Background: Learning by conditioning is a key ability of animals and humans for acquiring novel behavior necessary for survival in a changing environment. Aberrant conditioning has been considered a crucial factor in the etiology and maintenance of panic disorder with agoraphobia (PD/A). Cognitive-behavioral therapy (CBT) is an effective treatment for PD/A. However, the neural mechanisms underlying the effects of CBT on conditioning processes in PD/A are unknown. Methods: In a randomized, controlled, multicenter clinical trial in medication-free patients with PD/A who were treated with 12 sessions of manualized CBT, functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used during fear conditioning before and after CBT. Quality-controlled fMRI data from 42 patients and 42 healthy subjects were obtained. Results: After CBT, patients compared to control subjects revealed reduced activation for the conditioned response (CS+ > CS–) in the left inferior frontal gyrus (IFG). This activation reduction was correlated with reduction in agoraphobic symptoms from t1 to t2. Patients compared to control subjects also demonstrated increased connectivity between the IFG and regions of the “fear network” (amygdalae, insulae, anterior cingulate cortex) across time. Conclusions: This study demonstrates the link between cerebral correlates of cognitive (IFG) and emotional (“fear network”) processing during symptom improvement across time in PD/A. Further research along this line has promising potential to support the development and further optimization of targeted treatments.

Neuronal activity in the brain is tightly regulated. During operation in real time, for instance, feedback and feedforward loops limit excessive excitation. In addition, cell autonomous processes ensure that neurons’ average activity is restored to a setpoint in response to chronic perturbations. These processes are summarized as homeostatic plasticity (Turrigiano in Cold Spring Harb Perspect Biol 4:a005736–a005736, 2012). In the basal ganglia, information is mainly transmitted through disinhibition, which already constraints the possible range of neuronal activity. When this tightly adjusted system is challenged by the chronic decline in dopaminergic neurotransmission in Parkinson’s disease (PD), homeostatic plasticity aims to compensate for this perturbation. We here summarize recent experimental work from animals demonstrating that striatal projection neurons adapt excitability and morphology in response to chronic dopamine depletion and substitution. We relate these cellular processes to clinical observations in patients with PD that cannot be explained by the classical model of basal ganglia function. These include the long duration response to dopaminergic medication that takes weeks to develop and days to wear off. Moreover, dyskinesias are considered signs of excessive dopaminergic neurotransmission in Parkinson’s disease, but they are typically more severe on the body side that is more strongly affected by dopamine depletion. We hypothesize that these clinical observations can be explained by homeostatic plasticity in the basal ganglia, suggesting that plastic changes in response to chronic dopamine depletion and substitution need to be incorporated into models of basal ganglia function. In addition, better understanding the molecular mechanism of homeostatic plasticity might offer new treatment options to avoid motor complications in patients with PD.

People suffering from congenital anosmia show normal brain architecture although they do not have functional sense of smell. Some studies in this regard point to the changes in secondary olfactory cortex, orbitofrontal cortex (OFC), in terms of gray matter volume increase. However, diffusion tensor imaging has not been explored so far. We included 13 congenital anosmia subjects together with 15 controls and looked into various diffusion parameters like FA. Increased FA in bilateral OFC confirms the earlier studies reporting increased gray matter thickness. However, it is quite difficult to interpret FA in terms of gray matter volume. Increased FA has been seen with recovery after traumatic brain injury. Such changes in OFC point to the plastic nature of the brain.

