Research projects funded by the DFG
Current projects
2020 bis 2030
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) // Land Sachsen-Anhalt
Programm Forschungsgroßgeräte - Zellsorter INST 272/284-1 FUGG
Verschiedene Zelltypen in einem Organismus und sogar individuelle Zellen mit identischen Funktionen innerhalb eines Organs unterscheiden sich sowohl qualitativ als auch quantitativ in Bezug auf epigenetische Modifikationen, Transkriptom, Proteom und posttranslationale Modifikationen. Diese Heterogenität tritt auch in klonalen Zelllinien auf. Bis heute ist unser Wissen über die Vor- und Nachteile der zellulären Heterogenität für die Robustheit und Plastizität biologischer Systeme noch begrenzt. Ein besseres Verständnis der Gründe und Folgen der zellulären Heterogenität wird uns helfen, die potenziell pathologischen Konsequenzen einer verstärkten oder reduzierten Heterogenität zu verstehen. Neben der inhärenten Heterogenität eukaryontischer Zellen sind genetische Manipulationen dieser Zellen, mit Methoden wie z.B. CRISPR/Cas9, eine weitere Quelle für Heterogenität zwischen Zellen. Diese artifizielle Heterogenität kann das Ergebnis von Experimenten beeinflussen und somit den Wissensgewinn reduzieren. Um dies zu vermeiden, ist die Isolation von definierten Zelltypen, individuellen Zellen oder sogar einzelnen Zellkernen aus primären Geweben, in vitro, Organmodellen oder (genetisch modifizierten) Zelllinien in der molekularbiologischen und biomedizinischen Forschung unvermeidbar. Diese ermöglich 1.) die Konsequenzen und Gründe der inhärenten Heterogenität in physiologischen und pathophysiologischen Prozessen zu verstehen und 2) experimentelle Artefakte durch klonale Effekte zu reduzieren. Zellsorter ermöglichen, basierend auf fluoreszierenden Markern, Zellpopulationen und einzelne Zellen zu isolieren. Die so isolierten Zellen können entweder weiter kultiviert, oder direkt analysiert werden.
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) // Land Sachsen-Anhalt
DFG-Forschungsgroßgerät: Bearbeitungsstation zum elektrochemischen Präzisionsabtragen
Aufgrund des breiten Anwendungsspektrums des EC-Abtragens in Automotive, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik sowie Werkzeug- und Formenbau umfasst die Bearbeitungsstation zum EC-Präzisionsabtragen eine notwendige Ausstattung mit Zusatzkomponenten, die die Erforschung grundlegender Fragestellungen bis hin zur angewandten Forschung entlang der Wertschöpfungskette von Produkten ermöglicht. Das EC-Präzisionsabtragen basiert auf dem Abtragen von metallischen Werkstoffen mit gepulstem Gleichstrom und oszillierender Kathode. Insbesondere durch die verfahrensbedingten Vorteile, wie schädigungsfreie Oberflächen, hohe Oberflächengüte und gratfreie Bearbeitung, steht das EC-Präzisionsabtragen im Fokus für hochbeanspruchte Bauteile sowie Präzisionsbauteile deren Oberflächen nicht durch das Fertigungsverfahren beeinflusst werden dürfen. Neben der Erforschung des grundlegenden werkstoffspezifischen Abtragmechanismus des EC-Präzisionsabtragens werden ressourceneffiziente EC-Technologien, Prozessbeherrschung des EC-Präzisionsabtragens durch Simulation sowie Schnittstellen und Datenketten für digitale Zwillinge von EC-Präzisionsabtragprozessen Forschungsschwerpunkte am Lehrstuhl für Fertigungstechnik mit Schwerpunkt Trennen sein., Dieses Gerät wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit Projektnummer 467011871.
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) // Land Sachsen-Anhalt
DFG-Forschungsgroßgerät: Bearbeitungsstation zur Präzisionsfunkenerosion
Die Präzisionsfunkenerosion ist ein abtragendes Verfahren der Präzisions- und Mikrofertigungstechnik, welches zur Herstellung von Werkzeugen und Maschinenelementen mit höchsten Präzisionsanforderungen eingesetzt wird. Insbesondere durch die verfahrensbedingten Vorteile, wie Bearbeitung unabhängig von den mechanischen Werkstückeigenschaften und Gratfreiheit, steht Präzisionsfunkenerosion im Fokus für hochbeanspruchte Bauteile sowie Produkte aus hochfesten Materialien. Unter Verwendung des beantragten Geräts können die Verfahrensvarianten funkenerosives Präzisionssenken, funkenerosives Präzisionsbohren und funkenerosives Präzisionsfräsen erforscht werden. Dadurch sind neben mikrofertigungstechnischen Fragestellungen im oberflächennahen Bereich auch Forschungsarbeiten im makroskopischen Bauteilbereich zu den Schwerpunkten präzise Formgebung, ressourceneffiziente Produktion und funktionelle Oberflächen realisierbar. Durch das beantragte Gerät werden Bauteile mit Bearbeitungsflächen bis zu einer Größenordnung von rund 600 cm² adressiert, welche durch einen notwendigen Pulsstrom von bis zu 80 A bearbeitet werden können. Neben der Erforschung des grundlegenden Prozessverständnisses der Präzisionsfunkenerosion werden ressourceneffiziente Technologien, Prozessbeherrschung der Präzisionsfunkenerosion durch Simulation sowie Schnittstellen und Datenketten für digitale Zwillinge der Präzisionsfunkenerosion Forschungsschwerpunkte am Lehrstuhl für Fertigungstechnik mit Schwerpunkt Trennen sein., Dieses Gerät wird gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit Projektnummer 509924008.
