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Synapses are the fundamental structures that regulate the functionality of the neural circuit. The ability of the synapse to modulate its structure and function at a fast rate due to various sensory inputs provides the strength to the nervous system to incorporate new adaptations and behaviors in the animal. The synapses are very dynamic throughout the life of the animal starting from early development. Continuous events of formation and elimination of synapse, activation and inhibition of synaptic function are observed in almost all synapses. These processes occur at a high speed and require controlled cellular mechanisms. Imbalance in these processes results in defective nervous system and has been reported in many neurological disorders. Thus, it is important to understand the mechanisms that regulate process of synapse development maintenance and function.
Kinases and phosphatases are the key regulators of cellular mechanisms. Understanding the function of these molecules in the neuron will shed light on the molecular mechanisms of synaptic plasticity. Using Drosophila melanogaster larval neuromuscular junction as a model, Bulat et al. (2014) performed a large RNAi based screen targeting kinome and phosphatome of Drosophila to identify the essential kinases and phosphatases and found Myeloid leukemia factor-1 adaptor molecule (Madm) and Protein phosphatase 4 (PP4) as novel regulators of synapse development and maintenance. The function of these molecules in the nervous system has not been reported and hence I investigated on the role of Madm and PP4 in the regulation of synapse development, maintenance and function.
Myeloid leukemia factor-1 adaptor molecule (Madm), a ubiquitously expressing psuedokinase essentially functions to regulate synaptic growth, stability and function. Using a combination of genetic and high throughput imaging, I could demonstrate that Madm functions to regulate the synaptic growth and stability from the presynapse and synaptic organization form the postsynapse. Also, I could demonstrate that Madm functions in association with mTOR pathway to regulate synapse growth acting downstream of 4E-BP. In addition, using electrophysiology, we could demonstrate that Madm is essential for the basic synaptic transmission with an additive function of retrograde synaptic potentiation. In summary, I could demonstrate that Madm is a novel regulator of synaptic development, maintenance and function.
Protein phosphatase 4 (PP4), a ubiquitously expressing protein phosphatase is involved in the regulation of multiple aspects of the nervous system. I could demonstrate that PP4 is essential for the development of nervous system and the metamorphosis. Using genetics and imaging analysis, I could demonstrate that loss of PP4 results in the abnormal morphology of cell organelles. In addition, I could show that loss of PP4 results in defective brain development with poorly developed structures.
Altogether, in this study, I could demonstrate the importance of novel molecules, a pesudokinase Madm and protein phosphatases PP4 in the nervous system to regulate distinct aspects of the neuron.
Hardware Contention-Aware Real-Time Scheduling on Multi-Core Platforms in Safety-Critical Systems
(2019)
While the computing industry has shifted from single-core to multi-core processors for performance gain, safety-critical systems (SCSs) still require solutions that enable their transition while guaranteeing safety, requiring no source-code modifications and substantially reducing re-development and re-certification costs, especially for legacy applications that are typically substantial. This dissertation considers the problem of worst-case execution time (WCET) analysis under contentions when deadline-constrained tasks in independent partitioned task set execute on a homogeneous multi-core processor with dynamic time-triggered shared memory bandwidth partitioning in SCSs.
Memory bandwidth in multi-core processors is shared across cores and is a significant cause of performance bottleneck and temporal variability of multiple-orders in task’s execution times due to contentions in memory sub-system. Further, the circular dependency is not only between WCET and CPU scheduling of others cores, but also between WCET and memory bandwidth assignments over time to cores. Thus, there is need of solutions that allow tailoring memory bandwidth assignments to workloads over time and computing safe WCET. It is pragmatically infeasible to obtain WCET estimates from static WCET analysis tools for multi-core processors due to the sheer computational complexity involved.
