Neural control of vocalization in bats: mapping of brainstem areas with electrical microstimulation eliciting species-specific echolocation calls in the rufous horseshoe bat

1. The functional role of brainstem structures in the emission of echolocation calls was investigated in the rufous horseshoe bat, Rhinolophus rouxi, with electrical low-current microstimulation procedures. 2. Vocalizations without temporal and/or spectral distortions could be consistently elicited at low threshold currents (typically below 10 A) within three clearly circumscribed brainstem areas, namely, the deep layers and ventral parts of the intermediate layers of the superior colliculus (SC), the deep mesencephalic nucleus (NMP) in the dorsal and lateral midbrain reticular formation and in a distinct area medial to the rostral parts of the dorsal nucleus of the lateral lemniscus. The mean latencies in the three vocal areas between the start of the electrical stimulus and the elicited vocalizations were 47 msec, 38 msec and 31 msec, respectively. 3. In pontine regions and the cuneiform nucleus adjacent to these three vocal areas, thresholds for eliciting vocalizations were also low, but the vocalizations showed temporal and/or spectral distortions and were often accompanied or followed by arousal of the animal. 4. Stimulus intensity systematically influenced vocalization parameters at only a few brain sites. In the caudo-ventra1 portions of the deep superior colliculus the sound pressure level of the vocalizations systematically increased with stimulus intensity. Bursts of multiple vocalizations were induced at locations ventral to the rostral parts of the cuneiform nucleus. No stimulus-intensity dependent frequency changes of the emitted vocalizations were observed. 5. The respiratory cycle was synchronized to the electrical stimuli in all regions where vocalizations could be elicited as well as in more ventrally and medially adjacent areas not yielding vocalizations on stimulation. 6. The possible functional involvement of the vocal structures in the audio-vocal feedback system of the Dopplercompensating horseshoe bat is discussed

Distributed Estimation Using Partial Knowledge about Correlated Estimation Errors

