Kalzium ist ein wichtiger intrazelluläre Botenstoff, der extrazelluläre Signale in zelluläre Antworten übersetzt. Oft werden externen Signale in wiederholte Anstiege der zytosolischen Kalziumkonzentration übersetzt, die als Oszillationen bezeichnet werden. Diese interdisziplinäre Arbeit kombiniert biologische Experimente, analytische Methoden der theoretischen Physik und Computersimulationen, um den Oszillationsmechanismus zu charakterisieren. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die räumlich inhomogene Verteilung der Kanäle, die Kanalcluster bilden. Dies induziert zusammen mit Pumpen große Konzentrationsgradienten in der Nähe von offenen Clustern, was zu einer hierarchischen Organisation führt. Unter diesem Gesichtspunkt erwartet man, dass Kalziumoszillationen stochastisch sind und auf räumlicher Wechselwirkung beruhen. Diese Hypothese wird im ersten Teil der Arbeit experimentell verifiziert, indem Oszillationen vier verschiedener Zellarten analysiert werden. Der Kalziumsignalweg nutzt thermisches Rauschen konstruktiv um globale Signale zu bilden. Dabei werden molekulare Fluktuationen durch die hierarchische Struktur auf die zelluläre Ebene gehoben. Dies steht im Gegensatz zu der jahrzehntelang weitläufigen Auffassung, dass Kalzium ein repräsentatives Beispiel eines zellulären Oszillators ist. Des weiteren macht dieses Ergebnis Kalzium zu einem ersten natürlichen Beispiel für "array enhanced coherent resonance". Im Modellierungsteil dieser Arbeit wird ein physiologisches Modell für die intrazelluläre Kalziumdynamik entwickelt, das die dreidimensionale Struktur von Zellen berücksichtigt. Es verwendet ein detailliertes Kanalmodell und berücksichtigt sowohl Diffusion als auch Reaktionen mit Puffern. Der entwickelte parallele Green''s cell Algorithmus generiert in Abhängigkeit von physiologischen Parametern das gesamte Spektrum der experimentell bekannten Kalziumsignale und spiegelt die experimentellen Daten des ersten Teils in nahezu perfekter Weise wider. / Calcium is an important second messenger in cells serving as a critical link between extracellular stimuli and their cellular responses. The external signals are translated often into repeated increases of the cytosolic calcium concentration what is referred as oscillations. This work uses an interdisciplinary approach combining experimental techniques from biology, analytical tools from theoretical physics and computer simulations to clarify the question of the oscillation mechanism and how cells can generate globally coordinated calcium signals originated from local stochastic channel dynamics. In this context, the spatial inhomogeneous distribution of channels forming channel clusters plays a key role. Together with calcium pumps and buffers, this induces huge functional concentration gradients close to open clusters, leading to a hierarchical organization of calcium signals. Thus, calcium oscillations are predicted to be stochastic and to have a spatial character. This hypothesis is justified experimentally in the first part of this thesis by analyzing calcium oscillations of four different cell types. Hence, calcium signaling constructively uses thermal noise to build global signals. This contradicts the current opinion of the last decades of calcium being a representative cellular oscillator. Moreover, this makes calcium a first natural example of array enhanced coherent resonance. In the modeling part of this work, a physiological model for intracellular calcium dynamics in three spatial dimensions is developed that takes the spatial arrangement of cells seriously. It uses a detailed channel model for the discrete release sites and takes into account diffusion and buffer interaction of calcium. In dependence on physiologic parameters, the developed parallel Green''s cell algorithm generates in a natural way the whole spectrum of experimentally known calcium signals and fits the experimental data of the first part in an almost perfect manner.

