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Gewässer werden traditionellerweise als abgeschlossene Ökosysteme gesehen, und insbeson¬dere das Zirkulieren von Wasser und Nährstoffen im Pelagial von Seen wird als Beispiel dafür angeführt. Allerdings wurden in der jüngeren Vergangenheit wichtige Verknüpfungen des Freiwasserkörpers von Gewässern aufgezeigt, die einerseits mit dem Benthal und andererseits mit dem Litoral, der terrestrischen Uferzone und ihrem Einzugsgebiet bestehen. Dadurch hat in den vergangen Jahren die horizontale und vertikale Konnektivität der Gewässerökosysteme erhöhtes wissenschaftliches Interesse auf sich gezogen, und damit auch die ökologischen Funktionen des Gewässergrunds (Benthal) und der Uferzonen (Litoral). Aus der neu beschriebenen Konnektivität innerhalb und zwischen diesen Lebensräumen ergeben sich weitreichende Konsequenzen für unser Bild von der Funktionalität der Gewässer. In der vorliegenden Habilitationsschrift wird am Beispiel von Fließgewässern und Seen des nordostdeutschen Flachlandes eine Reihe von internen und externen funktionalen Verknüpfungen in den horizontalen und vertikalen räumlichen Dimensionen aufgezeigt. Die zugrunde liegenden Untersuchungen umfassten zumeist sowohl abiotische als auch biologische Variablen, und umfassten thematisch, methodisch und hinsichtlich der Untersuchungsgewässer ein breites Spektrum. Dabei wurden in Labor- und Feldexperimenten sowie durch quantitative Feldmes¬sungen ökologischer Schlüsselprozesse wie Nährstoffretention, Kohlenstoffumsatz, extrazellu¬läre Enzymaktivität und Ressourcenweitergabe in Nahrungsnetzen (mittels Stabilisotopen¬methode) untersucht. In Bezug auf Fließgewässer wurden dadurch wesentliche Erkenntnisse hinsichtlich der Wirkung einer durch Konnekticität geprägten Hydromorphologie auf die die aquatische Biodiversität und die benthisch-pelagische Kopplung erbracht, die wiederum einen Schlüsselprozess darstellt für die Retention von in der fließenden Welle transportierten Stoffen, und damit letztlich für die Produktivität eines Flussabschnitts. Das Litoral von Seen wurde in Mitteleuropa jahrzehntelang kaum untersucht, so dass die durchgeführten Untersuchungen zur Gemeinschaftsstruktur, Habitatpräferenzen und Nahrungs¬netzverknüpfungen des eulitoralen Makrozoobenthos grundlegend neue Erkenntnisse erbrach¬ten, die auch unmittelbar in Ansätze zur ökologischen Bewertung von Seeufern gemäß EG-Wasserrahmenrichtlinie eingehen. Es konnte somit gezeigt werden, dass die Intensität sowohl die internen als auch der externen ökologischen Konnektivität durch die Hydrologie und Morphologie der Gewässer sowie durch die Verfügbarkeit von Nährstoffen wesentlich beeinflusst wird, die auf diese Weise vielfach die ökologische Funktionalität der Gewässer prägen. Dabei trägt die vertikale oder horizontale Konnektivität zur Stabilisierung der beteiligten Ökosysteme bei, indem sie den Austausch ermöglicht von Pflanzennährstoffen, von Biomasse sowie von migrierenden Organismen, wodurch Phasen des Ressourcenmangels überbrückt werden. Diese Ergebnisse können im Rahmen der Bewirtschaftung von Gewässern dahingehend genutzt werden, dass die Gewährleistung horizontaler und vertikaler Konnektivität in der Regel mit räumlich komplexeren, diverseren, zeitlich und strukturell resilienteren sowie leistungsfähi¬geren Ökosystemen einhergeht, die somit intensiver und sicherer nachhaltig genutzt werden können. Die Nutzung einer kleinen Auswahl von Ökosystemleistungen der Flüsse und Seen durch den Menschen hat oftmals zu einer starken Reduktion der ökologischen Konnektivität, und in der Folge zu starken Verlusten bei anderen Ökosystemleistungen geführt. Die Ergebnisse der dargestellten Forschungen zeigen auch, dass die Entwicklung und Implementierung von Strategien zum integrierten Management von komplexen sozial-ökologischen Systemen wesentlich unterstützt werden kann, wenn die horizontale und vertikale Konnektivität gezielt entwickelt wird. / Surface waters are seen traditionally as closed ecosystems, and the recirculation of water and nutrients in the pelagic zone of lakes is cited as an example fort his. However, recently important linkages have been demonstrated between the pelagic zone on one side, and the benthic and the littoral zones, the terrestrial shore area and the catchment on the other side. Therby, the horizontal and vertical connectivity of aquatic ecosystems has attracted intense scientific interest, and together with this the ecological functions of the bottom zone (benthic zone) and of the shore zone (littoral zone), too. From this newly described connectivity far-reaching consequences arise for our picture of the functionality of surface waters. In this habilitation thesis a number of internal and external functional linkages are depicted in the horizontal and vertical spatial dimensions, as exemplified by running waters and lakes of the north-east German lowlands. The underlying studies mostly comprised both abiotic and biotic variables, and a broad range of topics, methods and studied surface waters. Thereby, experiments in the lab and the field, as well as quantitative field measurements were used to investigate ecological key processes as nutrient retention, carbon dynamics, extracellular enzyme activity, and resource transfer in food webs (using stabile isotope technique). In respect to running waters this resulted in substantial insights into the effects of a hydromorphology exhibiting intense connectivity on aquatic biodiversity and benthic-pelagic coupling, which represents a key process for the retention of transported matter, and thus for the productivity of a river section. The littoral zone of lakes has hardly been studied in Central Europe for several decades. Thus, the results on community structure, habitat preference and food web linkages of eulittoral macrozoobenthos enabled fundamentally new insights, which can directly be used within approaches for the ecological assessment of lake shores according to the EU Water Framework Directive. Research results show that the development and implementation of strategies for an integrated management of complex social-ecological systems may be substantially underpinned by targeted development of horizontal and vertical connectivity.

