Coding of spatial and temporal frequency in bat biosonar

Fledermäuse senden Ultraschallrufe aus und lauschen auf Echos um sich in ihrer Umgebung zu orientieren und Beute zu jagen. Dank dieser Fähigkeit zur Echoortung sowie zum aktiven Flug haben sich Fledermäuse eine überaus ergiebige ökologische Nische erschlossen, den nächtlichen Luftraum. Ihr "sechster Sinn" hat Fledermäusen also Unabhängigkeit vom Sonnenlicht beschert. Aber inwiefern kann Hören Sehen ersetzen? Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage wie Echoortung bestimmte räumliche und zeitliche Parameter der Umgebung verarbeitet. Wenn es um die Wahrnehmung räumlicher Strukturen geht, stehen echoortende Tiere vor einer speziellen Herausforderung. Die Cochlea, das Sinnesepithel des Hör-systems, kann Rauminformation nicht direkt kodieren. Stattdessen muss Rauminformation errechnet werden, über den Vergleich der Signale an beiden Ohren. Im ersten Kapitel dieser Dissertation teste ich die Hypothese, dass Echoortung dennoch Raumfrequenzen heranzieht um ein Bild der Umgebung zu formen. Das Konzept der Raumfrequenz spielte eine entscheidende Rolle in unserem Verständnis von visueller Wahrnehmung. In der vorliegenden Arbeit zeige ich, dass trotz grundlegender mechanistischer Unterschiede zwischen Seh- und und Hörvermögen beide Sinnessysteme Zugang zu Raumfrequenzinformation haben. Sechs Fledermäuse (Phyllostomus discolor) wurden darauf andressiert, eine Oberfläche mit Wellen unter-schiedlicher Raumfrequenz und Tiefe von einer glatten Oberfläche zu unterscheiden. Meine Messungen zeigen dass Fledermäuse viel empfindlicher gegenüber hohen Raumfrequenzen sind als gegenüber niedrigen Raumfrequenzen, d.h. einen sensorischen Hochpassfilter für Raumfrequenz besitzen. Zusätzlich untersuchte ich welche sensorischen Reize den Fledermäusen zur Verfügung stehen um Raumfrequenz zu bewerten. Ich fand heraus, dass diese Reize sich grundlegend von solchen unterscheiden, welche die visuelle Wahrnehmung von Raumfrequenz vermitteln. Während visuelle Raumfrequenzwahrnehmung das Ergebnis feinabge¬stimmter räumlicher Empfindlichkeit der Retinazellen ist, wird Raumfrequenz¬wahrnehmung mit Echoortung durch objektspezifische Reflektionseigenschaften erreicht. Der Nachweis eines Hochpassfilters in der Echoortung von Fledermäusen offenbart funktionelle Gemeinsamkeiten zwischen Sehen und Echoortung, die beiden Systemen Zugang zum Raumprofil der Umgebung ermöglichen und damit der Figur-Grund-Wahrnehmung zugrunde liegen. Diese funktionellen Gemeinsamkeiten, aber mechanistischen Unterschiede machen deutlich, dass ein Sinnessystem-übergreifender Bedarf an räumlicher Umgebungsinformation besteht. Das Gehör brilliert in der Messung winziger Laufzeitunterschiede. Doch wenn es darum geht zeitlichen Änderungen von Echoparametern zu folgen, scheint das Echo-ortungssystem einer typischen Fledermaus im Nachteil. Der Ortungsruf einer frequenzmodulierenden Fledermaus ist zu kurz um einen kompletten Bewegungs¬zyklus abzubilden. Um Bewegung nachzuverfolgen müssen Fledermäuse die Laufzeit-unterschiede ganzer Sequenzen von Ruf-Echo-Paaren vergleichen. Im zweiten und dritten Kapitel der vorliegenden Arbeit quantifizierte ich die Empfindlichkeit von Fledermaus¬echoortung für zeitliche Modulationen verschiedener Echoparameter. Schlagende Insektenflügel erzeugen natürliche Echomodulationen, und zwar gleichzeitig Modulationen von Laufzeit und Lautstärke. Im zweiten Kapitel führe ich eine Methode ein, mit deren Hilfe sich Laufzeit und Lautstärke der Echos unabhängig voneinander manipulieren lassen. Eine akustische virtuelle Realität ermöglicht die separate Untersuchung der Effekte des jeweiligen Parameters auf die Wahrnehmung der Fledermaus. Ich zeige, dass bei der frequenz-modulierenden Fledermaus P. discolor die Empfindlichkeit für Modulationen der Echolaufzeit stark von der Modulationsrate abhängt. Am empfindlichsten waren die Tiere bei Modulationsraten unter 20 Hz und über 50 Hz. Ich zeige, dass Echoortung für Wechselwirkungen zwischen Modulationsrate und Rufrate anfällig ist, ein Phänomen, das ich als einen echoakustischen Wagenradeffekt bezeichne. Weiter zeige ich, dass bei hohen Modulationsraten Doppler-Verzerrungen zusätzliche spektrale und zeitliche Reize herbeiführen, was den Wiederanstieg der Empfindlichkeit bei hohen Modulationsraten erklären kann. Die bedeutet, dass für die weltweit hunderten Arten frequenzmodulierender Fledermäuse Doppler-Verzerrungen eine wichtige Rolle bei der Flügelschlagwahrnehmung spielen könnten. Im dritten Kapitel vertiefe ich meine Untersuchungen zum Thema Empfindlichkeit von Echoortung gegenüber Echomodulationen. Mit Hilfe der virtuellen Realität moduliere ich die Echolautstärke unabhängig von der Echolaufzeit. Ich kann zeigen, dass P. discolor diese Lautstärkemodulationen wahrnehmen kann und dass die Detektionsleistung der Tiere mit der Modulationsrate ansteigt. Ich führe an, dass sich die Wahrnehmung von Lautstärkemodulationen mit Echoortung grundlegend von der Wahrnehmung von Laufzeitmodulationen unterscheidet. Weiter spekuliere ich, dass der Wahrnehmung schneller Lautstärkemodulationen spektrale Reize zu Grunde liegen. In ihrer Gesamtheit liefert die vorliegende Arbeit experimentelle Nachweise zu wichtigen perzeptorischen Prozessen in der Echoortung frequenzmodulierender Fledermäuse. Meine Erkenntnisse zeigen eine Möglichkeit auf, wie Fledermäuse dem vermeintlich unumgänglichen Kompromiss zwischen räumlichem und zeitlichem Auflösungsvermögen entgehen könnten. Damit stelle ich eine Alternative zur