The present work addresses in-depth magnetic films with magnonic surface patterning of variable size. Two different kinds of such structures referred to as surface-modulated magnonic crystals were investigated: Ion-irradiated magnonic crystals and structurally etched magnonic crystals. To achieve that, two different experimental approaches were pursued. On the one hand, the magnetic moment at the surface of lithographically patterned permalloy (Ni80Fe20) films was periodically reduced by means of ion irradiation. On the other hand, structural trenches were introduced at the surface of a pre-patterned thin film by sequential ion milling. The goal is the acquisition of a fundamental understanding of the behavior of spin-wave modes in the transition from a continuous magnetic thin film to a full magnonic crystal, i.e. separated periodic magnetic structures. In the framework of this thesis, the spin-wave eigen-modes of such magnonic crystals were mainly investigated spectroscopically by means of ferromagnetic resonance. Thereby, the “Two-magnon scattering perturbation theory” and the “plane-wave method” were employed as the theoretical methodologies to understand the complex dynamics of such systems. The first is a reliable method to calculate the dynamic response of surface-modulated magnonic crystals where the modulation is of a perturbation character, i.e. small compared to the film thickness. The latter is a quasi-analytical approach to calculate the dynamic eigen-modes of magnonic crystals consisting of different components with significantly varying properties. Moreover, numerical methods were employed to get further insight into the spin dynamics of these structures. In such systems, the spin-wave behavior follows the well-known dispersion relation of flat magnetic thin films as long as the surface-modulation is small compared to the film thickness. In this work, it was shown that this circumstance can be exploited for a parameter-free determination of the exchange constant A, which is not experimentally accessible for magnetic thin films in a straightforward manner. However, once the modulation height is of significant magnitude, the dynamics of surface-modulated magnonic crystals become substantially more complex. A straightforward understanding of such kind of system is hampered by the complex interplay of different effects. On the one hand, the internal demagnetizing field reveals an alternating character and depends itself on the modulation height and the field angle. On the other hand, the dynamic eigen-modes are hybridized, i.e., they reveal different characteristics in different regions of the magnonic crystal and, in addition, they couple to each other. Here, the approach is particularly favorable to investigate the spin dynamics of surface-modulated magnonic crystals by systematically altering the modulation height of the same sample. This is mainly due to two reasons. First, the two edge cases, namely the thin film and the full magnonic crystal, are already well understood and, second, other magnetic and structural parameters remain constant. With the help of the measurement results and the simulations, the quasi-analytical theory was validated. Subsequently, the mode profiles were calculated by theory and simulation in order to analyze the mode character in the transition from a thin film to a full magnonic crystal. Two kinds of dynamic eigen-modes were identified, namely hybridized modes and localized modes. For both types, simple formulae were derived describing their characteristic dynamic behavior. Besides, transition rules were found connecting the mode number n of film modes with the mode number m of modes in the full magnonic crystal. In order to correlate the symmetry and magnitude of the demagnetizing field with the spin-wave eigen-modes, the internal fields of a strongly surface-modulated magnonic crystal were reconstructed by electron holography measurements. By reemploying the measurement results for micromagnetic simulations, the dynamics of the whole system could be reproduced. This strategy allowed for a better understanding of the link between the demagnetizing field and the spin-wave mode characteristics. Based on these results, a simplified model for the analytical description of the inplane angular dependence was found. The acquired understanding of such systems led to the elaboration of specific applications, such as the spin-wave channelization. It should be noted that the coupling of uniform to non-uniform spin-wave phenomena, which is an intrinsic property of these structures, holds out the prospect of several applications in the future.

Der Vortrag zeigt die einzelnen notwendigen Schritte auf, die zur Lösung des Resonanzproblems an der Vorderradaufhängung eines E-Rollstuhls der Firma MEYRA-ORTOPEDIA notwendig waren. Alle Lösungsschritte wurden mit Creo Elements/Pro und seinen Modulen Mechanism Design Option (MDO) und Advanced Mechanica erarbeitet.

Die Elektronen-Spin-Resonanz (ESR) Spektroskopie hat sich in Verbindung mit der Spinsondentechnik (SDSL) bereits seit einigen Jahren zur Struktur- und Dynamikanalyse von Biomakromolekülen etabliert. Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Aufbau eines Hochfeld-/Hochfrequenz-ESR-Spektrometers bei 3,4T/95GHz (W-Band) und drei attraktiven Anwendungen auf spinmarkierte Proteine. Als eine Anwendung wird die Bestimmung von Polaritäten und Protizitäten spinmarkierter Positionen des sensorischen Rhodopsin-Transducer-Komplexes (SRII/HtrII) aus Natronomonas pharaonis mit Hilfe von cw-Messungen bei Temperaturen <190 K präsentiert. Es werden Rückschlüsse auf die Struktur der HAMP-Domäne des Proteinkomplexes durchgeführt. Positionsabhängige Unterschiede der Protizität werden auf verschiedene Anteile mit null bis zwei Wasserstoffbrücken zum Nitroxid zurückgeführt. Als nächste Anwendung wird die Gewinnung von Reorientierungspotentialen der Spinträgerseitenkette mit dem SRLS-Model und in Kombination mit X- und Q-Bandmessungen bei Raumtemperatur demonstriert. Für die spinmarkierte Position einer Konformation des SRII/HTrII ergibt sich ein Potential, dass mit Ergebnissen von Molekulardynamiksimulationen eines helikalen Polypeptids gut übereinstimmt. Ebenfalls durchgeführt wurde die Bestimmung des Potentials an Position 166 der Kanal bildenden Domäne des Colicin A aus E. coli. Schließlich werden im Temperaturbereich von 120 bis 220 K die Einflüsse verschiedener (Isotopen-)Derivate des Spinlabels und der Einfluss der Wasserprotonen auf den Hahn-Echozerfall zur Bestimmung orientierungsabhängiger Librationsamplituden an einer weiteren SRII/HtrII-Probe und der gleichen Colicin A-Probe wie oben vorgestellt. Es werden Folgerungen für die Struktur der Proteine gezogen und, im Fall der Colicin A-Probe, ein Bezug zur Kristallstruktur hergestellt.