We use synchronized periodic memory servers on all cores that regulate each core’s maximum memory bandwidth based on allocated bandwidth over time. First, we present a workload schedulability test for known even-memory-bandwidth-assignment-to-active-cores over time, where the number of active cores represents the cores with non-zero memory bandwidth assignment. Its computational complexity is similar to merge-sort. Second, we demonstrate using a real avionics certified safety-critical application how our method’s use can preserve an existing application’s single-core CPU schedule under contentions on a multi-core processor. It enables incremental certification using composability and requires no-source code modification.
Next, we provide a general framework to perform WCET analysis under dynamic memory bandwidth partitioning when changes in memory bandwidth to cores assignment are time-triggered and known. It provides a stall maximization algorithm that has a complexity similar to a concave optimization problem and efficiently implements the WCET analysis. Last, we demonstrate dynamic memory assignments and WCET analysis using our method significantly improves schedulability compared to the stateof-the-art using an Integrated Modular Avionics scenario.
Ein Bioraffineriekonzept für (Bier-)Treber wird vorgeschlagen, bei dem im Gegensatz zu bestehenden Konzepten wasserlösliche Komponenten durch Pressen abgetrennt und als Grundlage für eine Milchsäurefermentation mit Lactobacillus delbrueckii subsp. lactis verwendet werden. Die verbleibenden strukturellen Kohlenhydrate des Treberrückstandes werden durch hydrothermale und enzymatische Vorbehandlung in fermentierbare Zucker überführt. Es entstehen deutlich weniger Nebenprodukte, die das Wachstum von Mikroorganismen inhibieren können, als bei der Nutzung von nicht abgepresstem Treber.
Untersuchung der spektroskopischen und kinetischen Eigenschaften von Dihydroxysäure-Dehydratasen
(2019)
Eisen-Schwefel-Cluster sind wichtige Cofaktoren, die an der Redox- und Nicht-Redox-Katalyse beteiligt sind. Enzyme der Lyase-Familie wie Aconitase, Fumarase und DihydroxysäureDehydratase enthalten Cluster, die an drei Cystein-Liganden koordiniert sind. Das Eisenion, das an einen Nicht-Cysteinyl-Liganden koordiniert ist, wirkt als Lewis-Säure und interagiert mit dem Substrat über die Hydroxygruppe des dritten Kohlenstoffatoms und der Carboxygruppe. Das in dieser Arbeit untersuchte Enzym ist die Dihydroxysäure-Dehydratase (DHAD), welche an der Biosynthese der Aminosäuren Isoleucin, Leucin und Valin beteiligt ist. In dieser Arbeit wurden die kinetischen und spektroskopischen Eigenschaften von DHAD aus Streptococcus mutans, Streptococcus thermophilus, Saccharomyces cerevisiae und Escherichia coli untersucht. Zu diesem Zweck wurden ihre Gene kloniert und die Proteine in E. coli Zellen exprimiert. Nach der Proteinreinigung zeigten die UV-Vis-, ESR- und Mössbauer-Spektroskopie die Anwesenheit eines [2Fe-2S]2+-Clusters in der S. mutans DHAD, eines [4Fe-4S]2+-Cluster in E. coli DHAD und einer Mischung von [2Fe-2S]2+- und [4Fe-4S]2+ -Cluster in der S. cerevisiae DHAD. Darüber hinaus unterstützten die Ergebnisse der Sauerstoffstabilitätstests und des Eisen- und säurelabilen Sulfidgehalts die spektroskopischen Analysen. MössbauerSpektroskopie lieferte zusätzlich Information für das Vorhandensein eines nicht-cysteinyl-koordinierten Eisenions in den Clustern der S. mutans und in E. coli DHAD. Enzymaktivitätsmessungen mit dem Dinitrophenylhydrazin-Assay und den hier etablierten gekoppelten Assays mit NADH-abhängigen Ketoisovalerat-reduzierenden Dehydrogenasen wurden durchgeführt, um die spezifischen Aktivitäten und die kinetischen Parameter der DHAD zu bestimmen. Interaktionsstudien der S. mutans DHAD mit dem Substrat, dem Produkt, den substrat- und produktähnlichen Verbindungen mittels UV-Vis-, ESR-, Mössbauer- und FT-IR-Spektroskopie zeigten, dass nur das (2R)-Isomer des Substrats und 2-Ketosäuren (KIV, Kbut) mit dem Cluster der S. mutans DHAD interagierten. Das DHAD-Produkt (2-Ketoisovalerat) interagiert vermutlich über seine Enolform mit dem Cluster. Interessanterweise wurde starke Interaktion des Clusters mit der β-Mercaptogruppe von 3-Mercaptopropionat beobachtet. Diese Wechselwirkung wurde unabhängig durch Inhibitionsstudien verifiziert. Anschließend zeigte eine Gelfiltrationsanalyse die Reversibilität der Interaktionen. Insgesamt hat die vorliegende Arbeit unser Wissen über die biotechnologisch wichtigen DHAD-Enzyme erweitert.
