Rolle der Kopplungsbedingungen für die Musterbildung in anregbaren Medien: Studie von Vorhofflimmermechanismen und Oszillatorarrays in der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Übergang zwischen regulären und irregulären Mustern in Reaktions-Diffusions (RD)-Systemen. Hierbei lag der Fokus der Untersuchung auf der Rolle der Kopplungsbedingungen zwischen mehreren Oszillatoren für das Auftreten des Übergangs und der Systemspezifität der zugrundeliegenden Mechanismen. Zwei RD-Systeme wurden hierfür gewählt: (i) das Herz im Vorhofflimmer(VF)-zustand und (ii) die Belousov-Zhabotinsky-Reaktion (BZR). Numerische Simulationen dieser Systeme basierten auf einem Standard-RD-Modell, dem Fitzhugh-Nagumo-Modell, und verschiedenen systemspezifischen Modellen. Ergebnisse der Simulationen wurden mit selbstdurchgeführten Experimenten der BZR auf Silikatgelen sowie mit Literaturdaten zu medizinischen Studien des VF verglichen. Zwei Mechanismen für den Übergang zu irregulären Mustern wurden studiert. Der erste, von mir vorgeschlagene Mechanismus basiert auf der Wechselwirkung zweier aktiver Quellen, welche räumlich separiert sind. In Abhängigkeit des Frequenzverhältnisses der Quellen konnten verschiedene Typen von irregulären Mustern identifiziert werden: ein generischer Typ und drei weitere Typen, welche nur im allgemeinen oder den systemspezifischen Modellen auftraten. Der vorgeschlagene Mechanismus kann das episodische Auftreten von VF erklären, indem Änderungen einer Quellenfrequenz das System in den Zustand irregulärer Muster bringen. Dieser neue Mechanismus ist nicht nur für VF sondern auch für RD-Systeme (BZR, Nervenzellen) relevant. Der zweite untersuchte Mechanismus basiert auf der diffusiven Kopplung vieler Oszillatoren. In dieser Arbeit wurden irreguläre Muster im Bereich schwacher Kopplung gefunden, für welche als Ursache einerseits die reduzierte Kohärenz zwischen den gekoppelten Oszillatoren identifiziert wurde und andererseits die aufgrund der Kopplung veränderte Dynamik im Falle von anregbaren Einheiten. Ein weiterer Typ irregulärer Muster wird durch das Aufbrechen von Wellenfronten an den Oszillatoren verursacht. Der Einfluss der Größe, Form und Kopplungsstärke auf das Auftreten der irregulären Muster wurde untersucht sowie die Eigenschaften der Muster. Aufgrund der Generalität der identifizierten Mechanismen sind diese auch für andere chemische und biologische RD-Systeme wie PEM-Brennstoffzellen oder Herz-, Nerven- oder Bauchspeicheldrüsenzellen von Bedeutung.In this work, the transition between regular and irregular patterns was studied in reaction-diffusion (RD) systems with the ability of pattern formation. The focus of this work lies on the role of the coupling conditions between two or more oscillators for the occurrence of the irregular states and the system-specificity of the mechanisms. To address this issue, two specific RD systems were chosen: (i) the heart during atrial fibrillation (AF) and (ii) the Belousov-Zhabotinsky reaction (BZR). Numerical simulations of these systems have been performed on the basis of a standard generic model, the FitzHugh-Nagumo model, and system-specific models. Results are compared to experiments of the BZR on silica gels with spatially structured catalyst patterns and medical data from literature for AF studies. Two mechanisms were studied, which are suggested to yield irregular patterns. The first mechanism, proposed by myself, consists of the interaction of two active sources located in separate regions. In dependence of the relation between the frequencies of the active sources, irregular patterns of different types occurred. One type is a general one, while three other types occurred only in either the generic model or the system-specific one. The proposed mechanism can explain the often episodic occurrence of AF, when considering frequency changes of one active source, which can move the system into the range of irregular patterns. The novel mechanism is relevant also for other RD systems where similar effects situations like detachment of waves and conduction blocks occur. The second mechanism is based on the diffusive coupling of multiple oscillators. In this case, either a reduced coupling or heterogeneity are thought to cause irregular patterns. Irregular patterns were found in the weak coupling regime due to clusters of synchronized oscillators and the modified dynamics of coupled excitable units. Another type consists of wavefront break-up at the spot centers. The influence of the size, shape and coupling strength of the coupled units on the irregularities was investigated as well as the properties of the irregularities itself. These mechanisms are relevant also for chemical RD systems (e.g. PEM fuel cells) and biological systems as, e.g., the nerve, heart or pancreatic beta cells

Off-label, off-limits? Parental awareness and attitudes towards off-label use in paediatrics

Off-label drug use in paediatrics is associated with an increased risk of adverse drug reactions. Any risk–benefit analysis has to be based on value judgments that should include parents' views. However, nothing is known so far about the parents' perspective on this critical issue. Therefore, a quantitative survey with parents of healthy and chronically ill children was carried out (n = 94). Knowledge about the practise of off-label use is generally poor in both groups. Surprisingly, this is also true for the parents of children with chronic disease. Nine percent of the parents of chronically ill children and 20% of the parents of healthy children would refuse treatment with an off-label drug. Parents who have poor knowledge about the practise of off-label use tend to refuse to volunteer their child for study participation. Therefore, the information of parents on the off-label use of drugs is important to meet ethical standards and to increase the parents' acceptance of medical studies with children