2020 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) // Land Sachsen-Anhalt
Planning, Navigation and Monitoring Device for CT-guided Interventions (Großgeräteantrag)
In this project within the framework of the DFG major research instrumentation programme, a planning/navigation device is to be interfaced with a computer tomograph so that it can act as a central information system. In addition, algorithms are to be developed to facilitate CT-supported interventions in cooperation with several research groups on the STIMULATE research campus. These include, for example, new deep-learning-based segmentation procedures and path optimization algorithms to support multi-applicator planning or new CT image reconstruction procedures to reduce artifacts while saving radiation dose.
2024 bis 2028
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Modeling the effect of authenticity and perceived complexity on situational interest, interest in scientific activities, and cognitive learning outcomes in the context of magnetic elastomers
This project investigates the influence of authenticity on interest in the context of magnetic elastomers, considering the interaction between objective complexity and subjectively perceived cognitive load. Authenticity, defined as the degree of realistic representation of contexts, has been recognized as a crucial factor in promoting interest. However, the mechanisms through which authenticity affects interest, particularly considering the role of complexity and cognitive load, are still insufficiently explored., To address this research gap, an expanded theoretical framework is developed, integrating existing models of interest, cognitive load theory, and authenticity. This framework guides the design of empirical studies that examine the causal relationships between authenticity, complexity, interest, and cognitive learning outcomes. The focus is on using original visualizations to communicate the results from the involved research groups., The mixed-methods approach includes quantitative surveys using questionnaires and eye-tracking procedures, as well as qualitative interviews. Participants will be recruited from high school and engage in scientific activities involving magnetic elastomers at OVGU Magdeburg and TU Dresden. Eye-tracking data from a smaller sample will be collected to examine the cognitive processing and complexity of the learning materials. Statistical analyses of pupil size and saccades provide insights into cognitive load and information processing during learning., Data analysis will involve statistical modeling techniques such as structural equation modeling, hierarchical regression, and analysis of eye-tracking data. This allows for investigating the complex interactions between authenticity, complexity, interest, and cognitive processing, with eye-tracking data supporting the perception of complexity. Qualitative interview data will be thematically analyzed to provide a deeper understanding of underlying processes and mechanisms., The expected outcomes of this project include a refined understanding of how authenticity influences interest, considering complexity and subjectively perceived cognitive load. The results contribute to the development of evidence-based strategies for designing authentic learning environments that promote interest, optimize cognitive processing, and improve cognitive learning outcomes. Additionally, the empirical findings provide a foundation for future research in the field of situated learning and instructional design.
2020 bis 2028
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Contact heat transfer and heat conduction in packed beds of edged particles
A central parameter of thermal DEM is the particle-particle heat transfer coefficient during binary contacts. Contact heat transfer is important for thermochemical processes in particle systems, but, commonly calculated by simplified models, the validity of which is questionable even in case of equally sized spheres. Any reliable background is missing in case of polyhedral particles, despite of many applications in practice. The project aims at a new and more reliable way of predicting the heat transferred when particles come for a certain period of time in contact with each other from effective packed bed thermal conductivity. Therefore, effective packed bed thermal conductivity investigated by experiments and simulations for a wide range of different polyhedral particles. On this basis new correlations for the prediction of effective thermal conductivity for arbitrary materials that consist of polyhedron-like particles are developed. The transition to particle-particle heat transfer coeffiecients is calibrated by experiments in a small rotary drum. Binary mixtures of particles that differ in size, shape, or conductivity are also considered. Packed bed porosity and the relative area of flat interparticle contacts is derived from X-ray µ-CT imaging results. Interstitial packed bed morphology, including pore size variability, is considered.
2024 bis 2028
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Experimental investigation of flow fields in the interstices of bulk particles using optical measurement techniques
The flow behaviour of the gas phase in a packed bed has important effects on mass and energy transport processes that are taking place in the bed. It is hence also a central parameter for process optimisation of such systems. Currently, however, only very limited data on the gas flow in packed beds exists, since the access to the particle interstices is very challenging with both probe-based and optical measurement methods. Furthermore, the existing results were typically obtained using refractive index matching, and are hence limited to liquids. For gaseous flows, mainly conclusions obtained using similarity theory are available, which limits the potential range of application., In the first funding period of this project, we extended optical particle image velocimetry (PIV) of the velocity fields in the gas phase within packed beds by ray tracing reconstructions. For this, we used beds consisting of transparent bulk material so that the velocity field determination can be aided with a numerical simulation of light propagation through the bed. The simulation was performed with ray tracing, and the resulting information was used to correct the raw PIV particle images of the flow. This technique then allowed for the direct measurement of velocity fields in the gas phase of transparent packed beds., The main emphasis in the second funding period will be on extending the optical measurements to other quantities, such as temperature and dispersion. Also a new experimental configuration will be used that consists of parallel transparent bars arranged in rotatable layers modelling a polyhedral packing. It will be far less regular than the reference configuration of FP1, while still providing direct optical access without considerable optical distortion, ., Simultaneous measurements of gas temperature and velocity will be performed using thermographic phosphor particles. Further, laser induced fluorescence (LIF) of Anisole will be used for the determination of gas dispersion in the packed bed. The multi-camera set-up from FP1 will be further extended to a matrix arrangement of the cameras for the acquisition of three dimensional three component (3D3C) velocity and simultaneous temperature fields in the interstices of the new reference configuration. A systematic evaluation of refractive index matching for the use in complex, also moving transparent packed beds will be done on the basis of dimensional analysis to compare results from liquid and gaseous flows. These results will be of particular interest for FP3 when moving beds will be considered., After the development of the aforementioned measurement methods, the proposed approach will enable an effective determination of concentration/dispersion, temperature and gas flow velocities in the packed bed. A wide range of parameters, such as packing density, packing size, inflow type and direction can be explored in this way. The measured data will then be used in other projects, e.g. to validate numerical calculations or for model development, especially concerning dispersion and heat transfer. Furthermore, the data provided is spatially and temporally highly resolved, allowing for the derivation of turbulence quantities for further processing and use in the partner projects.
