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Die große Menge an Datensätzen, die in den letzten Jahren verfügbar wurden, hat es ermöglicht, sowohl menschlich-getriebene als auch biologische komplexe Systeme in einem beispiellosen Ausmaß empirisch zu untersuchen. Parallel dazu ist die Vorhersage und Kontrolle epidemischer Ausbrüche für Fragen der öffentlichen Gesundheit sehr wichtig geworden. In dieser Arbeit untersuchen wir einige wichtige Aspekte von Diffusionsphänomenen und Ausbreitungsprozeßen auf Netzwerken. Wir untersuchen drei verschiedene Probleme im Zusammenhang mit Ausbreitungsprozeßen im überkritischen Regime. Zunächst untersuchen wir die Reaktionsdiffusion auf Ensembles zufälliger Netzwerke, die durch die beobachteten Levy-Flugeigenschaften der menschlichen Mobilität charakterisiert sind. Das zweite Problem ist die Schätzung der Ankunftszeiten globaler Pandemien. Zu diesem Zweck leiten wir geeignete verborgene Geometrien netzgetriebener Streuprozeße, unter Nutzung der Random-Walk-Theorie, her und identifizieren diese. Durch die Definition von effective distances wird das Problem komplexer raumzeitlicher Muster auf einfache, homogene Wellenausbreitungsmuster reduziert. Drittens führen wir durch die Einbettung von Knoten in den verborgenen Raum, der durch effective distances im Netzwerk definiert ist, eine neuartige Netzwerkzentralität ein, die ViralRank genannt wird und quantifiziert, wie nahe ein Knoten, im Durchschnitt, den anderen Knoten im Netzwerk ist. Diese drei Studien bilden einen einheitlichen Rahmen zur Charakterisierung von Diffusions- und Ausbreitungsprozeßen, die sich auf komplexen Netzwerken allgemein abzeichnen, und bieten neue Ansätze für herausfordernde theoretische Probleme, die für die Bewertung künftiger Modelle verwendet werden können. / The large amount of datasets that became available in recent years has made it possible to empirically study humanly-driven, as well as biological complex systems to an unprecedented extent. In parallel, the prediction and control of epidemic outbreaks have become very important for public health issues. In this thesis, we investigate some important aspects of diffusion phenomena and spreading processes unfolding on networks. We study three different problems related to spreading processes in the supercritical regime. First, we study reaction-diffusion on ensembles of random networks characterized by the observed Levy-flight properties of human mobility. The second problem is the estimation of the arrival times of global pandemics. To this end, we derive and identify suitable hidden geometries of network-driven spreading processes, leveraging on random-walk theory. Through the definition of network effective distances, the problem of complex spatiotemporal patterns is reduced to simple, homogeneous wave propagation patterns. Third, by embedding nodes in the hidden space defined by network effective distances, we introduce a novel network centrality, called ViralRank, which quantifies how close a node is, on average, to the other nodes. These three studies constitute a unified framework to characterize diffusion and spreading processes unfolding on complex networks in very general settings, and provide new approaches to challenging theoretical problems that can be used to benchmark future models.