Sensornetzwerke werden in vielen verschiedenen Anwendungen, z. B. zur Überwachung des Flugraumes oder zur Lokalisierung in Innenräumen eingesetzt. Dabei werden Sensoren häufig räumlich verteilt, um eine möglichst gute Abdeckung des zu beobachtenden Prozesses zu ermöglichen. Sowohl der Prozess als auch die Sensormessungen unterliegen stochastischem Rauschen. Daher wird oftmals eine Zustandsschätzung, z. B. durch ein Kalmanfilter durchgeführt, welcher die Unsicherheiten aus dem Prozess- und Messmodel systematisch berücksichtigt. Die Kooperation der individuellen Sensorknoten erlaubt eine verbesserte Schätzung des Systemzustandes des beobachteten Prozesses. Durch die lokale Verarbeitung der Sensordaten direkt in den Sensorknoten können Sensornetzwerke flexibel und modular entworfen werden und skalieren auch bei steigender Anzahl der Einzelkomponenten gut. Zusätzlich werden Sensornetzwerke dadurch robuster, da die Funktionsfähigkeit des Systems nicht von einem einzigen zentralen Knoten abhängt, der alle Sensordaten sammelt und verarbeitet. Ein Nachteil der verteilten Schätzung ist jedoch die Entstehung von korrelierten Schätzfehlern durch die lokale Verarbeitung in den Filtern. Diese Korrelationen müssen systematisch berücksichtigt werden, um genau und zuverlässig den Systemzustand zu schätzen. Dabei muss oftmals ein Kompromiss zwischen Schätzgenauigkeit und den begrenzt verfügbaren Ressourcen wie Bandbreite, Speicher und Energie gefunden werden. Eine zusätzliche Herausforderung sind unterschiedliche Netzwerktopologien sowie die Heterogenität lokaler Informationen und Filter, welche das Nachvollziehen der individuellen Verarbeitungsschritte innerhalb der Sensorknoten und der korrelierten Schätzfehler erschweren. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Fusion von Zustandsschätzungen verteilter Sensorknoten. Speziell wird betrachtet, wie korrelierte Schätzfehler entweder vollständig oder teilweise gelernt werden können, um eine präzisere und weniger unsichere fusionierte Zustandsschätzung zu erhalten. Um Wissen über korrelierte Schätzfehler zu erhalten, werden in dieser Arbeit sowohl analytische als auch simulations-basierte Ansätze verfolgt. Eine analytische Berechnung der Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen ist möglich, wenn alle Verarbeitungsschritte und Parameter der lokalen Filter bekannt sind. Dadurch kann z. B. ein zentraler Fusionsknoten die die Korrelation zwischen den Schätzfehlern rekonstruieren. Dieses zentralisierte Vorgehen ist jedoch oft sehr aufwendig und benötigt entweder eine hohe Kommunikationsrate oder Vorwissen über die lokale Verarbeitungsschritte und Filterparameter. Daher wurden in den letzten Jahren zunehmend dezentrale Methoden zur Rekonstruktion von Korrelationen zwischen Zustandsschätzungen erforscht. In dieser Arbeit werden Methoden zur dezentralen Nachverfolgung und Rekonstruktion von korrelierten Schätzfehlern diskutiert und weiterentwickelt. Dabei basiert der erste Ansatz auf der Verwendung deterministischer Samples und der zweite auf der Wurzelzerlegung korrelierter Rauschkovarianzen. Um die Verwendbarkeit dieser Methoden zu steigern, werden mehrere wichtige Erweiterungen erarbeitet. Zum Einen schätzen verteilte Sensorknoten häufig den Zustand desselben Systems. Jedoch unterscheiden sie sich in ihrer lokalen Berechnung, indem sie unterschiedliche Zustandsraummodelle nutzen. Ein Beitrag dieser Arbeit ist daher die Verallgemeinerung dezentraler Methoden zur Nachverfolgung in unterschiedlichen (heterogenen) Zustandsräumen gleicher oder geringerer Dimension, die durch lineare Transformationen entstehen. Des Weiteren ist die Rekonstruktion begrenzt auf Systeme mit einem einzigen zentralen Fusionsknoten. Allerdings stellt die Abhängigkeit des Sensornetzwerkes von einem solchen zentralen Knoten einen Schwachpunkt dar, der im Fehlerfall zum vollständigen Ausfall des Netzes führen kann. Zudem verfügen viele Sensornetzwerke über komplexe und variierende Netzwerktopologien ohne zentralen Fusionsknoten. Daher ist eine weitere wichtige Errungenschaft dieser Dissertation die Erweiterung der Methodik auf die Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler unabhängig von der genutzten Netzwerkstruktur. Ein Nachteil der erarbeiteten Algorithmen sind die wachsenden Anforderungen an Speicherung, Verarbeitung und Kommunikation der zusätzlichen Informationen, welche für die vollständige Rekonstruktion notwendig sind. Um diesen Mehraufwand zu begrenzen, wird ein Ansatz zur teilweisen Rekonstruktion korrelierter Schätzfehler erarbeitet. Das resultierende partielle Wissen über korrelierte Schätzfehler benötigt eine konservative Abschätzung der Unsicherheit, um genaue und zuverlässige Zustandsschätzungen zu erhalten. Es gibt jedoch Fälle, in denen keine Rekonstruktion der Korrelationen möglich ist oder es eine Menge an möglichen Korrelationen gibt. Dies ist zum Einen der Fall, wenn mehrere Systemmodelle möglich sind. Dies führt dann zu einer Menge möglicher korrelierter Schätzfehler, beispielsweise wenn die Anzahl der lokalen Verarbeitungsschritte bis zur Fusion ungewiss ist. Auf der anderen Seite ist eine Rekonstruktion auch nicht möglich, wenn die Systemparameter nicht bekannt sind oder die Rekonstruktion aufgrund von begrenzter Rechenleistung nicht ausgeführt werden kann. In diesem Fall kann ein Simulationsansatz verwendet werden, um die Korrelationen zu schätzen. In dieser Arbeit werden Ansätze zur Schätzung von Korrelationen zwischen Schätzfehlern basierend auf der Simulation des gesamten Systems erarbeitet. Des Weiteren werden Ansätze zur vollständigen und teilweisen Rekonstruktion einer Menge korrelierter Schätzfehler für mehrere mögliche Systemkonfigurationen entwickelt. Diese Mengen an Korrelationen benötigen entsprechende Berücksichtigung bei der Fusion der Zustandsschätzungen. Daher werden mehrere Ansätze zur konservativen Fusion analysiert und angewendet. Zuletzt wird ein Verfahren basierend auf Gaußmischdichten weiterentwickelt, dass die direkte Verwendung von Mengen an Korrelationen ermöglicht. Die in dieser Dissertation erforschten Methoden bieten sowohl Nutzern als auch Herstellern von verteilten Schätzsystemen einen Baukasten an möglichen Lösungen zur systematischen Behandlung von korrelierten Schätzfehlern. Abhängig von der Art und den Umfang des Wissens über Korrelationen, der Kommunikationsbandbreite sowie der gewünschten Qualität der fusionierten Schätzung kann eine Methode passgenau aus den beschriebenen Methoden zusammengesetzt und angewendet werden. Die somit geschlossene Lücke in der Literatur eröffnet neue Möglichkeiten für verteilte Sensorsysteme in verschiedenen Anwendungsgebieten