traditionellen Sichtweise, dass die sensorischen Einschränkungen des Gehörs automatisch zu geringerer Leistungsfähigkeit führen. Ich lege dar wie divers die Selektionsfaktoren sind, die auf das Echoortungssystem von Fledermäusen einwirken. Diese Dissertation nimmt daher Einfluss auf die Forschungsbereiche Neuroethologie, Verhaltensökologie, Tierphysiologie und Evolution, und kann zur Weiterentwicklung technischen Sonars beitragen.Bats emit ultrasonic cries and listen to the reflected sounds to orient and forage in their environment. The rich ecological niche of nocturnal air space became accessible through bats’ capability of sustained flight and echolocation. Their “sixth sense” gained them autonomy from sunlight, but to what extent can hearing replace vision? This thesis addresses the question how echolocation encodes certain spatial and temporal parameters of the environment. Echolocation poses a challenge to the perception of spatial layouts because the auditory sensory epithelium, the cochlea, does not explicitly encode space like the eye’s retina does; space must be computed by comparing echo cues at both ears. In the first chapter of this thesis, I test the hypothesis that despite this challenge, bat echolocation utilizes the concept of spatial frequency to form perceptual representations of bats’ habitat. Spatial frequency has been crucial to understand visual perception. I show that both sensory systems, echolocation and vision, have access to spatial frequency information despite their fundamental mechanistic differences. I trained six bats (Phyllostomus discolor) to discriminate ripples of different spatial frequencies from a smooth surface and measured echo-acoustic depth-contrast-sensitivity functions. I show that bats are much more sensitive to high spatial frequencies, exemplifying a spatial high-pass filter. Additionally, I evaluated the perceptual cues available to the bats to assess spatial frequency and found them fundamentally different from those in vision. While spatial frequency perception in vision is a result of spatial tuning, starting already in the retina, spatial frequency perception in echolocation is achieved by object-specific reflection properties that determine the perceived echo-acoustic object signature. The demonstration of a high-pass filter in bat echolocation reveals a functional similarity between vision and echolocation, which underlies figure-ground-separation and allows both systems access to the spatial contours in the environment. The functional similarities, yet mechanistic differences, highlight the need for spatial environmental information, independent of sensory system. The auditory system excels in measuring minute differences in echo arrival times. But when it comes to the tracking of changes of echo properties over time, the echolocation system of a typical bat seems to be at a disadvantage. The echolocation call of frequency-modulating bats is too short to track an entire movement cycle. In order to track movement, bats have to compare memorised sequences of call-echo pairs. In the second and third chapters, I quantified the sensitivity of bat echolocation to the temporal modulation of echo parameters. In nature, fluttering insect wings cause echo modulations; the echoes carry modulations in echo delay and in echo amplitude simultaneously. In the second chapter, I introduce an auditory virtual reality where I can manipulate delay independently from amplitude and tease apart the effects of both parameters on perception. I demonstrate that in the frequency-modulating bat Phyllostomus discolor the sensitivity for modulations in echo delay depends on the rate of the modulation, with bats being most sensitive at modulation rates below 20 Hz and above 50 Hz. I show that echolocation is susceptible to interference between call repetition rate and modulation rate. I propose that this phenomenon constitutes an echo-acoustic wagon-wheel effect. I further demonstrate how at high modulation rates sensitivity could be rescued by using spectral and temporal cues introduced by Doppler-distortions. Thus, I present evidence that Doppler distortions may play a crucial role in flutter sensitivity in the hundreds of frequency-modulating bat species worldwide. In the third chapter, I deepen my investigations into the sensitivity of bat echolocation to temporal echo modulations. I use the virtual reality approach to generate modulations in echo amplitude independent from echo delay. I show that Phyllostomus discolor successfully detected these modulations in echo amplitude and that their performance increased with the rate of the modulation. I suggest that amplitude-modulation detection with echolocation differs fundamentally from delay-modulation detection and speculate that the mechanism to detect fast amplitude modulations relies on spectral cues. In summary, this thesis provides experimental evidence on important perceptual processes in the echolocation of frequency-modulating bats. I give a proof-of-principle demonstration offering release from the supposed trade-off between temporal and spatial acuity and challenging the view that the auditory system’s sensory constraints inevitably lead to detrimental echo-acoustic performance. Thereby, my findings highlight the diversity of selective pressures working on the echolocation system of bats. This thesis therefore has implications on the fields of neuroethology, behavioural ecology, animal physiology and evolution, and may contribute to the further development of technical sonar