Der laterale Hypothalamus (LH) reguliert angeborene Verhaltensweisen. Ob und wie die Koordination von hypothalamischen Neuronengruppen Verhaltensübergänge reguliert, blieb jedoch unbekannt. In dieser Arbeit wurde Optogenetik mit neuronalen Ableitungen in verhaltenden Mäusen kombiniert. LHVgat Neurone erhöhten ihre Aktivitätsrate während Übergängen vom NREM-Schlaf zum Wachzustand. LHVgat Zellen projizieren zum Nucleus reticularis des Thalamus (RTN). Optogenetische Aktivierung von Vgat Ausgängen im RTN führte eine starke, frequenzabhängige Inhibierung von RTN Zellen herbei und replizierte Verhaltenszustands-abhängige Aktivitätsraten in RTN Neuronen. Ableitungen von LH Neuronen während Umgebungserkundung ergaben, dass 65% der LH Neurone ihre Aktivitätsrate erhöhten, wenn das Tier began sich fortzubewegen. 'Top-down’ Vorderhirn Innervation des LH erfolgt größtenteils durch Signale ausgehend vom lateralen Septums (LS). Während spontaner Umgebungserkundung und freiem Zugang zu Futter wiesen der LH und das LS Gamma-Oszillationen (30-90 Hz) auf, welche neuronale Aktivität innerhalb und zwischen diesen beiden Gehirnregionen synchronisierten. Optogenetische Stimulation von Somatostatin-positiven GABAergen Projektionen zum LH mit Gamma-Frequenz förderte die Nahrungssuche und erhöhte die Wahrscheinlichkeit des Betretens der Nahrungszone. Inhibitorische Signale des LS bewirkten eine Unterteilung der LH Neurone: entsprechend ihrer Aktivität im Bezug zur Nahrungsstelle wurden sie während bestimmter Phasen der Gamma-Oszillation aktiviert. Dabei führte optogenetische Stimulation von LS-LH Neuronen mit Gamma-Frequenz keine Veränderung bei der Nahrungsaufnahme selbst herbei. Insgesamt liefert diese Arbeit neue Einsichten über die Funktion der neuronalen Netzwerke des LH, welche durch Signalgebung mit unterschiedlichen Zeitskalen über die Koordination mit vor- und nachgeschalteten neuronalen Netzwerken Übergange zwischen verschiedenen angeborenen Verhaltensweisen regeln. / Lateral hypothalamus (LH) is crucial for regulation of innate behaviors. However, it remained unknown whether and how temporal coordination of hypothalamic neuronal populations regulates behavioral transitions. This work combined optogenetics with neuronal recordings in behaving mice. LHVgat cells were optogenetically identified. LHVgat neurons increased firing rates upon transitions from non-REM (NREM) sleep to wakefulness, and their optogenetic stimulation during NREM sleep induced a fast transition to wakefulness. LHVgat cells project to the reticular thalamic nucleus (RTN). Optogenetic activation of LHVgat terminals in the RTN exerted a strong frequency-dependent inhibition of RTN cells and replicated state-dependent changes in RTN neurons activity. Recordings of LH neurons during exploration revealed that 65% of LH neurons increased their activity upon the onset of locomotion. Top-down forebrain innervation of LH is provided, to a great extent, by inhibitory inputs from the lateral septum (LS). During spontaneous exploration in a free-feeding model, LS and LH displayed prominent gamma oscillations (30-90 Hz) which entrained neuronal activity within and across the two regions. Optogenetic gamma-frequency stimulation of somatostatin-positive GABAergic projections to LH facilitated food-seeking, and increased the probability of entering the food zone. LS inhibitory input enabled separate signaling by LH neurons according to their feeding-related activity, making them fire at distinct phases of the gamma oscillation. In contrast to increased food intake during optogenetic stimulation of LHVgat cells, food intake during gamma-rhythmic LS-LH stimulation was not changed. Overall this works provides new insight into the function of LH circuitry, that employs signalling at different time scales, which, in coordination with upstream and downstream circuits, regulates transitions between innate behaviors.

