A combined view of the human brain and computer-generated virtual realities is motivated by recent developments in cognitive neuroscience and human-computer interaction (HCI). The emergence of new theories of human brain function, together with an increasing use of realistic human-computer interaction, give reason to believe that a better understanding of the relationship between human brains and virtual realities is both possible and valuable. The concept of “presence”, described as the subjective feeling of being in a place that feels real, can serve as a cornerstone concept in the development of such an understanding, as computer-generated presence is tightly related to how human brains work in virtual realities. In this thesis, presence is related both to theoretical discussions rooted in theories of human brain function, and to measurements of brain activity during realistic interaction. The practical implications of such results are further developed by considering potential applications. This includes the development and evaluation of a prototype application, motivated by presented principles. The theoretical conception of presence in this thesis relies on general principles of brain function, and describes presence as a general cognitive function, not specifically related to virtual realities. Virtual reality (VR) is an excellent technology for investigating and taking advantage of all aspects of presence, but a more general interpretation allows the same principles to be applied to a wide range of applications. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used to study the working human brain in VR. Such data can inform and constrain further discussion about presence. Using two different experimental designs we have investigated both the effect of basic aspects of VR interaction, as well as the neural correlates of disrupted presence in a naturalistic environment. Reality-based brain-computer interaction (RBBCI) is suggested as a concept for summarizing the motivations for, and the context of, applications building on an understanding of human brains in virtual realities. The RBBCI prototype application we developed did not achieve the set goals, but much remains to be investigated and lessons from our evaluation point to possible ways forward. A developed use of methods and techniques from computer gaming is of particular interest. / Ett kombinerat perspektiv på den mänskliga hjärnan och datorgenererade virtuella verkligheter motiveras av den senaste utvecklingen inom kognitiv neurovetenskap och människa-datorinteraktion (MDI). Framväxten av nya teorier om den mänskliga hjärnan, tillsammans med en ökande användning av realistisk människa-datorinteraktion, gör det troligt att en bättre förståelse för relationen mellan mänskliga hjärnor och virtuella verkligheter är både möjlig och värdefull. Begreppet "närvaro", som i detta sammanhang beskrivs som den subjektiva känslan av att vara på en plats som känns verklig, kan fungera som en hörnsten i utvecklingen av en sådan förståelse, då datorgenererad närvaro är tätt kopplat till hur mänskliga hjärnor fungerar i virtuella verkligheter. I denna avhandling kopplas närvaro både till teoretiska diskussioner grundade i teorier om den mänskliga hjärnan, och till mätningar av hjärnans aktivitet under realistisk interaktion. De praktiska konsekvenserna av sådana resultat utvecklas vidare med en närmare titt på potentiella tillämpningar. Detta inkluderar utveckling och utvärdering av en prototypapplikation, motiverad av de presenterade principerna. Den teoretiska diskussionen av närvaro i denna avhandling bygger på allmänna principer för hjärnans funktion, och beskriver känslan av närvaro som en generell kognitiv funktion, inte specifikt relaterad till virtuella verkligheter. Virtuell verklighet (virtual reality, VR) är en utmärkt teknik för att undersöka och dra nytta av alla aspekter av närvaro, men en mer allmän tolkning gör att samma principer kan tillämpas på ett brett spektrum av applikationer. Funktionell hjärnavbildning (fMRI) användes för att studera den arbetande mänskliga hjärnan i VR. Sådant data kan informera och begränsa en vidare diskussion av närvaro. Med hjälp av två olika försöksdesigner har vi har undersökt både effekten av grundläggande aspekter av VR-interaktion, och neurala korrelat av störd närvaro i en naturalistisk miljö. Verklighets-baserad hjärna-dator interaktion (reality-based brain-computer interaction, RBBCI) föreslås som ett begrepp för att sammanfatta motiv och kontext för applikationer som bygger på en förståelse av den mänskliga hjärnan i virtuella verkligheter. Den prototypapplikation vi utvecklade uppnådde inte de uppsatta målen, men mycket återstår att utforska och lärdomar från vår utvärdering pekar på möjliga vägar framåt. En vidare användning av metoder och tekniker från dataspel är speciellt intressant.

Spatial ability and the skill to visualize objects is necessary for earth scientist, especially structural geologist. For this reason, undergraduate students within earth science needs to learn this skills, and how is the best way to teach this skills. To implement 3D thinking in undergraduate teaching, three strategies are presented. The first one is to separate and combine objects, which includes to see geological differences and categorize them. Secondly, visualize objects, both many and single ones and see which ones who are connected. Third and lastly is still and moving objects which involves geological processes. It is important to give students time to develop their spatial abilities and help them during the learning process. Another aspect to this is the path of information within the human brain when visualizing an object. The result shows that the process starts with the human eye which perceive the object and its attributes, then the geniculate nucleus sorts the information and directs it toward the visual primary cortex located in the occipital lobe. The primary visual cortex then send the information though the ventral- and dorsal steam which produces a visualization. Aspects which can affect the spatial ability may be earlier experiences, age and the way each person perceive the object. These factors effects how hard humans think the process of visualization is. The questionnaire showed that 3D models help students to visualize and should be used more in undergraduate teaching. / Förmågan att visualisera objekt och förstå dem är nödvändig för en geovetare, speciellt inom strukturgeologi. Därför är det viktigt att studenter på kandidatprogram i geovetenskap får tillfälle att lära sig den förmågan. För att implementera 3D-tänkande i undervisningen har tre strategier tagits fram. Den första är att separera och kombinera objekt, vilket inkluderar att se geologiska skillnader och kategorisera dem. Den andra är att visualisera ett eller flera objekt och se vilka som är kopplade till varandra. Den tredje är att se objekt som är i stilla eller i rörelse, vilket involverar geologiska processer. Det är viktigt att ge studenterna tid för att utveckla sin spatiala förmåga och att hjälpa dem under utvecklingen. Arbetet syftar också till att ta reda på hur visuell information bearbetas av den mänskliga hjärnan. Först bearbetas informationen av ögat, sen till geniculate nucleus som sorterar informationen och skickar den till det primära visuella cortex som ligger i occipital-loben. Därefter processas informationen av ventrala och dorsala stammen och det är här som en visualisering produceras. Faktorer så som ålder, tidigare erfarenheter och hur ögat uppfattar objekten påverkar hur visualiseringen blir och hur svårt individen uppfattar processen. Enkätundersökningen visade på att 3D-modeller hjälper studenter att visualisera och borde användas mer i undervisning på kandidatnivå.