Neben ihrer Bedeutung in industriellen Anwendungen dienen Kolloide als Modellsysteme in Experimenten und in der Theorie, um die Struktur und Dynamik von kondensierter Materie zu untersuchen. Kürzlich wurde experimentell gezeigt, dass eine kleine Anisotropie ausreicht, um die viskoelastische Antwort im Vergleich zu harten Kugeln drastisch zu ändern. Die mikroskopischen Ursachen hierfür sind bisher nicht verstanden. In dieser Arbeit werden daher Nichtgleichgewichts-Brownsche-Dynamik-Simulationen (NEBD) von harten kolloidalen Dumbbells in oszillatorischen Scherfeldern entwickelt und eingesetzt, um diese Resultate mit Verbindung zu Rheologie- und Neutronenstreuexperimenten zu erklären. Weiterhin wird die Bedeutung der Anisotropie für Struktur und Dynamik von solchen Suspensionen im Gleichgewicht mit Hilfe von "Linear-Response"-Theorie und Brownsche-Dynamik-Simulationen analysiert. Im linearen Limit zeigt die Scherviskosität bei hohen Packungsdichten einen dramatischen Anstieg jenseits eines kritischen Anisotropieparameters. Dies weist darauf hin, dass schon bei den kleinen Anisotropien kollektive Rotations-Translations-Kopplungen für langsame Zeitskalen verantwortlich sind. Weiterhin wird ein Nichtgleichgewichtsübergang mittels NEBD-Simulationen von Suspensionen harter Dumbbells im PC unter oszillatorischer Scherung ersichtlich. Es wird gezeigt, dass der kontinuierliche Übergang nur für sehr kleine Aspektverhältnisse erhalten bleibt. Oberhalb eines bestimmten Aspektverhältnisses wird der Übergang durch einen ungeordneten Zustand vermittelt. Außerdem wird ein Sliding-Layer Zustand mit kollektiver Ordnung der Teilchenausrichtung bei hohen Scheramplituden beobachtet. Somit zeigt diese Arbeit, dass die NEBD-Simulationen Phänomene in Rheologie- und Streuexperimenten erklären. Angesichts dieser Experimente wird gezeigt, dass der Orientierungsfreiheitsgrad einen starken Einfluss auf den strukturellen Übergang bei steigenden Amplituden hat. / Besides being important for industrial applications, colloidal suspensions have long served as model systems for investigating the structure and dynamics of condensed matter. Recently, it has been demonstrated experimentally that apparently a small particle anisotropy is sufficient to dramatically change the viscoelastic response under external shearing fields, of which the microscopic mechanisms are not yet sufficiently understood. In the present work, NEBD simulations of colloidal hard dumbbells in oscillatory shear fields are developed and employed to elucidate the novel findings in close connection with comprehensive rheology and SANS experiments. Furthermore, by utilising BD simulations and linear response theory, the impact of anisotropy on structure and dynamics of such suspensions in equilibrium is analysed. In the linear response limit, the shear viscosity exhibits a dramatic increase at high packing fractions beyond a critical anisotropy of the particles. This indicates that newly occurring, collective rotational-translational couplings must be made responsible for slow time scales appearing in the PC. Moreover, a non-equilibrium transition emerging at moderate aspect ratios is revealed by NEBD of plastic crystalline suspensions under oscillatory shear. This transition behaviour is systematically studied. It is demonstrated that the continuous nature of the transition is retained for very low aspect ratios only. Above a certain aspect ratio, the transition is mediated by an intermediate disordered state. Furthermore, a partially oriented sliding layer state featuring a finite collective order in the particles'' orientations is observed at high strains. Hence, this thesis demonstrates that the NEBD simulations explain novel phenomena in rheology and scattering experiments. In the light of these experiments, it is shown that the orientational degree of freedom has a vigorous impact on the structural transition under increasing oscillatory shear.

Für die erfolgreiche Lösung eines Optimierungsproblems ist die Wahl der verwendeten Suchstrategie von entscheidender Bedeutung. Die vorliegende Arbeit untersucht die Kriterien dieser Wahl. Dabei stellen sich drei grundlegende Fragen: Welche Strategien der Optimierung eines gegebenen Problems existieren überhaupt, und was für Eigenschaften besitzen sie? Wodurch wird der Charakter eines Optimierungsproblems bestimmt, und gibt es Klassen ähnlicher Probleme? Besteht eine Verbindung zwischen den Eigenschaften der Strategien und den Klassen der Probleme, die es ermöglicht, für jede Problemklasse eine geeignete Optimierungsstrategie anzugeben? Dazu wird zuerst die Klasse der Evolutionären Algorithmen naher betrachtet, deren generelles Verhalten die Boltzmannstrategie, Darwinstrategie oder Boltzmann-Darwin-Strategie beschreiben. Als weiteres Beispiel wird die Multitome Strategie untersucht. In ihr wird das Problem unter verschiedenen Gesichtspunkten betrachtet und in Einzelanforderungen zerlegt, die abwechselnd optimiert werden. Für den speziellen Fall der Dichotomen Strategie wird die allgemeine zeitabhängige Lösung mit Hilfe der Methode der Charakteristiken bestimmt. Zur Beantwortung der zweiten Frage wird die Zustandsdichte als klassifizierende Größe des Optimierungsproblems eingeführt. Sie kann unter Verwendung