Unter Rauschen versteht man allgemein eine Störgröße. Bei der Übertragung von Nachrichtensignalen ist das Rauschen meist die größte Störquelle. Die Rauschquellen treten dabei im gesamten Übertragungssystem, also im Sender, im Empfänger und auf dem Übertragungsweg auf. Man unterscheidet dabei zwischen der durch äußere und innere Rauschquellen erzeugten Rauschleistung. Rauschen kann signifikante Auswirkung auf die Antwortdynamik nichtlinearer Systeme haben. Für Neuronen ist die primäre Quelle des Rauschens synaptische Hintergrundaktivität; bezeichnet als synaptisches Rauschen.

In this study, ambient noise wavefield was used for the first time to image spatial and temporal upper crustal seismic structures in NW-Bohemia/Vogtland region. The data come from 111 stations and were collected from continuous recordings of the permanent station networks of Germany and Czech Academy of Sciences as well as temporary stations of the BOHEMA and PASSEQ experiments. Rayleigh and Love waves travelling between each station-pair are extracted by cross-correlating long time series of ambient noise data recorded at the stations. Group velocity dispersion curves are obtained by time-frequency analysis of cross-correlation functions between 0.1 and 1 Hz, and are tomographically inverted to provide 2-D group velocity maps. At shorter periods Rayleigh wave group velocity maps are in good agreement with surface geology where low velocity anomalies appear along Mariánské Lázně Fault and Eger rift. A low velocity zone is observed at the northern edge of Mariánské Lázně Fault which shifts slightly to the south with increasing period and correlates well with the main focal zone of the earthquake swarms at 5 s period. We invert the 2-D group velocity maps into a 3-D shear wave velocity model. In this step Love waves were excluded from further analysis because of their high level of misfit to modelled dispersion curves. Horizontal and vertical sections through the model reveal a clear low velocity zone above the Nový Kostel seismic focal zone which narrows towards the top of the seismic activity and ends above the shallowest hypocenters at 7 km depth. We investigate temporal variation of seismic velocity within and around the Nový Kostel associated with 2008 and 2011 earthquake swarms by employing Passive Image Interferometry method using 7 continuous seismograms recorded by the WEBNET network. The results reveals stable seismic velocities without a clear post seismic velocity change during earthquake swarms in the Nový Kostel area.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Transporteigenschaften von Nanostrukturen basierend auf modulationsdotierten GaAs/AlGaAs Heteroübergängen untersucht. Derartige Heterostrukturen zeichnen sich durch ein hochbewegliches zweidimensionales Elektronengas (2DEG) aus, das sich wenige 10 nm unterhalb der Probenoberfläche ausbildet. Mittels Elektronenstrahl-Lithographie und nasschemischer Ätztechnik wurde dieses Ausgangsmaterial strukturiert. Eindimensionale Leiter mit Kanalweiten von wenigen 10 nm wurden auf diese Weise hergestellt. Die Vorzüge derartiger Strukturen zeigen sich im ballistischen Elektronentransport über mehrere 10 µm und einer hohen Elektronenbeweglichkeit im Bereich von 10^6cm^2/Vs. Als nanoelektronische Basiselemente wurden eingehend eindimensionale Quantendrähte sowie y-förmig verzweigte Strukturen untersucht, deren Kanalleitwert über seitliche Gates kontrolliert werden kann. Dabei wurden die Transportmessungen überwiegend im stark nichtlinearen Transportregime bei Temperaturen zwischen 4,2 K und Raumtemperatur durchgeführt. Der Fokus dieser Arbeit lag insbesondere in der Untersuchung von Verstärkungseigenschaften und kapazitiven Kopplungen zwischen Nanodrähten, der Realisierung von komplexen Logikfunktionen wie Zähler- und Volladdiererstrukturen, dem Einsatz von Quantengates sowie der Analyse von rauschaktiviertem Schalten, stochastischen Resonanzphänomenen und Magnetfeldasymmetrien des nichtlinearen mesoskopischen Leitwertes. / This thesis reports on transport features of nanoelectronic devices based on modulation doped GaAs/AlGaAs heterostructures with a two dimensional electron gas (2DEG) a few 10 nm below the sample surface. Using electron beam lithography and wet chemical etching techniques low dimensional conductors were designed with a channel width of a few 10 nm. Such conductors enable ballistic transport up to 10 µm with high electron mobilities in the range of 10^6cm^2/Vs. One dimensional quantum wires as well as y-branched structures were used as nanoelectronic basic elements, which were controlled by lateral side-gates. Transport measurements were mainly performed in the strong nonlinear transport regime at temperatures between 4.2 K and room temperature. Experimental investigations were focused on gain, capacitive couplings between single nanowires, the realisation of complex logic functions like counter and fulladder devices, quantum-gate applications, noise activated switching, stochastic resonance phenomena and magnetic field asymmetries of the nonlinear mesoscopic transport.