Diese Bachelorarbeit untersucht die wissenschaftliche Übertragung des Resonanzkonzepts nach Hartmut Rosa (2016) auf die therapeutische Interaktion zwischen Therapeut:in und Patient:in. Der theoretische Hintergrund orientiert sich am intersubjektiv-psychodynamischen Ansatz, wie er von Neumann und Naumann-Lenzen (2017) und Neumann (2023) beschrieben wird. Im Mittelpunkt des Forschungsinteresses steht das Spannungsfeld zwischen dem Streben nach Resonanz und dem Wahren von Abstinenz. Die Fragestellung der Arbeit lautet: Wie gelingt es Psychotherapeut:innen, eine Balance zwischen dem Streben nach Resonanz und dem Wahren von Abstinenz zu erreichen? Zur Beantwortung dieser Frage wurde ein qualitatives Untersuchungsdesign gewählt, das problemzentrierte Experteninterviews mit sechs psychologischen Psychotherapeut:innen umfasste. Die Untersuchung identifizierte zahlreiche Faktoren, die für das Erreichen einer Balance zwischen Resonanzstreben und Abstinenzwahrung von Bedeutung sind. Zu diesen zählen Präsenz, Verkörperung, Selbstwahrnehmung, Containment, situative Authentizität, Balance als dynamisches Wechselspiel, gemeinsame Orientierung und Selbstfürsorge. Weitere wesentliche Aspekte umfassen die Fähigkeit zur Kontrollabgabe anstelle von Kontrollverlust, Unabhängigkeit, die Passung zwischen Therapeut:in und Patient:in, Langsamkeit, den therapeutischen Rahmen, die Bedeutung von Supervision, Intervision und Selbsterfahrung sowie Erfahrung. Die Ergebnisse legen nahe, dass Resonanz und Abstinenz keine widersprüchlichen Bestrebungen, sondern komplementäre Aspekte eines dynamischen therapeutischen Prozesses darstellen. Abschließend lässt sich folgender Leitsatz für die therapeutische Praxis formulieren: So viel Resonanz, wie möglich - so viel Abstinenz, wie nötig. Die Ergebnisse zeigen, dass die Übertragung des Resonanzkonzepts auf den therapeutischen Kontext wertvolle Impulse für die therapeutische Praxis liefern kann. Weitere Untersuchungen sind empfohlen, um die Erkenntnisse zu vertiefen und ihre Relevanz zu evaluieren.:Tabellenverzeichnis 5 Abbildungsverzeichnis 5 Zusammenfassung 6 Abstract 7 1 Einleitung .........................................................................................................................8 2 Theoretischer Hintergrund................................................................................................8 2.1 Soziologie der Weltbeziehung.......................................................................................9 2.2 Intrasubjektive und Intersubjektive Resonanz ............................................................11 2.2.1 Intrasubjektive Resonanz .....................................................................................11 2.2.2 Intersubjektive Resonanz .....................................................................................11 2.2.2.1 Intersubjektive Abstimmungsprozesse ...........................................................12 2.2.2.2 Interpersonelle Affektregulation......................................................................12 2.2.2.3 Resonantes Unbewusstes..............................................................................12 2.3 Resonanz in der Psychotherapie .........................................................................13 2.3.1 Systemischer Ansatz .........................................................................................13 2.3.1.1 Theorien komplexer dynamischer Systeme....................................................14 2.3.1.2 Pathogenese aus systemtheoretischer Sicht..................................................14 2.3.1.3 Selbstorganisation als Grundlage in der Psychotherapie ...............................15 2.3.2 Embodiment .........................................................................................................15 2.3.3 Therapeutische Allianz .........................................................................................16 2.3.4 Affektregulation ....................................................................................................17 2.3.4.1 Arten von Affekten .........................................................................................17 2.3.4.2 Regulation und Dysregulation ........................................................................18 2.3.4.3 Selbstregulation und Ko-Regulation ...............................................................20 2.3.5 Übertragung und Gegenübertragung .................................................................21 2.3.5.1 Traditionelles Verständnis von Übertragung und Gegenübertragung .............21 2.3.5.2 Intersubjektives Verständnis von Übertragung und Gegenübertragung..........23 2.3.6 Abstinenz .............................................................................................................24 2.3.6.1 Berufsethische Begründung der Abstinenzregel.............................................24 2.3.6.2 Methodische Begründung der Abstinenzregel ................................................25 2.3.6.3 Intersubjektives Verständnis der Abstinenzregel ............................................26 2.3.7 Resonanz versus Abstinenz .................................................................................26 3 Fragestellung................................................................................................................27 4 Methodik......................................................................................................................28 4.1 Wahl der Forschungsmethode ................................................................................28 4.1.1 Qualitative Forschung...........................................................................................28 4.1.2 Problemzentrierte Experteninterviews ..................................................................28 4.2 Sampling.....................................................................................................................29 4.3 Datenerhebung ..........................................................................................................30 4.4 Datenanalyse..............................................................................................................31 4.4.1 Erste Auswertungsphase......................................................................................31 4.4.2 Zweite Auswertungsphase....................................................................................32 5 Ergebnisse ...................................................................................................................32 5.1 Ergebnisse der ersten Auswertungsphase ................................................................32 5.2 Ergebnisse der zweiten Auswertungsphase...............................................................35 5.2.1 Verdichtung ..........................................................................................................35 5.2.2 Komparative Paraphrasierung ..............................................................................38 6 Diskussion..................................................................................................................47 6.1 Interpretation der Ergebnisse .................................................................................47 