Zwischen neuronaler und glialer Aktivierung, dem Energiemetabolismus und dem zerebralen Gefäßbett besteht eine enge Beziehung - als Phänomen der neurometabolischen und neurovaskulären Kopplung bekannt. Diese Korrelation von elektrischer und metabolischer Aktivität sowie dem regionalen zerebralen Blutfluß besteht räumliche und zeitliche fokussiert und ist charakteristisch für das Gehirn. Das Verständnis um die Mechanismen und Mediatoren der neurovaskulären Kopplung ist von grundlegender Bedeutung für die korrekte Interpretation moderner bildgebender Verfahren im klinischen Einsatz. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag in der Überprüfung der Hypothese eines frühen Sauerstoff-oder Glukose-Mangels im Gewebe unter funktioneller Stimulation als mögliches primäres Signal für eine nachfolgende vaskuläre Antwort. Anhand der Befunde kann jedoch ausgeschlossen werden, daß ein möglicherweise kurzzeitig auftretender Substratmangel im Gewebe registriert wird, und auf diesem Wege die Blutflußantwort auf funktionelle Stimulation initiiert wird. Die Frage nach dem eigentlichen Signal für die Blutflußantwort und dem primären Ort der Regulation (Arteriole, Kapillare, Venole) bleibt weiterhin ungeklärt. Die qualitative wie auch quantitative Charakterisierung des Verlaufs der Blutfluß- und Blutoxygenierungsveränderungen unter somatosensorischer Stimulation bildet die Grundlage für die Untersuchung von Veränderungen dieses Musters unter pathophyiologischen Bedingungen als sogenannter Fingerabdruck spezifischer zerebraler Schädigungen. Im Rahmen des zweiten Schwerpunkts beschäftigt sich vorliegende Arbeit mit der Rolle des Bioradikals Stickstoffmonoxid (NO) bei der neurovaskulären Kopplung. Ein im kortikalen Gewebe physiologisch vorhandener basaler NO Spiegel moduliert über die Bereitstellung einer basalen cyclischen Guanosin-3',5'-Monophosphat (cGMP) Konzentration vornehmlich in glatten Gefäßmuskelzellen die Reaktivtät zerebraler Gefäße sowohl auf globale vasodilatatorische Stimuli wie die Hyperkapnie als auch auf funktionelle Aktivität wie die Whisker-Stimulation der Ratte. Da die Bereitstellung des basalen NO / cGMP Spiegels im zerebralen Gewebe für physiologische vaskuläre Antworten von grundlegender Bedeutung ist, ist zu erwarten, daß eine Störung desselben durch pathophysiologische Vorgänge weitreichende Folgen für die adequate Versorgung aktivierter Hirnareale haben dürfte. / A tight relation exists between neuronal and glial cell activation, cerebral energy metabolism, and cerebral vasculature - a phenomenon known as neurometabolic and neurovascular coupling. The correlation of electrical and metabolic activity, and regional cerebral blood flow occurs at high temporal and spatial resolution, and is characteristic for the brain. We need to understand the physiology of neurometabolic and neurovascular coupling to fully exploit the potential of modern functional brain imaging, which utilizes vascular responses to map brain activity. Therefore, understanding the signalling cascade of regional vasodilation due to functional activation is of great importance. In the present work, we have shown that there is no evidence neither for an early deoxygenation nor for an early decrease in glucose concentration in the tissue at the onset of increased neuronal activity. The first event inducing regional cerebral blood flow increase as well as the vascular compartment, at which vasodilation starts (arteriole, capillary, venule), is still not known so far and has to be further investigated. In disease neurovascular coupling may be disturbed, while this disturbance may itself further contribute to tissue damage. Therefore a thorough elucidation of the physiology and pathophysiology of neurometabolic and neurovascular coupling may contribute to the development of treatment strategies in acute and chronic CNS disorders. Beside the mechanisms, little is known concerning the mediators of neurovascular coupling. The involvement of the highly diffusible vasodilator bioradical nitric oxide (NO) in the regulation of regional cerebral blood flow is widely accepted. In the present work, it has been shown that NO acts as a modulator rather than a mediator of vascular relaxation due to functional activation or systemic hypercapnia in the cerebral cortex, permitting vasodilation mediated by other agents. This modulation mainly occurs via a basal cyclic guanosin-3',5'-monophosphate (cGMP) production within the vascular smooth muscle cell. The basal modulatory concentration of NO / cyclic GMP may be disturbed during cerebrovascular disease, leading to a mismatch of regional cerebral blood flow and metabolic demand.