der Boltzmannstrategie während des Optimierungslaufes durch zwei allgemeine Approximationsmethoden: die Methode der stationären Verteilungen und die Eigenvektormethode bestimmt werden. Aus der Zustandsdichte erhält man den Wirkungsgrad der Zufallssuche. Er charakterisiert den Ordnungsgrad des Problems und stellt damit ein wichtiges Maß der Problemschwierigkeit dar. Die entscheidende dritte Frage wird für Probleme der Optimierung frustrierter Sequenzen, der Netzwerkoptimierung und für das Faltungsproblem der RNA behandelt. Mit der Einführung der Klassen gerichteter und ungerichteter Strategien, die für Optimierungsprobleme mit niedrigem bzw. hohem Wirkungsgrad der Zufallssuche effektiv sind, kann eine Verbindung zwischen dem Strategieverhalten und dem Problemcharakter hergestellt werden, die es ermöglicht, für eine konkrete Optimierungsaufgabe die Klasse der geeigneten Strategien zu wählen. / A crucial point of successful solving an optimization problem is the choice of the used strategy. The present paper investigates the criteria of this choice. Thereby three fundamental questions put themselves: Which strategies of the optimization of a given problem exist altogether, and which properties characterize the strategies? How is the character of an optimization problem determined, and are there classes of similar problems? Does a combination exist between the characteristics of the strategies and the classes of problems, which makes it possible to indicate a suitable strategy for each class? The class of the Evolutionary Algorithms is considered more closely. The general behavior of the algorithms can be described by the Boltzmann strategy, Darwin strategy or Boltzmann-Darwin strategy. As a further example the Multitomic strategy is explored. In this approach the problem is considered under different points of view and decomposes in single demands, which are optimized alternately. For the special case of the Dichotomic strategy the general time dependent solution is determined. To answer the second question the density of states is introduced as classifying measure of optimization problems. The density can be determined during the optimization course by two general approaches: the method of the stationary distribution and the eigenvalue method. From the density of states one receives the efficiency of the random search. It describes the degree of order of the problem and presents an measure of the problem difficulty. The important third question is treated for problems of the optimization of frustrated sequences, the network optimization and RNA folding. The introduction of the classes of directed and non directed strategies, which are effective for problems with low and high efficiency of the random search, establishes a connection between the strategy and the character of the problem, which makes it possible to choose the class of the suitable strategies for a given optimization task.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer Reihe von Fragestellungen, die Forschungsfeldern wie rauschinduziertem Verhalten, Strukturbildung in aktiven Medien und Synchronisation nichlinearer Oszillatoren erwachsen. Die verwendeten nichtlinearen Modelle verfügen über erregbare, oszillatorische und bistabile Eigenschaften. Zusätzliche stochastische Fluktuationen tragen wesentlich zur Entstehung komplexer Dynamik bei. Modelliert wird, auf welche Weise sich extrazelluläre Kaliumkonzentration, gespeist von umliegenden Neuronen, auf die Aktivität dieser Neuronen auswirkt. Neben lokaler Dynamik wird die Ausbildung ausgedehnter Strukturen in einem heterogenem Medium analysiert. Die raum-zeitlichen Muster umfassen sowohl Wellenfronten und Spiralen als auch ungewöhnliche Strukturen, wie wandernde Cluster oder invertierte Wellen. Eine wesentliche Rolle bei der Ausprägung solcher Strukturen spielen die Randbedingungen des Systems. Sowohl für diskret gekoppelte bistabile Elemente als auch für kontinuierliche Fronten werden Methoden zur Berechnung von Frontgeschwindigkeiten bei fixierten Rändern vorgestellt. Typische Bifurkationen werden quantifiziert und diskutiert. Der Rückkopplungsmechanismus aus dem Modell neuronaler Einheiten und deren passiver Umgebung kann weiter abstrahiert werden. Ein Zweizustandsmodell wird über zwei Wartezeitverteilungen definiert, welche erregbares Verhalten widerspiegeln. Untersucht wird die instantane und die zeitverzögerte Antwort des Ensembles auf die Rückkopplung. Im Fall von Zeitverzögerung tritt eine Hopf-Bifurkation auf, die zu Oszillationen der mittleren Gesamtaktivität führt. Das letzte Kapitel befasst sich mit Diffusion und Transport von Brownschen Teilchen in einem raum-zeiltich periodischen Potential. Wieder sind es Synchronisationsmechanismen, die nahezu streuungsfreien Transport ermöglichen können. Für eine erhöhte effektiven Diffusion gelangen wir zu einer Abschätzung der maximierenden Parameter. / In this work problems are investigated that arises from resarch fields of noise induced dynamics, pattern formation in active media and synchronisation of self-sustained oscillators. The applied model systems exhibit excitable, oscillatory and bistable behavior as basic modes of nonlinear dynamics. Addition of stochastic fluctuations contribute to the appearance