Im Fokus dieser Untersuchung steht der Einfluss von Fluktuationen auf gekoppelte erregbare Systeme. Wir betrachten numerisch die stationäre Wahrscheinlichkeitsverteilung und den -fluss für ein einzelnes FitzHugh--Nagumo (FHN) System mit Rauschen. Abhängig von der Rauschintensität treten unterschiedliche Kombinationen von Extrema in der Verteilung auf. In einer Kombination finden wir Reminiszenzen an Kohärente Resonanz. Zur Untersuchung von gekoppelten Ensembles erregbarer Systeme nutzen wir eine Methode die auf der Dynamik der zentralen Momente der zugehörigen Verteilungen basiert. Wir leiten einen allgemeinen Ausdruck für ein System mit N Variablen her und diskutieren die Qualität verschiedener Näherungsmethoden. Rauschen kann die Dynamik eines ursprünglich nicht erregbaren Systems derart verändern, dass dieses Erregbarkeit zeigt. Dies demonstrieren wir durch Verallgemeinerung eines bekannten Modells für rauschinduzierte Phasenübergänge. Mit Hilfe der Momentenmethode erhalten wir das Bifurkationsdiagramm. Es zeigt Regionen rauschinduzierter Oszillationen und auch rauschinduzierter Erregbarkeit. Wenn wir additives Rauschen auf ein global gekoppeltes Ensemble mit FHN Kinetik anwenden, beobachten wir ein kompliziertes Übergangsregime hin zu Oszillationen des Mittelwerts. Neben Periodenverdopplung, Chaos und anderen Dynamiken finden wir ein plötzliches starkes Ansteigen der Ausdehnung eines chaotischen Attraktors. Dieses Phänomen ist bei Grenzzyklen als Canard Explosion bekannt. Wir demonstrieren die Möglichkeit von Musterbildung mit Hilfe von dichotomen Fluktuationen an Hand eines lokal gekoppelten Systems mit FHN Kinetik. Abhängig von räumlichen und zeitlichen Korrelationen tritt die Formation von Structure Patterns durch unterschiedliche Mechanismen und in unterschiedlichen Parameterregionen auf. / The focus of this study is on the influence of fluctuations on coupled excitable systems. We examine numerically the stationary probability distribution and the flux for an individual FitzHugh--Nagumo (FHN) system with noise. Depending on noise intensity different combinations of extrema of the distribution occur. In one combination we find reminiscences of coherence resonance. For the investigation of coupled ensembles of excitable systems we use a method based on the central moment dynamics of the corresponding probability distribution. We derive a general expression for a system with N variables and discuss the quality of different approximation techniques. Noise can alter dynamics that are formerly not excitable in a way that it becomes excitable. We demonstrate this using a generalization of a well known model for noise-induced phase transitions. With the help of the moment dynamics we obtain the phase diagram. It shows regions of noise induced oscillations and noise-induced excitability. When applying additive noise to a globally coupled ensemble with FHN kinetics a complicated transition regime towards oscillations of the mean is observed. Besides period-doubling, chaos, and other regimes we find a quick increase of the size of a chaotic attractor. This phenomenon is known from limit cycle oscillations as Canard explosion. We demonstrate the possibility of pattern formation with the help of dichotomous fluctuations using a system with nearest neighbor coupling obeying FHN kinetics. Depending on the spatial and temporal correlations we find structure pattern formation via different mechanisms in different parameter regions.