Der Charakter der Schwellwertdynamik vieler physikalischer, chemischer und biologischer Systeme hat sich in neueren Experimenten als im wesentlichen nicht Markowsch herausgestellt. In diesem Fall sind die "Ubergangsraten von der Zeit und den Anfangsbedingungen abh"angig und es stellen sich komplexe Wahrscheinlichkeitsverteilungen f"ur die erste Durchgangszeit ein. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte nicht Markowscher Schwellwertprobleme und deren Anwendung bei der Beschreibung der Dynamik von Neuronen untersucht. In dieser Arbeit entwickeln wir einen analytischen Zugang zu nicht Markowschen Problemen, dem die Theorie der Schwellwert"uberschreitung zu Grunde liegt. Im Ergebnis erhalten wir mehrere analytische N"aherungen f"ur die Wahrscheinlichkeitsverteilung der ersten Durchgangszeit f"ur Zufallsprozesse mit differenzierbaren Trajektorien. Die Qualit"at und der G"ultigkeitsbereich der N"aherungen werden von uns sorgf"altig untersucht. Die abgeleiteten N"aherungen decken dabei den gesamten Bereich zwischen fast Markowschen und stark nicht Markowschen Problemen ab. Diese analytischen N"aherungen werden in Kombination mit numerischen Methoden genutzt, um Spikemuster in resonanten und nicht-resonanten Neuronen zu untersuchen. Im Besonderen haben wir uns dabei f"ur die Entstehung spontaner, durch zellinternes Rauschen hervorgerufener, Spikemuster in stellaten (resonanten) und pyramidalen (nicht-resonanten) Zellen des entorhinalen Kortex in Ratten interessiert. Diese zwei Neuronentypen zeigten deutliche Unterschiede in den Spikemustern, die den jeweiligen Unterschieden in den unterschwelligen Dynamiken zuzuordnen sind. Des weiteren wurden negative Korrelationen in den Spikesequenzen f"ur beide Neuronentypen gefunden. Um diese negativen Korrelationen angemessen zu beschreiben, haben wir einen nicht erneuerbaren Schwellenmechanismus in das Resonate-and-Fire Modell integriert. / Recent experiments revealed the non-Markovian character of the escape dynamics in many physical, chemical and biological systems on time scales prior to relaxation. The escape rates in the non-Markovian case are time-dependent and the escape times are dictated by the initial conditions. Complex, multipeak distributions of the first passage time are characteristic for the non-Markovian case. In this thesis we investigate various aspects of the non-Markovian first passage time problem and in particular its application to the dynamics of neurons. We elaborate an analytical approach to the non-Markovian first passage time problem, which is based on the theory of level-crossings, and obtain several analytical approximations for the first passage time density of a random process with differentiable trajectories. We compare the quality of these approximations and ascertain their regions of validity. Our approximations are applicable and provide accurate results for different types of dynamics, ranging from almost Markovian to strongly non-Markovian cases. These analytical approximations in combination with numerical methods are applied to investigate the spike patterns observed in resonant and nonresonant neurons. In particular, we focus on spontaneous (driven by intrinsic noise) spike patterns obtained in stellate (resonant) and pyramidal (nonresonant) cells in the entorhinal cortex in rat. These two types of neurons exhibit striking different spike patterns attributed to the differences in their subthreshold dynamics. We show that the resonate-and-fire model with experimentally estimated parameter values can quantitatively reproduce the interspike interval distributions measured in resonant as well as in nonresonant cells. We also found negative interspike interval correlations in both types of neurons. To capture these negative correlations, we introduce a novel nonrenewal threshold mechanism in the resonate-and-fire model.

Die Arbeit beschreibt die Analyse von Beobachtungen zweier Sonnenflecken in zweidimensionaler Spektro-Polarimetrie. Die Daten wurden mit dem Fabry-Pérot-Interferometer der Universität Göttingen am Vakuum-Turm-Teleskop auf Teneriffa erfasst. Von der aktiven Region NOAA 9516 wurde der volle Stokes-Vektor des polarisierten Lichts in der Absorptionslinie bei 630,249 nm in Einzelaufnahmen beobachtet, und von der aktiven Region NOAA 9036 wurde bei 617,3 nm Wellenlänge eine 90-minütige Zeitserie des zirkular polarisierten Lichts aufgezeichnet. Aus den reduzierten Daten werden Ergebniswerte für Intensität, Geschwindigkeit in Beobachtungsrichtung, magnetische Feldstärke sowie verschiedene weitere Plasmaparameter abgeleitet. Mehrere Ansätze zur Inversion solarer Modellatmosphären werden angewendet und verglichen. Die teilweise erheblichen Fehlereinflüsse werden ausführlich diskutiert. Das Frequenzverhalten der Ergebnisse und Abhängigkeiten nach Ort und Zeit werden mit