6.1.1 Präsenz................................................................................................................47 6.1.2 Verkörperung........................................................................................................48 6.1.3 Selbstwahrnehmung.............................................................................................48 6.1.4 Containment.........................................................................................................49 6.1.5 Unabhängigkeit ....................................................................................................50 6.1.6 Balance als dynamisches Wechselspiel ...............................................................50 6.1.7 Kontrollabgabe statt Kontrollverlust ......................................................................51 6.1.8 Gemeinsame Orientierung....................................................................................51 6.1.9 Therapeutischer Rahmen .....................................................................................51 6.1.10 Passung .............................................................................................................52 6.1.11 Situative Authentizität .........................................................................................52 6.1.12 Langsamkeit.......................................................................................................53 6.1.13 Selbstfürsorge ....................................................................................................54 6.1.14 Supervision, Intervision, Selbsterfahrung............................................................54 6.1.15 Erfahrung............................................................................................................55 6.2 Zusammenfassende Darstellung der Ergebnisse .....................................................55 6.3 Kritische Würdigung....................................................................................................57 6.4 Die Güte der Forschung..............................................................................................58 6.5 Ausblick ......................................................................................................................60 7 Fazit ...............................................................................................................................61 8 Literaturverzeichnis ........................................................................................................63 Anhang...............................................................................................................................68 Anhang A: Berufsordnung der ostdeutschen Psychotherapeutenkammer (Auszug)..........68 Anhang B: Strafgesetzbuch (Auszug) ...............................................................................69 Anhang C: Einführung Problemstellung, PowerPoint Präsentation....................................70 Anhang D: Interview – Ablaufplan .....................................................................................77 Anhang E: Leitfaden .........................................................................................................78 7 Eidesstattliche Erklärung ...............................................................................................79 / This bachelor thesis examines the transfer of the resonance concept according to Hartmut Rosa (2016) from the scientific debate to the practical interaction between therapist and patient in therapy. The theoretical background is based on the intersubjective-psychodynamic approach as described by Neumann and Naumann-Lenzen (2017) and Neumann (2023). The focus of the study is the tension between the pursuit of resonance and the preservation of abstinence. The research question is: How do psychotherapists manage to achieve a balance between striving for resonance and maintaining abstinence? To answer this question, a qualitative approachwas chosen that included problem-centered expert interviews with six psychological psychotherapists. The study identified numerous factors that are important for achieving a balance between striving for resonance and maintaining abstinence. These include presence, embodiment, self-awareness, containment, situational authenticity, balance as a dynamic interplay, shared orientation and self-care. Other key aspects include the ability to relinquish control rather than lose control, independence, the fit between therapist and patient, slowness, the therapeutic framework, the importance of supervision, intervision and self- reflection, and experience. The results suggest that resonance and abstinence are not contradictory aspirations, but complementary aspects of a dynamic therapeutic process. Ultimately, the following guiding principle can be formulated for therapeutic practice: As much resonance as possible - as much abstinence as necessary. The results show that the transfer of the resonance concept to the therapeutic context can provide valuable impulses for therapeutic practice. Further studies are recommended in order to deepen the findings and evaluate their relevance.:Tabellenverzeichnis 5 Abbildungsverzeichnis 5 Zusammenfassung 6 Abstract 7 1 Einleitung .........................................................................................................................8 2 Theoretischer Hintergrund................................................................................................8 2.1 Soziologie der Weltbeziehung.......................................................................................9 2.2 Intrasubjektive und Intersubjektive Resonanz ............................................................11 2.2.1 Intrasubjektive Resonanz .....................................................................................11 2.2.2 Intersubjektive Resonanz .....................................................................................11 2.2.2.1 Intersubjektive Abstimmungsprozesse ...........................................................12 2.2.2.2 Interpersonelle Affektregulation......................................................................12 2.2.2.3 Resonantes Unbewusstes..............................................................................12 2.3 Resonanz in der Psychotherapie .........................................................................13 2.3.1 Systemischer Ansatz .........................................................................................13 2.3.1.1 Theorien komplexer dynamischer Systeme....................................................14 2.3.1.2 Pathogenese aus systemtheoretischer Sicht..................................................14 2.3.1.3 Selbstorganisation als Grundlage in der Psychotherapie ...............................15 2.3.2 Embodiment .........................................................................................................15 2.3.3 Therapeutische Allianz .........................................................................................16 2.3.4 Affektregulation ....................................................................................................17 