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Each day, millions of people ask questions and search for answers on the World Wide Web. Due to this, the Internet has grown to a world wide database of questions and answers, accessible to almost everyone. Since this database is so huge, it is hard to find out whether a question has been answered or even asked before. As a consequence, users are asking the same questions again and again, producing a vicious circle of new content which hides the important information. One platform for questions and answers are Web forums, also known as discussion boards. They present discussions as item streams where each item contains the contribution of one author. These contributions contain questions and answers in human readable form. People use search engines to search for information on such platforms. However, current search engines are neither optimized to highlight individual questions and answers nor to show which questions are asked often and which ones are already answered. In order to close this gap, this thesis introduces the \\emph{Effingo} system. The Effingo system is intended to extract forums from around the Web and find question and answer items. It also needs to link equal questions and aggregate associated answers. That way it is possible to find out whether a question has been asked before and whether it has already been answered. Based on these information it is possible to derive the most urgent questions from the system, to determine which ones are new and which ones are discussed and answered frequently. As a result, users are prevented from creating useless discussions, thus reducing the server load and information overload for further searches. The first research area explored by this thesis is forum data extraction. The results from this area are intended be used to create a database of forum posts as large as possible. Furthermore, it uses question-answer detection in order to find out which forum items are questions and which ones are answers and, finally, topic detection to aggregate questions on the same topic as well as discover duplicate answers. These areas are either extended by Effingo, using forum specific features such as the user graph, forum item relations and forum link structure, or adapted as a means to cope with the specific problems created by user generated content. Such problems arise from poorly written and very short texts as well as from hidden or distributed information.

Each day, millions of people ask questions and search for answers on the World Wide Web. Due to this, the Internet has grown to a world wide database of questions and answers, accessible to almost everyone. Since this database is so huge, it is hard to find out whether a question has been answered or even asked before. As a consequence, users are asking the same questions again and again, producing a vicious circle of new content which hides the important information. One platform for questions and answers are Web forums, also known as discussion boards. They present discussions as item streams where each item contains the contribution of one author. These contributions contain questions and answers in human readable form. People use search engines to search for information on such platforms. However, current search engines are neither optimized to highlight individual questions and answers nor to show which questions are asked often and which ones are already answered. In order to close this gap, this thesis introduces the \\emph{Effingo} system. The Effingo system is intended to extract forums from around the Web and find question and answer items. It also needs to link equal questions and aggregate associated answers. That way it is possible to find out whether a question has been asked before and whether it has already been answered. Based on these information it is possible to derive the most urgent questions from the system, to determine which ones are new and which ones are discussed and answered frequently. As a result, users are prevented from creating useless discussions, thus reducing the server load and information overload for further searches. The first research area explored by this thesis is forum data extraction. The results from this area are intended be used to create a database of forum posts as large as possible. Furthermore, it uses question-answer detection in order to find out which forum items are questions and which ones are answers and, finally, topic detection to aggregate questions on the same topic as well as discover duplicate answers. These areas are either extended by Effingo, using forum specific features such as the user graph, forum item relations and forum link structure, or adapted as a means to cope with the specific problems created by user generated content. Such problems arise from poorly written and very short texts as well as from hidden or distributed information.

Biologische Systeme sind in der Lage sich an eine Niedrig-Dosis-Bestrahlung anzupassen und eine geringere Sensitivität gegenüber einer nachfolgenden Hoch-Dosis-Bestrahlung zu entwickeln. Dieses Phänomen wird als adaptive Antwort bezeichnet und wurde nach der Bestrahlung mit externen Strahlungsquellen wiederholt in vivo und in vitro untersucht. Im Gegensatz dazu gibt es für die Bestrahlung mit offenen Radionukliden keine systematischen und vergleichenden Untersuchungen. Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen der Nachweis sowie die Analyse der adaptiven Antwort an PC Cl3-Zellen nach Bestrahlung mit den offenen Radionukliden Re-188 und Tc-99m. Die Zellschädigung wurde mit dem alkalischen Komet-Assay, zur Bestimmung des initialen DNA-Schadens und dem Koloniebildungstest, zur Ermittlung des klonogenen Überlebens, untersucht. Zur Aufklärung von möglichen Regulationsmechanismen der adaptiven Antwort wurde die Induktion und Reparatur von DSB mit dem gamma-H2AX-Immunfluoreszenz-Assay und die intrazelluläre Radionuklidaufnahme betrachtet. In dieser Arbeit erfolgte erstmals eine systematische Untersuchung der adaptiven Antwort nach Bestrahlung mit offenen Radionukliden in vitro. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass nach Bestrahlung mit offenen Radionukliden eine adaptive Antwort ausgebildet wird. Diese ist von der Strahlenqualität während Vor- und Folgebestrahlung sowie der Art der DNA-Schädigung und den initiierten Reparaturprozessen abhängig. Weiter Einflussfaktoren sind die Erholungszeit, die Vorbestrahlung (Dosis, Strahlenqualität) und die Art des Schadensnachweises. Neben den bekannten Regulationsmechanismen wurde erstmals die Reduktion der intrazellulären Radionuklidaufnahme als weitere mögliche adaptive Antwort beschrieben.