2024 bis 2028
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
FOR 5599: Vom Herstellungsprozess strukturierter magnetischer Elastomere zum makroskopischen Materialverhalten
Koordinationsfonds, Projektbeschreibung siehe GEPRIS (, https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/535421963, ):, "Magnetische Gele und Elastomere bestehen aus magnetischen kolloidalen Partikeln, die in ein weiches, elastisches Trägermedium eingebettet sind. Die vielversprechenden Eigenschaften dieser Materialien umfassen insbesondere magnetorheologische Effekte, also Änderungen mechanischer Eigenschaften in äußeren Magnetfeldern, und Magnetostriktion, also durch Magnetfelder induzierte Deformationen. In zahlreichen experimentellen und theoretischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die innere Strukturierung, gegeben durch die Anordnung der magnetischen Partikel im elastischen Trägermedium, diese Effekte wesentlich beeinflusst. Um diesen erfolgversprechenden Materialien einen Weg in Anwendungen zu ebnen, sind mehrere Schritte notwendig. Das innere Strukturieren bei der Herstellung magnetischer Elastomere erfolgt bislang vor allem mit Hilfe äußerer Magnetfelder. Wir müssen die dabei ablaufenden Prozesse der Strukturbildung auf der partikulären Ebene verstehen und quantifizieren. Darauf aufbauend untersuchen wir, wie sich die Strukturbildung durch geeignete Prozessführung beeinflussen und steuern lässt. Gleichzeitig ist es notwendig, quantitativ die Verknüpfungen zwischen den erhaltenen partikulären Strukturen und makroskopischem Materialverhalten herauszuarbeiten. Auf dieser Basis lassen sich umgekehrt Strukturen identifizieren, welche die gewünschten makroskopischen Eigenschaften maximieren. Dadurch wird das tatsächliche Potential der Materialien aufgezeigt. Wir überprüfen, ob entsprechende Strukturelemente bereits in realen Proben enthalten sind. Mittel- bis langfristig werden neue Methoden entwickelt, um optimierte Systeme gewünschten Materialverhaltens herzustellen. Damit die faszinierenden Eigenschaften magnetischer Elastomere am Ende für praktische Zwecke aufgegriffen werden, vermitteln wir sie noch stärker einer breiteren Öffentlichkeit. Eine wesentliche Zielgruppe stellen Schüler*innen und Lehrkräfte dar. Wir planen daher einerseits fachdidaktische Untersuchungen, inklusive der Entwicklung und Evaluation entsprechender Lehr-Lern-Materialien für den Schulunterricht. Andererseits führen wir zahlreiche fachdidaktisch begleitete Outreach-Aktivitäten durch. Auf diesem Weg wollen wir die Öffentlichkeit für die aktuelle Forschung und insbesondere Schüler*innen für ein Studium im ingenieur- und naturwissenschaftlichen Bereich begeistern. Zur Bearbeitung des interdisziplinären Projekts kombinieren wir zahlreiche komplementäre Herangehensweisen, zum Beispiel experimentelle Untersuchungen auf unterschiedlichen Längenskalen, dynamische partikelaufgelöste Simulationen, skalenübergreifende Simulationen, Strukturanalysen, unterschiedliche Visualisierungsverfahren, fachdidaktische Untersuchungen und Outreach-Aktivitäten. Breite Expertise und vielfältige erfolgreiche Vorarbeiten in diesen Bereichen haben wir vorzuweisen. Daher ist es uns ein großes Anliegen, die Erforschung und Verbreitung dieser faszinierenden Materialien weiter voranzubringen.", (DFG-Verfahren Forschungsgruppen)
2024 bis 2028
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Magnetisch induzierte Teilchendynamik und partikuläre Strukturbildung in viskosen und viskoelastischen Medien – theoretisch-numerische Untersuchungen
Projektbeschreibung siehe GEPRIS (, https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/535543971, ):, "Magnetische Gele und Elastomere bestehen aus magnetischen oder magnetisierbaren kolloidalen Partikeln, die in ein weiches, elastisches, polymeres Medium eingebettet sind. Die faszinierenden Eigenschaften dieser Materialien umfassen zum Beispiel eine mechanische Steifigkeit, welche sich durch äußere Magnetfelder signifikant und deutlich verändern lässt, und magnetisch induzierte, aktorische Deformationen. Solche Charakteristika hängen stark von der räumlichen Anordnung der Partikel ab, welche durch das umschließende elastische Medium dauerhaft fixiert bleibt. Hierbei können anisotrope Elemente wie kettenförmige Partikelaggregate entstehen, wenn bei der Materialherstellung starke externe Magnetfelder angelegt werden. Wir wollen die Dynamik solcher Prozesse der Strukturbildung aus Partikeln bei der Herstellung untersuchen und verstehen. Dabei kommt es zum Zusammenspiel anisotroper magnetischer und hydrodynamischer Wechselwirkungen zwischen den