Hilfe der Fourier- und Wavelet-Transformation weiter analysiert. Als Resultat lässt sich die Existenz eines hochfrequenten Bandes für Geschwindigkeitsoszillationen mit einer zentralen Frequenz von 75 Sekunden (13 mHz) bestätigen. In größeren photosphärischen Höhen von etwa 500 km entstammt die Mehrheit der damit zusammenhängenden Schockwellen den dunklen Anteilen der Granulen, im Unterschied zu anderen Frequenzbereichen. Die 75-Sekunden-Oszillationen werden ebenfalls in der aktiven Region beobachtet, vor allem in der Lichtbrücke. In den identifizierten Bändern oszillatorischer Power der Geschwindigkeit sind in einer dunklen, penumbralen Struktur sowie in der Lichtbrücke ausgeprägte Strukturen erkennbar, die sich mit einer Horizontalgeschwindigkeit von 5-8 km/s in die ruhige Sonne bewegen. Diese zeigen einen deutlichen Anstieg der Power, vor allem im 5-Minuten-Band, und stehen möglicherweise in Zusammenhang mit dem Phänomen der „Evershed-clouds“. Eingeschränkt durch ein sehr geringes Signal-Rausch-Verhältnis und hohe Fehlereinflüsse werden auch Magnetfeldvariationen mit einer Periode von sechs Minuten am Übergang von Umbra zu Penumbra in der Nähe einer Lichtbrücke beobachtet. Um die beschriebenen Resultate zu erzielen, wurden bestehende Visualisierungsverfahren der Frequenzanalyse verbessert oder neu entwickelt, insbesondere für Ergebnisse der Wavelet-Transformation. / The publication describes the analysis of two sunspot observations in two-dimensional spectropolarimetry. The data was obtained with the Fabry-Pérot-interferometer of Göttingen University at the German Vacuum Tower Telescope on Tenerife. Of the active region NOAA 9516 the full Stokes vector of polarised light was observed in the absorption line at 630.249 nm in single scans. A ninety minute time series of circular polarised light of the active region NOAA 9036 was observed at 617.3 nm wavelength. From the reduced data results for intensity, line-of-sight velocity, magnetic field strength as well as several other plasma parameters are inferred. Different approaches to solar atmosphere model inversion are applied and compared. The significant influence of errors is discussed in detail. The frequency behaviour of the results and spatial and temporal dependencies are further analysed by Fourier and wavelet transformation. As a result the existence of a high frequency band of velocity oscillations with a central frequency of about 75-seconds (13 mHz) can be confirmed. In greater heights of about 500 km the majority of the corresponding shock waves are derived from darker parts of the granules in contrast to the dominant five-minute-oscillations. 75-second-oscillations can also be observed in the active region, especially in the light bridge. In the identified bands of oscillatory velocity power, distinct structures become visible in a penumbral dark structure as well as in the light bridge that move into the quiet sun with a horizontal speed of 5-8 km/s. They show an increase in power, mostly 5-minute-band, and may be related to the Evershed cloud phenomenon. Under the constraint of a very low signal-to-noise ratio and high error influence, magnetic field variations of a 6-minute period are also observed in an umbral-penumbral transition area close to a light bridge. To derive these results, existing visualisation methods for frequency analysis where improved or newly developed, especially so for wavelet transform results.

No description available.

Recurrent processes are a general feature of living systems, from the cell cycle to circadian day-night rhythms to hibernation and flowering cycles. During development and life, numerous recurrent processes are controlled by genetic oscillators, a specific class of genetic regulatory networks that generates oscillations in the level of gene products. A vital mechanism controlled by genetic oscillators is the rhythmic and sequential segmentation of the elongating body axis of vertebrate embryos. During this process, a large collection of coupled genetic oscillators gives rise to spatio-temporal wave patterns of oscillating gene expression at tissue level, forming a dynamic prepattern for the precursors of the vertebrae. While such systems of genetic oscillators have been studied extensively over the past years, many fundamental questions about their collective behavior remain unanswered. In this thesis, we study the behavior and the properties of genetic oscillators from the single oscillator scale to the complex pattern forming system involved in vertebrate segmentation. Genetic oscillators are subject to fluctuations because of the stochastic nature of gene expression. To study the effects of noisy biochemical coupling on genetic oscillators, we propose a theory in which both the internal dynamics of the oscillators as well as the coupling process are