Diese Arbeit ist ein erster Versuch, mit Modellbildung und mathematischer Analyse die Experimente zu verstehen, die zeigten, dass die Stimulation eines einzelnen Neurons im Cortex eine Verhaltensreaktion auslösen kann. Dieser Befund stellt die verbreitete Ansicht infrage, dass viele Neurone nötig sind, um Information zuverlässig kodieren zu können. Der Ausgangspunkt der vorliegenden Untersuchung ist die Stimulation einer zufällig ausgewählten Zelle in einem Zufallsnetzwerk exzitatorischer und inhibitorischer Neuronmodelle. Es wird dann nach einem plausiblen Ausleseverfahren gesucht, das die Einzelzellstimulation mit einer mit den Experimenten vergleichbaren Zuverlässigkeit detektieren kann. Das erste Ausleseschema reagiert auf Abweichungen vom spontanen Zustand in der Aktivität einer Auslesepopulation. Die Stimulation wird detektiert, wenn bei der Auswahl der Auslesepopulation denjenigen Neuronen ein Vorzug gegeben wird, die eine direkte Verbindung von der stimulierten Zelle bekommen. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Ausleseschema erweitert, indem ein zweites Netzwerk als Ausleseschaltkreis dient. Interessanterweise erweist sich dieses Ausleseschema nicht nur als plausibler, sondern auch als effektiver. Diese Resultate basieren sowohl auf Simulationen als auch auf analytischen Rechnungen. Weitere Experimente zeigten, dass eine konstante Strominjektion einen Effekt auslöst, der kaum von Dauer und Intensität der Stimulation abhängt, der aber bei unregelmäßiger Stimulation zunimmt. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit einer theoretischen Erklärung für diese Ergebnisse. Hierzu werden die biologischen Eigenschaften des Systems im Modell detaillierter beschrieben. Weiterhin wird die Funktionsweise des Ausleseschemas so modifiziert, dass es auf Veränderungen reagiert, anstatt den Input zu integrieren. Dieser Differenzierdetektor liefert Ergebnisse, die mit den Experimenten übereinstimmen, und könnte bei nichtstationärem Input vorteilhaft sein. / This thesis is a first attempt at developing a theoretical model of the experiments which show that the stimulation of a single cell in the cortex can trigger a behavioral reaction and that challenge the common belief that many neurons are needed to reliably encode information. As a starting point of the present work, one neuron selected at random within a random network of excitatory and inhibitory integrate-and-fire neurons is stimulated. One important goal of this thesis is to seek a readout scheme that can detect the single-cell stimulation in a plausible way with a reliability compatible with the experiments. The first readout scheme reacts to deviations from the spontaneous state in the activity of a readout population. When the choice of readout neurons is sufficiently biased towards those receiving direct links from the stimulated cell, the stimulation can be detected. In the second part of the thesis, the readout scheme is extended by employing a second network as a readout circuit. Interestingly, this new readout scheme is not only more plausible, but also more effective. These results are based both on numerical simulations of the network and on analytical approximations. Further experiments showed that the probability of the behavioral reaction is substantially independent of the length and intensity of the stimulation, but it increases when an irregular current is used. The last part of this thesis seeks a theoretical explanation for these findings. To this end, a recurrent network including more biological details of the system is considered. Furthermore, the functioning principle of the readout is modified to react to changes in the activity of the local network (a differentiator readout), instead of integrating the input. This differentiator readout yields results in accordance with the experiments and could be advantageous in the presence of nonstationarities.