Partikeln. Durch ihre Verschiebung setzen einzelne Teilchen das umgebende Medium in Bewegung und beeinflussen damit die Konfiguration der anderen Partikel. Insbesondere wollen wir auch die Auswirkungen von viskoelastischen Eigenschaften des Mediums auf diese Partikeldynamik analysieren. Der Übergang von einem ursprünglich viskoelastisch-flüssigen hin zu einem elastischen Medium wird abgebildet. Zusätzlich zu untersuchende Parameter sind die Partikelkonzentration, Magnetfeldstärke, Partikelform sowie Partikelpolydispersität in Form und Größe. Das Vorhaben erfordert die Implementierung einer numerischen Methode, welche die diskrete Partikelbewegung an die Dynamik des umgebenden viskoelastischen Mediums koppelt und eine gegenseitige Annährung der Teilchen bis quasi auf Kontakt erlaubt. Wir verfolgen einen engen Austausch mit den anderen Gruppen der Forschungsgruppe, die entsprechende partikel- und zeitaufgelöste experimentelle Messungen durchführen, entsprechende makroskopische Materialien herstellen und analysieren, skalenüberbrückende Simulationsmethoden entwickeln sowie Lehr-Lern-Möglichkeiten zur Vermittlung unserer Inhalte im schulischen Kontext fachdidaktisch untersuchen. Das gemeinsame Ziel ist es, Verfahren zur Erzeugung möglichst vorteilhafter Strukturen von Partikeln zu erarbeiten, welche zu optimierten makroskopischen Materialeigenschaften führen, und unsere Inhalte auch einer breiten Öffentlichkeit im Rahmen von Outreach-Aktivitäten näherzubringen. Daneben besitzt das hier motivierte Teilprojekt noch deutlich allgemeinere Relevanz. Es betrifft generell die kollektive Dynamik diskreter Partikel in viskoelastischen Umgebungen. Ein aktuelles Beispiel, welches derzeit große Aufmerksamkeit auf sich zieht, stellt die Bewegung aktiver Mikroschwimmer dar. Deren Dynamik kann sich bereits für einzelne Objekte durch die Viskoelastizität eines umgebenden Mediums qualitativ verändern.", (DFG-Verfahren Forschungsgruppen)
2023 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Research Training Group RTG 2413 SynAGE: “The Ageing Synapse: Molecular, Cellular and Behavioural Underpinnings of Cognitive Decline”
The RTG2413 SynAGE is designed to provide doctoral researchers with training in cross-disciplinary approaches in the analysis of CNS function and state-of-the-art methodology that allows to address ageing-related changes at the level of protein synthesis, synaptic signals, and neural networks. Our innovative approach focusses on clarifying the mechanisms underlying “healthy” synaptic ageing and aim at scrutinizing endogenous mechanisms for maintaining synaptic functions as targets of intervention.
2022 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
GRK 2413/2 SynAGE TP E2 - "Cholinergic mechanisms underlying novelty detection and novelty responding - key for maintaining emotional and cognitive health in aging"
Compelling evidence suggests that acetylene choline is an important modulator of synaptic plasticity in cerebral cortex and hippocampus. Normal ageing is accompanied by a gradual loss of cholinergic function involving structural and functional alterations at the dendritic, synaptic and axonal level. Such hypofunction of the cholinergic system in the absence of overt neurodegeneration has been associated with age-related functional decline in the brain including ageing-associated cognitive impairments.Muscarinic M1 receptors (M1R), which are spared from ageing-induced loss of expression in hippocampal and neocortical regions, can be considered a target of choice for treatments alleviating cognitive decline. Based on our previous work we hypothesise that M1R critically control DG circuits mediating novelty detection. Maintaining cholinergic functionality function in these circuits via M1R may be a key to improve cognitive flexibility, memory and emotional state during ageing. Therefore, we will examine the M1R-dependent functional changes in dentate gyrus / CA3 local circuits during ageing and their effects on novelty detection and cognitive flexibility. In the first PhD project, we will investigate the specific role of M1R in the local circuitry of the dentate gyrus using viral intervention and engram labelling tools. The second PhD project will focus on network activity patterns underlying pattern completion, novelty responding and working memory in ageing mice. We will cooperate with our partners in this squad by investigating the role of the calcium binding protein calneuron in M1R mediated functions and potency of their pharmacological modulation in recovering novelty detection and cognitive functionality during ageing.