Microfabricated solid-state surfaces, also called atom chip', have become a well-established technique to trap and manipulate atoms. This has simplified applications in atom interferometry, quantum information processing, and studies of many-body systems. Magnetic trapping potentials with arbitrary geommetries are generated with atom chip by miniaturized current-carrying conductors integrated on a solid substrate. Atoms can be trapped and cooled to microKelvin and even nanoKelvin temperatures in such microchip trap. However, cold atoms can be significantly perturbed by the chip surface, typically held at room temperature. The magnetic field fluctuations generated by thermal currents in the chip elements may induce spin flips of atoms and result in loss, heating and decoherence. In this thesis, we extend previous work on spin flip rates induced by magnetic noise and consider the more complex geometries that are typically encountered in atom chips: layered structures and metallic wires of finite cross-section. We also discuss a few aspects of atom chips traps built with superconducting structures that have been suggested as a means to suppress magnetic field fluctuations. The thesis describes calculations of spin flip rates based on magnetic Green functions that are computed analytically and numerically. For a chip with a top metallic layer, the magnetic noise depends essentially on the thickness of that layer, as long as the layers below have a much smaller conductivity. Based on this result, scaling laws for loss rates above a thin metallic layer are derived. A good agreement with experiments is obtained in the regime where the atom-surface distance is comparable to the skin depth of metal. Since in the experiments, metallic layers are always etched to separate wires carrying different currents, the impact of the finite lateral wire size on the magnetic noise has been taken into account. The local spectrum of the magnetic field near a metallic microstructure has been investigated numerically with the help of boundary integral equations. The magnetic noise significantly depends on polarizations above flat wires with finite lateral width, in stark contrast to an infinitely wide wire. Correlations between multiple wires are also taken into account. In the last part, superconducting atom chips are considered. Magnetic traps generated by superconducting wires in the Meissner state and the mixed state are studied analytically by a conformal mapping method and also numerically. The properties of the traps created by superconducting wires are investigated and compared to normal conducting wires: they behave qualitatively quite similar and open a route to further trap miniaturization, due to the advantage of low magnetic noise. We discuss critical currents and fields for several geometries. / Mikrotechnologische Oberflächen, sogenannte Atomchips, sind eine etablierte Methode zum Speichern und Manipulieren von Atomen geworden. Das hat Anwendungen in der Atom-Interferometrie, Quanteninformationsverarbeitung und Vielteilchensystemen vereinfacht. Magnetische Fallenpotentiale mit beliebigen Geometrien werden durch Atomchips mit miniaturisierten stromführenden Leiterbahnen auf einer Festkörperunterlage realisiert. Atome können bei Temperaturen im $mu$ K oder sogar nK-Bereich in einer solchen Falle gespeichert und gekühlt werden. Allerdings können kalte Atome signifikant durch die Chip-Oberfläche gestört werden, die sich typischerweise auf Raumtemperatur befindet. Die durch thermische Ströme im Chip erzeugten magnetischen Feldfluktuationen können Spin-Flips der Atome induzieren und Verlust, Erwärmung und Dekohärenz zur Folge haben. In dieser Dissertation erweitern wir frühere Arbeiten über durch magnetisches Rauschen induzierte Spin-Flip-Ratenund betrachten kompliziertere Geometrien, wie sie typischerweise auf einem Atom-Chip anzutreffen sind: Geschichtete Strukturen und metallische Leitungen mit endlichem Querschnitt. Wir diskutieren auch einige Aspekte von Aomchips aus Supraleitenden Strukturen die als Mittel zur Unterdrückung magnetischer Feldfluktuationen vorgeschlagen wurden. Die Arbeit beschreibt analytische und numerische Rechnungen von Spin-Flip Raten auf Grundlage magnetischer Greensfunktionen. Für einen Chip mit einem metallischen Top-Layer hängt das magnetische Rauschen hauptsächlich von der Dicke des Layers ab, solange die unteren Layer eine deutlich kleinere Leitfähigkeit haben. Auf Grundlage dieses Ergebnisses werden Skalengesetze für Verlustraten über einem dünnen metallischen