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The non-adiabatic quantum molecular dynamics (NA-QMD) method couples self-consistently classical nuclear motion with time-dependent density functional theory (TDDFT) in basis expansion for the electron dynamics. It has become a versatile approach to study the dynamics of atoms, molecules and clusters in a wide range of scenarios. This work presents applications of the NA-QMD method to important benchmark systems and its systematic extension to include quantum effects in the nuclear motion. Regarding the first objective, a complete study of the strong-field ionization and dissociation dynamics of nature’s simplest molecule H2+ is performed. By including all electronic and nuclear degrees of freedom and all reaction channels, molecular rotation is shown to play an important role in the ionization process. In addition, strong orientation effects in the energy deposition process of the Buckminster fullerene C60 in short intense laser pulses are surprisingly found in full dimensional calculations. Their consequences on the subsequent nuclear relaxation dynamics shed new light on available experimental data and future experiments are proposed to confirm the detailed predictions. Regarding the second objective, the NA-QMD formalism is basically extended to take electron-nuclear correlations into account. This extension is achieved by means of a trajectory surface hopping scheme in the adiabatic Kohn-Sham framework. First studied examples from collision physics and photochemistry illustrate the relevance and importance of quantum effects in the nuclear dynamics.

Background: Although the negative impact of sleep apnea on the clinical course of acute ischemic stroke (AIS) is well known, data regarding non-invasive ventilation in acute patients are scarce. Several studies have shown its tolerability and safety, yet no controlled randomized sequential phase studies exist that aim to establish the efficacy of early non-invasive ventilation in AIS patients. Methods/design: We decided to examine our hypothesis that early non-invasive ventilation with auto-titrating bilevel positive airway pressure (auto-BPAP) positively affects short-term clinical outcomes in AIS patients. We perform a multicenter, prospective, randomized, controlled, third rater- blinded, parallel-group trial. Patients with AIS with proximal arterial obstruction and clinically suspected sleep apnea will be randomized to standard stroke care alone or standard stroke care plus auto-BPAP. Auto-BPAP will be initiated within 24 hours of stroke onset and performed for a maximum of 48 hours during diurnal and nocturnal sleep. Patients will undergo unattended cardiorespiratory polygraphy between days three and five to assess sleep apnea. Our primary endpoint will be any early neurological improvement on the NIHSS at 72 hours from randomization. Safety, tolerability, short-term and three-months functional outcomes will be assessed as secondary endpoints by un-blinded and blinded observers respectively. Discussion: We expect that this study will advance our understanding of how early treatment with non-invasive ventilation can counterbalance, or possibly reverse, the deleterious effects of sleep apnea in the acute phase of ischemic stroke. The study will provide preliminary data to power a subsequent phase III study.