Die Informationsverarbeitung im Nervensystem basiert auf der Signalübertragung an chemischen Synapsen. Um diese bei hochfrequenter Aktivität aufrecht erhalten zu können, ist das Nachfüllen von Neurotransmitter-gefüllten Vesikeln an die präsynaptische Membran von zentraler Bedeutung. Die glutamatergen Parallelfaser-Purkinjezelle-Synapsen (PF-PC-Synapsen) des Zerebellums weisen eine ausgeprägte und anhaltende Kurzzeitbahnung für bis zu 30 Aktionspotentiale (APs) bei hochfrequenter Aktivität auf, obwohl anfänglich nur eine vergleichsweise geringe Anzahl synaptischer Vesikel (~ 3) an der aktiven Zone gedockt ist. Dies wird durch ultra-schnelles Nachfüllen (Recruitment) im Millisekundenbereich ermöglicht, welches sogar zu einer Vergrößerung des Pools gedockter und freisetzungsbereiter Vesikel (Readily releasable pool, RRP) führt (Overfilling, Überfüllen). Es gibt Evidenz dafür, dass dieser Prozess mindestens teilweise Kalzium(Ca2+)-abhängig ist. Durch welche Kanäle das hierfür bereitgestellte Ca2+ in die Präsynapse gelangt, war bislang unklar. An PF-PC-Synapsen sind drei Subtypen spannungsabhängiger Ca2+-Kanäle (Cavs) vorhanden: Cav2.1 (P/Q Typ), Cav2.2 (N Typ) und Cav2.3 (R Typ). Diese stellen in jungen Mäusen (P8-10) gemeinsam das Ca2+ für die Freisetzung der Transmitter-Vesikel zur Verfügung. Während der Entwicklung verringert sich die Kopplungsdistanz zwischen Cav2.1-Kanälen und Ca2+-Sensor, sodass bei reiferen Tieren (P21–24) allein der Ca2+-Einstrom durch eng gekoppelte Cav2.1 zur Vesikelfreisetzung führt. Cav2.2 und Cav2.3 sind jedoch weiterhin an der Präsynapse vorhanden und tragen zum Aktionspotential(AP)-vermittelten Ca2+-Einstrom bei. Die Funktion dieser Kanäle in reiferen Tieren blieb bisher weitgehend ungeklärt. Vorliegend wurden folgende Hypothesen überprüft: 1. Ca2+-Einstrom durch Cav2.2 oder Cav2.3 ist für spontane, nicht AP-vermittelte Vesikelfreisetzung verantwortlich. 2. Ca2+-Einstrom durch Cav2.2 oder Cav2.3 stellt Ca2+ für ultra-schnelles Nachfüllen mit Überfüllen bereit. Um diese Hypothesen zu prüfen, wurden Whole-Cell Patch-Clamp Messungen an Purkinjezellen in akuten Hirnschnitten reifer (P21–24) C57BL/6 Mäuse durchgeführt und die Parallelfasern (PFs) extrazellulär in der Molekularschicht stimuliert. Zunächst wurde die Hypothese geprüft, ob Cav2.2 und Cav2.3 an der Ca2+-Bereitstellung für spontane Vesikelfreisetzung beteiligt sind. Dazu wurden sogenannte miniature excitatory postsynaptic currents (Miniatur-EPSCs, mEPSCs) der Purkinjezellen aufgezeichnet. Bei Erhöhung der extrazellulären Ca2+-Konzentration von 2 mM auf 5 mM zeigte sich eine deutliche Steigerung der mEPSC-Frequenz, was die Annahme stützt, dass die spontane Vesikelfreisetzung eine Ca2+-abhängige Komponente hat. Um Rückschlüsse auf die Beteiligung der Cav-Subtypen ziehen zu können, wurden Cav2 Subtyp-spezifische Toxinblocker eingesetzt. Ω-Agatoxin-IVA wurde zur Blockierung von Cav2.1 eingesetzt. Cav2.2 wurde mit Ω-Conotoxin GVIA und Cav2.3 mit SNX-482 blockiert. Unter dem Einfluss dieser Toxine konnte weder einzeln noch in Kombination ein Effekt auf die Frequenz der mEPSCs beobachtet werden. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Funktion dieser Cav2s nicht die Ca2+-Bereitstellung für spontane Vesikelfreisetzung ist. Anschließend wurde der Einfluss der Blockade der Cav2 Subtypen auf das Vesikel-Nachfüllen untersucht. Dazu wurden Parallelfasern zunächst fünf Mal bei einer Frequenz von 20 Hz extrazellulär stimuliert und die hervorgerufenen EPSCs aufgezeichnet. Hieraus wurde das Verhältnis aus den Amplituden des zweiten bis fünften EPSCs zur Amplitude des ersten EPSCs berechnet (Ai/A1). Diese Paarpulsverhältnisse sollten sich bei einem durch Cav2-Blocker beeinträchtigtem Vesikel-Nachfüllen verkleinern. Ein solcher Effekt war jedoch bei dieser kurzen Aktivierung mit 5 Stimuli nicht zu beobachten. Da die in-vivo-Aktivität an der PF-PC-Synapse aus längeren, hochfrequenten Trains besteht und sie in der Lage ist, auch bei länger anhaltender Stimulation zu bahnen, wurde ein weiteres Experiment mit Trains aus 50 Stimuli durchgeführt. Hierbei sollte während oder zumindest gegen Ende des Trains ein Gleichgewicht aus Freisetzung und Nachfüllen (Steady State) erreicht werden. Dazu war es erforderlich, die extrazelluläre Ca2+-Konzentration auf 6 mM zu erhöhen. Die aufgezeichneten EPSC-Amplituden wurden in einem kumulativen Plot aufgetragen und mit einer Methode nach Schneggenburger et al. ausgewertet. Dabei wird der Gleichgewichtsbereich mit einer linearen Funktion gefittet, deren Anstieg ein Maß für die Nachladerate und deren y-Achsenabschnitt ein Maß für das Dekrement des RRP ist. Durch spezifische Blockade einzelner Cav-Subtypen kann man Aussagen über deren Einfluss auf Vesikel-Nachfüllen und RRP treffen. Unter Hinzugabe von Ω Agatoxin IVA konnte, wie erwartet, eine starke Reduktion bereits bei der ersten EPSC-Amplitude beobachtet werden, da der Ca2+-Einstrom durch Cav2.1 entscheidend für die Freisetzungswahrscheinlichkeit der Vesikel (pv) ist. Hierdurch erklärt sich die beobachtete Abnahme des RRP-Dekrements. Der Anstieg der Geraden im Gleichgewichtszustand zeigte sich durch Ω-Agatoxin-IVA nicht signifikant verändert. Allerdings könnte ein möglicher Effekt durch die starke Reduktion der pv