Substrate channeling is a widespread mechanism in metabolic pathways to avoid decomposition of unstable intermediates, competing reactions, and to accelerate catalytic turnover. During the biosynthesis of light-harvesting phycobilins in cyanobacteria, two members of the ferredoxin-dependent bilin reductases are involved in the reduction of the open-chain tetrapyrrole biliverdin IXα to the pink pigment phycoerythrobilin. The first reaction is catalyzed by 15,16-dihydrobiliverdin:ferredoxin oxidoreductase and produces the unstable intermediate 15,16-dihydrobiliverdin (DHBV). This intermediate is subsequently converted by phycoerythrobilin:ferredoxin oxidoreductase to the final product phycoerythrobilin. Although substrate channeling has been postulated already a decade ago, detailed experimental evidence was missing. Using a new on-column assay employing immobilized enzyme in combination with UV-Vis and fluorescence spectroscopy revealed that both enzymes transiently interact and that transfer of the intermediate is facilitated by a significantly higher binding affinity of DHBV toward phycoerythrobilin:ferredoxin oxidoreductase. Concluding from the presented data, the intermediate DHBV is transferred via proximity channeling.
Die Versorgungsaufgaben für Niederspannungsnetze werden sich in den kommenden Jahrzehnten durch die weitere Verbreitung von Photovoltaikanlagen, Wärmepumpenheizungen und Elektroautomobilen gegenüber denen des Jahres 2018 voraussichtlich stark ändern. In der Praxis verbreitete Planungsgrundsätze für den Neubau von Niederspannungsnetzen sind veraltet, denn sie stammen vielfach in ihren Grundzügen aus Zeiten, in denen die neuen Lasten und Einspeisungen nicht erwartet und dementsprechend nicht berücksichtigt wurden. Der Bedarf für neue Planungsgrundsätze fällt zeitlich mit der Verfügbarkeit regelbarer Ortsnetztransformatoren (rONT) zusammen, die zur Verbesserung der Spannungsverhältnisse im Netz eingesetzt werden können. Die hier entwickelten neuen Planungsgrundsätze erfordern für ländliche und vorstädtische Versorgungsaufgaben (nicht jedoch für städtische Versorgungsaufgaben) den rONT-Einsatz, um die hohen erwarteten Leistungen des Jahres 2040 zu geringen Kosten beherrschen zu können. Eine geeignete rONT-Standardregelkennlinie wird angegeben. In allen Fällen werden abschnittsweise parallelverlegte Kabel mit dem Querschnitt 240 mm² empfohlen.
Using molecular dynamics simulation, we study nanoindentation in large samples of Cu–Zr glass at various temperatures between zero and the glass transition temperature. We find that besides the elastic modulus, the yielding point also strongly (by around 50%) decreases with increasing temperature; this behavior is in qualitative agreement with predictions of the cooperative shear model. Shear-transformation zones (STZs) show up in increasing sizes at low temperatures, leading to shear-band activity. Cluster analysis of the STZs exhibits a power-law behavior in the statistics of STZ sizes. We find strong plastic activity also during the unloading phase; it shows up both in the deactivation of previous plastic zones and the appearance of new zones, leading to the observation of pop-outs. The statistics of STZs occurring during unloading show that they operate in a similar nature as the STZs found during loading. For both cases, loading and unloading, we find the statistics of STZs to be related to directed percolation. Material hardness shows a weak strain-rate dependence, confirming previously reported experimental findings; the number of pop-ins is reduced at slower indentation rate. Analysis of the dependence of our simulation results on the quench rate applied during preparation of the glass shows only a minor effect on the properties of STZs.