Leiter hergeleitet. Eine gute Übereinstimmung mit Experimenten wird in dem Bereich erreicht, wo der Abstand zwischen Atom und Oberfläche in der Größenordnung der Eindringtiefe des Metalls ist. Da in Experimenten metallische Layer immer geätzt werden, um verschiedene stromleitende Bahnen vonenander zu trennen, wurde der Einfluß eines endlichen Querschnittsauf das magnetische Rauschen berücksichtigt. Das lokale Spektrum des magnetischen Feldes in der Nähe einer metallischen Mikrostruktur wurde mit Hilfe von Randintegralen numerisch untersucht. Das magnetische Rauschen hängt signifikant von der Polarisierung über flachen Leiterbahnen mit endlichem Querschnitt ab, im Unterschied zu einem unendlich breiten Leiter. Es wurden auch Korrelationen zwischen mehreren Leitern berücksichtigt. Im letzten Teil werden supraleitende Atomchips betrachtet. Magnetische Fallen, die von supraleitenden Bahnen im Meissner Zustand und im gemischten Zustand sind werden analytisch durch die Methode der konformen Abbildung und numerisch untersucht. Die Eigenschaften der durch supraleitende Bahnen erzeugten Fallen werden erforscht und mit normal leitenden verglichen: Sie verhalten sich qualitativ sehr ähnlich und öffnen einen Weg zur weiteren Miniaturisierung von Fallen, wegen dem Vorteil von geringem magnetischem Rauschen. Wir diskutieren kritische Ströme und Felder für einige Geometrien.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Anwendbarkeit von transparenter Elektronik basierend auf oxidischen Halbleitern in Multielektrodenarrays zur Messung von neuronalen Signalen. Im ersten experimentellen Kapitel werden auf Zinkoxid basierende Bauelemente untersucht. Verschiedene Varianten von Feldeffekttransistoren (FETs) werden charakterisiert und ihre Eignung zur Detektion von Zellsignalen überprüft. Die Anwendbarkeit physikalischer Modelle zur Beschreibung von ZnO-basierten Metal-Halbleiter-FETs (MESFETs) wird behandelt. Weiterhin wird die Eignung von einfachen Inverterschaltungen zur Spannungsverstärkung diskutiert. Das zweite Kapitel thematisiert Rauschmessungen an unterschiedlichen ZnO-basierten Proben, darunter Dünnfilme, Mikronadeln, MESFETs und Inverter. Darauf aufbauend wird die Auswirkung des gemessenen Stromrauschens auf die Sensitivität der Bauelemente nachvollzogen und theoretisch modelliert. Im dritten Kapitel wird das Verhalten der Bauelemente im Kontakt mit Elektolyt beschrieben. Die Signalübertragung von Spannungsänderungen im Elektrolyt auf die Chipelektronik wird mit verschiedenen Messmethoden charakterisiert. Dabei kommt teilweise ein selbstgebauter Vorverstärker zum Einsatz, dessen Aufbau ebenfalls beschrieben wird. Die Stabilität der verwendeten Materialien in physiologischen Salzlösungen und ihre Biokompatibilität wird überprüft. Darüber hinaus werden FETs mit Elektrolytgate und Zinkzinnoxid-Kanal vorgestellt.:1. Introduction 2. Measurement Setup and Sample Fabrication 2.1. Device Fabrication 2.2. Measurement Methods 2.3. Current Amplifier with Offset Compensation 3. Oxide Semiconductor Based Devices 3.1. Theoretical Description 3.2. Thin Films 3.4. Simple Inverter 3.5. Test Circuit for Active Matrix Configurations 4. Noise 4.1. Noise Sources 4.2. Contributions from Measurement Setup 4.3. Homogenous ZnO Samples 4.4. ZnO Based Devices 5. Experiments in Electrolyte and with Cells 5.1. Cell-Transistor Coupling 5.2. Materials in Electrolytical and Biological Environment 5.3. Electrode Arrays with Field-Effect Transistors 5.4. Electrode Arrays with Simple Inverters 5.5. Electrode Arrays with Solution Gated Transistors 6. Conclusion and Outlook Appendices Bibliography Symbols and Abbreviations List of Own and Contributed Articles Acknowledgements

Die Prävalenz für Adipositas nimmt in den industrialisierten Ländern stetig zu. Für Adipöse besteht ein 30-60-fach erhöhtes Risiko zur Ausbildung eines manifesten Diabetes mellitus 2. Der Typ-2-Diabetes ist der Endpunkt eines progressiven metabolischen Syndroms, zu dessen konstituierenden Elementen neben Hyperlipidämie primär eine Insulinresistenz mit konsekutiver Hyperinsulinämie zählt. Die Ausbildung und Progression der Insulinresistenz wird insbesondere durch eine Adipositas gefördert. Mit dem Diabetes mellitus 2 einhergehende tonisch erhöhte Blutzuckerwerte begünstigen die Ausbildung einer diabetischen kardialen autonomen Neuropathie, welche beeinträchtigte kardiovaskuläre Anpassungsreaktionen und eine reduzierte Herzfrequenzvariabilität (HFV) bedingt. Primärer Gegenstandsbereich dieser Arbeit ist die Identifikation von HFV-Maßen mittels einer