maskiert sein. Daher wurde in einem weiteren Versuch eine reduzierte Dosis (100 nM statt 250 nM) Ω Agatoxin-IVA eingesetzt. Hier zeigte sich neben dem Effekt auf das RRP-Dekrement außerdem ein vermindertes Nachfüllen der Vesikel. Dieser Effekt wurde bei voller Dosis vermutlich maskiert und weist darauf hin, dass Ca2+-Einstrom durch Cav2.1 zur Aufrechterhaltung des Vesikel-Nachfüllens beiträgt. Bei Blockade von Cav2.3 mit SNX-482 konnte kein signifikanter Einfluss auf Vesikel-Nachfüllen oder RRP festgestellt werden. Unter dem Einfluss des Cav2.2-Blockers Ω-Conotoxin GVIA zeigte sich ein interessanter Effekt: Die Nachladerate wurde durch die Toxinapplikation selektiv reduziert. Hieraus lässt sich schlussfolgern, dass die Bereitstellung von Ca2+ für das Vesikel-Nachfüllen eine Funktion des Cav2.2 an dieser Synapse darstellt. Das RRP-Dekrement blieb davon unbeeinflusst, was zu dem beschriebenen Befund passt, nach dem Cav2.2s in diesem Alter nicht an der Vesikelfreisetzung beteiligt sind. Unter Cav2.1-Block dagegen, blieben die EPSC-Amplituden am Ende verhältnismäßig unbeeinflusst, während die ersten stark reduziert waren. Dieser Befund passt zu der Annahme, dass Ω-Agatoxin-IVA pv stark verringert, während das Nachfüllen über den erhaltenen Ca2+-Einstrom durch Cav2.2 weiterläuft. Anhand unserer Daten ist allerdings nicht auszuschließen, dass ein Unterschied zwischen früh und spät im Train rekrutierten Vesikeln hinsichtlich deren Kopplung an Cav2.1 oder Cav2.2 besteht. Im Anschluss an die Trains mit 50 Stimuli wurde eine Erholungsphase aufgezeichnet. Hierbei wurde mit konsekutiv steigenden Interstimulus-Intervallen die Regeneration der EPSC-Amplituden bis etwa auf das Ausgangsniveau aufgezeichnet. Der Zeitverlauf der Erholung wurde mittels biexponentieller Funktionen gefittet. Bei der Applikation von Ω Agatoxin-IVA zeigte sich der Gleichgewichtszustand ohne Depression, während er unter Ω Conotoxin GVIA und SNX-482 eine deutliche Depression aufwies. Ω-Agatoxin-IVA führte zu einer signifikant beschleunigten Erholung. Dieser Effekt resultiert aber am ehesten aus der starken Reduktion von pv und der fehlenden Depression. Sowohl der Zeitverlauf der Erholung als auch die EPSC-Amplituden während der kurzen Aktivierung mit 5 Stimuli waren unbeeinflusst von Cav2.2- und Cav2.3-Block. Gemeinsam spricht dies für das Vorhandensein eines basalen Nachfüllens, welches zusätzlich zum Ca2+-abhängigen Nachfüllen mit Einstrom durch Cav2.1 und Cav2.2 stattfindet. Das Ziel der Studie bestand darin, die Funktion der Cav2.2- und Cav2.3-Kanäle im präsynaptischen Bouton der reifen Parallelfaser zu erforschen. Obwohl spontane Vesikelfreisetzung zumindest teilweise Ca2+-abhängig zu sein scheint, war keiner der untersuchten Cav2-Kanäle bedeutsam beteiligt. Bei Cav2.3 konnte des Weiteren keine Relevanz für das Nachfüllen festgestellt werden. Für Cav2.2-Kanäle konnte jedoch die Funktion als Ca2+-Bereitsteller für das Nachfüllen bei anhaltender synaptischer Transmission identifiziert werden. Zusammenfassend bestätigen unsere Daten den maßgeblichen Einfluss von Cav2.1 auf pv und zeigen eine wichtige Funktion von Cav2.2: die Erhaltung der synaptischen Effektivität unter anhaltender, hochfrequenter Aktivität an der Parallelfaser. Es bleibt die Frage offen, inwiefern diese Befunde auch für andere kleine glutamaterge Synapsen, beispielsweise im Neocortex, zutreffen. Auch dort konnte der entwicklungsbedingte Wechsel von gemeinsamer Steuerung der Vesikelfreisetzung durch Cav2.1 und Cav2.2 zu alleiniger Steuerung durch Cav2.1 beobachtet werden. Gleichzeitig bleibt auch hier die Ca2+-Signalgebung durch Cav2.2 erhalten.:Einleitung 1 Aufbau und Funktion chemischer Synapsen 1 Kurzzeitbahnung und Vesikel-Nachfüllen 2 Parallelfaser-Purkinjezelle-Synapse als Modellsystem 4 Experimenteller Aufbau und Auswertungsmethoden 7 Publikation 9 Zusammenfassung 24 Literaturverzeichnis 28 Darstellung des eigenen Beitrags 31 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 32 Lebenslauf 33 Danksagung 34

Die Rückstandshalden des Kalibergbaus bestehen überwiegend aus Steinsalz. In Abhängigkeit der Stabilität des Untergrundes sowie der Haldenhöhe neigen diese Halden dazu sich plastisch zu verformen. Diese Deformationen gilt es frühzeitig zu erkennen und zu bewerten. Das neue gestaffelte Monitoringkonzept beruht auf langjährigen Erfahrungen, die ebenso kurz vorgestellt werden. / Tailing heaps of potash mining consist predominantly of rock salt. Depending on the stability of the underground, as well as the heights of the heaps, these heaps tend to deform plastically. These deformations must be recognized and assessed at an early stage. The new graduated monitoring concept is based on many years of experience, which are also briefly presented.