Coding of spatial and temporal frequency in bat biosonar

Fledermäuse senden Ultraschallrufe aus und lauschen auf Echos um sich in ihrer Umgebung zu orientieren und Beute zu jagen. Dank dieser Fähigkeit zur Echoortung sowie zum aktiven Flug haben sich Fledermäuse eine überaus ergiebige ökologische Nische erschlossen, den nächtlichen Luftraum. Ihr "sechster Sinn" hat Fledermäusen also Unabhängigkeit vom Sonnenlicht beschert. Aber inwiefern kann Hören Sehen ersetzen? Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage wie Echoortung bestimmte räumliche und zeitliche Parameter der Umgebung verarbeitet. Wenn es um die Wahrnehmung räumlicher Strukturen geht, stehen echoortende Tiere vor einer speziellen Herausforderung. Die Cochlea, das Sinnesepithel des Hör-systems, kann Rauminformation nicht direkt kodieren. Stattdessen muss Rauminformation errechnet werden, über den Vergleich der Signale an beiden Ohren. Im ersten Kapitel dieser Dissertation teste ich die Hypothese, dass Echoortung dennoch Raumfrequenzen heranzieht um ein Bild der Umgebung zu formen. Das Konzept der Raumfrequenz spielte eine entscheidende Rolle in unserem Verständnis von visueller Wahrnehmung. In der vorliegenden Arbeit zeige ich, dass trotz grundlegender mechanistischer Unterschiede zwischen Seh- und und Hörvermögen beide Sinnessysteme Zugang zu Raumfrequenzinformation haben. Sechs Fledermäuse (Phyllostomus discolor) wurden darauf andressiert, eine Oberfläche mit Wellen unter-schiedlicher Raumfrequenz und Tiefe von einer glatten Oberfläche zu unterscheiden. Meine Messungen zeigen dass Fledermäuse viel empfindlicher gegenüber hohen Raumfrequenzen sind als gegenüber niedrigen Raumfrequenzen, d.h. einen sensorischen Hochpassfilter für Raumfrequenz besitzen. Zusätzlich untersuchte ich welche sensorischen Reize den Fledermäusen zur Verfügung stehen um Raumfrequenz zu bewerten. Ich fand heraus, dass diese Reize sich grundlegend von solchen unterscheiden, welche die visuelle Wahrnehmung von Raumfrequenz vermitteln. Während visuelle Raumfrequenzwahrnehmung das Ergebnis feinabge¬stimmter räumlicher Empfindlichkeit der Retinazellen ist, wird Raumfrequenz¬wahrnehmung mit Echoortung durch objektspezifische Reflektionseigenschaften erreicht. Der Nachweis eines Hochpassfilters in der Echoortung von Fledermäusen offenbart funktionelle Gemeinsamkeiten zwischen Sehen und Echoortung, die beiden Systemen Zugang zum Raumprofil der Umgebung ermöglichen und damit der Figur-Grund-Wahrnehmung zugrunde liegen. Diese funktionellen Gemeinsamkeiten, aber mechanistischen Unterschiede machen deutlich, dass ein Sinnessystem-übergreifender Bedarf an räumlicher Umgebungsinformation besteht. Das Gehör brilliert in der Messung winziger Laufzeitunterschiede. Doch wenn es darum geht zeitlichen Änderungen von Echoparametern zu folgen, scheint das Echo-ortungssystem einer typischen Fledermaus im Nachteil. Der Ortungsruf einer frequenzmodulierenden Fledermaus ist zu kurz um einen kompletten Bewegungs¬zyklus abzubilden. Um Bewegung nachzuverfolgen müssen Fledermäuse die Laufzeit-unterschiede ganzer Sequenzen von Ruf-Echo-Paaren vergleichen. Im zweiten und dritten Kapitel der vorliegenden Arbeit quantifizierte ich die Empfindlichkeit von Fledermaus¬echoortung für zeitliche Modulationen verschiedener Echoparameter. Schlagende Insektenflügel erzeugen natürliche Echomodulationen, und zwar gleichzeitig Modulationen von Laufzeit und Lautstärke. Im zweiten Kapitel führe ich eine Methode ein, mit deren Hilfe sich Laufzeit und Lautstärke der Echos unabhängig voneinander manipulieren lassen. Eine akustische virtuelle Realität ermöglicht die separate Untersuchung der Effekte des jeweiligen Parameters auf die Wahrnehmung