Das menschliche Gehirn ist ein Organ, das aufgrund seiner Komplexität und zellulären Diversität noch am wenigsten verstanden ist. Eine der Ursachen dafür sind zahlreiche Herausforderungen in diversen neurobiologischen Bild-gebungsverfahren. Erst seit der Erfindung der hochauflösenden Fluoreszenz-mikroskopie ist es möglich, Strukturen unterhalb der Beugungsgrenze zu visua-lisieren und somit eine maximale Auflösung von bis zu 20 nm zu erreichen. Zusätzlich hängt die Fähigkeit, biologische Strukturen aufzulösen, von der Markierungs-größe und -dichte ab. Derzeit ist die häufigste Methode zur Proteinfärbung die indirekte Antikörperfärbung, bei der ein Fluorophor-markierter Sekundärantikörper an einen Epitop-spezifischen Primärantikörper bindet. Dabei kann der Abstand von Zielstruktur und Fluorophor bis zu 30 nm betragen, was eine Auflösungs-verminderung zur Folge haben kann. Aufgrund dessen wurden in dieser Arbeit alternative Markierungsmethoden getestet, um postsynaptische Proteine sicht-bar zu machen. Zunächst wurde der postsynaptische N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptor mit Hilfe konventioneller indirekter Antikörperfärbung markiert. Hier war die NR1-Untereinheit des NMDA-Rezeptors von besonderem Interesse, da diese in der Autoimmunerkrankung Anti-NMDA-Rezeptor-Enzephalitis invol-viert ist. Patienten dieser seltenen Krankheit bilden Autoantikörper gegen die NR1-Untereinheit, wodurch ein schneller reversibler Verlust der NMDA-Rezeptoren auf der Postsynapse induziert wird. Wichtige Informationen können nicht mehr ausreichend weitergegeben werden, was psychiatrische und neurologi-sche Störungen zur Folge hat. In dieser Arbeit wurden sowohl kommerzielle NR1-Antikörper, als auch rekombinante monoklonale NR1-Antikörper von Patien-ten mit Anti-NMDA-Rezeptor-Enzephalitis getestet. In konfokalen und in hochaufgelösten SIM- (engl. structured illumination microscopy) und dSTORM- (engl. direct stochastic optical reconstruction microscopy) Messun-gen konnten kommerzielle NR1-Antikörper keine erfolgreichen Färbungen erzielen. Dagegen erwiesen sich die rekombinanten monoklonalen NR1-Patientenantikörper als sehr spezifisch, sowohl in primären Neuronen als auch im Hippocampus von murinen Gehirnschnitten und lieferten gute Kolokalisati-onen mit dem postsynaptischen Markerprotein Homer. Um die optische Auflösung zu verbessern, wurde eine neue Markierungs-methode mit sog. „Super-Binde-Peptiden“ (SBPs) getestet. SBPs sind modifi-zierte Peptide, die erhöhte Affinitäten und Spezifitäten aufweisen und mit ei-ner Größe von ~ 2,5 nm wesentlich kleiner als Antikörper sind. In dieser Arbeit bestätigte sich ein kleines hochspezifisches SPB, das an den Fluoreszenzfarb-stoff Tetra- methylrhodamin (TMR) gekoppelt ist, als effektiver Marker für das Ankerpro-tein Gephyrin. Gephyrin ist für die Lokalisation und Verankerung einiger post-synaptischer Rezeptoren zuständig, indem es sie mit dem Cytoskelett der Zelle verbindet. SIM-Messungen in primären Neuronen zeigten eine bessere Clus-terrepräsentation bei der Färbung von Gephyrin mit SBPs, als mit Antikörper-färbung. Zusätzlich wurden Kolokalisationsanalysen von Gephyrin zusammen mit dem inhibito-rischen präsynaptischen vesikulären GABA-Transporter VGAT durchgeführt. Eine weitere Färbemethode stellte die bioorthogonale Click-Färbung durch die Erweiterung des eukaryotischen genetischen Codes (engl. genetic code ex-pansion, GCE) dar. Dabei wurde eine unnatürliche, nicht-kanonische Amino-säure (engl. non-canonical amino acid, ncAA) ins Zielprotein eingebaut und in Kombination mit der Click-Chemie ortsspezifisch mit organischen Tetrazin-Farbstoff-Konjugaten angefärbt. Organische Fluorophore haben den Vorteil, dass sie mit einer Größe von 0,5 – 2 nm sehr klein sind und damit die natürli-chen Funktionen der Proteine in der Zelle kaum beeinflussen. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal gezeigt, dass der tetramere postsynaptische NMDA-Rezeptor durch die Amber-Supres-sionsmethode bioorthogonal angefärbt werden konnte. Aus sieben verschiede-nen Amber-Mutanten der NR1-Untereinheit stellte sich die Y392TAG-NR1-Mutante als diejenige mit der besten Proteinexpression, Färbeeffizienz und rezeptorfunktionalität heraus. Dies konnte durch Fluoreszenzmikroskopie- und Whole-Cell Patch-Clamp-Experimenten gezeigt werden. Die bioorthogo-nale Click-Färbung durch GCE eignete sich für die Färbung des NMDA-Rezeptors in verschiedenen Zelllinien, mit unterschiedlichen Tetrazin-Farbstoff-Konjugaten und für Lebendzellexperimente. In dSTORM-Messungen erwies sich das Tetrazin-Cy5-Farbstoff-Konjugat als ideal aufgrund seiner Grö-ße, Photostabilität, Helligkeit und seines geeigneten Blinkverhaltens, sodass eine homogene NMDA-Rezeptorverteilung auf der Zellmembran