The prediction of settlements in infrastructural design puts high demands on the numerical analysis of the subsoil and the associated constitutive model: complex installation processes and the repetitive character of live loads pose considerable challenges. Although in this context the main focus is on the analytical requirements of a geotechnical problem in order to realistically capture soil behaviour, the needs of engineering practice should not be neglected in constitutive modelling. Along these lines, a new soil model for non-cohesive soils has been developed in the theoretical framework of elastoplasticity. Based on the concept of bounding surface plasticity according to Manzari and Dafalias (1997), soil properties such as strength, stiffness and dilatancy depend on the distance between the current stress state and a corresponding model surface in stress space. This way the multi surface model correctly reproduces elementary behavioural patterns of soil, including for example shear related phenomena such as hardening/softening, contraction/dilation and attainment of critical state (constant volume shear strength). Moreover, the model captures the state dependence of soil behaviour (barotropy and pycnotropy). Thus, with only one set of material parameters, the mechanical behaviour of a wide range of initial soil states with respect to stress and void ratio can be simulated (unified modelling). The kinematic hardening mechanism of the conical yield surface contributes to a realistic stiffness evolution in un- and reloading and is hence essential for stress or strain accumulation due to load reversals. Since the chosen modelling framework is suitable for further development, the original formulation has been extended to adapt the model to the defined needs. In order to adequately simulate geotechnically relevant stress paths of low and higher complexity, first of all, a cap shaped yield surface was added to allow for plastic straining not only in shear, but also in constant stress ratio loading (e. g. isotropic or oedometric compression). When it comes to stress paths of unconventional orientation, to load reversals or composed stress paths with changes in loading direction, a supplementary stiffness increase at small strains and its subsequent strain dependent degradation have proven valuable. Furthermore, an additional mechanism accounts for a regressive accumulation of stresses or strains with increasing number of load cycles (in terms of dissipated energy). In view of its suitability for practical use, all model extensions are structured in a modular fashion, so that the complexity of the model (and hence the amount of parameters) can be adapted to the complexity of the geotechnical problem by activating or deactivating certain features. Most model parameters can be determined by conventional laboratory testing. An internal routine optionally facilitates the parameter choice by calibrating certain bounding surface related parameters from an alternative user input, which is more oriented towards experimental outcome. Since a good understanding of a material model is crucial for its reasonable and responsible use, the present thesis aims at offering a sound documentation. Thus, the first part gives an outline of the underlying bounding surface concept and describes the innovations on the constitutive level with reference to theoretical considerations. It is followed by a detailed analysis of capabilities and limitations of the extended model. The next part is dedicated to the numerical implementation of the soil model and its calibration procedure on the basis of laboratory test results. Moreover, the embedded calibration routine including the applied optimisation algorithm is presented. The subsequent section serves model validation: by means of element test simulations, generation of response envelopes as well as the reproduction of more general (e. g. composed) stress paths the performance of the extended bounding surface model is demonstrated. Finally, the last chapter draws conclusions and discloses potential future perspectives.:1 Introduction 1.1 General aspects on constitutive modelling 1.2 Motivation and outline of the thesis 1.3 Basic assumptions and terminology 2 Literature review 2.1 From elastoplasticity to bounding surface plasticity 2.1.1 Bounding surface model according to Manzari and Dafalias (1997) 2.2 Further development of the original model 2.2.1 Papadimitriou and Bouckovalas (2002) 2.2.2 Taiebat and Dafalias (2008) 2.3 Small strain stiffness 2.3.1 Observations 2.3.2 Micromechanical considerations 2.3.3 Very small strain shear modulus G0 2.3.4 Constitutive modelling approaches 2.4 Dilatancy 3 The extended bounding surface model 3.1 Fundamental capabilities of the bounding surface concept 3.1.1 Elastic region 3.1.2 Critical state 3.1.3 Shear strength 3.1.4 Shear stiffness (monotonic) 3.1.5 Contractancy and dilatancy 3.1.6 Barotropy and pycnotropy 3.1.7 Compressive stiffness 3.1.8 Shear stiffness in reversed loading 3.1.9 Additional features 3.2 New features of the extended bounding surface model 3.2.1 Minor modifications 3.2.2 Dilatancy formulation 3.2.3 Cap yield surface 3.2.4 Small strain stiffness mechanism 3.2.5 Cyclic loading mechanism 3.2.6 Summary 3.3 Limitations of the bounding