Tubulin, microtubules and associated proteins were studied theoretically, computationally and experimentally in vitro and in vivo in order to elucidate the possible role these play in cellular information processing and storage. Use of the electric dipole moment of tubulin as the basis for binary switches (biobits) in nanofabricated circuits was explored with surface plasmon resonance, refractometry and dielectric spectroscopy. The effects of burdening the microtubular cytoskeleton of olfactory associative memory neurons with excess microtubule associated protein TAU in Drosophila fruitflies were determined. To investigate whether tubulin may be used as the substrate for quantum computation as a bioqubit, suggestions for experimental detection of quantum coherence and entanglement among tubulin electric dipole moment states were developed.

Gewebezellen sammeln ständig Informationen über die mechanischen Eigenschaften ihrer Umgebung, indem sie aktiv an dieser ziehen. Diese Kräfte werden an Zell-Matrix-Kontakten übertragen, die als Mechanosensoren fungieren. Jüngste Experimente mit Zellen auf elastischen Substraten zeigen, dass Zellen sehr empfindlich auf Veränderungen der effektiven Steifigkeit ihrer Umgebung reagieren, die zu einer Reorganisation des Zytoskeletts führen können. In dieser Arbeit wird ein theoretisches Model entwickelt, um die Selbstorganisation von Zellen in weichen Materialien vorherzusagen. Obwohl das Zellverhalten durch komplexe regulatorische Vorgänge in der Zelle gesteuert wird, scheint die typische Antwort von Zellen auf mechanische Reize eine einfache Präferenz für große effektive Steifigkeit der Umgebung zu sein, möglicherweise weil in einer steiferen Umgebung Kräfte an den Kontakten effektiver aufgebaut werden können. Der Begriff Steifigkeit umfasst dabei sowohl Effekte, die durch größere Härte als auch durch elastische Verzerrungsfelder in der Umgebung verursacht werden. Diese Beobachtung kann man als ein Extremalprinzip in der Elastizitätstheorie formulieren. Indem man das zelluläre Kraftmuster spezifiziert, mit dem Zellen mit ihrer Umgebung wechselwirken, und die Umgebung selbst als linear elastisches Material modelliert, kann damit die optimale Orientierung und Position von Zellen vorhergesagt werden. Es werden mehrere praktisch relevante Beispiele für Zellorganisation theoretisch betrachtet: Zellen in externen Spannungsfeldern und Zellen in der Nähe von Grenzflächen für verschiedene Geometrien und Randbedingungen des elastischen Mediums. Dafür werden die entsprechenden elastischen Randwertprobleme in Vollraum, Halbraum und Kugel exakt gelöst. Die Vorhersagen des Models stimmen hervorragend mit experimentellen Befunden für Fibroblastzellen überein, sowohl auf elastischen Substraten als auch in physiologischen Hydrogelen. Mechanisch aktive Zellen wie Fibroblasten können auch elastisch miteinander wechselwirken. Es werden daher optimale Strukturen als Funktion von Materialeigenschaften und Zelldichte bzw. der Geometrie der Zellpositionen berechnet. Schließlich wird mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen der Einfluss stochastischer Störungen auf die Strukturbildung untersucht. Das vorliegende Model trägt nicht nur zu einem besseren Verständnis von vielen physiologischen Situationen bei, sondern könnte in Zukunft auch für biomedizinische Anwendungen benutzt werden, um zum Beispiel Protokolle für künstliche Gewebe im Bezug auf Substratgeometrie, Randbedingungen, Materialeigenschaften oder Zelldichte zu optimieren. / Adherent cells constantly collect information about the mechanical properties of their extracellular environment by actively pulling on it through cell-matrix contacts, which act as mechanosensors. In recent years, the sophisticated use of elastic substrates has shown that cells respond very sensitively to changes in effective stiffness in their environment, which results in a reorganization of the cytoskeleton in response to mechanical input. We develop a theoretical model to predict cellular self-organization in soft materials on a coarse grained level. Although cell organization in principle results from complex regulatory events inside the cell, the typical response to mechanical input seems to be a simple preference for large effective stiffness, possibly because force is more efficiently generated in a stiffer environment. The term effective stiffness comprises effects of both rigidity and prestrain in the environment. This observation can be turned into an optimization principle in elasticity theory. By specifying the cellular probing force pattern and by modeling the environment as a linear elastic medium, one can predict preferred cell orientation and position. Various examples for cell organization, which are of large practical interest, are considered theoretically: cells in external strain fields and cells close to boundaries or interfaces for different sample geometries and boundary conditions. For this purpose the elastic equations are solved exactly for an infinite space, an elastic half space and the elastic sphere. The predictions of the model are in excellent agreement with experiments for fibroblast cells, both on elastic substrates and in hydrogels. Mechanically active cells like fibroblasts could also interact elastically with each other. We calculate the optimal structures on elastic substrates as a function of material properties, cell density and the geometry of cell positioning, respectively, that allows each cell to maximize the effective stiffness in its environment due to the traction of all the other cells. Finally, we apply Monte Carlo simulations to study the effect of noise on cellular structure formation. The model not only contributes to a better understanding of many physiological situations. In the future it could also be used for biomedical applications to optimize protocols for artificial tissues with respect to sample geometry, boundary condition, material properties or cell density.