gezeigt wer-den konnte. NR1-Antikörperfärbungen wiesen dagegen starke Clusterbildun-gen auf. Die Ergebnisse konnten belegen, dass kleinere Farbstoffe eine deut-lich bessere Zugänglichkeit zu ihrem Zielprotein haben und somit besser für die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie geeignet sind. / Due to its complexity and cellular diversity, the human brain is an organ which is poorly understood. In particular, there are numerous challenges in different neurobiological imaging processes. The advent of super-resolution fluorescence microscopy, where a maximal optical resolution of up to 20 nm is achievable, made it feasible to visualize structures beyond the diffraction limit. The ability to resolve biological structures is further dependent on the labeling size and density. Currently, indirect antibody staining is the most common method for protein labeling. Thereby, a fluorophore marked secondary anti-body binds an epitope specific primary antibody. Consequently, the off-distance between target structure and fluorophore can be up to 30 nm, which could provoke a decrease of resolution. As a result, alternative labeling methods were tested in this work to visualize postsynaptic proteins. Initially, labeling of the postsynaptic N-methyl-D-aspartate (NMDA) recep-tor was performed with conventional indirect antibody staining. Here, the NR1 subunit of the NMDA receptor was of special interest because it is involved in the autoimmune disease of Anti-NMDA receptor encephalitis. Patients of this rare disorder produce autoantibodies against the NR1 subunit, which induces a fast and reversible reduction of NMDA receptors on the postsynapse. Important synaptic information cannot be transferred sufficiently which results in psychiatrical and neurological deficiencies. In this work commercial NR1 antibodies as well as recombinant monoclonal NR1 antibodies from patients with Anti-NMDA receptor encephalitis were tested. In confocal and super-resolved SIM (structured illumination microscopy) and dSTORM (direct sto-chastic optical reconstruction microscopy) measurements the commercial NR1 antibodies could not obtain a successful staining. In contrast, recombinant monoclonal NR1 patient antibodies turn out to be very specific, both in primary neurons and in the hippocampus of murine brain slices. Additionally, they show perfect colocaliza-tion together with the postsynaptic marker protein Homer. To further improve the optical resolution, a new labeling method was tested with so called “super-binding peptides” (SBPs). SBPs are modified peptides with enhanced affinity and specificity. With a size of ~ 2.5 nm, they are much smaller than antibodies. In this work a small, highly specific SBP, coupled to the fluorescent dye tetramethylrhodamine (TMR), turned out to be an efficient marker for the postsynaptic anchor protein gephyrin. Gephyrin is responsible for the localization and anchoring of postsynaptic receptors by connecting them with the cytoskeleton of the cell. SIM measurements in primary neurons showed better cluster representation of gephyrin stained with SBPs than with antibody stain-ing. In addition, colocalization analysis of gephyrin together with the inhibitory presynaptic vesicular GABA transporter VGAT was performed. Another staining method was the bioorthogonal click chemistry by the eu-karyotic genetic code expansion (GCE). Thereby, an unnatural, non-canonical amino acid (ncAA) is incorporated into the target protein and click-labeled site- specifically with an organic tetrazine dye conjugate. Organic dyes are very small with a size of only 0.5 – 2 nm and barely influence the natural function of proteins within the cell, which is beneficial for super-resolution microscopy. In this work, tetrameric postsynaptic NMDA receptors were bioorthogonally la-beled via the amber suppression method for the first time. From a series of seven different amber mutants of the NR1 subunit, the Y392TAG mutant was the one with the best protein expression, labeling efficiency and receptor functionality, as shown by fluorescence microscopy and whole-cell patch clamp experiments. The bioortho-gonal click staining by GCE was suitable for the NMDA receptor stain-ing in different cell lines, with various tetrazine dye conjugates and for live-cell experiments. In dSTORM measurements the tetrazine-Cy5 dye conjugate was ideal because of its size, photostability, brightness and appropriate blinking be-havior. Accordingly, a homogenous NMDA receptor distribution on the cell membrane was observed. In contrast, NR1 antibody staining showed big cluster formation. The results show that small labels have a better accessibility to its target and are therefore much more suitable for super-resolution microscopy.

