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In this thesis experiments on flavins in the gas phase are presented, especially on their photophysics when interacting with femtosecond laser light (400 nm and whitelight). The used experimental apparatus is a tandem mass spectrometer (for mass selection and analysis) combined with a radio- frequency hexadecapole ion trap where the interactions of the trapped ions with the laser light are occurring. The used laser system is a femtosecond Ti:Sapphire system (Femtolasers Femtosource oscillator, Quantronix Odin amplifier) providing 35 fs long 800 nm pulses with up to 1.2 mJ en- ergy at an 1 kHz repetition rate. These laser pulses are used for frequency doubling and as seed pulses for whitelight filamentation. The three major species of flavins are Riboflavin (RBF), Flavin Mononucleotide (FMN), and Flavine Adenine Dinucleotide (FAD), of which FMN and FAD are synthesized from RBF in organisms and act as functional groups in hundreds of different flavo- proteins. The successful generation of gas phase ions for all three flavins with an electro- spray ionization (ESI) source as either cations or anions (RBF+ and FAD2− ), or even both (for FMN) is demonstrated. The collision induced dissociation (CID) of the flavins exhibits slightly different behavior for each species: RBF+ fragments predominantly into Lumichrome (LC)+ , with a small additional channel involving water loss; FMN+ ’s main CID product is the loss of water, as well as LC+ and the loss of the phosphate group; FMN− is stable against CID, it fragments in small amounts to neutral LC and Lumiflavin (LF), with the charged side chains remaining intact; FAD2− fragments into two singly charged parts, the most dominant process being the one that produces LF− as one of the products. The investigation of the photophysics of the flavins with 400 nm fs pulses reveals that FMN+ and RBF+ show very similar laser induced dissociation (LID) behavior: One photon fragmentation into LC+ , LF+ , and Formylmethylflavin (FMF)+ dominates, with LF+ having the strongest intensity and FMF+ the weakest. At high pulse energies these fragments frag- ment further via two photon excitation into numerous smaller fragments; FMN− fragments almost exclusively into neutral FMF and its corresponding charged side chain. The charge reversal spec- trum of FMN− is shown to be very similar to the LID spectrum of FMN+ , indicating an additional photo fragmentation is occurring during the photo ionization of the neutral FMF. FAD2− exhibits only limited LID, mostly into LF− and LC− and their respective singly charged counterparts. The temperature dependence of the LID shows a different behavior for the anionic and the cationic species: While for anions the LID yields decrease, for cations they increase. The experiments with ultrashort ( 5 fs) whitelight (WL) fs-pulses for FMN+ and RBF+ show LID patterns similar to the 400 nm experiments, just with twice the number of required photons. The application of a genetic algorithm optimization via a feedback loop is demonstrated for the LID of FMN+ , the resulting optimized pulse is a short pulse (5 fs). The systematic variation of the linear chirp of the pulse yields the same result for pulses up to 50 μJ energy, the shortest laser pulses produce the highest LID yields. The chirp dependent experiments with high pulse energies (ca. 500 μJ, with- out shaper) reveal that for these high pulse energies the highest LID yields are actually achieved with negatively chirped pulses. This pattern is also observed for the other flavin species. The high intensities of the WL pulses are shown to be particularly advantageous to achieve charge reversal spectra for FMN− and FAD2− , with far higher ion yields than possible with 400 nm pulses. The observed mass spectra for the charge reversal of FMN− are almost identical to the LID of FMN+ . The charge reversal experiments of FAD2− are similar to those of the other flavin species, with the additional appearance of adenine. Finally, experiments on [FMN+Trp]+ complexes provide evidence for occurrence of photo induced electron transfer between the flavin and the amino acid.,In dieser Arbeit werden eine Reihe von Experimenten an verschiedenen Arten von Flavinen in der Gasphase mit Femtosekundenlaserpulsen vorgestellt. Der verwendete experimentelle Aufbau ist ein Tandem Massenspektrometer (zur Selektion und Analyse der ionisierten Moleküle) kombiniert mit einer RF Hexadekapol Falle, in der die Flavine mit den Femtosekundenlaserpulsen interagieren können. Die Erzeugung der gewünschten Molekülspezies geschieht mit Hilfe einer Elektrospray Quelle. Das Femtosekundenlasersystem besteht aus einem Ti:Saphir Oszillator von Femtolasers kombiniert mit einem Odin Pulsverstärker von Quantronix, das Laserpulse mit 800 nm Wellen- länge, 35 fs Dauer und bis zu 1,2 mJ Pulsenergie bei einer Repetitionsrate von 1 kHz liefert. Diese Pulse werden dann entweder durch Frequenzverdoppelung zu 400 nm Pulsen konvertiert, oder für die Erzeugung von Weißlicht durch Filamentierung benutzt. Die drei wichtigsten Flavine sind Riboflavin (RBF), Flavin Mononucleotide (FMN) und Flavine Adenine Dinucleotide (FAD). FMN und FAD werden im menschlichen Körper aus RBF (Vitamin B2 ) synthetisiert, sie bilden die funktionalen Elemente in Hunderten so genannter Flavoproteine. Die erfolgreiche Erzeugung von entweder kationischen oder anionischen Flavinen (RBF+ und FAD2− ) oder sogar beides (FMN+ und FMN− ) mittels einer Elektrosprayquelle wird demonstriert. Die kollisionsinduzierte Dissozi- ation ist dabei leicht unterschiedich für die verschiedenen Flavinarten: RBF+ fragmentiert primär in Lumichrome (LC)+ und spaltet in kleinerem Ausmaß Wasser ab; FMN+ spaltet hauptsächlich Wasser ab, zusätzlich verliert es die Phosphatgruppe oder zerfällt in LC+ ; FMN− ist dagegen sehr stabil, die geringe beobachtbare Fragmentation besteht aus gleichen Teilen aus neutralem LC und Lumiflavin (LF) sowie den zugehörigen geladenen Seitenketten; FAD2− zerfällt in zwei einfach geladene Fragmente, eines von diesen ist LF− . Die Untersuchung der Photophysik der Flavine mit 400 nm fs Laserpulsen zeigt ein sehr ähnliches Verhalten für RBF+ und FMN+ : Es dominiert der einphotonische Zerfall in LC+ , LF+ und Formylmethylflavin (FMF)+ , dabei zeigt LF+ die größte relative Häufigkeit, FMF+ die geringste. Bei hohen Pulsenergien fragmentieren diese Pho- toprodukte nach zweiphotonischer Anregung zusätzlich in eine ganze Reihe kleinerer Fragmente; FMN− fragmentiert fast auschliesslich in neutrales FMF sowie die zugehörige geladene Seiten- kette. Das Ladungsumkehrspektrum ist dagegen fast identisch mit dem von FMN+ ; FAD2− frag- mentiert nur schwach unter Laserlichteinwirkung, primär in LC− und LF− sowie den zugehörigen Seitenketten und Adeningruppen. Die Temperaturabhängigkeit der laserinduzierten Dissoziation zeigt ein entgegengesetztes Verhalten für die Anionen und Kationen: Kationen dissoziieren leichter bei tiefen Temperaturen, Anionen dagegen besser bei hohen. Die Experimente mit ultrakurzen (5 fs) Weißlichtlaserpulsen zeigen für FMN+ und RBF+ ein sehr ähnliches Verhalten im Vergleich zu den 400 nm Experimenten, mit dem Unterschied, dass die Anzahl der jeweils benötigten Pho- tonen sich verdoppelt. Die erfolgreiche Anwendung eines genetischen Algorithmus auf die Op- timierung der Dissoziation von FMN+ wird ebenfalls demonstriert. Die sich ergebende optimale Pulsform ist ein kurzer Weißlichtpuls. Die Untersuchung der Chirpabhängigkeit der Dissoziation liefert ein ähnliches Ergebnis für Pulsenergien bis zu 50 μJ, die kürzesten Pulse fragmentieren am effizientesten. Bei Pulsenergieen von 500 μJ zeigt sich allerdings, das negative Chirps eine stärkere Fragmentation als kurze Pulse verursachen. Diese Ergebnissse gelten auch für die an- deren Flavine. Die hohen Feldstärken der Weißlichtpulse erweisen sich besonders vorteilhaft für die Ladungsumkehrspektroskopie von FMN− und FAD2− . Photofragmentationsexperimente an [FMN+Trp]+ Komplexen geben deutliche Hinweis darauf, das ein photoinduzierter Ladungstrans- fer zwischen dem Flavin und der Aminosäure Tryptophan stattfindet.,
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Gesamtdissertation,Im Rahmen dieser Studie wurde ergänzend zu den allgemeinen rehabilitativen Maßnahmen der Einfluß mechanischer Stimuli mittels oszillierender Interventionen vom Galileo 2000 auf die Oberschenkelmuskulatur nach Rekonstruktion des vorde-ren Kreuzbandes des Kniegelenkes untersucht. Hierzu wurde eine Galileogruppe mit oszillierender Stimulation einer Kontrollgruppe ohne zusätzlich Stimulation zum ambulanten Rehabilitationsprogramm gegenüber- gestellt. Alle Patienten hatten eine arthroskopisch durchgeführte vordere Kreuzband-plastik mit Semitentinosus-Transplant erhalten, welche durch zwei Operateure durchgeführt wurde, die sich gegenseitig bei den einzelnen Operationen assistierten und dieselbe Technik verwendet haben. Die untersuchte Gruppe umfaßte insgesamt 51 Patienten, von denen sich 36 der Nachuntersuchung stellten. Das Galileo 2000 Gerät arbeitet als Wippe mit einer Amplitude von 0-5 mm ( medial nach distal) bei veränderbarer Frequenz. Zur Steigerung der Muskelleistung hat sich eine Frequenz von 25-27 Hertz bewährt, welches einer durchschnittlichen Zyklus-dauer von ca. 38,5 Millisekunden entspricht. Dies ist die Zeit, die benötigt wird, um bei Auf- und Abbewegungen jeweils einen natürlichen Dehnungsreflex der Agonisten und Antagonisten in einer geschlossenen Kette zu erzeugen. Es wurden sowohl praeoperativ als auch 12 Wochen postoperativ sonographische und isokinetische Messungen vorgenommen. Ergänzend wurde ein prae und postoperativer Scorever-gleich mittels Tenger und Lysholmscore vorgenommen. Bei der Cybexmessung zeigten sich bei den Mittelwerten der Drehmomentmaxima der Winkelgeschwindigkeiten von 90°/s und 120°/s postoperativ ein ähnliches Ver-halten in beiden Gruppen. Signifikante Unterschiede lassen sich bei 150°/s erken-nen. Während in der Galileogruppe die Tendenz zur kontinuierlichen Abnahme der Maxima beibehalten wird, fällt in der Kontrollgruppe der Trendverlauf deutlich ab. Zusätzlich wurden sonografisch Muskelquerschnitte bei 10cm und 20 cm proximal des palpierbaren Kniegelenkspaltes im Bereich des medialen, ventralen und latera-len Kompartiments vorgenommen. Im Vergleich