2.3.4.1 Arten von Affekten .........................................................................................17 2.3.4.2 Regulation und Dysregulation ........................................................................18 2.3.4.3 Selbstregulation und Ko-Regulation ...............................................................20 2.3.5 Übertragung und Gegenübertragung .................................................................21 2.3.5.1 Traditionelles Verständnis von Übertragung und Gegenübertragung .............21 2.3.5.2 Intersubjektives Verständnis von Übertragung und Gegenübertragung..........23 2.3.6 Abstinenz .............................................................................................................24 2.3.6.1 Berufsethische Begründung der Abstinenzregel.............................................24 2.3.6.2 Methodische Begründung der Abstinenzregel ................................................25 2.3.6.3 Intersubjektives Verständnis der Abstinenzregel ............................................26 2.3.7 Resonanz versus Abstinenz .................................................................................26 3 Fragestellung................................................................................................................27 4 Methodik......................................................................................................................28 4.1 Wahl der Forschungsmethode ................................................................................28 4.1.1 Qualitative Forschung...........................................................................................28 4.1.2 Problemzentrierte Experteninterviews ..................................................................28 4.2 Sampling.....................................................................................................................29 4.3 Datenerhebung ..........................................................................................................30 4.4 Datenanalyse..............................................................................................................31 4.4.1 Erste Auswertungsphase......................................................................................31 4.4.2 Zweite Auswertungsphase....................................................................................32 5 Ergebnisse ...................................................................................................................32 5.1 Ergebnisse der ersten Auswertungsphase ................................................................32 5.2 Ergebnisse der zweiten Auswertungsphase...............................................................35 5.2.1 Verdichtung ..........................................................................................................35 5.2.2 Komparative Paraphrasierung ..............................................................................38 6 Diskussion..................................................................................................................47 6.1 Interpretation der Ergebnisse .................................................................................47 6.1.1 Präsenz................................................................................................................47 6.1.2 Verkörperung........................................................................................................48 6.1.3 Selbstwahrnehmung.............................................................................................48 6.1.4 Containment.........................................................................................................49 6.1.5 Unabhängigkeit ....................................................................................................50 6.1.6 Balance als dynamisches Wechselspiel ...............................................................50 6.1.7 Kontrollabgabe statt Kontrollverlust ......................................................................51 6.1.8 Gemeinsame Orientierung....................................................................................51 6.1.9 Therapeutischer Rahmen .....................................................................................51 6.1.10 Passung .............................................................................................................52 6.1.11 Situative Authentizität .........................................................................................52 6.1.12 Langsamkeit.......................................................................................................53 6.1.13 Selbstfürsorge ....................................................................................................54 6.1.14 Supervision, Intervision, Selbsterfahrung............................................................54 6.1.15 Erfahrung............................................................................................................55 6.2 Zusammenfassende Darstellung der Ergebnisse .....................................................55 6.3 Kritische Würdigung....................................................................................................57 6.4 Die Güte der Forschung..............................................................................................58 6.5 Ausblick ......................................................................................................................60 7 Fazit ...............................................................................................................................61 8 Literaturverzeichnis ........................................................................................................63 Anhang...............................................................................................................................68 Anhang A: Berufsordnung der ostdeutschen Psychotherapeutenkammer (Auszug)..........68 Anhang B: Strafgesetzbuch (Auszug) ...............................................................................69 Anhang C: Einführung Problemstellung, PowerPoint Präsentation....................................70 Anhang D: Interview – Ablaufplan .....................................................................................77 Anhang E: Leitfaden .........................................................................................................78 7 Eidesstattliche Erklärung ...............................................................................................79