The importance of well trained and stable neck flexors and extensors as well as trunk muscles for intentional headers in soccer is increasingly discussed. The neck flexors and extensors should ensure a coupling of trunk and head at the time of ball contact to increase the physical mass hitting the ball and reduce head acceleration. The aim of the study was to analyze the influence of a 6-week strength training program (neck flexors, neck extensors) on the acceleration of the head during standing, jumping and running headers as well as after fatigue of the trunk muscles on a pendulum header. A total of 33 active male soccer players (20.3 ± 3.6 years, 1.81 ± 0.07 m, 75.5 ± 8.3 kg) participated and formed two training intervention groups (IG1: independent adult team, IG2: independent youth team) and one control group (CG: players from different teams). The training intervention consisted of three exercises for the neck flexors and extensors. The training effects were verified by means of the isometric maximum voluntary contraction (IMVC) measured by a telemetric Noraxon DTS force sensor. The head acceleration during ball contact was determined using a telemetric Noraxon DTS 3D accelerometer. There was no significant change of the IMVC over time between the groups (F=2.265, p=.121). Head acceleration was not reduced significantly for standing (IG1 0.4 ± 2.0, IG2 0.1 ± 1.4, CG -0.4 ± 1.2; F = 0.796, p = 0.460), jumping (IG1-0.7 ± 1.4, IG2-0.2 ± 0.9, CG 0.1 ± 1.2; F = 1.272, p = 0.295) and running (IG1-1.0 ± 1.9, IG2-0.2 ± 1.4, CG -0.1 ± 1.6; F = 1.050, p = 0.362) headers as well as after fatigue of the trunk musculature for post-jumping (IG1-0.2 ± 2.1, IG2-0.6 ± 1.4; CG -0.6 ± 1.3; F = 0.184, p = 0.833) and post-running (IG1-0.3 ± 1.6, IG2-0.7 ± 1.2, CG 0.0 ± 1.4; F = 0.695, p = 0.507) headers over time between IG1, IG2 and CG. A 6-week strength training of the neck flexors and neck extensors could not show the presumed preventive benefit. Both the effects of a training intervention and the consequences of an effective intervention for the acceleration of the head while heading seem to be more complex than previously assumed and presumably only come into effect in case of strong impacts.
Key words: Heading, kinetics, head-neck-torso-alignment, neck musculature, repetitive head impacts, concussion
Technische und gesellschaftliche Entwicklungen im Bereich der Digitalisierung und vor allem der künstlichen Systeme werden in der gutachterlichen Stellungnahme dargestellt. Im Mittelpunkt stehen Auswirkungen der digitalen Transformation für Politik und Verwaltung in Rhein-land-Pfalz, verschiedene technische Lösungen, Divergenzen zwischen ländlichem und urbanen Räumen sowie Zukunftsvorstellungen.
Bei künstlicher Intelligenz handelt es sich um einen spezifischen Aspekt der Digitalisierung. Beide – Digitalisierung und Künstliche Intelligenz – gehen mit unterschiedlichen Facetten gesellschaftlichen Wandels einher, die in ihrer orts- und regionalspezifischen Einbettung zu untersuchen sind. Dabei ist es unabdingbar, sowohl die gesellschaftlichen als auch die technischen Innovationen aufeinander zu beziehen und diese in ihren Wechselwirkungen als eine sozio-technische Dynamik aufzufassen.
