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For more than half a decade, lithium has been successfully used to treat bipolar disorder. Worldwide, it is considered the first-line mood stabilizer. Apart from its proven antimanic and prophylactic effects, considerable evidence also suggests an antisuicidal effect in affective disorders. Lithium is also effectively used to augment antidepressant drugs in the treatment of refractory major depressive episodes and prevent relapses in recurrent unipolar depression. In contrast to many psychiatric drugs, lithium has outlasted various pharmacotherapeutic ‘fashions’, and remains an indispensable element in contemporary psychopharmacology. Nevertheless, data from pharmacogenetic studies of lithium are comparatively sparse, and these studies are generally characterized by small sample sizes and varying definitions of response. Here, we present an international effort to elucidate the genetic underpinnings of lithium response in bipolar disorder. Following an initiative by the International Group for the Study of Lithium-Treated Patients (www.IGSLI.org) and the Unit on the Genetic Basis of Mood and Anxiety Disorders at the National Institute of Mental Health,lithium researchers from around the world have formed the Consortium on Lithium Genetics (www.ConLiGen.org) to establish the largest sample to date for genome-wide studies of lithium response in bipolar disorder, currently comprising more than 1,200 patients characterized for response to lithium treatment. A stringent phenotype definition of response is one of the hallmarks of this collaboration. ConLiGen invites all lithium researchers to join its efforts. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse von mechanischen, elektronenmikroskopischen und rasterkraft-mikroskopischen Untersuchungen an mittelorientierten Nickeleinkristallen dargestellt, die bei 77 K bis in den Bereich der Stabilisierung der mechanischen Eigenschaften zyklisch verformt worden sind. Im Zentrum des Interesses steht neben der Analyse der stabilisierten Versetzungsstruktur auf makroskopischer, mesoskopischer und mikroskopischer Maßstabsskala das Studium der Gleitlokalisationsphänomene bei tiefen Temperaturen. Nach Verformung bei 77 K ergibt sich sowohl hinsichtlich des mechanischen Verhaltens und der Oberflächengleiterscheinungen als auch bezüglich der Versetzungsanordnungen auf mesoskopischem Strukturniveau (Strukturlängen in der Größenordnung 1 µm) prinzipiell ein ähnliches Erscheinungsbild wie bei höheren Verformungstemperaturen: Die zyklische Spannungs-Dehnungs-Kurve ist in drei Bereiche gegliedert, sie weist ein Plateaugebiet auf; es treten Grobgleitspuren auf der Probenoberfläche auf, die eine Lokalisation der Gleitung anzeigen; es kommt zur Ausbildung einer mesoskopisch heterogenen Versetzungsstruktur. Die Tendenz, daß mit sinkender Verformungstemperatur die Strukturlängen auf den unterschiedlichen Maßstabsniveaus kleiner werden, setzt sich bei der Wechselplastizierung bei 77 K fort. Die detaillierten quantitativen Untersuchungen zur Gleitlokalisation bei 77 K haben zu neuen Erkenntnissen geführt, deren Konsequenzen nicht nur die zyklische Plastizität bei tiefen Temperaturen betreffen. Die Ergebnisse lassen sich in folgenden Punkten zusammenfassen: Nach Halbzyklusverformung existiert ein weites Spektrum von lokalen Abgleitamplituden, das von 0,5 % bis 30 % reicht; die mittlere plastische Dehnung der Gleitbänder ist intrinsisch; das aktive Gleitvolumen im Halbzyklus beträgt nur 30 % des Volumens, in dem Gleitlokalisation nach einer hinreichend großen Zyklenzahl beobachtet wird; die Abgleitung in den aktiven Gleitbändern liegt um ungefähr einen Faktor drei über der oberen Plateaugrenzdehnung der zyklischen Spannungs-Dehnungs-Kurve. Die Meßergebnisse zum aktiven Gleitvolumen führen zu dem Schluß, daß in den Gleitbändern zeitlich gestaffelt Phasen hoher und niedriger Gleitaktivität auftreten. Die Diskussion der experimentellen Befunde zeigt, daß die Kerngedanken des WINTER-Modells bezüglich der Eigenschaften der Gleitbänder gültig bleiben, wenn man die Aussagen des Modells auf das mittlere räumliche und mittlere zeitliche Verhalten der Gleitbänder bezieht. Anhaltspunkte für die physikalischen Ursachen der Existenz eines Abgleitungsspektrums ergeben sich zum einen aus einer Modifikation des phänomenologischen WINTER-Modells nach ZAISER und zum anderen durch die Annahme von Spektren des Verfestigungskoeffizienten und/oder der effektiven Spannung.