Zusammenfassung Einleitung: Die Kraniotomie mit umfassender Tumorresektion bleibt Therapie der Wahl zur Behandlung von Hirntumoren. Bei der geforderten Radikalität des therapeutischen Vorgehens kommt der präoperativen Lokalisationsdiagnostik eloquenter Hirnareale eine besondere Bedeutung zu. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, daß den präzisen Übertrag der Ergebnisse funktioneller MRT-Studien in die Therapie von Hirntumoren ermöglicht. Desweiteren wird das klinische Potential der fMRT untersucht. In einem hierarchischem System erfolgt die Beurteilung der klinischen Wirksamkeit der Methode zur präoperativen Lokalisationsdiagnostik eloquenter Hirnareale bei Patienten mit Hirntumoren. Methode: Bei 40 Patienten mit supratentoriellen Hirntumoren wurden insgesamt 144 präoperative funktionelle MRT-Studien durchgeführt. Die Bewertung der klinischen Wirksamkeit erfolgte in einem hierarchischem Modell unter Betrachtung der aufgeführten Dimensionen: 1. Ebene: Technische Wirksamkeit 2. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf die diagnostische Genauigkeit 3. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf das diagnostische Denken 4. Ebene: Therapeutische Wirksamkeit 5. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf das Patient-Outcome 6. Ebene: Wirksamkeit in Bezug auf die Gesellschaft Die Ergebnisse der funktionellen MRT-Untersuchungen wurden in ein neurochirurgisches Navigationssystem eingebracht. Intraoperativ besteht für den Operateur die Möglichkeit sich die Lagebeziehung zu den gekennzeichneten Arealen in das Okular des Operationsmikroskop einzuspielen. Ergebnisse: Das geschilderte Verfahren ermöglicht die navigierte Operation von Hirntumoren unter besonderer Berücksichtigung eloquenter- das heißt funktionstragender Hirnareale. Die beschriebene Methode zur Integration der fMRT weist ein hohe Praktikabilität auf. Wie diese Arbeit zeigen konnte, erbringt die fMRT als Methode auch bei Patienten mit Hirntumoren für die klinische Anwendung ausreichend zuverlässige Ergebnisse. Schlussfolgerung: 1. Mit dem geschilderten Verfahren gelingt die zuverlässige Integration von fMRT-Daten in die Therapie von Hirntumoren. 2. Die fMRT ist für den klinischen Einsatz zur präoperativen Lokalisation eloquenter Hirntumoren mit Einschränkungen geeignet. / Abstract Introduction: Craniotomy and maximal tumour resection remains the major therapy in patients with brain tumours. Preoperatively it is of great importance to identify eloquent brain areas. In this study we develop a method which allows the precise integration of functional MR-data into the therapy of brain tumours. Additionally we investigated the diagnostic potential of functional MRI in a clinical setting. We were assessing the effectiveness of functional MRI in patients with brain tumours in a hierarchical system. Methods: We performed 122 preoperative, functional MRI studies in 40 patients with supratentorial brain tumours. We evaluated the effectiveness in a hierarchic model. 1. level: technical effectiveness 2. level: diagnostic effectiveness 3. level: diagnostic effectiveness 4. level: therapeutical effectiveness 5. level: patient-outcome 6. level: society The acquired parametric maps were integrated into a neurosurgical navigation system. Intraoperatively the neurosurgeon can have the localisation of functional brain areas displayed within the optical system of the microscope. Conclusion: 1. The described approach allows image guided neurosurgery paying special attention to eloquent brain areas. The method is very practicable and reliable. 2. As we could demonstrate in our work, the functional MRI is sufficiently robust for clinical application

Moderne Mehr-Ebenen-Ansätze gehen davon aus, dass Emotionen auf unterschiedlichen Ebenen der Informationsverarbeitung und durch unterschiedliche Prozesse erzeugt werden. Im Rahmen des ‘dual memory model of emotion’ werden diese Prozesse als schematische (automatische) und propositionale (kontrollierte) Verarbeitungsprozesse bezeichnet. Darüber hinaus integriert das Modell Strategien zur Emotionsregulation, wie Aufmerksamkeitslenkung und semantische Elaborierung emotionaler Information. Über die zugrundeliegenden neuronalen Korrelate weiß man bisher allerdings noch wenig. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung behavioraler und neuronaler Korrelate der schematischen und propositionalen Verarbeitungsprozesse und wie diese durch interindividuelle Differenzen in der Affektivität und in der kognitiven Verarbeitung von Emotionen moduliert werden. Interindividuelle Differenzen im aktuellen negativen Affekt waren mit Aktivitätsveränderungen in der Insula während der schematischen Verarbeitung negativer Stimuli assoziiert. Dies kann als verstärkte Verarbeitung des hedonischen Wertes negativer Stimuli in Individuen mit hohem aktuellen negativen Affekt interpretiert werden. Interindividuelle Differenzen in der Zustandsangst und im kognitiven Verarbeiten von Emotionen modulierten behaviorale und neuronale Korrelate propositionaler Verarbeitungsprozesse. Hohe Zustandsangst und Schwierigkeiten im kognitiven Verarbeiten von Emotionen waren assoziiert mit erhöhtem kognitiven Aufwand, wenn der emotionale Gehalt der Stimuli ignoriert werden musste. Die neuronalen Befunde deuten darauf hin, dass für Individuen mit Schwierigkeiten im kognitiven Verarbeiten von Emotionen Aufmerksamkeitslenkung im Vergleich zu Elaborierung emotionaler Informationen eine weniger effektive Strategie zur Emotionsregulation darstellt. / Modern multi-level theories claim that emotion may be generated by different ways using different processes. The dual memory model of emotion refers to these processes as schematic processing (automatic) and propositional processing (controlled). The model further integrates emotion regulatory strategies, such as re-direction of attention and emotional elaboration as essential components of emotion processing. However, research on the neurobiological correlates of the different processing modes is scarce. Hence, the present work focuses on the identification of behavioral and neural correlates of the hypothesized processing modes and how these are modulated by individual differences in affectivity and in the cognitive processing of emotions. Individual differences in state negative affect were associated with altered activity in the insula during schematic processing of negative emotional information. This may indicate increased processing of the hedonic dimension of aversive stimuli in individuals with high state negative affect. Individual differences in state anxiety and in the cognitive processing of emotions modulated behavioral and neural correlates of propositional processing of emotional information. Specifically, in individuals with high state anxiety and with difficulties to cognitively process emotions, re-direction of attention was associated with increased cognitive effort. Findings at the neural level indicate that re-direction of attention as compared to elaboration of emotional information may represent a less effective emotion regulatory strategy in individuals with difficulties to cognitively process emotions.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuer Methoden in der Rasterkraftmikroskopie, um die Qualität und Interpretierbarkeit von Oberflächenabbildungen auf der Nanometerskala, vor allem jener sehr weicher Proben, entscheidend zu verbessern. Der für polymere und biologische Materialien standardmäßig verwendete intermittierende Kontaktmodus führt auf weichen Oberflächen zu verfälschten Abbildungen der Topographie und der mechanischen Eigenschaften. In dieser Arbeit wurden Techniken entwickelt, die einerseits zerstörungsfreie, tiefenaufgelöste Rasterkraftmikroskopie und andererseits Einzelmessungen mit variabler Dämpfung im intermittierenden Kontaktmodus ermöglichen. Die laterale Auflösung beider Methoden liegt dabei im Rahmen herkömmlicher Techniken (< 10 nm). Die Tiefenauflösung konnte im Vergleich zu anderen Methoden um eine Größenordnung auf unter 1 nm verbessert werden. Die neuen Methoden wurden auf einer breiten Palette polymerer Materialien angewandt. Die räumliche Struktur oberflächennaher Bereiche eines Blockcopolymerfilms konnte im Vergleich zu herkömmlichen Methoden deutlich genauer abgebildet werden. Gleiches wurde auf elastomerem Polypropylen erreicht. Es konnten weiche, amorphe Deckschichten auf teilkristallinen Polymeren nachgewiesen und vermessen werden, was in der organischen Elektronik eine wichtige Rolle spielen kann. Die innere Struktur selbstangeordneter Nanodrähte aus Oligothiophen-Aggregaten konnte aufgelöst werden und es wurde die Selbstanordnung von Kollagenfibrillen im gequollenen Zustand beobachtet.