surface model 3.3.1 Intrinsic insuffciencies of the bounding surface concept 3.3.2 Remaining shortcomings of the advanced model version 3.3.3 Newly introduced deficiencies 4 The numerical model and its calibration procedure 4.1 Octave implementation of an element test programme 4.2 Calibration procedure 4.2.1 Sands for calibration 4.2.2 Calibration of basic parameters 4.2.3 Calibration of extended model parameters 4.3 User friendly calibration routine 4.3.1 Conceptual background 4.3.2 Optimisation algorithm 5 Performance of the extended bounding surface model 5.1 Model performance in element tests 5.1.1 Monotonic drained triaxial compression test 5.1.2 Monotonic undrained triaxial compression test 5.1.3 Monotonic eta-constant tests 5.2 Model performance in non-standard triaxial testing 5.2.1 Concept of response envelopes 5.2.2 Simulation of response envelopes 5.3 Model performance on general stress paths 5.3.1 Triaxial compression at small strains 5.3.2 Cyclic triaxial loading 6 Conclusions and perspectives 6.1 Conclusions 6.2 Future perspectives Bibliography Appendices A Mathematical background A.1 Fundamental equations of elastoplasticity A.2 Compilation of major constitutive equations (multiaxial formulation) A.3 Elastoplastic stiffness matrix for singular yield surfaces A.4 Coefficient matrices S and E for loading constraints A.5 Derivation of Mcap and Hcap A.6 Intergranular strain adjustment A.7 Intergranular strain correlation B Details on particle swarm optimisation C Compilation of simulation results C.1 Monotonic triaxial loading C.1.1 Toyoura sand C.1.2 Sacramento River sand C.1.3 Hostun sand C.2 Monotonic eta-constant loading C.2.1 Sacramento River sand C.2.2 Hostun sand C.3 Cyclic triaxial loading / Die Prognose von Setzungen für die Bemessung von Infrastrukturbauwerken stellt hohe Anforderungen an die numerische Untersuchung des Baugrunds und das damit verbundene Stoffgesetz: komplexe Herstellungsprozesse und zyklisch wiederkehrende Verkehrslasten stellen beachtliche Herausforderungen dar. Während das Hauptaugenmerk zumeist auf der realitätsnahen Abbildung des Bodenverhaltens liegt und damit die analytischen Anforderungen des geotechnischen Problems im Fokus stehen, sollten die Bedürfnisse der Ingenieurspraxis in der Stoffgesetzmodellierung nicht außer Acht gelassen werden. In diesem Sinne wurde im Rahmen der Elastoplastizität ein neues Materialmodell für nichtbindige Böden entwickelt. Auf dem Konzept der Bounding Surface Plastizität nach Manzari und Dafalias (1997) beruhend, sind Eigenschaften wie Festigkeit, Steifigkeit und Dilatanz Funktion des Abstands zwischen aktuellem Spannungszustand und einer zugeordneten Modellfläche im Spannungsraum. Auf diese Weise bildet das Mehrflächenmodell fundamentale Verhaltensmuster von Boden korrekt ab, einschließlich beispielsweise scherbezogener Phänomene wie Ver- und Entfestigung, Kontraktanz und Dilatanz oder das Erreichen des kritischen Zustands (Scherfestigkeit bei konstantem Volumen). Des Weiteren erfasst das Modell die Zustandsabhängigkeit des Bodenverhaltens (Barotropie und Pyknotropie). So kann mit nur einem Parametersatz das mechanische Verhalten einer großen Spannweite unterschiedlicher Anfangszustände hinsichtlich Spannung und Lagerungsdichte simuliert werden. Der kinematische Verfestigungsmechanismus der konusförmigen Fließfläche trägt bei Ent- und Wiederbelastungen zu einer realistischeren Steifigkeitsentwicklung bei und ist damit von essenzieller Bedeutung für die Akkumulation von Spannungen oder Verformungen infolge von Lastwechseln. Da sich der gewählte konstitutive Rahmen für Weiterentwicklungen eignet, wurde die ursprüngliche Formulierung des Stoffgesetzes erweitert, um das Modell an die definierten Anforderungen anzupassen. Um geotechnisch relevante Spannungspfade niedriger und höherer Komplexität adäquat reproduzieren zu können, wurde zunächst eine kappenförmige Fließfläche ergänzt. So können irreversible Verformungen nicht nur bei Scherung, sondern auch bei Belastungen ohne Änderung des Spannungsverhältnisses, wie z. B. bei isotroper oder ödometrischer Kompression, auftreten. Bei Spannungspfaden ungewöhnlicher Orientierung, bei Lastwechseln oder zusammengesetzten Spannungspfaden mit Änderung der Belastungsrichtung hat sich eine erhöhte Steifigkeit bei kleinen Dehnungen mit anschließendem dehnungsabhängigen Abfall als nützlich erwiesen. Darüber hinaus berücksichtigt ein zusätzlicher Mechanismus die rückläufige Akkumulation von Spannung oder Verformung mit zunehmender Zyklenanzahl (mittels dissipierter Energie). Im Hinblick auf die Eignung des Stoffgesetzes für die Praxis ist das Modell modular aufgebaut. So kann die Komplexität des Modells (und damit die Anzahl der Parameter) durch Ein- und Ausschalten bestimmter Erweiterungen an die Komplexität des geotechnischen Problems angepasst werden. Die Mehrzahl der Modellparameter wird mit Hilfe konventioneller Laborversuche bestimmt. Eine interne Routine erleichtert durch die Kalibrierung bestimmter Bounding Surface bezogener Größen anhand eines alternativen, stärker an Versuchsergebnissen orientierten User-Inputs bei Bedarf die Parameterwahl. Da die Kenntnis eines Stoffgesetzes entscheidend ist für dessen vernünftigen und verantwortungsvollen Einsatz, soll die vorliegende Arbeit eine fundierte und umfassende