inherently stochastic. We find that stochastic coupling of oscillators profoundly affects their precision and synchronization properties, key features for their viability as biological pacemakers. Moreover, stochasticity introduces phenomena not known from deterministic systems, such as stochastic switching between different modes of synchrony. During vertebrate segmentation, genetic oscillators play a key role in establishing a segmental prepattern on tissue scale. We study the spatio-temporal patterns of oscillating gene expression using a continuum theory of coupled phase oscillators. We investigate the effects of different biologically relevant factors such as delayed coupling due to complex signaling processes, local tissue growth, and tissue shortening on pattern formation and segmentation. We find that the decreasing tissue length induces a Doppler effect that contributes to the rate of segment formation in a hitherto unanticipated way. Comparison of our theoretical findings with experimental data reveals the occurrence of such a Doppler effect in vivo. To this end, we develop quantification methods for the spatio-temporal patterns of gene expression in developing zebrafish embryos. On a cellular level, tissues have a discrete structure. To study the interplay of cellular processes like cell division and random cell movement with pattern formation, we go beyond the coarse-grained continuum theories and develop a three-dimensional cell-based model of vertebrate segmentation, in which the dynamics of the segmenting tissue emerges from the collective behavior of individual cells. We show that this model is able to describe tissue formation and segmentation in a self-organized way. It provides the first step of theoretically describing pattern formation and tissue dynamics during vertebrate segmentation in a unified framework involving a three-dimensional tissue with cells as distinct mechanical entities. Finally, we study the synchronization dynamics of generic oscillator systems whose coupling is subject to phase shifts and time delays. Such phase shifts and time delays are induced by complex signaling processes as found, e.g., between genetic oscillators. We show how phase shifts and coupling delays can alter the synchronization dynamics while leaving the collective frequency of the synchronized oscillators invariant. We find that in globally coupled systems, fastest synchronization occurs for non-vanishing coupling delays while in spatially extended systems, fastest synchronization can occur on length scales larger than the coupling range, giving rise to novel synchronization scenarios. Beyond their potential relevance for biological systems, these results have implications for general oscillator systems, e.g., in physics and engineering. In summary, we use discrete and continuous theories of genetic oscillators to study their dynamic behavior, comparing our theoretical results to experimental data where available. We cover a wide range of different topics, contributing to the general understanding of genetic oscillators and synchronization and revealing a hitherto unknown mechanism regulating the timing of embryonic pattern formation.

Ionenkanäle leiten Ionenströme über neuronale Membranen, wodurch Aktionspotentiale erzeugt und weitergeleitet werden. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Erregbarkeit und des Aktivierungsverhaltens von Neuronen. KCNQs sind eine wichtige Familie von spannungsgesteuerten Kaliumkanälen; ihre Dysfunktion kann zu verschiedenen neurologischen Krankheiten führen, einschließlich Erkrankung an Epilepsie und Taubheit. Es wurde gezeigt, dass KCNQ2 und KCNQ3 den M-Strom verantwortlich sind. Letzterer ist für die Regulierung des repetitiven Feuerns von Pyramidenzellen entscheidend. Im Gegensatz zu KCNQ2, ist die funktionelle Bedeutung von KCNQ3 noch nicht aufgeklärt. In dieser Arbeit zeigen wir mittels extrazellulärer Elektrophysiologie in vivo, dass bei konstitutiven Kcnq3 Knockoutmäusen die hippokampalen Pyramidenzellen vermehrt burstartig feuern. Außerdem weisen diese Tiere eine verminderte Spike-Frequenz-Anpassung auf und die Wahrscheinlichkeit des Burst-Feuerns während zwei verschiedener Oszillationen – Theta gegen Nicht-Theta – kann nicht mehr unterscheiden werden. Des Weiteren zeigen Kcnq3-Knockout- Pyramidenzellen während der Theta-Oszillation weder eine dominante Phasenpräferenz, noch eine Koordination ihrer Burst-Feuerung. Die Thetawellen Phasenpräzision tritt weiterhin bei dem vorübergehend verstärkten Feuern auf. Das räumliche selektive Feuern von mutmaßlichen Ortszellen blieb auch bei den Knockout-Mäusen erhalten, aber es ist hauptsächlich vom Burst- Feuern abhängig. Diese Studie zeigt, dass der KCNQ3-Ionenkanal eine wichtige Rolle bei der Regulierung der neuronalen Erregbarkeit und der Informationsverarbeitung