Im unter Ruhebedingungen abgeleiteten Elektroenzephalogramm (Ruhe-EEG) können Episoden niedergespannter EEG-Aktivität sowohl mit Schläfrigkeit, als auch mit geistiger Aktivität assoziiert sein. Aus diesem Grunde stellt niedergespannte EEG-Aktivität eine potentielle Fehlerquelle bei der Interpretation des Ruhe-EEGs dar. Wird niedergespannte EEG-Aktivität jedoch von für das Einschlafen charakteristischen, langsamen Augenbewegungen (Slow horizontal eye movements, SEM) begleitet, ist eine Assoziation mit geistiger Aktivität ausgeschlossen. Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der Frage, ob niedergespannte EEG-Aktivität im Ruhe-EEG, welche von SEM begleitet wird (B1+), sich von solcher ohne begleitende SEM (B1-) hinsichtlich ihrer spektralen und räumlichen Zusammensetzung unterscheidet. Hierzu wurden 35 Ruhe-EEGs gesunder Probanden analysiert, welche jeweils mindestens 10s B1-, B1+ sowie 10s niedergespannter EEG-Aktivität während der Bearbeitung einer Kopfrechenaufgabe (calc) präsentierten. Unter Verwendung der Methode der standardized low resolution brain electromagnetic tomography (sLORETA) wurden für calc, B1- und B1+ die kortikalen Stromdichteverteilungen in vier verschiedenen, individuell angepassten Frequenzbändern berechnet. Die statistische Auswertung ergab signifikante Unterschiede zwischen B1- und B1+: Es zeigte bei B1- sowohl im Delta- als auch im Theta-Band eine geringere Aktivität im Bereich des Cingulums sowie benachbarten Teilen der Frontal-, Parietal- und Okzipiallappen. Zusätzlich zeigte sich eine erhöhte Aktivität im Frequenzbereich des Beta-Bandes in den Temporallappen für B1- verglichen mit B1+. Der Vergleich von calc mit B1+ erbrachte ähnliche Resultate. Die Befunde lassen eine Zugehörigkeit von B1- zu einem, verglichen mit B1+ höheren Vigilanzniveau vermuten und liefern Evidenz für die Einteilung niedergespannter Episoden im Ruhe-EEG in solche mit und ohne begleitende SEM.

Im unter Ruhebedingungen abgeleiteten Elektroenzephalogramm (Ruhe-EEG) können Episoden niedergespannter EEG-Aktivität sowohl mit Schläfrigkeit, als auch mit geistiger Aktivität assoziiert sein. Aus diesem Grunde stellt niedergespannte EEG-Aktivität eine potentielle Fehlerquelle bei der Interpretation des Ruhe-EEGs dar. Wird niedergespannte EEG-Aktivität jedoch von für das Einschlafen charakteristischen, langsamen Augenbewegungen (Slow horizontal eye movements, SEM) begleitet, ist eine Assoziation mit geistiger Aktivität ausgeschlossen. Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung der Frage, ob niedergespannte EEG-Aktivität im Ruhe-EEG, welche von SEM begleitet wird (B1+), sich von solcher ohne begleitende SEM (B1-) hinsichtlich ihrer spektralen und räumlichen Zusammensetzung unterscheidet. Hierzu wurden 35 Ruhe-EEGs gesunder Probanden analysiert, welche jeweils mindestens 10s B1-, B1+ sowie 10s niedergespannter EEG-Aktivität während der Bearbeitung einer Kopfrechenaufgabe (calc) präsentierten. Unter Verwendung der Methode der standardized low resolution brain electromagnetic tomography (sLORETA) wurden für calc, B1- und B1+ die kortikalen Stromdichteverteilungen in vier verschiedenen, individuell angepassten Frequenzbändern berechnet. Die statistische Auswertung ergab signifikante Unterschiede zwischen B1- und B1+: Es zeigte bei B1- sowohl im Delta- als auch im Theta-Band eine geringere Aktivität im Bereich des Cingulums sowie benachbarten Teilen der Frontal-, Parietal- und Okzipiallappen. Zusätzlich zeigte sich eine erhöhte Aktivität im Frequenzbereich des Beta-Bandes in den Temporallappen für B1- verglichen mit B1+. Der Vergleich von calc mit B1+ erbrachte ähnliche Resultate. Die Befunde lassen eine Zugehörigkeit von B1- zu einem, verglichen mit B1+ höheren Vigilanzniveau vermuten und liefern Evidenz für die Einteilung niedergespannter Episoden im Ruhe-EEG in solche mit und ohne begleitende SEM.