Οι όγκοι εγκεφάλου του ανθρώπου είναι φαινοτυπικά και γονοτυπικά ετερογενείς. Υπάρχουν σημαντικά κενά στην κατανόηση των μοριακών οδών που εμπλέκονται στην γένεση και ανάπτυξη των νεοπλασμάτων αυτών, καθώς και στη βιολογική και κλινική συμπεριφορά τους. Δεδομένου ότι: α) υπάρχει ένας αυξανόμενος όγκος πληροφοριών σχετικά με την εμπλοκή των υποδοχέων νευροτροφινών Trks (υποδοχείς κινάσης τυροσίνης) στην παθογένεια των νεοπλασμάτων του ΚΝΣ, β) οι νευροτροφίνες μπορούν να ρυθμίζουν τη γονιδιακή έκφραση στο νευρικό σύστημα μέσω του μεταγραφικού παράγοντα STAT-5 με μηχανισμό ανεξάρτητο της ενεργοποίησης της κινάσης JAK-2, γ) η οδός μεταγωγής σήματος JAK-2/STAT-5 ενεργοποιείται από την ερυθροποιητίνη (Epo) (μέσω δέσμευσής της με τον υποδοχέα της EpoR) η οποία πρόσφατα έχει θεωρηθεί ως παράγοντας-κλειδί της αύξησης των όγκων λόγω των αντιαποπτωτικών και αγγειογενετικών ιδιοτήτων και δυνητικός στόχος ογκολογικών θεραπευτικών στρατηγικών, δ) η Epo διαντιδρά με τον παράγοντα αγγειογένεσης VEGF ενδυναμώνοντας την αγγειοδραστικότητά του και συχνά οι δύο αυτοί αναπτυξιακοί παράγοντες συνεκφράζονται, ε) ερευνητικά δεδομένα υποδεικνύουν ένα δυνητικό ρόλο του άξονα VEGF/JAK-2/ STAT-5 στην αγγειογένεση στον καρκίνο και στ) σε πολλά νεοπλάσματα, τα κύτταρα του όγκου καθώς και τα μακροφάγα του στρώματος εκφράζουν τους παράγοντες λεμφαγγειογένεσης VEGF-C και VEGF-D οι οποίοι μέσω του υποδοχέα τους VEGFR-3 (υποδοχέας κινάσης τυροσίνης) έχει βρεθεί ότι προάγουν την αγγειογένεση στα νεοπλάσματα αυτά, ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μορφολογική μελέτη της έκφρασης των υποδοχέων κινάσης τυροσίνης Trks (υποδοχείς νευροτροφινών) και VEGFR-3 και η συσχέτισή τους με την οδό μεταγωγής σήματος EpoR/ JAK-2/ STAT-5 στα νεοπλάσματα του εγκεφάλου στον άνθρωπο. Για την ανίχνευση των Trks, EpoR, JAK-2, STAT-5 και VEGFR-3, χρησιμοποιήθηκε η ανοσοϊστοχημική μέθοδος σε διαδοχικές τομές ιστού πάχους 4μm, μονιμοποιημένου σε φορμόλη και εγκλεισμένου σε παραφίνη. Χρησιμοποιήθηκαν ειδικά αντισώματα έναντι των προς μελέτη πρωτεϊνών. Εξετάσθηκαν συνολικά 92 όγκοι εγκεφάλου (50 αστροκυτώματα: 5 πιλοκυτταρικά αστροκυττώματα WHO grade I, 6 διάχυτα αστροκυττώματα WHO grade II, 10 αναπλαστικά αστροκυττώματα. WHO grade III και 29 πολύμορφα γλοιοβλαστώματα. WHO grade IV, 8 ολιγοδενδρογλοιώματα, 6 επενδυμώματα, 5 μυελοβλαστώματα και 23 μηνιγγιώματα). Επιπλέον, στη μελέτη συμπεριλήφθηκαν τομές ιστού φυσιολογικού εγκεφάλου. Στην παρούσα εργασία, η πλειονότητα των αστροκυττωμάτων ανεξαρτήτως βαθμού κακοήθειας, έδειξε μέτρια έως έντονη κυτταροπλασματική ανοσοδραστικότητα για τους υποδοχείς TrkA (57%), TrkB (56%) και TrkC (46%). Όλα τα ολιγοδενδρογλοιώματα και τα επενδυμώματα που εξετάσθηκαν ήταν αρνητικά για τους υποδοχείς Trk ενώ έκφραση των υποδοχέων ανιχνεύθηκε σε μικρό ποσοστό των μυελοβλαστωμάτων. Στις ανοσοθετικές περιοχές των όγκων, το τοίχωμα των αγγείων ήταν έντονα θετικό για τον υποδοχέα TrkB. Σε ένα σημαντικό ποσοστό αστροκυττωμάτων (41%), επενδυμωμάτων (33%) και μηνιγγιωμάτων (48%) ανιχνεύθηκε έκφραση του EpoR, ενώ τα ολιγοδενδρογλοιώματα και τα μυελοβλαστώματα που εξετάσθηκαν ήταν αρνητικά. Συνέκφραση των JAK-2/STAT-5 ανιχνεύθηκε στο 39% των αστροκυττωμάτων, στο 43% των ολιγοδενδρογλοιωμάτων, στο 50% των επενδυμωμάτων και σε όλα (100%) τα μυελοβλαστώματα που συμπεριλήφθηκαν στη μελέτη. Η πλειονότητα των μηνιγγιωμάτων έδειξε ασθενή έως μηδενική έκφραση των πρωτεινών JAK-2 και STAT-5. Σε κάποιους όγκους, ανιχνεύθηκε έκφραση της πρωτείνης STAT-5 ενώ ήταν αρνητικοί για την κινάση JAK-2. Επίσης, βρέθηκαν όγκοι JAK-2- ανοσοθετικοί/ EpoR-ανοσοαρνητικοί. Στα ενδοθηλιακά κύτταρα των αγγείων των όγκων ανιχνεύθηκε έκφραση των EpoR, JAK-2 και/ή STAT-5. Η μελέτη της έκφρασης του VEGFR-3 έδειξε την καθολική σχεδόν έκφραση του υποδοχέα στο ενδοθήλιο των αγγείων, στους όγκους εγκεφάλου που εξετάσθηκαν, καθώς και στο τοίχωμα μεγαλύτερων αγγείων εκτός της περιοχής των όγκων. Επίσης, σε κάποιες περιπτώσεις, παρατηρήθηκε έκφραση του υποδοχέα σε νεοπλασματικά κύτταρα. Στα αστροκυτταρικά γλοιώματα, η έκφραση των pan-Trk, TrkB και TrkC σχετίζεται στατιστικά σημαντικά με την έκφραση STAT-5 ενώ δεν υπάρχει στατιστικά σημαντική συσχέτιση της έκφρασης του υποδοχέα TrkA με την έκφραση των JAK-2 και STAT-5, καθώς και της έκφρασης των Trks με την έκφραση της κινάσης JAK-2. Στα αστροκυτταρικά γλοιώματα, η έκφραση JAK-2 σχετίζεται στατιστικά σημαντικά με την έκφραση STAT-5, ενώ η έκφραση των JAK-2 και STAT-5 δεν σχετίζεται σημαντικά με την έκφραση EpoR. Στα επενδυμώματα υπάρχει στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ της έκφρασης JAK-2, STAT-5 και EpoR. Επίσης, στα μυελοβλαστώματα υπάρχει στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ της έκφρασης JAK-2 και STAT-5. Σε σημαντικό ποσοστό των εξετασθέντων όγκων –ιδιαίτερα των γλοιωμάτων- συνεκφράζονται οι υποδοχείς EpoR και VEGFR-3 στο ενδοθήλιο και στα λεία μυικά κύτταρα των αγγείων. Συγκεκριμένα, έκφραση και των δύο υποδοχέων στο τοίχωμα των αγγείων του όγκου, ανιχνεύθηκε, στο 58% των αστροκυτταρικών γλοιωμάτων, στο 67% των ολιγοδενδρογλοιωμάτων, στο 50% των επενδυμωμάτων, στο 20% των μυελοβλαστωμάτων και στο 33% των μηνιγγιωμάτων. Επίσης συνέκφραση των υποδοχέων TrkB και VEGFR-3 στο ενδοθήλιο των αγγείων των όγκων ανιχνεύθηκε στο 57% των αστροκυτταρικών γλοιωμάτων. Η έκφραση στο ενδοθήλιο των αγγείων των όγκων (α) του υποδοχέα TrkB στην πλειονότητα των TrkB-ανοσοθετικών όγκων, (β) των EpoR, JAK-2 και/ή STAT-5 σε αρκετούς όγκους ανεξάρτητα της ανοσοθετικότητας των νεοπλασματικών κυττάρων για τις πρωτεΐνες αυτές και (γ) του VEGFR-3 σχεδόν σε όλους του εξετασθέντες όγκους, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι παραπάνω παράγοντες πιθανόν συνεργάζονται στην αγγειογενετική διαδικασία στους όγκους εγκεφάλου. Η παρούσα μελέτη απέδειξε την παρουσία των: Trks, EpoR, JAK-2, STAT-5 και VEGFR-3 σε σημαντικό ποσοστό των όγκων εγκεφάλου στον άνθρωπο. Είναι απαραίτητο να διενεργηθούν λειτουργικές μελέτες των σηματοδοτικών οδών που προκύπτουν από την ενεργοποίηση των Trks, EpoR και VEGFR-3, προκειμένου να αποσαφηνισθούν οι πιθανές διαντιδράσεις αυτών των οδών