Receiver-Operating-Characteristic-Analyse, die geeignet sind, unterschiedliche Grade der diabetischen autonomen Neuropathie zu differenzieren. Da bei Diabetikern eine erhöhte Prävalenz für eine depressive Symptomatik besteht, welche ebenfalls mit einer verminderten HFV assoziiert werden, wurde die Ausprägung der Depressivität als Kontrollvariable miterhoben. Im Rahmen dieser Untersuchung konnte allerdings keine Konfundierung von Depressions- und Neuropathieeffekten bei der Neuropathiediagnostik mittels Maßen der HFV festgestellt werden. Es zeigt sich, daß die über eine Spektralanalyse ermittelte VLF- und LF-Power bzw. der SDNN-Index sensitiv für leichte diabetische Neuropathie ist. Demgegenüber ist der im Rahmen dieser Arbeit über ein regressionsanalytisches Verfahren für den spezifischen Frequenzbereich 0.09-0.5Hz bestimmte ß-Exponent des 1/fß-Spektrums besonders sensitiv für schwere diabetische Neuropathie. Dies ermöglicht erstmals eine differentielle Neuropathiediagnostik, die ausschließlich auf einer HFV-Analyse beruht. Es zeigte sich weiterhin, daß gegenüber der üblichen HFV-Analyse eines 24h-Zeitraums (Tag u. Nacht) mit der ausschließlichen HFV-Analyse des Tageszeitraums eine signifikant höhere diagnostische Performance bei der Neuropathiediagnostik zu erzielen ist. Eine Analyse des emotionalen Befindens der Adipösen in Abhängigkeit von der Ausprägung der diabetischen Neuropathie unterstützt die Annahme, daß eine leichte Neuropathie mit einer vorübergehenden Verbesserung des emotionalem Befindens assoziiert ist. Es werden die Implikationen für die Neuropathiebehandlung diskutiert. Eine weiterer Gegenstandsbereich dieser Arbeit ist die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Nüchternblutzucker, Körperfettanteil, systolischem Ruheblutdruck, körperlicher Fitneß, emotionalem Befinden, Depressivität und sympathovagaler Balance bei adipösen Personen ohne Anzeichen einer Neuropathie. In diesem Kontext wird die HFV als hinreichend valider Indikator für den Status der sympathovagalen Balance interpretiert. Die Untersuchungsergebnisse unterstützen die Annahme einer gleichsinnigen Kovariation zwischen beeinträchtigem emotionalen Befinden und sympathovagaler Balance bzw. zunehmendem Körperfettanteil und sympathovagaler Balance. Dies läßt den Schluß zu, daß eine mehrfach rückgekoppelte selbstverstärkende Dynamik zwischen beeinträchtigem emotionalen Befinden, zunehmendem Körperfettanteil und abnehmender körperlicher Fitneß besteht, welche die Progression eines metabolischen Syndroms fördert. Diesen Schluß unterstützt ein Vergleich des emotionalen Befindens einer Normgruppe mit dem emotionalem Befinden der untersuchten Adipositasgruppe, nachdem sich Adipöse als depressiver und erschöpfter und weniger aktiv und entspannt einschätzen. Der Vergleich der Ausprägung spezifischer Persönlichkeitsdispositionen einer Normgruppe mit der Ausprägung der entsprechenden Persönlichkeitsdispositionen in der untersuchten Adipositasgruppe lassen auf eine verminderte Kompetenz adipöser Personen schließen, negativen Affekt intrinsisch herabzuregulieren. Des weiteren konnte bei Adipösen eine Disposition für Kompulsivität festgestellt werden. Es wird daraus der Schluß abgeleitet, daß bei Adipösen vermutlich eine Serotoninbalance vorherrscht, die das Auftreten depressiver Stimmungslagen begünstigt. Vor diesem Hintergrund wird angenommen, daß das emotionale Essen (speziell von Kohlenhydraten) bei Adipösen eine externalisierte Form der Herabregulation negativen Affekts ist und tendenziell antikompulsiv und antidepressiv wirkt. Im Kontext mit dem tonisch beeinträchtigtem emotionalen Befinden Adipöser werden auch die neurophysiologischen Implikationen für die Etablierung von suchtähnlichem Eßverhalten analysiert. Des weiteren wurde in dieser Arbeit die mathematische Formalisierung der basalen Bestimmungsstücke der PSI-Theorie mit dem PSI-Modell erfolgreich abgeschlossen. Das PSI-Modell erlaubt die konsistente Ableitung der Persönlichkeitsstile im STAR-Modell über die entsprechende Parametrisierung der Sensibilitäten für (die Selbstverstärkung bzw. Herabregulation) positiver und negativer Affekt(e). Schlüsselwörter in Englisch: Obesitas, Syndrome X, Neuropathy, Heart Rate Variability, Power spectral analysis, 1/f-noise, Approximate Entropy, Emotional State, Personality Traits, PSI-Model. Schlüsselwörter in Deutsch: Adipositas, Metabolisches Syndrom, Neuropathie, Herzfrequenzvariabilität, Spektralanalyse, 1/f-Rauschen, Approximative Entropie, Emotionales Befinden, Persönlichkeitsdispositionen, PSI-Modell.

