Diese Dissertation befasst sich mit der Dynamik von Lipidtropfen (LDs), die der Speicherung von Lipiden (hauptsächlich Triacylglycerol, TAG) dienen. Das epidemische Auftreten von Adipositas und der sogenannten Fettleber (Steatose) hat das wissenschaftliche Interesse an der Regulation der zellulären Speicherung in LDs stark beflügelt. Es gibt inzwischen zahlreiche Publikationen zu einzelnen Aspekten der Bildung, des Wachstums und des Abbaus von Lipidtropfen. Ein detailliertes mathematisches Modell, das diese Einzelergebnisse in ein konsistentes Bild zusammenfügt, gibt es allerdings nicht. Die Aufstellung, Validierung und Anwendung eines umfassenden mathematischen Modells der Dynamik von LDs steht daher im Mittelpunkt dieser Arbeit. Dieses Modell umfasst unter anderem die Aufnahme von freien Fettsäuren aus dem Blutplasma, die Veresterung zu TAG, die Bildung, das Wachstum und die Lipolyse von Lipidtropfen, die durch etliche regulatorische Oberflächenproteine (ROPs) gesteuert werden. Eine wesentliche Frage im Zusammenhang mit der Entstehung einer Fettleber gilt den Mechanismen, die den heterogenen Fetteinlagerungen in der Leber zugrunde liegen. Eigene Experimente mit humanen Hepatomzellen (PLC) zeigten, dass eine Heterogenität in der TAG-Speicherung auch in isolierten Zellen existiert, wenn man sie einer Fettsäurebelastung unterwirft. Modellsimulationen zeigen, dass Schwankungen in der Expression zentraler regulatorischer Proteine bereits eine Heterogenität bis zu 50% erklären können. Unter der Annahme, dass eine solche Variabilität der Genexpression auch im intakten Organ vorliegt, prognostiziert das Modell eine Variation im TAG-Gehalt einzelner Zellen um einen Faktor drei bis sechs. Zusammenfassend ist zu sagen, dass der Modellansatz zahlreiche experimentelle Ergebnisse von einzelnen Prozessen im zellulären TAG-Metabolismus und im Metabolismus der LD-Dynamik in ein konsistentes, neuartiges und dynamisches Modell eines metabolischen Netzwerks integriert. / This dissertation occupies with the dynamics of lipid droplets (LDs) serving as lipid deposit transporting, mainly triacylglycerol (TAG). The epidemic occurrence of obesity and steatosis has inspired strongly the scientific interest in regulation of hepatic TAG accumulation. There are now numerous publications regarding individual aspects of formation, maturation and lipolysis of LDs. However, a detailed computational model putting together this fractional knowledge is lacking so far. I focus on development, validation and implementation a kinetic model encompassing the pathways of the fatty acids (FFA) and TAG metabolism and the main molecular processes governing the dynamics of LDs. Experiments with primary human hepatocytes incubated with an excess of FFA show a large heterogeneity of TAG content and LD size distribution. Intriguingly, a large cell-to-cell heterogeneity with respect to the number and size of LDs has been found in various cell types. These findings suggest that the extent of cellular lipid accumulation is not only determined by the imbalance between lipid supply and utilization but also by variations in the expression of regulatory surface proteins and metabolic enzymes. To better understand the relative regulatory impact of individual processes involved in the cellular TAG turnover we varied randomly the expression of RSPs and metabolic enzymes. A random fold change by a factor of about 2 in the activity of RSPs was sufficient to reproduce the large diversity of droplet size distributions. Under the premise that the same extent of variability of RSPs holds for the intact organ, our model predicts variations in the TAG content of individual hepatocytes by a factor of about three to six depending on the nutritional regime. Taken together, our modeling approach integrates numerous experimental findings on individual processes in the cellular TAG metabolism and LD dynamics metabolism to a consistent state-of-the-art dynamic network model.