mit den praeoperativ erzielten Wer-ten reduziert sich die Muskulaturdicke der betroffenen Extremität postoperativ in fast allen Bereichen um weitere 10 % im Vergleich zu der nicht betroffenen Extremität. Auffällig ist die schwach signifikante Reduktion der Muskulaturdicke in der Kontroll-gruppe am medialen Meßpunkt 10 cm proximal des Kniegelenkspaltes im Vergleich zur gesunden Seite. Die Verteilung der sportlichen Aktivität anhand des Tenger-Scores zugunsten der Galileogruppe zeigt sowohl prae- als auch postoperativ eine schwach positive Signi-fikanz In der subjektiven Beurteilung des postoperativen Ergebnisses mittels Lysholm- Score sind die Patienten in der Kontrollgruppe zufriedener als in der Galileogruppe, auch wenn rechnerisch keine Signifikanz besteht. Am operierten Kniegelenk scheinen Regulationsmechanismen durch Veränderungen der neurophysiologischen und/oder muskelspezifischen Voreinstellungen durch die Galileoanwendung in eine sensiblere Richtung hin verschoben zu werden. In der Kontrollgruppe verringert sich der Muskeldurchmesser im medialen Bereich in 10 cm proximal des Kniegelenkes als auch das Drehmomentmaximum signifikant. Die Kraftentwicklung wird wie in unserem Experiment gesagt unter anderem auch durch Reflexmechanismen hier mittels mechanisch oszillierender Stimulie beeinflußt. Es kommt trotz frühfunktioneller krankengymnastischer Behandlung zu einer Abschwä-chung der Drehmomente der Oberschenkelstreckmuskulatur und damit zu einer Ver-schiebung des Strecker/Beuger Verhältnisses hin zu den Beugern, die als Agonisten des VKB und auch des Patellasehnenansatzes aufzufassen sind. Diese Veränderung der muskulären Balance soll allzu großen ventralen Vorschub der Tibia verhindern und des Transplantates verhindern. Hierbei können mechanische Stimulie zum Mus-kelaufbau mittels Oszillation wie bei Galileo 2000 ihren Beitrag leisten. Schlußfolgerung: Durch Förderung der Reflexmechanismen durch mechanische Stimuli mittels einer oszillierenden Intervention werden Schutzmechanismen im Rahmen der frühfunktio-nellen Aktivierung des propiozeptiven Systems auf die Oberschenkelmuskulatur nach Rekonstruktion des vorderen Kreuzbandes des Kniegelenkes beeinflußt.,Within the scope of this study the influence of mechanical stimuli was examined in addition to the "general" rehabilitativen measures by means of oscillatory interventions by the Galileo in 2000 on the femoral musculature after reconstruction of the vorde-ren cruciate ligament of the knee joint. Moreover a Galileogruppe with oscillatory stimulation of a control group was compared with-put without in addition stimulation to the ambulant rehabilitation program. All patients had received an arthroskopisch carried out front cruciate ligament plastic with Semitentinosus-trans-planning which was carried out by two surgeons who assisted themselves mutually in the single operations and have used the same technology. The examined group enclosed a total of 51 patients from whom 36 positioned themselves to the re-examination. The Galileo in 2000 device works as a seesaw with an amplitude of 0-5 mms (media after distal) with changeable frequency. To the increase of the muscle achievement a frequency of 25-27 hertz which correspond to an average cycle duration of approx. 38.5 milliseconds has proved itself. This is the time which is required to generate a natural stretch reflex of the agonists and antagonist in a closed chain with On and Abbewegungen in each case. It were carried out praeoperativ as well as 12 weeks post surgically sonographische and isokinetische measurements. In addition it was carried out prae and post surgical score comparison by means of Tenger and Lysholmscore. With the Cybexmessung appeared with the averages of the torque maxima of the corner speeds of 90 ° / see and 120 ° / see post surgically a similar hold in both groups. Significant differences can be recognised with 150 ° / see. While in the Galileogruppe the trend towards the continuous decrease of the maxima will maintain, the trend course falls in the control group clearly from .z In addition, were carried out sonografisch muscle cross sections with 10 cm and 20 cm proximal of the palpateable knee joint gap in the area of the media, ventralen and latera-len Kompartiments. In comparison to praeoperativ achieved Wer-ten the musculature thickness of the affected extremity decreases post surgically in almost all areas about other 10% in comparison to the not affected extremity.The weakly significant reduction of the musculature thickness in the controlling group in the media measuring point 10 cm proximal of the knee joint gap in comparison to healthy side is remarkable. The distribution of the sporty activity with the help of the Tenger score in favour of the Galileogruppe shows presurgically as well as post surgically a weakly positive Signi-fikanz in the subjective judgement of the post surgical result by means of Lysholm score the patients are "more contented" in the control group than in the Galileogruppe, even if computationally no significance exists. In the operated knee joint regularisation mechanisms seem to be shifted by changes of the pre-settings specific for muscle and/or neuro- physiological by the Galileoanwendung in a more sensitive direction. In the control group the muscle diameter decreases in the media area in 10 cm proximal of the knee joint as well as the torque maximum significantly. The strength development is influenced like in our experiment said, among the rest, also by reflex mechanisms here by means of mechanically oscillatory Stimulie. It comes in spite of early-functional ill-gymnastic treatment to an Abschwä-chung of the torques of the femoral trail musculature and with it to a-unit deformation of the Strecker/Beuger relation to to the Beugern which are to be understood as agonists of the VKB and also the patella tendons beginning. This change of the muskulären balance should prevent much too big ventralen feed of the tibia and prevent the graft. On this occasion, mechanical Stimulie can perform her contribution to the muscle construction by means of oscillation like with Galileo in 2000. Conclusion: Protective mechanisms are influenced by support of the reflex mechanisms by mechanical stimuli by means of an oscillatory intervention within the scope of the early- functional activation of the propiozeptiven system on the femoral musculature after reconstruction of the front cruciate ligament of the knee joint.,
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Titel Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 1. Schwerewellen in der Atmosphäre 6 1.1 Der Aufbau der Atmosphäre 6 1.2 Schwerewellen 12 2. Theorie 21 2.1 Dispersionsgleichung für Schwerewellen 22 2.2 Spektraltheorie der Schwerewellen 29 2.3 Parametrisierungsmodell 32 2.3.1 Impulsfluss durch Schwerewellen 34 2.4 Analyseprozeduren 36 2.4.1 Radiosondendaten 36 2.4.2 Spektralanalyse der Temperaturfluktuation 42 2.4.3 Vertikale Ausbreitungsrichtung der Wellen 44 2.3.4 Stokes-Parameter-Analyse 46 2.5 Zusammenfassung 49 3. Ergebnisse 51 3.1 Zustand der Atmosphäre im Beobachtungszeitraum 51 3.2 Variabilität der Schwerewellen 54 3.2.1 Powerspektrum vertikaler Wellenzahlen aus Temperaturfluktuationen 55 3.2.2 Schwerewellenaktivität 61 3.2.3 Anteile kinetischer und potentieller Energie 66 3.2.4 Ausbreitungsrichtung der Wellen 67 3.2.5 Wellenfrequenz 73 3.2.6 Vertikale und horizontale Wellenlänge 74 3.2.7 Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten 77 3.3 Vertikaler Impulsfluss durch Schwerewellen 79 3.4 Zusammenfassung der Parameter 80 3.5 Quellen der Schwerewellenaktivität über Lindenberg 81 3.5.1 Fronten und Schwerewellenaktivität 84 3.5.2 Windgeschwindigkeit und Schwerewellenaktivität 96 3.6 Fallstudien zur Quellen-Identifizierung 99 4. Zusammenfassung und Ausblick 116 4.1 Zusammenfassung 116 4.2 Ausblick 118 Anhang 120 Symbolverzeichnis 133 Literaturverzeichnis 134 Danksagung 142 * * * ####,Diese Arbeit untersucht die Eigenschaften von Schwerewellen, Wellen aus dem kleinräumigen Anteil des Spektrums atmosphärischer Bewegungen. Schwerewellen sind Oszillationen in meteorologischen Parametern wie Temperatur, Windgeschwindigkeit, Druck und Dichte, die sich als Effekt der Schichtung der Luft im Zusammenhang mit der Schwerkraft verstehen lassen. Schwerewellen können sich bis in große Höhen der Atmosphäre ausbreiten und sie treten mit einer Vielzahl möglicher Perioden (Minuten bis Stunden) und horizontalen Wellenlängen (wenigen hundert Kilometern bis hin zu etwa tausend Kilometern) auf. Schwerewellen transportieren Impuls und Energie von ihrem Entstehungsort (z.B. Troposphäre) in andere Höhenregionen z.B. in die Stratosphäre und Mesosphäre und beeinflussen dort die allgemeine Zirkulation der Atmosphäre. Weitgehend unbekannt sind die Charakteristiken von Schwerewellen, die in mittleren Breiten auftreten, aber nicht durch Berge angeregt werden. Es herrscht bislang Unklarheit darüber, wo solche nicht-stationäre Schwerewellen entstehen und wie groß ihr Anteil ist. Das beobachtete Ansteigen von Schwerewellenaktivität in der Nähe von Frontalzonen und "Jetstreams" über dem Ozean [Fritts und Nastrom 1992] ist ein Hinweis darauf, dass auch andere nicht-orographische Quellen einen nicht unerheblichen Anteil an der Schwerewellenaktivität besitzen. Durch systematische Auswertung eines vierjährigen Datensatzes von Radiosondendaten einer Station in den mittleren Breiten (Lindenberg) konnte mit dieser Arbeit ein Beitrag zur Erstellung einer globalen Klimatologie von Schwerewellenaktivität innerhalb der SPARC Gravity Wave Initiative geleistet werden: Es wurde gezeigt, dass die Schwerewellenaktivität in den mittleren Breiten deutlich geringer (Faktor 1/2) als in tropischen Gebieten ist und einen typische Jahresgang (maximaler Schwerewellenaktivität im Winter und minimaler Aktivität im Sommer) besitzt, welcher abhängig vom Hintergrundwind, bzw. von der synoptischen Situation ist. Die beobachteten Schwerewellen breiten sich im Mittel entgegen der meist herrschenden Westströmung aus. Der Anteil der aufwärtsgerichteten Ausbreitungsrichtung der Schwerewellenenergie (Troposphäre 50%, Stratosphäre 80%) deutet auf eine Quelle der Schwerewellen in der oberen Troposphäre hin. Als Quellen für Schwerewellen über Lindenberg kommen aufgrund der Ergebnisse dieser Arbeit Fronten