Ground penetrating radar (GPR) systems are increasingly being used for the detection and location of buried objects within the upper regions of the earth’s surface. The antenna is the most critical component of such a system. This thesis presents a comprehensive study of resistor-loaded planar dipole antennas for GPR applications using both theory and experiments. The theoretical analysis is performed using the finite difference time domain (FDTD) technique. The analysis starts with the most popular planar dipole, the bow-tie. A parametric study is done to find out how the flare angle, length, and lumped resistors of the antenna should be selected to achieve broadband properties and good target detection with less clutter. The screening of the antenna and the position of transmitting and receiving antennas with respect to each other and ground surface are also studied. A number of other planar geometrical shapes are considered and compared with the bow-tie in order to find what geometrical shape gives the best performance. The FDTD simulations are carried out for both lossless and lossy, dispersive grounds. Also simulations are carried out including surface roughness and natural clutter like rocks and twigs to make the modeling more realistic. Finally, a pair of resistor-loaded bow-tie antennas is constructed and both indoor and outdoor measurements are carried out to validate the simulation results. / <p>QC 20100923</p>

This thesis considers integration of antennas and active electronics manufactured on the same substrate. The main topic is on-chip antennas for commercial silicon processes, but hybrid integration using printed circuit board technology is also addressed. The possible use of micromachining techniques as a means of reducing substrate losses of antennas manufactured on low resistivity silicon wafers is investigated. Compact dipole, loop, and inverted-F antennas for the 20-40 GHz frequency range are designed, implemented, and characterized. The results show significantly improved antenna efficiency when micromachining is used as a post-processing step for on-chip antennas manufactured in silicon technology. High resistivity wafers are used in a commercial silicon germanium technology to improve the efficiency of dipole antennas realized using the available circuit metal layers in the process. Monolithically integrated 24 GHz receivers with on-chip antennas are designed and evaluated with regard to antenna and system performance. No noticeable degradation of the receiver performance caused by cross talk between the antenna and the integrated circuit is observed. For low frequency antenna arrays, such as base station antennas, hybrid integration of active devices within the antenna aperture is treated. A compact varactor based phase shifter for traveling wave antenna applications is proposed and evaluated. Electrically steerable traveling wave patch antenna arrays, with the phase shifters implemented in the same conductor layer as the radiating elements, are designed and manufactured in microstrip technology. It is experimentally verified that the radiation from the feed network and phase shifters in the proposed antenna configuration is small.