στη διαδικασία της ογκογένεσης, γεγονός που θα μπορούσε να οδηγήσει στο σχεδιασμό νέων θεραπευτικών στρατηγικών για την αποτελεσματική αντιμετώπιση των όγκων εγκεφάλου στον άνθρωπο. / Brain tumors are phenotypically and genotypically heterogeneous. Significant gaps exist in current understanding of the molecular pathways involved in the genesis, progression, and biological and clinical behavior of brain tumors. Considering that : a) there is a growing amount of evidence implicating the neurotophin receptors Trks (receptor tyrosine kinases) in the pathogenesis of CNS tumors, b) neurotrophins may regulate neuronal gene expression via transcription factor STAT-5 in a JAK-2 independent manner, c) the JAK-2/STAT-5 signaling pathway is activated by Epo (recently characterized as a key factor for tumor growth) through its receptor EpoR, d) Epo is known to interact synergistically with vascular endothelial growth factor (VEGF), a potent angiogenic factor, and enhance its vascular activity, and these two growth factors, are often co-expressed, e) recent data suggest a potential role for a VEGF/JAK-2/STAT-5 axis in tumor angiogenesis and f) in many tumors, VEGF-C and -D are produced by tumor cells as well as by tumor-associated macrophages and through their receptor VEGFR-3 are involved in tumor angiogenesis and growth, the aim of this thesis is the morphological study of the expression patterns of the receptor tyrosine kinases Trks (neurotrophin receptors) and VEGFR-3 and their correlation with the EpoR/ JAK-2/ STAT-5 signaling pathway in human brain tumors. Immunohistochemistry was performed on formalin-fixed, paraffin-embedded, 4μm thick serial sections using the anti-Mouse/ Rabbit Poly HRP IHC Detection kit (CHEMICON International, Inc.). Antibodies against the Trk receptors, EpoR, JAK-2, STAT-5 and VEGFR-3, were used. A total of 92 brain tumors (50 astrocytic gliomas: 5 pilocytic astrocytomas; WHO grade I, 6 diffuse fibrillary astrocytomas; WHO grade II, 10 anaplastic astrocytomas; WHO grade III and 29 glioblastomas multiforme; WHO grade IV, 8 oligodendrogliomas, 6 ependymomas, 5 medulloblastomas, and 23 meningiomas) were included in this study. Normal human brain tissue was obtained postmortem (2 males). The present study demonstrated moderate to strong, granular cytoplasmic immunoreactivity in the majority of astrocytomas, for TrkA (57%), TrkB (56%) and TrkC receptors (46%), independently of grade. All the oligodendrogliomas and the ependymomas examined, were Trk immunonegative while a small percentage of medulloblastomas exhibited Trk immunopositivity. The endothelium of tumor vessels, in the immunopositive areas of the tumors, showed conspicuous immunoreactivity for TrkB receptor. A significant percentage of astrocytomas (41%), ependymomas (33%) and meningiomas (48%) displayed EpoR immunoreactivity. Oligodendrogliomas and medulloblastomas were EpoR- immunonegative. JAK-2/STAT-5 co-expression was detected in 39% of astrocytomas, 43% of oligodendrogliomas, 50% of ependymomas and in all (100%) the medulloblastomas examined. In contrast, most of the meningiomas showed weak or no immunoreactivity for JAK-2 and STAT-5 proteins. Some tumors exhibited STAT-5 immunoreactivity being JAK-2-immunonegative and others were JAK-2-immunopositive being EpoR- immunonegative. In some tumors - independently of EpoR immunoreactivity in tumors cells- the endothelium of tumor capillaries as well as florid angioproliferative changes and/or proliferations of smooth muscle cells showed conspicuous immunoreactivity for EpoR. Furthermore, endothelial cells of some tumor vessels showed JAK-2 and/or STAT-5 immunoreactivity. The present study demonstrated the almost catholic VEGFR-3 expression in the endothelium of tumor vessels in the brain tumor specimens examined, as well as in the smooth muscle cells in peritumoral vessels. In some tumors, the tumor cells expressed VEGFR-3receptor. In astrocytic gliomas, pan-Trk, TrkB and TrkC expression was significantly correlated with STAT-5 expression but not with JAK-2 whereas TrkA expression was not significantly correlated with either JAK-2 or STAT-5 expression. In astrocytic gliomas, JAK-2 expression was significantly correlated with STAT-5 expression whereas JAK-2 and STAT-5 expression were not significantly correlated with EpoR expression. In ependymomas, strong relationship between JAK-2, STAT-5 and EpoR expression was confined. Furthermore, in medulloblastomas, strong relationship between JAK-2 and STAT-5 expression was detected. A significant percentage of astrocytomas (58%), oligodendrogliomas (67%), ependymomas (50%), medulloblastomas (20%) and meningiomas (33%), displayed EpoR and VEGFR-3 co-expression in tumor vessels. Additionally, TrkB and VEGFR-3 co-expression was detected in the endothelium of tumor capillaries in 57% of the astrocytomas examined. The above results indicate the existence of a ligand (other than Epo)-dependent or independent JAK-2 activation that leads to the constitutive activation of STAT-5 as well as the existence of at least one mechanism, other than the Trk - dependent gene induction by STAT-5 that results to the latter’s constitutive activation in these tumors. Furthermore, the finding of EpoR, JAK-2 and/or STAT-5 immunoreactivity in endothelial cells of tumor vessels, supports the ongoing notion of an angiogenic role of Epo in tumor neovascularization. The presence of TrkB, EpoR, JAK-2, STAT-5 and VEGFR-3 in the endothelium of tumor vessels in the brain tumors specimens included in this study, implicate these factors as possible critical players in the process of angiogenesis. The present study demonstrates the expression of Trks, EpoR, JAK-2, STAT-5 and VEGFR-3 in a significant percentage of human brain tumors. Functional studies of the Trks, EpoR and VEGFR-3-activated signaling pathways, are necessary in order to clarify the meaning of a possible cross-talking between these pathways in the process of oncogenesis, the deep understanding of which, could lead to innovative new strategies for drug targeting to human brain tumors.