of complex behavior. The extracellular potassium concentration fed by surrounding activated neurons and the feeback to these neurons is modelled. Beside considering the local behavior, nucleation of spatially extended structures is studied. We find typical fronts and spirales as well as unusal patterns such as moving clusters and inverted waves. The boundary conditions of the considered system play an essential role in the formation process of such structures. We present methods to find expressions of the front velocity for discretely coupled bistable units as well as for the countinus front interacting with boundary values. Canonical bifurcation scenarios can be quantified. The feedback mechanism from the model for neuronal units can be generalized further. A two-state model is defined by two waiting time distributions representing excitable dynamics. We analyse the instantaneous and delayed response of the ensemble. In the case of delayed feedback a Hopf-bifurcation occur which lead to oscillations of the mean activity. In the last chapter the transport and diffusion of Brownian particles in a spatio-temporal oscillating potential is discussed. As a cause of nearly dispersionless transport synchronisations mechanisms can be identified. We find an estimation for parameter values which maximizes the effective diiffusion.

Das Studium des derzeitigen Klimawandels ist von hoher Relevanz da viele Menschen dessen direkten Folgen ausgesetzt sind. Das Verständnis der Vergangenheit ist der Schlüssel zu Fragen zum Klima als auch zur Vegetation, dem Leben, der Evolution und der Natur allgemein. Diese Dissertation beschäftigt sich damit Übergange zwischen dynamischen Regimen in nichtlinearen Systemen zu detektieren. Den Anfang macht eine kurze Einführung in die Methodik mit der Einführung der Rekurrenzplots (RP) als wichtigem Werkzeug für die folgende Analyse. Die genaue Gestalt eines RP hängt dabei von einem freien Parameter ab, dem Distanzschwellwert. Hier schlage ich eine neue Variante vor, den gewichteten Rekurrenzplot (wRP), welcher ohne Abhängigkeit von diesem Parameter auskommt. Darüberhinaus schlage ich eine neue Möglichkeit vor den Schwellwert für Rekurrenznetzwerke (RN) für eine gegebene Zeitreihe auszuwählen. Einen optimalen Schwellwert auszuwählen ist ausschlaggebend für das Ergebnis der Zeitreihenanalyse. In den folgenden theoretischen Ausführungen beschreibe ich daher eine neuartige Vorbehandlung von heterogenen (insbesondere irregulär gesampelten) Zeitreihen. Diese treten oft in Proxyda- ten, etwa Speläothemen, auf und lassen sich nicht direkt mit RP analysieren. Die vorgestellten Ansätze bieten geeignete Methoden um dynamische Übergänge zu untersuchen. Sie können unterschiedlichste Anwendungen in einer Vielzahl von Zeitreihenanalysen finden. Beispielsweise wird generell die Untersuchung irregulär gesampelter Datensätze ermöglicht. Letztlich, da die Zusammenwirkung der Proxydaten aus Nordwestaustralien und Südchina besser verstanden ist, stellt sich die Aufgabe solche Analysen mit Hilfe der hier vorgestellten Methoden auf Paläoklimadaten der gesamten Erde auszuweiten, um ein umfassendes Netzwerk der paarweisen Wechselbeziehungen zu erstellen, das für ein besseres Verständnis des Erdsystems hilfreich sein kann. / The study of climate change is a very important field of science, since life is directly affected by these changes. Investigating the past climate changes leads to the forecasts of future possibilities. Therefore, enlightening the past is a keystone to answer questions about climate as well as vegetation, life, evolution, and nature. This Thesis focuses on detecting dynamical regime transitions in nonlinear dynamical systems as well as in climate proxies where they mark previous critical climate changes. The thesis begins with a brief methodological background and brings the recurrence plot (RP) to forefront as the main tool for the further analyses. The thesis consists of three main studies: (i) The formation of RPs naturally depends on a free parameter in the analysis given by the distance threshold. I propose an alternative definition by using a weighted variant of the RP, called weighted recurrence plot, which removes dependence on this free parameter. (ii) Furthermore, I suggest a novel way to select the threshold for a recurrence network for a specific time series. Selecting the optimization parameters for a specific time series is very important for the performance of the analysis. (iii) Next, I introduce a new preprocessing technique to deal with the heterogeneousness of time series, since the RP is not directly applicable on such data sets and the proxies from speleothems, in general, are irregularly sampled. Among these presented approaches are suitable methods to investigate the dynamical transition and they can be used for different purposes in a large variety of time series analyses. These techniques can be used in several different disciplines which have heterogeneousness in their sources. After the relationship between the two proxies from Australia and China has been uncovered, in the future, it should be achievable to extend the study to create a large paleoclimate relationship network for the entire Earth by using the methods given in this Thesis.