Several microwave devices and antennas that are based on negative-refractive-index transmission-line (NRI-TL) metamaterials are presented in this thesis, which exhibit superior performance features compared to their conventional counterparts. These are a Wilkinson balun, a 1:4 series power divider, a four-element printed dipole array, a leaky-wave antenna, and an electrically small folded-monopole antenna. The Wilkinson balun employs +90° and −90° NRI-TL metamaterial lines at the output branches of a Wilkinson divider, to achieve a six-fold increase in the measured differential output phase bandwidth compared to that of an analogous balun employing transmission lines, while occupying only 55% of the area. The 1:4 series power divider comprises four non-radiating 0° NRI-TL metamaterial lines, each with a compact length of λ0/8, to provide equal power split to all four output ports. Compared to a conventional series power divider employing one-wavelength long transmission lines, the metamaterial divider provides a 154% increase in the measured through-power bandwidth, while occupying only 54% of the area. The metamaterial series power dividing concept is also applied to a four-element fully-printed dipole array that is designed to radiate at broadside, in order to demonstrate that the array exhibits reduced beam squinting characteristics. It is shown that the metamaterial-fed array has a measured scan-angle bandwidth that is 173% greater than an array that is fed using a conventional low-pass loaded line. The reduced-beam squinting property that NRI-TL metamaterial lines offer is subsequently exploited to create a leaky-wave antenna that radiates a near-fixed beam in the forward +45° direction, with an average measured beam squint of only 0.031°/MHz. This is achieved by operating the antenna in the upper right-handed band where the phase and group velocities are the closest to the speed of light. Finally, an electrically small antenna comprising four 0° NRI-TL metamaterial unit cells is presented which supports a predominantly even-mode current, thus enabling it to be modeled as a multi-arm folded monopole. This significantly increases its radiation resistance, which allows it to be matched to 50 Ω, while maintaining a high measured efficiency of 70%.

Several microwave devices and antennas that are based on negative-refractive-index transmission-line (NRI-TL) metamaterials are presented in this thesis, which exhibit superior performance features compared to their conventional counterparts. These are a Wilkinson balun, a 1:4 series power divider, a four-element printed dipole array, a leaky-wave antenna, and an electrically small folded-monopole antenna. The Wilkinson balun employs +90° and −90° NRI-TL metamaterial lines at the output branches of a Wilkinson divider, to achieve a six-fold increase in the measured differential output phase bandwidth compared to that of an analogous balun employing transmission lines, while occupying only 55% of the area. The 1:4 series power divider comprises four non-radiating 0° NRI-TL metamaterial lines, each with a compact length of λ0/8, to provide equal power split to all four output ports. Compared to a conventional series power divider employing one-wavelength long transmission lines, the metamaterial divider provides a 154% increase in the measured through-power bandwidth, while occupying only 54% of the area. The metamaterial series power dividing concept is also applied to a four-element fully-printed dipole array that is designed to radiate at broadside, in order to demonstrate that the array exhibits reduced beam squinting characteristics. It is shown that the metamaterial-fed array has a measured scan-angle bandwidth that is 173% greater than an array that is fed using a conventional low-pass loaded line. The reduced-beam squinting property that NRI-TL metamaterial lines offer is subsequently exploited to create a leaky-wave antenna that radiates a near-fixed beam in the forward +45° direction, with an average measured beam squint of only 0.031°/MHz. This is achieved by operating the antenna in the upper right-handed band where the phase and group velocities are the closest to the speed of light. Finally, an electrically small antenna comprising four 0° NRI-TL metamaterial unit cells is presented which supports a predominantly even-mode current, thus enabling it to be modeled as a multi-arm folded monopole. This significantly increases its radiation resistance, which allows it to be matched to 50 Ω, while maintaining a high measured efficiency of 70%.

In this thesis, we investigate the masses, form factors and magnetic dipole moments of some light octet, decuplet and heavy baryons containing a single heavy quark in the framework of the light cone QCD sum rules. The magnetic dipole moments can be measured considering radiative transitions within a multiplet or between multiplets. Analyzing the transitions among the baryons and calculating the above mentioned parameters can give us insight into the structure of those baryons. In analyzing the aforementioned processes, the transition form factors play a crucial role. In this thesis, the form factors for these transitions are calculated using the light cone QCD sum rules approach. In the limit when the light quark masses are equal, mu = md = ms, QCD has an SU(3) flavour symmetry which can be used to classify the light baryons. This classification results in the light decuplet, octet and singlet baryons. The baryons containing single heavy quark, on the other hand, can be classified according to the spin of the light degrees of freedom in the heavy quark limit, mQ -&gt / infinity. QCD at low energies, when the baryons are formed, is a non-perturbative theory. Hence, for phenomenology of the baryons, the QCD sum rules as a more powerful non-perturbative approach is used. Understanding the properties of nucleons is one of the main objectives of QCD. To investigate the properties of the nucleons, the axial N-Delta(1232) transition form factors are calculated within the light cone QCD sum rules method. A comparison of our results on those form factors with the predictions of lattice QCD and quark model is presented. The nucleon electromagnetic form factors are also calculated in the same framework using the most general form of the nucleon interpolating current. Using two forms of the distribution amplitudes (DA&rsquo / s), predictions for the form factors are presented and compared with existing experimental data. It is shown that our results describe the existing experimental data remarkably well. Another important property of the baryons is their magnetic moments. The magnetic moments of the heavy Xi_Q (Q = b or c) baryons containing a single charm or bottom quark are calculated within the light cone QCD sum rules approach. A comparison of our results with the predictions of other approaches, such as relativistic and nonrelativistic quark models, hyper central model, Chiral perturbation theory, soliton and skyrmion models is presented. Moreover, inspired by the results of recent experimental discoveries for charm and bottom baryons, the masses and magnetic moments of the heavy baryons with J^2P = 3/2^+ containing a single heavy quark are studied also within the light cone QCD sum rules method. Our results on the masses of heavy baryons are in good agreement with predictions of other approaches, as well as with the existing experimental values. Our predictions on the masses of the states, which are not experimentally discovered yet, can be tested in the future experiments. A comparison of our results on the magnetic moments of these baryons and the hyper central model predictions is also presented.