Diese Arbeit behandelt die Asymptotik von Austritts- und Übergangszeiten für gewisse schwach zeitinhomogene Diffusionsprozesse. Darauf basierend wird ein probabilistischer Begriff der stochastischen Resonanz (SR) studiert. Techniken der großen Abweichungen spielen eine zentrale Rolle. Im ersten Teil der Arbeit (Kapitel 1-3) werden Resultate aus der Theorie der großen Abweichungen für zeithomogene Diffusionen rekapituliert. Es werden die klassischen Resultate von Freidlin und Wentzell und Erweiterungen dieser Theorie präsentiert, und es wird an das Kramers''sche Austrittszeitengesetz erinnert. Teil II befasst sich mit dem Phänomen der SR, d.h. mit Periodizitätseigenschaften von Diffusionen. In Kapitel 4 werden physikalische Maße zur Messung der Periodizität diskutiert. Deren Nachteile legen es nahe, einem alternativen, probabilistischen Ansatz zu folgen, der hier behandelt wird. Das 5. Kapitel dient der Herleitung eines gleichmäßigen Prinzips der großen Abweichungen für Diffusionen mit schwach zeitabhängigem, periodischem Drift. Die Gleichmäßigkeit des Prinzips ermöglicht die exakte Bestimmung exponentieller Übergangsraten in Kapitel 6, das die zentralen Ergebnisse des 2. Teils beinhaltet. Hierdurch wird die Maximierung gewisser Übergangswahrscheinlichkeiten ermöglicht, was zum in Kapitel 7 studierten Resonanzbegriff führt. Teil III der Arbeit setzt sich mit der Asymptotik von Austrittszeiten sogenannter selbststabilisierender Diffusionen auseinander. In Kapitel 8 wird der Zusammenhang zwischen interagierenden Teilchensystemen und selbststabilisierenden Diffusionen erläutert und die Existenz- und Eindeutigkeitsfrage behandelt. Das 9. Kapitel dient dem Studium der großen Abweichungen dieser Klasse von Diffusionen. In Kapitel 10 wird das Kramers''sche Austrittszeitengesetz auf selbststabilisierende Diffusionen übertragen, und in Kapitel 11 wird der Einfluß der selbststabilisierenden Komponente auf das Austrittszeitengesetz illustriert. / In this thesis, we study the asymptotic behavior of exit and transition times of certain weakly time inhomogeneous diffusion processes. Based on these asymptotics, a probabilistic notion of stochastic resonance (SR) is investigated. Large deviations techniques play the key role throughout this work. In the first part (Chapters 1-3) we recall the large deviations theory for time homogeneous diffusions. We present the classical results due to Freidlin and Wentzell and extensions thereof, and we remind of Kramers'' exit time law. Part II deals with the phenomenon of stochastic resonance. That is, we study periodicity properties of diffusion processes. In Chapter 4 we explain the paradigm of stochastic resonance and discuss physical notions of measuring periodicity of diffusions. Their drawbacks suggest to follow an alternative probabilistic approach, which is treated in this work. In Chapter 5 we derive a large deviations principle for diffusions subject to a weakly time dependent periodic drift term. The uniformity of the obtained large deviations bounds w.r.t. the system''s parameters plays a key role for the treatment of transition time asymptotics in Chapter 6, which contains the main result of the second part. The exact exponential transition rates obtained here allow for maximizing transition probabilities, which finally leads to the announced probabilistic notion of resonance studied in Chapter 7. In the third part we investigate the exit time asymptotics of a certain class of so-called self-stabilizing diffusions. In Chapter 8 we explain the connection between interacting particle systems and self-stabilizing diffusions, and we address the question of existence. The following Chapter 9 is devoted to the study of the large deviations behavior of these diffusions. In Chapter 10 Kramers'' exit law is carried over to our class of self-stabilizing diffusions. Finally, the influence of self-stabilization is illustrated in Chapter 11.

Kalzium ist ein wichtiger intrazelluläre Botenstoff, der extrazelluläre Signale in zelluläre Antworten übersetzt. Oft werden externen Signale in wiederholte Anstiege der zytosolischen Kalziumkonzentration übersetzt, die als Oszillationen bezeichnet werden. Diese interdisziplinäre Arbeit kombiniert biologische Experimente, analytische Methoden der theoretischen Physik und Computersimulationen, um den Oszillationsmechanismus zu charakterisieren. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei die räumlich inhomogene Verteilung der Kanäle, die Kanalcluster bilden. Dies induziert zusammen mit Pumpen große Konzentrationsgradienten in der Nähe von offenen Clustern, was zu einer hierarchischen Organisation führt. Unter diesem Gesichtspunkt erwartet man, dass Kalziumoszillationen stochastisch sind und auf räumlicher Wechselwirkung beruhen. Diese Hypothese wird im ersten Teil der Arbeit experimentell verifiziert, indem Oszillationen vier verschiedener Zellarten analysiert werden. Der Kalziumsignalweg nutzt thermisches Rauschen konstruktiv um globale Signale zu bilden. Dabei werden molekulare Fluktuationen durch die hierarchische Struktur auf die zelluläre Ebene gehoben. Dies steht im Gegensatz zu der jahrzehntelang weitläufigen Auffassung, dass Kalzium ein repräsentatives Beispiel eines zellulären Oszillators ist. Des weiteren macht dieses Ergebnis Kalzium zu einem ersten natürlichen Beispiel für "array enhanced coherent resonance". Im Modellierungsteil dieser Arbeit wird ein physiologisches Modell für die intrazelluläre Kalziumdynamik entwickelt, das die dreidimensionale Struktur von Zellen berücksichtigt. Es verwendet ein detailliertes Kanalmodell und berücksichtigt sowohl Diffusion als auch Reaktionen mit Puffern. Der entwickelte parallele Green''s cell Algorithmus generiert in Abhängigkeit von physiologischen Parametern das gesamte Spektrum der experimentell bekannten Kalziumsignale und spiegelt die experimentellen Daten des ersten Teils in nahezu perfekter Weise wider. / Calcium is an important second messenger in cells serving as a critical link between extracellular stimuli and their cellular responses. The external signals are translated often into repeated increases of the cytosolic calcium concentration what is referred as oscillations. This work uses an interdisciplinary approach combining experimental techniques from biology, analytical tools from theoretical physics and computer simulations to clarify the question of the oscillation mechanism and how cells can generate globally coordinated calcium signals originated from local stochastic channel dynamics. In this context, the spatial inhomogeneous distribution of channels forming channel clusters plays a key role. Together with calcium pumps and buffers, this induces huge functional concentration gradients close to open clusters, leading to a hierarchical organization of calcium signals. Thus, calcium oscillations are predicted to be stochastic and to have a spatial character. This hypothesis is justified experimentally in the first part of this thesis by analyzing calcium oscillations of four different cell types. Hence, calcium signaling constructively uses thermal noise to build global signals. This contradicts the current opinion of the last decades of calcium being a representative cellular oscillator. Moreover, this makes calcium a first natural example of array enhanced coherent resonance. In the modeling part of this work, a physiological model for intracellular calcium dynamics in three spatial dimensions is developed that takes the spatial arrangement of cells seriously. It uses a detailed channel model for the discrete release sites and takes into account diffusion and buffer interaction of calcium. In dependence on physiologic parameters, the developed parallel Green''s cell algorithm generates in a natural way the whole spectrum of experimentally known calcium signals and fits the experimental data of the first part in an almost perfect manner.