Dokumentation bieten. Der erste Teil vermittelt daher zunächst einen Überblick über das zugrunde liegende Bounding Surface Konzept und beschreibt die Neuerungen auf konstitutiver Ebene mit Bezug auf theoretische Hintergründe. Er wird gefolgt von einer detaillierten Darlegung von Potenzialen und Einschränkungen für die Nutzung des erweiterten Modells. Der nächste Abschnitt widmet sich der numerischen Implementierung des Stoffgesetzes und seiner Kalibrierung auf Basis von Versuchsergebnissen. Des Weiteren wird die Kalibrierungsroutine einschließlich des verwendeten Optimierungsalgorithmus präsentiert. Der nachfolgende Teil dient der Modellvalidierung: durch die Simulation von Elementversuchen, die Erzeugung von Antwortellipsen sowie die Abbildung allgemeinerer (beispielsweise zusammengesetzter) Spannungspfade wird die Leistungsfähigkeit des erweiterten Bounding Surface Modells demonstriert. Abschließend werden Schlussfolgerungen gezogen und potenzielle Perspektiven aufgezeigt.:1 Introduction 1.1 General aspects on constitutive modelling 1.2 Motivation and outline of the thesis 1.3 Basic assumptions and terminology 2 Literature review 2.1 From elastoplasticity to bounding surface plasticity 2.1.1 Bounding surface model according to Manzari and Dafalias (1997) 2.2 Further development of the original model 2.2.1 Papadimitriou and Bouckovalas (2002) 2.2.2 Taiebat and Dafalias (2008) 2.3 Small strain stiffness 2.3.1 Observations 2.3.2 Micromechanical considerations 2.3.3 Very small strain shear modulus G0 2.3.4 Constitutive modelling approaches 2.4 Dilatancy 3 The extended bounding surface model 3.1 Fundamental capabilities of the bounding surface concept 3.1.1 Elastic region 3.1.2 Critical state 3.1.3 Shear strength 3.1.4 Shear stiffness (monotonic) 3.1.5 Contractancy and dilatancy 3.1.6 Barotropy and pycnotropy 3.1.7 Compressive stiffness 3.1.8 Shear stiffness in reversed loading 3.1.9 Additional features 3.2 New features of the extended bounding surface model 3.2.1 Minor modifications 3.2.2 Dilatancy formulation 3.2.3 Cap yield surface 3.2.4 Small strain stiffness mechanism 3.2.5 Cyclic loading mechanism 3.2.6 Summary 3.3 Limitations of the bounding surface model 3.3.1 Intrinsic insuffciencies of the bounding surface concept 3.3.2 Remaining shortcomings of the advanced model version 3.3.3 Newly introduced deficiencies 4 The numerical model and its calibration procedure 4.1 Octave implementation of an element test programme 4.2 Calibration procedure 4.2.1 Sands for calibration 4.2.2 Calibration of basic parameters 4.2.3 Calibration of extended model parameters 4.3 User friendly calibration routine 4.3.1 Conceptual background 4.3.2 Optimisation algorithm 5 Performance of the extended bounding surface model 5.1 Model performance in element tests 5.1.1 Monotonic drained triaxial compression test 5.1.2 Monotonic undrained triaxial compression test 5.1.3 Monotonic eta-constant tests 5.2 Model performance in non-standard triaxial testing 5.2.1 Concept of response envelopes 5.2.2 Simulation of response envelopes 5.3 Model performance on general stress paths 5.3.1 Triaxial compression at small strains 5.3.2 Cyclic triaxial loading 6 Conclusions and perspectives 6.1 Conclusions 6.2 Future perspectives Bibliography Appendices A Mathematical background A.1 Fundamental equations of elastoplasticity A.2 Compilation of major constitutive equations (multiaxial formulation) A.3 Elastoplastic stiffness matrix for singular yield surfaces A.4 Coefficient matrices S and E for loading constraints A.5 Derivation of Mcap and Hcap A.6 Intergranular strain adjustment A.7 Intergranular strain correlation B Details on particle swarm optimisation C Compilation of simulation results C.1 Monotonic triaxial loading C.1.1 Toyoura sand C.1.2 Sacramento River sand C.1.3 Hostun sand C.2 Monotonic eta-constant loading C.2.1 Sacramento River sand C.2.2 Hostun sand C.3 Cyclic triaxial loading

Comprehensive investigations of crystalline systems often require methods bridging atomistic and continuum scales. In this context, coarse-grained mesoscale approaches are of particular interest as they allow the examination of large systems and time scales while retaining some microscopic details. The so-called phase-field crystal (PFC) model conveniently describes crystals at diffusive time scales through a continuous periodic field which varies on atomic scales and is related to the atomic number density. To go beyond the restrictive atomic length scales of the PFC model, a complex amplitude formulation was first developed by Goldenfeld et al (2005 Phys. Rev. E 72 020601). While focusing on length scales larger than the lattice parameter, this approach can describe crystalline defects, interfaces, and lattice deformations. It has been used to examine many phenomena including liquid/solid fronts, grain boundary energies, and strained films. This topical review focuses on this amplitude expansion of the PFC model and its developments. An overview of the derivation, connection to the continuum limit, representative applications, and extensions is presented. A few practical aspects, such as suitable numerical methods and examples, are illustrated as well. Finally, the capabilities and bounds of the model, current challenges, and future perspectives are addressed.

