Das maximale Laktat-Steady-State (MLSS) ist die Belastungsintensität bei der sich gerade noch ein Fließgleichgewicht von Laktatbildung und -elimination einstellt. Dazu gibt es in der Literatur zahlreiche Messverfahren, denen eine Bestimmung der Laktatkonzentration im Blut zugrunde liegt. Den meisten dieser Verfahren fehlt allerdings eine biologisch-theoretische Grundlage. Aus diesem Grund haben Mader und Heck bereits Mitte der 80er Jahre ein mathematisches Modell erarbeitet, welches das Zustandekommen des MLSS unter steady-state Bedingungen auf theoretischer Basis erklärt. Dieses steady-state Modell beruht primär auf der Kenntnis der maximalen Sauerstoffaufnahme sowie der maximalen Laktatbildungsrate als Parameter der maximalen Leistungsfähigkeit der Atmung und der Glykolyse. Mit diesem theoretischen Modell zur Beschreibung der Funktion des Energiestoffwechsels unter Belastung können Trainingseffekte erklärt und Unterschiede zwischen Sportlern verstanden werden. Trotzdem wurden die durch Mader und Mitarbeiter angestellten theoretischen Überlegungen zum Verhalten des Energiestoffwechsels bisher nur zum Teil in der Praxis validiert und fanden bislang keinen breiten Eingang in sportmedizinischen Untersuchungen. Die vorliegende kumulativ angefertigte Arbeit umfasst daher vier Veröffentlichungen: Den Vergleich verschiedener Laktat-Schwellenkonzepte mit dem experimentell bestimmten MLSS, den Vergleich des theoretischen Modells des Energiestoffwechsels mit dem experimentell bestimmten MLSS, die Bestimmung der Reliabilität des theoretischen Modells des Energiestoffwechsels und die Untersuchung des Effektes einer Sprint- und Ausdauerbelastung auf die maximale Laktatbildungsrate, die maximale Sauerstoffaufnahme sowie das berechnete MLSS.

Unter Spikelets versteht man kleine Depolarisationen mit einer Spike-ähnlichen Wellenform, die man in intrazellulären Ableitungen von verschiedenen Neuronentypen messen kann. In kortikalen Pyramidenzellen wurde ausgeprägte Spikelet-Aktivität nachgewiesen, die erheblich das Membranpotential beeinflussen kann (Crochet et al., 2004; Epsztein et al., 2010; Chorev and Brecht, 2012). Nichtsdestotrotz bleibt der Ursprung von Spikelets in diesen Neuronen unbekannt. In der vorgelegten Arbeit nutzte ich theoretische Modellierung um die Mechanismen von Spikelet-Erzeugung in Pyramidenzellen zu untersuchen. Zuerst sah ich die verschiedenen Hypothesen über den Ursprung von Spikelets durch. In der Literatur entdeckte ich zwei verschiedene Typen von Spikelets. Diese Arbeit konzentriert sich auf den häufiger vorkommenden Typ von Spikelets, welcher durch relativ große Amplituden gekennzeichnet ist. Die Eigenschaften dieser Spikelets passen am besten zu einem axonal Erzeugungsmechanismus. Im zweiten Kapitel widmete ich mich der Hypothese, dass somatische Spikelets axonalen Ursprungs mit somato-dendritischen Inputs hervorgerufen werden können. Ich identifizierte Bedingungen, die es erlauben ein Aktionspotential (AP) am Initialsegment vom Axon (AIS) zu initiieren, welches sich entlang des Axons ausbreitet, aber kein AP im Soma auslöst. Schließlich simulierte ich extrazelluläre Wellenformen von APs und Spikelets und verglich sie mit experimentellen Daten (Chorev and Brecht, 2012). Dieser Vergleich zeigte auf, dass die extrazellulären Wellenformen von Spikelets, die innerhalb einer Zellen am AIS erzeugt werden, gut zu den Daten passen. Zusammenfassend unterstützen meine Ergebnisse die Hypothese, dass Spikelets in Pyramidenzellen am AIS entstehen. Dieser Mechanismus könnte ein Mittel zum Energiesparen bei der Erzeugung von Output-APs sein. Außerdem könnte dadurch die dendritische Plastizität, die auf der Rückwärtspropagierung von APs beruht, reguliert werden. / Spikelets are transient spike-like depolarizations of small amplitudes that can be measured in somatic intracellular recordings of many neuron types. Pronounced spikelet activity has been