Die Aktionspotential (AP) -Aktivität einzelner kortikaler Neuronen kann messbare sensorische Effekte hervorrufen. Es ist jedoch nicht bekannt, wie AP-Sequenzen Parameter und spezifische neuronale Subtypen die hervorgerufenen Sinnesempfindungen beeinflussen. Hier haben wir einen ‘Reverse-Physiology‘ Ansatz angewendet, um die Beziehung zwischen der Aktivität einzelner Neuronen und der Empfindung zu untersuchen. Zunächst wird der Prozess der Nanostimulation, eine von der juxtazellulären Markierungstechnik abgeleiteten Einzelzell-Stimulationsmethode, detailliert beschrieben. Nanostimulation ist einfach anzuwenden und kann auf eine Vielzahl von identifizierbaren Neuronen in narkotisierten und wachen Tieren angewandt werden. Wir beschreiben die Aufnahmetechnik und die elektrische Konfiguration für Nanostimulation. Während eine exakte zeitliche Bestimmung der AP nicht erreicht wurde, konnten Frequenz und Anzahl der AP parametrisch kontrolliert werden. Wir zeigen, dass Nanostimulation auch angewendet werden kann, um sensorische Reaktionen in identifizierbaren Neuronen selektiv zu inhibieren. Als nächstes haben wir untersucht wie sich die Frequenz und Anzahl der AP sowie die Regelmäßigkeit der Pulsfolge auf die Detektion von Einzelzell-Stimulationen im somatosensorischen Kortex von Ratten auswirken. Für mutmaßlichen erregende regular-spiking Neuronen erhöhte sich die Nachweisbarkeit mit abnehmender Frequenz und Anzahl der AP. Die Stimulation einzelner, mutmaßlichen inhibitorischer und schnell feuernder Neuronen führte zu wesentlich stärkeren sensorischen Effekten, die unabhängig von Frequenz und Anzahl der AP waren. Außerdem fanden wir heraus, dass Unregelmäßigkeiten der Pulsfolge die sensorischen Effekte von putativ erregenden Neuronen stark erhöhten. Diese Unregelmäßigkeiten wurden in durchschnittlich 8% der Durchgänge festgestellt. Unsere Daten deuten darauf hin, dass das es auf Verhaltnisebene eine große Sensivität für kortikale AP und deren zeitlichen Abfolge gibt. / The action potential (AP) activity of single cortical neurons can evoke measurable sensory effects, but it is not known how spiking parameters and specific neuronal subtypes affect the evoked sensations. Here we applied a reverse physiology approach to investigate the relationship between single neuron activity and sensation. First, we provide a detailed description of the procedures involved in nanostimulation, a single-cell stimulation method derived from the juxtacellular labeling technique. Nanostimulation is easy to apply and can be directed to a wide variety of identifiable neurons in anesthetized and awake animals. We describe the recording approach and the parameters of the electric configuration underlying nanostimulation. While exact AP timing has not been achieved, AP frequency and AP number can be parametrically controlled. We demonstrate that nanostimulation can also be used to selectively inhibit sensory responses in identifiable neurons. Next, we examined the effects of AP frequency, AP number and spike train regularity on the detectability of single-cell stimulation in rat somatosensory cortex. For putative excitatory, regular spiking neurons detectability increased with decreasing AP frequencies and decreasing AP numbers. Stimulation of single putative inhibitory, fast spiking neurons led to much larger sensory effects that were not dependent on AP frequency and AP number. In addition, we found that spike train irregularity greatly increased the sensory effects of putative excitatory neurons, with irregular spike trains being detected in on average 8% of trials. Our data suggest that the behaving animal is extremely sensitive to cortical APs and their temporal patterning.

Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung verschiedener Konzepte und Algorithmen zum skalierbaren Live-Streaming von Video sowie deren Umsetzung in der Media Internet Streaming Toolbox. Die Toolbox stellt eine erweiterbare, plattformunabhängige Infrastruktur zur Erstellung aller Teile eines Live-Streamingsystems von der Videogewinnung über die Medienverarbeitung und Codierung bis zum Versand bereit. Im Vordergrund steht die flexible Beschreibung der Medienverarbeitung und Stromerstellung sowie die Erzeugung von klientenindividuellen Stromformaten mit unterschiedlicher Dienstegüte für eine möglichst große Zahl von Klienten und deren Verteilung über das Internet. Es wird ein integriertes graphenbasiertes Konzept entworfen, in dem das Component Encoding Stream Construction, die Verwendung von Compresslets und eine automatisierte Flussgraphenkonstruktion miteinander verknüpft werden. Die für die Stromkonstruktion relevanten Teile des Flussgraphen werden für Gruppen mit identischem Zustand entkoppelt vom Rest ausgeführt. Dies führt zu einer maximalen Rechenlast, die unabhängig von der Zahl der Klienten ist, was sowohl theoretisch gezeigt als auch durch konkrete Messungen bestätigt wird. Als Beispiele für die Verwendung der Toolbox werden unter Anderem zwei waveletbasierte Stromformate entwickelt, integriert und bezüglich Codiereffizienz und Skalierbarkeit miteinander verglichen

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Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Anwendung verschiedener Konzepte und Algorithmen zum skalierbaren Live-Streaming von Video sowie deren Umsetzung in der Media Internet Streaming Toolbox. Die Toolbox stellt eine erweiterbare, plattformunabhängige Infrastruktur zur Erstellung aller Teile eines Live-Streamingsystems von der Videogewinnung über die Medienverarbeitung und Codierung bis zum Versand bereit. Im Vordergrund steht die flexible Beschreibung der Medienverarbeitung und Stromerstellung sowie die Erzeugung von klientenindividuellen Stromformaten mit unterschiedlicher Dienstegüte für eine möglichst große Zahl von Klienten und deren Verteilung über das Internet. Es wird ein integriertes graphenbasiertes Konzept entworfen, in dem das Component Encoding Stream Construction, die Verwendung von Compresslets und eine automatisierte Flussgraphenkonstruktion miteinander verknüpft werden. Die für die Stromkonstruktion relevanten Teile des Flussgraphen werden für Gruppen mit identischem Zustand entkoppelt vom Rest ausgeführt. Dies führt zu einer maximalen Rechenlast, die unabhängig von der Zahl der Klienten ist, was sowohl theoretisch gezeigt als auch durch konkrete Messungen bestätigt wird. Als Beispiele für die Verwendung der Toolbox werden unter Anderem zwei waveletbasierte Stromformate entwickelt, integriert und bezüglich Codiereffizienz und Skalierbarkeit miteinander verglichen

Confronted with the global demographic changes and the increasing pressure on modern healthcare system, there has been a surge of developing new technology platforms in the past decades. Droplet microfluidics is a prominent example of such technology platforms, which offers an efficient format for massively parallelized screening of a large number of samples and holds great promise to boost the throughput and reduce the costs of modern biomedical activities. Despite recent achievements, the realization of a compact and generic screening system which is suited for resource-limited settings and point-of-care applications remains elusive. To address the above challenges, the dissertation focuses on the development of a compact multifunctional droplet micro-magnetofluidic system by exploring the advantages of magnetic in-flow detection principles. The methodologies behind a novel technique for biomedical applications, namely, magnetic in-flow cytometry have been put forth, which encompass magnetic indexing schemes, quantitative multiparametric analytics and magnetically-activated sorting. A magnetic indexing scheme is introduced and intrinsic to the magnetofluidic system. Two parameters characteristic of the magnetic signal when detecting magnetically functionalized objects, i.e. signal amplitude and peak width, providing information which is necessary to perform quantitative analysis in the spirit of optical cytometry has been proposed and realized. Magnetically-activated sorting is demonstrated to actively select individual droplets or to purify a population of droplets of interest. Together with the magnetic indexing scheme and multiparametric analytic technique, this functionality synergistically enables controlled synthesis, quality administration and screening of encoded magnetic microcarriers, which is crucial for the practical realization of magnetic suspension arrays technologies. Furthermore, to satisfy the needs of cost-efficient fabrication and high-volume delivery, an approach to fabricate magnetofluidic devices on flexible foils is demonstrated. The resultant device retains high performance of its rigid counterpart and exhibits excellent mechanical properties, which promises long-term stability in practical applications.