Obesity is associated with structural and functional alterations in brain areas that are often functionally distinct and anatomically distant. This suggests that obesity is associated with differences in functional connectivity of regions distributed across the brain. However, studies addressing whole brain functional connectivity in obesity remain scarce. Here, we compared voxel-wise degree centrality and eigenvector centrality between participants with obesity (n=20) and normal-weight controls (n=21). We analyzed resting state and task-related fMRI data acquired from the same individuals. Relative to normal-weight controls, participants with obesity exhibited reduced degree centrality in the right middle frontal gyrus in the resting-state condition. During the task fMRI condition, obese participants exhibited less degree centrality in the left middle frontal gyrus and the lateral occipital cortex along with reduced eigenvector centrality in the lateral occipital cortex and occipital pole. Our results highlight the central role of the middle frontal gyrus in the pathophysiology of obesity, a structure involved in several brain circuits signaling attention, executive functions and motor functions. Additionally, our analysis suggests the existence of task-dependent reduced centrality in occipital areas; regions with a role in perceptual processes and that are profoundly modulated by attention.

Durch dynamische Aktivität im Gehirn kann ein Organismus auf seine Umwelt reagieren. Der Parietallappen spielt zwar in vielen Anforderungsbereichen eine Rolle, soll sich jedoch auf bestimmte Merkmale beschränken. Dieser Widerspruch könnte in Annahmen über Aufgabencharakteristika und deren Verbindung zu parietaler Aktivität begründet sein. Viele kognitive Modellen klammern die Konnektivität des Gehirns aus, zulasten ihrer biologischen Plausibilität. Die vorliegende kumulative Dissertation umfasst drei Manuskripte, die einige dieser Probleme ansprechen. Symbolische (arabische Zahlen) und nichtsymbolische (Punktewolken) Multiplikation und Division wurden zur Validierung des experimentellen Paradigmas sowie zur Untersuchung von Antwortverzerrungen (Operational Momentum) benutzt. Aufgrund der besseren Leistung in symbolischen Aufgaben, wurden aufgabenbezogene Konnektivitätsveränderungen in zerebralen und parietalen Seed-Regionen mit psychophysiologischer Interaktionsanalyse (gPPI) bei symbolischer Multiplikation geprüft. Zudem wurden bildgebende Daten einer nichtsymbolischen Schätzaufgabe sowie in unabhängigen funktionellen Lokalisieraufgaben erhoben. Parietale und sensorische Regionen wurden mittels multivariater Verfahren (multivoxel pattern analysis) analysiert. Die Ergebnisse dieser drei Studien legen nahe, dass parietale Aktivität eine wichtige bereichsübergreifende Bedeutung besitzt, die eventuell mit Aufgabenschwierigkeit und kognitiver Anforderung zusammenhängt. Der Beitrag sensorischer Regionen zu bereichsspezifischen Leistungen scheint bedeutender als bislang angenommen. Der Parietallappen interagiert mit dem Zerebellum und beide reagieren auf Schwierigkeit. Die abnehmende Konnektivität bei zunehmend komplexen Multiplikationen legt nahe, dass eine komplexitätsabhängige Modulation der Konnektivität wichtig für eine bedarfsabhängig adäquate Reaktion ist. Zusammen zeigen diese Ergebnisse wie verschiedene Gehirnregionen auf Umweltanforderungen reagieren. / The brain’s dynamic activity allows an organism to respond to its environment. The parietal lobe plays a role in responding to demands in many domains. However, it is also claimed to be specific to many task features. One reason for this contradiction may be assumptions about task features and their link to parietal activity. The connectivity within the brain has also been overlooked in many cognitive models, making them less biologically plausible. This cumulative dissertation presents three manuscripts that address some of these issues. Symbolic (Arabic digits) and non-symbolic (dot-arrays) multiplication and division were used to behaviorally validate an experimental paradigm as well as test response bias (operational momentum). Subjects accurately responded to symbolic problems, therefore symbolic multiplication problems were used to examine task-related connectivity changes from cerebellar and parietal seed regions using psycho-physiological interactions analysis (gPPI). Finally, brain imaging data from a non-symbolic estimation task and an independent functional localizer was collected. Parietal and sensory regions were analyzed using multi-voxel pattern analysis (MVPA). The results of the three studies suggest that parietal activity may reflect a more domain-general role, possibly related to task complexity and cognitive demand. Additional sensory regions also seem to play a larger role in domain specific task performance than previously assumed. Furthermore, the parietal lobe interacts with the cerebellum and both regions are involved in responding to task complexity. Cerebellar-parietal connectivity decreased during more complex multiplication, suggesting that increased connectivity during simple tasks and/or decreased connectivity during complex tasks, may be important for response to task demands. Together, these findings demonstrate the roles of multiple brain regions in responding to environmental demands.

