A modular LHC built on the DNA three-way junction

A light-harvesting complex composed of a p-stacked multichromophoric array in a DNA three-way junction is described. The modular design allows for a ready exchange of non-covalently attached energy acceptor

Bone regeneration of minipig mandibular defect by adipose derived mesenchymal stem cells seeded tri-calcium phosphate- poly(D,L-lactide-co-glycolide) scaffolds

Reconstruction of bone defects represents a serious issue for orthopaedic and maxillofacial surgeons, especially in extensive bone loss. Adipose-derived mesenchymal stem cells (ADSCs) with tri-calcium phosphates (TCP) are widely used for bone regeneration facilitating the formation of bone extracellular matrix to promote reparative osteogenesis. The present study assessed the potential of cell-scaffold constructs for the regeneration of extensive mandibular bone defects in a minipig model. Sixteen skeletally mature miniature pigs were divided into two groups: Control group and scaffolds seeded with osteogenic differentiated pADSCs (n=8/group). TCP-PLGA scaffolds with or without cells were integrated in the mandibular critical size defects and fixed by titanium osteosynthesis plates. After 12 weeks, ADSCs seeded scaffolds (n=7) demonstrated significantly higher bone volume (34.8%+/- 4.80%) than scaffolds implanted without cells (n=6, 22.4%+/- 9.85%) in the micro-CT (p < 0.05). Moreover, an increased amount of osteocalcin deposition was found in the test group in comparison to the control group (27.98 +/- 2.81% vs 17.10 +/- 3.57%, p < 0.001). In conclusion, ADSCs seeding on ceramic/polymer scaffolds improves bone regeneration in large mandibular defects. However, further improvement with regard to the osteogenic capacity is necessary to transfer this concept into clinical use

Hydrologie anwendungsorientiert vermitteln

Vielfältige Bedürfnisse der Gesellschaft und Wirtschaft sowie klimabedingte Veränderungen stellen komplexe Herausforderungen für den Umgang mit Gewässern und der Ressource Wasser. Dementsprechend hält die UNO im sechsten Ziel der Agenda 2030 fest, dass der Zugang zu Trinkwasser und zu sanitären Einrichtungen ein Menschenrecht sei und der Umgang mit der Ressource Wasser entscheidend für die soziale, wirtschaftliche und ökologische Entwicklung ist. Ein umsichtiger Umgang mit diesen hydrologischen Herausforderungen setzt in Gesellschaft, Wirtschaft und Politik ein anschlussfähiges hydrologisches Grundwissen voraus. Nur so können in der Gesellschaft und Politik Mass-nahmen für ein zukunftsorientiertes Wassermanagement im eigenen Lebensraum verstanden und konsensbezogen umgesetzt werden. Damit ist insbesondere die Bildung auf allen Schulstufen gefordert, hydrologisches Grundlagenwissen so zu vermitteln, dass es die Lernenden später in anderen Situationen und Problemstellungen anwenden können, um so Handlungsoptionen für sich persönlich, die Gesellschaft, Wirtschaft und Politik zu erkennen und weiterzuentwickeln. Dieser Anspruch deckt sich mit einer grundsätzlich und immer wieder gestellten Forderung an den Geografieunterricht, Kenntnisse sollen so vermittelt werden, dass diese von den Lernenden bei anderen Sachverhalten und in anderen geografischen Räumen angewendet und weiterentwickelt werden. Wenn Lernen sinnvoll sein soll, muss das Gelernte anwendbar und übertragbar sein, um so späteres Lernen oder Problemlösen zu beeinflussen. Dies ist auch eine Zielsetzung der Kompetenzorientierung, die aktuell die schweizerische und europäische Bildungsdiskussion bestimmt und sich beispielsweise an Gymnasien in Lehrplänen oder in den Anforderungsbereichen an Maturitätsprüfungen niederschlägt. Obschon vom Fachbereich Hydrologie und von der Bildung Unterrichtskonzepte gefordert sind, welche die Transferleistung ausbilden, und man sich in der Geografiedidaktik über deren Bedeutung einig ist, gibt es im Fachbereich Geografie kaum Studien zur Transferleistung. Ausgehend vom lernpsychologischen Begriffsverständnis und geografischen Anforderungen im Unterricht wird in der vorliegenden Dissertation unter Transfer (lat.-engl.; „Übertragung, Überführung“) die Fähigkeit verstanden, erworbenes Wissen oder erlernte Fertigkeiten in anderen Situationen und Aufgaben mit neuen Anforderungen anzuwenden. Doch wovon hängt der erfolgreiche Transfer von Gelerntem im Geografieunterricht ab? Ausgehend von dieser Fragestellung wird in der vorliegenden Dissertation der flexibel einsetzbare Lernansatz AEL entwickelt, der die Transferleistung im Unterricht explizit fördern soll. Bei der Entwicklung des Lernansatzes AEL waren geografiedidaktische und lernpsychologische Forschungsergebnisse sowie reflektierte Erfahrungen aus dem eigenen Unterricht auf der Sekundarstufe II leitend. Der Lernansatz AEL dient als didaktisches Konzept für das Lernmedium WASSERverstehen, welches in Zusammenarbeit mit der Gruppe für Hydrologie des Geografischen Instituts der Universität Bern und dem Hydrologischen Atlas der Schweiz entwickelt wurde. Das Lernmedium WASSERverstehen zeigt mit dem Print- und E-Book praxisorientiert die Umsetzung des Lernansatzes AEL und ermöglicht eine quantitative Wirksamkeitsstudie an vier gymnasialen Klassen im Geografieunterricht. In der Studie mit einem Pre-, Post-, Follow-up-Test-Design wurde in einer Experimental- und Vergleichsgruppe die Wirksamkeit des Lernansatzes AEL, des Lernmediums WASSERverstehen und der Unterrichtssequenz auf die vier Bereiche Wissenszuwachs, Behaltensleistung, Transferleistung und Beständigkeit der Transferleistung zum Thema Hochwasser untersucht. Die Studie zeigt, dass der Lernansatz AEL das Vorwissen und die Erfahrungen der Lernenden im Unterricht flexibel zugänglich macht und so einen Conceptual Change ermöglicht sowie den Wissenszuwachs, die Behaltensleistung, die Transferleistung und deren Beständigkeit zu Hochwasser hochsignifikant steigert. Verschiedene Praxiserprobungen zeigen zudem, dass sich der Lernansatz AEL für geografische Fragestellungen zu komplexen Sachverhalten eignet, wo eindeutige Lösungen mit „richtig“ und „falsch“ nicht zielführend sind und wo aus unterschiedlichen Perspektiven das dynamische Verhältnis von Umwelt und Mensch erkannt und verstanden werden muss. Mit dem Lernansatz AEL, dem Lernmedium WASSERverstehen und der Wirksamkeitsstudie liegen erstmals im Verbund theoriebasierte, praxisbezogene und statistisch überprüfte Grundlagen zur Transferleistung im Geografieunterricht vor. Damit bietet die Studie Grundlagen zum Lerntransfer für unterrichtende Lehrpersonen, für die Ausbildung von Lehrpersonen, für die geografiedidaktische und lernpsychologische Forschung und für die Lernmedienentwicklung. Keywords: Transferleistung, Wissenskonstruktion, Kompetenzorientierung, Lernansatz AEL, Vorstellungen, Conceptual Change, quantitative Wirksamkeitsstudie, Lernmedium WASSERverstehen, Hydrologie, komplexe Themen, Hochwasse