demonstrated in cortical pyramidal neurons in vivo (Crochet et al., 2004; Epsztein et al., 2010; Chorev and Brecht, 2012), influencing membrane voltage dynamics including action potential initiation. Nevertheless, the origin of spikelets in these neurons remains elusive. In thi thesis, I used computational modeling to examine the mechanisms of spikelet generation in pyramidal neurons. First, I reviewed the hypotheses previously suggested to explain spikelet origin. I discovered two qualitatively different spikelet types described in the experimental literature. This thesis focuses on the more commonly reported spikelet type, characterized by relatively large amplitudes of up to 20 mV. I found that the properties of these spikelets fit best to an axonal generation mechanism. Second, I explored the hypothesis that somatic spikelets of axonal origin can be evoked with somato-dendritic inputs. I identified the conditions allowing these orthodromic inputs to trigger an action potential at the axon initial segment, which propagates along the axon to the postsynaptic targets, but fails to elicit an action potential in the soma and the dendrites. Third, I simulated extracellular waveforms of action potentials and spikelets and compared them to experimental data (Chorev and Brecht, 2012). This comparison demonstrated that the extracellular waveforms of single-cell spikelets of axonal origin are consistent with the data. Together, my results suggest that spikelets in pyramidal neurons might originate at the axon initial segment within a single cell. Such a mechanism might be a way of reducing the energetic costs associated with the generation of output action potentials. Moreover, it might allow to control the dendritic plasticity by backpropagating action potentials.

Tinnitus, die Wahrnehmung eines Phantomgeräuschs, geht in den meisten Fällen mit Hörverlust einher. Es ist jedoch unbekannt, wie Hörverlust zu Tinnitus führen könnte. In Tierversuchen wurde gezeigt, dass Verhaltensanzeichen für Tinnitus nach Hörverlust mit erhöhten spontanen Feuerraten von Neuronen im zentralen auditorischen System korreliert sind. Zunächst untersuchen wir ob sich bei lärmbedingtem Hörverlust die Audiogramme von Patienten mit und ohne Tinnitus unterscheiden. Im Vergleich zu Patienten ohne Tinnitus haben Tinnituspatienten im Mittel weniger Hörverlust, einen steileren Abfall des Audiogramms, und die Audiogrammkante befindet sich bei höheren Frequenzen. Mit einem theoretischen Modell zeigen wir, wie tinnitusartige Hyperaktivität durch eine Stabilisierung der mittleren Feuerrate von Neuronen im zentralen Hörsystem mittels homöostatischer Plastizität entstehen kann: verringerte Aktivität von Hörnervfasern nach Hörverlust wird kompensiert durch eine Erhöhung der neuronalen Verstärkung. Dies stabilisiert die mittlere Rate, kann jedoch zu einer Erhöhung der spontanen Feuerraten führen, die dann von Art und Stärke der cochlearen Schädigung abhängen. Wir testen das Modell, indem wir es auf die Audiogramme von Patienten mit tonalem Tinnitus und Lärmschwerhörigkeit anwenden. Für jedes Audiogramm sagen wir mit dem Modell Veränderungen in der Spontanaktivität von auditorischen Neuronen vorher. Das resultierende Hyperaktivitätsmuster hat typischerweise eine deutliche Spitze, die mit einem steilen Abfall des Audiogramms einhergeht. Wenn solch eine Spitze als Grundlage für einen tonalen Tinnitus interpretiert wird, dann sagt das Modell Tinnitusfrequenzen nahe den empfundenen Tinnitustonhöhen vorher. Unser Modell stellt also eine plausible Hypothese, wie Hörverlust zu Tinnitus führen könnte, dar. Basierend auf dem Modell zeigen wir außerdem wie Hyperaktivität und somit eventuell auch Tinnitus, durch zusätzliche akustische Stimulation reduziert werden könnte. / Tinnitus is a phantom auditory sensation that is associated with hearing loss, but how hearing loss can lead to tinnitus has remained