Slow light effect based rib silicon waveguide structures are studied in this paper to enhance modulation efficiency of an optoelectronic carrier plasma dispersion effect based phase modulator. Center frequency to achieve desired slow down factor and band width limitations of the structures are investigated through finite element method simulations. Optical modulation efficiency is modeled and the effects of doping, bias voltage and slow light on its performance are studied.

Ökomorphologische Konvergenz tritt auf, wenn Arten mit demselben Lebensstil unabhängig voneinander ähnliche morphologische Merkmale evolvieren. Neue Fallstudien können dabei helfen, die diesem Prozess zugrunde liegenden Mechanismen aufzuklären. Diese Arbeit befasst sich mit einigen konvergent evolvierten, langsamen, baumbewohnenden Säugetieren, d. h. zwei Linien baumlebender Faultieren, dem Zwergameisenbär, den Lorisiden, zwei Kladen ausgestorbener Lemuren, d. h. Paläopropithekiden und Megaladapis, und dem Koala. Es werden funktionsmorphologische Konvergenzen in diesen Taxa erforscht, indem ihr Humerus und ihr Femur sowie jene ihrer nah verwandten, aber ökologisch unterschiedlichen Taxa untersucht werden. Erstmals werden Knochen mittels phylogenetisch vergleichender Methoden auf vier anatomischen Ebenen, d.h. äußere Form, diaphysäre Mikrostruktur und Anatomie sowie epiphysäre Trabekelarchitektur, analysiert. Viele langsame, baumbewohnende Säugetiere teilen eine geringe kortikale Kompaktheit, was wahrscheinlich mit ihrer extrem niedrigen Stoffwechselrate und ihren biomechanischen Anforderungen zusammenhängt. Langsame, arboreale Xenarthra, d. h. baumbewohnende Faultiere und der Zwergameisenbär, weisen ein Muster unvollständiger Konvergenz für eine Reihe äußerer und innerer anatomischer Merkmale auf, was möglicherweise durch die relativ unterschiedliche Ökologie des Zwergameisenbären erklärt wird. Auf einer breiteren Säugetierskala konvergieren andere Merkmale, die möglicherweise mit der Ökologie der langsamen baumbewohnenden Lebensweise in einigen der untersuchten Taxa zusammenhängen, obwohl komplexe Muster auch durch andere evolutionäre Prozesse erklärt werden können. Nur suspensorisch lebende Taxa tragen signifikant zur Konvergenz bei. Diese Arbeit hebt die stärkere Konvergenz hervor, die sich in der inneren Struktur des Knochens widerspiegelt. / Ecomorphological convergence occurs when similar morphological traits are independently evolved by species with the same lifestyle. Novel case studies can help to elucidate the underlying mechanisms of this process. This work addresses some convergent slow arboreal mammals, i.e. two lineages of ‘tree sloths’, the silky anteater, ‘Lorisidae’, two clades of extinct lemurs, i.e. palaeopropithecids and Megaladapis, and the koala. Functional morphological convergences are searched in these taxa, studying their humerus and femur as well as those of their closely related ecologically distinct taxa. For the first time, bones are analyzed at four anatomical levels, i.e. external shape, diaphyseal microstructure and anatomy and epiphyseal trabecular architecture, through phylogenetic comparative methods. Many slow arboreal mammals share a low cortical compactness, probably related to their extremely low metabolic rate and biomechanical demands. Slow arboreal xenarthrans, i.e. ‘tree sloths’ and the silky anteater, exhibit a pattern of incomplete convergence for a set of external and internal anatomical features, possibly explained by the relatively distinct ecology of the silky anteater. On a wider mammalian scale, other traits possibly related to slow arboreal ecology converge in some of the studied taxa, although with complex patterns also explained by other evolutionary processes. Only suspensory taxa significantly contribute to convergence. This thesis highlights the stronger convergence reflected by bone internal structure. By providing potential explanations for convergence in slow arboreal mammals, the inherent complexity of this process is here emphasized.

