Braunschweig, Techn. Universiẗat, Diss., 2000.

Kassel, Universiẗat, Diss., 2008. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2007.

Universiẗat, Diss., 2004--Kassel.

Mannheim, Univ., Diss., 2003.

Der Charakter der Schwellwertdynamik vieler physikalischer, chemischer und biologischer Systeme hat sich in neueren Experimenten als im wesentlichen nicht Markowsch herausgestellt. In diesem Fall sind die "Ubergangsraten von der Zeit und den Anfangsbedingungen abh"angig und es stellen sich komplexe Wahrscheinlichkeitsverteilungen f"ur die erste Durchgangszeit ein. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte nicht Markowscher Schwellwertprobleme und deren Anwendung bei der Beschreibung der Dynamik von Neuronen untersucht. In dieser Arbeit entwickeln wir einen analytischen Zugang zu nicht Markowschen Problemen, dem die Theorie der Schwellwert"uberschreitung zu Grunde liegt. Im Ergebnis erhalten wir mehrere analytische N"aherungen f"ur die Wahrscheinlichkeitsverteilung der ersten Durchgangszeit f"ur Zufallsprozesse mit differenzierbaren Trajektorien. Die Qualit"at und der G"ultigkeitsbereich der N"aherungen werden von uns sorgf"altig untersucht. Die abgeleiteten N"aherungen decken dabei den gesamten Bereich zwischen fast Markowschen und stark nicht Markowschen Problemen ab. Diese analytischen N"aherungen werden in Kombination mit numerischen Methoden genutzt, um Spikemuster in resonanten und nicht-resonanten Neuronen zu untersuchen. Im Besonderen haben wir uns dabei f"ur die Entstehung spontaner, durch zellinternes Rauschen hervorgerufener, Spikemuster in stellaten (resonanten) und pyramidalen (nicht-resonanten) Zellen des entorhinalen Kortex in Ratten interessiert. Diese zwei Neuronentypen zeigten deutliche Unterschiede in den Spikemustern, die den jeweiligen Unterschieden in den unterschwelligen Dynamiken zuzuordnen sind. Des weiteren wurden negative Korrelationen in den Spikesequenzen f"ur beide Neuronentypen gefunden. Um diese negativen Korrelationen angemessen zu beschreiben, haben wir einen nicht erneuerbaren Schwellenmechanismus in das Resonate-and-Fire Modell integriert. / Recent experiments revealed the non-Markovian character of the escape dynamics in many physical, chemical and biological systems on time scales prior to relaxation. The escape rates in the non-Markovian case are time-dependent and the escape times are dictated by the initial conditions. Complex, multipeak distributions of the first passage time are characteristic for the non-Markovian case. In this thesis we investigate various aspects of the non-Markovian first passage time problem and in particular its application to the dynamics of neurons. We elaborate an analytical approach to the non-Markovian first passage time problem, which is based on the theory of level-crossings, and obtain several analytical approximations for the first passage time density of a random process with differentiable trajectories. We compare the quality of these approximations and ascertain their regions of validity. Our approximations are applicable and provide accurate results for different types of dynamics, ranging from almost Markovian to strongly non-Markovian cases. These analytical approximations in combination with numerical methods are applied to investigate the spike patterns observed in resonant and nonresonant neurons. In particular, we focus on spontaneous (driven by intrinsic noise) spike patterns obtained in stellate (resonant) and pyramidal (nonresonant) cells in the entorhinal cortex in rat. These two types of neurons exhibit striking different spike patterns attributed to the differences in their subthreshold dynamics. We show that the resonate-and-fire model with experimentally estimated parameter values can quantitatively reproduce the interspike interval distributions measured in resonant as well as in nonresonant cells. We also found negative interspike interval correlations in both types of neurons. To capture these negative correlations, we introduce a novel nonrenewal threshold mechanism in the resonate-and-fire model.