Angesichts ihrer unüberschaubaren Ausdifferenzierung scheint es heute kaum noch möglich, eine allgemeingültige Definition von Musik zu finden. Ausgehend von diesem Problem nimmt dieser Text ihre Randbereiche in den Fokus: Die Grenzen des Hörens, wie sie in extremen Formen experimenteller Musik, etwa im Harsh Noise Wall, ausgelotet werden und die Grenzen des Vernehmens, wie sie sich im stets metaphorischen Sprechen über Musik abzeichnen. Als unüberschreitbare Grenze dieser beiden Randzonen bildet die Klangfarbe das Zentrum der Argumentation und den Abschluss der Überlegungen. / Today it seems nearly impossible to find a universally valid definition of music due to its vast differentiation. Ensuing from this problem, this text focuses on music’s borders: the hearing limits as they are explored in extreme forms of experimental music (like Harsh Noise Wall) and the margins of understanding as they are shown in the use of metaphors in speaking about music. Timbre is discussed as an uncrossable border of these two aspects. These thoughts form both the focus and the conclusion of this text.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss von nicht-weißem oder nicht-Gauß’schem synaptischen Rauschen auf die Informationsübertragung in stochastischen Neuronenmodellen. Ziel ist es, zu verstehen, wie eine Nervenzelle ein Signal in ihrer Pulsaktivität kodiert. Synaptisches Rauschen beschreibt hier den Einfluss anderer Nervenzellen, die nicht das interessierende Signal tragen, aber seine Übertragung durch ihre synaptische Wirkung auf die betrachtete Zelle beeinflussen. In stochastischen Neuronenmodellen wird diese Hintergrundaktivität durch einen stochastischen Prozess mit geeigneter Statistik beschrieben. Ist die Rate, mit der präsynaptische Pulse auftreten, hoch und zeitlich konstant, die Wirkung einzelner Pulse aber verschwindend gering, so wird das synaptische Rauschen durch einen Gauß’schen Prozess beschrieben. Oft wird zudem angenommen, dass das Rauschen unkorreliert (weiß) ist. In dieser Arbeit wird neuronale Signalübertragung in dem Fall untersucht, dass eine solche Näherung nicht mehr gerechtfertigt ist, d.h. wenn der synaptische Hintergrund durch einen stochastischen Prozess beschrieben werden muss, der nicht weiß, nicht Gauß’sch, oder weder weiß noch Gauß’sch ist. Mittels Simulationen und analytischer Rechnungen werden drei Szenarien behandelt: Zunächst betrachten wir eine Zelle, die nicht ein, sondern zwei Signale empfängt, welche zusätzlich durch synaptische Kurzzeitplastizität gefiltert werden. In diesem Fall muss der Hintergrund durch ein farbiges Rauschen beschrieben werden. Im zweiten Szenario betrachten wir den Fall, dass der Effekt einzelner Pulse nicht mehr als schwach angenommen werden kann. Das Rauschen ist dann nicht mehr Gauß’sch, sondern ein Schrotrauschen. Schließlich untersuchen wir den Einfluss einer präsynaptischen Population, deren Feuerrate nicht zeitlich konstant ist, sondern zwischen Phasen hoher und niedriger Aktivität, sogenannten up und down states, springt. In diesem Fall ist das Rauschen weder weiß noch Gauß’sch. / This thesis is concerned with the effect of non-white or non-Gaussian synaptic noise on the information transmission properties of single neurons. Synaptic noise subsumes the massive input that a cell receives from thousands of other neurons. In the framework of stochastic neuron models, this input is described by a stochastic process with suitably chosen statistics. If the overall arrival rate of presynaptic action potentials is high and constant in time and if each individual incoming spike has only a small effect on the dynamics of the cell, the massive synaptic input can be modeled as a Gaussian process. For mathematical tractability, one often assumes that furthermore, the input is devoid of temporal structure, i.e. that it is well described by a Gaussian white noise. This is the so-called diffusion approximation (DA). The present thesis explores neuronal signal transmission when the conditions that underlie the DA are no longer met, i.e. when one must describe the synaptic background activity by a stochastic process that is not white, not Gaussian, or neither. We explore three distinct scenarios by means of simulations and analytical calculations: First, we study a cell that receives not one but two signals, additionally filtered by synaptic short-term plasticity (STP), so that the background has to be described by a colored noise. The second scenario deals with synaptic weights that cannot be considered small; here, the effective noise is no longer Gaussian and the shot-noise nature of the input has to be taken into account. Finally, we study the effect of a presynaptic population that does not fire at a rate which is constant in time but instead undergoes transitions between states of high and low activity, so-called up and down states.