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuer Methoden in der Rasterkraftmikroskopie, um die Qualität und Interpretierbarkeit von Oberflächenabbildungen auf der Nanometerskala, vor allem jener sehr weicher Proben, entscheidend zu verbessern. Der für polymere und biologische Materialien standardmäßig verwendete intermittierende Kontaktmodus führt auf weichen Oberflächen zu verfälschten Abbildungen der Topographie und der mechanischen Eigenschaften. In dieser Arbeit wurden Techniken entwickelt, die einerseits zerstörungsfreie, tiefenaufgelöste Rasterkraftmikroskopie und andererseits Einzelmessungen mit variabler Dämpfung im intermittierenden Kontaktmodus ermöglichen. Die laterale Auflösung beider Methoden liegt dabei im Rahmen herkömmlicher Techniken (< 10 nm). Die Tiefenauflösung konnte im Vergleich zu anderen Methoden um eine Größenordnung auf unter 1 nm verbessert werden. Die neuen Methoden wurden auf einer breiten Palette polymerer Materialien angewandt. Die räumliche Struktur oberflächennaher Bereiche eines Blockcopolymerfilms konnte im Vergleich zu herkömmlichen Methoden deutlich genauer abgebildet werden. Gleiches wurde auf elastomerem Polypropylen erreicht. Es konnten weiche, amorphe Deckschichten auf teilkristallinen Polymeren nachgewiesen und vermessen werden, was in der organischen Elektronik eine wichtige Rolle spielen kann. Die innere Struktur selbstangeordneter Nanodrähte aus Oligothiophen-Aggregaten konnte aufgelöst werden und es wurde die Selbstanordnung von Kollagenfibrillen im gequollenen Zustand beobachtet.

No description available.

Systems of interacting colloidal particles are ideal tools for studies of pattern formation and collective non-equilibrium dynamics on the mesoscopic scale. These processes are governed by the interaction between the particles, which can be tuned by sophisticated fabrication. In this thesis, self-assembly of artificially designed magnetic spheres dispersed in water has been studied via video microscopy. The particles are based on silica microspheres with hemispherical ferromagnetic coating of [Co/Pd] multilayers with perpendicular magnetic anisotropy. These particles are exceptional in that they exhibit an off-centered net magnetic moment and yet obey rotational and mirror symmetry. It has been demonstrated how these magnetic properties provide innovative flexibility in pattern formation and collective dynamics based on magnetostatic interactions on the mesoscopic scale. The results are supported by analytical and numerical calculations of interacting spheres with radially shifted point dipoles (sd-particles). In two dimensions, the particles spontaneously self-assemble into branched structures as a result of a bistable assembly behavior where neighboring particles exhibit a non-collinear magnetic orientation. It has been shown that these features, which are atypical for homogeneous systems of magnetic particles, can be reproduced by simulation. It employs a theoretical model of a sphere that contains a distribution of three radially shifted point dipoles in analogy to the magnetization distribution in the coated particles. The stability of the assembly has been examined further by external manipulation using optical tweezers and homogeneous magnetic fields. A rich variety of stable structures with diverse spatial and magnetic ordering has been found. Particularly, the collective alignment of the specially designed particles in external fields opens completely new possibilities for the remote control over reversible pattern formation on the micrometer scale. In time-dependent fields, the collective dynamics of the anisotropic particles has revealed a novel approach for magnetically actuated translation. The variety of stable structures particularly enables control over this motion. / Kolloidale Suspensionen sind geeignete Systeme zur Untersuchung von Strukturbildung und kollektiver Nichtgleichgewichtsdynamik in mesoskopischen Größenskalen. Diese Vorgänge werden durch die Wechselwirkung zwischen den Teilchen bestimmt, welche durch geeignete Partikelherstellung angepasst werden kann. In der vorliegenden Arbeit wird ein System von künstlich hergestellten magnetischen Partikelsuspensionen mittels Videomikroskopie untersucht. Quarzglas-Mikrokugeln wurden halbseitig mit einer ferromagnetischen Dünnschicht aus [Co/Pd] Multilagen mit senkrechter Anisotropie beschichtet. Solche Partikel sind ausgezeichnet durch ein resultierendes magnetisches Moment mit Rotations- und Spiegelsymmterie, welches zusätzlich vom Mittelpunkt der Kugel verschoben ist. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass diese Besonderheit zu einer bisher unbekannten Flexibilität bei der mesoskopischen Strukturbildung und der kollektiven Dynamik auf der Basis magnetostatischer Wechselwirkung führt. Die vorgestellten Ergebnisse werden durch analytische und numerische Berechnungen unterstützt, denen ein Modell einer idealen Kugel mit verschobenem Dipol zugrunde liegt. Die zweidimensionale Selbstanordnung der Partikel zeigt experimentell zwei stabile Formen der Verknüpfung, welche zu verzweigten Strukturen mit unterschiedlich magnetischer Ausrichtung benachbarter Partikel führen. Diese für ein homogenenes System magnetischer Partikel außergewöhnlichen Eigenschaften konnten in Simulationen durch ein Modellsystem aus Kugeln mit drei verschobenen Punktdipolen reproduziert werden. Darüber hinaus wurde die spontante Anordnung unter externer Manipulation mittels optischer Pinzette und magnetischen Feldern untersucht. Es konnte eine Vielfalt an stabilen Strukturen mit verschiedenen magnetischen und strukturellen Anordnungen gefunden werden. Insbesondere die kollektive Ausrichtung dieser Partikel in externen Feldern eröffnet neuartige Möglichkeiten, kontrolliert und reversibel Mikrostrukturen zu erzeugen. In zeitabhängigen Feldern zeigen die anisotropen Partikel zusätzlich eine kollektive Dynamik welche eine neue Möglichkeit zum magnetischen Antrieb von Partikelagglomeraten eröffnet. Die Vielfalt der möglichen stabilen Strukturen erlaubt es in besonderer Weise diese Bewegung zu steuern.

Nearly all functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies are conducted in the supine body posture, which has been discussed as a potential confounder of such examinations. The literature suggests that cognitive functions, such as problem solving or perception, differ between supine and upright postures. However, the effect of posture on many cognitive functions is still unknown. Therefore, the aim of the present study was to investigate the effects of body posture (supine vs. sitting) on one of the most frequently used paradigms in the cognitive sciences: the N-back working memory paradigm. Twenty-two subjects were investigated in a randomized within-subject design. Subjects performed the N-back task on two consecutive days in either the supine or the upright posture. Subjective sleep quality and chronic stress were recorded as covariates. Furthermore, changes in mood dimensions and heart rate variability (HRV) were assessed during the experiment. Results indicate that the quality of sleep strongly affects reaction times when subjects performed a working memory task in a supine posture. These effects, however, could not be observed in the sitting position. The findings can be explained by HRV parameters that indicated differences in autonomic regulation in the upright vs. the supine posture. The finding is of particular relevance for fMRI group comparisons when group differences in sleep quality cannot be ruled out.

While previous studies successfully identified the core neural substrates of the animal subtype of specific phobia, only few and inconsistent research is available for dental phobia. These findings might partly relate to the fact that, typically, visual stimuli were employed. The current study aimed to investigate the influence of stimulus modality on neural fear processing in dental phobia. Thirteen dental phobics (DP) and thirteen healthy controls (HC) attended a block-design functional magnetic resonance imaging (fMRI) symptom provocation paradigm encompassing both visual and auditory stimuli. Drill sounds and matched neutral sinus tones served as auditory stimuli and dentist scenes and matched neutral videos as visual stimuli. Group comparisons showed increased activation in the insula, anterior cingulate cortex, orbitofrontal cortex, and thalamus in DP compared to HC during auditory but not visual stimulation. On the contrary, no differential autonomic reactions were observed in DP. Present results are largely comparable to brain areas identified in animal phobia, but also point towards a potential downregulation of autonomic outflow by neural fear circuits in this disorder. Findings enlarge our knowledge about neural correlates of dental phobia and may help to understand the neural underpinnings of the clinical and physiological characteristics of the disorder.

No description available.