spielt, und gibt damit Einblicke in die Bedeutsamkeit der KCNQ3-Ionenkanäle bezüglich der neurologischen Störungen. / Ion channels conduct ion flows across neuronal membrane whereby action potential is generated and propagated. They play a central role in regulating the excitability and firing behavior of a neuron. Among them, the KCNQs present a prominent family of voltage-gated potassium channels. Dysfunction of KCNQ2–5 channels can lead to varied neurological diseases including early onset epilepsy and deafness. In cortex and hippocampus, KCNQ2 and KCNQ3 have been demonstrated to underlie the non-inactivating M-current critical for controlling the repetitive firing of pyramidal cells. However, the functional significance of KCNQ3, unlike that of KCNQ2, remains elusive. Here, by applying in vivo extracellular electrophysiology in Kcnq3 constitutive knockout mice and the wild-type littermates, we find that hippocampal pyramidal cells lacking KCNQ3 exhibit increased burst firing. Moreover, the spike frequency adaptation of their bursts is diminished, and the burst propensity during two different field oscillations – theta versus non-theta – becomes indistinguishable. During theta oscillations, Kcnq3 knockout pyramidal cells no longer display unimodal phase preference and do not coordinate their burst firing. But phase advancement along successive theta cycles continues to occur at times of transiently intensified firing. The selective firing of place cells is largely preserved in the knockout while mainly relying on bursts. These results suggest that KCNQ3 channels indeed play a significant and specific role in regulating the neurons’ excitability and information processing, thus providing crucial mechanistic insights into the relevance of the KCNQ3 channels in neurological disorders.

Neurofeedback (NF) is an important treatment for attention deficit/hyperactivity disorder (ADHD). In ADHD, cognitive control deficits pose considerable problems to patients. However, NF protocols are not yet optimized to enhance cognitive control alongside with clinical symptoms, partly because they are not driven by basic cognitive neuroscience. In this study, we evaluated different EEG theta and/or beta frequency band NF protocols designed to enhance cognitive control. Participants were n = 157 children and adolescents, n = 129 of them were patients with ADHD (n = 28 typically developing (TD) controls). Patients with ADHD were divided into five groups in the order of referral, with four of them taking part in different NF protocols systematically varying theta and beta power. The fifth ADHD group and the TD group did not undergo NF. All NF protocols resulted in reductions of ADHD symptoms. Importantly, only when beta frequencies were enhanced during NF (without any theta regulation or in combination with theta upregulation), consistent enhancing effects in both response inhibition and conflict control were achieved. The theta/beta NF protocol most widely used in clinical settings revealed comparatively limited effects. Enhancements in beta band activity are key when aiming to improve cognitive control functions in ADHD. This calls for a change in the use of theta/beta NF protocols and shows that protocols differing from the current clinical standard are effective in enhancing important facets of cognitive control in ADHD. Further studies need to examine regulation data within the neurofeedback sessions to provide more information about the mechanisms underlying the observed effects.

Durch fortschreitende Entwicklung im Bereich der Starkfeldphysik und der Lasertechnologie in den letzten Jahrzehnten kann die Dynamik von Elektronen induziert durch Laserpulse verschiedener Wellenlängen, komplexen Polarisationseigenschaften, ultrakurzer Dauer und großer Intensität in hohem Umfang kontrolliert und ausgenutzt werden. In dieser Arbeit werden maßgeschneiderte Laserpulse angewendet, um verschiedene Aspekte der atomaren Licht-Materie-Wechselwirkung im Starkfeldbereich zu untersuchen. Im ersten Teil der Arbeit wird insbesondere die Erzeugung von hohen Harmonischen erforscht, die durch zirkular polarisierte Laserfelder erzeugt werden, wobei das maßgeschneiderte Feld aus einem zirkular polarisierten Infrarotpuls und seiner zweiten Harmonischen mit entgegengesetzter zirkularer Polarisation besteht. Die Polarisation von zirkularen hohen Harmonischen wird mittels spektral aufgelöster Polarimetrie unter Verwendung eines selbst entwickelten Polarimeters gemessen und ein Verfahren vorgestellt, mit dem der Stokes-Vektor der hoch zirkular polarisierten Harmonischen vollständig rekonstruiert werden kann. Darüber hinaus wird zum ersten Mal gezeigt, dass das bizirkulare Schema auch auf erzeugende Laserpulse weniger Zyklen erweiterbar ist. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die Starkfeldanregung eines Atoms durch einen intensiven Laserpuls. Da die ponderomotorische Verschiebung eines ausreichend intensiven Laserpulses eine resonante Anregung eines durch den Stark-Effekt verschobenen Atomzustands sowohl an der Vorder- als auch an der Rückflanke des Pulses bewirkt, diktiert die fundamentale Quantenmechanik, dass die an diesen Instanzen angeregten Elektronenwellenpakete interferieren müssen. Durch Variation der Verzögerung zwischen den Instanzen kann ein Interferenzmuster beobachtet werden, das als Stückelberg-Oszillationen bekannt ist und wertvolle Informationen über die Ionisierungsrate stark angeregter atomarer Zustände enthält. / As our fundamental understanding of strong-field physics and laser technology have matured in the last few decades, we are able to control and exploit electron dynamics using laser pulses of multiple colors, complex polarization properties, ultrashort duration and high intensity. This thesis makes use of such tailored laser fields to study different aspects of atomic light-matter interaction within the strong-field regime. Particularly, the first part of the thesis explores high-harmonic generation driven by circularly polarized driving fields, where the tailored field is composed of a circularly polarized infrared pulse and its second harmonic with opposite circular polarization, often denoted as 'bicircular' driving field. We measure the polarization of bicircularly generated harmonics by means of spectrally resolved polarimetry using a self-developed polarimeter and present a scheme, which allows to fully reconstruct the Stokes vector of the highly circularly polarized harmonics. We further demonstrate for the first time, that the bicircular scheme is also applicable within the regime of few-cycle driving pulses. Applying driving fields containing only a few carrier oscillations, we present the generation of a broadband harmonic spectrum with highly elliptically polarized spectral content, supporting the generation of an isolated attosecond pulse. The second part of the thesis focuses on strong-field excitation of an atom by an intense laser pulse. When the ponderomotive shift of a sufficiently intense laser pulse induces resonant excitation of a Stark-shifted atomic state at both the leading and trailing edge of the pulse, fundamental quantum mechanics dictates that the electron wave packets excited at these instances must interfere. By varying the delay between the instances, we observe the interference pattern known as Stückelberg oscillations which holds valuable information about the ionization rate of strongly driven atomic states.

In dieser Arbeit wird die Solvatationsdynamik einer solvatochromen molekularen Sonde diskutiert, und zwar als Methode für den Erhalt von lokalen IR-THz-Spektren von komplexen Systemen. Durch Femtosekundenanregung wird die Ladungsverteilung der Sonde verändert, und als Folge davon wird ein elektrisches Feld induziert. Zu diesem Zeitpunkt wirkt die im Lösungsmittel gelöste Sonde als Lichtquelle mit THz-Frequenzen. Da durch die Anregung das Gleichgewicht des Systems gestört wird, reorganisieren sich die Lösungsmittelmoleküle, sodass ein neues Gleichgewicht im angeregten Zustand entsteht. Die Bewegung der Lösungsmittelmoleküle ist (in gemittelter Form) als Stokes-Verschiebung des Fluoreszenz-Bandes beobachtbar. Durch eine geeignete Transformation der zeitaufgelösten Stokes-Verschiebung erhält man ein lokales IR-THz-Spektrum. Das Sondenmolekül wirkt daher auch als ein Detektor. Der Vorteil eines solchen "molekularen Spektrometers" ist sein mikroskopischer Aufenthaltsort, der u.a. sehr wichtig wird, wenn Messungen in Wasser durchgeführt werden: In diesem Fall macht eine intensive Absorption durch das Lösungsmittel das Eindringen von externen THz Strahlen tief in die Probe unmöglich. / Solvation dynamics of a solvatochromic molecular probe is discussed as a method to yield local IR-THz spectra of complex systems. After femtosecond excitation, the charge distribution of the probe is altered and, as a consequence, an electric field is generated. At this stage the solute acts as a light source with THz frequencies. Since by excitation the equilibrium of the system is perturbed, solvent molecules reorganize such that a new equilibrium is created in the excited state. This motion of solvent molecules can be seen (in an averaged form) by recording the Stokes shift of the fluorescence band. By an appropriate transformation of the time-resolved Stokes shift, a local IR-THz spectrum is obtained. The probe molecule therefore also acts as a detector. The advantage of such a “molecular spectrometer” is its locality, which becomes important when measurements are made in water. In this case, intense absorption by the solvent makes impossible the penetration of external THz beams deep into the sample.