Die Belastung des Energiestoffwechsels der Hochleistungskuh ist in der peripartalen Phase am größten. Die Regulation der Futteraufnahme und des Energiestoffwechsels durch den Nucleus arcuatus (ARC) des Hypothalamus spielt eine entscheidende Rolle während dieser Phase. Zahlreiche Metabolite und Hormone, wie z.B. das Peptidhormon Ghrelin, beeinflussen die Expression des orexigenen (futteraufnahmesteigernden) Neuropeptids Agouti-related Protein (AgRP) im ARC des Hypothalamus. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Zusammenhang zwischen Körperfettmobilisierung und orexigenen Signalen im peripartalen Zeitraum der Hochleistungskuh näher zu untersuchen. Hierfür wurden 20 multipare Hochleistungskühe der Rasse Deutsch-Holstein (2.-4. Laktation) 7 Wochen ante partum (ap) bis 6 Wochen post partum (pp) untersucht. Die Tiere wurden in Anbindehaltung aufgestallt und entsprechend der jeweiligen Produktionsperiode bedarfsgerecht energetisch versorgt. Die ad libitum Futteraufnahme und Milchleistung wurden täglich gemessen und die Milchzusammensetzung wöchentlich analysiert. Das Körpergewicht und die Rückenfettdicke (RFD) wurden ebenfalls wöchentlich bestimmt. Einmal wöchentlich wurden Blutproben genommen, um die Konzentration von nicht-veresterten Fettsäuren (NEFA), Triglyceriden (TG) und Aminosäuren zu bestimmen. Eine Leberbiopsie wurde am 34. Tag ap und am 3., 18. und 30. Tag pp entnommen. In der 5. Woche ap und in der 2. Woche pp wurden die Tiere in eine Respirationskammer eingestallt und darin jeweils am 1. Tag ad libitum versorgt, während ihnen am 2. Tag das Futter für 10 h entzogen wurde. Die Futteraufnahme bzw. die kompensatorische Futteraufnahme nach Futterentzug wurden ebenfalls gemessen. Mit Hilfe der indirekten Kalorimetrie wurden der Sauerstoffverbrauch, die Bildung von Kohlenstoffdioxid und Methan gemessen, und der Respiratorische Quotient (RQ), die Fettoxidation (FOX) und die Kohlenhydratoxidation (KOX) berechnet. An beiden Tagen des Aufenthaltes in der Respirationskammer wurden stündlich Blutproben entnommen und die Konzentration von Acyl- und Gesamtghrelin, NEFA und TG bestimmt. Am 40. Tag pp wurden die Tiere geschlachtet und der ARC entnommen. In Studie 1 wurden 16 Tiere, basierend auf ihren Leberfettgehalt (LFC) am 18. Tag pp in eine Gruppe mit hohem LFC (H, n=8) und eine mit niedrigem LFC (L, n=8) eingeteilt. Für die Studie 2 wurden 18 Kühe entsprechend ihrer NEFA-Blutplasmakonzentration am Schlachttag in eine Gruppe mit hoher NEFA- (H, n=9) und eine mit niedriger NEFA-Plasmakonzentration (L, n=9) eingeteilt. In Studie 1 konnte gezeigt werden, dass die Acyl- und Gesamtghrelin- Plasmakonzentrationen nicht mit der pp Futteraufnahmesteigerung von Hochleistungskühen korrelierten. H-Kühe, die im Vergleich zu L-Kühen einen höheren Leber- und Milchfettgehalt, eine größere RFD und einen geringeren RQ aufwiesen, zeigten während des 10-stündigen Futterentzuges den größeren Anstieg der Acylghrelinkonzentration sowie ein größeres Acyl- und Gesamtghrelin-Verhältnis. Signifikante Korrelationen zwischen dem präprandialen Acyl:Gesamtghrelin- Verhältnis und zahlreichen Parametern des Fettstoffwechsels, wie bspw. LFC, Milchfettgehalt, RQ und RFD, lassen einen Zusammenhang zwischen Ghrelin, dem Fettstoffwechsel und der Fettverteilung erkennen. In Studie 2 konnte nachgewiesen werden, dass die in der Frühlaktation auftretende unterschiedliche Aktivierung hypothalamischer AgRP-Neurone von H- und L-Kühen nicht mit deren Futteraufnahme assoziiert ist. Die höhere NEFA-Plasmakonzentration, die höhere RFD, die höhere FOX und der höhere Sauerstoffverbrauch der H-Kühe waren jeweils signifikant mit der geringeren Aktivierung hypothalamischer AgRP-Neurone korreliert. Diese Korrelationen belegen einen Zusammenhang zwischen dem prozentualen Anteil aktivierter AgRP-Neurone und dem Sauerstoffverbrauch sowie der Substratverstoffwechselung während der Frühlaktation. Zusammenfassend lässt sich schlussfolgern, dass die untersuchten Signale des orexigenen Systems im peripartalen Zeitraum der Hochleistungskuh nicht mit der Futteraufnahme, jedoch mit dem Fett- und Energiestoffwechsel assoziiert waren. Ferner lassen die Resultate den Schluss zu, dass die Futteraufnahme bereits vor der Kalbung durch den Körperfettgehalt determiniert ist, und dass die Fettmobilisierung per se kaum einen Einfluss auf die Futteraufnahmesteigerung in der Frühlaktation besitzt.