Localization of sesquiterpene formation and emission in maize leaves after herbivore damage

BACKGROUND: Maize (Zea mays L.) leaves damaged by lepidopteran herbivores emit a complex volatile blend that can attract natural enemies of the herbivores and may also have roles in direct defense and inter- or intra-plant signaling. The volatile blend is dominated by sesquiterpenes of which the majority is produced by two herbivore-induced terpene synthases, TPS10 and TPS23. However, little is known about the pattern of volatile emission within maize leaves. RESULTS: In this study, we restricted herbivore feeding to small sections of the maize leaf with the aim of determining the patterns of volatile sesquiterpene emission throughout the damaged leaf and in neighboring leaves. Sesquiterpene volatiles were released at high rates from damaged leaves, but at much lower rates from neighboring leaves. Release was restricted to the site of damage or to leaf sections located apical to the damage, but was not seen in sections basal to the damage or on the other side of the midrib. The emission pattern correlated well with the transcript pattern of the respective sesquiterpene synthase genes, tps10 and tps23, implying that biosynthesis likely occurs at the site of emission. The concentrations of jasmonic acid and its leucine derivative were also elevated in terpene-emitting tissues suggesting a role for jasmonates in propagating the damage signal. CONCLUSIONS: In contrast to other defense reactions which often occur systemically throughout the whole plant, herbivore-induced sesquiterpene production in maize is restricted to the wounding site and distal leaf parts. Since the signal mediating this reaction is directed to the leaf tip and cannot propagate parallel to the leaf axis, it is likely connected to the xylem. The increasing gradient of volatiles from the tip of the leaf towards the damage site might aid herbivore enemies in host or prey finding

Enabling adaptive and enhanced acoustic sensing using nonlinear dynamics

Transmission of real-time data is strongly increasing due to remote processing of sensor data, among other things. A route to meet this demand is adaptive sensing, in which sensors acquire only relevant information using pre-processing at sensor level. We present here adaptive acoustic sensors based on mechanical oscillators with integrated sensing and actuation. Their dynamics are shifted into a nonlinear regime using feedback or coupling. This enhances dynamic range, frequency resolution and signal-to-noise ratio. Combining tunable sensing properties with sound analysis could enable acquiring of only relevant information rather than extracting this from irrelevant data by post-processing

Review Article: Active scanning probes: a versatile toolkit for fast imaging and emerging nanofabrication

With the recent advances in the field of nanotechnology, measurement and manipulation requirements at the nanoscale have become more stringent than ever before. In atomic force microscopy, high-speed performance alone is not sufficient without considerations of other aspects of the measurement task, such as the feature aspect ratio, required range, or acceptable probe-sample interaction forces. In this paper, the authors discuss these requirements and the research directions that provide the highest potential in meeting them. The authors elaborate on the efforts toward the downsizing of self-sensed and self-actuated probes as well as on upscaling by active cantilever arrays. The authors present the fabrication process of active probes along with the tip customizations carried out targeting specific application fields. As promising application in scope of nanofabrication, field emission scanning probe lithography is introduced. The authors further discuss their control and design approach. Here, microactuators, e.g., multilayer microcantilevers, and macroactuators, e.g., flexure scanners, are combined in order to simultaneously meet both the range and speed requirements of a new generation of scanning probe microscopes

Zur Zukunft der Bereichsethiken – Herausforderungen durch die Ökonomisierung der Welt

Der vorliegende achte Band der Schriftenreihe des Zentrums für Technik- und Wirtschaftsethik am Karlsruher Institut für Technologie soll - wie die Schriftenreihe insgesamt - den überfachlichen Dialog fördern. Zu einem solchen Dialog gehört auch der Themenkomplex „Zur Zukunft der Bereichsethiken - Herausforderungen durch die Ökonomisierung der Welt“. Die vielfältigen, multidimensionalen Ökonomisierungsprozesse prägen und verändern zusammen mit Technik und Wissenschaft auf mannigfache Weise und in einem nie gekanntem Ausmaß unsere Welt. Gesellschaften, das Zusammenleben der Menschen und das Arbeitsleben in der Gegenwart und noch stärker in der Zukunft erfahren ständig sich beschleunigende Veränderungen. Die im Band versammelten Beiträge stellen Ansätze und Beispiele dar, die Herausforderungen der Ökonomisierung der Welt mithilfe ethischer Überlegungen anzugehen und damit auch einen Beitrag zur Zukunft(sfähigkeit) der Ethik bzw. der Bereichsethiken zu leisten. Der Band enthält hierzu sowohl stärker grundsätzlich orientierte als auch eher bereichsbezogene Aufsätze. Zu den behandelten Themen gehören u.a.: die Renaissance der Geisteswissenschaften im Anthropozän-Diskurs, die Ethik der Veränderung, die Ökonomisierung als Triebkraft zur Anwendung der Ethik, zur Zukunft der Technik-, Wirtschafts- und Wissenschaftsethik, die Ökonomisierung der gesellschaftlichen Arbeit, der Sozialen Arbeit, der Medien, der persönlichen Beziehungen, der Wasserversorgung, des Gesundheitswesens sowie des Sports