und der "Jetstream" während der Anpassung ageostrophischer Winde an das geostrophische Gleichgewicht ("Geostrophic Adjustment") in Frage. Mehrere in dieser Arbeit durchgeführte Fallstudien zeigten, dass das Auftreten von erhöhten Energiedichten über Lindenberg mit erhöhten Windgeschwindigkeiten in der Tropopausen-Region zusammenfällt und eine markante synoptische Situation vorlag. Damit erscheint als Fazit dieser Arbeit die Anregung von Schwerewellen über Lindenberg durch die Anpassung eines geostrophischen Ungleichgewichtes zu dominieren.,This thesis examines the characteristics of gravity waves. Gravity waves occur over the small scale portion of the atmospheric wave spectrum. Gravity waves are associated with oscillations of meteorological parameters such as temperature, wind velocity, pressure, and density and they arise when air becomes stratified due to gravity. Gravity waves can propagate to high altitudes in the atmosphere and exhibit a broad spectrum of possible periods (minutes until hours) as well as horizontal wavelengths (few hundred kilometres up to approximately thousand kilometres). Gravity waves may therefore transport momentum and energy from their origin (e.g. orography in the troposphere) into other altitudes, e.g. the stratosphere und mesosphere hence influence the general circulation of the atmosphere. The characteristics of non-orographic gravity waves, which arise in mid latitudes, are to a large extent unknown. It prevails so far to ambiguity over it where such non- stationary gravity waves develop and are as large their portion. Observed rising of gravity wave activity near frontal zones and "Jetstreams" over the ocean [Fritts and Nastrom 1992] is a reference on the fact that also different non-orographic sources possess a not insignificant portion of the gravity wave activity. Through systematic evaluation of a four years data record of radiosonde data of a station in the mid latitudes (Lindenberg) a further contribution could be made here for the production of a global climatology for gravity wave activity within the SPARC gravity wave initiative: It was shown that the gravity wave activity in the mid latitudes is clearly smaller (factor 1/2) than in tropical areas and possesses a typical annual variation (maximum gravity wave activity in the winter and minimum activity in the summer) which dependent on the background wind, and from which the synoptic situation. The observed gravity waves propagate on the average against the usually dominant west winds. The portion of the upward propagation of the gravity wave energy (Troposphere 50%, Stratosphere 80%) points on a source of the gravity waves in the upper troposphere. As sources for gravity waves in the mid latitudes fronts and the "jetstream" during the adjustment of ageostrophic winds to the geostrophic equilibrium ("geostrophic adjustment") come due to the results in question. The observed waves have frequencies near the local inertial frequency, the horizontal wavelengths lie within the range of some hundred kilometres. Several case studies in this thesis showed that the occurrence of increased power densities over Lindenberg with increased wind velocities in the tropopause region collapses and a similar synoptic situation was present, as in the simulation of inertial gravity waves during the development of a baroclinic instability by O'Sullivan and Dunkerton [1995]. Thus the suggestion of gravity waves over Lindenberg appears by the adjustment of a geostrophic imbalance as dominating developing mechanism to prevail.,
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Periodically arranged atoms are the fundamental building blocks of solids, and determine the mechanical, thermal, and electric properties of a material. Thus, it is no surprise that lattice vibrations (phonons) govern a number of exciting phenomena such as spin transport in thermal gradients, phase transitions and superconductivity. In this thesis, we take advantage of phonons as a novel and specific pathway to drive ultrafast processes in solids. By direct excitation with intense, ultrashort THz electric-field transients, high frequency phonons in insulating solids are accessed on their intrinsic time- and energy-scales, while avoiding parasitic electronic processes. These studies were enabled by the design and implementation of a high-field THz source, which allows for phase-sensitive pump-probe experiments over multiple time scales: from femto- to microseconds. This work provides new insights into the coupling between the lattice and magnetic ordering, which is of central relevance for rapid data processing and information storage in future technological applications. Furthermore, fundamental dynamic processes such as magnetization switching and transport of spin angular momentum require an understanding of the way spins interact with oscillations of the crystal lattice. In order to gain such fundamental insights we investigate pure spin- lattice coupling by resonant excitation of infrared-active phonon modes of the textbook ferrimagnetic insulator Yttrium Iron Garnet. Remarkably, two distinctive time scales for phonon-magnon equilibration are revealed. A surprisingly rapid change of magnetic order with a time constant of ~1 ps is found to be driven by phonon-induced fluctuations of the exchange coupling, which leads to a sublattice demagnetization under the constraint of conserved total spin angular momentum. The resulting metastable state persists for nanoseconds until the spin angular momentum is released to the lattice via weaker coupling mechanisms. The experimental observations can be reproduced by atomistic spin-dynamics simulations. These findings have important implications for contemporary research fields like the spin Seebeck effect, antiferromagnetic spintronics and ultrafast magnetization switching. In contrast, phonon modes with vanishing electric dipole moments were so far excluded from such direct THz excitation. In this thesis, a novel type of light-matter interaction is presented that enables coherent-phonon excitation via non-resonant two-photon absorption of intense THz fields. This second- order nonlinear process is the so far neglected up-conversion counterpart of stimulated Raman scattering. Here, it is demonstrated by the coherent control of the 40 THz Raman-active optical phonon in diamond via the sum frequency of two intense terahertz field components. Remarkably, the CEP of the driving pulse is directly imprinted on the lattice vibration. This study opens up a novel pathway to the phase-sensitive coherent control of phonons that were previously inaccessible by THz radiation. Furthermore, new prospects in vibrational and magnon spectroscopy, lattice trajectory control and laser machining emerge from this work. In conclusion, this thesis demonstrates that phonons are a key component for controlling ultrafast processes in solids.,Die Gitterstruktur kristalliner Festkörper bestimmt deren grundlegende Eigenschaften, wie z.B. das mechanische, thermische und elektrische Verhalten. Daher wird eine ganze Reihe außergewöhnlicher Phänomene wie Spintransport in Temperaturgradienten, Phasenübergänge und Supraleitung von Gitterschwingungen (Phononen) bestimmt. In der vorliegenden Arbeit werden daher Phononen- Anregungen aktiv dazu benutzt, ultraschnelle Prozesse in Festkörpern zu steuern. Hierfür werden in einem elektrischen Isolator hochfrequente Phononen auf ihren fundamentalen Zeit- und Energieskalen mittels ultrakurzer intensiver elektrischer Terahertz (THz)-Felder angeregt. Durch die geringe Photonenenergie werden keine parasitären elektronischen Prozesse induziert. Diese Studien wurden durch die Entwicklung einer Hochfeld-THz-Quelle ermöglicht, die phasensensitive Anrege-Abfrage-Experimente von Femto- bis Mikrosekunden erlaubt. Die vorliegende Arbeit liefert neue Einsichten in die Kopplung von Kristallgitter und magnetischer Ordnung, die für schnellere Datenverarbeitung und zukünftige Informationsspeicher von zentraler Relevanz ist. Weitreichende Effekte wie Magnetisierungsdrehung und Spin- Drehmomenttransport erfordern ein fundamentales Verständnis der Wechselwirkung zwischen Elektronenspins und Gitterschwingungen. Aus diesem Grund wird hier die Spin-Gitter-Kopplung anhand resonanter Anregung infrarotaktiver Phononenmoden des ferrimagnetischen Isolators Yttrium-Eisen-Granat gezielt und selektiv untersucht. Bemerkenswerterweise findet die Äquilibrierung von Phononen und Magnonen auf zwei äußerst unterschiedlichen Zeitskalen statt. Direkt nach Anregung der Probe beobachten wir eine extrem schnelle Reduktion der magnetischen Ordnung mit einer Zeitkonstanten von nur ~1 ps, die durch Phonon-induzierte Fluktuationen der Austauschwechselwirkungskonstanten verursacht wird. Dies führt zu einer Demagnetisierung der Spin-Untergitter, wobei jedoch der gesamte Spin-Drehimpuls erhalten bleibt. Der daraus resultierende metastabile Zustand besteht für viele Nanosekunden, bis schließlich mittels einer schwächeren Kopplung Spin-Drehimpuls an das Gitter abgegeben wird. Diese Interpretation unserer experimentellen Beobachtungen wird durch atomistische Spin-Dynamik-Simulationen bestätigt. Diese Resultate sind hochgradig relevant für andere aktuelle Forschungsfelder wie den Spin Seebeck-Effekt, antiferromagnetische Spin-Elektronik oder ultraschnelles Schalten der Magnetisierung von Festkörpern. Phononen ohne elektrisches Dipolmoment sind andererseits von solchen direkten THz-Anregungen bisher ausgeschlossen. In dieser Arbeit wird eine neue Art von Licht-Materie- Wechselwirkung vorgestellt, die kohärente Phononenanregung mittels einer nicht-resonanten Zwei-Photonen-Absorption ermöglicht. Hierfür wird exemplarisch in Diamant die kohärente Kontrolle einer Raman-aktiven Gitterschwingung mittels der Summenfrequenzkomponente eines THz-Feldes demonstriert. Die CEP des Anregungsfeldes wird hierbei bemerkenswerterweise direkt auf die Schwingung übertragen. Dies eröffnet die Möglichkeit der phasenpräzisen Steuerung von Phononen, die bisher für THz-Strahlung unzugänglich waren. Damit ergeben sich neue Perspektiven für die Spektroskopie und Steuerung der Trajektorie von Phononen und Magnonen sowie für die Materialbearbeitung durch Laserstrahlung. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass Phononen zu den Schlüsselfiguren zur Steuerung von ultraschnellen Prozessen in Festkörpern gehören.,