In dieser Arbeit werden - basierend auf dem Langsamkeitsprinzip - Modelle und Algorithmen für das auditorische System entwickelt. Verschiedene experimentelle Ergebnisse, sowie die erfolgreichen Ergebnisse im visuellen System legen nahe, dass, trotz der unterschiedlichen Beschaffenheit visueller und auditorischer sensorischer Signale, das Langsamkeitsprinzip auch im auditorischen System eine bedeutsame Rolle spielen könnte, und vielleicht auch im Kortex im Allgemeinen. Es wurden verschiedene Modelle für unterschiedliche Repräsentationen des auditorischen Inputs realisiert. Es werden die Beschränkungen der jeweiligen Ansätze aufgezeigt. Im Bereich der Signalverarbeitung haben sich das Langsamkeitsprinzip und dessen direkte Implementierung als Signalverarbeitungsalgorithmus, Slow Feature Analysis, über die biologisch inspirierte Modellierung hinaus als nützlich erwiesen. Es wird ein neuer Algorithmus für das Problem der nichtlinearen blinden Signalquellentrennung beschrieben, der auf einer Kombination von Langsamkeitsprinzip und dem Prinzip der statistischen Unabhängigkeit basiert, und der anhand von künstlichen und realistischen Audiosignalen getestet wird. Außerdem wird die Open Source Software Bibliothek Modular toolkit for Data Processing vorgestellt. / In this thesis we develop models and algorithms based on the slowness principle in the auditory domain. Several experimental results as well as the successful results in the visual domain indicate that, despite the different nature of the sensory signals, the slowness principle may play an important role in the auditory domain as well, if not in the cortex as a whole. Different modeling approaches have been used, which make use of several alternative representations of the auditory stimuli. We show the limitations of these approaches. In the domain of signal processing, the slowness principle and its straightforward implementation, the Slow Feature Analysis algorithm, has been proven to be useful beyond biologically inspired modeling. A novel algorithm for nonlinear blind source separation is described that is based on a combination of the slowness and the statistical independence principles, and is evaluated on artificial and real-world audio signals. The Modular toolkit for Data Processing open source software library is additionally presented.