Rhythmische neuronale Aktivität spielt vermutlich eine wichtige Rolle in der Informationsverarbeitung im zentralen Nervensystem. Oszillationen neuronaler Netze sind heterogen, von der Hirnregion und ihrer Funktion abhängig und werden entsprechend ihrer Frequenz eingeteilt. Für ihre Entstehung sind über die Verschaltung der Neuronen und der synaptischen Übertragung hinaus insbesondere die Erregbarkeit und Oszillationseigenschaften einzelner Neurone von Bedeutung. Bestimmte Zellen der hippokampalen Formation wie zum Beispiel Sternzellen (SC) der Schicht II des Entorhinalkortex zeigen oszillatorische Aktivität und antworten verstärkt auf Stimuli einer bestimmten Frequenz – sie sind resonant. Beide Phänomene werden auf spezifische spannungsabhängige Leitfähigkeiten in der Membran zurückgeführt. Es stellte sich heraus, dass die Resonanzfrequenz von SCs durch das Muster der vorhandenen Leitfähigkeiten bestimmt wird und von der Position der Zelle entlang der dorso-ventralen Achse abhängt. Dieser Gradient ist bereits in frühen Entwicklungsstadien nachweisbar. Im Zuge der weiteren Entwicklung werden SCs weniger erregbar und der Bereich der Resonanzfrequenz dehnt sich nach dorsal aus. Pharmakologische Experimente ergaben, dass die Resonanz von SCs von HCN-Kanälen abhängt und von Kv7-Kanälen moduliert wird. Außerdem konnten zwei, bisher unbekannte Klassen von oszillatorischen Interneuronen beschrieben werden, deren Resonanz ebenfalls im Theta-Bereich liegt und auf ähnliche Leitfähigkeiten zurückgeführt werden kann. Weitere, auch CA1-Pyramidenzellen einschließende Experimente ergaben, dass HCN-Kanäle die allgemeine Voraussetzung für Resonanz zu sein scheinen während Kv7-Kanäle potente Modulatoren darstellen. Die pharmakologische Blockade dieser Kanäle unterbrach Netzwerkoszillation im Hippokampus. Dies unterstützt die These, dass bestimmte Leitfähigkeiten Neuronen Resonanzeigeschaften verleihen und somit wiederum Netzwerkoszillationen unterstützen. / Rhythmic neuronal activity is thought to be crucial for information processing in the brain. Neuronal network oscillations are heterogeneous, vary with brain region and type of information processed. They are classified according to their frequency content. Their generation relies on network circuitry, synaptic transmission and neuronal properties. Oscillatory behavior of individual cells has been particularly implicated. Different cell types within the hippocampal formation such as layer II stellate cells (SC) of the medial entorhinal cortex display oscillatory activity and are resonant, i.e., respond preferentially to stimuli of a given frequency. Voltage dependent ionic conductances have been suggested to give rise to these phenomena. It was found that resonance of SCs is defined by the composition of voltage-dependent channels embedded in their membrane and changes with their position along the dorsal-ventral axis. This gradient of SC properties develops during early postnatal life. During the transition to adulthood cells become less excitable and the range of resonance frequencies expands in the dorsal direction. Pharmacological experiments reveal the resonance of SCs to depend strongly on HCN-channels and to be modulated by Kv7-channels. Also, two previously unknown classes of oscillating interneurons were identified in the stratum radiatum of the CA1 region. These are targeted by neurons from the dentate gyrus, display frequency preferences in the theta range which relies on similar membrane conductances. Further experiments including CA1 pyramidal cells suggested HCN-channels to be the primary global requirement for resonance whereas Kv7-channels appear to be effective modulators. Pharmacological blockade of these channels disrupted ongoing network oscillations in the hippocampus. This supports the notion that specific ion channels support rhythmic activity of individual cells and in turn of entire networks.