Synaptic long-term modifications following neuronal activation are believed to be at the origin of learning and long-term memory. Recent experiments suggest that these long-term synaptic changes are all-or-none switch-like events between discrete states of a single synapse. The biochemical network involving calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) and its regulating protein signaling cascade has been hypothesized to durably maintain the synaptic state in form of a bistable switch. Furthermore, it has been shown experimentally that CaMKII and associated proteins such as protein kinase A and calcineurin are necessary for the induction of long-lasting increases (long-term potentiation, LTP) and/or long-lasting decreases (long-term depression, LTD) of synaptic efficacy. However, the biochemical mechanisms by which experimental LTP/LTD protocols lead to corresponding transitions between the two states in realistic models of such networks are still unknown. We present a detailed biochemical model of the calcium/calmodulin-dependent autophosphorylation of CaMKII and the protein signaling cascade governing the dephosphorylation of CaMKII. As previously shown, two stable states of the CaMKII phosphorylation level exist at resting intracellular calcium concentrations. Repetitive high calcium levels switch the system from a weakly- to a highly phosphorylated state (LTP). We show that the reverse transition (LTD) can be mediated by elevated phosphatase activity at intermediate calcium levels. It is shown that the CaMKII kinase-phosphatase system can qualitatively reproduce plasticity results in response to spike-timing dependent plasticity (STDP) and presynaptic stimulation protocols. A reduced model based on the CaMKII system is used to elucidate which parameters control the synaptic plasticity outcomes in response to STDP protocols, and in particular how the plasticity results depend on the differential activation of phosphatase and kinase pathways and the level of noise in the calcium transients. Our results show that the protein network including CaMKII can account for (i) induction - through LTP/LTD-like transitions - and (ii) storage - due to its bistability - of synaptic changes. The model allows to link biochemical properties of the synapse with phenomenological 'learning rules' used by theoreticians in neural network studies.

Der Vortrag beschreibt die Grundlagen der Elasto-Plastizität sowie die softwaretechnische Anwendung mit dem FEM-Programm Creo Simulate bzw. Pro/MECHANICA von PTC. Der erste Teil des Vortrages beschreibt die Charakteristika plastischen Verhaltens, unterschiedliche plastische Materialgesetze, Fließkriterien bei mehrachsiger Beanspruchung und unterschiedliche Verfestigungsmodelle. Im zweiten Vortragsteil werden Möglichkeiten und Grenzen der Berechnung elasto-plastischer Probleme mit der Software dargestellt sowie Anwendungstipps gegeben. Im dritten Vortragsteil schließlich werden verschiedene Beispiele vorgestellt, davon besonders ausführlich das Verhalten einer einachsigen elasto-plastischen Zugprobe vor und nach dem Eintreten der Einschnürdehnung. / This presentation describes the basics of elasto-plasticity and its application with the finite element software Creo Simulate (formerly Pro/MECHANICA) from PTC. The first part describes the characteristics of plastic behavior, different plastic material laws, yield criteria for multiaxial stress states and different hardening models. In the second part, the opportunities and limitations of analyzing elasto-plastic problems with the FEM-code are described and user information is provided. The last part finally presents different examples. Deeply treated is the behavior of a uniaxial tensile test specimen before and after elongation with necking appears.