2023 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
RTG 2414/2 TPA2 "Mechanotransduction and the ageing synapse"
The accumulation of extracellular matrix molecules in the brain during aging leads to altered gene expression and proteostasis and thus to disruption of synaptic functions and synaptic plasticity in particular. We postulate that by modulating the mechanotransduction signaling pathways involved in these processes, age-induced loss of function in the brain can be counteracted, and that the endogenous compensatory mechanisms investigated in this project can be used to develop new pharmacological treatment strategies., Specifically, we will test the hypothesis that the protective effect of switching off Ndr2, Kinase in the aging brain, as observed in the first funding period of our RTG, is associated with such altered mechanotransduction. To this end, we will determine changes in the expression of synaptic proteins in the hippocampus of young and old Ndr2 mutant mice and the effect of targeted viral and/or pharmacological manipulation of the mechanotransduction pathways on synapse density, on synaptic transmission and plasticity, and on hippocampus-dependent learning , as well as investigate the cellular processes involved in these effects.
2023 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
RTG 2413: The aging synapse
Our Research Training Group 2413 is an innovate research program funded by the DFG. We - 13 PhD students and their PIs - are dealing with the idea that cognitive decline in normal aging results from synaptic dysbalances. Hence, we are highly motivated to shed more light on altered synaptic proteostasis, dysfunctions of the immune system, altered functionality of the multipart synapse and changes in neuromodulation.
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
GRK 2413: The aging synapse
Our Research Training Group 2413 is an innovate research program funded by the DFG. We - 13 PhD students and their PIs - are dealing with the idea that cognitive decline in normal aging results from synaptic dysbalances. Hence, we are highly motivated to shed more light, on altered synaptic proteostasis, dysfunctions of the immune system, altered functionality of the multipart synapse and changes in neuromodulation.
2023 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Selection, design and application of novel biocatalytic reactive crystallization concepts for the preparation of chiral beta-amino alcohols and alpha-amino acids
This it the sub project of the DFG research unit 5538 (Multistep Catalytic Production Systems for Fine Chemistry by Integrated Molecular, Material and Process Design (IMPD4Cat)), The primary goal of this subproject is to develop an efficient combination of biocatalytic reactions and selective crystallization procedures for the synthesis of chiral beta-amino alcohols and alpha amino, acids on a preparative scale. The project builds on the investigation of the fundamental physicochemical properties of the target compounds, which are to be isolated directly from aqueous reaction solutions. In parallel, the decision on the selection and use of suitable biocatalysts or their corresponding preparations is relevant for the selection of the integrated reaction route, since the corresponding reaction conditions have an influence on the solubilities of the target compounds. For amino acids, direct crystallization under the selected crystallization conditions is preferred, whereas suitable, crystallization agents are required for amino alcohols to crystallize these often hydrophilic products in the form of a salt. Process control will be supported by the integration of suitable concepts for process, analytical technology (PAT) including automated liquid chromatographic methods for real-time monitoring, control and optimization of the integrated biocatalysis-crystallization process. In, the combination of all the processes described above, the process is to be optimized and scaled up to preparative scale in the sense of a pilot plant.
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Exploiting GaN Devices for Drive Inverters and Drive Inverters for GaN Devices (DriveForGaN)
The project pursues a holistic design approach to make use of packaged Galliumnitride (GaN) power devices in drive converter systems. The aim is to show under which boundary conditions the use of GaN power semiconductors in drive inverters is possible and to assess which prospects would result out of it. Electric drives are a high-volume application that has not yet been able to benefit from GaN and its advantageous properties such as low losses contributing to increased efficiency., Major research questions concern the evaluation of the effect of GaN devices on system behaviour, the evaluation of required measures and methods to use GaN devices in such drive converters, in particular with reference to control and protection of the devices in the converter legs, circuit and control of the power section and the machine interface respectively. These topics obviously interact with each other and should be considered with the proposed holistic approach, comprising theoretical and simulative investigations as well as an experimental validation.
2021 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Bile acid receptors and their role for maladaptive processes in cholangiocytes and biliary diseases
Biliary tract cancer, also known as cholangiocarcinoma (CCA9, accounts for about 2% of all malignancies, but incidences of intrahepatic CCA are rising and prognosis of CCA is dismal with surgical resection or liver transplantation as only curative treatment options. Chronic inflammation of the bile ducts and surrounding portal fields are a hallmark of CCA pathogenesis. Chronic diseases of the intra- and extrahepatic bile ducts, such as primary biliary cholangitis (PBC) and primary sclerosing cholangitis (PSC) predispose to CCA development. Bile acids (BAs) play a fundamental role in both liver damage and regeneration. BA effects are mediated through different receptor molecules, comprising nuclear BA receptors (BARs) and G protein-coupled receptors (GPCRs), such as the Takeda G protein-coupled receptor-5 (TGR5, GPBAR1) or the sphingosine 1-phosphate receptor-2 (S1PR2). While secondary BAs have been shown to impair epithelial barrier function in different epithelial cells through disruption of tight junction integrity, BARs such as TGR5 can protect epithelial cells at the interface with bile through increased bicarbonate secretion and phosphorylation and stabilization of tight junction and adhesional molecules., TGR5 is expressed in biliary epithelial cells (BECs, cholangiocytes) throughout the biliary