The inverse problem in Electro- and Magneto-EncephaloGraphy (EEG/MEG) aims at reconstructing the underlying current distribution in the human brain using potential differences and/or magnetic fluxes that are measured non-invasively directly, or at a close distance, from the head surface. The solution requires repeated computation of the forward problem, i.e., the simulation of EEG and MEG fields for a given dipolar source in the brain using a volume-conduction model of the head. The associated differential equations are derived from the Maxwell equations. Not only do various head tissues exhibit different conductivities, some of them are also anisotropic conductors as, e.g., skull and brain white matter. To our knowledge, previous work has not extensively investigated the impact of modeling tissue anisotropy on source reconstruction. Currently, there are no readily available methods that allow direct conductivity measurements. Furthermore, there is still a lack of sufficiently powerful software packages that would yield significant reduction of the computation time involved in such complex models hence satisfying the time-restrictions for the solution of the inverse problem. In this dissertation, techniques of multimodal Magnetic Resonance Imaging (MRI) are presented in order to generate high-resolution realistically shaped anisotropic volume conductor models. One focus is the presentation of an improved segmentation of the skull by means of a bimodal T1/PD-MRI approach. The eigenvectors of the conductivity tensors in anisotropic white matter are determined using whole head Diffusion-Tensor-MRI. The Finite Element (FE) method in combination with a parallel algebraic multigrid solver yields a highly efficient solution of the forward problem. After giving an overview of state-of-the-art inverse methods, new regularization concepts are presented. Next, the sensitivity of inverse methods to tissue anisotropy is tested. The results show that skull anisotropy affects significantly EEG source reconstruction whereas white matter anisotropy affects both EEG and MEG source reconstructions. Therefore, high-resolution FE forward modeling is crucial for an accurate solution of the inverse problem in EEG and MEG. / Motivation und Einordnung: Seit nun fast drei Jahrzehnten werden im Bereich der Kognitionswissenschaften und in klinischer Forschung und Routine die Quellen elektrischer Aktivitaet im menschlichen Gehirn anhand ihrer ueber das Elektroenzephalogramm (EEG) an der Kopfoberflaeche gemessenen Potentialverteilung bzw. ihres ueber das Magnetoenzephalogramm (MEG) in einigen Zentimetern Entfernung davon gemessenen magnetischen Flusses rekonstruiert. Im Vergleich zu anderen funktionellen Bildgebungsmethoden wie z.B. die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) oder die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) hat die EEG/MEG-Quellrekonstruktion den Vorteil einer sehr hohen zeitlichen Aufloesung. Die gemessene Aktivitaet ist das Resultat von Ionenbewegungen in aktivierten kortikalen Regionen des Gehirns, den sog. Primaerstroemen. Schon im Jahr 1949 wurden erstmals die Primaerstroeme ueber Stromdipole mathematisch modelliert. Der Primaerstrom erzeugt R\"uckstr\"ome im leitf\"ahigen Gewebe des Kopfes, die sog. {\em Sekund\"arstr\"ome}. Die Rekonstruktion der Dipolquellen wird das {\em EEG/MEG inverse Problem} genannt. Dessen L\"osung erfordert die wiederholte Berechnung des {\em Vorw\"arts\-problems}, d.h. der Simulation der EEG/MEG-Feldverteilung f\"ur eine gegebene Dipolquelle im Gehirn. Ein erstes Anwendungsgebiet f\/indet sich in der Diagnose und Therapie von pharma-resistenten Epilepsien, von denen ca. 0,25\% der Weltbev\"olkerung betroffen sind und f\"ur die sich in den letzten Jahrzehnten eine systematische chirurgische Behandlung ent\-wickelt hat. Voraussetzung f\"ur einen die restlichen Gehirnregionen schonenden chirurgischen Eingrif\/f ist die Kenntnis der Lage und Ausdehnung der epileptischen Zentren. Bisher wurden diese Charakteristika in den Patienten stark belastenden invasiven Untersuchungen wie zum Beispiel Subdural- oder Tiefen-Elektroden gewonnen. Die bioelektrischen Signale von Epilepsiekranken weisen zwischen den Anfallsereignissen sog. interiktale Spikes auf. Die nicht-invasive Messung des EEG/MEG dieser interiktalen Spikes und die anschlie{\ss}ende Berechnung des epileptischen Zentrums belastet den Patienten nicht. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die pr\"aoperative Ermittlung der Lage wichtiger funk\-tio\-nell-zu\-sam\-men\-h\"angender Zentren im Gehirn, z.B.~des prim\"ar-mo\-to\-ri\-schen, des prim\"ar-au\-di\-to\-rischen oder prim\"ar-somatosensorischen Cortex. Bei Operationen in diesen Bereichen (z.B.~Tumoroperationen) k\"onnten L\"ahmungen, H\"or- und Sensibilit\"atsst\"orungen vermieden werden. Dazu werden \"uber akustische oder sensorische Reize charakteristische Signale evoziert und \"uber Summationstechniken sichtbar gemacht. Durch das L\"osen des inversen Problems wird versucht, die zugrunde liegende Quellstruktur zu ermitteln. Neben den aufgef\"uhrten klinischen Anwendungen ergeben sich auch zahlreiche Anwendungsfelder in der Kognitionswissenschaft. Von Interesse sind z.B.