Auf Grundlage eines umfassenden Literaturreviews wird ein Überblick über die aktuellen technischen Anwendungen bei der Künstlichen Intelligenz und der Digitalisierung gegeben (Maschinenlernen, Robotics, Deep Learning, Data Mining, Blockchain, etc). In den verschiedenen Siedlungsräumen in Rheinland-Pfalz kommen – teilweise in transdisziplinären Forschungsprojekten – die neuen digitalen Möglichkeiten bereits zum Einsatz, z.B. im Projekt Digitale Dörfer, in der Chemieindustrie oder bei Versuchen für autonomes Fahren. Anwendungsfelder in unterschiedlichen Lebensbereichen werden für die verschiedenen Regionen in Rheinland-Pfalz aufgezeigt. Das Verschmelzen von virtuellem und realem Raum sowie die Normalisierung digitaler Lebensstile führt auch zu wachsenden Erwartungen an die Digitalität von Verwaltung und Politik. Vorteile von KI in der Verwaltung können erleichterte Kontakte zu Bürgern, schnellere interne Kommunikationswege, eine Prozessoptimierung und die Vernetzung der Abteilungen und Ressorts sein.
Die Autorinnen und Autoren der TU Kaiserslautern, Fachgebiet Stadtsoziologie, des Deut-schen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz DFKI und des Fraunhofer-Instituts für Experimentelles Software-Engineering IESE erarbeiteten in einem Expertenworkshop verschiedene Szenarien zur Darstellung der zukünftigen Lebenssituationen kommunaler Gemeinschaften unter der An- und Verwendung von Digitalisierungstechnologien und KI im Jahr 2050. Die Chancen und Risiken für die unterschiedlichen Regionen und Lebens-bereiche in Rheinland-Pfalz wurden in zwei extremen Varianten skizziert und einander gegenübergestellt. Während der Dystopie-Zustand eine Zukunft zeichnet, in der die Märkte von wenigen Global-Playern mit enormer Datenhoheit und aggressiven Geschäftsmodellen dominiert wer-den, zeigt der Utopie-Zustand eine von Teilhabe und Mitbestimmung geprägte, digitale Zukunft: Die digitale Transformation wird durch Politik und Gesellschaft gleichermaßen gesteuert, Bürger haben volle Datenhoheit und bestimmen individuell und situationsspezifisch, wann und welche Daten sie veröffentlichen möchten. Neue Möglichkeiten der Arbeitsgestaltung und neue Mobilitätsformen haben zu einer Flexibilisierung und Attraktivitätssteigerung hinsichtlich des Lebens und Arbeitens auf dem Land beigetragen. Ethische Grundprinzipien, gesellschaftliche, wirtschaftliche und politische Anforderungen werden somit mit den technologischen Potenzialen optimal in Einklang gebracht.
Wie diese Stellungnahme anhand der entworfenen Utopie und Dystopie illustriert, ist die technische Entwicklung von gesellschaftlicher Steuerung und Regulierung abhängig. Vor diesem Hintergrund erfordert die digitale Transformation Gestaltungswillen, spezifische Kenntnisse und auch Regulierung. Bei Letzterem gilt es, sowohl die Daten als Rohmaterial für KI, die (digitale und KI-) Technologien selbst – ihre Entwicklung und Verwendung – sowie daraus resultierende Informationen bzw. Wissen zu unterscheiden. Die Empfehlung aus dem Gutachten lautet daher, Informationen über Potenziale und Risiken transparent zugänglich und bekannt zu machen, die Bevölkerung aktiv einzubinden und eine strukturierte Förderung zu leisten, um Insellösungen zu überwinden und stattdessen Standards und offene Infrastrukturen zu schaffen. Es besteht die Gefahr, dass sich beim Einführungsprozess nicht-legitimierte, von Spezialisten und der Privatwirtschaft dominierte Strukturen (Meta-Governance) etablieren.
Insgesamt gilt beim Prozess der digitalen Transformation, dass Lösungen aus der vor-digitalen Ära nicht einfach auf heutige und zukünftige Probleme angewendet werden können. Ferner ist die Diversität der Situationen vor Ort bei der digitalen Transformation zu berücksichtigen. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund des ländlich geprägten Rhein-land-Pfalz von Bedeutung.