der Fledermaus. Ich zeige, dass bei der frequenz-modulierenden Fledermaus P. discolor die Empfindlichkeit für Modulationen der Echolaufzeit stark von der Modulationsrate abhängt. Am empfindlichsten waren die Tiere bei Modulationsraten unter 20 Hz und über 50 Hz. Ich zeige, dass Echoortung für Wechselwirkungen zwischen Modulationsrate und Rufrate anfällig ist, ein Phänomen, das ich als einen echoakustischen Wagenradeffekt bezeichne. Weiter zeige ich, dass bei hohen Modulationsraten Doppler-Verzerrungen zusätzliche spektrale und zeitliche Reize herbeiführen, was den Wiederanstieg der Empfindlichkeit bei hohen Modulationsraten erklären kann. Die bedeutet, dass für die weltweit hunderten Arten frequenzmodulierender Fledermäuse Doppler-Verzerrungen eine wichtige Rolle bei der Flügelschlagwahrnehmung spielen könnten. Im dritten Kapitel vertiefe ich meine Untersuchungen zum Thema Empfindlichkeit von Echoortung gegenüber Echomodulationen. Mit Hilfe der virtuellen Realität moduliere ich die Echolautstärke unabhängig von der Echolaufzeit. Ich kann zeigen, dass P. discolor diese Lautstärkemodulationen wahrnehmen kann und dass die Detektionsleistung der Tiere mit der Modulationsrate ansteigt. Ich führe an, dass sich die Wahrnehmung von Lautstärkemodulationen mit Echoortung grundlegend von der Wahrnehmung von Laufzeitmodulationen unterscheidet. Weiter spekuliere ich, dass der Wahrnehmung schneller Lautstärkemodulationen spektrale Reize zu Grunde liegen. In ihrer Gesamtheit liefert die vorliegende Arbeit experimentelle Nachweise zu wichtigen perzeptorischen Prozessen in der Echoortung frequenzmodulierender Fledermäuse. Meine Erkenntnisse zeigen eine Möglichkeit auf, wie Fledermäuse dem vermeintlich unumgänglichen Kompromiss zwischen räumlichem und zeitlichem Auflösungsvermögen entgehen könnten. Damit stelle ich eine Alternative zur traditionellen Sichtweise, dass die sensorischen Einschränkungen des Gehörs automatisch zu geringerer Leistungsfähigkeit führen. Ich lege dar wie divers die Selektionsfaktoren sind, die auf das Echoortungssystem von Fledermäusen einwirken. Diese Dissertation nimmt daher Einfluss auf die Forschungsbereiche Neuroethologie, Verhaltensökologie, Tierphysiologie und Evolution, und kann zur Weiterentwicklung technischen Sonars beitragen.Bats emit ultrasonic cries and listen to the reflected sounds to orient and forage in their environment. The rich ecological niche of nocturnal air space became accessible through bats’ capability of sustained flight and echolocation. Their “sixth sense” gained them autonomy from sunlight, but to what extent can hearing replace vision? This thesis addresses the question how echolocation encodes certain spatial and temporal parameters of the environment. Echolocation poses a challenge to the perception of spatial layouts because the auditory sensory epithelium, the cochlea, does not explicitly encode space like the eye’s retina does; space must be computed by comparing echo cues at both ears. In the first chapter of this thesis, I test the hypothesis that despite this challenge, bat echolocation utilizes the concept of spatial frequency to form perceptual representations of bats’ habitat. Spatial frequency has been crucial to understand visual perception. I show that both sensory systems, echolocation and vision, have access to spatial frequency information despite their fundamental mechanistic differences. I trained six bats (Phyllostomus discolor) to discriminate ripples of different spatial frequencies from a smooth surface and measured echo-acoustic depth-contrast-sensitivity functions. I show that bats are much more sensitive to high spatial frequencies, exemplifying a spatial high-pass filter. Additionally, I