~funktionelle Zusammenh\"ange im Gehirn und die Aufdeckung der aktivierten Areale w\"ahrend der Verarbeitung eines Reizes, wie z.B. der Sprachverarbeitung im Gehirn. Die L\"osung des Vorw\"artsproblems impliziert die Mo\-del\-lierung des Kopfes als Volumenleiter. Es ist bekannt, dass in makroskopischer Hinsicht Gewebe wie die Kopfhaut, der Sch\"adel, die Zerebrospinalfl\"ussigkeit (engl.: CSF) und die Hirngewebe graue und wei{\ss}e Substanz (engl.: GM und WM) verschiedene Leitf\"ahigkeiten besitzen. Der menschliche Sch\"adel ist aus drei Schichten aufgebaut, eine relativ gut leitf\"ahige spongi\"ose Schicht wird von zwei stark isolierenden Schichten, den \"au{\ss}eren und inneren Kompakta, eingeschlossen. In radialer Richtung durch den Sch\"adel handelt es sich also um eine Reihenschaltung von hohem, niedrigem und hohem Widerstand, wohingegen in den tangentialen Richtungen die Leiter parallel geschaltet sind. Als Ganzes gesehen besitzt der Sch\"adel demnach eine richtungsabh\"angige oder {\em anisotrope} Leitf\"ahigkeit mit einem gemessenen Verh\"altnis von bis zu 1 zu 10. F\"ur die faserige WM wurde ebenfalls eine Anisotropie mit einem \"ahnlichen Verh\"altnis (senkrecht zu parallel zu den Fasern) nachgewiesen. Leider existiert bis heute keine direkte Methode, die Leitf\"ahigkeit der WM nicht-invasiv in gen\"ugender Aufl\"osung zu ermittelt. Seit einigen Jahren werden aller\-dings Formalismen diskutiert, die den gesuchten Leitf\"ahigkeitstensor in Bezug setzen zum Wasserdiffusionstensor, der in WM nicht-invasiv \"uber die Diffusionstensor-MRT (DT-MRT) gemessen werden kann. Nat\"urlich wird keine fundamentale Beziehung zwischen der freien Beweglichkeit von Ionen und Wasserteilchen angenommen, sondern lediglich, dass die eingeschr\"ankte Mobilit\"at \"uber die Fasergeometrie der WM in Beziehung steht. Heutzutage werden verschiedene Ans\"atze f\"ur die L\"osung des Vor\-w\"arts\-pro\-blems genutzt und mit steigender Genauigkeit der Modellierung des Kopfvolumenleiters erh\"oht sich die Komplexit\"at der numerischen Feldberechnungen. Einfache Modelle, die immer noch am h\"aufigsten Gebrauchten, beschreiben den Kopf als Mehrschalenkugel-Leiter mit \"ublicherweise drei Schichten, die die Kopfhaut, den Sch\"adel und das Gehirn repr\"asentieren. Um besser auf die Geometrie der drei modellierten Oberfl\"achen einzugehen, wurden sog. BE-Modelle (von engl.: Boundary Element) entwickelt, die sich f\"ur isotrop leitf\"ahige Schichten eignen. Um sowohl auf realistische Geometrien als auch auf Anisotropien und Inhomogenit\"aten eingehen zu k\"onnen, wurden Finite-Elemente (FE) Modelle des Kopfes ent\-wi\-ckelt. Zwei wichtige Fragen stellen sich nun: Ist eine exakte Modellierung der vorgestellten Gewebeleitf\"ahigkeits-Anisotropien n\"otig und in welchen F\"allen reichen weniger berechnungsaufwendige Verfahren aus? Wie k\"onnen komplexe FE-Vorw\"artsmodelle hinreichend beschleunigt werden, um den Zeitrestriktionen f\"ur inverse Quellrekonstruktionen in den Anwendungen zu gen\"ugen? Es existieren zahlreiche Arbeiten, die, basierend auf FE-Modellen des Kopfes, gezeigt haben, dass \"Offnungen im Sch\"adel wie z.B. diejenige, durch die der optische Nerv eintritt oder das okzipitale Loch des Hirnstamms, oder Inhomogenit\"aten wie L\"asionen im Gehirn oder die Sutura des Sch\"adels (insbesondere bei Kleinkindern, wo die Sutura noch nicht geschlossen sind) einen nicht vernachl\"assigbaren Einfluss auf das EEG/MEG-Vorw\"arts\-problem haben. Eine erste Studie bzgl. der Sensitivit\"at zweier ausgew\"ahlter EEG-Rekonstruktionsverfahren wies teils gro{\ss}e Fehler im Falle der Nichtbeachtung von Sch\"adel-Anisotropie nach. Insbesondere f\"ur diverse klinische Anwendungen wird der sog. {\em single dipole fit} im kontinuierlichen Parameterraum verwendet. Aufgrund des hohen Berechnungsaufwands wurden solche Verfahren bisher noch nicht auf ihre Sensitivit\"at auf Sch\"adel\-anisotropie getestet. Obwohl bereits eine Studie einen nicht-vernachl\"assigbaren Einfluss auf die EEG/MEG-Vorw\"artssimulation zeigte, gibt es noch keinerlei Ergebnis zur Aus\-wir\-kung der WM-Anisotropie auf inverse Rekonstruktionsverfahren. Die L\"osung des inversen Problems ist im allgemeinen nicht eindeutig. Viele Dipol-Quell\-konfi\-gura\-tionen k\"onnen ein und dieselbe EEG und MEG Feldverteilung erzeugen. Zus\"atz\-liche Annahmen \"uber die Quellen sind dementsprechend unerl\"asslich. Bei den sog. {\em fokalen Rekonstruktionsmethoden} wird die Annahme gemacht, dass einige wenige Dipole den gemessenen Daten zugrunde liegen. Diese Dipole (Anzahl, Ort, Richtung, St\"arke) sollen innerhalb des anatomisch und physiologisch sinnvollen Suchgebiets so ermittelt werden, dass die Messwerte m\"oglichst genau erkl\"art werden, gleichzeitig aber das Rauschen keinen zu starken Einfluss auf die L\"osung nimmt und die Algorithmen stabil in Bezug auf eine \"Ubersch\"atzung der Anzahl aktiver Quellen bleiben. Bei diesen, wie auch bei den sog. {\em Stromdichterekonstruktionsverfahren}, wird sich das Konzept der Regularisierung als eine wichtige Methode herausstellen. Wissenschaftliche Ergebnisse der Dissertation: Die Ergebnisse der vorgelegten Dissertation k\"onnen in vier Teilbereiche aufgeteilt werden. Im ersten Teilbereich wurden Methoden zur Registrierung und Segmentierung multimodaler MR-Bilder vorgestellt mit dem Ziel, ein {\bf realistisches anisotropes Multigewebe Kopfmodell} zu generieren. In der Literatur wurde von gr\"o{\ss}eren EEG- und MEG-Quell\-rekonstruktions\-fehlern aufgrund mangelhafter Modellierung insbesondere der inneren Sch\"a\-del\-kante berichtet. Ein erster Fokus dieser Arbeit lag dementsprechend auf einer verbesserten Segmentierung dieser Kante, die \"uber ein auf dem T1-gewichteten MRT (T1-MRT) registrierten Protonendichte-ge\-wich\-teten MRT (PD-MRT) gewonnen wurde. Die innere Sch\"a\-del\-kante zeichnet sich im PD-MRT im Gegensatz zum T1-MRT durch einen hohen Kontrast zwischen CSF (protonenreich) und Knochen (protonenarm) aus. Das T1-MRT wurde hingegen f\"ur die Segmentierung der Kopfhaut, der GM und der WM verwendet. Die Standardtechnik im Bereich der EEG/MEG-Quellrekonstruktion nutzt lediglich ein T1-MRT und gewinnt die gesuchte innere Sch\"adelkante \"uber ein Gl\"atten und Aufblasen der segmentierten Hirnoberfl\"ache. Im Vergleich beider Methoden konnte eine