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Hintergrund: Die Aufzeichnung und Analyse des spontanen Pupillenverhaltens im Dunkeln (Langzeitpupillographie) im Rahmen des pupillographischen Schläfrigkeitstests (PST) hat sich im Verlauf der letzten Jahre als eine vielversprechende, zeitlich und personell ökonomische Methode zur Bestimmung des zentralnervösen Aktivierungsniveaus herausgestellt. Ziel der vorliegenden Studie war eine weitergehende Prüfung der Validität der Langzeitpupillographie zur Erfassung des zentralnervösen Aktivierungsniveaus anhand der Untersuchung der Assoziation zwischen pupillographischen Parametern, subjektiven Schläfrigkeitsmaßen und spezifischen Korrelaten des zentralnervösen Aktivierungsniveaus im Wach-EEG. Methode: Bei 24 jungen gesunden Probanden erfolgte in einem von 21:00-23:00 Uhr des nachfolgenden Tages andauernden Experiment im Verlauf einer insgesamt 40-stündigen Schlafdeprivation zeitgleich zu einer kontinuierlichen Aufzeichnung des Wach-EEG zu definierten Messzeitpunkten eine Erhebung des subjektiven Schläfrigkeitsgrades mittels der Stanford Sleepiness Scale (SSS) und der Visuellen Analogskala zu Wachheit und Leistungsfähigkeit (VAS) sowie des zentralnervösen Aktivierungsniveaus mittels Langzeitpupillographie. Als pupillographisches Maß des zentralnervösen Aktivierungsniveaus wurde der Pupillen-Unruhe-Index (PUI, mm/min) gewählt. 5-s -EEG-Epochen, die simultan zur Langzeitpupillographie abgeleitet worden waren, wurden einer Spektralanalyse unterzogen; für die statistische Datenanalyse wurden Amplitudenspektralwerte als artefaktfrei gewerteter 5-s-EEG-Epochen der Ableitung C4-(A1+A2)/2 ausgewählt. Die Ergebnisse von 6 Probanden wurden aufgrund einer zu hohen Anzahl fehlender Werte von einer weiteren Analyse ausgeschlossen. Ergebnisse: Die nichtparametrische Varianzanalyse mit Messwiederholung ergab signifikante Änderungen des PUI, des subjektiven Schläfrigkeitsgrades anhand der SSS und VAS sowie der Aktivität im Delta- (1,5-5,5 Hz), Theta- (5,5-8,5 Hz), Alpha1- (8,5-10 Hz), Beta1- (12-18 Hz) sowie Beta3- (21-30 Hz) Frequenzbereich im Zeitverlauf. Für den PUI ließ sich aufgrund des im Vergleich zu vorangegangenen Studien längeren Beobachtungszeitraums neben einem deutlichen Anstieg mit zunehmender Dauer der Wachzeit erstmals eine trotz ausgeprägten homöostatischen Schlafdrucks vorliegende circadiane Modulation mit lokalem Minimum in den Abendstunden aufzeigen. Zu Zeitpunkten des niedrigsten im Vergleich zu Zeitpunkten des höchsten zentralnervösen Aktivierungsniveaus definiert anhand des PUI fanden sich signifikant höhere subjektive Schläfrigkeitswerte anhand der SSS und VAS sowie signifikante Zunahmen der Aktivität im Delta-, Theta-, Alpha1- sowie Beta1-Frequenzbereich. Die Berechnung intraindividueller Korrelationen nach Spearman ergab eine mit einem mittleren Korrelationskoeffizienten von ρ=0,523±0,280 bzw. ρ=0,502±0,318 signifikant positive Assoziation zwischen PUI und SSS- bzw. VAS-Werten sowie eine signifikant positive Assoziation zwischen PUI und der Aktivität im Delta- (ρ=0,589±0,227), Theta- (ρ=0,616±0,198) sowie Alpha1- (ρ=0,527±0,304) Frequenzbereich. Schlussfolgerungen: Die in der vorliegenden Studie erstmals für gesunde Probanden nachgewiesene enge Assoziation pupillographischer Parameter des zentralnervösen Aktivierungsniveaus mit spezifischen Korrelaten des zentralnervösen Aktivierungsniveaus im Wach-EEG erweitert die bisher vorliegenden Untersuchungen testtheoretischer Gütekriterien des PST und untermauert die Validität der Langzeitpupillographie als objektives Verfahren zur Erfassung des zentralnervösen Aktivierungsniveaus.,Introduction: In recent years there has been growing interest in the use of pupillography as an objective and time-saving method to measure daytime sleepiness. The aim of the present study was to further elucidate the validity of pupillography as a measure of sleepiness by investigating the association of pupillometric variables with subjective sleepiness and waking EEG activity. Methods: 24 young healthy adults participated in the study. In an experiment lasting from 9 p.m. to 11 p.m. the following day a test battery including the assessment of subjective sleepiness and pupillography was performed at regular time intervals during 40 h of sustained wakefulness. Subjective sleepiness was assessed using the Stanford Sleepiness Scale (SSS) and a Visual Analogue Scale (VAS). Spontaneous pupillary oscillations were recorded by means of infrared video pupillography and Pupillary Unrest Index (PUI; mm/min) was calculated. Waking EEG activity was recorded continuously at different electrode positions using a Vitaport system. 5-s epochs recorded during pupillography were visually inspected for artifacts and subjected to spectral analysis; the results presented refer to epochs selected from the C4-(A1+A2)/2 derivation. The recordings of 6 subjects had to be excluded from further analysis due to missing data. Results: Nonparametric analysis of variance for repeated measurements revealed significant variations over time in PUI, SSS, VAS, and power in the delta (1.5-5.5 Hz), theta (5.5-8.5 Hz), alpha1 (8.5-10 Hz), beta1 (12-18 Hz), and beta3 (21-30 Hz) frequency range. Due to the longer period of sleep deprivation as compared to previous studies for the first time a prominent circadian modulation of PUI under high homeostatic sleep pressure was shown. At time points of maximum PUI indicating a high level of sleepiness significant increases were found in subjective sleepiness as well as in delta, theta, alpha1, and beta1 power. Relating in individual subjects changes in PUI to changes in subjective sleepiness and waking EEG activity revealed a significant positive intra-individual correlation between PUI and subjective sleepiness (SSS: ρ=0.523±0.280; VAS: ρ=0.502±0.318) as well as between PUI and power in the delta (ρ=0.589±0.227), theta (ρ=0.616±0.198) and alpha1 (ρ=0.527±0.304) frequency band. Conclusions: The novel finding of a close association between pupillometric variables and distinct changes in waking EEG activity further supports the validity of pupillography as an objective method to assess the level of sleepiness.,
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Gesamtdissertation ## Contents List of Figures v List of Tables vii Abbreviations ix Notation xi Introduction 1 Part I - Double-Pole Approximation in Time-Dependent Density Functional Theory 5 2 Foundations of Time-Dependent Density Functional Theory 7 2.1 Runge-Gross Theorem 8 2.2 Time-Dependent Kohn-Sham Scheme 10 2.3 Linear-Response Formulation of TDDFT 12 3 Excitation Energies in Time-Dependent Density Functional Theory 15 3.1 Single-Pole Approximation 16 3.2 Double-Pole Approximation 18 3.2.1 Exact Solution of Casida's Equations 18 3.2.2 Model Illustrations 21 3.2.3 Magic Positions in the Spectra 23 3.2.4 Strength of the Interaction 25 3.2.5 Frequency-Dependent Kohn-Sham Oscillator Strengths 26 3.2.6 Inversion of the Double-Pole Solution 26 3.3 Summary and Outlook 27 Part II - Time-Dependent Natural Orbitals and Reduced Density Matrices 29 4 Static Reduced Density Matrix Functional Theory 31 4.1 Reduced Density Matrices 32 4.2 Direct Minimization of the Total Energy in Terms of gamma2 35 4.3 Direct Minimization of the Total Energy in Terms of gamma1 37 5 Time-Dependent Reduced Density Matrix Functional Theory 41 5.1 The BBGKY Hierarchy of Reduced Density Matrices 42 5.1.1 Formulation in Terms of N-Body Matrices 43 5.1.2 Formulation in Terms of N-Body Correlations 45 5.1.3 Orbital Representation 48 5.2 Time-Dependent Natural Spin Orbitals and Occupation Numbers 49 5.2.1 Equations of Motion 49 5.2.2 Cluster Expansion 53 5.2.3 Phase Transformations 54 5.2.4 Time-Dependent Hartree-Fock Limit 55 5.2.5 Adiabatic Extension of Ground-State Functionals 56 5.3 Obtaining Static Functionals from TDRDMFT 58 5.4 Applications 61 5.4.1 Correlation Entropy 61 5.4.2 Optimal Control Theory 62 5.4.3 Model System 65 5.4.4 Atoms in Strong Laser Fields 71 5.4.5 Electron-Ion Scattering 76 5.5 Summary and Outlook 81 Part III - Electronic Transport within Time-Dependent Density Functional Theory 83 6 Ab-Initio Approaches to Electronic Transport 85 6.1 Real-Space Algorithm for Scattering States 91 7 Ab-Initio Methods for Time-Dependent Electronic Transport 97 7.1 Comparison of Approaches for the Solution of the TDKS Equations 97 7.2 Quantum Transport in Finite Systems 103 7.3 Propagation with a Hybrid Basis 112 7.4 Summary and Outlook 118 Part IV - Appendix 121 A Matrix Formulation of the TDDFT Response Equations 123 B Domain Parallelization 127 B.1 Parallelization Strategies 127 B.2 Technical Aspects 129 B.3 Application to Cs8@C60 129 Bibliography 131 Deutsche Kurzfassung 145 Publications 147 Acknowledgements 149 Index 151 Colophon 155,Time-dependent density functional theory (TDDFT) provides a successful approach to calculate excitation energies of atomic and molecular systems. In part I of this work we present a double-pole approximation (DPA) to the response equations of TDDFT. The double-pole approximation provides an exact description of systems with two strongly coupled excitations which are isolated from the rest of the spectrum. In contrast to the traditional single- pole approximation of TDDFT the DPA also yields corrections to the Kohn-Sham oscillator strengths. Several critical pole separations can be identified, e.g. we find that the pole coupling can cause transitions to vanish entirely from the optical spectrum. We also demonstrate how to invert the double-pole solution which allows us to predict matrix elements of the exchange- correlation kernel fxc from experimental input. This can serve as benchmark for the construction of future approximations for the kernel fxc. Reduced density matrix functional theory (RDMFT) has emerged recently as promising candidate to treat strongly correlated electronic many-body systems beyond traditional density functional theory (DFT). The research within RDMFT was so far focussed on the static theory. In this work we attempt some first steps towards a time-dependent generalization of RDMFT. In part II we derive equations of motion for natural orbitals and occupation numbers. Using the equation of motion for the occupation numbers we show that an adiabatic