evaluated the perceptual cues available to the bats to assess spatial frequency and found them fundamentally different from those in vision. While spatial frequency perception in vision is a result of spatial tuning, starting already in the retina, spatial frequency perception in echolocation is achieved by object-specific reflection properties that determine the perceived echo-acoustic object signature. The demonstration of a high-pass filter in bat echolocation reveals a functional similarity between vision and echolocation, which underlies figure-ground-separation and allows both systems access to the spatial contours in the environment. The functional similarities, yet mechanistic differences, highlight the need for spatial environmental information, independent of sensory system. The auditory system excels in measuring minute differences in echo arrival times. But when it comes to the tracking of changes of echo properties over time, the echolocation system of a typical bat seems to be at a disadvantage. The echolocation call of frequency-modulating bats is too short to track an entire movement cycle. In order to track movement, bats have to compare memorised sequences of call-echo pairs. In the second and third chapters, I quantified the sensitivity of bat echolocation to the temporal modulation of echo parameters. In nature, fluttering insect wings cause echo modulations; the echoes carry modulations in echo delay and in echo amplitude simultaneously. In the second chapter, I introduce an auditory virtual reality where I can manipulate delay independently from amplitude and tease apart the effects of both parameters on perception. I demonstrate that in the frequency-modulating bat Phyllostomus discolor the sensitivity for modulations in echo delay depends on the rate of the modulation, with bats being most sensitive at modulation rates below 20 Hz and above 50 Hz. I show that echolocation is susceptible to interference between call repetition rate and modulation rate. I propose that this phenomenon constitutes an echo-acoustic wagon-wheel effect. I further demonstrate how at high modulation rates sensitivity could be rescued by using spectral and temporal cues introduced by Doppler-distortions. Thus, I present evidence that Doppler distortions may play a crucial role in flutter sensitivity in the hundreds of frequency-modulating bat species worldwide. In the third chapter, I deepen my investigations into the sensitivity of bat echolocation to temporal echo modulations. I use the virtual reality approach to generate modulations in echo amplitude independent from echo delay. I show that Phyllostomus discolor successfully detected these modulations in echo amplitude and that their performance increased with the rate of the modulation. I suggest that amplitude-modulation detection with echolocation differs fundamentally from delay-modulation detection and speculate that the mechanism to detect fast amplitude modulations relies on spectral cues. In summary, this thesis provides experimental evidence on important perceptual processes in the echolocation of frequency-modulating bats. I give a proof-of-principle demonstration offering release from the supposed trade-off between temporal and spatial acuity and challenging the view that the auditory system’s sensory constraints inevitably lead to detrimental echo-acoustic performance. Thereby, my findings highlight the diversity of selective pressures working on the echolocation system of bats. This thesis therefore has implications on the fields of neuroethology, behavioural ecology, animal physiology and evolution, and may contribute to the further development of technical sonar