Verbesserung der Segmentierung von bis zu 8,5mm in Gebieten erzielt werden, in denen die Standardmethode die Dicke der CSF-Schicht untersch\"atzte. \"Uber die vorgestellten Methoden, insbesondere der Segmentierung unter Ber\"ucksichtigung der MR-Inhomogenit\"aten, konnte zudem eine sehr exakte Modellierung der GM erzielt werden, welche dann als anatomische und auch physiologische Nebenbedingung in die Quellrekonstruktion eingebettet werden kann. Zur realistischen Modellierung der An\-iso\-tropie der Sch\"adelschicht wurde ein deformierbares Modell eingesetzt, welches eine gegl\"attete Spongiosaoberfl\"ache darstellt und somit ein Abgreifen der Leitf\"ahigkeitstensor-Eigenvektoren in radialer Knochenrichtung erm\"oglicht. Die Eigenvektoren der WM-Tensoren wurden \"uber Ganzkopf-DT-MRT gemessen. Sch\"adel- und WM-Tensor-Eigen\-werte wurden entweder unter Ausnutzung publizierter Werte simuliert oder gem\"a{\ss} einem differentialen EMA (von engl.: Effective Medium Approach) ermittelt. Der zweite Teilbereich betraf die {\bf schnelle hochaufgel\"oste FE-Modellierung} des EEG/ MEG-Vorw\"artsproblems. Zun\"achst wurde ein \"Uberblick \"uber die Theorie gegeben und die praktische Realisierung der sp\"ater eingesetzten hochaufgel\"osten anisotropen FE-Volumen\-leiter\-modelle vorgestellt. In numerischen Genauigkeitsstudien konnte nachgewiesen werden, dass Hexaeder-FE-Netze, welche ein Verschieben der St\"utzpunkte zur Gl\"attung an Gewebekanten nutzen, vorteilhaft sind zu herk\"ommlichen Hexaeder-Netzen. Dazu wurden die Reihenentwicklungsformeln f\"ur das Mehrschalenkugel-Modell eingesetzt. Ein wei\-terer Fokus dieser Arbeit lag auf dem Einsatz schneller FE-L\"osungsmethoden, welche die praktische Anwendbarkeit von hochaufgel\"osten anisotropen FE-Kopfmodellen in den verschiedenen Anwendungsgebieten erm\"oglichen sollte. In einem Zeitvergleich zwischen dem neu in die Software integrierten parallelen (12 Prozessoren) algebraischen Mehrgitter- und dem Standard-Einprozessor-Jacobi-Vor\-kon\-di\-tio\-nierer f\"ur das Verfahren der konjugierten Gradienten konnte f\"ur hochaufgel\"oste anisotrope FE-Kopfmodelle ein Beschleunigungsfaktor von mehr als 100 erzielt werden. Im dritten Teilbereich, den {\bf Methoden zum inversen Problem}, wurden neben einem \"Uber\-blick \"uber fokale Rekonstruktions\-verfahren und Stromdichte\-rekon\-struk\-tions\-verfahren algorithmische Neuentwicklungen pr\"asentiert. Es wurde zun\"achst die Methode des {\em single dipole fit} in die FE-Modellierung eingef\"uhrt. F\"ur multiple dipolare Quellen wurde ein {\em Si\-mu\-lated Annealing} Algorithmus in Kombination mit einer abgeschnittenen Singul\"arwertzerlegung im diskreten Parameterraum entwickelt. Im Vergleich zu Standardmethoden zeigte der Algorithmus in verschiedenen Si\-mu\-lations\-studien eine ver\-bes\-serte F\"ahigkeit der Unterscheidung zwischen realen und sog. {\em ghost} Quellen. Des Weiteren wurde eine k\"urzlich in der Literatur vorgestellte raum-zeitliche Regularisierungsme\-thode auf die Stromdichterekonstruktion und, als zweite Anwendung, auf die dynamische Impedanztomographie angewandt. Der raum-zeitliche Ansatz konnte dabei eine stabilisierende Wirkung auf die Rekonstruktionsergebnisse erzielen und zeigte im Hinblick auf seine Genauigkeit und den Speicher- und Rechenzeitbedarf Vorteile gegen\"uber einem sog. {\em Kal\-man-Gl\"atter}. Im letzten Teilbereich der Dissertation wurden Untersuchungen zur {\bf An\-iso\-tro\-pie-Sensi\-tivi\-t\"at} durchgef\"uhrt. Der erste Teil bezog sich dabei auf das Vorw\"arts\-problem, wo die Resultate im Einklang mit der verf\"ugbaren Literatur waren. Es kann festgehalten werden, dass Sch\"adelanisotropie einen nicht-vernachl\"assigbaren Einfluss auf die EEG-Simulation hatte, wohingegen das MEG unbeeinflusst blieb. Je mehr eine Quelle von WM umgeben war, desto gr\"o{\ss}er war der Einfluss der WM-Anisotropie auf sowohl EEG als auch MEG. F\"ur das MEG wirkte sich WM-Anisotropie insbesondere auf Quellen mit starken radialen Anteilen aus. Lokale Leitf\"ahigkeits\"anderungen im Bereich der Quelle sollten sowohl im Hinblick auf das EEG als auch auf das MEG modelliert werden. Im zweiten Teil wurden die Einfl\"usse auf die inverse Quellrekonstruktion untersucht. Mit 18mm maximalem Fehler des EEG basierten {\em single dipole fit} war die Lokalisation einer haupts\"achlich tangential orientierten oberfl\"achennahen Quelle besonders sensitiv gegen\"uber einer 1 zu 10 Sch\"adelanisotropie. Da die tangentialen Quellen im temporalen Bereich (Sch\"adel re\-la\-tiv d\"unn) zu tief und im parietalen und okzipitalen Bereich (Sch\"adel relativ dick) zu oberfl\"achennah lokalisiert wurden, scheint eine Approximation der Sch\"adelanisotropie in BE-Modellen \"uber eine Anpassung des skalaren Sch\"adelleitf\"ahigkeitswertes nicht m\"oglich zu sein. Obwohl bei Vernachl\"assigung der WM-Anisotropie der maximale EEG-Lokalisierungsfehler mit 6,2mm f\"ur eine tiefe Quelle wesentlich geringer ausfiel, kann aufgrund eines maximalen Orientierungsfehlers von 24$^{\circ}$ und einer mehr als zweifach untersch\"atzten Quellst\"arke eine Missinterpretation des Ergebnisses nicht ausgeschlossen werden. F\"ur die Rekonstruktion der vier tangentialen oberfl\"achennahen Dipole, welche als Aktivit\"atszentren der sog. {\em Early Left Anterior Negativity} (ELAN) Komponente bei der Syntaxanalyse von Sprache betrachtet werden, stellte sich WM und Sch\"adel\-anisotropie als vernachl\"assigbar im Hinblick auf eine MEG-Rekonstruk\-tion heraus. Im Gegensatz dazu wurde das EEG-Rekonstruktionsergebnis f\"ur alle getesteten inversen Verfahren stark verf\"alscht. Anisotropie verschob das Aktivit\"ats\-zentrum von $L_1$ und $L_2$ Norm Stromdichterekonstruktionsverfahren entlang der Sylvischen Furche in anteriore Richtung.

