit Hilfe von Halbleiterlasern und auf dem selben Chip wie der Laser integrierter ultrakurzer optischer Rückkopplung. Verzögerte Rückkopplung ist unter anderem die Ursache für das Phänomen der Faltung von Lasermoden, und damit für das Auftreten von mehreren möglichen Laserzuständen für die selben Parameter. Ein tristabiles Regime von Dauerstrichzuständen kann im Experiment für mehrere breite Parameterbereiche der Rückkopplung beobachtet werden. Sehr nahe der Laserschwelle wird einer der Laserzustände durch den stabilen ``aus''''-Zustand ersetzt. Theoretische Betrachtungen im Rahmen des paradigmatischen Lang-Kobayashi Models verzögerter Rückkopplung ermöglichen eine in sich konsistente Interpretation der experimentellen Ergebnisse. Neben der Beeinflussung des stationären Verhaltens eines Halbleiterlasers kann verzögerte Rückkopplung Instabilitäten in der Laseremission hervorrufen. Abhängig von Rückkoppelstärke und -phase werden zwei verschiedene Intensitätspulsationen des emittierten Lichtes beobachtet. Synchronisationsprozesse solcher Pulsationen wurden von mir in einem System von zwei verschiedenen gekoppelten Multisektionslasern untersucht. Periodische Selbstpulsationen von Laser 1 werden hierfür in Laser 2 injiziert, welcher sich in einem Regime quasiperiodischer Intentensitätspulsationen mit zwei fundamentalen Frequenzen befindet. Das Experiment zeigt eine neue Art von Übergang zu synchronem Verhalten, welche kürzlich mit Hilfe von gekoppelten generischen Phasen- und van der Pol Oszillatormodellen aufgedeckt wurde. Desweiteren konnten bislang unerforschte Prozesse des Kohärenzübertrags auch zu nichtsynchronisierten Oszillationen beobachtet werden.,In this work two nonlinear phenomena are investigated, multistability due to delayed feedback and synchronization of quasiperiodic oscillations. The experimental devices are semiconductor lasers with ultra-short optical feedback, which is integrated on the same chip as the laser. Delayed feedback causes the folding of lasing modes, leading to hysteresis effects and even the coexistence of several laser states for the same parameters. A regime of tristability of continuous-wave (cw) states is found for multiple ranges of applied currents. Very close to threshold, one of the lasing states may be replaced by the stable ``off''''-state. Theoretical investigations in the framework of the paradigmatic Lang-Kobayashi model provide a consistent understanding of the experimental findings. Besides modifying the stationary behavior of a semiconductor laser, delayed feedback can cause instabilities of the laser output. Depending on strength and phase of the feedback, two types of self-sustaining pulsations of the emitted light intensity are found in our devices. Synchronization processes of such pulsations are studied in a system of two coupled multisection lasers. Periodic self-pulsations of laser 1 are injected into laser 2, which is operating in a regime with two-frequency quasiperiodic self-pulsations. The experimental system demonstrates the new type of transitions to synchrony between three frequencies which has been recently revealed using generic coupled phase and van der Pol oscillator models. Moreover, carefully determining the coherence of the noisy oscillations, so far unexplored processes of coherence transfer to nonsynchronized oscillations are revealed.,
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