unclear. In animals, hearing loss through cochlear damage can lead to behavioral signs of tinnitus and can increase the spontaneous firing rates of central auditory neurons. To study the relation between hearing loss and tinnitus, we first analyze audiometric differences between patients with hearing loss and tinnitus and patients with hearing loss but without tinnitus. We find that tinnitus patients have on average less hearing loss, a steeper slope of the audiogram, and the audiogram edge is located at higher frequencies compared to patients without tinnitus. We then derive a computational model that demonstrates how tinnitus-related hyperactivity could arise as a consequence of a stabilization of the mean firing rates of central auditory neurons through homeostatic plasticity: decreased auditory nerve activity after hearing loss is counteracted through an increase of the neuronal response gain. This restores the mean rate, but can also lead to increased spontaneous firing rates, which depend on the type and degree of cochlear damage. Finally, we test the ability of our model to predict tinnitus pitch by applying it to audiograms from patients with noise-induced hearing loss and tone-like tinnitus. Given an audiogram, the model is used to predict changes in the spontaneous firing rates of central auditory neurons. The resulting hyperactivity pattern typically exhibits a distinct peak that is associated with a steep drop in the audiogram. If such a peak is interpreted as the basis for a tone-like tinnitus sensation, the model predicts a tinnitus frequency that is close to the patient''s tinnitus pitch. Thus, our model presents a plausible hypothesis of how hearing loss could lead to tinnitus. Based on this model, we also show how hyperactivity, and possibly also tinnitus, could be alleviated through additional acoustic stimulation.

Die Qualität der Schnittstelle eines Videospiels kann wesentlich zu dessen kommerziellen Erfolg beitragen. Dennoch beschränkt sich die entsprechende Evaluation primär auf die Auswertung qualitativer Daten, die etwa in Nutzertests erhoben werden. Inferenzstatistische Verfahren kommen bisher mangels theoretischer Grundlagen kaum zum Einsatz. Die vorliegende Arbeit stellt daher ein theoretisches Framework zur quantitativen Analyse verschiedener Dimensionen der Schnittstellengestaltung in Videospielen zur Verfügung. Dabei wird ausgehend von spielwissenschaftlichen Überlegungen und einer Erweiterung von Huizingas Konzept des „magic circle“ ein Bogen von perzeptiven, psychologischen und soziologischen bis hin zu kulturellen Aspekten gespannt. Methodisch handhabbar wird dieses Konstrukt durch eine Ausrichtung am Genre-Begriff, der für den Bereich der Videospiele diskutiert wird. So entsteht ein ganzheitliches Modell, das den Grundstein zu einem zielgruppenspezifischen und quantitativen Messinstrument für Interfaces in Videospielen legt. / The quality of a videogame’s interface is a decisive factor to its commercial success. However, the current evaluation methods focus primarily on qualitative research data like those generated in usability tests. Methods of inferential statistics are not common yet because of a lack of theoretical fundamentals. To address this issue, this paper provides a theoretical framework for quantitative analysis on different dimensions of interface design in videogames. Aspects of perception, psychology, sociology as well as culture are dealt with in this context and the associated scientific concepts are conflated by a theoretical extension of Huizinga’s “magic circle”. The technical term “genre” in regard to videogames is also discussed in this paper and it proves to be a basis for connecting the various concepts methodically. As a result, this paper presents a holistic model, which can be applied in future audience-specific and quantitative measuring instruments for interfaces in videogames.