Die fortschreitende Entwicklung auf dem Gebiet der kontrollierten Polymerisationstechniken ermöglicht heutzutage die Synthese definierter Makromoleküle. Durch das Design der Primärstruktur dieser Makromoleküle kann ein starker Einfluss auf die sich bildende Sekundärstruktur ausgeübt werden. Um den Grad der Kontrolle über den Polymerisationsprozess zu erhöhen sollten in dieser Arbeit photoschaltbare Azobenzolfunktionalitäten in Guanidin- und Thioharnstoffmotive integriert werden, so dass durch die reversibel photoschaltbare Ausbildung von Wasserstoffbrücken die vorliegenden Polymerisationsprozesse beeinflusst werden können. In einem Ansatz wurden dazu neuartige azobenzolverknüpfte Guanidin- und Thioharnstoffkatalysatoren für die Ringöffnungspolymerisation (ROP) von Lactid (LA) synthetisiert. Im Fall der photoschaltbaren Guanidinkatalysatoren wurde eine Synthesemethode entwickelt, welche die zu Beginn langwierige Aufreinigung der Katalysatoren bedeutend vereinfacht und somit die Darstellung mehrerer Katalysatorgenerationen ermöglichte. Die erste Guanidinkatalysatorgeneration zeigte keine katalytische Aktivität. Durch die Synthese von verschiedenen Referenzguanidinen und deren Einsatz in der ROP von LA konnten die aromatischen Substituenten der Guanidinfunktionalität als Ursache der katalytischen Inaktivität identifiziert werden. Daraufhin wurde eine mit zwei Alkylsubstituenten versehene zweite Generation synthetisiert und erfolgreich in der ROP von Lactid eingesetzt. In einem anderen Ansatz wurde versucht ein azobenzolverknüpftes Guanidinium-Carboxylat-Zwitterion so zu gestalten, dass es als photoschaltbares Monomer zur Bildung supramolekularer Polymere verwendet werden kann. Hierzu wurden zwei Generationen photoschaltbarer Zwitterionen synthetisiert. Die Eigenschaften der zweiten Generation wurden mit verschiedenen spektroskopischen Methoden untersucht. Dabei wurden Hinweise auf die Bildung eines supramolekualren Polymers gefunden. / Following the progressive development in the field of controlled polymerizations, it is now possible to synthesize well defined macromolecular structures. Controlling the primary structure in these macromolecules significantly influences the secondary structure, allowing the preparation of smart materials. In order to improve the achievable degree of control, this work aims to incorporate azobenzene functionalities into guanidine and thiourea moieties and, through the photo triggered reversible formation of hydrogen bridges, influence polymerization processes. Novel azobenzene substituted guanidine and thiourea catalysts for the ring opening polymerization (ROP) of lactide were synthesized. In the case of the photoswitchable guanidine catalysts, a new synthetic protocol was developed to overcome the difficult purification of the catalysts, allowing the facile preparation of multiple catalyst generations. The first generation of photoswitchable guanidines showed catalytic activity. Synthesis of reference guanidine catalysts demonstrated a negative effect between aromatic guanidine substituents and the catalytic performance. Following this observation, a second generation of alkyl substituted guanidine catalysts was synthesized and applied successfully in the ROP of lactide. In a concurrent approach, a guanidinium carboxylate zwitterion was rendered photoswitchable by the incorporation of an azobenzene functionality and used as a monomer in supramolecular polymerization processes. The first generation of photoswitchable zwitterions showed promising photochemical properties, but its poor solubility in apolar, aprotic solvents prevented a final proof of the concept. To achieve this, a second generation of photoswitchable zwitterions was synthesized, incorporating solubilizing functionalities into the molecular design. The properties of the second generation zwitterion were examined by various spectroscopical methods, indicating the formation of supramolecular polymers.

In dieser Arbeit kann gezeigt warden, dass mit der kortiko-muskulären und intermuskulären Frequenzanalyse distinkte Koheränzmuster bei verschiedenen Bewegungsstörungen (kortikaler Myoklonus, Extremitätendystonie, Myoklonus bei kortikobasaler Degeneration) identifiziert werden können. Ferner konnte gezeigt werden, dass das retikulospinale System mit der intermuskulären Frequenzanalyse untersucht werden kann, was neue Perspektiven bei der Untersuchung subkortikaler Abschnitte des motorischen Systems ermöglicht. / It can be shown in this work that distinct patterns of cortico-muscular and/or intermuscular coherence can be identfied in a variety of movement disorders (cortical myoclonus, limb dystonia, myoclonus of CBD). Additionally, it could be demonstrated that the assessment of the reticulospinal system is feasible by using intermuscular frequency analysis of homologous muscles, which might open up a new line of research of subcortical drives within the motor system.