The realization of wireless ultra-reliable low-latency communications (URLLC) is one of the key challenges of the fifth generation (5G) of mobile communications systems and beyond. Ensuring ultra-high reliability together with a latency in the (sub-)millisecond range is expected to enable self-driving cars, wireless factory automation, and the Tactile Internet. In wireless communications, reliability is usually only considered as percentage of successful packet delivery, aiming for 1 − 10⁻⁵ up to 1 − 10⁻⁹ in URLLC.

Human infants have been shown to have an innate capacity to acquire their mother tongue. In recent decades, the advent of the functional magnetic resonance imaging (fMRI) technique has made it feasible to explore the neural basis underlying language acquisition and processing in children, even in newborn infants (for reviews, see Kuhl & Rivera-Gaxiola, 2008; Kuhl, 2010) . Spontaneous low-frequency (< 0.1 Hz) fluctuations (LFFs) in the resting brain have been shown to be physiologically meaningful in the seminal study (Biswal et al., 1995) . Compared to task-based fMRI, resting-state fMRI (rs-fMRI) has some unique advantages in neuroimaging research, especially in obtaining data from pediatric and clinical populations. Moreover, it enables us to characterize the functional organization of the brain in a systematic manner in the absence of explicit tasks. Among brain systems, the language network has been well investigated by analyzing LFFs in the resting brain. This thesis attempts to investigate the functional connectivity within the language network in typically developing preschool children and the covariation of this connectivity with children’s language development by using the rs-fMRI technique. The first study (see Chapter 2.1; Xiao et al., 2016a) revealed connectivity differences in language-related regions between 5-year-olds and adults, and demonstrated distinct correlation patterns between functional connections within the language network and sentence comprehension performance in children. The results showed a left fronto-temporal connection for processing syntactically more complex sentences, suggesting that this connection is already in place at age 5 when it is needed for complex sentence comprehension, even though the whole functional network is still immature. In the second study (see Chapter 2.2; Xiao et al., 2016b), sentence comprehension performance and rs-fMRI data were obtained from a cohort of children at age 5 and a one-year follow-up. This study examined the changes in functional connectivity in the developing brain and their relation to the development of language abilities. The findings showed that the development of intrinsic functional connectivity in preschool children over the course of one year is clearly observable and individual differences in this development are related to the advancement in sentence comprehension ability with age. In summary, the present thesis provides new insights into the relationship between intrinsic functional connectivity in the brain and language processing, as well as between the changes in intrinsic functional connectivity and concurrent language development in preschool children. Moreover, it allows for a better understanding of the neural mechanisms underlying language processing and the advancement of language abilities in the developing brain.