The interaction of synaptic proteins orchestrate the function of one of the most complex organs, the brain. The multitude of molecular elements influencing neurological correlations makes imaging processes complicated since conventional fluorescence microscopy methods are unable to resolve structures beyond the diffraction-limit. The implementation of super-resolution fluorescence microscopy into the field of neuroscience allows the visualisation of the fine details of neural connectivity. The key element of my thesis is the super-resolution technique dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) and its optimisation as a multi-colour approach. Capturing more than one target, I aim to unravel the distribution of synaptic proteins with nanometer precision and set them into a structural and quantitative context with one another. Therefore dSTORM specific protocols are optimized to serve the peculiarities of particular neural samples. In one project the brain derived neurotrophic factor (BDNF) is investigated in primary, hippocampal neurons. With a precision beyond 15 nm, preand post-synaptic sites can be identified by staining the active zone proteins bassoon and homer. As a result, hallmarks of mature synapses can be exhibited. The single molecule sensitivity of dSTORM enables the measurement of endogenous BDNF and locates BDNF granules aligned with glutamatergic pre-synapses. This data proofs that hippocampal neurons are capable of enriching BDNF within the mature glutamatergic pre-synapse, possibly influencing synaptic plasticity. The distribution of the metabotropic glutamate receptor mGlu4 is investigated in physiological brain slices enabling the analysis of the receptor in its natural environment. With dual-colour dSTORM, the spatial arrangement of the mGlu4 receptor in the pre-synaptic sites of parallel fibres in the molecular layer of the mouse cerebellum is visualized, as well as a four to six-fold increase in the density of the receptor in the active zone compared to the nearby environment. Prior functional measurements show that metabotropic glutamate receptors influence voltage-gated calcium channels and proteins that are involved in synaptic vesicle priming. Corresponding dSTORM data indeed suggests that a subset of the mGlu4 receptor is correlated with the voltage-gated calcium channel Cav2.1 on distances around 60 nm. These results are based on the improvement of the direct analysis of localisation data. Tools like coordinated based correlation analysis and nearest neighbour analysis of clusters centroids are used complementary to map protein connections of the synapse. Limits and possible improvements of these tools are discussed to foster the quantitative analysis of single molecule localisation microscopy data. Performing super-resolution microscopy on complex samples like brain slices benefits from a maximised field of view in combination with the visualisation of more than two targets to set the protein of interest in a cellular context. This challenge served as a motivation to establish a workflow for correlated structured illumination microscopy (SIM) and dSTORM. The development of the visualisation software coSIdSTORM promotes the combination of these powerful super-resolution techniques even on separated setups. As an example, synapses in the cerebellum that are affiliated to the parallel fibres and the dendrites of the Purkinje cells are identified by SIM and the protein bassoon of those pre-synapses is visualised threedimensionally with nanoscopic precision by dSTORM. In this work I placed emphasis on the improvement of multi-colour super-resolution imaging and its analysing tools to enable the investigation of synaptic proteins. The unravelling of the structural arrangement of investigated proteins supports the building of a synapse model and therefore helps to understand the relation between structure and function in neural transmission processes. / Das Zusammenspiel von synaptischen Proteinen organisiert präzise die Funktion eines der komplexesten Organe, dem Gehirn. Die Vielfalt der molekularen Bestandteile, die diese neurologischen Beziehungen beeinflussen, verkomplizieren den Bildgebungsprozess, da die konventionellen Fluoreszenzmikroskopiemethoden Strukturen, die kleiner sind als das Beugungslimit, nicht auflösen können. Die Implementierung der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie in das Gebiet der Neurowissenschaften ermöglicht die Visualisierung feiner Details neurologischer Verbindungen. Die hochauflösende Mikroskopietechnik dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) und dessen Optimierung als Mehrfarbenanwendung sind Schlüsselelemente meiner Doktorarbeit. Mit der Möglichkeit mehr als ein Protein zu messen, ist es mein Ziel die Verteilung synaptischer Proteine mit nanometer Genauigkeit zu entschlüsseln und diese in ein strukturelles und quantitativ Verhältnis zueinander zu setzen. Aus diesem Grund wurden dSTORM