Die moderne Tumormedizin hat das Ziel die deregulierte Wachstumskontrolle und die Überlebensstrategien maligner Tumoren zu überwinden. Mittels computerbasierter Methoden sollten hierzu in dieser Arbeit neue apoptoseinduzierende Substanzen gefunden und deren Wirksamkeit in späteren in vitro Experimenten überprüft werden. In drei Modellprojekten konnten neue Substanzen identifiziert werden, die Apoptose in Tumorzellen induzieren. Im ersten Projekt wurden Inhibitoren der an das COP9 Signalosom (CSN-) assoziierten Kinasen CK2 und PKD mittels der Leitstrukturen Curcumin und Emodin gefunden. Im zweiten Projekt wurde der Naturstoff Betulinsäure (betulinic acid, BA) bezüglich seines Wirkmechanismus untersucht. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die BA-induzierte Apoptose weitestgehend unabhängig von den pro- und anti-apoptotischen Proteinen der Bcl-2-Familie, aber in Abhängigkeit von aktiven Caspasen, ausgelöst wird. Durch ein in silico Screening und die Verwendung eines neuen Eigenschaftsfilters konnten neuen BA-Analoga identifiziert werden. Zur Bewertung der Ergebnisse des in silico Screenings wurden Daten des National Cancer Institutes (NCI) verwendet. Im dritten Projekt wurden mittels in silico Screening, Docking-Experimenten und in vitro Screenings zwei neue Bcl-2-Inhibitoren identifiziert, die derzeit in funktionellen Experimenten getestet werden. Durch den Einbau eines niedermolekularen, photoschaltbaren Moleküls an die Aminosäuren-Seitenketten des alpha-helikalen Peptides aus der BH3-Domäne von Bid konnte eine gezielte Aktivierung und damit auch eine gezielte Apoptoseinduktion in Tumorzellen ausgelöst werden. Die Methode des in silico Screenings hat gezeigt, dass die Zeit und Kosten für die Suche nach Wirkstoffen reduziert werden können. Die gefundenen Treffer können als neue Leitstrukturen für weitere in silico Screenings ihre Verwendung finden oder mit Hilfe von Optimierungsprozessen in weitere Stufen der Entwicklung eintreten. / Nowadays, cancer research is focused on the overcoming of survival strategies of malign tumors. In the present work, computer-based methods lead to the identification of novel apoptosis inducing molecules, whose potency should be validated in in vitro experiments. Novel compounds, which induce apoptosis in cancer cells, could be identified on the basis of three projects. Inhibitors for the COP9 signalosome (CSN) associated kinases CK2 and PKD could be discovered using curcumin and emodin as lead compounds. Investigations concerning the mechanism-of-action of betulinic acid (BA) should give information about the function of the Bcl-2 protein family in the BA induced cell death. The experiments, which are focused on the mitochondrial signalling pathway, revealed that BA induces apoptosis in an almost independent manner with regards to the pro- and anti-apoptotic Bcl-2 proteins, but dependent on the presence of activated caspases. Via an in silico screening and the utilisation of a new property filter, novel BA analogues could be identified. For the first time, the data of the National Cancer Institute (NCI) is employed to evaluate results from the in silico screening. In the third project two novel Bcl-2 inhibitors have been identified via in silico screenings, docking experiments and in vitro screenings, which are performed at the moment. The insertion of a photo-switchable compound to the amino acid side chain of an alpha-helical peptide from the pro-apoptotic protein Bid triggered the effect of a modulator, which results in a controllable activation and initiation of apoptosis in tumor cells. In silico screenings as a reliable method corroborated that a systematical evaluation of the virtual hits could decrease the time and costs of experimental testings. The identified hits could serve as novel lead compounds for further in silico screenings or enter the next steps in the development of novel drugs using optimisation methods.