Foundations in Wisconsin: A Directory [29th ed. 2010]

The 2010 production of Foundations in Wisconsin marks the 29th edition of the print directory and the 10th anniversary of the online version (www.wifoundations.org). The directory is designed as a research tool for grantseekers interested in locating information on private, corporate, and community foundations registered in Wisconsin. Each entry in this new edition has been updated or reviewed to provide the most current information available. Most of the data was drawn from IRS 990-PF tax returns filed by the foundations. Additional information was obtained from surveys, foundation Web sites, annual reports, and newsletters. The nation’s economic downturn continued to have a negative effect on Wisconsin foundations. While the total number of active grantmaking foundations increased to a record high 1,314 (with 123 new foundations identified), the total grants and assets declined to pre-2007 amounts. Total grants decreased by 7% to $473 million, total assets decreased by 18% to 5.6 billion.https://epublications.marquette.edu/lib_fiw/1001/thumbnail.jp

Foundations in Wisconsin: A Directory [28th ed. 2009]

The 2009 edition of Foundations in Wisconsin marks the 28th production of the print directory and the 9th year of the online version. The directory is designed as a research tool for grantseekers interested in locating information on private, corporate, and community foundations registered in Wisconsin. Each entry in this new edition has been updated or reviewed to provide the most current information available. Most of the data was drawn from IRS 990-PF tax returns filed by the foundations. However, additional information was obtained from surveys, foundation Web sites, annual reports, and newsletters. Wisconsin foundations have continued to grow in key areas even with the economic downturn. Active grantmaking foundations now number 1,286, with 54 new foundations identified. Total grants increased to an all-time high of $507 million, a 7$6.8 billion.https://epublications.marquette.edu/lib_fiw/1000/thumbnail.jp

Evolution of surface-based deformable image registration for adaptive radiotherapy of non-small cell lung cancer (NSCLC)