Die Untersuchung kausaler Zusammenhänge in komplexen dynamischen Systemen spielt in der Wissenschaft eine immer wichtigere Rolle. Ziel dieses aktuellen, interdisziplinären Forschungsbereiches ist ein grundlegendes, tiefes Verständnis der vorherrschenden Prozesse und deren Wechselwirkungen in solchen Systemen. Die Untersuchung von Zeitreihen mithilfe moderner Kopplungsanalysemethoden liefert dabei Möglichkeiten zur Modellierung der betreffenden Systeme und somit bessere Vorhersagemethoden und fortgeschrittene Interpretationsmöglichkeiten der Ergebnisse. In der vorliegenden Arbeit werden zunächst einige existierende Kopplungsmaße mit ihren jeweiligen Anwendungsgebieten vorgestellt. Eine Gemeinsamkeit dieser Maße liegt in der Voraussetzung stationärer Zeitreihen, um die Anwendbarkeit zu gewährleisten. Daher wird im Verlauf der Dissertation eine Möglichkeit zur Erweiterung solcher Maße vorgestellt, die eine Kopplungsanalyse mit einer sehr hohen Zeitauflösung und somit auch die Untersuchung nichtstationärer, transienter Ereignisse ermöglicht. Die Erweiterung basiert auf der Verwendung von Ensembles von Messreihen und der Schätzung der jeweiligen Maße über das Ensemble anstatt über die Zeit. Dies ermöglicht eine Zeitauflösung bei der Analyse in der Größenordnung der Abtastrate des ursprünglichen Signals, die nur von der Art der verwendeten Kopplungsmaße abhängt. Der Ensemble-Ansatz wird auf verschiedene Kopplungsmaße angewandt. Zunächst werden die Methoden ausführlich an verschiedenen theoretischen Modellen und unter verschiedenen Bedingungen getestet. Anschließend erfolgt eine zeitaufgelöste Kopplungsanalyse kardiovaskulärer Zeitreihen, die während transienter Ereignisse aufgenommen wurden. Die Ergebnisse dieser Analyse bestätigen zum einen aktuelle Studienresultate, liefern aber auch neue Erkenntnisse, die es in Zukunft ermöglichen können, Modelle des Herz-Kreislauf-Systems zu erweitern und zu verbessern. / The analysis of causal relationships in complex dynamic systems plays a more and more important role in various scientific fields. The aim of this current, interdisciplinary field of research is a fundamental, deep understanding of predominant processes and their interactions in such systems. The study of time series using modern coupling analysis tools allows the modelling of the respective systems and thus better prediction methods and advanced interpretation possibilities for the results. In this work, initially some existing coupling measures and their fields of application are introduced. One trait these measures have in common is the requirement of stationary time series to ensure their applicability. Therefore, in the course of this thesis a possibility to extend these measures is presented, which allows a coupling analysis with a high temporal resolution and thus also the analysis of transient, nonstationary events. The extension is based on the use of ensembles of time series and the calculation of the respective measures across these ensembles instead of across time. This allows for a temporal resolution of the same order of magnitude as the sampling rate in the original signal. The resolution only depends on the kind of coupling analysis method employed. The ensemble extension is applied to different coupling measures. To begin with, the regarded tools are tested on various theoretical models and under different conditions. This is followed by a coupling analysis of cardiovascular time series recorded during transient events. The results on the one hand confirm topical study outcomes and on the other hand deliver new insights, which will allow to extend and improve cardiovascular system models in the future.