Der Gesangserwerb bei Singvögeln ist ein etabliertes Modell zur Erforschung von Lern- und Gedächtnisprozessen. Für die Kontrolle des Gesangsverhaltens von Singvögeln ist ein neuronales Netzwerk verantwortlich, das als Gesangssystem bezeichnet wird. Innerhalb dieses Gesangssystems unterscheidet man zwei Hauptstränge: eine prämotorische Bahn, die für die Steuerung des Gesangs verantwortlich ist, und eine anteriore Vorderhirnschleife („anterior forebrain pathway"; AFP), die mit der Niederlegung eines Gesangsmusters im Gedächtnis und mit dem Abgleich des gehörten Gesangs an dieses Gesangsmuster in Zusammenhang gebracht wird. Bei Zebrafinken (Taeniopygia guttata) lernen nur die Männchen singen, während Weibchen lediglich angeborene Kontaktrufe äußern. Gemeinsam ist beiden Geschlechtern, dass sie arteigenen Gesang, in Form eines Gesangsmusters im Gedächtnis speichern. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Konnektivitäten innerhalb der AFP in beiden Geschlechtern ähnlich verlaufen. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurden die Gesangsareale der AFP adulter Zebrafinken vergleichend zwischen den Geschlechtern bezüglich ihrer Volumenausbildung untersucht und die Anzahl, Dichte und Größe der Neurone und deren Zellkerne innerhalb dieser Gesangsareale bestimmt. Des Weiteren wurden adulte Zebrafinken auf Folgen gesangsdeprivierter Aufzucht untersucht, in der Annahme, dass morphologische Unterschiede zwischen sozial und gesangsdepriviert aufgezogenen Tieren Hinweise auf Ort und Art der Speicherung des erlernten Gesangsmusters geben könnten. Solche Veränderungen wurden bezüglich des Volumens des Nucleus dorsolateralis medialis des anterioren Thalamus (DLM) und der Neuronendichte im Nucleus robustus arcopallii (RA) gesangsdeprivierter Männchen nachgewiesen. Die bei Weibchen ermittelten morphologischen Unterschiede durch gesangsdeprivierte Aufzucht konzentrierten sich auf den RA, in dem sowohl das Arealvolumen als auch die Größe der Neurone und der Nuklei signifikant kleiner waren. Da Zebrafinkenweibchen lediglich angeborene Kontaktrufe äußern, an deren Produktion der RA nicht beteiligt ist, könnten diese deprivationsbedingten Veränderungen in Zusammenhang mit der Speicherung des arteigenen Gesangsmusters stehen. / Song learning has emerged as one of the leading model systems for studying learning in vertebrates. In the avian brain there is a specific neuronal network, the so called song system, that controls song behaviour. This song system consists of two major pathways: the motor pathway which is responsible for song production, and the anterior forebrain pathway (AFP) which is important for song acquisition and adjustment of their vocalization to the learned song pattern. In zebra finches (Taeniopygia guttata) males learn to sing, whereas females only produce congenital contact calls. However, both sexes store a species specific song template in their memory. In this study it has been shown that there is high similarity between the connectivities of the AFP in males and females. Based on this, the song nuclei of the AFP of adult male and female zebra finches have been analyzed, concerning their volume, their neuronal number, density and size and whether differences between both sexes do exist. Furthermore, the impact of song deprivation in adult zebra finches has been examined. This study was based on the assumption that morphological differences between social and song deprived reared birds could give evidence for the place and mode of storing the learned song pattern. Differences between social and song deprived reared males were found in both the volume of the dorsolateral nucleus of the anterior thalamus (DLM) and the neuronal density in the robust nucleus of the arcopallium (RA). In females, morphological changes due to song deprivation were mainly found in RA. In this brain area the volume as well as the size of neurons and their nuclei were singnificantly reduced. Since females only produce congenital contact calls and since the production of these calls does not require the RA, the changes induced by song deprivation in females might be related to the storage of the conspecific song pattern.