Der Fokus dieser Dissertation liegt auf den Verbindungen zwischen ICA (Independent Component Analysis - Unabhängige Komponenten Analyse) und SFA (Slow Feature Analysis - Langsame Eigenschaften Analyse). Um einen Vergleich zwischen beiden Methoden zu ermöglichen wird CuBICA2, ein ICA Algorithmus basierend nur auf Statistik zweiter Ordnung, d.h. Kreuzkorrelationen, vorgestellt. Dieses Verfahren minimiert zeitverzögerte Korrelationen zwischen Signalkomponenten, um die statistische Abhängigkeit zwischen denselben zu reduzieren. Zusätzlich wird eine alternative SFA-Formulierung vorgestellt, die mit CuBICA2 verglichen werden kann. Im Falle linearer Gemische sind beide Methoden äquivalent falls nur eine einzige Zeitverzögerung berücksichtigt wird. Dieser Vergleich kann allerdings nicht auf mehrere Zeitverzögerungen erweitert werden. Für ICA lässt sich zwar eine einfache Erweiterung herleiten, aber ein ähnliche SFA-Erweiterung kann nicht im originären SFA-Sinne (SFA extrahiert die am langsamsten variierenden Signalkomponenten aus einem gegebenen Eingangssignal) interpretiert werden. Allerdings kann eine im SFA-Sinne sinnvolle Erweiterung hergeleitet werden, welche die enge Verbindung zwischen der Langsamkeit eines Signales (SFA) und der zeitlichen Vorhersehbarkeit desselben verdeutlich. Im Weiteren wird CuBICA2 und SFA kombiniert. Das Resultat kann aus zwei Perspektiven interpretiert werden. Vom ICA-Standpunkt aus führt die Kombination von CuBICA2 und SFA zu einem Algorithmus, der das Problem der nichtlinearen blinden Signalquellentrennung löst. Vom SFA-Standpunkt aus ist die Kombination eine Erweiterung der standard SFA. Die standard SFA extrahiert langsam variierende Signalkomponenten die untereinander unkorreliert sind, dass heißt statistisch unabhängig bis zur zweiten Ordnung. Die Integration von ICA führt nun zu Signalkomponenten die mehr oder weniger statistisch unabhängig sind. / Within this thesis, we focus on the relation between independent component analysis (ICA) and slow feature analysis (SFA). To allow a comparison between both methods we introduce CuBICA2, an ICA algorithm based on second-order statistics only, i.e.\ cross-correlations. In contrast to algorithms based on higher-order statistics not only instantaneous cross-correlations but also time-delayed cross correlations are considered for minimization. CuBICA2 requires signal components with auto-correlation like in SFA, and has the ability to separate source signal components that have a Gaussian distribution. Furthermore, we derive an alternative formulation of the SFA objective function and compare it with that of CuBICA2. In the case of a linear mixture the two methods are equivalent if a single time delay is taken into account. The comparison can not be extended to the case of several time delays. For ICA a straightforward extension can be derived, but a similar extension to SFA yields an objective function that can not be interpreted in the sense of SFA. However, a useful extension in the sense of SFA to more than one time delay can be derived. This extended SFA reveals the close connection between the slowness objective of SFA and temporal predictability. Furthermore, we combine CuBICA2 and SFA. The result can be interpreted from two perspectives. From the ICA point of view the combination leads to an algorithm that solves the nonlinear blind source separation problem. From the SFA point of view the combination of ICA and SFA is an extension to SFA in terms of statistical independence. Standard SFA extracts slowly varying signal components that are uncorrelated meaning they are statistically independent up to second-order. The integration of ICA leads to signal components that are more or less statistically independent.