Tubulin, microtubules and associated proteins were studied theoretically, computationally and experimentally in vitro and in vivo in order to elucidate the possible role these play in cellular information processing and storage. Use of the electric dipole moment of tubulin as the basis for binary switches (biobits) in nanofabricated circuits was explored with surface plasmon resonance, refractometry and dielectric spectroscopy. The effects of burdening the microtubular cytoskeleton of olfactory associative memory neurons with excess microtubule associated protein TAU in Drosophila fruitflies were determined. To investigate whether tubulin may be used as the substrate for quantum computation as a bioqubit, suggestions for experimental detection of quantum coherence and entanglement among tubulin electric dipole moment states were developed.

Η μελέτη της πλαστικότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου σε όλα τα επίπεδα είναι ένα πολύ σημαντικό βήμα στην εξερεύνηση της λειτουργίας του εγκεφάλου και παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στον σχεδιασμό θεραπειών αποκατάστασης μετά από εγκεφαλικές και κινητικές βλάβες. Τα τελευταία είκοσι χρόνια έχει καθιερωθεί πλέον η ιδέα ότι ο ώριμος εγκέφαλος μπορεί να ανακατανέμει τις περιοχές του στην περίπτωση μιας βλάβης ή στην περίπτωση περισσότερης χρήσης ή νέας λειτουργίας, αναδιοργανώνοντας έτσι την λειτουργικότητά του. Και ενώ υπάρχουν αρκετές μελέτες σε ζώα και λιγότερες σε ανθρώπους όπου μελετάται η χωρική έκταση των αλλαγών αυτών, λίγες εργασίες υπάρχουν που να μελετούν τη δυναμική των αλλαγών αυτών σε ένα πεδίο χρόνου μερικών ωρών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή συνεισφέρει ακριβώς σε αυτόν τον τομέα: τη μελέτη των πλαστικών αλλαγών σε ένα εύρος χρόνου 6 ωρών με διαδοχικές μαγνητοεγκεφαλογραφικές (ΜΕΓ) μετρήσεις ανά μία ώρα της αναπαράστασης των δακτύλων στον πρωτεύοντα σωματοαισθητικό φλοιό. Μέχρι τώρα στην βιβλιογραφία οι μελέτες για βραχύχρονη πλαστικότητα εστίαζαν στη μελέτη αλλαγών μετά από συγκεκριμένη σωματοαισθητική διέγερση για συγκεκριμένο κάθε φορά χρόνο από μερικά λεπτά και έως τρεις με τέσσερις ώρες. Τα αποτελέσματα των ερευνών αυτών παρουσιάστηκαν διαφορετικά για διαφορετικούς χρόνους μελέτης. Έτσι και για την περίπτωση των δακτύλων στον σωματοαισθητικό φλοιό, μετά από σύντομο χρονικό διάστημα σωματοαιθητικής αλλαγής, η Ευκλείδεια απόσταση μεταξύ των μελετούμενων περιοχών έδειχνε να συρρικνώνεται (Braun et al, 2000; Ziemus et al, 2000) ενώ μετά από περισσότερο χρονικό διάστημα, αυτή να αυξάνεται (Godde et al, 2003; Schaeffer et al, 2004). Η παρούσα μελέτη, συνεισφέρει στην έρευνα της δυναμικής των πλαστικών αλλαγών σε μικρό εύρος χρόνου. Το πρωτόκολλο, είναι εμπνευσμένο από το πρώτο πείραμα πού έδειξε την ύπαρξη πλαστικότητας στον ώριμο εγκέφαλο μέσω της δημιουργίας συνδακτυλίας σε πιθήκους (Allard et al, 1988; 1991). Οι συγγραφείς παρατήρησαν σημαντικές αλλαγές στην αντιπροσώπεση των δύο αυτών δακτύλων στον σωματοαισθητικό φλοιό (Δ3 και