Um eine Folge von Ereignissen aus unserem Gedächtnis abzurufen, ist zunächst ein Mechanismus erforderlich, der geordnete Sequenzen abspeichert. Hierbei stehen wir vor dem Problem, dass Ereignisse in unserem Leben auf einer Zeitskala von Sekunden oder mehr stattfinden. Auf der anderen Seite basiert das Lernen von Sequenzen auf der Plastizität von Synapsen im Gehirn, die durch die Abfolge von Aktionspotentialen von Nervenzellen im Millisekunden-Bereich gesteuert wird. Um dieses zeitliche Problem zu lösen, betrachten wir den Hippocampus, eine Struktur im Gehirn von Vertebraten, die für das explizite Gedächtnis (Fakten, Ereignisse, Sequenzen) entscheidende Bedeutung hat. In Nagetieren ist der Hippocampus sehr gut untersucht. Dort wurden Neurone gefunden, die nur dann aktiv sind, wenn das Tier innerhalb einer bestimmten Region seiner Umgebung ist: im sogenannten “Ortsfeld” des entsprechenden Neurons. Während der Bewegung durch ein Ortsfeld verschiebt sich die Phase der Nervenimpulse zu immer früheren Phasen der EEG-Oszillation. Dieses Phänomen wird als “Phasenpräzession” bezeichnet. Theoretische und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass Phasenpräzession eine Lösung für unser Dilemma bietet: es führt zu einer zeitlich komprimierten Darstellung der Sequenz von Orten. In der vorliegenden Arbeit untersuche ich den Mechanismus und die Funktion von Phasenpräzession im Hinblick auf die Ausbreitung neuronaler Aktivität von einer Hirnregion zu einer anderen. Phasenpräzession konnte bereits in mehreren Regionen des Gehirns beobachtet werden. Bisher war unklar, ob Phasenpräzession in jeder dieser Regionen eigenständig entsteht, oder ob die Phasenpräzession von einer vorgeschalteten Population von Neuronen “vererbt” werden kann. Schliesslich diskutiere ich auf Grundlage der aktuellen Literatur, ob Phasenpräzession das Verhalten beeinflusst und gebe einen Ausblick auf zukünftige Forschungsmöglichkeiten auf diesem Gebiet. / The process of faithfully retrieving episodes from our memory requires a neural mechanism capable of initially forming ordered and reliable behavioral sequences. These behavioral sequences take place on a timescale of seconds or more, whereas the timescale of neural plasticity and learning is in the order of tens of milliseconds. To shed light on this dilemma, we turn to studies of hippocampal place cells in rodents, i.e., cells that selectively increase their firing rates in locations of the environment known as the place fields. Within a field, the firing phases of a place cell precess monotonically relative to the ongoing theta rhythm. This phenomenon, termed "phase precession", leads to a temporally compressed representation of the behavioral sequences experienced by the rodent, and the compressed timescale matches the requirements of neural plasticity. In this thesis, I study the mechanisms and functions of phase precession by proposing a framework that relies on the concept of inheritance: the simple idea that patterns of neural activity can be propagated from one region to another. Indeed, phase precession has been observed in several regions of the hippocampus and entorhinal cortex, and an important open question is whether phase precession emerges independently in each region, or conversely, whether phase precession can be "inherited" from an upstream neu ronal population. These results suggest that the presence of phase precession in different stages of the hippocampal circuit and other regions of the brain is indicative of a common source, a fact that can help us better understand the temporal spiking patterns in the brain. Finally, I critically review the current evidence for a behavioral role for phase precession and suggest a roadmap for future research in this field.

Synapsen sind die spezialisierten subzellulären Kontaktstellen im Gehirn, die die Kommunikation zwischen einzelnen Nervenzellen, den Neuronen, auf elektrischem oder chemischem Weg ermöglichen. Anatomisch und physiologisch sind Synapsen jedoch erstaunlich divers, unter anderem abhängig von der untersuchten Hirnregion, der Identität der prä- und postsynaptischen Neurone, den präsynaptisch ausgeschütteten Neurotransmittern und postsynaptischen Rezeptorsystemen. Generell kann die Effektivität oder Stärke synaptischer Übertragung durch unterschiedliche Mechanismen beeinflusst werden. Hier werden nun Mechanismen, Ausprägung und funktionelle Relevanz von Neuromodulation, Kurzzeit- und Langzeit-Plastizität der Stärke der synaptischen Übertragung an der hippokampalen Moosfaser-Synapse erarbeitet. Die vorgestellten Daten konnten mit Hilfe von in vitro experimentellen Ansätzen an der hippokampalen Formation von Mäusen gewonnen werden und durch Analysen und Simulationen aus dem Bereich der theoretischen Biologie bestätigt und erweitert werden. / Chemical synapses are key elements for the communication between nerve cells. This communication can be regulated on various time scales and through different mechanisms affecting synaptic transmission. Amongst these are slow and long-lasting adjustments by endogenous neuromodulators, instantaneous and reversible activity-dependent regulation by short-term plasticity and persistent activity-dependent changes by long-term plasticity. Within this thesis, we have investigated several aspects of modulation of synaptic transmission and its functional relevance at the example of the hippocampal mossy fiber synapse. The presented results were acquired through electrophysiological and microfluorometric experiments at the hippocampal formation of mice and could be verified and substantiated through theoretical analyses, simulations and computational modelling.