We propose a new approach for defining mechanical properties of the brain tissue in-vivo by taking MRI or CT images of a brain response to ventriculostomy operation, i.e., the relief of the elevated pressure in the ventricular cavities. Then, based on 3-D image analysis, the displacement fields are recovered from these images. Constitutive parameters of the brain tissue are determined using inverse analysis and a numerical method allowing for computations of large strain deformations. We tested this approach in controlled laboratory experiments with silicone brain models mimicking brain geometry, mechanical properties, and boundary conditions. The ventriculostomy was simulated by inflating and deflating internal cavities that model cerebral ventricles. Subsequently, the silicone brain model was described by a hyperelastic (neo-Hookean) material. The obtained mechanical properties have been verified with direct laboratory tests. Properties of real brain tissue are more complicated, but the proposed approach requires only conventional medical images collected before and after ventriculostomy. Breast cancer is the second most prevalent cancer in women, and an operative mastectomy is frequently a part of the treatment. Women often choose to follow a mastectomy with a reconstruction surgery using a breast implant. Furthermore, there is a growing demand for breast augmentation for the sake of aesthetic improvement. In this dissertation, we also developed a quantitative large-strain 3-D mechanical model of female breast deformation. The results show that the stiffness of skin and the constitutive parameters of the breast tissue are important factors affecting breast shape. Our results also suggest that the published Mooney-Rivlin parameters of breast tissue are underestimated by at least one or two orders of magnitude. Scale analysis, representing female breast as a cantilever beam, confirms these conclusions. Subdural hematoma (tearing and bleeding between scull and brain) is one of the major complications of the ventriculostomy operations. Understanding the mechanism of subdural hematoma is critically important for development of more effective medical treatments. In this work, we developed a simple, spherically-symmetrical poroelastic model of the ventriculostomy operation and studied brain response to the pressure change in the ventricles. The observed effect of the material properties on the occurrence of subdural hematoma may be useful for making clinical decisions.

L’étude de la complexité de l’anatomie du cerveau humain nécessite la caractérisation des paramètres multimodaux et multi-échelle obtenus par des techniques de neuroimagerie récentes. Pour ce travail de thèse nous avons tiré profit d’un logiciel automatique actuel d’analyse surfacique d’images cérébrales afin d’extraire les phénotypes structuraux du cortex cérébral humain, c’est-à-dire l’épaisseur corticale, l’aire de la surface, la profondeur sulcale, la courbure et le contenu en myéline intracorticale. L’objectif principal de ce travail a été de caractériser des variables structurales multimodales sur une large base de données de plus de 450 adultes sains âgés de 18 à 57 ans (base de données BIL&GIN) dans le but de décrire la variabilité interindividuelle de l’organisation structurale du cerveau et notamment la recherche de marqueurs de la maturation cérébrale et de la latéralisation. Nous avons tout d’abord pris l’exemple du gyrus de Heschl, support anatomique du cortex auditif primaire, qui possède une grande variabilité en lien avec l’existence de différents profils de duplication du gyrus couplée à de fortes différences interhémisphériques. Nous avons montré qu’une duplication partielle ou complète du gyrus de Heschl était associée à des modifications locorégionales d’épaisseur corticale, d’aire de la surface et de myéline localisée postérieurement à ce gyrus et dans le planum temporale, ces deux régions étant impliquées dans le traitement du langage. Dans une deuxième étude, nous avons recherché les modifications structurales du cortex associées à la maturation tardive (entre 18 et 30 ans) et à l’atrophie corticale liée au vieillissement. Nous avons montré que l’établissement d’un index de maturation basé sur l’intégration de l’épaisseur corticale et de la myéline intracorticale améliorait la discrimination entre les 2 profils de modifications de la substance grise pendant ces deux périodes de la vie. Finalement, nous avons caractérisé les asymétries corticales en utilisant un recalage surfacique des hémisphères qui s’affranchit des différences de morphologie sulcale et de position entre les deux hémisphères. Nous avons mis en évidence des régions pour lesquelles les asymétries d’épaisseur et de surface étaient concordantes (asymétrie gauche ou droite pour les deux variables anatomiques) et des régions pour lesquelles les asymétries étaient opposées (gauche pour l’une des variables et droite pour l’autre). Environ 20% des régions qui montraient une asymétrie d’épaisseur et d’aire présentaient des corrélations négatives entre ces variables. Il est frappant de constater que les deux régions ayant les asymétries les plus fortes, le planum temporale et le sillon temporal supérieur, ont des corrélations positives entre leurs asymétries d’épaisseur et d’aire. Le planum temporale possède une asymétrie gauche à la fois pour l’épaisseur et l’aire alors que le sillon temporal supérieur a une asymétrie droite pour les deux variables. Cette étude démontre qu’il existe des corrélations entre les asymétries d’épaisseur et d’aire qui sont caractéristiques de l’organisation du cortex. Ces régions sont des sites clé pour lesquels il reste maintenant à étudier la pertinence en tant que marqueurs de la latéralisation cérébrale et leurs corrélats fonctionnels. / Studying the complexity of the human brain anatomy requires the characterization of multimodal and multiscale features obtained by recent in vivo neuroimaging techniques. In the present thesis, we benefited from up to date automated surface-based brain image analysis software to extract structural phenotypes of the human cerebral cortex, namely the cortical thickness, the surface area, the sulcal depth, the curvature and the intracortical myelin content. The principal aim of this work was to characterize multimodal structural variables on a large database of 450 healthy adults aged from 18 to 57 years (the BIL&GIN database) in order to describe the inter-individual variability of brain structural organization and notably the research of candidate markers for brain maturation and lateralization. We first took the example of the Heschl’s gyrus hosting the primary auditory cortex and having high variability due to the presence of different pattern of gyrus duplication coupled with strong interhemispheric differences. We showed that the partial or complete duplication of the Heschl’s gyrus was associated to loco-regional modifications in terms of cortical thickness, surface area and myelin located posteriorly to this gyrus and in the planum temporale, this two regions being implied in language processing. In a second study, we investigated the cortical structural modifications associated to late maturation (between 18 and 30 years) and cortical atrophy linked to aging. We revealed that the computation of a maturation index based on an integration of cortical thickness and intracortical myelin improved the discrimination of two different patterns of grey matter changes during these different stages of life. Finally, we characterized cortical asymmetries using a specific hemisphere surface matching which removed differences in sulcal morphology and position between both hemispheres. We highlighted regions where thickness and surface area asymmetries were concordant (leftward or rightward asymmetry for both anatomical variables) and regions of opposite asymmetries (leftward for one and rightward for the other). About 20% of regions that showed cortical thickness and surface area asymmetries presented negative correlation between these variables. It is striking that the two regions with the strongest anatomical asymmetries; the planum temporale and the superior temporal sulcus had rather positive asymmetry correlations. The planum temporale presented a leftward asymmetry of both cortical thickness and area while the superior temporal sulcus showed a right asymmetry of the two variables. This study demonstrated that there were correlations between thickness and surface area asymmetries, characteristics of the cortex organization. These areas are key sites for which it now remains to study the anatomical relevance as markers of brain lateralization and its functional correlates.