extension of presently known ground-state functionals of static RDMFT always leads to occupation numbers which are constant in time. From the stationary conditions of the equations of motion for the N-body correlations (correlated parts of the N-body matrices) we derive a new class of ground-state functionals which can be used in static RDMFT. Applications are presented for a one-dimensional model system where the time-dependent many-body Schrödinger equation can be propagated numerically. We use optimal control theory to find optimized laser pulses for transitions in a model for atomic Helium. From the numerically exact correlated wavefunction we extract the exact time evolution of natural orbitals and occupation numbers for (i) laser-driven Helium and (ii) electron-ion scattering. Part III of this work considers time-dependent quantum transport within TDDFT. We present an algorithm for the calculation of extended eigenstates of single- particle Hamiltonians which is especially tailored to a finite-difference discretization of the Schrödinger equation. We consider the propagation of finite mesoscopic systems and demonstrate the limitations of such an approach. To overcome the shortcomings of a description of quantum transport in terms of finite systems we develop a time-propagation scheme for extended states which utilizes a mixed basis representation. Our discretization scheme allows to treat central device and lead regions on the same footing thus preventing artificial reflections at grid boundaries.,Zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (TDDFT) wird als erfolgreiches Werkzeug zur Berechnung von Anregungsenergien in atomaren und molekularen Systemen eingesetzt. Im ersten Teil dieser Arbeit leiten wir eine Doppelpol-Näherung für die TDDFT-Gleichungen der linearen Antwortfunktion her. Diese Näherung erlaubt die exakte Beschreibung von Systemen mit zwei stark gekoppelten Anregungsenergien, die vom Rest des Spektrums klar getrennt sind. Im Gegensatz zur klassischen Einpol-Näherung liefert die Doppelpol-Näherung Korrekturterme für die Kohn-Sham Oszillator-Stärken. In der vorliegenden Arbeit konnten mehrere kritische Polabstände identifiziert werden. Es stellt sich z.B. heraus, dass die Kopplung zwischen Anregungsenergien das Verschwinden von Übergängen im optischen Spektrum bewirken kann. Weiterhin zeigen wir wie sich die Gleichungen der Doppelpol-Näherung invertieren lassen, was dazu genutzt werden kann, Matrix-Elemente des Austausch-Korrelations-Kernels fxc mit Hilfe von experimentellen Daten zu bestimmen. In Zukunft kann dies als Grundlage für die Konstruktion von Funktionalen dienen. Die Theorie der reduzierten Dichtematrizen (RDMFT) gilt als vielversprechender Zugang, der eine über DFT hinausgehende Beschreibung von stark korrelierten Vielteilchensystemen ermöglicht. Bisherige Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der RDMFT beschränken sich hauptsächlich auf die Beschreibung von stationären Systemen. In der vorliegenden Arbeit versuchen wir erste Schritte im Hinblick auf eine zeitabhängige Erweiterung von RDMFT zu unternehmen. Wir leiten Bewegungsgleichungen für die natürlichen Orbitale und deren Besetzungszahlen ab und zeigen mit Hilfe der Bewegungsgleichung für die Besetzungszahlen, dass eine adiabatische Erweiterung bestehender Funktionale der statischen RDMFT zu zeitlich konstanten Besetzungszahlen führt. Aus den stationären Bedingungen für die Bewegungsgleichungen der N-Teilchen Korrelationen (korrelierte Anteile der N-Teilchen Dichtematrizen) leiten wir eine Klasse von Grundzustands- Funktionalen ab, die für Rechnungen innerhalb der statischen RDMFT verwendet werden können. Als Anwendung betrachen wir Zeitpropagationen der Vielteilchen- Schrödinger Gleichung für eindimensionale Modellsysteme. Mit Hilfe der Theorie der optimalen Kontrolle berechnen wir optimierte Laserpulse für atomare Übergänge in einem Modell für das Helium-Atom. Wir ermitteln mit Hilfe der korrelierten und - zumindest numerisch - exakten Wellenfunktion die exakte Zeitentwicklung der natürlichen Orbitale und Besetzungszahlen für (i) Helium im starken Laserfeldern und (ii) Elektron-Ionen Streuung. Teil III der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit zeitabhängigem elektronischen Transport im Rahmen der TDDFT. Wir stellen einen Algorithmus vor, mit dessen Hilfe sich ausgedehnte Eigenzustände von Einteilchen- Hamiltonoperatoren berechnen lassen. Die Methode ist speziell auf eine Finite- Differenzen Diskretisierung der Schrödinger Gleichung zugeschnitten. Wir untersuchen die Zeitpropagation von mesoskopischen Systemen mit Hilfe von endlichen Gittern und diskutieren die Einschränkungen eines solchen Zugangs. Um die Limitierungen von endlichen Simulationsgebieten zu überwinden, entwickeln wir ein Propagations-Schema welches auf einer Darstellung mit gemischter Basis beruht. In unserem Verfahren werden Zuleitungen und zentrales Streugebiet gleichermaßen behandelt, so dass Artefakte durch Reflexionen an den Gitterrändern vermieden werden.,
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Titelblatt und Inhalt 1\. Einleitung 1 1.1 Proteine 1 1.2 Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie 9 2\. Zielsetzung 25 3\. Material 27 3.1 Chemikalien 27 3.2 Materialien und Geräte 29 4\. Methoden 31 4.1 Proteinexpression und -aufreinigung 31 4.2 CD-Spektroskopie 39 4.3 FTIR-Spektroskopie 39 4.4 Berechnung der Amid-I-Bande auf Basis von Übergangsdipolkopplungen (TDC) 54 5. Ergebnisse 57 5.1 Proteinaufreinigung 57 5.2 FTIR-Messungen unter Gleichgewichtsbedingungen 59 5.3 Berechnete Spektren 72 5.4 FTIR-Messungen unter Nicht-Gleichgewichtsbedingungen 74 6. Diskussion 93 6.1 Expression und Aufreinigung von unmarkierter und 13C-markierter Rnase T1 93 6.2 FTIR-spektroskopische Strukturuntersuchungen 95 7\. Ausblick 117 Literaturverzeichnis 119,In den Schwingungsspektren von Proteinen wird hauptsächlich der Amid-I-Bereich zur Analyse der Proteinsekundärstrukturen herangezogen, weil er sich im wesentlichen aus den struktursensitiven Absorptionen der Carbonylstreckschwingungen des Polypeptidrückgrats zusammensetzt. Ein Austausch von 12C=O-Gruppen durch 13C=O-Gruppen einzelner Aminosäuren ermöglicht deshalb einen Zugang zu Strukturinformationen auf Peptidbindungsebene. Im Rahmen dieser Arbeit wurden aus diesem Grunde zum ersten Mal die Kohlenstoffatome der Carboxylgruppen aller vier Proline im Enzym Ribonuklease T1 durch das Kohlenstoffsotop 13C substituiert. Der Isotopenaustausch gelang biosynthetisch durch die Etablierung eines Expressionssystems für RNase T1 in einem prolinauxotrophen Hefestamm von Saccharomyces cerevisiae. Hierzu wurden die Hefen in Minimalmedium kultiviert, das neben isotopenmarkiertem Prolin keine weiteren Aminosäuren enthielt. Anders als bei dem bereits etablierten Isolierungsprotokoll der RNase T1 aus Escherichia coli konnte das für den Expressionsorganismus toxische Protein nicht ins Periplasma sekretiert werden, sondern musste ins Kulturmedium ausgeschleust werden. Zur Isolierung eines chromatographisch und spektroskopisch reinen Produktes aus dieser komplexen Matrix war deshalb die Entwicklung eines neuen Aufreinigungsprotokolls auf der Grundlage moderner Trenn- und Analysemethoden erforderlich. Die unmarkierte und 13C-markierte RNase T1 wurde vergleichend mit Fourier-Transform-Infrarot (FTIR)-spektroskopischen Methoden untersucht. Hierbei stand der Einfluss der isotopenmarkierten Proline auf den Amid-I-Bereich unter Bedingungen des thermodynamischen Gleichgewichts und Nicht-Gleichgewichts im Mittelpunkt des Interesses. Unter Bedingungen des thermodynamischen Gleichgewichts wurden die unmarkierte und 13C-markierte RNase T1 stufenweise thermisch entfaltet. Es zeigte sich, dass die Isotopenmarkierungen im nativ gefalteten Protein einen deutlichen Einfluss auf die Schwingungsspektren haben. Im thermisch entfalteten Zustand hingegen waren die beiden Proteinvarianten FTIR-spektroskopisch praktisch ununterscheidbar. Auf Basis der Schwingungsspektren konnten nun mit Hilfe theoretischer Überlegungen die Positionen der Proline in Einklang mit den Kristallstrukturdaten in bestimmten Sekundärstrukturen des Proteins lokalisiert werden. Insbesondere wurde hierbei der Einfluss der so genannten Übergangsdipolkopplungen (transition dipole coupling TDC) der Carbonylstreckschwingungen auf die Sekundärstrukturmarkerbanden von β-Faltblatt- und Turnstrukturen diskutiert. Kopplungen via TDC sind sehr stark von den räumlichen Orientierungen und den Resonanzfrequenzen der beteiligten Carbonylgruppen abhängig. Sie wirken sich im starren, nativ gefalteten Protein am stärksten aus, im flexiblen,thermisch entfalteten Polypeptid hingegen ist ihr Einfluss vernachlässigbar. Mit Hilfe von Spektrensimulationen auf Basis von TDC konnten die experimentell beobachteten Unterschiede zwischen den Schwingungsspektren der unmarkierten und 13C-markierten RNase T1 sehr gut reproduziert werden. Damit wurden wichtige Voraussetzungen dafür geschaffen, die komplexen Strukturinformationen des Amid-I-Bereichs in IR-Spektren mit theoretischen Methoden auf Peptidebene zu berechnen. Von besonderem Interessen waren neben den Messungen unter Gleichgewichtsbedingungen zeitaufgelöste FTIR- spektroskopische Untersuchungen unter Nicht-Gleichgewichtsbedingungen. Die Proteinrückfaltung aus einem thermisch entfalteten in den nativen Zustand wurde mit Hilfe von Temperatursprungexperimenten realisiert. Für diese Experimente wurde aufgrund der geringen Expressionsraten für RNase T1 in S. cerevisiae eine miniaturisierte Temperatursprungapparatur konzipiert, die bei sehr geringem Probenbedarf die Durchführung vieler reproduzierbarer Messungen ermöglichte. Die trans->cis Isomerisierung von Pro39, die den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt während der Rückfaltung der RNase T1 darstellt, ist synchronisiert mit einer räumlichen Neuorientierung der Pro39-Carbonylgruppe. Es konnte gezeigt werden, dass der Einfluss dieser unmarkierten und 13C-markierten Carbonylgruppe via TDC auf das benachbarte Turnsystem im Verlauf der Isomerisierung in den zeitaufgelösten Schwingungsspektren durch spezifische spektrale Änderungen entsprechender Sekundärstrukturmarkerbanden in Erscheinung tritt. Auf diese Weise wurde zum ersten Mal eine direkte Detektion der trans->cis Isomerisierungsreaktion von Pro39 in