Die Bewegungs-kontrollstrategien kontextabhängig und abhängig von unterschiedlichen Kriterien ausgewählt werden. Einerseits ist die Stabilität in den Bewegungszuständen wie der Fortbewegung ausschlaggebend für die ungestörte Ausführung bestimmter Handlungen und erfordert eine effektive Steuerung durch das zentrale Nervensystem. Andererseits wird die Bewegungsstrategieauswahl durch das zentrale Nervensystem dadurch bestimmt, dass die Energiekosten minimiert werden soll. Beide Konzepte (d.h. die Aufrechterhaltung der Stabilität und die Energiekostenminimierung) spielen eine fundamentale Rolle bei der Frage, warum sich Menschen so bewegen, wie sie es tun. Unklar ist dabei allerdings, auf welche Weise das zentrale Nervensystem beide Prinzipien gegeneinander gewichtet. In den letzten 20 Jahren haben uns wissenschaftliche Konzepte wie die Chaostheorie oder die Theorie komplexer Systeme eine neue Herangehensweise an diese Fragen ermöglicht. Diese Arbeit untersucht die dynamische Stabilität menschlicher Fortbewegung mit Hilfe des Konzepts der Ljapunowanalyse. Als erstes wird eine methodologische Untersuchung der Verlässlichkeit des maximalen Ljapunowexponenten beim Gehen und Laufen durchgeführt (Kapitel 2). Danach wird verglichen zwischen dem Laufen unter normalen Umständen und dem darauffolgenden Laufen ohne Schuhe, wobei letzteres eine Abnahme der Stabilität nach dem Übergang zu den neuen Umständen zur Folge hat (Kapitel 3). In der letzten Untersuchung wurde ein unterschiedlich langes Training zur Verbesserung der Laufenergetik durchgeführt, in einer Gruppe nur über einen kurzen und in einer anderen Gruppe über einen etwas längeren Zeitraum (Kapitel 4). Die Ergebnisse zeigen, dass Bewegungskontrollfehler für die Energiekosten beim Laufen eine Rolle spielen können, und legen somit eine flexible Priorisierung der Bewegungskontrolle nahe. / Motor control strategies are chosen in a context dependent manner, based on different criteria. On the one hand stability in dynamic conditions such as locomotion, is crucial to uninterrupted task execution and requires effective regulation by the central nervous system. On the other, minimization of the energetic cost of transport is instrumental in choosing the locomotion strategy by the central nervous system. Both these concepts, (i.e. maintaining stability and optimization of energetic cost of locomotion) have a fundamental role on how and why humans move in the way they do. However, how the human central nervous system prioritizes between the different goals is unknown. In the last 20 years, ideas from scientific paradigms such as chaos theory and complex systems have given us novel tools to approach these questions. The current thesis examines the dynamic stability during human locomotion under such an approach using the concept of Lyapunov analysis. At first a methodological examination of the reliability of the maximum Lyapunov exponent in walking and running has been conducted (chapter 2). Afterwards, an examination between the habitual running condition and after removal of footwear was conducted, exhibiting a decrease in stability following the acute transition to the new condition (chapter 3). In the last study, a training intervention aiming at improvements in running energetics was performed using a short-term and a long-term intervention group (chapter 4). The results evidence that motor control errors can have a role in the energy cost of running and thus, a flexible prioritization of the motor control output.