tree including the extrahepatic duct as well as the gallbladder both in humans and rodents. TGR5 is localized both in the apical membrane and in the primary cilium which represent the interface of BECs with bile. Previously, we identified an essential role of TGR5 and TGR5-dependent signaling for BA-induced BEC proliferation. Besides proliferation, TGR5 protects BECs from BA toxicity and preserves integrity of the epithelial barrier. The mechanisms contributing to this protective effect comprise anti-apoptotic signaling, strengthening of tight junction integrity and increased chloride and bicarbonate secretion. The latter contributes to the formation of the so-called „bicarbonate umbrella”, which shields the biliary epithelial barrier from the detergent activity of biliary BAs. Absence of TGR5 in mice was associated with a maladaptation to injury resulting in aggravated biliary injury, reduced compensatory biliary proliferation, increased portal pressure, rapid development of liver fibrosis. In line with these findings, we observed a disease and cell-type specific downregulation of TGR5 in BECs from patients with PSC, a rare cholestatic liver disease characterized by chronic inflammation and progressive fibrosis of the intra- and extrahepatic bile ducts. Mice lacking the hepatocyte phospholipid floppase Abcb4 recapitulate the progressive fibrosing cholangitis aspect of human PSC and also develop intrahepatic malignancy. We recently described that reduction of TGR5 in BECs of Abcb4, -/-, mice triggers development of the inflammatory, reactive BEC phenotype typical for sclerosing cholangitis as demonstrated by single-cell RNA-sequencing. In contrast, overexpression of TGR5 abolished the reactive BEC phenotype, which could also be achieved by norUDCA feeding. The latter was associated with normalization of TGR5 expression in BECs of Abcb4, -/-, mice. We thus identified a hitherto unknown mode of action of norUDCA, which is currently tested in a phase III clinical trial for PSC. In addition to TGR5, BECs and immune cells also express S1PR2. While liver injury was aggravated in TGR5, -/-, , knockdown of S1PR2 ameliorated liver damage. The extent to which the functions of these two BARs overlap and in which aspects their role differs in BECs is yet unclear. Moreover, the interplay of TGR5 and S1PR2 in different liver cells during cholestasis is incompletely understood. Both TGR5 and S1PR2 are druggable targets with a variety of potential applications in liver diseases. A better understanding of the regulation, function and interaction of TGR5 and S1PR2 in BECs and adjacent immune and matrix cells under physiological and biliary disease conditions is the central aim of the project. We hypothesize that both TGR5 and S1PR2 contribute to BEC barrier function and that maladaptation of the crosstalk and the mutual interdependence of these BARs in BECs and surrounding immune cells and myofibroblasts in response to injury results in biliary disease.
2021 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
GRK2408/TP12 - Th2 cell-dependent effects on the airway epithelial barrier during chronic asthma
Allergic asthma is characterized by chronic inflammation and airway remodeling, which involves epithelial barrier dysfunction, fibrosis, goblet cell hyperplasia/metaplasia, smooth muscle thickening and increased endothelial permeability (Lambrecht & Hammad, 2015). Repetitive chronic exposure to allergens such as from HDM mediates a dysregulation of the airway epithelia including alveolar type II cells (AECsII) (Heijink et al., 2020). This cumulates in Th2 cell activation and the amplification of asthmatic airway inflammation. However, how the intercellular communication between alveolar epithelial cells and Th2 cells contributes to the fixation of especially chronic asthmatic airway inflammation is still not fully understood. We hypothesize that in chronic asthma, metabolites provide a specific metabolic environment within the lung, which favors chronic inflammation and fixation of the disease by changing the epithelial barrier.
2021 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Hetero-aggregation of fluidized nanoparticles and solid-containing aerosol droplets
The project aims at mixing in fluidized bed very small particles (nanoparticles or submicron particles) of different composition to hetero-agglomerates, which may additionally be encapsulated or coated with the help of aerosol droplets that contain embedding solid material. In this way, binary or ternary particulate composites of extremely finely dispersed constituents are produced. Instead of conventional fluidization, special spouted bed equipment with adjustable air inlet is used for processing. High-velocity air inlet jets help to shift the dynamic equilibrium between aggregation and breakage towards smaller and stronger agglomerates in this kind of equipment. Regarding the characterization of agglomerates, new methods to reconstruct 3D agglomerate structure from 2D imaging data are developed. In this frame, the level of sub-agglomerate mixing can be identified and pushed towards individual nanoparticles by use of non-flame, i.e. not sintered, raw material. To describe the process, novel population balances and discrete models are used. Hetero-agglomerate conductivity (thermal, electrical) is measured and modelled.
2018 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Maladaptive processes across physiological barriers in chronic diseases
Graduiertenkollge 2408, Chronische Erkrankungen stellen eine zunehmende gesundheitspolitische Herausforderung dar. Zelluläre Maladaptationen und die fehlgeleitete Zell-Zellkommunikation an physiologischen Barrieren sind mechanistische Aspekte von zentraler Bedeutung bei chronischen Erkrankungen wie Atherosklerose oder chronische Erkrankungen der Niere, der Haut, oder des Gastrointestinaltrakts. Physiologische Grenzflächen werden durch hoch spezialisierte Zellen, z.B., Endothelzellen, oder, Epithelzellen, , definiert. Störungen in der Regulation und Funktion dieser Grenzflächen führen zu einem pathophysiologischen Mikromilieu, charakterisiert z.B. durch ein spezifisches Sekretom sowie der Aktivierung lokaler Zellen und/oder Rekrutierung von Entzündungszellen. Von besonderer Bedeutung bei chronischen Erkrankungen ist die, Perpetuierung, maladaptiver Prozesse, die auf, posttranslationalen Proteinmodifikationen, beruhen. Das Verständnis molekularer Veränderungen, die maladaptiven Krankheitsprozessen an physiologischen Grenzflächen zugrunde liegen, ist derzeit noch sehr limitiert. Innerhalb des, GRK’s, beabsichtigen wir Krankheit-auslösende maladaptive Prozesse an, endothelialen und epithelialen Grenzflächen, zu erforschen.