der RNase T1 während der thermisch induzierten Rückfaltung mit der zeitaufgelösten FTIR-Spektroskopie möglich.,The amide I region in vibrational spectroscopic spectra is generally used for the evaluation of protein secondary structure. Since the carbonyl groups are part of the polypeptide backbone their vibrational frequencies are very sensitive to structural changes. A substitution of single 12C=O groups by 13C=O groups in a given polypeptide chain provides details regarding structural information at the polypeptide bond level. Following this approach in the enzyme ribonuclease T1 (RNase T1)the carbon atoms of all four prolines were replaced by the isotope 13C for the first time. The isotope labeled protein was biosynthesized by heterologous expression in a proline auxotrophic yeast strain of Saccharomyces cerevisiae. In order to fully enrich the protein with labeled prolines the yeast strain had to be cultured in minimal medium containing labeled proline as the only amino acid. In the well established purification protocol for RNase T1 from Escherichia coli the protein is expressed into the periplasm due to the protein's toxicity. In the case of the yeast the secretion of the RNase T1 had to be directed into the culture medium. In order to isolate a chromatographically and spectroscopically pure protein from this complex matrix a new purification protocol was developed on the basis of modern separation and analyses methodologies. The labeled and unlabeled RNases were investigated by comparative Fourier Transform Infrard (FTIR)measurements. These measurements focused on the impact of the isotope labels on the amide I region under thermodynamical equilibrium and non- equilibrium conditions. Under equilibrium conditions the unlabeled and 13C labeled RNase T1 were stepwise thermally unfolded. These studies revealed that in the natively folded protein the isotope labeles have a significant impact on the infrared spectra. By contrast, in the thermally unfolded state, the FTIR spectra of the two isotopomers were practically undistinguishable. On the basis of vibrational spectroscopy the positions of the prolines could be localized by theoretical considerations in specific secondary structural elements. These assignments were in accordance with the crystal structure of the RNase T1. Particularly, the interactions of the C=O oscillators via transition dipole coupling (TDC)were taken into account to explain the impact of the isotpe labeles on β-sheet and turn-structure marker bands. It is well known that TDC depends on the geometries and resonance frequencies of the carbonyl groups concerned. In the natively folded protein, the impact of TDC is therefore strongest whereas at high temperatures in the flexible unfolded polypeptide it becomes nearly negligible. Furthermore the amide I regions of the unlabeled and labeled RNase T1 IR spectra were modeled on the basis of TDC calculations. The calculated differences between the two isotopomers were in reasonable accordance with the experimentally observed spectral differences. Following this approach isotope edited infrared spectroscopy in combination with computer modeling has the potential to extract the complex structural information in the amide Iregions of vibrational spectra on the peptide group level. Of particular interest were time-resolved FTIR spectroscopic measurements under non-equilibrium conditions. In these measurements protein refolding from a temperature unfolded state to the native state was induced by temperature jump experiments. Since protein expression in yeast was inefficient an experimental set-up was developed that allowed reproducible measurements using only small amounts of isotope labeled sample in the µL range. It is known that the trans->cis isomerization of Pro39 is a rate determining step on the refolding pathway of RNase T1. Since this isomerization reaction is synchronized with a spatial reorientation of the relating proline carbonyl groups, the impact of the labeled and unlabeled carbonyl carbons on the adjacent turn-system could be detected in the corresponding marker bands. In this way the trans->cis isomerization reaction of Pro39 could be traced directly by FTIR spectroscopy for the first time.,
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Einleitung: Die Blut-Hirn-Schranke trennt die Kompartimente Blut und neuronales Gewebe voneinander. Sie ist für die Aufrechterhaltung der Elektrolytzusammensetzung im Extrazellulärraum, die Ernährung des Hirnparenchyms und die Segregation von Neurotransmittern zwischen den Kompartimenten essentiell. Eine Schädigung führt zu einer Angleichung der Elektrolytzusammensetzung des Extrazellulärraumes an Serum Konzentrationen und zu einer Extravasation von Blutproteinen. Oft kommt es in direktem zeitlichen Zusammenhang einer Hirnschädigung mit Blut-Hirn-Schrankenstörung zum Auftreten eines symptomatischen epileptischen Anfalls und im Verlauf zu Entwicklung einer Epilepsie. Der entorhinale Cortex als Fokus bei Temporallappenepilepsien spielt in der Epilepsieforschung aufgrund seiner besonderen Verschaltung eine herausragende Rolle und ist Ziel cholinerger Afferenzen. In vitro werden durch die Applikation von Acetylcholin und Physostigmin hippocampale Oszillationen im Gamma-Frequenz-Bereich ausgelöst, während es im Entorhinalen Cortex zu epileptiformer Aktivität kommt. Methoden: In der vorliegenden Untersuchung wurden an horizontalen Hirnschnitten von Entorhinalem Cortex und Hippocampus naiver Ratten in vitro Feldpotentialmessungen im Entorhinalen Cortex (Schicht V/VI) vorgenommen. Es wurden zwei unterschiedliche Protokolle verwendet, die die Bedingungen einer Blut-Hirn-Schrankenstörung simulieren. In einer Gruppe erfolgte eine Präinkubation mit modifizierter Elektrolytlösung (mEL), welche an Rattenserum adaptierte Elektrolytkonzentrationen enthielt. In der anderen Gruppe erfolgte die Präinkubation in mEL + 0.2 mM Albumin. Anschließend wurde durch die Applikation von Acetylcholin und Physostigmin epileptiforme Aktivität ausgelöst und pharmakologisch charakterisiert. Ergebnisse: Durch die Applikation aufsteigender Konzentrationen von Acetylcholin kam es unter Kontrollbedingungen zum Auftreten einer kurzen epileptiformen Aktivität in Form von wiederkehrenden, epileptiformen Entladungen (rekurrente epileptiforme Entladungen, REEs). Sowohl nach Präinkubation mit mEL als auch nach Präinkubation mit mEL + Albumin kam es nach Applikation von Acetylcholin und Physostigmin zu epileptiformer Aktivität in Form von REEs und längeren, anfallsähnlichen Ereignissen (Seizure-like-events, SLEs). Nach Applikation des muskarinergen Antagonisten Atropin wurde die Ereignisdauer reduziert, in einigen Schnitten konnte die Aktivität komplett geblockt werden. Die Applikation des Antikonvulsivums Carbamazepin modulierte die epileptische Aktivität, unterdrückte diese jedoch nicht vollständig. Die Aktivität nach Carbamazepinapplikation entsprach einer späten, wiederkehrenden („rekurrenten“) epileptiformen Aktivität (late recurrent discharges, LRDs), die als pharmakoresistent gilt. Schlussfolgerungen: In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Veränderungen der Elektrolytzusammensetzungen, wie sie im Rahmen einer Blut-Hirn-Schrankenstörung auftreten, die Suszeptibilität des Entorhinalen Cortex gegenüber Acetylcholin erhöhen und das Auftreten pharmakoresistenter epileptiformer Aktivität begünstigen. Die Ergebnisse weisen somit auf einen wahrscheinlichen Entstehungsmechanismus akut-symptomatischer Anfälle im Rahmen von Blut-Hirn-Schrankenstörung hin und unterstreichen die pathophysiologische Bedeutung eines cholinergen Ungleichgewichtes. Schlussfolgernd sollten pathophysiologische Vorgänge bei einer Blut-Hirn-Schrankenstörung besser verstanden werden, um daraus antiepileptische und auch antiepileptogenetische Therapieansätze zu entwickeln.,The blood-brain-barrier separates the compartments blood and neuronal tissue. It is essential for maintaining the electrolyte composition in the extracellular space, nutrition of neuronal tissue and segregation of neurotransmitters between the compartments. Damage leads to extravasation of blood proteins and adjustment of electrolyte concentrations towards serum concentrations. A symptomatic seizure frequently occurs in close temporal relation to brain damage with blood-brain-barrier disruption and may be followed by development of a symptomatic epilepsy. The entorhinal cortex plays an important role in temporal lobe epilepsy and is of interest in epilepsy research because of its unique interconnections and is aim of many cholinergic afferences. In vitro application of acetylcholine and physostigmine leads to hippocampal oscillations in the gamma frequency range whereas it leads to epileptiform activity in the entorhinal cortex. Methods: In this study, horizontal brain slices of entorhinal cortex and hippocampus of naive rats were used to perform field potential recordings of the entorhinal cortex (layer V/VI). Two different protocols which mimic blood-brain-barrier disruption conditions were used. In one group preincubation was performed with modified electrolyte solution (mES), which contained serum adapted electrolytes. In the other group preincubation was performed in mES + 0.2 mM albumin. Subsequently epileptiform activity was induced by application of acetylcholine and physostigmine and characterized pharmacologically. 7 Results: In control conditions rising concentrations of acetylcholine led to a short lasting epileptiform activity in the form of recurrent epileptiform discharges (REDs). After preincubation with mES as well as after preincubation with mES + albumin application of acetylcholine and physostigmine led to epileptiform activity in the form of REDs and longer seizure-like-events (SLEs). After application of the muscarinergic antagonist atropin event duration was reduced, in some slices activity was blocked completely. The application of the anticonvulsive drug carbamazepine modulated the epileptiform activity but failed to suppress it completely. The activity after application of carbamazepine matched late recurrent discharges (LRDs), which are known to be pharmacoresistant. Conclusions: In the present study, it has been shown that changes of the electrolyte composition like they are seen under blood-brain-barrier-disruption increase the susceptibility of the entorhinal cortex to acetylcholine and promote the occurrence of pharmacoresistant epileptiform activity. These results indicate to a probable mechanism of development of acute symptomatic seizures during blood-brain-barrier-disruption and highlight the pathophysiological importance of cholinergic imbalances. Hence, a better understanding of pathophysiological processes during blood-brain-barrier-disruption is needed to develop antiepileptic and antiepileptogenic therapy approaches.,