In dieser Doktorarbeit wird die Hypothese geprüft, ob Osteozyten einen direkten Einfluss auf die Knocheneigenschaften in ihrer unmittelbaren Umgebung haben. Der zentrale Experimentieransatz ist dabei die Korrelation der Organisation des Osteozytennetzwerks mit den Mineraleigenschaften des Knochens auf der Submikrometerebene. Es wird gezeigt, dass bereits die anfängliche Ausrichtung der Osteoblasten entscheidend für die Synthese von hoch ausgerichtetem Knochenmaterial ist. Die dabei entstehenden Osteozytennetzwerke sind so organisiert, dass die Osteozyten und ihre Zellfortsätze jeweils einen möglichst kleinen Abstand zum Knochenmineral haben. Deshalb wird vermutet, dass genau diese Netzwerkorganisation mitentscheidend ist, wie gut die Zellen das Mineral in ih-rer Umgebung beeinflussen können. Messungen der Knochenmineraleigenschaften auf Submikrometerebene mit Röntgenkleinwinkelstreuung bestätigen diese Vermutung. Dabei wird deutlich, dass Knochenmaterial in der Nähe der Osteozyten durch andere Mineraleigenschaften geprägt ist. Um zu klären, wie Osteozyten Mineral in ihrer direkten Umgebung verändern können, werden Mechanismen der passiven Mineralherauslösung aus der mineralisierten Oberfläche des Osteozytennetzwerks untersucht. Es wird gezeigt, dass kalziumarme ionische Lösungen unter physiologischen Bedingungen große Mengen von Kalzium-Ionen aus dem Knochen lösen und diese dann durch die Osteozytennetzwerkstrukturen diffundieren können. Zum Abschluss wurde medullärer Knochen von Hühnern als ein Modellsystem für rasanten Knochenumbau untersucht. Dieser spezielle Knochentyp dient den Hennen als labiles Kalziumreservoir und ermöglicht dadurch die tägliche Eierschalenproduktion. Experimente am medullären Knochen-material zeigen insbesondere die Bedeutung von weniger stabilen Mineralstrukturen die benötigt werden um den Knochen an den schnellen, sich wiederholenden Knochenauf- sowie Abbau optimal anzupassen. / This thesis aims to test the hypothesis whether osteocytes have a direct influence on bone material properties in their vicinity. In this regard, the concomitant ana-lysis of osteocyte network organization and bone ultrastructural properties on the submicron level is the central approach to answer this question. In this work, it is shown that already initial cell-cell alignment during the process of bone formation is crucial for the synthesis of highly organized bone. Furthermore it is proposed that the occurrence of highly ordered osteocyte networks visualized with confocal laser scanning microscopy (CLSM) has a strong impact on the ability of osteocytes to directly influence bone material properties. These highly organized networks are another consequence of initial cell-cell alignment and are found to be arranged such as to feature short mineral cell distances. Examination of sub-micron mineral properties with scanning small angle x-ray scattering (sSAXS) shows that bone material in the direct vicinity of osteocytes and their cell proc-esses shows different mineral properties compared to bone further away in the depth of the tissue. Moreover, mechanisms of passive mineral extraction from the mineralized surface of the osteocyte network, due to the treatment with calcium poor ionic solutions, are investigated. It is shown that this chemical process occurring under physiological conditions leads not only to the dissolution of considerable amounts of calcium, but also to efficient diffusion of these ions through the osteocyte network structures. Finally, medullary bone which is intended as a labile calcium source for daily egg shell formation in hens is used as a model system for rapid bone turnover rates. This bone type in particular indicates the importance of uniquely adapted, less stable mineral structures to fit the requirements for rapid bone resorption as well as reformation.