spezifische Protokolle den Besonderheiten der jeweiligen neuronalen Proben angepasst und optimiert. In einem Projekt wird der neurotrophe Faktor BDNF (brain derived neurotrophic factor) in primären hippocampalen Neuronen untersucht. Mit einer Auflösungspräzision von unter 15 nm kann durch eine Färbung der Proteine Bassoon und Homer in der aktiven Zone die prä- und postsynaptische Seite identifiziert werden. Daraus resultierend können Kennzeichen für vollentwickelte Synapsen erfasst werden. Die Einzelmolekülsensitivität von dSTORM ermöglicht erstmalig die Messung von endogenem BDNF und zeigt, dass die BDNF Gruppierungen entlang von glutamatergen Präsynapsen verteilt sind. Diese Daten beweisen, dass hippocampale Neuronen die Möglichkeit haben, BDNF in der vollausgebildeten glutamatergen Präsynapse anzureichern und somit möglicherweise synaptische Plastizität beeinflussen. Die Verteilung des metabotropen Glutamatrezeptors mGlu4 wird in physiologischen Gehirnschnitten untersucht. Das ermöglicht den Rezeptor in seiner natürlichen Umgebung zu analysieren. Mit Zweifarben-dSTORM Messungen wird das räumliche Arrangement der mGlu4 Rezeptoren in der Präsynapse der parallelen Fasern der molekularen Schicht des Mauskleinhirns visualisiert und eine vier- bis sechsfache erhöhte Dichte des Rezeptors in der aktiven Zone, verglichen mit dem näheren Umfeld, aufgezeigt. Vorausgegangende funktionale Messungen zeigen, dass metabotrope Glutamatrezeptoren spannungsgesteuerte Calciumkanäle und Proteine, die in synaptische Vesikelgrundierung involviert sind, beeinflussen. Entsprechende dSTORM Daten deuten darauf hin, dass ein Teil der mGlu4 Rezeptoren mit dem spannungsgesteuerten Calciumkanal Cav2.1 auf einer Distanz von circa 60 nm korreliert ist. Diese Ergebnisse basieren auf der Verbesserung der direkten Analyse der Lokalisationsdatensätze. Werkzeuge, wie die Koordinaten basierte Korrelationsanalyse und die Nächste Nachbaranalyse von Clusterschwerpunkten werden sich ergänzend benutzt, um ein umfassendes Bild von Proteinverbindungen in der Synapse zu erzeugen. Die Grenzen und die Verbesserungsmöglichkeiten dieser Werkzeuge werden diskutiert, um die quantitative Analyse von Einzelmoleküldatensätzen voranzubringen. Die Durchführung von hochauflösender Mikroskopie an komplexen Proben, wie Gehirnschnitten, wird begünstigt durch die Maximierung der Aufnahmefläche in Kombination mit der Möglichkeit mehr als zwei Zielstrukturen zu visualisieren, um somit das Protein von primären Interesse in einen zellulären Zusammenhang zu setzen. Diese Herausforderung hat als Motivation gedient, ein Messprotokoll für korrelierte Strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM) und dSTORM zu etablieren. Die Entwicklung der Visualisierungssoftware coSIdSTORM erleichtert die Kombination dieser beiden leistungsstarken, hochauflösenden Techniken, sogar wenn diese auf getrennten Mikroskopieaufbauten umgesetzt werden. Als ein Beispiel werden Synapsen, die zwischen den parallelen Fasern in der molekularen Schicht des Cerebellums und den Purkinje-Zellen ausgebildet werden, mit SIM identifiziert und das Protein Bassoon in diesen Präsynapsen wird mit einer nanometergenauen Präzision drei-dimensional mit dSTORM Messungen visualisiert. In meiner Arbeit habe ich den Fokus auf die Weiterentwickelung von hochauflösender Mehrfarbenmikroskopie und die damit verbundenen analytischen Werkzeuge gelegt, sodass die Untersuchung von synaptischen Proteinen ermöglicht wird. Die Herausarbeitung des strukturellen Arrangements der untersuchten synaptischen Proteine unterstützt den Aufbau eines Models der Synapse und erweitert somit das Verständnis des Zusammenhangs von Struktur und Funktion in neuronalen Übertragungsvorgängen.

Als Kopf der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse spielt der Hypothalamus eine Schlüsselrolle für die depressive Symptomatik und bei pathogenetischen Modellen affektiver Störungen. Für nahezu alle Ebenen dieser Hormonachse lassen sich Funktions- und Strukturveränderungen, insbesondere Volumenveränderungen bei uni- oder bipolaren affektiven Störungen nachweisen. Zum Hypothalamus existiert hingegen, neben histochemischen Analysen, nur ein explorativer post mortem Befund einer Volumenreduktion von bis zu 15.5% bei uni- oder bipolar affektiv Erkrankten. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, Volumenveränderungen des Hypothalamus bei uni- und bipolaren affektiven Störungen in vivo nachzuweisen. Mittels der Hochfeld-MRT lässt sich der Hypothalamus seit einigen Jahren mit einer Auflösung von weniger als 1 mm detailgetreu abbil-den. Zur Beurteilung, ob diese Genauigkeit dem Studienziel gerecht wird, wird eingangs in einem vorab publizierten Literaturüberblick der aktuelle Forschungstand zu Strukturveränderungen des Hypothalamus bei uni- und bipolaren affektiven Störungen zusammengefasst und diskutiert. Die Überblicksarbeit kommt zu dem Urteil, dass auch in vivo Volumenreduktionen des Hypothalamus solcher Größenordnungen zu erwarten sind, dass sie mittels Hochfeldbildgebung nachgewiesen werden können. Zur präzisen Vermessung des Hypothalamusvolumens stellen anschließend zwei ebenfalls publizierte Methodenstudien die Entwicklung und Evaluation einer geeigneten Messmethodik anhand hochaufgelöster, T1-gewichteter 7 Tesla MRT-Aufnahmen vor. Sie umfasst eine Intensitätsstandardisierung sowie einen falschfarbengestützten Segmentierungsalgorithmus. Aufbauend auf diesen theoretischen und methodischen Vorarbeiten präsentiert die vierte publizierte Arbeit die weltweit ersten in vivo Daten zu Volumenveränderungen des Hypothalamus bei uni- und bipolaren affektiven Störungen. Im querschnittlichen Vergleich mit gesunden Probanden und unter Kontrolle des intrakraniellen Volumens und psychotroper Medikation konnten bei beiden Störungsbildern linksseitige Volumenvergrößerungen des Hypothalamus nachgewiesen werden. Diese sind möglicherweise ein strukturelles Korrelat histochemisch nachweisbarer Aktivitätssteigerungen hypothalamischer Kerngebiete. Alternativ können sie eine Aktivierung und Vermehrung der Gliazellen anzeigen. Schließlich kann eine Volumenzunahme des Hypothalamus auch auf eine Vergrößerung der Zellzwischenräume zurückgehen. Der relative Mangel an Gerüststrukturen könnte, infolge mechanischer Krafteinwirkungen bei der histologischen Gewebeaufbereitung, zu einer verstärkten Stauchung bei den Patienten führen und so den früheren, gegenteiligen post mortem Befund erklären. Zur Untersuchung der mikrostrukturellen Gewebeeigenschaften des Hypothalamus bei uni- und bipolaren affektiven Störungen soll daher in der Folge diffusionsgewichtete Bildgebung zum Einsatz kommen.:Kapitel 1 1.1 Der Hypothalamus als Vermittler zwischen Gehirn und Körper 1.2 Theoretische Einordnung und empirischer Kenntnisstand 1.2.1 Die HPA-Achse als Bindeglied zwischen Diathese und Stress. 1.2.2 Hirnstrukturelle und -funktionelle Korrelate affektiver Störungen. 1.3 Forschungsthema 1.3.1 Problemstellung. 1.3.2 Forschungsziele. 1.4 Fragestellungen und Hypothesen 1.4.1 In vivo Strukturveränderungen des Hypothalamus bei affektiven Störungen. 1.4.2 Wie gestaltet sich eine reliable Messmethode? 1.4.3 Welche Intensitätsstandardisierung optimiert die Bilddatenqualität? 1.4.4 Verringertes in vivo Hypothalamusvolumen bei affektiven Störungen. Kapitel 2 2.1 Review Artikel 2.2 Segmentierungsalgorithmus 2.3 Intensitätsstandardisierung 2.4 Patientenstudie Kapitel 3 3.1 Hauptergebnisse 3.1.1 Theoretische und methodische Vorarbeiten. 3.1.2 Patientenstudie. 3.2 Wissenschaftliche Bewertung und Einordnung der Hauptergebnisse 3.2.1 Fundierung der Hypothesen. 3.2.2 Stärken und Schwächen der Patientenstudie. 3.2.3 Bewertung der Messmethodik. 3.2.4 Inhaltliche Interpretation des explorativen Befunds. 3.2.5 Ausblick. Anhang 4.1 Literaturverzeichnis 4.2 Abkürzungsverzeichnis 4.3 Zusammenfassung 4.4 Summary 4.5 Publikationsverzeichnis 4.6 Selbsständigkeitserklärung 4.7 Nachweise über Anteile der Co-Autoren

Die Fernerkundung ist eine wichtige Quelle für aktuelle und qualitativ hochwertige Geodaten bzw. für die Aktualisierung von vorhandenen Geodaten. Die Entwicklung von neuen flugzeug- und satellitengestützten digitalen Sensoren in den letzten Jahren hat diese Bedeutung noch erhöht. Die Sensoren erschließen aufgrund ihrer verbesserten räumlichen und radiometrischen Auflösung und der vollständig digitalen Verarbeitungskette neue Anwendungsfelder. Klassische Auswerteverfahren stoßen bei der Analyse der Daten häufig an ihre Grenzen. Die in dieser Arbeit vorgestellte multiskalige objektklassen-spezifische Analyse stellt hier ein sehr gut geeignetes Verfahren dar, welches gute Ergebnisse liefert. Die Klassifizierung der Daten erfolgt mittels eines Fuzzy- Klassifizierungsverfahrens, welches Vorteile in der Genauigkeit und Interpretierbarkeit der Ergebnisse liefert. Die thematische Genauigkeit (Datenqualität) der Fuzzy-Klassifizierung ist von entscheidender Bedeutung für die Akzeptanz der Ergebnisse und ihre weitere Nutzung. Hier wurden Methoden zur räumlich differenzierten Ermittlung und Visualisierung der thematischen Genauigkeit entwickelt.Außerdem wurde die Methode der segmentbasierten Fuzzy-Logic Veränderungsanalyse (SFLV) entwickelt. Die Methode ermöglicht die Veränderungsanalyse von sehr bis ultra hoch aufgelösten Fernerkundungsdaten mit einer differenzierten Aussage zu den eingetretenen Veränderungen. Sie basiert auf den Standard Operationen für unscharfe Mengen und nutzt die Ergebnisse der entwickelten Methode zur Analyse hochauflösender Fernerkundungsdaten. Die SFLV liefert einen deutlichen Mehrwert zu dem klassischen Vergleich zweier Klassifizierungsergebnisse, indem sich differenzierte Aussagen über mögliche Veränderungen machen lassen. Die Anwendbarkeit der SFLV wurde erfolgreich an einem kleinen Untersuchungsgebiet auf der Elbinsel Pagensand beispielhaft für Veränderungsanalyse von Biotoptypen auf der Grundlage von HRSC-A Daten aufgezeigt.