In dieser Dissertation werden wir die Wirkung der Verzögerung Kupplung auf Netzwerke von chaotischen erkunden dynamischer Systeme mit dem Rahmen der Master Stabilität Formalismus. Wir werden untersuchen das Phänomen der Verzögerung-verstärkter und Verzögerungen-induzierte stabile Synchronisation in einer willkürlichen Verzögerung gekoppelt Netzwerk von zeitkontinuierlichen dynamischen Systemen. Wir demonstrieren, dass es immer existieren eine erweiterte Regime des stabilen synchronen Zustand als eine Funktion der Kopplungsstärke geeignete Verbindung Verzögerungen, die nicht ohne Verzögerung in die Kupplung beobachtet werden kann. Wir schlagen eine partielle verzögerung Verbindung als eine Kombination von sowohl den momentanen und der komplett Verzögerung Verbindung mit gewissen Gewichten Bestimmung ihrer Beiträgen. Wir werden zeigen, dass die partielle Verzögerung Verbindung beide Grenzfälle des momentanen und der komplett Verzögerung Kupplung am synchronizabilit von Netzwerken übertrifft. Der Rahmen fuer Master Stabilität Formalismus ist mit einem Netzwerk von intrinsischen Zeitverzögerung Systeme, deren Knoten Dynamik durch Verzögerung Differentialgleichungen beschrieben erweitert, zum ersten Mal in der Literatur und veranschaulicht das allgemeine Verhalten des Master-Stabilisierungsfunktion in Netzwerken skalare Zeit Einschaltverzögerung Systeme auf den Synchronisations-Eigenschaften des Netzes. Außerdem untersuchen wir das Zusammenspiel von Lärm und verzögert in das Phänomen der Lärmverstärkter Phasensynchronisierung in beiden unidirektional und bidirektional gekoppelt zeitverzögerung systeme. / In this thesis, we will explore the effect of delay coupling on networks of chaotic dynamical systems using the framework of master stability formalism. We will investigate the phenomenon of delay-enhanced and delay-induced stable synchronization in an arbitrary delay coupled network of time-continuous dynamical systems. We will demonstrate that there always exist an extended regime of stable synchronous state as a function of coupling strength for appropriate coupling delays, which cannot be observed without any delay in the coupling. We will also propose a partial delay coupling as a combination of both the instantaneous and the completely delay coupling with certain weights determining their contributions. We will show that the partial delay coupling outperforms both limiting cases of the instantaneous and the completely delay coupling on the synchronizability of networks. The framework of master stability formalism is extended to a network of intrinsic time-delay systems, whose node dynamics are described by delay differential equations, for the first time in the literature and illustrated the generic behavior of the master stability function in networks of scalar time-delay systems based on the synchronization properties of the network. We also investigate the interplay of noise and delay in the phenomenon of noise-enhanced phase synchronization in both unidirectionally and bidirectionally coupled time-delay systems.

Ziel dieser Arbeit ist es die Fick-Jacobs Näherung, welche eine genaue Beschreibung zahlreiche Transporteigenschaften von Brownschen Teilchen in räumlich beschränkten Geometrien liefern kann, auf experimentell vorherrschende Gegebenheiten, z.B., sich stark ändernde Geometrien, komplizierte Kraftfelder, Teilchenausdehnung und endliche viskose Reibung, zu erweitern. Dazu wird zuerst die exakte Lösung für die stationäre Wahrscheinlichkeitsdichte mittels Entwicklung in einem geometrischen Parameter, der die Kanalmodulation misst, berechnet. Die höheren Entwicklungsterme ermöglichen die Berechnung von Korrekturen zu den Transportkoeffizienten für sich stark ändernde Geometrien. Ferner kann die Fick-Jacobs Näherung mittels der Entwicklungsmethode auf beliebige Kraftfelder verallgemeinert werden. Am Beispiel des mikrofluidischen Kanals zeigen wir, dass das Zusammenspiel von externen Kräften (skalare Potentiale) und Strömungen (Vektorpotentiale) zur effizienten Trennung von Objekten, mittels des Effektes des hydrodynamisch induzierten entropischen Einsperrens, genutzt werden kann. Da das effiziente Sortieren nach Größe eine der wichtigsten Ziele in der Grundlagenforschung ist, zeigen wir wie die Teilchenausdehnung in die Fick-Jacobs Näherung integriert werden kann. Abschließend wird der Einfluss der Mediumsviskosität auf den Teilchentransport untersucht. Wenn die Zeitskalen separieren, führt adiabatische Eliminierung auch für endliche Reibung zu einer Fick-Jacobs ähnlichen Beschreibung. Diese ist unweigerlich mit Energiegleichverteilung und mit verschwindender Geschwindigkeitskorrelation