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>To evaluate the performance of surface-based deformable image registration (DR) for adaptive radiotherapy of non-small cell lung cancer (NSCLC).</p> <p>Methods</p> <p>Based on 13 patients with locally advanced NSCLC, CT images acquired at treatment planning, midway and the end of the radio- (n = 1) or radiochemotherapy (n = 12) course were used for evaluation of DR. All CT images were manually [gross tumor volume (GTV)] and automatically [organs-at-risk (OAR) lung, spinal cord, vertebral spine, trachea, aorta, outline] segmented. Contours were transformed into 3D meshes using the Pinnacle treatment planning system and corresponding mesh points defined control points for DR with interpolation within the structures. Using these deformation maps, follow-up CT images were transformed into the planning images and compared with the original planning CT images.</p> <p>Results</p> <p>A progressive tumor shrinkage was observed with median GTV volumes of 170 cm³(range 42 cm³- 353 cm³), 124 cm³(19 cm³- 325 cm³) and 100 cm³(10 cm³- 270 cm³) at treatment planning, mid-way and at the end of treatment. Without DR, correlation coefficients (CC) were 0.76 ± 0.11 and 0.74 ± 0.10 for comparison of the planning CT and the CT images acquired mid-way and at the end of treatment, respectively; DR significantly improved the CC to 0.88 ± 0.03 and 0.86 ± 0.05 (p = 0.001), respectively. With manual landmark registration as reference, DR reduced uncertainties on the GTV surface from 11.8 mm ± 5.1 mm to 2.9 mm ± 1.2 mm. Regarding the carina and intrapulmonary vessel bifurcations, DR reduced uncertainties by about 40% with residual errors of 4 mm to 6 mm on average. Severe deformation artefacts were observed in patients with resolving atelectasis and pleural effusion, in one patient, where the tumor was located around large bronchi and separate segmentation of the GTV and OARs was not possible, and in one patient, where no clear shrinkage but more a decay of the tumor was observed.</p> <p>Discussion</p> <p>The surface-based DR performed accurately for the majority of the patients with locally advanced NSCLC. However, morphological response patterns were identified, where results of the surface-based DR are uncertain.</p

Distinct effects of inflammation on preconditioning and regeneration of the adult zebrafish heart

The adult heart is able to activate cardioprotective programmes and modifies its architecture in response to physiological or pathological changes. While mammalian cardiac remodelling often involves hypertrophic expansion, the adult zebrafish heart exploits hyperplastic growth. This capacity depends on the responsiveness of zebrafish cardiomyocytes to mitogenic signals throughout their entire life. Here, we have examined the role of inflammation on the stimulation of cell cycle activity in the context of heart preconditioning and regeneration. We used thoracotomy as a cardiac preconditioning model and cryoinjury as a model of cardiac infarction in the adult zebrafish. First, we performed a spatio-temporal characterization of leucocytes and cycling cardiac cells after thoracotomy. This analysis revealed a concomitance between the infiltration of inflammatory cells and the stimulation of the mitotic activity. However, decreasing the immune response using clodronate liposome injection, PLX3397 treatment or anti-inflammatory drugs surprisingly had no effect on the re- entry of cardiac cells into the cell cycle. In contrast, reducing inflammation using the same strategies after cryoinjury strongly impaired cardiac cell mitotic activity and the regenerative process. Taken together, our results show that, while the immune response is not necessary to induce cell-cycle activity in intact preconditioned hearts, inflammation is required for the regeneration of injured hearts in zebrafish

Preconditioning boosts regenerative programmes in the adult zebrafish heart

During preconditioning, exposure to a non-lethal harmful stimulus triggers a body-wide increase of survival and pro-regenerative programmes that enable the organism to better withstand the deleterious effects of subsequent injuries. This phenomenon has first been described in the mammalian heart, where it leads to a reduction of infarct size and limits the dysfunction of the injured organ. Despite its important clinical outcome, the actual mechanisms underlying preconditioning-induced cardioprotection remain unclear. Here, we describe two independent models of cardiac preconditioning in the adult zebrafish. As noxious stimuli, we used either a thoracotomy procedure or an induction of sterile inflammation by intraperitoneal injection of immunogenic particles. Similar to mammalian preconditioning, the zebrafish heart displayed increased expression of cardioprotective genes in response to these stimuli. As zebrafish cardiomyocytes have an endogenous proliferative capacity, preconditioning further elevated the re-entry into the cell cycle in the intact heart. This enhanced cycling activity led to a long-term modification of the myocardium architecture. Importantly, the protected phenotype brought beneficial effects for heart regeneration within one week after cryoinjury, such as a more effective cell-cycle reentry, enhanced reactivation of embryonic gene expression at the injury border, and improved cell survival shortly after injury. This study reveals that exposure to antecedent stimuli induces adaptive responses that render the fish more efficient in the activation of the regenerative programmes following heart damage. Our results open a new field of research by providing the adult zebrafish as a model system to study remote cardiac preconditioning