In festen azobenzenhaltigen Polymeren wurde bei Bestrahlung mit blauem Licht ein makroskopischer Materialtransport beobachtet. Um die Dynamik der Gitterentstehung zu verfolgen, wurde am Speicherring für Synchrotronstrahlung ein Gitterschreibaufbau errichtet. Damit konnte erstmals in dieser Arbeit die Gitterbildungsgeschwindigkeit in-situ simultan mit Röntgen- und Lichtstreuung untersucht werden. Mit Hilfe einer speziellen Anpassung der Röntgenstreutheorie konnten sehr gute Übereinstimmungen von theoretischen Berechnungen mit den Messergebnissen erzielt werden. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass sich zeitgleich mit einem Oberflächengitter auch ein Dichtegitter entwickelt. Durch die Trennung beider Streuanteile ließ sich die Dynamik der Strukturentstehungen bestimmen. Des weiteren konnte erstmals mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie die molekulare Orientierung an der Oberfläche eines Oberflächengitters nachgewiesen werden. Die Bewegungsursache kann auf einen Impulsübertrag während der Isomerisierung zurückgeführt werden, während die Bewegungsrichtung durch den elektrischen Feldvektor festgelegt wird. Die Theorie der Gitterentstehung konnte verbessert werden. / Solid azobenzene containing polymers show a macroscopic material transport under illumination with blue light. A writing setup was constructed at a synchrotron beamline in order to investigate the dynamics of the grating formation. With this setup it was possible to record the grating velocity for the first time simultaneously with x-ray and laser light scattering. <br /> A very good consistency could be achieved between the experiments and a suitable accomodation of the x-ray scattering theory. The theory reveals, that a density grating develops simultaneously with a surface grating. By separation of both parts the dynamics was determined for the density and the surface grating.<br /> The molecular ordering was determined at the surface with photoelectron spectroscopy. A momentum transfer could be identified as the source of the movement while the electric field defines the direction of the movement. The theory of the grating formation was improved.

International crash statistics indicate a decrease of bicycle crashes, but at a slower pace compared to total crash numbers. The share of crashes with involved cyclists is above the modal share (see [1] for an overview). Depending on sources, types of analyses, and geographic regions, crash statistics suggest high rates of singlebike crashes and crashes between cyclists and other vulnerable road users (VRUs) [2], while cars are opponents in more than half of all fatal crashes in the European Union [3]. The design of th.e road environment is of particular relevance for crash risks. A study from London found three times higher injury odds for cyclists at intersections [4]. Connected and automated vehicles (CAV) are frequently said to increase the safety level in road traffic since they are less prone to human errors [5]. This might hold true in transport systems with little complexity, such as highways [6]. However, when it comes to complex situations in multimodal systems with multiple interactions between different road users, such as intersections in urban environments, existing solutions are not sufficient yet in terms of protecting VRUs. ... In order to contribute to the safety of VRUs in the interplay with CAVs in current systems, we propose a geospatial model, which delineates potential interaction risk zones from high definition (HD) maps and enriching these zones with additional information. These enriched risk zones are then provided as standardized OGC web service, which can be integrated in V2X systems. With this, we contribute to the visibility, and thus the safety of VRUs in connected transport systems. From a methodological point of view, the proposed model is a first step in integrating spatial context and semantic information explicitly into V2X communication. [From: Introduction]

Schwefellost (SM) ist ein verbotener chemischer Kampfstoff. Nach Aufnahme über die Haut führt SM zu einer Reihe von Symptomen. Auf der molekularen Ebene beruht die Toxizität von SM auf der Reaktion mit DNA und Proteinen. Diese kovalenten Addukte eignen sich zum forensischen Nachweis und können über Flüssigkeitschromatographie gekoppelte Massenspektrometrie (LC-MS) detektiert werden. Ein Hauptziel war es in vitro zu untersuchen ob chemisches Scavenging von N-Acetylcystein (NAC) und Glutathion (GSH) Einfluss in der Behandlung von SM-Vergiftungen hat. Es konnte geklärt werden, dass NAC und GSH a) die Alkylierung von Cys34 in humanen Serum Albumin (HSA) durch SM nicht unterbinden kann und b) den Abbau von SM in gepufferter Lösung nicht beschleunigt. Somit ist Scavenging von SM durch NAC und GSH vernachlässigbar. Trotzdem konnte die Stabilität und die Zuverlässigkeit des Testsystems gezeigt werden. Das zweite Hauptziel war es neue peptidische Biomarker für den Nachweis von SM-Vergiftungen zu finden. Es wurde eine Methode entwickelt, um SM-alkylierte Aminosäurereste in HSA zu finden. Somit konnten 42 SM-alkylierte Peptide gefunden werden. Insgesamt wurden 27 Alkylierungsstellen identifiziert, von denen 24 noch nicht in der Literatur beschrieben wurden. Die vielversprechendste der neue Alkylierungsstellen war das Met329 in HSA. Durch Proteolyse mittels Pepsin wurde das LGM(-HETE)F Tetrapeptid freigeschnitten. Probenvorbereitung und LC-MS Bedingungen wurden optimiert. Allerdings gelang der Nachweis