The size reduction of transistors has been the main reason for a successful development of semiconductor integrated circuits over the last decades. Because of the physically limited downscaling of transistors, alternative technologies namely the information processing and nonvolatile resistive switches (also termed memristors) have come into focus. Memristors reveal a fast switching speed, long retention time, and stable endurance. Nonvolatile analog bipolar resistive switching with a considerable large On/Off ratio is reported in BiFeO3 (BFO)-based resistive switches. So far resistive switches are mainly applied in memory applications or logic operations. Given the excellent properties of BFO based memristors, the further exploration of functionalities for memristive devices is required. A new approach for hardware based cryptographic system was developed within the framework of this dissertation. By studying the power conversion efficiencies on BFO memristor at various harmonics, it has been shown that two sets of clearly distinguishable power ratios are achievable when the BFO memristor is set into high or into low resistance state. Thus, a BFO-based binary encoding system can be established. As an example the unrecoverable seizure information from encoded medical data suggests the proper functioning of the proposed encryption system. Aside from cryptographic functionality, the single pairing spike timing dependent plasticity (STDP) in BFO-based artificial synapses is demonstrated, which can be considered as the cornerstone for energy-efficient and fast hardware-based neuromorphic networks. In comparison to the biological driven realistic way, only single one pairing of pre- and postsynaptic spikes is applied to the BFO-based artificial synapse instead of 60-80 pairings. Thus, the learning time constant of STDP function can be reduced from 25 ms to 125 us. / In den letzten Jahrzehnten war die Größenreduktion von Transistoren einer der Hauptgründe für die Leistungssteigerung von integrierten Halbleiterschaltungen. Aufgrund des physikalisch beschränkten Skalierungspotentials, werden alternative Technologien für Halbleiterschaltungen entwickelt. Dazu zählen neuartige Widerstandsschalter, sogenannte Memristoren, welche wegen ihrer schnellen Schaltgeschwindigkeit, langen Speicherzeit und stabilen Haltbarkeit in den Fokus der Forschung gerückt sind. Das nichtflüchtige analoge bipolare Schalten des Widerstandwertes mit einem On/Off Verhältnis größer als 100 wurde in BiFeO 3 (BFO)-basierten Widerstands-schaltern beobachtet. Bisher wurden Widerstandsschalter hauptsächlich als Speicher oder in rekonfigurierbaren Logikschaltungen verwendet. Aufgrund der ausgezeichneten Eigenschaften von BFO-basierten Memristoren, ist die Untersuchung weiterer neuer Funktionalitäten vielversprechend. Als neuer Ansatz für ein Hardware-basiertes Kryptosystem wird in der vorliegenden Arbeit die Ausnutzung des Leistungsübertragungskoeffizienten in BFO Memristoren vorgeschlagen. Mit Hilfe der unterschiedlichen Oberschwingungen, welche von einem BFO Memristor im ON und OFF Zustand generiert werden, wurde ein Kryptosystem zum Kodieren binärer Daten entwickelt. Ein Test des Hardware-basierten Kryptosystems an Biodaten ergab, dass die kodierten Biodaten keine vorhersagbare Korrelation mehr enthielten. In der vorliegenden Arbeit wurden darüberhinaus BFO-basierte künstliche Synapsen mit einer Aktionspotentials-Intervall abhängigen Plastizität (STDP) für Einzelpulse entwickelt. Diese Einzelpuls-STDP legt den Grundstein für energieffiziente und schnelle neuromorphe Netzwerke mit künstlichen Synapsen. Im Vergleich zu biologischen Synapsen mit einer 60-80-Puls-STDP und einem Lernfenster auf der ms-Zeitskale, konnte das Lernfenster von BFO-basierten künstlichen Synapsen von 25 ms auf 125 μs reduziert werden. Solch ein schnelles Lernen ermöglicht auch die extreme Reduzierung des Leistungsverbrauchs in neuromorphen Netzwerken.