ALDH1A3 loss of function causes bilateral anophthalmia/microphthalmia and hypoplasia of the optic nerve and optic chiasm

The major active retinoid, all-trans retinoic acid, has long been recognized as critical for the development of several organs, including the eye. Mutations in STRA6, the gene encoding the cellular receptor for vitamin A, in patients with Matthew-Wood syndrome and anophthalmia/microphthalmia (A/M), have previously demonstrated the importance of retinol metabolism in human eye disease. We used homozygosity mapping combined with next-generation sequencing to interrogate patients with anophthalmia and microphthalmia for new causative genes. We used whole-exome and whole-genome sequencing to study a family with two affected brothers with bilateral A/M and a simplex case with bilateral anophthalmia and hypoplasia of the optic nerve and optic chiasm. Analysis of novel sequence variants revealed homozygosity for two nonsense mutations in ALDH1A3, c.568A>G, predicting p.Lys190*, in the familial cases, and c.1165A>T, predicting p.Lys389*, in the simplex case. Both mutations predict nonsense-mediated decay and complete loss of function. We performed antisense morpholino (MO) studies in Danio rerio to characterize the developmental effects of loss of Aldh1a3 function. MO-injected larvae showed a significant reduction in eye size, and aberrant axonal projections to the tectum were noted. We conclude that ALDH1A3 loss of function causes anophthalmia and aberrant eye development in humans and in animal model system

The effect of adipose tissue-derived stem cells in a middle cerebral artery occlusion stroke model depends on their engraftment rate

Background: In the field of experimental stem cell therapy, intra-arterial (IA) delivery yields the best results concerning, for example, migrated cell number at the targeted site. However, IA application also appears to be associated with increased mortality rates and infarction. Since many rodent studies systemically apply 1 × 106 cells, this could also be a consequence of engrafted cell number. The aim of this study was therefore to investigate the effect of different doses of adipose tissue-derived stem cells (ASCs) on engraftment rates and stroke outcome measured in vivo using 9.4-T high-field magnetic resonance imaging (MRI). Methods: Male Wistar rats (n = 43) underwent a middle cerebral artery occlusion (MCAo) for 45 or 90 min, followed by IA delivery of either saline or 1 × 106, 3 × 105, or 5 × 104 ASCs pre-labelled with very small superparamagnetic iron oxide particles (VSOPs). MRI (9.4-T) analysis was performed 48 h and 9 days post-MCAo. Lesion volumes were assessed by analysis of T2-weighted images and cell signal tracking showing cell engraftment and active cell migration by an improved T2*-analysis. Results: The ASC-derived signal intensity increased in the affected hemisphere 48 h post MCAo with injected cell number (p < 0.05). The analysis of stroke volumes revealed an increased infarction after injection of 1 × 106 ASCs compared to controls or application of 5 × 104 ASCs (p < 0.05). At 9 days post-MCAo, injection of 3 × 105 ASCs resulted in reduced infarct volumes (p < 0.05). Correspondingly, MRI analysis revealed no changes in cell numbers between both MRI examinations but showed active ASC migration to the site of infarction. Conclusion: Our results confirm that IA injection is an efficient way of targeting damaged brain tissue but its usefulness strongly depends on the right dose of delivered stem cells since this factor has a strong influence on migration rate and infarct volume, with better results for doses below 1 × 106 cells. Future challenges will include the determination of therapeutic doses for best cellular engraftment and stroke outcome