von LGM(-HETE)F in Patientenplasma nicht, was möglicherweise an einer geringeren Stabilität der SM-Alkylierung von Met329 lag. Trotzdem kann sich LGM(-HETE)F als Kurzzeitmarker eignen. Der beobachtete Transfer der HETE-Modifikation vom Met329 zu Glu und Cys Seitenketten stellt einen neuen Einblick in den molekularen Wirkmechanismus von SM dar. Basierend auf diesen Erkenntnissen konnte in Nachfolgestudien die Hemmung von Enzymen durch Alkylierung von Met durch SM gezeigt werden. / Sulfur mustard (SM) is a banned chemical warfare agent. After incorporation, SM may cause tremendous symptoms. On the molecular level, SM reacts with DNA and proteins. These covalent adducts may be useful for forensic or analytical purposes. After adducting SM, proteins can be proteolyzed forming peptides with a SM-modified amino acid residue. These peptide biomarkers can be detected using liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS). One major aim was to develop an in vitro assay to clarify the impact of chemical scavenging of N-acetylcysteine (NAC) and glutathione (GSH) in the treatment of SM. It was found that NAC and GSH had no relevant influence on a) the extent of alkylation of Cys34 in human serum albumin (HSA) and b) the degradation velocity of SM in buffered solution. Accordingly, it was concluded that chemical scavenging of SM by NAC or GSH is negligible. Nevertheless, the robustness and reliability of the developed in vitro assay was shown. The second major aim was to identify novel peptide biomarkers of SM poisoning. An untargeted method to identify SM-alkylated amino acid residues in HSA was developed. Application of this method revealed 42 SM-modified peptides alkylated at 27 different positions. 24 of these positions were not described in the literature so far. A highly interesting target, Met329 in HSA, was investigated in more detail. After pepsin mediated proteolysis, the covalently modified tetrapeptide LGM( HETE)F was generated. Sample preparation and LC-MS conditions were optimized. However, when applying this novel marker to real samples, it could not be detected likely due to its limited stability. Nevertheless, LGM( HETE)F still represents a suitable short term biomarker. The observed transfer of the HETE-moiety from Met329 to Glu and Cys side chains represents a novel insight into the molecular toxicology of SM. Based on these results follow-up studies proved the enzyme inhibitory effect of SM-alkylation of Met residues in keratin kinase.

Als Datengrundlage für die Erhebung von Flächennutzungsparametern, wie sie in geografischen Informationssystemen (GIS) abgelegt und verwaltet werden, dienen oft Bilddaten aus der Erdfernerkundung. Die zur Erkennung und Unterscheidung der Objekte notwendige hohe Pixelauflösung führt bei der Erfassung eines Zielgebiets wie beispielsweise einer Stadt zu enormen Datenmengen. Aus diesen Bilddaten gilt es, möglichst schnell und preiswert die für ein GIS notwendigen Informationen, wie Umrissvektoren und Objektattribute, zu extrahieren. Diese Arbeit ist ein Beitrag zur Automatisierung dieses Schritts mit besonderem Schwerpunkt auf der Gebäudeextraktion. Datengrundlage sind hochauflösende multispektrale Orthobilder und ein digitales Oberflächenmodell (DOM) der digitalen Luftbildkamera HRSC-A bzw. HRSC-AX zum Einsatz. Deswegen werden das Aufnahmeprinzip sowie die Datenverarbeitung der HRSC überblicksartig vorgestellt. Auf Basis dieser HRSC-Standarddatenprodukte wird ein Vorgehen zur Extraktion von Objekten entwickelt. In einer hierarchisch geordneten Abfolge an Segmentierungsschritten werden aus der Pixelinformation bedeutungstragende Einheiten extrahiert. Dieser Segmentierungsansatz lässt sich auf mehrere Objektkategorien, wie Straßen oder Ackerflächen, erweitern. So werden in der aktuellen Entwicklungsstufe neben Gebäuden auch Baumregionen detektiert. Anhand des Oberflächenmodells werden erhöhte Regionen erkannt. Dazu wird das DOM durch Berechnung eines Terrainmodells auf Grundhöhe normiert. Für erhöhte Objekte wird die Grundhöhe aus umliegenden Grundregionen abgeleitet. Die erhöhten Regionen werden anschließend in Bäume und Gebäude unterteilt. Dazu werden aus den Multispektraldaten Vegetationscharakteristika bestimmt und entsprechende Baumsegmente ermittelt. Die Gebäuderegionen resultieren aus einer Nachverarbeitung der verbleibenden Segmente. Um Gebäudekomplexe in einzelne Häuser aufzuteilen, wird ein gradientenbasierter Ansatz entwickelt. Anhand der für Brandmauern typischen Gradienteninformation werden Linienhypothesen zur Unterteilung der Gebäudesegmente generiert. Diese werden schrittweise anhand geometrischer und radiometrischer Kriterien auf ihre Plausibilität überprüft. Schließlich werden die ursprünglich aus dem DOM stammenden Konturen der Gebäudesegmente und deren Übereinstimung mit Bildkanten eines Orthobildes betrachtet. In einem adaptiven Ansatz wird das Konturpolygon durch die Gradienteninformation an angrenzende Bildkanten angepasst. Zur Umsetzung typischer Gebäudegeometrien wie rechter Winkel oder Parallelität werden innerhalb des Adaptionsprozesses entsprechende Nebenbedingungen formuliert. Die Extraktion erhöhter Objekte wie auch deren Unterteilung in Bäume und Gebäude erfolgt mit hoher Genauigkeit, z.B. liegen die Detektionsraten bei Gebäuden über 90%. Der neuartige Ansatz zur Unterteilung in einzelne Häuser ohne explizite Liniendetektion führt bereits in der vorgestellten Entwicklungsstufe zur Beschleunigung einer manuellen Interpretation. Die adaptive Verbesserung