Δ4) μετά από 3-7.5 μήνες. Οι δύο περιοχές εμφανίστηκαν ενοποιημένες, και χωρίς την διαχωριστική γραμμή που συνήθως τις διαχωρίζει. Επίσης παρατηρήθηκε η ύπαρξη ιδιοδεκτικών πεδίων που ανταποκρίνονταν στον ερεθισμό και των δύο δακτύλων. Οι συγγραφείς εξέφρασαν αυτό το αποτέλεσμα ως μία ένδειξη του ρόλου του χρονικού συγχρονισμού όπως εκφράζεται και με την αρχή του Hebb για την ομαδοποίηση των εισερχόμενων σημάτων και τον σχηματισμό των ιδιοδεκτικών πεδίων στον φλοιό. Το πρωτόκολλο που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα μελέτη και εμπνευσμένο από το προηγούμενο πείραμα περιλαμβάνει το δέσιμο των δακτύλων του δεξιού χεριού εθελοντών από τον δείκτη (Δ2) έως το μικρό δάκτυλο (Δ5) και τον ξεχωριστό ηλεκτρικό ερεθισμό των Δ2 και Δ5 για τον εντοπισμό της αντιπροσώπευσής τους στον σωματοαισθητικό φλοιό μέσα σε συνολικό χρονικό διάστημα 5.5 ωρών. Οι καταγραφές πραγματοποιήθηκαν με την τεχνική της Μαγνητοεγκεφαλογραφίας, και η ανάλυση έγινε βάσει της μεθόδου της Μαγνητικής Απεικόνισης Πηγών (Μagnetic Source Imaging). H MΕΓ, χάρη της μη αλλοίωσης των μαγνητικών σημάτων από τις ενδιάμεσες δομές του εγκεφάλου χαρίζει καλλίτερο εντοπισμό των ενεργοποιημένων περιοχών. Το κάθε πείραμα αποτελείτο από 7 ΜΕΓ μετρήσεις, με διαλείμματα μεταξύ των μετρήσεων. Η μέση απόσταση μεταξύ των καταγραφών ήταν περίπου 50 λεπτά της ώρας και το κάθε διάλειμμα διαρκούσε μισή ώρα. Η πρώτη καταγραφή έγινε πριν το δέσιμο των δακτύλων. Επίσης καταγραφές της ποσότητας του ηλεκτρικού παλμού (Sensory nerve action potential, SNAP) πάνω στο ωλένιο και μέσο νεύρο γινόταν ταυτόχρονα για την διασφάλιση της σταθερότητας του ηλεκτρικού παλμού που εισέρχεται στο σωματοαισθητικό φλοιό. Δύο πειράματα ελέγχου συμπληρώνουν το πρωτόκολλο, σε μερικούς από τους συμμετέχοντες, ένα με επανάληψη της διαδικασίας χωρίς δέσιμο των δακτύλων μετά από μερικούς μήνες και ένα με συμπληρωματικές ταυτόχρονες μετρήσεις στο άλλο ημισφαίριο. Τέλος η ανατομική μαγνητική τομογραφία, για κάθε συμμετέχοντα λήφθηκε, για επιβεβαίωση του εντοπισμού του ισοδύναμου διπόλου. Μέσω της τεχνικής λοιπόν του ισοδύναμου δίπολου, για κάθε δάκτυλο και κάθε ΜΕΓ καταγραφή κατά την διάρκεια των 5.5 ωρών εντοπίστηκε το ισοδύναμο δίπολο που χαρακτηρίζει το κέντρο βάρους της αντιπροσώπευσης του μεσοποιημένου προκλητού δυναμικού στον πρωτοταγή σωματοαισθητικό φλοιό. Στην συνέχεια ελήφθησαν οι συντεταγμένες του. Μετά την επεξεργασία προ-ανάλυσης του σήματος, μελετήθηκε το ισοδύναμο δίπολο που περιγράφει την κορυφή P30m. Το κύμα P30m προσδιορίζει την είσοδο του ηλεκτρικού σήματος στον σωματοαισθητικό φλοιό. Η θέση του διπόλου κατά τη διάρκεια των μετρήσεων παρουσίασε στατιστικώς σημαντικές αλλαγές, παραμένοντας εντούτοις μέσα στον σωματοαισθητικό φλοιό. Όπως έχει αποδειχθεί και από άλλες μελέτες, στατιστικά σημαντικές αλλαγές στη θέση του ισοδύναμου διπόλου ισοδυναμούν με αλλαγές στην σωματοτοπία (Hodzic et al, 2004; Pleger et al, 2003; 2001). Τα αποτελέσματά λοιπόν έδειξαν ότι συμβαίνουν στατιστικώς σημαντικές αλλαγές στην Ευκλείδεια