In der vorliegenden Studie wurde daher den Einfluss exzentrischen Trainings, mit unterschiedlicher Reizmagnitude, Bewegungsgeschwindigkeit und Muskellänge bei Reizapplikation, auf die Adaptation des M. vastus lateralis (VL) untersucht. Die 31 Studienteilnehmer wurden randomisiert in zwei Trainings- und eine Kontrollgruppe aufgeteilt. Die Trainingsgruppen führten 30 Trainingseinheiten mit exzentrischem Training der Knieextensoren an einem Isokineten durch. Gruppe 1 (n=10) trainierte ein Bein mit 65% der maximalen willkürlichen isometrischen Kontraktion (MVC) und das andere Bein mit 100% MVC, bei einer Winkelgeschwindigkeit von 90°/s und einem Kniewinkel von 25°-100°. Gruppe 2 (n=10) trainierte beide Beine mit 100% MVC, ein Bein aber mit einer Winkelgeschwindigkeit von 90°/s in einem Kniewinkel von 25°-65° und das andere Bein mit 240°/s und 25°-100°. In der Pre- und Postmessung wurde die VL Muskelfaserlänge mittels Ultraschall bestimmt und die Moment-Winkel- und Leistungs-Winkelgeschwindigkeitsrelation mit einem Dynamometer erfasst. Die Ergebnisse zeigen nur für Bein mit 240°/s eine signifikante (p / The present study investigated the effects of magnitude, velocity and muscle length at which the eccentric stimulus is applied on the longitudinal adaptation of the vastus lateralis muscle (VL). The 31 participants were randomly assigned into two experimental groups to perform 30 sessions of eccentric training for the knee extensors (3 times/week) and one control group. The first experimental group (n=10) exercised one leg at 65% of maximum voluntary isometric contraction (MVC) and the second leg at 100% MVC at 90°/s from 25° to 100° knee angle on an isokinetic device (Biodex 3). The second experimental group (n=10) exercised one leg at 100% MVC at 90°/s from 25° to 65° knee angle and the other leg at 100% MVC at an angular velocity of 240°/s from 25° to 100° knee angle. In pre and post measurements the fascicle length of the VL was examined by ultrasonography and the moment-angle and power-angular velocity relationship of the knee extensors with a dynamometer. The results showed an increase (p

In dieser Doktorarbeit wird Langsamkeit als unüberwachtes Lernprinzip in sensorischen Systemen untersucht. Dabei wird zwei Aspekten besondere Aufmerksamkeit gewidmet: der mathematischen Analyse von Slow Feature Analysis - einer Implementierung des Langsamkeitsprinzips - und der Frage, wie das Langsamkeitsprinzip biologisch umgesetzt werden kann. Im ersten Teil wird zunächst eine mathematische Theorie für Slow Feature Analysis entwickelt, die zeigt, dass die optimalen Funktionen für Slow Feature Analysis die Lösungen einer partiellen Differentialgleichung sind. Die Theorie erlaubt, das Verhalten komplizierter Anwendungen analytisch vorherzusagen und intuitiv zu verstehen. Als konkrete Anwendungen wird das Erlernen von Orts- und Kopfrichtungszellen, sowie von komplexen Zellen im primären visuellen Kortex vorgestellt. Im Rahmen einer technischen Anwendung werden die theoretischen Ergebnisse verwendet, um einen neuen Algorithmus für nichtlineare blinde Quellentrennung zu entwickeln und zu testen. Als Abschluss des ersten Teils wird die Beziehung zwischen dem Langsamkeitsprinzip und dem Lernprinzip der verhersagenden Kodierung mit Hilfe eines informationstheoretischen Ansatzes untersucht. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Frage der biologischen Implementierung des Langsamkeitsprinzips. Dazu wird zunächst gezeigt, dass Spikezeit-abhängige Plastizität unter bestimmten Bedingungen als Implementierung des Langsamkeitsprinzips verstanden werden kann. Abschließend wird gezeigt, dass sich die Lerndynamik sowohl von gradientenbasiertem Langsamkeitslernen als auch von Spikezeit-abhängiger Plastizität mathematisch durch Reaktions-Diffusions-Gleichungen beschreiben lässt. / In this thesis, we investigate slowness as an unsupervised learning principle of sensory processing. Two aspects are given particular emphasis: (a) the mathematical analysis of Slow Feature Analysis (SFA) as one particular implementation of slowness learning and (b) the question, how slowness learning can be implemented in a biologically plausible fashion. In the first part of the thesis, we develop a mathematical framework for SFA and show that the optimal functions for SFA are the solutions of a partial differential eigenvalue problem. The theory allows (a) to make analytical predictions for the behavior of complicated applications and (b) an intuitive understanding of how the statistics of the input data are reflected in the optimal functions of SFA. The theory is applied to the learning of place and head-direction representations and to the learning of complex cell receptive fields as found in primary visual cortex. As a technical application, we use the theoretical results to develop and test a new algorithm for nonlinear blind source separation. The first part of the thesis is concluded by an information-theoretic analysis of the relation between slowness learning and predictive coding. In the second part of the thesis, we study the question, how slowness learning could be implemented in a biologically plausible manner. To this end, we first show that spike timing-dependent plasticity can under certain conditions be interpreted as an implementation of slowness learning. Finally, we show that both gradient-based slowness learning and spike timing-dependent plasticity lead to receptive field dynamics that can be described in terms of reaction-diffusion equations.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss der Korngröße und der Gefügestabilität auf die zyklische Plastizität von mikro- und submikrokristallinem Nickel, hergestellt durch ECAP und PED, untersucht. Zur Gefügecharakterisierung kamen verschiedene elektronenmikroskopische und röntgenographische Methoden zum Einsatz. Die Untersuchungen zur Gefügestabilität zeigten, dass (i) die Stabilität der Korn- und Substruktur bei der zyklischen Verformung empfindlich vom Gefüge im Ausgangszustand abhängt, (ii) generell die Tendenz zur Umwandlung der vorhandenen Substruktur in eine universelle ermüdungstypische Substruktur besteht, diese Transformation jedoch durch die lokale Gefügebeschaffenheit be- bzw. verhindert sein kann und (iii) zur Erklärung des Entfestigungsverhaltens der ECAP-Materialien sowohl die Transformation der Substruktur als auch die Vergröberung der Kornstruktur berücksichtigt werden müssen. Auf der Basis der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit und unter Hinzunahme von Resultaten aus der Literatur lassen sich Schlussfolgerungen zum Einfluss der Korngröße auf die zyklische Plastizität in einem vier Größenordnungen umfassenden Korngrößenbereich ziehen. In grob- und feinkörnigem Nickel bilden sich bei der zyklischen Verformung ermüdungstypische Versetzungsstrukturen, deren Abmessungen kaum von der Korngröße abhängen. Der Versetzungslaufweg in diesen Materialien ist wesentlich kleiner als die Kornabmessungen. Dementsprechend besteht höchstens ein schwacher Einfluss der Korngröße auf das sich bei der Wechselverformung einstellende Spannungsniveau. Bei mikro- und submikrokristallinem Nickel, wo der Versetzungslaufweg in der Größenordung der Kornabmessungen liegt, wird ein deutlicher Umschlag bei der Versetzungsmusterbildung und dem zyklischen Verformungsverhalten beobachtet. In diesem Korngrößenbereich entstehen entweder qualitativ andere (D<DS1=5µm) oder keine Versetzungsstrukturen (D<DS2=1µm) und das Spannungsniveau steigt mit sinkender Korngröße entsprechend einer HALL-PETCH-Beziehung.

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