Das Kausalitaetskonzept von Granger und die Impuls-Antwort-Analyse sind zwei Konzepte, die haeufig verwendet werden, um kausale Beziehungen zwischen zwei Variablen in vektorautoregressiven (VAR) Modellen zu untersuchen. Wenn das VAR Modell mehr als zwei Variablen umfasst, besteht eine Erweiterung des Standard Granger Kausalitaetskonzepts darin, Kausalitaet an hoeheren Prognosehorizonten zu messen. Die Kausalitaetsbeziehungen unter diesem erweiterten Granger Kausalitaetskonzept werden mit denen bei Standard Granger Kausalitaet (Ein-Schritt-Prognose) und mit Kausalitaet im Sinne der Impuls-Antwort-Analyse verglichen. Es wird insbesondere dargestellt, inwiefern das erweiterte Granger Kausalitaetskonzept als Verallgemeinerung der letztgenannten Konzepte aufgefasst werden kann. Wenn Kausalitaet an Prognosehorizonten groesser als eins gemessen wird und das VAR Modell mehr als zwei Variablen umfasst, impliziert die Nullhypothese, dass eine Variable nicht kausal fuer eine andere Variable sei, nichtlineare Restriktionen auf die VAR Koeffizienten. (In nichtstationaeren VAR Modellen treten nichtlineare Restriktionen sogar schon unter dem Standard Granger Kausalitaetskonzept auf.) Aufgrund der speziellen Form der Restriktionen kann es vorkommen, dass die Standard Wald Statistik nicht mehr die uebliche, asymptotische Chiquadrat-Verteilung hat. Dieses Problem wird im allgemeinen in der Praxis ignoriert. Beispiel 4.1, Proposition 4.1 und Korollar 4.1 zeigen jedoch, dass dieses Problem nicht irrelevant ist. Zwei Loesungen werden in Proposition 5.1 und Proposition 5.2 in Form eines randomisierten Wald Tests sowie eines Wald Tests mit verallgemeinerter Inverse angeboten. In einer anschliessenden kleinen Simulationsstudie werden Groesse und Macht dieser modifizierten Wald Tests relativ zu der des Standard Wald Tests untersucht fuer verschiedene stationaere trivariate VAR(1)-Modelle. In einem kurzen Ueberblick werden zudem Vor- und Nachteile alternativer Testverfahren (Bootstrap, sequentielle Tests) zusammengefasst. / The concepts of standard Granger causality and impulse response analysis are often used to investigate causal relationships between variables in vector autoregressive (VAR) models. In VAR models with more than two variables, the concept of standard Granger causality can be extended by studying prediction improvement at forecast horizons greater than one. The causal relationships which arise under this extended Granger causality concept are compared to those arising under the standard Granger causality concept (one-step forecasts) and those arising with impulse-response-analysis. In particular, it is illustrated inhowfar the extended Granger causality concept can be understood as a generalization of the standard Granger causality concept and even of impulse-response-analysis. If causality is measured at forecast horizons greater than one, and if there are more than two variables in the VAR system, the null hypothesis that one variable is not causal for another variable implies restrictions which are a nonlinear function of the VAR coefficients. (In nonstationary VAR models, nonlinear restrictions already arise under the standard Granger causality concept.) Due to the special form of the restrictions, the standard Wald test may no longer have the usual asymptotic chisquare-distribution under the null hypothesis. This problem is commonly neglected in practice. However, Example 4.1, Corollary 4.1 and Proposition 4.1 of this thesis illustrate that this problem is not irrelevant. Furthermore, Propositions 5.1 and 5.2 show that this problem may be overcome, at least in stationary VAR models, by using either a randomized Wald test or a Wald test with generalized inverse. Size and Power of these modified Wald tests relative to the standard Wald test are investigated in a small simulation study for different stationary, trivariate VAR(1) models. Moreover, the pros and cons of alternative testing strategies (bootstrap, sequential tests) are summarized in a brief overview.