Proteasomen, die die proteolytisch aktiven Untereinheiten LMP7, LMP2 und MECL1 inkorporieren, nennt man Immunoproteasomen. Während einer Immunreaktion führen diese regulierende sowie modulierende Funktionenaus. Sie sind konstitutiv exprimiert in Zellen hämatopoetischen Ursprungs, ein Bestandteil des angeborenen Immunsystems, die die erste Angriffsfront gegen pathogene Mikroorganismen ausbilden. Um die Bedeutung des Immunoproteasoms für die angeborene Immunantwort bei einer Streptococcus pneumoniae Infektion auf zu zeigen, charakterisierten wir den Krankheitsverlauf einer bakteriellen Pneumonie und analysierten lokale aber auch systemische Immunreaktionen in LMP7 ko Mäusen mit Hilfe eines S. pneumoniae Infektionsmodels. Die hier generierten Daten zeigten einen fortgeschrittenen Krankheitsverlauf in LMP7 ko Mäuse, der in einer systemischen inflammatorischen Immunreaktion endete und sich in klinischen Parametern, wie physiologische Kondition, spezifische diagnostische Marker und Immunsuppression, andeutete. Der Zustand der Sepsis entwickelte sich vermutlich aufgrund einer erhöhten bakteriellen Last im Blut und führte zu einer vorzeitigen Mortalität infizierter LMP7 ko Tiere. Obwohl die Fähigkeit von LMP7 ko Leukozyten ex vivo Bakterien zu eliminieren nicht beeinträchtigt war, zeigten LMP7 ko Mäuse in vivo eine verminderte Genexpression immunmodulierender Moleküle, wie Pentraxine, Fikoline und Kollektine. Diese Moleküle fördern die Aufnahme, Elimination und Degradation pathogener Mikroorganismen. Die reduzierte Expression opsonierender Moleküle wurde begleitet von einer veränderten proteasomalen Zusammensetzung in murinen Makrophagen und Lebergewebe. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass diese Ergebnisse eine bisher unbekannte Rolle von Immunoproteasomalen Untereinheiten bei der Regulierung der angeborenen Immunantwort auf extrazelluläre bakterielle Infektionen unterstreichen. / Immunoproteasomes, harboring the active site subunits LMP7, LMP2, and MECL1 exert protective, regulatory or modulating functions during infection-induced immune responses. Immunoproteasomes are constitutively expressed in hematopoietic derived cells, constituting the first line of defense against invading pathogens. To clarify the impact of immunoproteasomes on the innate immune response against Streptococcus pneumoniae, we characterized the progression of disease and analyzed the local as well as systemic innate immune response in LMP7 ko mice by using a S. pneumoniae infection model. Data showed that mice deficient in LMP7 suffered from a more severe case of pneumonia which ended in a systemic inflammatory response indicated by aggravated clinical signs, diagnostic parameters, and immune suppression. The systemic inflammatory response probably established in consequence of an increased bacteremia and resulted in early mortality. Although, bacterial killing efficiency of LMP7 ko leukocytes was unaffected ex vivo, LMP7 ko mice exhibited a reduction in the transcription of genes encoding immune modulating molecules such as pentraxins, ficolins, and collectins, which facilitate opsonophagocytosis. The reduced expression of opsonins was accompanied by an affected subunit composition of proteasomes in murine macrophages and liver. In summary these results highlight an unsuspected role for immuno-subunits in modulating the innate immune response to extracellular bacterial infections.