der Gebäudekontur führt zu gebäudetypischeren Umrissen ohne Beeinträchtigung der hohen Detektionsraten. / Remote sensing image data are often used as a basis for determining land use parameters, as they are stored and managed in geographic information systems (GIS). Covering a target area leads to an enormous amount of data due to the high pixel resolution required for recognizing and discriminating objects. To effectively derive GIS information like contour vectors or object attributes from these data, the extraction process has to be fast and cost-effective. This thesis is a contribution to the automization of this step with a focus on building extraction. High resolution multispectral ortho-images and a digital surface model (DSM), generated by the digital aerial camera HRSC-A or HRSC-AX, are used as data basis. Therefore, the HRSC imaging principle and data processing are summarized. Based on these HRSC standard data products, an object extraction scheme is developed. In a hierarchically ordered sequence of segmentation steps, meaningful units are extracted from pixel information. This segmentation approach is extendable to several object categories like streets or fields. Thus, tree regions, as well as buildings are detected in the current stage of implementation. Elevated regions are recognized using the digital surface model. For that purpose the DSM is normalized by calculating a terrain model. For elevated objects the terrain height is derived from surrounding ground regions. Subsequently, the elevated regions are separated into trees and buildings. Determining spectral characteristics of vegetation from the multispectral data leads to corresponding tree segments. The building regions result from post-processing the remaining segments. In order to split the building segments into single houses, a gradient based approach is developed. By means of the gradient information associated with firewalls, line hypotheses for subdividing the building segments are generated. Their plausibility is checked by gradually applying geometric and spectral criteria. Finally, the building contours, originally derived from the DSM, and their correspondence to image edges in an ortho-image, are considered. In an adaptive approach, the contour polygon is adjusted to neighboring image edges using the gradient information. Typical building geometries like right angles or parallelism are enforced by applying corresponding constraints in the adaption process. The extraction of elevated objects, as well as the separation into trees and buildings, is carried out with high accuracy, e.g. the building detection rates are over 90%. In the current development stage the novel approach for separating building segments into single houses without an explicit line detection already leads to a speeding-up of a manual interpretation. The adaptive improvement of building contours leads to building typical contours without affecting the high detection rates.

Seit mit den Synchrotronstrahlungsquellen dritter Generation hochbrillante Röntgenquellen zur Verfügung stehen, haben sich Vollfeldmikroskopie und Rastersondenmikroskopie mit harter Röntgenstrahlung als besonders nützliche Untersuchungsmethoden etabliert. Insbesondere bei der vergrößernden Mikroskopie mit harter Röntgenstrahlung werden Röntgenkameras mit hoher Anforderung bezüglich der Ortsauflösung benötigt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein zweidimensionaler Röntgendetektor für die Mikroskopie mit harter Röntgenstrahlung entworfen, gebaut und im Experiment getestet und charakterisiert. Hauptaugenmerk war dabei ein möglichst hohes Ortsauflösungsvermögen des Detektors verbunden mit einem großen effektiven dynamischen Bereich. Als vielversprechendes Konzept erwies sich dabei die Verwendung eines einkristallinen Szintillators, der mittels einer Mikroskopoptik auf einen CCD-Chip abgebildet wird. Im Experiment stellte sich heraus, dass der im Zuge dieser Diplomarbeit konzipierte Flächendetektor sämtliche an ihn gestellten Anforderungen hervorragend erfüllt. Obwohl ursprünglich für die vergrößernde Tomographie mit harter Röntgenstrahlung entwickelt, findet die Röntgenkamera darüber hinaus beim Justieren nanofokussierender refraktiver Röntgenlinsen in Rastersondenmikroskopen Verwendung. / With the advent of highly-brilliant third generation synchrotron radiation sources, hard x-ray full-field microscopy and hard x-ray scanning microscopy were developed and have been shown to be excellent methods for scientific investigations. Especially for magnified hard x-ray full-field microscopy, there is the need for two-dimensional x-ray detectors with highest demands on spatial resolution and effective dynamic range. In the course of this diploma thesis, such an area x-ray detector with high spatial resolution and large dynamic range was designed and built and then tested and characterized in experiment. The high-resolution x-ray camera consists of a visible light microscope which images the sensitive layer of a single-crystal scintillator on the CCD chip of a CCD camera. A test experiment gave evidence that the x-ray camera actually fulfills all the requirements with regard to spatial resolution, sensitivity and effective dynamic range. Originally, the detector was developed for magnified hard x-ray tomography, but in addition, it is applied for alignment purposes of nanofocusing refractive x-ray lenses in a hard x-ray scanning microscope.

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