Die Qualität der Schnittstelle eines Videospiels kann wesentlich zu dessen kommerziellen Erfolg beitragen. Dennoch beschränkt sich die entsprechende Evaluation primär auf die Auswertung qualitativer Daten, die etwa in Nutzertests erhoben werden. Inferenzstatistische Verfahren kommen bisher mangels theoretischer Grundlagen kaum zum Einsatz. Die vorliegende Arbeit stellt daher ein theoretisches Framework zur quantitativen Analyse verschiedener Dimensionen der Schnittstellengestaltung in Videospielen zur Verfügung. Dabei wird ausgehend von spielwissenschaftlichen Überlegungen und einer Erweiterung von Huizingas Konzept des „magic circle“ ein Bogen von perzeptiven, psychologischen und soziologischen bis hin zu kulturellen Aspekten gespannt. Methodisch handhabbar wird dieses Konstrukt durch eine Ausrichtung am Genre-Begriff, der für den Bereich der Videospiele diskutiert wird. So entsteht ein ganzheitliches Modell, das den Grundstein zu einem zielgruppenspezifischen und quantitativen Messinstrument für Interfaces in Videospielen legt. / The quality of a videogame’s interface is a decisive factor to its commercial success. However, the current evaluation methods focus primarily on qualitative research data like those generated in usability tests. Methods of inferential statistics are not common yet because of a lack of theoretical fundamentals. To address this issue, this paper provides a theoretical framework for quantitative analysis on different dimensions of interface design in videogames. Aspects of perception, psychology, sociology as well as culture are dealt with in this context and the associated scientific concepts are conflated by a theoretical extension of Huizinga’s “magic circle”. The technical term “genre” in regard to videogames is also discussed in this paper and it proves to be a basis for connecting the various concepts methodically. As a result, this paper presents a holistic model, which can be applied in future audience-specific and quantitative measuring instruments for interfaces in videogames.

Injection molding is one of the most commonly applied processing methods for plastic components. Heat transfer coefficient (HTC), which describes the heat conducting ability of the interface between a polymer and cavity wall, significantly influences the temperature distribution of a polymer and mold during injection molding and thus affects the process and quality of plastic products. This thesis focuses on HTC under diverse processing situations. On the basis of the heat conducting principle, a theoretical model for calculating HTC was presented. Injection mold specially used for measuring and calculating HTC was designed and fabricated. Experimental injection studies under different processing conditions, especially different surface roughness, were performed for acquiring necessary temperature data. The heat quantity across the interface and HTC between a polymer and cavity wall was calculated on the basis of experimental results. The influence of surface roughness on HTC during injection molding was investigated for the first time. The factors influencing the HTC were analyzed on the basis of the factor weight during injection molding. Subsequently FEM (Finite element method) simulations were carried out with observed and preset value of HTC respectively and the relative crystallinity and part density were obtained. In the comparison between results from simulation and experiment, the result calculated with observed HTC shows better agreement with actually measured value, which can verify the reliability and precision of the injection molding simulation with observed HTC. The results of this thesis is beneficial for understanding the heat transfer process comprehensively, predicting temperature distribution, arranging cooling system, reducing cycle time and improving precision of numerical simulation. / Das Spritzgießen ist eines der am häufigsten angewandten Verarbeitungsverfahren zur Herstellung von Kunststoffkomponenten. Der Wärmedurchgangskoeffizient (WDK), welcher den Wärmeübergang zwischen Kunststoff und Werkzeugwand beschreibt, beeinflusst während des Spritzgießens maßgeblich die Temperaturverteilung im Bauteil und dem Werkzeug und folglich den Prozess und die Qualität der Kunststoffprodukte. Der Inhalt dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem WDK unter verschiedenen Prozessbedingungen. Auf Grundlage des Wärmeleitungsprinzips wurde ein theoretisches Modell für die Berechnung des WDK vorgestellt. Es wurde dazu ein Spritzgießwerkzeug konstruiert und hergestellt, welches Messungen zur späteren Berechnung des WDK ermöglicht. Praktische Spritzgießversuche unter verschiedenen Prozessbedingungen, insbesondere unterschiedlicher Oberflächenrauheit, wurden für die Erfassung der erforderlichen Temperaturdaten durchgeführt. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse wurde der Wärmeübergang zwischen dem Polymer und der Werkzeugwand berechnet. Der Einfluss der Oberflächenrauhigkeit auf den WDK wurde hierbei zum ersten Mal untersucht. Auf Grundlage des Bauteilgewichtes wurden anschließend die Faktoren, die den WDK beeinflussen, berechnet. Des Weiteren wurden FEM-Simulationen (Finite Element Methode) mit dem gemessenen und dem voreingestellten WDK durchgeführt und daraus der Kristallinitätsgrad und die Bauteildichte gewonnen. Der Vergleich zwischen den realen Ergebnissen und der Simulation zeigt, dass die Berechnungen mit dem gemessenen WDK eine bessere Übereinstimmung mit den realen Werten aufweist, was die Zuverlässigkeit und Präzision der Spritzgusssimulation bestätigt. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum umfassenden Verständnis des Wärmeübergangs im Spritzgießprozess, zur Vorhersage der Temperaturverteilung, zur Auslegung des Kühlsystems, zur Reduzierung der Zykluszeit und zur Verbesserung der Genauigkeit der numerischen Simulation bei.