απόσταση (ΕΑ) των περιοχών μέσα στις 5 περίπου ώρες που διαρκεί η ‘τεχνητή συνδακτυλία’ που επιβάλαμε. Αναλυτικά, και όπως φαίνεται στην Εικόνα 1, στην διάρκεια της πρώτης μισής ώρας, μια μείωση της ΕΑ μεταξύ του δεύτερου (Δ2) και πέμπτου δακτύλου (Δ5) έλαβε χώρα ακολουθούμενη από μία αύξηση της ΕΑ για τις επόμενες δύο ώρες. Στη συνέχεια, ξεκινάει μια μείωση της ΕΑ η οποία διαρκεί πάλι περίπου 2 ωρες. Σημειώνουμε εδώ ότι στα πειράματα ελέγχου, δεν παρατηρήθηκαν αλλαγές στην ΕΑ μεταξύ των δακτύλων, κάτι που μας κάνει να πιστεύουμε ότι η αλλαγές στην ΕΑ οφείλονται αποκλειστικά στην νέα σωματοαισθητική κατάσταση που δημιουργήθηκε με το δέσιμο των δακτύλων. Οι παρατηρούμενες αλλαγές, οι οποίες συμβαίνουν καθ’ όλη τη διάρκεια των έξι ωρών, οδηγούν στο συμπέρασμα ότι συμβαίνει μία συνεχής ανακατανομή (remapping) των περιοχών των δύο δακτύλων στη διάρκεια του χρόνου αυτού. Σημειώνουμε εδώ ότι στα πειράματα ελέγχου, δεν παρατηρήθηκαν αλλαγές στην ΕΑ μεταξύ των δακτύλων, κάτι που μας κάνει να πιστεύουμε ότι οι αλλαγές στην ΕΑ οφείλονται αποκλειστικά στην νέα σωματοαισθητική κατάσταση που δημιουργήθηκε με το δέσιμο των δακτύλων. Επειδή ενδείξεις δεν έχουμε για αλλαγή στην ισχύ του διπόλου συμπεραίνουμε ότι οι αλλαγές αυτές οφείλονται σε μετατόπιση και όχι σε εξάπλωση των αντίστοιχων περιοχών της αντιπροσώπευσης των δακτύλων. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι οι αλλαγές που παρατηρήσαμε συμβαδίζουν με αλλαγές άλλων ερευνητών στον σωματοαισθητικό φλοιό, ανάλογα με τον χρόνο της παρατήρησης. Δηλαδή, παρόμοιες αλλαγές συμβαίνουν στους αντίστοιχους χρόνους. Αναλυτικά, αύξηση της ΕΑ έχει παρατηρηθεί σε μικρά χρονικά διαστήματα ενώ μείωση της ΕΑ μετά από μεγαλύτερα (της τάξεως των μερικών ωρών) διαστήματα μετά από κάποια σωματοαισθητική αλλαγή/τροποποίηση. Τα αποτελέσματά μας λοιπόν ενοποιούν τα προηγούμενα αποτελέσματα παρουσιάζοντας ένα ενοποιημένο χρονικό πλαίσιο μέσα στο οποίο παρουσιάζονται οι αλλαγές αυτές. Ένα συμπέρασμα που μπορεί να εξαχθεί είναι ότι η ανακατανομή των ιδιοδεκτικών πεδίων των νευρώνων του σωματοαισθητικού φλοιού γίνεται με μη γραμμικό τρόπο. Ο εγκέφαλος προκειμένου να προσδιορίσει τις ομάδες νευρώνων που αναπαριστούν καλλίτερα τη νέα σωματοαισθητική πραγματικότητα ανακαταμερίζει τις δυνάμεις του και επαναπροσδιορίζει τα όριά του. Η αναδιάρθρωση των χαρτών του εγκεφάλου σε τόσο μικρά χρονικά διαστήματα έχει αποδοθεί σε μεταβολή της αναστολής. Το γεγονός ότι οι αλλαγές αυτές στην αναπαράσταση των δακτύλων Δ2 και Δ5 έγιναν τόσο γρήγορα δεν πρέπει να μας εκπλήσσει καθώς μελέτες σε in vivo και in vitro έχουν αποδείξει ότι παρόμοιες αλλαγές στο συναπτικό επίπεδο συμβαίνουν σε χρονικά όρια παρόμοια με αυτά του πειράματός μας, όπως στο LTP και LTD. Επίσης, άλλοι μηχανισμοί όπως αυτοί της ομοιόστασης συμμετέχουν ενεργά σε παρόμοιες περιπτώσεις που έχει παρουσιαστεί πλαστικότητα μετά από αλλαγή στην σωματοαισθητική εμπειρία. Η παρούσα μελέτη εκτός του ότι θέτει ένα χρονικό πλαίσιο μέσα στο οποίο, διαφορετικές αλλαγές στην ΕΑ λαμβάνουν