Motiviert durch die in der Literatur bisher unvollständige Beschreibung der Relaxation hochgeladener Ionen vor Festkörperoberflächen, besonders in Bezug auf den Eintrag potenzieller Energie in Oberflächen und der Aufstellung einer vollständigen Energiebilanz, werden in dieser Arbeit komplementäre Studien präsentiert, die sowohl die Ermittlung des Anteils der deponierten potenziellen Energie als auch die Ermittlung der emittierten potenziellen Energie ermöglichen. Zum Einen wird zur Bestimmung des eingetragenen Anteils der potenziellen Energie eine kalorimetrische Messanordnung verwendet, zum Anderen gelingt die Bestimmung der emittierten potenziellen Energie mittels doppeldifferenzieller Elektronenspektroskopie. Für vertiefende Studien werden Materialien unterschiedlicher elektronischer Strukturen (Cu, n-Si, p-Si und SiO2 ) verwendet. Im Falle der Kalorimetrie wird festgestellt, dass die eingetragene potenzielle Energie linear mit der inneren potenziellen Energie der Ionen wächst. Dabei bleibt das Verhältnis zwischen der eingetragenen potenziellen Energie und der inneren potenziellen Energie nahezu konstant bei etwa (80 ± 10) %. Der Vergleich von Cu, n-Si und p-Si zeigt im Rahmen der Messfehler keine signifikanten Unterschiede in diesem Verhältnis. Es liegen jedoch deutlich unter jenem von SiO2. Die Elektronenspektroskopie liefert ein dazu komplementäres Ergebnis. Für Cu und Si konnte ebenfalls eine lineare Abhängigkeit zwischen emittierter Energie und innerer potenzieller Energie festgestellt werden. Das Verhältnis wurde hierfür bis zum Ladungszustand bis Ar7+ zu etwa (10 ± 5) % unabhängig vom Ladungszustand bestimmt. Im Gegensatz dazu liefert SiO2 eine nahezu verschwindende Elektronenausbeute. Für Ar8+ und Ar9+ steigt die Elektronenausbeute wegen der Beiträge der LMM-Augerelektronen für alle untersuchten Materialien leicht an. Der Anteil der emittierten Energie eines Ar9+ -Ions wird für Cu und Si zu etwa 20 % und für SiO2 zu etwa 10 % angegeben. Diese Ergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit den Kalorimetrieexperimenten und erfüllen die Energiebilanz. Zusätzlich werden die experimentellen Ergebnisse mit einer Computersimulation modelliert, welche auf dem erweiterten dynamischen klassischen Barrierenmodell basiert. Aus diesen Rechnungen kann zudem jener Anteil der deponierten potenziellen Energie erhalten werden, welcher durch Bildladungsbeschleunigung vor der Oberfläche in kinetische Energie umgewandelt wurde. / Motivated by the incomplete scientific description of the relaxation of highly charged ions in front of solid surfaces and their energy balance, this thesis describes an advanced complementary study of determining deposited fractions and re-emitted fractions of the potential energy of highly charged ions. On one side, a calorimetric measurement setup is used to determine the retained potential energy and on the other side, energy resolved electron spectroscopy is used for measuring the re-emitted energy due to secondary electron emission. In order to study the mechanism of energy retention in detail, materials with different electronic structures are investigated: Cu, n-Si, p-Si and SiO2 . In the case of calorimetry, a linear relationship between the deposited potential energy and the inner potential energy of the ions was determined. The total potential energy which stays in the solid remains almost constant at about (80 ± 10) %. Comparing the results of the Cu, n-Si and p-Si targets, no significant difference could be shown. Therefore we conclude that the difference in energy deposition between copper, n-doped Si and p-doped Si is below 10 %, which is significantly lower than using SiO2 targets. For this purpose, electron spectroscopy provides a complementary result. For Cu and Si surfaces, an almost linear increase of the re-emitted energy with increasing potential energy of the ion up to Ar7+ was also observed. The ratio of the re-emitted energy is about (10 ± 5) % of the total potential energy of the incoming ion, almost independent of the ion charge state. In contrast, an almost vanishing electron emission was observed for SiO2 and for charge states below q=7. For Ar8+ and Ar9+, the electron emission increased due to the contribution of the projectile LMM Auger electrons and the re-emitted energy amounts up to 20 % for Cu and Si and around 10 % for SiO2 .These results are in good agreement with the calorimetric values. In addition, the experimental results are compared with computer simulations based on the extended dynamical over-the-barrier model. From these calculations, the ratio of deposited potential energy that is transformed into kinetic energy before deposition due to the image charge acceleration can be maintained.