Injection molding is one of the most commonly applied processing methods for plastic components. Heat transfer coefficient (HTC), which describes the heat conducting ability of the interface between a polymer and cavity wall, significantly influences the temperature distribution of a polymer and mold during injection molding and thus affects the process and quality of plastic products. This thesis focuses on HTC under diverse processing situations. On the basis of the heat conducting principle, a theoretical model for calculating HTC was presented. Injection mold specially used for measuring and calculating HTC was designed and fabricated. Experimental injection studies under different processing conditions, especially different surface roughness, were performed for acquiring necessary temperature data. The heat quantity across the interface and HTC between a polymer and cavity wall was calculated on the basis of experimental results. The influence of surface roughness on HTC during injection molding was investigated for the first time. The factors influencing the HTC were analyzed on the basis of the factor weight during injection molding. Subsequently FEM (Finite element method) simulations were carried out with observed and preset value of HTC respectively and the relative crystallinity and part density were obtained. In the comparison between results from simulation and experiment, the result calculated with observed HTC shows better agreement with actually measured value, which can verify the reliability and precision of the injection molding simulation with observed HTC. The results of this thesis is beneficial for understanding the heat transfer process comprehensively, predicting temperature distribution, arranging cooling system, reducing cycle time and improving precision of numerical simulation. / Das Spritzgießen ist eines der am häufigsten angewandten Verarbeitungsverfahren zur Herstellung von Kunststoffkomponenten. Der Wärmedurchgangskoeffizient (WDK), welcher den Wärmeübergang zwischen Kunststoff und Werkzeugwand beschreibt, beeinflusst während des Spritzgießens maßgeblich die Temperaturverteilung im Bauteil und dem Werkzeug und folglich den Prozess und die Qualität der Kunststoffprodukte. Der Inhalt dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem WDK unter verschiedenen Prozessbedingungen. Auf Grundlage des Wärmeleitungsprinzips wurde ein theoretisches Modell für die Berechnung des WDK vorgestellt. Es wurde dazu ein Spritzgießwerkzeug konstruiert und hergestellt, welches Messungen zur späteren Berechnung des WDK ermöglicht. Praktische Spritzgießversuche unter verschiedenen Prozessbedingungen, insbesondere unterschiedlicher Oberflächenrauheit, wurden für die Erfassung der erforderlichen Temperaturdaten durchgeführt. Auf Grundlage der experimentellen Ergebnisse wurde der Wärmeübergang zwischen dem Polymer und der Werkzeugwand berechnet. Der Einfluss der Oberflächenrauhigkeit auf den WDK wurde hierbei zum ersten Mal untersucht. Auf Grundlage des Bauteilgewichtes wurden anschließend die Faktoren, die den WDK beeinflussen, berechnet. Des Weiteren wurden FEM-Simulationen (Finite Element Methode) mit dem gemessenen und dem voreingestellten WDK durchgeführt und daraus der Kristallinitätsgrad und die Bauteildichte gewonnen. Der Vergleich zwischen den realen Ergebnissen und der Simulation zeigt, dass die Berechnungen mit dem gemessenen WDK eine bessere Übereinstimmung mit den realen Werten aufweist, was die Zuverlässigkeit und Präzision der Spritzgusssimulation bestätigt. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum umfassenden Verständnis des Wärmeübergangs im Spritzgießprozess, zur Vorhersage der Temperaturverteilung, zur Auslegung des Kühlsystems, zur Reduzierung der Zykluszeit und zur Verbesserung der Genauigkeit der numerischen Simulation bei.