Transparent Figures: Researching and Preserving Objects of Plastic

Die Gläsernen Figuren sind die bekanntesten Ausstellungsobjekte des Deutschen Hygiene-Museums, die im 20. Jahrhundert in unterschiedlichsten Ausstellungsformaten einem Millionenpublikum präsentiert wurden. Die transparenten Modelle wurden vorwiegend aus dem Kunststoff Celluloseacetat gefertigt, der starken Alterungsprozessen unterworfen ist. Im konservierungswissenschaftlichen Forschungsprojekt »Gläserne Figuren – Ausstellungsikonen des 20. Jahrhunderts« wurden die Körpermodelle untersucht und ein Konzept für ihren langfristigen Erhalt erstellt. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Produktions- und Materialgeschichte sowie zu den Alterungsprozessen und Konservierungsmöglichkeiten werden in dieser Publikation vorgestellt. Empfehlungen zum Umgang mit dreidimensionalen Celluloseacetatobjekten in Museen und Sammlungen schließen sich an. Darüber hinaus werden mehr als 60 historische Objekte aus dem Sammlungskonvolut »Gläserne Figuren« vorgestellt. Im Mittelpunkt stehen dabei die Lebensläufe der im Deutschen Hygiene-Museum befindlichen zwölf Ganzfiguren, die zwischen 1935 und 2000 hergestellt wurden und alle die Transformation vom Anschauungsmodell zum historisch bedeutsamen Objekt durchlaufen haben. Zudem werden die Auswertungspotenziale weiterer Objektgruppen zur Herstellungstechnik und Ausstellungsgeschichte der Figuren sowie zu den Präsentations- und Werbestrategien beleuchtet.The Transparent Figures are the most well-known exhibition objects of the Deutsches Hygiene-Museum and were presented to millions of people in the 20th century in the most varied exhibition formats. The transparent models were primarily made of the plastic cellulose acetate, which is subject to pronounced ageing processes. The body models were examined and a concept for their long-term preservation was created in the conservation science research project “Transparent Figures – Exhibition Icons of the 20th Century”. The knowledge concerning the production and material history acquired, as well as of ageing processes and possibilities for conservation are presented in this publication. This is joined by recommendations for dealing with three-dimensional cellulose acetate objects in museums and collections. In addition to this, more than 60 historical objects from the “Transparent Figures” collection set will be presented. The focus is thereby on the curricula vitae of the twelve complete figures found in the Deutsches Hygiene-Museum, which were manufactured between 1935 and 2000 and have all undergone the transformation from the display model to the historically important object. The evaluation potential of other object groups with regard to manufacturing technology and the exhibition history of the figures, as well as to the presentation and advertising strategies are also illuminated

A stereotaxic method for small animals using experimentally determined reference profiles

In bats conventional stereotaxic methods do not yield sufficient positional accuracy to allow reliable recordings and tracer injections in subnuclei of the auditory system. In a newly developed stereotaxic system experimentally measured patterns of skull profile lines are used to define the animal's brain position with an accuracy of ±100 μm. By combining the neurophysiological stereotaxic procedure with a standardization of the neuroanatomical processing of the brains, the location of recordings, stimulations or injections can be readily transformed into brain atlas coordinates. This facilitates the compilation and comparison of data within and among animals. The system is not restricted to use in bats and can be readily adapted to other experimental animals

Restricted loss of olivocochlear but not vestibular efferent neurons in the senescent gerbil (Meriones unguiculatus)

Degeneration of hearing and vertigo are symptoms of age related auditory and vestibular disorders reflecting multrfactorial changes in the peripheral and central nervous system whose interplay remains largely unknown. Originating bilaterally in the brain stem, vestibular and auditory efferent cholinergic projections exert feedback control on the peripheral sensory organs, and modulate sensory processing. We studied age-related changes in the auditory and vestibular efferent systems by evaluating number of cholinergic efferent neurons in young adult and aged gerbils, and in cholinergic trigeminal neurons serving as a control for efferents not related to the inner ear. We observed a significant loss of olivocochlear (OC) neurons in aged compared to young adult animals, whereas the overall number of lateral superior olive (LSO) cells was not reduced in aging. Although the loss of lateral and medial olivocochlear (MOC) neurons was uniform and equal on both sides of the brain, there were frequency-related differences within the lateral olivocochlear (LOC) neurons, where the decline was larger in the medial limb of the superior olivary nucleus (high frequency representation) than in the lateral limb (middle-to-low frequency representation). In contrast, neither the number of vestibular efferent neurons, nor the population of motor trigeminal neurons were significantly reduced in the aged animals. These observations suggest differential effects of aging on the respective cholinergic efferent brainstem systems