Meine Dissertation behandelt verschiedene neue rauschinduzierte Phänomene in anregbaren Neuronenmodellen, insbesondere solche mit FitzHugh-Nagumo Dynamik. Ich beschreibe das Auftreten von vibronischer Resonanz in anregbaren Systemen. Sowohl in einer anregbaren elektronischen Schaltung als auch im FitzHugh-Nagumo Modell zeige ich, daß eine optimale Amplitude einer hochfrequenten externen Kraft die Signalantwort bezüglich eines niederfrequenten Signals verbessert. Weiterhin wird der Einfluß von additivem Rauschen auf das Zusammenwirken von stochastischer und vibronischer Resonanz untersucht. Weiterhin untersuche ich Systeme, die sowohl oszillierende als auch anregbare Eigenschaften beinhalten und dadurch zwei interne Frequenzen aufweisen. Ich zeige, daß in solchen Systemen der Effekt der stochastischen Resonanz deutlich erhöht werden kann, wenn eine zusätzliche hochfrequente Kraft in Resonanz mit den kleinen Oszillationen unterhalb der Anregungsschwelle hinzugenommen wird. Es ist beachtenswert, daß diese Verstärkung der stochastischen Resonanz eine geringere Rauschintensität zum Erreichen des Optimums benötigt als die standartmäßige stochastische Resonanz in anregbaren Systemen. Ich untersuche Frequenzselektivität bei der rauschinduzierten Signalverarbeitung von Signalen unterhalb der Anregungsschwelle in Systemen mit vielen rauschunterstützten stochastischen Attraktoren. Diese neuen Attraktoren mit abweichenden gemittelten Perioden weisen auch unterschiedliche Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Elementen auf. Ich zeige, daß die Signalantwort des gekoppelten Systems unter verschiedenen Rauscheinwirkungen deutlich verbessert oder auch reduziert werden kann durch das Treiben einzelner Elemente in Resonanz mit diesen neuen Resonanzfrequenzen, die mit passenden Phasenbeziehungen korrespondieren. Weiterhin konnte ich einen rauschinduzierten Phasenübergang von einem selbstoszillierenden System zu einem anregbaren System nachweisen. Dieser Übergang erfolgt durch eine rauschinduzierte Stabilisierung eines deterministisch instabilen Fixpunktes der lokalen Dynamik, während die gesamte Phasenraumstruktur des Systems erhalten bleibt. Die gemeinsame Wirkung von Kopplung und Rauschen führt zu einem neuen Typ von Phasenübergängen und bewirkt eine Stabilisierung des Systems. Das sich daraus ergebende rauschinduziert anregbare Regime zeigt charakteristische Eigenschaften von klassisch anregbaren Systemen, wie stochastische Resonanz und Wellenausbreitung. Dieser rauschinduzierte Phasenübergang ermöglicht dadurch die Übertragung von Signalen durch ansonsten global oszillierende Systeme und die Kontrolle der Signalübertragung durch Veränderung der Rauschintensität. Insbesondere eröffnen diese theoretischen Ergebnisse einen möglichen Mechanismus zur Unterdrückung unerwünschter globaler Oszillationen in neuronalen Netzwerken, welche charakteristisch für abnorme medizinische Zustände, wie z.B. bei der Parkinson&prime;schen Krankheit oder Epilepsie, sind. Die Wirkung von Rauschen würde dann wieder die Anregbarkeit herstellen, die den normalen Zustand der erkrankten Neuronen darstellt. / My thesis is concerned with several new noise-induced phenomena in excitable neural models, especially those with FitzHugh-Nagumo dynamics. In these effects the fluctuations intrinsically present in any complex neural network play a constructive role and improve functionality. I report the occurrence of Vibrational Resonance in excitable systems. Both in an excitable electronic circuit and in the FitzHugh-Nagumo model, I show that an optimal amplitude of high-frequency driving enhances the response of an excitable system to a low-frequency signal. Additionally, the influence of additive noise and the interplay between Stochastic and Vibrational Resonance is analyzed. Further, I study systems which combine both oscillatory and excitable properties, and hence intrinsically possess two internal frequencies. I show that in such a system the effect of Stochastic Resonance can be amplified by an additional high-frequency signal which is in resonance with the oscillatory frequency. This amplification needs much lower noise intensities than for conventional Stochastic Resonance in excitable systems. I study frequency selectivity in noise-induced subthreshold signal processing in a system with many noise-supported stochastic attractors. I show that the response of the coupled elements at different noise levels can be significantly enhanced or reduced by forcing some elements into resonance with these new frequencies which correspond to appropriate phase-relations. A noise-induced phase transition to excitability is reported in oscillatory media with FitzHugh-Nagumo dynamics. This transition takes place via noise-induced stabilization of a deterministically unstable fixed point of the local dynamics, while the overall phase-space structure of the system is maintained. The joint action of coupling and noise leads to a different type of phase transition and results in a stabilization of the system. The resulting noise-induced regime is shown to display properties characteristic of excitable media, such as Stochastic Resonance and wave propagation. This effect thus allows the transmission of signals through an otherwise globally oscillating medium. In particular, these theoretical findings suggest a possible mechanism for suppressing undesirable global oscillations in neural networks (which are usually characteristic of abnormal medical conditions such as Parkinson&prime;s disease or epilepsy), using the action of noise to restore excitability, which is the normal state of neuronal ensembles.