Umweltveränderungen kommen natürlicherweise vor und viele Spezies waren im Laufe ihrer Evolutionsgeschichte davon betroffen. Durch die Aktivitäten des Menschen jedoch finden diese in höherer Geschwindigkeit und größerem Umfang statt und stellen so für viele Spezies eine neue Herausforderung dar. Einen großen Einfluss auf die Umwelt nimmt der Mensch durch Verschmutzung, welche zu Veränderungen der Physiologie der Organismen und deren Verhalten führen und damit Einfluss auf die Populationsdynamik und letztendlich auf die Biodiversität haben kann. In meiner Dissertation untersuchte ich den Einfluss durch Bergbau ausgelöster Trübung auf das Verhalten und die soziale Struktur des Guppys. Er nutzt soziale Interaktionen für eine höhere Effizienz bei der Nahrungssuche und Räubervermeidung. Die Nutzung sei-nes dafür eingesetzten Sehsinns ist bei Trübung stark eingeschränkt. Ich untersuchte die Reaktion Trübung unerfahrener Fische aus Labor und Feld auf Trübung. Es zeigte sich, dass beide ihre sozialen Interaktionen in trübem Wasser verringerten. Eine zusätzliche Markow-Ketten-Analyse ergab aber auch, dass Laborfische Kontakte zu bestimmten In-dividuen der Gruppe verstärkten und Feldfische ihre initiierten Kontakte behielten. An-schließend studierte ich den Unterschied der sozialen Struktur Trübung erfahrener und - unerfahrener Fische. Trübung erfahrene Fische erhöhten die Gesamtzahl der Interaktio-nen, reduzierten jedoch die Anzahl der initiierten Kontakte im Gegensatz zu unerfahre-nen Fischen. Diese Strukturänderung, vermute ich, erhöht den Zusammenhalt und damit den In-formationsfluss im Schwarm. Die Ergebnisse von Folgeversuchen, nämlich der Erhalt der Paarungsanzahl und die effektivere Vermeidung einer Räuberattrappe bei Trübung er-fahrenen Fischen, unterstützen diese Vermutung. Die Arbeit zeigt, dass Guppys in der Lage sind, sich durch Änderung Ihrer sozialen Struktur an trübe Verhältnisse anzupas-sen. Dies könnte auch Einfluss auf ihre Populationsstruktur haben. / Most species have been subjected to environmental changes during their evolutionary history. However, due to human activity, environmental changes are currently occurring at higher speeds and on a greater scale, presenting new challenges for many species. Pollution, as a major type of human-induced environmental change, may not only affect physiology but also behaviour, thereby affecting population dynamics and consequently biodiversity. The topic of my dissertation is the effect of turbidity from quarrying on the behaviour and social association pattern of the guppy (Poecilia reticulata). Turbidity impairs the fish’s ability to use visual cues during social interactions, which in turn helps increases efficiency of foraging and avoiding predators. I investigated the initial re-sponse of guppies to turbidity and subsequently tested whether turbidity-experienced vs turbidity-inexperienced populations differ in their social association patterns and how they cope with ecological challenges. Both lab-reared and wild-caught guppies that were inexperienced with turbidity reduced social associations in turbid water in con-trast to turbidity-experienced fish. A Markov chain analysis revealed that lab-reared guppies increased associations with particular neighbours. Similarly, wild-caught gup-pies maintained the number of initiated associations under turbid conditions. The in-crease in non-initiated associations suggests a stronger connectivity within the shoal, leading to higher information transmission in a poor visual environment. Additional results showed that this altered social structure enabled turbidity-experienced fish to maintain the frequency of mating attempts in turbidity and to avoid predation risk. This suggests that guppies have the ability to adjust to turbidity, but with major changes in their social structure, which might have an impact on population dynamics.