Gleichgewichtsstörungen und Stürze gehören zu den wichtigsten Symptomen der Parkinson Krankheit (PD). Bei jungen PD-Patienten werden diese Probleme durch Nebenwirkungen der Medikation zusätzlich verstärkt. Aufgrund des noch sehr limitierten Verständnisses der zugrunde liegenden Mechanismen, die zum erhöhten Sturzrisiko bei jungen PD-Patienten beitragen, mangelt es derzeit an alternativen und effektiven bewegungsbasierten Therapien, um diese Sturzgefahr zu verringern. Diese Arbeit zielt darauf ab, solche Mechanismen zu identifizieren und eine effektive Methode zur Früherkennung des Sturzrisikos bei jungen PD-Patienten zu entwickeln. Es wurde der Beitrag der zentralen und peripheren neuromuskulären sowie sensomotorischen Fähigkeiten, dynamischen Stabilitätskontrolle und Anpassungsfähigkeit der Fortbewegung auf die Sturzrate junger PD-Patienten mittels eines Vergleichs zwischen gesunden Probanden und jungen PD-Patienten mit und ohne Sturzerfahrung (Fallers vs. Non-Fallers) untersucht. Der Vergleich zeigte, dass die PD-Fallers zentral begründete Defizite in der Muskelkraft ihrer Beinstrecker aufwiesen sowie eine verringerte Abfangleistung nach simulierten Vorwärtsstürzen. Die Parameter „Muskelkraft“ und „Annäherung an die vordere Stabilitätsgrenze“ identifizieren gemeinsam 90% der Fälle junger PD-Faller. PD-Patienten zeigten auch eine uneingeschränkte prädiktive Anpassungsfähigkeit auf Gangstörungen, aber ein weniger stabiles Gangmuster und weniger effektive reaktive Antworten auf wiederholte Gangstörungen im Vergleich zu Kontrollpersonen. Diese Arbeit stellt relevante Informationen dar, die für die Entwicklung von alternativen nicht-medikamentösen Therapien zur Reduzierung des Sturzrisikos bei jungen PD-Patienten nützlich sind. Darüber hinaus wurde eine akkurate Methode zur Früherkennung von jungen PD-Patienten mit einem erhöhen Sturzrisiko erarbeitet. Diese Patienten könnten von Training der Beinstrecker und der dynamischen Stabilität profitieren. / Postural instability and falls are some of the main symptoms associated with the Parkinson`s disease (PD). In early-onset patients (diagnosed before the age of 51) these problems are worsened by medication-related side-effects. There is a lack of effective exercise-based training interventions to reduce the risk of falling due to our limited understanding of the underlying mechanisms contributing to falls in early-onset PD. The present thesis aims to identify those mechanisms responsible for falls and to develop a sensitive method of assessment for the early discrimination of patients at risk of falling in early-onset PD. We investigated the contribution of central and peripheral neuromuscular and sensory-motor capacities, dynamic stability control and locomotor adaptability to the increased risk of falling in young PD patients by means of comparing healthy controls and early-onset PD fallers and non-fallers. The comparison revealed that PD fallers have central originated deficits in leg extensors` muscle strength - evidenced by increased antagonistic moments and activation deficit of the agonists - and a reduced increase of the base of support in response to simulated forward falls, both resulting in decreased recovery performance. The factors “muscle strength” and “approach to the anterior limit of stability” together could correctly classify 90% of the PD fallers. In addition, while young PD patients showed unaltered predictive adaptability to gait perturbations, they exhibited less stable gait patterns and less effective reactive responses to repeated gait perturbations compared to controls. This thesis provides relevant information for the development of alternative non-medication based therapies aiming to reduce falls in early-onset PD and an accurate assessment tool for the early identification of young patients at a high risk of falling. These patients may benefit from leg-extensors'' strengthening and dynamic stability training.

Different methods for the determination of cantilever properties in non-contact atomic force microscopy (NC-AFM) are under investigation. A key aspect is the determination of the cantilever stiffness being essential for a quantitative NC-AFM data analysis including the extraction of the tip-surface interaction force and potential. Furthermore, a systematic analysis of the displacement noise in the cantilever oscillation detection is performed with a special focus on the thermally excited cantilever oscillation. The propagation from displacement noise to frequency shift noise is studied under consideration of the frequency response of the PLL demodulator. The effective Q-factor of cantilevers depends on the internal damping of the cantilever as well as external influences like the ambient pressure and the quality of the cantilever fixation. While the Q-factor has a strong dependence on the ambient pressure between vacuum and ambient pressure yielding a decrease by several orders of magnitude, the pressure dependence of the resonance frequency is smaller than 1% for the same pressure range. On the other hand, the resonance frequency highly depends on the mass of the tip at the end of the cantilever making its reliable prediction from known cantilever dimensions difficult. The cantilever stiffness is determined with a high-precision static measurement method and compared to dimensional and dynamic methods. Dimensional methods suffer from the uncertainty of the measured cantilever dimensions and require a precise knowledge its material properties. A dynamic method utilising the measurement of the thermally excited cantilever displacement noise to obtain cantilever properties allows to characterise unknown cantilevers but requires an elaborative measurement equipment for spectral displacement noise analysis. Having the noise propagation in the NC-AFM system fully characterised, a proposed method allows for spring constant determination from the frequency shift noise at the output of the PLL demodulator with equipment already being available in most NC-AFM setups.