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Motiviert durch die in der Literatur bisher unvollständige Beschreibung der Relaxation hochgeladener Ionen vor Festkörperoberflächen, besonders in Bezug auf den Eintrag potenzieller Energie in Oberflächen und der Aufstellung einer vollständigen Energiebilanz, werden in dieser Arbeit komplementäre Studien präsentiert, die sowohl die Ermittlung des Anteils der deponierten potenziellen Energie als auch die Ermittlung der emittierten potenziellen Energie ermöglichen. Zum Einen wird zur Bestimmung des eingetragenen Anteils der potenziellen Energie eine kalorimetrische Messanordnung verwendet, zum Anderen gelingt die Bestimmung der emittierten potenziellen Energie mittels doppeldifferenzieller Elektronenspektroskopie. Für vertiefende Studien werden Materialien unterschiedlicher elektronischer Strukturen (Cu, n-Si, p-Si und SiO2 ) verwendet. Im Falle der Kalorimetrie wird festgestellt, dass die eingetragene potenzielle Energie linear mit der inneren potenziellen Energie der Ionen wächst. Dabei bleibt das Verhältnis zwischen der eingetragenen potenziellen Energie und der inneren potenziellen Energie nahezu konstant bei etwa (80 ± 10) %. Der Vergleich von Cu, n-Si und p-Si zeigt im Rahmen der Messfehler keine signifikanten Unterschiede in diesem Verhältnis. Es liegen jedoch deutlich unter jenem von SiO2. Die Elektronenspektroskopie liefert ein dazu komplementäres Ergebnis. Für Cu und Si konnte ebenfalls eine lineare Abhängigkeit zwischen emittierter Energie und innerer potenzieller Energie festgestellt werden. Das Verhältnis wurde hierfür bis zum Ladungszustand bis Ar7+ zu etwa (10 ± 5) % unabhängig vom Ladungszustand bestimmt. Im Gegensatz dazu liefert SiO2 eine nahezu verschwindende Elektronenausbeute. Für Ar8+ und Ar9+ steigt die Elektronenausbeute wegen der Beiträge der LMM-Augerelektronen für alle untersuchten Materialien leicht an. Der Anteil der emittierten Energie eines Ar9+ -Ions wird für Cu und Si zu etwa 20 % und für SiO2 zu etwa 10 % angegeben. Diese Ergebnisse sind in guter Übereinstimmung mit den Kalorimetrieexperimenten und erfüllen die Energiebilanz. Zusätzlich werden die experimentellen Ergebnisse mit einer Computersimulation modelliert, welche auf dem erweiterten dynamischen klassischen Barrierenmodell basiert. Aus diesen Rechnungen kann zudem jener Anteil der deponierten potenziellen Energie erhalten werden, welcher durch Bildladungsbeschleunigung vor der Oberfläche in kinetische Energie umgewandelt wurde. / Motivated by the incomplete scientific description of the relaxation of highly charged ions in front of solid surfaces and their energy balance, this thesis describes an advanced complementary study of determining deposited fractions and re-emitted fractions of the potential energy of highly charged ions. On one side, a calorimetric measurement setup is used to determine the retained potential energy and on the other side, energy resolved electron spectroscopy is used for measuring the re-emitted energy due to secondary electron emission. In order to study the mechanism of energy retention in detail, materials with different electronic structures are investigated: Cu, n-Si, p-Si and SiO2 . In the case of calorimetry, a linear relationship between the deposited potential energy and the inner potential energy of the ions was determined. The total potential energy which stays in the solid remains almost constant at about (80 ± 10) %. Comparing the results of the Cu, n-Si and p-Si targets, no significant difference could be shown. Therefore we conclude that the difference in energy deposition between copper, n-doped Si and p-doped Si is below 10 %, which is significantly lower than using SiO2 targets. For this purpose, electron spectroscopy provides a complementary result. For Cu and Si surfaces, an almost linear increase of the re-emitted energy with increasing potential energy of the ion up to Ar7+ was also observed. The ratio of the re-emitted energy is about (10 ± 5) % of the total potential energy of the incoming ion, almost independent of the ion charge state. In contrast, an almost vanishing electron emission was observed for SiO2 and for charge states below q=7. For Ar8+ and Ar9+, the electron emission increased due to the contribution of the projectile LMM Auger electrons and the re-emitted energy amounts up to 20 % for Cu and Si and around 10 % for SiO2 .These results are in good agreement with the calorimetric values. In addition, the experimental results are compared with computer simulations based on the extended dynamical over-the-barrier model. From these calculations, the ratio of deposited potential energy that is transformed into kinetic energy before deposition due to the image charge acceleration can be maintained.

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