Die magnetische Blutbolusmarkierung (Spin-Labeling) ermöglicht die nichtinvasive quantitative Messung des Blutflusses im Gewebe. Beim Spin-Labeling wird arterielles Blut durch Radiofrequenzpulse magnetisch markiert und der Transport der Markierung MR-tomographisch gemessen. Am Modell einer unter physiologischen Bedingungen perfundierten extrakorporalen Schweineniere konnte die Quantifizierbarkeit der Messmethode nachgewiesen werden. In einer Studie an 36 Hirntumorpatienten wurde das Verfahren mit der kontrastmittelbasierten First-Pass-Bolus-Methode zur nicht-quantitativen Perfusionsmessung verglichen. Es zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen beiden Methoden, der lineare Korrelationskoeffizient des relativen Blutflusses in der Tumorregion lag bei R=0,83. Die mittels Spin-Labeling ermittelten Absolutwerte des Blutflusses spielen bei der Beurteilung des Tumorgrades eine untergeordnete Rolle, da die mittlere Perfusion individuell sehr verschieden ist. Ein zweiter Anwendungsbereich für das Spin-Labeling ist die Darstellung großer Arterien. Spin-Labeling ermöglicht die nichtinvasive dynamische Angiographie (Dynamische Spin-Labeling-Angiographie - DSLA). Analog zur digitalen Subtraktionsangiographie kann damit der Einstromvorgang des Blutes in den Gefäßbaum zeitaufgelöst gemessen werden, jedoch mit wesentlich höherer zeitlicher Auflösung und frei wählbarer Projektionsrichtung. In einer Studie an 18 Patienten mit einseitigen Carotisstenosen wurden die Zeitdifferenzen der Anflutung der zerebralen Gefäße zwischen der betroffenen und der nicht stenosierten Seite bestimmt. Die im Carotis-Siphon gemessenen Zeitdifferenzen korrelieren signifikant mit dem Stenosegrad, steigen aber erst ab einer Lumeneinengung oberhalb von 80 Prozent deutlich an. Im Vergleich zu den etablierten Methoden werden die Möglichkeiten und Grenzen der DSLA dargestellt. / Arterial spin labeling methods allow to determine quantitative tissue blood flow values noninvasively. Arterial blood is labelled by an inversion pulse and the distribution of this intrinsic tracer is measured using magnetic resonance imaging. Experiments using an extra corporal in-vitro porcine kidney in a MR compatible set-up were carried out to determine the accuracy of blood flow values calculated from arterial spin labeling measurements. In a study of 36 brain tumor patients, spin labeling was compared to non-quantitative contrast-enhanced dynamic susceptibility-weighted perfusion imaging. Relative blood flow values determined with both methods were in good agreement, the linear regression coefficient in the tumor region was R=0.83. Due to the variable individual perfusion state, quantitative blood flow values determined using spin labeling play a minor role in the assessment of tumor grade. Application of spin labeling to angiography of major arteries was investigated. Dynamic spin labeling angiography (DSLA) sequences were implemented and tested on a clinical scanner. This technique allows time-resolved depiction of blood flow in large vessels with very high temporal resolution. As opposed to digital subtraction angiography, the method allows arbitrary projection directions. In a study, 18 patients with one-sided carotid stenoses were examined. In these patients the time differences of blood bolus arrival at both hemispheres were determined. Time differences measured in the carotid siphon show a significant correlation with the degree of stenosis. However, a clear increase is not seen until 80% narrowing of a carotid. Possibilities and limitations of the DSLA method are discussed in comparison to established techniques.

Um die komplexe Dynamik von Neuronen und deren Informationsverarbeitung mittels Pulssequenzen zu verstehen, ist es wichtig, die stationäre Puls-Aktivität zu charakterisieren. Die statistischen Eigenschaften von Pulssequenzen können durch vereinfachte stochastische Neuronenmodelle verstanden werden. Eine gut ausgearbeitete Theorie existiert für die Klasse der Erneuerungsmodelle, welche die statistische Unabhängigkeit der Interspike-Intervalle (ISI) annimmt. Experimente haben jedoch gezeigt, dass viele Neuronen Korrelationen zwischen ISIs aufweisen und daher nicht gut durch einen Erneuerungsprozess beschrieben werden. Solche Korrelationen können durch Nichterneuerungs-Modelle erfasst werden, welche jedoch theoretisch schlecht verstanden sind. Diese Arbeit ist eine analytische Studie von Nichterneuerungs-Modellen, die zwei bedeutende Korrelationsmechanismen untersucht: farbiges Rauschen, welches zeitlich-korrelierten Input darstellt, und negative Puls-Rückkopplung, welche Feuerraten-Adaption realisiert. Für das "Perfect-Integrate-and-Fire" (PIF) Modell, welchen durch ein allgemeines Gauss''sches farbiges Rauschen getrieben ist, werden die