In this work, a Au(100) single crystal was used as substrate for organic molecular beam epitaxy. Highly ordered organic thin films of the molecules 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) and hexa-peri-hexabenzo-coronene (HBC) as well as organic-organic heterostructures on reconstructed Au(100) were prepared. The molecular arrangement was characterized in Scanning Tunneling Microscopy and Low Energy Electron Diffraction investigations. Scanning Tunneling Spectroscopy data were recorded on monolayer and submonolayer PTCDA films. Measurements on closed PTCDA layers at different fixed tip sample separations revealed a peak +0.95V. Other measurements performed consecutively on a PTCDA island and on uncovered Au(100) areas showed that this peak is indeed caused by the PTCDA molecules. Another set of consecutive measurements on herringbone and square phase PTCDA islands indicates that in the normalized differential conductivity the peak shape and peak position depend on the molecular arrangement. The STS data are compared to UPS and IPES results, already published. In the case of highly ordered films of HBC on Au(100) it was possible to derive the energetic positions of the HBC frontier orbitals and the energies of the molecular states next to these frontier orbitals from Tunneling Spectroscopy measurements. These measurements were performed using two different tip materials. The results are compared to UPS measurements, to theoretical calculations of the electronic conductance based on a combination of the Landauer transport formalism with a density-functional-parametrized tight-binding scheme within the Local Density Approximation (LDA) as well as semiempirical quantum chemistry calculations. / Für die hier dargestelleten Arbeiten wurde ein Au(100) Einkristall als Substrat für die organische Molekularstrahlepitaxie verwendet. Hochgeordnete organische Dünnschichten der Moleküle 3,4,9,10-Perylen-tetracarbonsäure-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) und Hexa-peri-hexabenzo-coronen (HBC) sowie organisch-organische Heteroschichten wurden auf der Au(100) Oberfläche abgeschieden. Die Struktur der Schichten wurde mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und Niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) untersucht. Tunnelspektroskopiedaten wurden für Monolagen sowie Submonolagen von PTCDA aufgenommen. Messungen an geschlossenen PTCDA Filmen zeigen für verschiedene Probe-Spitze-Abstände ein Maximum in der normierten differentiellen Leitfähigkeit bei +0.95V. Aufeinanderfolgende Messungen auf PTCDA-Inseln und unbedeckten Gebieten der Au(100) Oberfläche zeigen eindeutig, dass dieses Maximum auf die PTCDA Moleküle zurückzuführen ist. Weitere Messungen an PTCDA Inseln unterschiedlicher Struktur (Fischgrätenstruktur bzw. quadratische Struktur) belegen einen Zusammenhang zwischen der Anordnung der Moleküle und der Peakposition bzw. Peakform in der normierten differentiellen Leitfähigkeit. Die STS Daten werden mit UPS und IPES Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Im Falle hochgeordneter HBC Schichten auf Au(100) war es möglich, neben dem höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbital auch die energetische Position der jeweils nächsten Orbitale zu bestimmen. Diese Messungen wurden mit zwei unterschiedlichen Spitzenmaterialien durchgeführt. Die Ergebnisse für HBC auf Au(100) werden mit UPS Daten sowie mit theoretischen Rechnungen verglichen.

Ligandgesteuerte Ionenkanäle sind Membranproteine, die an der Weiterleitung von Reizen und an der Kommunikation zwischen Zellen beteiligt sind. Große Bedeutung besitzt die Messung der Aktivierung der Ionenkanäle beispielsweise in der Medizin (z.B. Ionenkanalerkrankungen), der Pharmazie (z.B. Medikamenten-Screening) und in der Bionanotechnologie (z.B. molekulare Schalter). In all diesen Gebieten besteht die Forderung nach hohen Probendurchsätzen bei sehr hohem Informationsgehalt. Etablierte elektrochemische Detektionsmethoden erfüllen diese Forderung nicht. Um dieses Defizit zu überwinden, wurde ein Ionenkanalsensor-Array mit optischer, paralleler Detektion entwickelt. Eine mikrostrukturierte Polymethyl(meth)acrylat (PMMA)-Schicht dient als Grundgerüst des Arrays. Über die Mikroporen, die nur wenige Mikrometer Durchmesser aufweisen, wird eine Lipidmembran gespannt, in die Ionenkanäle eingebaut werden. Wird der Ionenkanal aktiviert, strömen Ionen in die Mikroporen und führen zu einer messbaren Veränderung des Brechungsindexes. Mittels Oberflächenplasmonen-Resonanz Imaging lässt sich die Aktivierung der Ionenkanäle markierungsfrei und direkt bestimmen. Stabile, die Mikrostruktur überspannende Lipidmembranen wurden durch eine neu entwickelte Stempeltechnik und durch eine Oberflächenmodifikation der PMMA-Mikrostruktur erzielt. Für die Charakterisierung und den Funktionsnachweis des Sensoraufbaus wurden das infrarot-spektroskopische Imaging und die Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Schließlich konnte gezeigt werden, dass eine Verbesserung der Empfindlichkeit durch das lokale Aufkonzentrieren der durch den Ionenkanal geströmten Metallionen am Porengrund mit oberflächengebundener 2-(Benzylsulfid)-18-Krone-6 möglich ist.