Landwirtschaftliche Expansion und Intensivierung treiben die Umwandlung natürlicher Ökosysteme weltweit. Bis heute ist unklar, inwieweit politische Maßnahmen negative Folgen für die Umwelt minimieren können. Die Kombination mit Szenarien-Analysen kann ein Rahmen zur Unterstützung von Planungsprozessen schaffen, um potentielle Auswirkungen von politischen Maßnahmen zu erforschen. Das Ziel dieser Dissertation war es, die Triebkräfte der Veränderung von Argentiniens Agrarlandschaften zu verstehen, potentielle zukünftige Landnutzungsveränderungen zu analysieren und den Einfluss ökonomischer und naturschutzbezogener politischer Maßnahmen auf diese zu erfassen. Im ersten Teil der Dissertation wurden die Triebkräfte landwirtschaftlichen Landnutzungswandels mittels eines Nettoertrags-Modells ermittelt. Danach wurde der Einfluss von ökonomischen und naturschutzbezogenen Maßnahmen auf zukünftige Landnutzungsveränderungen sowie auf die Konnektivität von Waldgebieten mit Hilfe von Landnutzungs-Szenarien analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass landwirtschaftliche Intensivierung von ökonomischen Maßnahmen getrieben ist, während landwirtschaftliche Expansion durch naturräumliche Eigenschaften und Zonierungsprogramme jenseits der Profitmaximierung determiniert wird. Politische Maßnahmen mögen einen geringeren Einfluss auf Landnutzungswandel haben als bisher erwartet. Die Entwicklung von Agrarland konzentriert sich auf Gebiete mit hoher Priorität für den Umweltschutz. Zonierungsprogramme wie das Argentinische Waldgesetz stellen wirkungsvolle Maßnahmen dar, um umweltschädigenden Entwicklungen vorzubeugen. Die Erkenntnisse zeigen, dass Naturschutz nicht zwingend im Konflikt mit ökonomischer Entwicklung steht, denn mittels Landschaftsplanung kann die Konnektivität von Waldgebieten auch unter gleichbleibenden Abholzungsraten bewahrt werden. Die Dissertation zeigt den Mehrwert von a-priori Evaluierungen der potentiellen Einflüsse von Maßnahmen auf Landnutzungswandel. / Agricultural expansion and intensification drive the conversion of natural areas worldwide. Yet, it is not clear where and how much production would need to expand and intensify to meet future demands and how policies may help minimizing environmental trade-offs. Particularly the latter requires an understanding of the underlying forces that drive agricultural land-use changes. This offers a framework for planners and decision makers to explore potential impacts from policies, especially in very dynamic regions. Argentina, where agricultural expansion and intensification result in dramatic conversions of natural areas, is a good example of a dynamic human-environment system. The goal of this thesis was to understand the drivers of agricultural land-use change and to explore future trajectories of land-use change, and how economic and conservation policies may impact them. This thesis examines drivers of agricultural land-use changes using a net returns model of agricultural production. Then, it evaluates the effects of economic and conservation policies on future land-use changes and on the connectivity of forests by developing scenarios of future land-use change. Results highlight that agricultural intensification in Argentina is driven by economic interventions, whereas agricultural expansion primarily responds to environmental characteristics and zonation programs. Economic policies may have less power in governing land use changes than previously thought, as results suggest that there are other factors, than profit maximization, influencing land conversions. Future agricultural development would occur in priority areas for conservation in Argentina, but zonation policies, such as the Forest Law, appear to be powerful in limiting potential environmental trade-offs. Conservation planning does not necessarily need to conflict with economic development, since under similar deforestation rates; landscape planning can preserve forest connectivity in the Chaco.

Goal-directed behavior is based on representations of contingencies between a certain situation (S), a certain (re)action (R) and a certain outcome (O). These S-R-O representations enable flexible response selection in different situations according to the currently pursued goal. Importantly however, the successful formation of such representations is a necessary but not sufficient precondition for goal-directed behavior which additionally requires the actual usage of the contingency information for action control. The present fMRI study aimed at identifying the neural basis of each of these two aspects: representing vs. explicitly using experienced S-R-O contingencies. To this end, we created three experimental conditions: S-R-O contingency present and used for outcome-based response selection, S-R-O contingency present but not used, and S-R-O contingency absent. The comparison between conditions with and without S-R-O contingency revealed that the angular gyrus is relevant for representing S-R-O contingencies. The explicit usage of learnt S-R-O representations in turn was associated with increased functional coupling between angular gyrus and several subcortical (hippocampus, caudate head), prefrontal (lateral orbitofrontal cortex (OFC), rostrolateral prefrontal cortex (RLPFC)) and cerebellar areas, which we suggest represent different explicit and implicit processes of goal-directed action control. Hence, we ascribe a central role to the angular gyrus in associating actions to their sensory outcomes which is used to guide behavior through coupling of the angular gyrus with multiple areas related to different aspects of action control.

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