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Auswirkungen von externen Störquellen und intrinsischer Variabilität auf die Verarbeitung und Erkennung von akustischen Signalen am Modellsystem der Feldheuschrecke Chorthippus biguttulus zu untersuchen. Damit sowohl die Gesangserkennung am sich verhaltenden Tier als auch die dieser Erkennung zugrunde liegende neuronale Verarbeitung untersucht werden konnte, wurde ein Weibchengesang verwendet, dessen zeitliches Muster durch zufällige Amplitudenmodulationen gestört wurde. Durch die Degradation mit verschiedenen Frequenzbändern konnte überprüft werden, ob bestimmte Modulationsfrequenzen die Signalerkennung stärker beeinflussen als andere. Mit zunehmender Störung der Gesangsstruktur kam es in den Verhaltenstests an Männchen zu einer Abnahme der Erkennungsleistung. Die Stärke der tolerierten Degradation war dabei in der Regel nicht unterschiedlich für die getesteten Degradationsbänder. Die Unterschiede in den neuronalen Antworten, welche entweder durch die artifizielle extrinsische Degradation oder durch interne Fehler in der auditorischen Verarbeitung verursacht wurden, konnten durch eine Spiketrain-Metrik quantifiziert werden. Diese Analyse zeigte, dass die Auswirkung der extrinsischen Signaldegradation von den Rezeptoren über die lokalen Interneurone zu den aufsteigenden Interneuronen abnahm, während es zu einem signifikanten Anstieg der intrinsischen Variabilität kam. Die Stärke der Degradation war dabei erneut nicht unterschiedlich für die getesteten Degradationsbänder. Durch die Bestimmung von neurometrischen Schwellen konnten die Grenzen der Signalerkennung der Männchen mit der Rauschtoleranz der einzelnen auditorischen Neurone verglichen werden. Die kritischen Degradationsstufen, die so ermittelt werden konnten, stimmten teilweise erstaunlich gut überein. Somit sind die Grenzen der Signalerkennung durch die Analyse der Antwortkapazitäten der ersten drei Verarbeitungsstufen relativ gut erklärbar. / The aim of this study was to investigate the effects of extrinsic and intrinsic noise sources on signal recognition and processing within the acoustic communication system of the grasshopper Chorthippus biguttulus. To test both - signal recognition of behaving animals and the underlying auditory processing mechanisms - a female song was used, whose temporal pattern was disturbed by random amplitude modulations. Due to the degradation with various modulation bands, it was possible to test if distinct modulation frequencies have more pronounced effects on signal recognition than others. Behavioural tests on males of Chorthippus biguttulus showed that progressive degradation of the song pattern induced a decrease in recognition performance. The strength of degradation tolerated generally was the same for different modulation bands. The differences between neuronal responses, which were either caused by the artificial extrinsic degradation or internal errors during auditory processing, could be quantified by a spiketrain metric. This analysis showed that the effect of extrinsic signal degradation was much more severe for receptors and local interneurons than for ascending interneurons, whereas there was a significant increase of intrinsic variability with higher levels of processing. The strength of the degradation was again not different for different modulation bands. Signal recognition could be compared with the noise tolerance of individual auditory neurons by determining neurometric thresholds. The average critical degradation levels, to some extend, matched the critical degradation level for behaviour. Thus, by means of analysing the response capacities of neurons from the first three levels of auditory processing, the limits of signal detection are relatively well explained.