Im Fokus der vorliegenden kumulativ angefertigten Arbeit stehen vier wissenschaftliche Untersuchungen, deren Thematik die Vibrationssensorik des Menschen darstellt. Die aus Vibrationen gewonnenen Informationen führen zu wichtigen Regulationsmechanismen zum Beispiel zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes und des Ganges. Die Ermittlung von sogenannten Vibrationswahrnehmungsschwellen stellt eine Möglichkeit zur Quantifizierung des Funktionszustandes des somatosensorischen Systems dar. In diesem Zusammenhang ist die Kontrolle und Standardisierung einflussnehmender Messbedingungen auf die Bewertung der Vibrationssensorik wichtig. Im ersten Beitrag der vorliegenden Arbeit rückt die Rolle der Auflagekraft, mit welcher der Stößel der Messgeräte die zu untersuchende Hautpartie belastet, in den Fokus (Studie I). In den sich anschließenden Beiträgen werden die Wirkmechanismen der mechanischen Hauteigenschaften auf die Wahrnehmung von Vibrationen aus evolutionsbiologischer (Studie II) und pathologischer (Studie III) Sichtweise betrachtet. Im letzten Beitrag wird die potentielle Wirkung von unterschwelligen Rauschstimulationen als mögliche bewegungstherapeutische Maßnahme zur Verbesserung der sensorischen Leistungsfähigkeit untersucht (Studie IV). Am Ende der Arbeit erfolgt die übergreifende Diskussion der einzelnen Beiträge. Mit Hilfe der gewonnen Erkenntnisse werden Handlungsempfehlungen zur Verbesserung der Quantifizierung der Vibrationssensorik in klinischen und wissenschaftlichen Bereichen abgeleitet. Das erweiterte Verständnis über die Wirkmechanismen verschiedener Einflussgrößen auf die Vibrationssensorik unterstützt die gezielte Erforschung von bewegungstherapeutischen Maßnahmen zur Steigerung der sensorischen Leistungsfähigkeit des Menschen. / The focus of the present cumulative dissertation is on four scientific investigations that deal with the human vibration sensory system. The information obtained from vibrations leads to important regulatory mechanisms, for example to maintain balance and gait. Determining so-called vibration perception thresholds represents a possibility to quantify the functional condition of the somatosensory system. In this context, it is important to control and standardize the measurement conditions that influence the evaluation of the vibration sensory system. The first article of the present dissertation focuses on the role of the contact force with which the probe of a measuring device loads the skin area to be examined (Study I). In the subsequent contributions, the action mechanisms of mechanical skin properties regarding vibration perception are considered from an evolutionary (Study II) and pathological (Study III) point of view. In the last paper, the potential effect of subliminal noise stimulation is examined as a possible exercise therapy intervention to improve sensory performance (Study IV). A comprehensive discussion of the individual contributions is included at the end of the present dissertation. Using the gained knowledge, recommendations are derived to improve the quantification of vibration sensation in clinical and scientific areas. The broadened understanding of the mechanisms of action of different influencing variables regarding vibration sensation supports the targeted research of exercise therapy interventions to increase sensory performance in humans.

Background. Previous studies have highlighted the role of the brain reward and cognitive control systems in the etiology of anorexia nervosa (AN). In an attempt to disentangle the relative contribution of these systems to the disorder, we used functional magnetic resonance imaging (fMRI) to investigate hemodynamic responses to reward-related stimuli presented both subliminally and supraliminally in acutely underweight AN patients and age-matched healthy controls (HC). Methods. fMRI data were collected from a total of 35 AN patients and 35 HC, while they passively viewed subliminally and supraliminally presented streams of food, positive social, and neutral stimuli. Activation patterns of the group × stimulation condition × stimulus type interaction were interrogated to investigate potential group differences in processing different stimulus types under the two stimulation conditions. Moreover, changes in functional connectivity were investigated using generalized psychophysiological interaction analysis. Results. AN patients showed a generally increased response to supraliminally presented stimuli in the inferior frontal junction (IFJ), but no alterations within the reward system. Increased activation during supraliminal stimulation with food stimuli was observed in the AN group in visual regions including superior occipital gyrus and the fusiform gyrus/parahippocampal gyrus. No group difference was found with respect to the subliminal stimulation condition and functional connectivity. Conclusion. Increased IFJ activation in AN during supraliminal stimulation may indicate hyperactive cognitive control, which resonates with clinical presentation of excessive self-control in AN patients. Increased activation to food stimuli in visual regions may be interpreted in light of an attentional food bias in AN.