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In dieser Arbeit wird die Wirkung von steigenden Treibhausgaskonzentrationen auf die Anzahl großer Stratosphärenerwärmungen (SSWs) auf Grundlage von Ensemblesimulationen und unter Berücksichtigung interner Variabilität untersucht. Dabei wird ein zur Beantwortung der Fragestellung weiterentwickelter Algorithmus zur Identifikation von SSWs verwendet. Hier wird gezeigt, dass SSWs durch die Implementierung eines Klimakriteriums besser von ”Final Warmings“ abgegrenzt werden können als mit früheren objektiven Verfahren. Der untersuchte große Datensatz wurde mit dem Ozean-Troposphäre- Stratosphäre Modell EGMAM (ECHO-G mit mittlerer Atmosphäre Modell) erzeugt und umfasst Kontrollsimulationen, Szenarienrechnungen inklusive Stabilisierungszeiträumen und idealisierte Experimente. Durch Anwendung des Algorithmus wird gezeigt, dass EGMAM im Vergleich zu den Beobachtungen die Anzahl an SSWs um ungefähr die Hälfte unterschätzt. Dennoch simuliert das Modell weitere Eigenschaften von SSWs wie die Stärke, die Dauer sowie das Abwärtswandern stratosphärischer Anomalien im Zusammenhang mit SSWs in guter Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Für den historischen Zeitraum von 1860-2000 kann für den leichten Anstieg der Treibhausgaskonzentrationen kein Einfluss auf die Anzahl von SSWs festgestellt werden. Untersuchungen des 21. Jahrhunderts zeigen für alle Szenarien (B1, A1B und A2) trotz starker interner Variabilität einen Anstieg in der Anzahl von SSWs. Durch die Hinzunahme der im Anschluss an die transienten Phasen gerechneten Stabilisierungszeiträume und der idealisierten Experimente ergibt bei sich Betrachtung hinreichend großer Stichproben ein linearer Zusammenhang zwischen der Häufigkeit von SSWs und dem Strahlungsantrieb. Danach wird eine Verdopplung in der Anzahl von SSWs im Vergleich zum vorindustriellen Kontrolllauf erreicht, wenn das Treibhausgasniveau des A2-Szeanrios im Jahr 2100 erreicht wird bzw. die CO2-Konzentrationen vervierfacht werden. Diese Abschätzung gibt erstmalig einen Überblick über die Unsicherheiten, die mit den verschiedenen Szenarien sowie interner Variabilität hinsichtlich der zukünftigen Häufigkeit von SSWs verknüpft sind. Als Ursache für die Zunahme an SSWs wird eine Steigerung des troposphärischen Wellenflusses in die Stratosphäre sowie die Verminderung der mittleren Windgeschwindigkeit in 60°N und 10 hPa identifiziert, welche durch den anthrogenen Klimawandel bedingt sind. Für die Südhemisphäre, in der das Modell weniger als ein SSW in 100 Jahren simuliert, verändert sich die Anzahl an SSWs mit steigenden Treibhausgaskonzentrationen hingegen nicht. Im Anschluss an die projezierten Änderungen wird die Variabilität von SSWs auf verschiedenen Zeitskalen intensiv untersucht. So schwankt die Häufigkeit simulierter SSWs im Kontrolllauf unter vorindustriellen Bedingungen im Vergleich zu den Beobachtungen zwischen 13% und 70%. Die Untersuchung des Frequenzspektrum, ermittelt mit einer Wavelet-Transformation, offenbart erstmalig eine periodische Schwingung in der Anzahl von SSWs mit einer Periode von 52 Jahren. Ferner wird in der Arbeit ein Mechanismus erarbeitet, welcher die Entstehung der multi-dekadischen Variabilität erklärt. Es wird gezeigt, dass Phasen mit einer erhöhten Anzahl von SSWs mit einem stärkerem troposphärischen Wellenfluss in die Stratosphäre, einem positiven Wärmefluss aus dem Nordatlantik in die Atmosphäre, einer erhöhten Anzahl von Blockierungen und positiven Scheeanomalien über Eurasien einhergehen. Der stärkste Zusammenhang besteht dabei zwischen den SSWs und dem Wärmefluss aus dem Nordatlantik. Die multi-dekadische Variabilität ist die Folge einer Eigenschwingung im Nordatlantik, die durch abwärtswandernde stratosphärische Anomalien im Spätwinter angeregt wird, welche in Verbindung mit SSWs stehen.,The effect of increasing greenhouse gas concentrations on the number of sudden stratospheric warmings (SSWs) is investigated on the basis of ensemble simulations under consideration of internal variability. Here, an existing algorithm is further optimized for the identification of SSWs to answer this scientific question. It is shown here that in comparison to previous objective methods SSWs are better distinguished from ”Final Warmings“ by implementing a climate criterion. The large analyzed data set is generated with the ocean- troposphere-stratosphere model EGMAM (ECHO-G with middle atmosphere model) and includes control simulations, scenario projections continued with stabilized concentrations and idealized experiments. The applycation of the algorithm shows that EGMAM generates only half the number of SSWs compared to observations. Nevertheless, further simulated properties of SSWs such as the strength, duration and downward coupling of stratospheric anomalies associated with SSWs are in good agreement with observations. For the historical period 1860-2000 the slight increase in greenhouse gas concentrations does not affect the number of identified SSWs. Investigations of the 21st century show for all scenarios (B1, A1B and A2) an increase in the number of SSWs, which is superimposed by a considerable amount of internal variability. Only by including the stabilization periods and results of the idealized experiments the sample is sufficiently large to show a clear linear correlation between the number of SSWs and the radiative forcing. Following this relationship a doubling in the number of SSWs compared to the pre-industrial control run is achieved if the greenhouse gas levels of the A2-szeanrio in 2100 is reached or the CO2 concentrations are quadrupled. The present study gives for the first time an overview of the uncertainties associated with different scenarios as well as internal variability regarding the future number of SSWs. The cause for the increase of SSWs is a strengthening of resolved wave flux into the stratosphere and the weakening of the zonal mean zonal wind at 60°N and 10 hPa due to climate change. For the southern hemisphere, where the model simulates less than one SSW in 100 years, the number of SSWs does not change due to the increase of greenhouse gas concentrations. Following the analyses of the projected changes, the variability of SSWs on different time scales is studied in detail on the basis of a long pre-industrial control run. The number of simulated SSWs under pre-industrial conditions varies between 13% and 70% of the observed amount. Investigations of the frequency spectrum, determined with a Wavelet transformation, reveals for the first time a periodic oscillation in the number of SSWs with a period of 52 years. Moreover, in this study a mechanism is developed to explain the origin of this multi-decadal variability. It is shown that periods with an increased number of SSWs are connected to an increased tropospheric wave flux into the stratosphere, a positive heat flux from the North Atlantic into the atmosphere, an increased number of blockings and positiv snow cover anomalies over Eurasia. The strongest link exists between SSWs and heat flux from the North Atlantic. The multi-decadal variability is the result of a natural mode in the North Atlantic, which is stimulated by downward progressing stratospheric anomalies related to SSWs.,
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Neuronal microcircuits are the fundamental units of brain functions. Such microcircuits are at the interface between the elementary building blocks, namely excitatory and inhibitory neurons and functional neuronal networks. The structure of neuronal microcircuits matures over development and stabilizes in the adult. Developmental or environmental insults often result in misconnected circuits. By studying normal or misconnected neuronal microcircuits one can better understand the underlying functions in physiological or pathological (neurodegenerative diseases) conditions. In my doctoral thesis, I aimed to understand the functional microcircuitry of the entorhinal cortex, in particular the medial entorhinal cortex (mEC), in normal functions and disease. Past research has focused mainly on the anatomical circuitry of the entorhinal cortex. However, recent in vivo work has revealed the functional relevance of the entorhinal cortex as an independent computational unit serving a key role in spatial navigation and not simply an information hub between the cortex and hippocampus. The chronological gap between structural and functional studies has led to many open questions. In addition the mEC has been implicated heavily in Alzheimer’s disease, temporal lobe epilepsy (TLE), Schizophrenia and many other neuropsychiatric disorders. In chapters 1 and 2, I introduce the concept of a neuronal microcircuit and emphasize the need to understand it both at the structural and functional levels. Further, I introduce the mEC’s role in spatial navigation and pathophysiology and the importance of looking at the underlying microcircuitry which might further our understanding in these directions. In chapter 3, I discuss the available techniques for studying neuronal microcircuitry, introduce the fast-scanning photostimulation software and in depth compare its performance to the other standard techniques and software available. By mapping the intralaminar synaptic connectivity of Layer 2 stellate cells (L2S) of the mEC as a model cell, the applicability, resolution and repeatability of the software was validated. Further, the detection algorithm for distinguishing photo-induced events from background events was tested and proven to be capable of faithfully differentiating between the two kinds of photo-induced events – the direct responses and the synaptic inputs. In chapter 4, the main findings of the functional microcircuitry of the two projection neurons in the L2 mEC – Layer 2 