Neurone sind anregbare Zellen, die mit Hilfe von elektrischen Signalen miteinander kommunizieren. Im allgemeinen werden eingehende Signale von den Nervenzellen in einer nichtlinearen Art und Weise verarbeitet. Wie diese Verarbeitung in einer umfassenden und exakten Art und Weise mathematisch beschrieben werden kann, ist bis heute nicht geklärt und ist Gegenstand aktueller Forschung. In dieser Arbeit untersuchen wir die nichtlineare Übertragung und Verarbeitung von Signalen durch stochastische Nervenzellen und wenden dabei zwei unterschiedliche Herangehensweisen an. Im ersten Teil der Arbeit befassen wir uns mit der Frage, auf welche Art und Weise ein Signal mit einer bekannten Zeitabhängigkeit die Rate der neuronalen Aktivität beeinflusst. Im zweiten Teil der Arbeit widmen wir uns der Rekonstruktion eingehender Signale aus der durch sie hervorgerufenen neuronalen Aktivität und beschäftigen uns mit der Abschätzung der übertragenen Informationsmenge. Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren, wie die etablierten linearen Theorien, die die Modellierung der neuronalen Aktivitätsrate bzw. die Rekonstruktion von Signalen beschreiben, um Beiträge höherer Ordnung erweitert werden können. Einen wichtigen Beitrag dieser Arbeit stellt allerdings auch die Darstellung der Signifikanz der nichtlinearen Theorien dar. Die nichtlinearen Beiträge erweisen sich nicht nur als schwache Korrekturen zu den etablierten linearen Theorien, sondern beschreiben neuartige Effekte, die durch die linearen Theorien nicht erfasst werden können. Zu diesen Effekten gehört zum Beispiel die Anregung von harmonischen Oszillationen der neuronalen Aktivitätsrate und die Kodierung von Signalen in der signalabhängigen Varianz einer Antwortvariablen. / Neurons are excitable cells which communicate with each other via electrical signals. In general, these signals are processed by the Neurons in a nonlinear fashion, the exact mathematical description of which is still an open problem in neuroscience. In this thesis, the broad topic of nonlinear signal processing is approached from two directions. The first part of the thesis is devoted to the question how input signals modulate the neural response. The second part of the thesis is concerned with the nonlinear reconstruction of input signals from the neural output and with the estimation of the amount of the transmitted information. The results of this thesis demonstrate how existing linear theories can be extended to capture nonlinear contributions of the signal to the neural response or to incorporate nonlinear correlations into the estimation of the transmitted information. More importantly, however, our analysis demonstrates that these extensions do not merely provide small corrections to the existing linear theories but can account for qualitatively novel effects which are completely missed by the linear theories. These effects include, for example, the excitation of harmonic oscillations in the neural firing rate or the estimation of information for systems with a signal-dependent output variance.

Signalverarbeitung im Nervensystem hängt sowohl von der Netzwerkstruktur, als auch den zellulären Eigenschaften der Nervenzellen ab. In dieser Abhandlung werden zwei zelluläre Eigenschaften im Hinblick auf ihre funktionellen Anpassungsmöglichkeiten untersucht: Es wird gezeigt, dass neuronale Morphologie die Signalweiterleitung unter Berücksichtigung energetischer Beschränkungen verstärken kann, und dass selbst kleine Änderungen in biophysikalischen Parametern die Aktivierungsbifurkation in Nervenzellen, und damit deren Informationskodierung, wechseln können. Im ersten Teil dieser Abhandlung wird, unter Verwendung von mathematischen Modellen und Daten, die Hypothese aufgestellt, dass Energie-effiziente Signalweiterleitung als starker Evolutionsdruck für unterschiedliche Zellkörperlagen bei Nervenzellen wirkt. Um Energie zu sparen, kann die Signalweiterleitung vom Dendrit zum Axon verstärkt werden, indem relativ kleine Zellkörper zwischen Dendrit und Axon eingebaut werden, während relativ große Zellkörper besser ausgelagert werden. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass biophysikalische Parameter, wie Temperatur, Membranwiderstand oder Kapazität, den Feuermechanismus des Neurons ändern, und damit gleichfalls Aktionspotential-basierte Informationsverarbeitung. Diese Arbeit identifiziert die sogenannte "saddle-node-loop" (Sattel-Knoten-Schlaufe) Bifurkation als den Übergang, der besonders drastische funktionale Auswirkungen hat. Neben der Änderung neuronaler Filtereigenschaften sowie der Ankopplung an Stimuli, führt die "saddle-node-loop" Bifurkation zu einer Erhöhung der Netzwerk-Synchronisation, was möglicherweise für das Auslösen von Anfällen durch Temperatur, wie bei Fieberkrämpfen, interessant sein könnte. / Signal processing in nervous systems is shaped by the connectome as well as the cellular properties of nerve cells. In this thesis, two cellular properties are investigated with respect to the functional adaptations they provide: It is shown that neuronal morphology can improve signal transmission under energetic constraints, and that even small changes in biophysical parameters can switch spike generation, and thus information encoding. In the first project of the thesis, mathematical modeling and data are deployed to suggest energy-efficient signaling as a major evolutionary pressure behind morphological adaptations of cell body location: In order to save energy, the electrical signal transmission from dendrite to axon can be enhanced if a relatively small cell body is located between dendrite and axon, while a relatively large cell body should be externalized. In the second project, it is shown that biophysical parameters, such as temperature, membrane leak or capacitance, can transform neuronal excitability (i.e., the spike onset bifurcation) and, with that, spike-based information processing. This thesis identifies the so-called saddle-node-loop bifurcation as the transition with particularly drastic functional implications. Besides altering neuronal filters and stimulus locking, the saddle-node-loop bifurcation leads to an increase in network synchronization, which may potentially be relevant for the initiation of seizures in response to increased temperature, such as during fever cramps.