2018 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Maladaptive Prozesse an physiologischen Grenzflächen bei chronischen Erkrankungen. Projekt P2: Einfluss epigenetischer Genregulationsmechanismen auf die Pertubation intestinaler Entzündung und die Entstehung von Dysplasie
Akute Entzündungen sind in der Regel selbstlimitierend und nach ihrem Abklingen wird im zuvor entzündeten Bereich wieder der immunologische Grundzustand hergestellt. Unter bestimmten Bedingungen kann sich aus einer zunächst akuten jedoch eine chronische Entzündung etablieren, die sich dann weiter zur Dysplasie und im ungünstigsten Fall zu einer bösartigen Tumorerkrankung weiter entwickeln kann. In unserem Teilprojekt P2 innerhalb des GRK 2408 möchten wir der Hypothese nachgehen, dass sich entzündliche Veränderungen durch posttranslationale Histonmodifikationen im Genom intestinaler Epithelzellen dauerhaft manifestieren können und dass diese epigenetischen Veränderungen im Darmepithel an der Entstehung chronischer Darmerkrankungen und Darmkrebs mechanistisch beteiligt sind. Unsere Analysen basieren auf dem Einsatz moderner ChIP-Seq und RNA-Seq Analysen an primären intestinalen Epithelzellen aus gesunden Mäusen im Vergleich zu Mäusen mit akuter und chronischer Colitis sowie Mäusen mit Darmkrebs. Perspektivisch planen wir, unsere im Tiermodell gewonnenen Daten anhand von humanen Darmbiopsien zu überprüfen.
2023 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
"Mehrstufige katalytische Produktionssyysteme für die Feinchemie durch integriertes Design von Molekülen, Materialien und Prozessen (IMPD4Cat)"
Kooperationsprojekt in der Forschergruppe 5538 Mehrstufige katalytische Produktionssysteme für die Feinchemie durch integriertes Design von Molekülen, Materialien und Prozessen., Teilprojekt SP6, "Integriertes computergestütztes Molekül-, Material- und Prozessdesign für die mehrstufige katalytische Umwandlung von Olefinen in alpha-Aminosäuren und beta- Aminoalkohole
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Optimal Design for Thurstonian IRT Models
The main aim of the present project is the development of optimal designs for Thurstonian IRT modes in the case of metric, binary, or ordinal responses which provide a sufficiently good estimation of the trait scores. In addition, binary paired comparisons will be considered which are derived from ranking more than two alternatives. In the present situation, optimal designs are characterized by combinations of those values of item parameters, factor loadings and intercepts which optimize prior determined criteria, as correlation between estimated and true trait scores. In order to apply these models in the selection of personnel, only positive factor loadings are admitted. This condition is supported by simulation studies and requires the development of novel types of optimal designs. Beyond properties of optimal designs developed in the literature so far, three more requirements have to be particularly taken into account: (a) the specific form of the non-linearity, (b) the restriction of the design region, and © the constraint that alternatives have to load on mutually distinct factors, respectively. To implement the findings of the project in practical applications, a user-friendly program in R is to be developed using a shiny app.
2023 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Selbstlernende Regelung der katalytischen Umwandlung von Olefinen zu α-Aminosäuren und β-Aminoalkoholen
Dieses Vorhaben ist Teil der DFG-Forschergruppe FOR5538: Mehrstufige katalytische Produktionssysteme für die Feinchemie durch integriertes Design von Molekülen, Materialien und Prozessen (IMPD4Cat). Im Rahmen des vorliegenden Projektes sollen selbstlernende Regelsysteme für die Online-Optimierung der katalytischen Konversion von Olefinen zu α-Aminosäuren und β-Aminoalkoholen entwickelt werden., Als Prozessbeispiele sollen in der ersten Förderphase die enzymkatalysierte Reaktionen von α-Keto Carboxylsäuren zu α-Aminosäuren, insbesondere Homophenylalanin, und α-Hydroxyketonen zu β-Aminoalkoholen, insbesondere Homophenylalaninol, mit integrierter Produktkristallisation betrachtet werden. Anschließend sollen auch die Membrantrennprozesse zur Katalysator- und Lösungsmittelabtrennung untersucht werden., Dazu wird eine repetitive Online-Optimierung auf 'single batch' und/oder 'batch to batch' Ebene durchgeführt, wobei die Betriebsbedingungen mit Hilfe verfügbarer Messinformation und, sogenannten hybriden mathematischen Modellen zyklisch re-adjustiert werden. Die hybride Modellierung kombiniert dabei das physikalisch chemische Grundlagenwissen aus den anderen Teilprojekten mit datengetriebene Ansätzen des maschinellen Lernens. Wesentliche Arbeitsschritte umfassen: (i) die Entwicklung geeigneter hybrider Modelle für die betrachteten Prozessschritte, (ii) die Entwicklung geeignete Methoden für die Online-Adaption der entwickelten Modelle und (iii) effiziente Strategien für die Online-Optimierung, (iv) die Integration der genannten Methoden im Rahmen eines selbstlernenden Regelungskonzeptes, (v) systematische in silico Tests und (vi) schließlich die experimentelle Validierung in Kooperation mit den anderen Teilprojekten dieser Forschergruppe.