stellate cell (L2S) and the Layer 2 pyramidal cell (L2P) – are presented. Results reveal the existence of excitatory microcircuits with a cell-type–specific separation of intralaminar recurrent connections and ascending interlaminar feedback connections as well as modular organization. L2Ss display more intralaminar recurrent connectivity; in comparison, L2Ps receive a larger fraction of the ascending interlaminar feedback connectivity from deep layers of the mEC, constituting the hippocampal feedback loop. Ascending interlaminar feedback connections to L2 are spatially organized in modules with distinct properties for the two cell types. Neuronal synchrony is an inherent property of neuronal microcircuits. Brain rhythms of different temporal frequencies, especially gamma oscillations, have been attributed important roles in binding information from several brain areas. In chapter 5, a model for studying the role of mEC microcircuitry in neuronal synchrony and excitability is assessed, the molecular mechanisms behind such synchrony and pathological consequences of hyperexcitability. From the results, we conclude that GluK2 containing kainate receptors are crucial players in the kainate- induced gamma oscillations in the superficial layers of the mEC. Layer 3 pyramidal cells (L3Ps) contain KARs that are limited to the somatodendritic region. The specific expression and distribution of GluK2 containing KARs on L3Ps might render them sensitive to seizure related insults as is often seen in animal models of TLE (eg: kainate model, pilocarpine model etc.). Since epilepsy can result from hyperexcitable neuronal networks, there are more than one way and region where and how this might occur. As an outlook, from another study that I was involved in, we propose the role of a novel mediator of synaptic transmission, PRG-1 (plasticity related gene-1) in modulating excitability in neuronal networks. PRG-1 is found exclusively at glutamatergic synapses on the postsynaptic side and modulates synaptic transmission. Genetic deletion of PRG-1 results in severe hyperexcitability (chapter 5) in the hippocampus leading to pathological seizures. Taken together these findings reveal the importance of studying the functional microcircuitry of a cortical region in normal and pathological conditions. The cell-type specific and modular organization of inputs upon the L2S and L2P further the knowledge as to how information is transferred within the local microcircuitry of the entorhinal cortex. The deep layer inputs have been implicated to be of pivotal importance for the L2 cells to perform its role in spatial navigation. Here, we provide the first direct functional evidence for the existence of such input to the L2 cells. Secondly, the characterization of the KARs on L3Ps is a step forward to understand the KAR-mediated synaptic transmission and its contribution towards neuronal synchrony and excitability in the mEC. Further, the identification of a novel mediator of excitability at the synapse, PRG-1, show a critical way in which neuronal networks are finely tuned. The balance between excitation and inhibition is needed to maintain the integrity of neuronal microcircuits. In conclusion, my doctoral thesis makes a contribution towards understanding the functional microcircuitry in the medial entorhinal cortex and answers questions explaining the role of microcircuit-forming synapses in physiological and pathophysiological conditions.,Neuronale Mikroschaltkreise bilden die elementaren Einheiten von Hirnfunktionen. Solche Mikroschaltkreise verbinden die elementaren Bausteine, dh. erregende und inhibitorische Neurone zu funktionalen neuronalen Netzwerken. Die Struktur neuronaler Mikroschaltkreise reift während der Entwicklung und stabilisiert sich im adulten Organismus. Entwicklungs- oder umgebungsbedingte Beeinträchtigungen haben oft fehlerhaft verknüpfte Kreisläufe zur Folge. Die Betrachtung normaler und falsch verknüpfter Mikroschaltkreise ermöglicht das bessere Verständnis der zugrunde liegenden Funktionen unter physiologischen oder pathologischen (neuropsychiatrischen Krankheiten) Bedingungen. Das Ziel meiner Doktorarbeit ist das Verständnis des funktionalen Mikroschaltkreises des entorhinalen Cortex, ins Besondere des medialen entorhinalen Cortex (mEC), in seiner gesunden Funktion und auch im Zusammenhang mit Krankheiten. Frühere Studien konzentrierten sich hauptsächlich auf die anatomische Verschaltung des entorhinalen Cortex. Jüngste in vivo Forschungen offenbarten jedoch die funktionale Relevanz des entorhinalen Cortex als unabhängige Recheneinheit, die bei der räumlichen Orientierung eine Schlüsselrolle einnimmt und keineswegs nur als Informationsdrehkreuz zwischen Cortex und Hippocampus dient. Die zeitliche Diskrepanz zwischen strukturellen und funktionalen Studien warf viele offene Fragen auf. Desweiteren wurde der mEC in Zusammenhang mit Alzheimer, Temporallappenepilepsie (TLE), Schizophrenie und vielen anderen neuroentwicklungs- und psychiatrischen Erkrankungen gebracht. In den Kapiteln 1 und 2 leite ich das Konzept des neuronalen Mikroschaltkreises ein und gehe auf die Notwendigkeit des Verständnisses auf struktureller und funktionaler Ebene ein. Außerdem erläutere ich die Rolle des mEC bei der räumlichen Orientierung und in der Pathophysiologie, sowie die Wichtigkeit die zugrunde liegenden Mikroschaltkreise zu betrachten, welche unser Verständnis in obigen Zusammenhängen erweitern dürften. In Kapitel 3 diskutiere ich die zur Untersuchung neuronaler Mikroschaltkreise verfügbaren Techniken, stelle die schnell abtastende Photostimulationssoftware vor und vergleiche deren Leistungsvermögen mit dem anderer Standardtechniken und Softwares. Die Anwendbarkeit, Auflösung und Reproduzierbarkeit der Software wurde an Hand der Kartierung der intralaminaren synaptischen Verknüpfungen der Schicht 2 Sternzellen (L2S) des mEC als Modellzelle bestätigt. Desweiteren überprüfte ich den Detektionsalgorithmus zur Unterscheidung photo-induzierter Ereignisse von Hintergrundereignissen und bewies außerdem dessen Verlässlichkeit zwischen den beiden Arten photo-induzierter Ereignisse, direkte Antworten und synaptische Eingänge, zu differenzieren. In Kapitel 4 lege ich die Kernergebnisse bezüglich der funktionalen Mikroschaltkreise der beiden Projektionsneuronen der Schicht 2 des mEC, L2S und Schicht 2 Pyramidenzellen (L2P), dar. Meine Ergebnisse offenbaren das Vorhandensein erregender Mikroschaltkreise mit einer zelltypspezifischen Trennung zwischen intralaminaren rekurrenten Verbindungen und aufsteigenden interlaminaren Rückkopplungsverbindungen sowie eine modulare Organisation. L2S zeigen hauptsächlich intralaminare rekurrente Verknüpfungen wohingegen L2P mehrheitlich Eingang von aufsteigenden interlaminaren Rückkopplungsverbindungen aus den tiefen Schichten des mEC erhalten. Letztere bilden den hippocampalen Rückführkreis. Aufsteigende interlaminare Rückkopplungsverbindungen nach Schicht 2 sind in räumlichen Modulen organisiert welche für die beiden Zelltypen verschiedene Eigenschaften aufweisen. Neuronale Synchronität ist eine inherente Eigenschaft neuronaler Mikroschaltkreise. Hirnrythmen verschiedener zeitlicher Frequenzen, ins Besondere Gamma Oszillationen, werden wichtige Rollen beim Zusammenführen von Informationen aus verschiedenen Hirnregionen zugeschrieben. In Kapitel 5 beschäftige ich mich mit einem Modell zur Untersuchung der Rolle von mEC Mikroschaltkreisen im Zusammenhang mit neuronaler Synchronität und Erregbarkeit, den zugrunde liegenden molekularen Mechanismen dieser Synchronität und den pathologischen Folgen von Übererregbarkeit. Aus den Ergebnissen dieser Studien schlussfolgere ich, dass GluK2 enthaltende Kainatrezeptoren eine Schlüsselrolle bei durch Kainat induzierten Gammaoszillationen in den oberflächlichen Schichten des mEC einnehmen. KARs der Schicht 3 Pyramidenzellen (L3Ps) sind auf die somatodendritischen Bereiche beschränkt. Die spezielle Expression und Verteilung von GluK2 enthaltenden KARs auf L3Ps könnte sie empfänglich für mit epileptischen Anfällen in Beziehung stehende krankhafte Veränderungen machen, wie sie oft bei Tiermodellen für TLE (z.B. Kainatmodell, Pilokarpinmodell, etc.) beobachtet werden. Da sich Epilepsie aus übererregbaren neuronalen Netzwerken entwickeln kann, gibt es mehr als einen Weg wie und wo dies erfolgen kann. Als Ausblick diskutiere ich die Rolle eines neuartigen Vermittlers synaptischer Übertragung, PRG-1 (plasticity related gene-1) bei der Modulation von Erregbarkeit in neuronalen Netzwerken. Dieser wurde in einer anderen Studie, an der ich beteiligt war, untersucht. PRG-1 findet sich ausschließlich an glutamatergen Synapsen auf der postsynaptischen Seite und moduliert die synaptische Übertragung. Genetische Deletion von PRG-1 führt zu schwerer Übererregbarkeit (Kapitel 5) des Hippocampus welche in der Entstehung pathologischer Anfälle mündet. Zusammenfassend zeigen diese Erkenntnisse die Wichtigkeit funktionale Mikroschaltkreise eines cortikalen Bereichs unter normalen wie auch unter pathologischen Bedingungen zu untersuchen auf. Die zelltypspezifische und modulare Organisation von Inputs auf L2S und L2P erweitern unser Wissen darüber wie Information innerhalb eines lokalen Mikroschaltkreises des entorhinalen Cortex übermittelt wird. Den Eingängen der tiefen Schichten wird eine herausragende Rolle für L2 Zellen bei deren Funktion bei der räumlichen Orientierung zugeschrieben. Diese Arbeit zeigt die ersten funktionalen Beweise der Existenz solcher Eingänge auf L2 Zellen. Desweiteren ist die Charakterisierung der KARs auf L3Ps ein weiterer Schritt zum Verständnis KAR-vermittelter synaptischer Übertragung und deren Beitrag zu neuronaler Synchronität und Erregbarkeit im mEC. Die Identifikation eines neuartigen Mediators der Erregbarkeit von Synapsen, PRG-1, zeigt eine entscheidende Möglichkeit wie neuronale Netzwerke genau reguliert werden können. Das Gleichgewicht zwischen Erregung und Inhibition ist notwendig um die Integrität neuronaler Mikroschaltkreise zu bewahren. In ihrer Gesamtheit leistet meine Doktorarbeit einen Beitrag zum Verständnis der funktionalen Mikroschaltkreise im medialen entorhinalen Cortex und beantwortet Fragen zu dessen Rolle unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen.,
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