Chimpanzee is the closest living species to modern humans. Although the differences in phenotype are striking between these two species, the difference in genomic sequences is surprisingly small. Species specific changes and positive selection have been mostly found in proteins, but ncRNAs are also involved, including the largely uncharacterized class of long ncRNAs (lncRNAs). A notable example is the Human Accelerated Region 1 (HAR1), the region in the human genome with the highest number of human specific substitutions: 18 in 118 nucleotides. HAR1 is located in a pair of overlapping lncRNAs that are expressed in a crucial period for brain development. Importantly, structural rather then sequence constraints lead to evolution of many ncRNAs. Different methods have been developed for detecting negative selection in ncRNA structures, but none thus far for positive selection. This motivated us to develop a novel method: the SSS-test (Selection on the Secondary Structure test). This novel method uses an excess of structure changing changes as a means of identifying positive selection. This is done using reports from RNAsnp, a tool that quantifies the structural effect of SNPs on RNA structures, and by applying multiple correction on the observations to generate selection scores. Insertions and deletions (indels) are dealt with separately using rank statistics and a background model. The scores for SNPs and indels are combined to calculate a final selection score for each of the input sequences, indicating the type of selection. We benchmarked the SSS-test with biological and synthetic datasets, obtaining coherent signals. We then applied it to a lncRNA database and obtained a set of 110 human lncRNAs as candidates for having evolved under adaptive evolution in humans. Although lncRNAs have poor sequence conservation, they have conserved splice sites, which provide ideal guides for orthology annotation. To provide an alternative method for assigning orthology for lncRNAs, we developed the 'buildOrthologs' tool. It uses as input a map of ortholog splice sites created by the SpliceMap tool and applies a greedy algorithm to reconstruct valid ortholog transcripts. We applied this novel approach to create a well-curated catalog of lncRNA orthologs for primate species. Finally, to understand the structural evolution of ncRNAs in full detail, we added a temporal aspect to the analysis. What was the order of mutations of a structure since its origin? This is a combinatorial problem, in which the exact mutations between ancestral and extant sequences must be put in order. For this, we developed the 'mutationOrder' tool using dynamic programming. It calculates every possible order of mutations and assigns probabilities to every path. We applied this novel tool to HAR1 as a case study and saw that the co-optimal paths that are equally likely to have occured share qualitatively comparable features. In general, they lead to stabilization of the human structure since the ancestral. We propose that this stabilization was caused by adaptive evolution. With the new methods we developed and our analysis of primate databases, we gained new knowledge about adaptive evolution of human lncRNAs.

Alzheimer’s Disease, also called AD, is a horrible, degenerative brain disease that more than 35 million people over the world have. Today, there is no cure for this disease, only treatments that are temporarily relieving the symptoms. The two proteins that is thought to be the main cause of AD is amyloid β (Aβ) and tau. Previously, people have tried studying Aβ in vivo using green fluorescent protein fusion together with Aβ. However, this is difficult since the aggregation of Aβ will lead to loss of fluorescence. This study aimed to crystallize the fusion protein mNG-A β1-42 and to investigate its properties as a molecular fluorescent Aβ-amyloid specific probe. Dynamic light scattering (DLS) was used to confirm that the majority of the protein was not in the form of soluble aggregates. The DLS experiments were followed by several rounds of crystallization trials. Initial screening and the subsequent narrowing down of potential conditions where mNG-Aβ1-42 could form crystals. Several staining experiments were conducted as well, including staining brain tissue from mouse with both Swedish and Arctic mutation, from human patients with sporadic AD and from human patients with AD with the Arctic mutation. The DLS experiments showed that the protein used in the crystallization experiments mostly consisted of molecular particles of the same radius. However, there was clear evidence of some larger species present that could have been a potential problem for crystallization. Crystallization experiments suggested that PEG 8000 was the most promising precipitant amongst other conditions identified for crystallization of mNG-Aβ1-42. However, the study was ultimately unsuccessful in developing crystals of sufficient high quality for diffraction studies to commence. The staining experiments demonstrated that mNG-Aβ1-42 could bind both by itself and with another amyloid probe, Congo red, and with antibodies in brain tissue from mouse with both Swedish and Arctic mutation, from human patients with sporadic AD and from human patients with AD with the Arctic mutation. In conclusion, several characteristics of mNG-Aβ1-42 were revealed in this study.

Peanut skins are a low-value byproduct of peanut blanching operations. They have been shown to contain significant levels of phenolic compounds with demonstrated antioxidant properties. The effects of two types of extraction methods: solid-liquid extraction (SLE) and microwave-assisted extraction (MAE) on the recovery of phenolic compounds from peanut skins were investigated. Response surface methodology was used to optimize extraction conditions based on total phenolic content (TPC), ORAC (oxygen radical absorbance capacity) activity and <i>trans</i>-resveratrol content. The protective effect of peanut skin extracts (PSE) against hydrogen peroxide (H₂O₂)-induced oxidative stress in human brain microvascular endothelial cells (HBMEC) and the effect of PSE on lipid oxidation in commercial peanut butter were also evaluated. In the SLE method, EtOH was found to be the most efficient extraction solvent followed by MeOH, water and EA. Despite EtOH extracts having a higher TPC, samples extracted with MeOH demonstrated slightly higher ORAC activity. Resveratrol was identified in MeOH extracts but was not found in EtOH, water or EA extracts. In the MAE procedure, the maximum predicted TPC under the optimized conditions was 144 mg phenols/g skins compared to 118 mg/g with SLE. The maximum predicted ORAC activity was 2789 μmol TE/g as opposed to 2149 μmol TE/g with the SLE method. MAE was able to extract more phenolic compounds (with higher antioxidant activity) in a faster time than the SLE procedure. In addition, resveratrol was identified in PSE derived from MAE although at relatively low levels. PSE were found to have some protective effects against oxidative stress in HBMEC. Higher doses of PSE appeared to have a slightly cytotoxic effect. However, the data were highly variable which made it difficult to arrive at any definitive conclusions regarding the potential benefits of PSE in preventing oxidative damage to cells. In the PB experiment, hexanal levels over the storage period were not high enough for the samples to be considered oxidized. However, hexanal values of PB samples treated with PSE were lower than the control throughout storage, which suggests that PSE may provide some protection against oxidation of PB. / Ph. D.

Mutually linked expression and methylation dynamics in the brain govern genome regulation over the whole lifetime with an impact on cognition, psychological disorders, and cancer. We performed a joint study of gene expression and DNA methylation of brain tissue originating from the human prefrontal cortex of individuals across the lifespan to describe changes in cellular programs and their regulation by epigenetic mechanisms. The analysis considers previous knowledge in terms of functional gene signatures and chromatin states derived from independent studies, aging profiles of a battery of chromatin modifying enzymes, and data of gliomas and neuropsychological disorders for a holistic view on the development and aging of the brain. Expression and methylation changes from babies to elderly adults decompose into different modes associated with the serial activation of (brain) developmental, learning, metabolic and inflammatory functions, where methylation in gene promoters mostly represses transcription. Expression of genes encoding methylome modifying enzymes is very diverse reflecting complex regulations during lifetime which also associates with the marked remodeling of chromatin between permissive and restrictive states. Data of brain cancer and psychotic disorders reveal footprints of pathophysiologies related to brain development and aging. Comparison of aging brains with gliomas supports the view that glioblastoma-like and astrocytoma-like tumors exhibit higher cellular plasticity activated in the developing healthy brain while oligodendrogliomas have a more stable differentiation hierarchy more resembling the aged brain. The balance and specific shifts between volatile and stable and between more irreversible and more plastic epigenomic networks govern the development and aging of healthy and diseased brain.