Many diffusion processes in nature and society were found to be anomalous, in the sense of being fundamentally different from conventional Brownian motion. An important example is the migration of biological cells, which exhibits non-trivial temporal decay of velocity autocorrelation functions. This means that the corresponding dynamics is characterized by memory effects that slowly decay in time. Motivated by this we construct non-Markovian lattice-gas cellular automata models for moving agents with memory. For this purpose the reorientation probabilities are derived from velocity autocorrelation functions that are given a priori; in that respect our approach is “data-driven”. Particular examples we consider are velocity correlations that decay exponentially or as power laws, where the latter functions generate anomalous diffusion. The computational efficiency of cellular automata combined with our analytical results paves the way to explore the relevance of memory and anomalous diffusion for the dynamics of interacting cell populations, like confluent cell monolayers and cell clustering.

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Background: Although the negative impact of sleep apnea on the clinical course of acute ischemic stroke (AIS) is well known, data regarding non-invasive ventilation in acute patients are scarce. Several studies have shown its tolerability and safety, yet no controlled randomized sequential phase studies exist that aim to establish the efficacy of early non-invasive ventilation in AIS patients. Methods/design: We decided to examine our hypothesis that early non-invasive ventilation with auto-titrating bilevel positive airway pressure (auto-BPAP) positively affects short-term clinical outcomes in AIS patients. We perform a multicenter, prospective, randomized, controlled, third rater- blinded, parallel-group trial. Patients with AIS with proximal arterial obstruction and clinically suspected sleep apnea will be randomized to standard stroke care alone or standard stroke care plus auto-BPAP. Auto-BPAP will be initiated within 24 hours of stroke onset and performed for a maximum of 48 hours during diurnal and nocturnal sleep. Patients will undergo unattended cardiorespiratory polygraphy between days three and five to assess sleep apnea. Our primary endpoint will be any early neurological improvement on the NIHSS at 72 hours from randomization. Safety, tolerability, short-term and three-months functional outcomes will be assessed as secondary endpoints by un-blinded and blinded observers respectively. Discussion: We expect that this study will advance our understanding of how early treatment with non-invasive ventilation can counterbalance, or possibly reverse, the deleterious effects of sleep apnea in the acute phase of ischemic stroke. The study will provide preliminary data to power a subsequent phase III study.

Many diffusion processes in nature and society were found to be anomalous, in the sense of being fundamentally different from conventional Brownian motion. An important example is the migration of biological cells, which exhibits non-trivial temporal decay of velocity autocorrelation functions. This means that the corresponding dynamics is characterized by memory effects that slowly decay in time. Motivated by this we construct non-Markovian lattice-gas cellular automata models for moving agents with memory. For this purpose the reorientation probabilities are derived from velocity autocorrelation functions that are given a priori; in that respect our approach is “data-driven”. Particular examples we consider are velocity correlations that decay exponentially or as power laws, where the latter functions generate anomalous diffusion. The computational efficiency of cellular automata combined with our analytical results paves the way to explore the relevance of memory and anomalous diffusion for the dynamics of interacting cell populations, like confluent cell monolayers and cell clustering.

Polycyclic aromatic hydrocarbons exhibit a rich spectrum of physicochemical properties depending on the size and, more critically, on the edge and bond topologies. Among them, open-shell systems - molecules hosting unpaired electron densities - represent an important class of materials for organic electronic, spintronic, and optoelectronic devices, but remain challenging to synthesize in solution. We report the on-surface synthesis and scanning tunneling microscopy- and spectroscopybased study of two ultralow-gap open-shell molecules, namely peri-tetracene, a benzenoid graphene fragment with zigzag edge topology, and dibenzo[a,m]dicyclohepta-[bcde,nopq]rubicene, a nonbenzenoid nonalternant structural isomer of peri-tetracene with two embedded azulene units. Our results provide an understanding of the ramifications of altered bond topologies at the single-molecule scale, with the prospect of designing functionalities in carbon-based nanostructures via engineering of bond topology.