Statistiken höherer Ordnung der Output-Pulssequenz hergeleitet, insbesondere der Koeffizient der Variation, der serielle Korrelationskoeffizient (SCC), die ISI-Dichte und der Fano-Faktor. Weiterhin wird die Dynamik des PIF Modells mit Puls-getriggertem Adaptionsstrom und weissem Stromrauschen im Detail analysiert. Die Theorie liefert einen Ausdruck für den SCC, der für schwaches Rauschen aber beliebige Adaptions-Stärke und Zeitskale gültig ist, sowie die lineare Antwortfunktion und das Leistungsspektrum der Pulssequenz. Ausserdem wird gezeigt, dass ein stochastischer Adaptionsstrom wie ein langsames farbiges Rauschen wirkt, was ermöglicht, die dominierende Quellen des Rauschen in einer auditorischen Rezeptorzelle zu bestimmen. Schliesslich wird der SCC für das fluktuations-getriebene Feuerregime berechnet. / To understand the complex dynamics of neurons and its ability to process information using a sequence of spikes, it is vital to characterize its stationary spontaneous spiking activity. The statistical properties of spike trains can be explained by reduced stochastic neuron models that account for various sources of noise. A well-developed theory exists for the class of renewal models, in which the interspike intervals (ISIs) are statistically independent. However, experimental studies show that many neurons are not well described by a renewal process because of correlations between ISIs. Such correlations can be captured by generalized, non-renewal models, which are, however, poorly understood theoretically. This thesis represents an analytical study of non-renewal models, focusing on two prominent correlation mechanisms: colored-noise driving representing temporally correlated inputs, and negative feedback currents realizing spike-frequency adaptation. For the perfect integrate-and-fire (PIF) model driven by a general Gaussian colored noise input, the higher-order statistics of the output spike train is derived using a weak-noise analysis of the Fokker-Planck equation. This includes formulas for the coefficient of variation, the serial correlation coefficient (SCC), the ISI density and the Fano factor. Then, the dynamics of a PIF model with a spike-triggered adaptation and a white-noise current is analyzed in detail. The theory yields an expression for the SCC valid for weak noise but arbitrary adaptation strengths and time scale, and also provides the linear response to time-dependent stimuli and the spike train power spectrum. Furthermore, it is shown that a stochastic adaptation current acts like a slow colored noise, which permits to determine the source of spiking variability observed in an auditory receptor neuron. Finally, the SCC is calculated for the fluctuation-driven spiking regime by assuming discrete states of colored noise or adaptation current.

This work investigates the defect energies, band alignments, and charge carrier recombination in polycrystalline Cu(In1-xGax)(Se1-ySy)2 chalcopyrite thin films and the interrelationship with the alloy composition. Photoluminescence spectroscopy of investigated Cu-poor Cu(In,Ga)(Se,S)2 layers generally shows broad emission lines with the corresponding maxima shifting towards higher energies under decreasing temperature or under increasing excitation power. Admittance spectroscopy of Cu-poor ZnO/CdS/Cu(In,Ga)(Se,S)2 chalcopyrite devices shows that the activation energies of the dominant defect distributions involving donors at the CdS/absorber interface and deep acceptors in the chalcopyrite bulk, increase upon alloying CuInSe2 with S. The band alignments within the Cu(In1-xGax)(Se1-ySy)2 system are determined using the energy position of the bulk acceptor state as a reference. The band gap enlargement under Ga alloying is accommodated almost exclusively in the rise of the conduction band edge, whereas the increase of band gap upon alloying with S is shared between comparable valence and conduction band offsets. The extrapolated band discontinuities [delta]EV(CuInSe2/CuInS2) = -0.23 eV, [delta]EC(CuInSe2/CuInS2) = 0.21 eV, [delta]EV(CuInSe2/CuGaSe2) = 0.036 eV, and [delta]EC(CuInSe2/CuGaSe2) = 0.7 eV are in good agreement with theoretical predictions. Current-voltage analysis of Cu-poor ZnO/CdS/Cu(In,Ga)(Se,S)2 devices reveals recombination barriers which follow the band gap energy of the absorber irrespective of alloy composition, as expected for dominant recombination in the chalcopyrite bulk. In turn, the recombination at the active junction interface prevails in Cu-rich devices which display substantially smaller barriers when compared to the band gap energy of the absorber. The result indicates that the Cu-stoichiometry is the driving compositional parameter for the charge carrier recombination in the chalcopyrite heterojunctions under investigations.