verbunden. Numerische Simulationen zeigen, dass diese Beschreibung für moderate bis starke Dämpfung und schwache externe Kräfte akkurat ist. Für starke Kräfte wird die angenommene Energiegleichverteilung infolge von Teilchen-Wand Kollisionen verletzt. Dies führt zu einer nichtlinearen Abhängigkeit der Teilchengeschwindigkeit und des effektiven Diffusionskoeffizienten von der Kraftstärke. / This work intends to show how experimentally relevant issues such as strong channel corrugation, sophisticated external force fields, particle size, and the solvent''s viscosity can be incorporated into the commonly used Fick-Jacobs approach which provides a powerful tool to capture many properties of Brownian particles'' transport in confined geometries. First, we derive exact solutions of the stationary probability distribution in terms of an expansion parameter specifying the channel corrugation. Thereby, the leading order is equivalent to the Fick-Jacobs approach. By means of higher expansion orders, which become significant for strong channel corrugation, we obtain corrections to the key particle transport quantities. Going one step further, we generalize the Fick-Jacobs approach to the most general forces. As an exemplary application, we consider microfluidic devices in which the interplay of conservative forces and pressure-driven flows (vector potentials) offers a unique opportunity to efficiently separate Brownian particles of the same size using the newly discovered effect of hydrodynamically enforced entropic trapping. Since separation and sorting by size is a main challenge in basic research, we demonstrate that within certain limits the analytic expressions for the key transport quantities, derived for point-like particles, can be applied to extended objects, too. Lastly, we study the impact of the solvent''s viscosity on particle transport. If the time scales separate, adiabatic elimination results in an effective description even for finite damping. The possibility of such description is intimately connected with equipartition and vanishing velocity correlation. Numerical simulations show that this approach is accurate for moderate to strong damping and for weak forces. For strong external forces, equipartition may break down due to reflections at the boundaries. This leads to a non-monotonic dependence of the particle mobility on the force strength.

In welcher Weise hängt die Dynamik eines neuronalen Systems von den Eigenschaften seiner Netzwerkstruktur ab? Diese wichtige Fragestellung der Neurowissenschaft untersuchen wir in dieser Dissertation anhand einer analytischen und numerischen Modellierung der Aktivität großer neuronaler Netzwerke mit komplexer Struktur. Im Fokus steht die Relevanz zweier bestimmter Merkmale für die Dynamik: strukturelle Heterogenität und Gradkorrelationen. Ein zentraler Bestandteil der Dissertation ist die Entwicklung einer Molekularfeldnäherung, mit der die mittlere Aktivität heterogener, gradkorrelierter neuronaler Netzwerke berechnet werden kann, ohne dass einzelne Neuronen explizit simuliert werden müssen. Die Netzwerkstruktur wird von einer reduzierten Matrix erfasst, welche die Verbindungsstärke zwischen den Neuronengruppen beschreibt. Für einige generische Zufallsnetzwerke kann diese Matrix analytisch berechnet werden, was eine effiziente Analyse der Dynamik dieser Systeme erlaubt. Mit der Molekularfeldnäherung und numerischen Simulationen zeigen wir, dass assortative Gradkorrelationen einem neuronalen System ermöglichen, seine Aktivität bei geringer externer Anregung aufrecht zu erhalten und somit besonders sensitiv auf schwache Stimuli zu reagieren. / An important question in neuroscience is how the structure and dynamics of a neuronal network relate to each other. We approach this problem by modeling the spiking activity of large-scale neuronal networks that exhibit several complex network properties. Our main focus lies on the relevance of two particular attributes for the dynamics, namely structural heterogeneity and degree correlations. As a central result, we introduce a novel mean-field method that makes it possible to calculate the average activity of heterogeneous, degree-correlated neuronal networks without having to simulate each neuron explicitly. We find that the connectivity structure is sufficiently captured by a reduced matrix that contains only the coupling between the populations. With the mean-field method and numerical simulations we demonstrate that assortative degree correlations enhance the network’s ability to sustain activity for low external excitation, thus making it more sensitive to small input signals.