χώρα, αποτελεί μια πρώτη ένδειξη της σημαντικότητας του χρόνου ως παραμέτρου σε ηλεκτροφυσιολογικές μετρήσεις. / The adult primary somatosensory cortex (SI) exhibits a detailed topographic organization of the hand and fingers, which undergoes plastic reorganizational changes following modifications of the sensory input. Although the spatial properties of these changes have been extensively investigated, little is known about their temporal dynamics. The current PhD thesis, contributes exactly to this field: to the study of plastic changes in time frame of 6 hours with consecutive Magnetoencephalographic measurements every hour. The inspiration for the protocol came from the finger webbing paradigm first employed to study adult human representational plasticity. In this paradigm of finger webbing, 4 fingers are temporarily webbed together, hence modifying their sensory feedback, for about 6 hours. We used Magnetoencephalography, a non invasive technique to study magnetic fields of the human brain, in order to measure changes in the hand representation in SI, before, during, and after finger webbing for this time frame of 6 hours. Cortical sources representing the index and little finger were localized using electric current stimulation and with the Equivalent Current Dipole method for all the recording sessions. Our results showed a decrease in the Euclidean distance (ED) between the cortical sources of the index and small finger 30 min after webbing, followed by an increase lasting for about 2 h after webbing, which was followed by a return toward baseline values. These results provide a unique frame in which the different representational changes occur, merging previous findings that were only apparently controversial, in which either increases or decreases in ED were reported after sensory manipulation for relatively long or short duration, respectively. Moreover, these observations further confirm that the mechanisms that underlie cortical reorganization are extremely rapid in their expression and, for the first time, show how brain reorganization occurs over time.

The interaction between light and organometallic chromophores has been investigated theoretically in a strive for fast optical filters. The main emphasis is on two-photon absorption and excited state absorption as illustrated in the Jablonski diagram. We stress the need for relativistic calculations and have developed methods to address this issue. Furthermore, we present how quantum chemical calculations can be combined with Maxwell's equations in order to simulate propagation of laser pulses through a materials doped with chromophores with high two-photon absorption cross sections. Finally, we also discuss how fast agile filters using spin-transition materials can be modeled in order to accomplish theoretical material design. / <p>Report code: LIU-TEK-LIC-2006:55. On the day of the defence date the status on article III was Manuscript, article IV was Accepted and article V was Submitted.</p>