Die örtlichen Verwaltungen unterliegen der digitalen Transformation ebenso wie andere Systeme und Lebensbereiche, sie sind in unterschiedlichem Maße in der Lage, die Chancen für lokale und regionale Interessen zu nutzen und ihre Interessen durchzusetzen. Kommunen und Landkreise benötigen Unterstützung, damit sie von anderen, z.B. Leuchtturm-Projekten, lernen und beraten werden können. Ein Gegenstromprinzip von zivilgesellschaftlichen bzw. lokalen Bottom-up-Prozessen und Top-down- Unterstützung durch das Land erscheint zielführend (z.B. im Tourismus).
Bei der Bevölkerung sind bezogen auf KI und Digitalisierung aktuell gegensätzliche Tendenzen zu verzeichnen: Einerseits nehmen die Erwartungen an eine digitalisierte und moderne Verwaltung zu. Andererseits stoßen insbesondere als komplexer wahrgenommene Aspekte wie KI auf Vorbehalte. Bei einem verantwortungsvollen Umgang kann KI ihr Potenzial entfalten, indem die Algorithmen und eingeführte Technologien hinsichtlich der Gesetzeslage sowie ethischer und moralischer Überlegungen überwacht und gesteuert wer-den. Ein verantwortungsvoller Umgang mit Daten basiert auf aufgeklärten Entscheidern, informierten Bürgern und der Unterstützung von „bürgerschützenden Regeln”, die Miss-brauch grundsätzlich erschweren und Verstöße ahnden.
Langfristige Aussagen über die konkrete Entwicklung und Auswirkung von KI und Digitalisierung lassen sich nicht treffen aufgrund der Geschwindigkeit und Sprunghaftigkeit der Entwicklungen. In Bildung und Wissenschaft sollten im Bereich von KI die Interdisziplinarität gestärkt, nachhaltige und langfristige Strukturen geschaffen werden, um die digitale Transformation begleitend und aktivierend zu erforschen.
Adjustment Effects of Maximum Intensity Tolerance During Whole-Body Electromyostimulation Training
(2019)
Intensity regulation during whole-body electromyostimulation (WB-EMS) training is mostly controlled by subjective scales such as CR-10 Borg scale. To determine objective training intensities derived from a maximum as it is used in conventional strength training using the one-repetition-maximum (1-RM), a comparable maximum in WB-EMS is necessary. Therefore, the aim of this study was to examine, if there is an individual maximum intensity tolerance plateau after multiple consecutive EMS application sessions. A total of 52 subjects (24.1 ± 3.2 years; 76.8 ± 11.1 kg; 1.77 ± 0.09 m) participated in the longitudinal, observational study (38 males, 14 females). Each participant carried out four consecutive maximal EMS applications (T1–T4) separated by 1 week. All muscle groups were stimulated successively until their individual maximum and combined to a whole-body stimulation index to carry out a possible statement for the development of the maximum intensity tolerance of the whole body. There was a significant main effect between the measurement times for all participants (p < 0.001; ????2 = 0.39) as well as gender specific for males (p = 0.001; ????2 = 0.18) and females (p < 0.001; ????2 = 0.57). There were no interaction effects of gender × measurement time (p = 0.394). The maximum intensity tolerance increased significantly from T1 to T2 (p = 0.001) and T2 to T3 (p < 0.001). There was no significant difference between T3 and T4 (p = 1.0). These results indicate that there is an adjustment of the individual maximum intensity tolerance to a WB-EMS training after three consecutive tests. Therefore, there is a need of several habituation units comparable to the identification of the individual 1-RM in conventional strength training. Further research should focus on an objective intensity-specific regulation of the WB-EMS based on the individual maximum intensity tolerance to characterize different training areas and therefore generate specific adaptations to a WB-EMS training compared to conventional strength training methods.