Particle detection by means of neural networks and synthetic training data refinement in defocusing particle tracking velocimetry

The presented work addresses the problem of particle detection with neural networks (NNs) in defocusing particle tracking velocimetry. A novel approach based on synthetic training data refinement is introduced, with the scope of revising the well documented performance gap of synthetically trained NNs, applied to experimental recordings. In particular, synthetic particle image (PI) data is enriched with image features from the experimental recordings by means of deep learning through an unsupervised image-to-image translation. It is demonstrated that this refined synthetic training data enables the neural-network-based particle detection for a simultaneous increase in detection rate and reduction in the rate of false positives, beyond the capability of conventional detection algorithms. The potential for an increased accuracy in particle detection is revealed with NNs that utilise small scale image features, which further underlines the importance of representative training data. In addition, it is demonstrated that NNs are able to resolve overlapping PIs with a higher reliability and accuracy in comparison to conventional algorithms, suggesting the possibility of an increased seeding density in real experiments. A further finding is the robustness of NNs to inhomogeneous background illumination and aberration of the images, which opens up defocusing PTV for a wider range of possible applications. The successful application of synthetic training-data refinement advances the neural-network-based particle detection towards real world applicability and suggests the potential of a further performance gain from more suitable training data

Digital planning and individual implants for secondary reconstruction of midfacial deformities: A pilot study

Objective To evaluate the feasibility and accuracy of implementing three-dimensional virtual surgical planning (VSP) and subsequent transfer by additive manufactured tools in the secondary reconstruction of residual post-traumatic deformities in the midface. Methods Patients after secondary reconstruction of post-traumatic midfacial deformities were included in this case series. The metrical deviation between the virtually planned and postoperative position of patient-specific implants (PSI) and bone segments was measured at corresponding reference points. Further information collected included demographic data, post-traumatic symptoms, and type of transfer tools. Results Eight consecutive patients were enrolled in the study. In five patients, VSP with subsequent manufacturing of combined predrilling/osteotomy guides and PSI was performed. In three patients, osteotomy guides, repositioning guides, and individually prebent plates were used following VSP. The median distances between the virtually planned and the postoperative position of the PSI were 2.01 mm (n = 18) compared to a median distance concerning the bone segments of 3.05 mm (n = 12). In patients where PSI were used, the median displacement of the bone segments was lower (n = 7, median 2.77 mm) than in the group with prebent plates (n = 5, 3.28 mm). Conclusion This study demonstrated the feasibility of VSP and transfer by additive manufactured tools for the secondary reconstruction of complex residual post-traumatic deformities in the midface. However, the median deviations observed in this case series were unexpectedly high. The use of navigational systems may further improve the level of accuracy

Side-Channel Analysis of Integrate-and-Fire Neurons within Spiking Neural Networks

Spiking neural networks gain attention due to low power properties and event-based operation, making them suitable for usage in resource constrained embedded devices. Such edge devices allow physical access opening the door for side-channel analysis. In this work, we reverse engineer the parameters of a feed-forward spiking neural network implementation with correlation power analysis. Localized measurements of electro-magnetic emanations enable our attack, despite inherent parallelism and the resulting algorithmic noise of the network. We provide a methodology to extract valuable parameters of integrate-and-fire neurons in all layers, as well as the layer sizes