2023 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Basale Vorderhirn vermittelte Modulationen der Informationsverarbeitung in olfaktorischen kortikalen Arealen bei wachen Mäusen
Die sensorische Informationsaufnahme und -verarbeitung gehört zu den zentralen Aufgaben des Gehirns. Sensorische Informationen werden durch mehrere Gehirngebiete geleitet, die diese verarbeiten und massiv modulieren, um sie an die Bedürfnisse des Tieres anzupassen. Solche zustandsabhängigen Anpassungen können durch klassische neuromodulatorische Zentren wie dem basalen Vorderhirn oder dem Locus coeruleus vermittelt werden, die eine Vielzahl von unterschiedlichen Hirnarealen entlang der sensorischen Bahnen innervieren. Das basale Vorderhirn ist dabei ein besonders relevantes Zentrum, da es z.B. durch eine Verstärkung von relevanten Signalen oder der Schärfung von rezeptiven Feldern das Verhalten sowie kognitive Prozesse beeinflussen kann. Neuere Studien deuten darauf hin, dass zustandsabhängige Verhaltensanpassungen wahrscheinlich auf ein komplexes Zusammenspiel von Modulationsvorgängen auf kortikalen sowie subkortikalen Verarbeitungsebenen zurückzuführen sind. Im olfaktorischen System konzentrierte sich die neuromodulatorische Forschung bisher vor allem auf den Riechkolben (olfaktorischer Bulbus), der ersten zentralen Ebene der olfaktorischen Informationsverarbeitung. Modulationen auf der Ebene des olfaktorischen Kortex wurden bisher weitgehend ignoriert, nicht zuletzt aufgrund des Fehlens detaillierter Kenntnisse der anatomischen Verbindungen zwischen dem basalen Vorderhirn und dem olfaktorischen Kortex sowie der eingeschränkten Zugänglichkeit dieser tiefen Hirngebiete.In diesem Projekt planen wir den Einfluss des basalen Vorderhirns auf zwei primäre olfaktorische kortikale Areale, den vorderen olfaktorischen Kern (AON) und den vorderen piriformen Kortex (APC), detailliert zu untersuchen. Diese kortikalen olfaktorischen Areale scheinen von besonderer Bedeutung zu sein, da sie nicht nur direkte sensorische Eingänge sowie zentrifugale Projektionen von neuromodulatorischen Zentren erhalten, sondern auch zahlreiche Rückprojektionen zum OB senden. Zunächst werden wir die zentrifugalen Verbindungen des basalen Vorderhirns zum AON bzw. APC mithilfe eines dualen neuronalen Tracings im Hinblick auf folgende Fragestellungen untersuchen: Welche neuronalen Subtypen und Unterkerne des basalen Vorderhirns projizieren zu den jeweiligen olfaktorischen Kortex-Gebieten und gehören Neurone des basalen Vorderhirns, die zu AON und APC projizieren, zu separaten oder zu überlappenden Populationen? Zudem planen wir mit diesem Tracing-Ansatz, AON- oder APC-projizierende Neurone des basalen Vorderhirns selektiv mithilfe neuester optogenetischer Konstrukte spezifisch zu modulieren, und gleichzeitig neuronale Aktivität im olfaktorischen Kortex im anästhesierten sowie im wachen, sich verhaltenden Tier aufzuzeichnen. Eine weitere Reihe von Experimenten zielt schließlich darauf ab, die Auswirkungen einer spezifischen Aktivierung oder Hemmung von Fasern des basalen Vorderhirns in AON oder APC auf das olfaktorische Verhalten zu untersuchen.
2023 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Optimierung und Bereitstellung eines präzisen Geruchsapplikationsgerätes...
Die zuverlässige Präsentation von Gerüchen ist eine grosse Herausforderung für die olfaktorische neurowissenschaftliche Forschung. Oft ist die Reproduzierbarkeit von Düften zwischen unterschiedlichen Arbeitsgruppen, oder sogar innerhalb eines Labors, nicht gewährleistet. Eine präzise Stimuluskontrolle ist jedoch für die im Rahmen dieser Forschergruppe zu untersuchenden rekurrenten Eingänge unerlässlich, da nur so deren Modulationseffekte von primären sensorischen Signalen getrennt werden können. In Rahmen dieses Z-Projekts planen wir ein standardisiertes Geruchsapplikationsgerät (Olfaktometer) zu entwickeln, das sowohl in Nagetier- als auch in Insekten-Laboratorien der Forschungsgruppe eingesetzt werden kann. Der Aufbau des Gerätes wird auf einem vor kurzem von uns veröffentlichten Design eines zeitlich präzisen und modularen Olfaktometers basieren (Ackels et al. 2021). In diesem Projekt planen wir, die spezifischen Bedürfnisse aller teilnehmenden Labore im Hinblick auf ihre vorhandenen Versuchsaufbauten zu erfassen, um anschließend Olfaktometer-Hardware verbunden mit einer professionellen, standardisierten und versionskontrollierten Steuerungssoftware zu entwickeln. In der zweiten Hälfte des Förderzeitraums planen wir, allen teilnehmenden Laboratorien eine erste Generation dieses Olfaktometers zur Verfügung zu stellen. Durch die sorgfältige Entwicklung von Standardarbeitsanweisungen (SOPs) in Kooperation mit zwei ausgewählten Pilotlabors (welche über experimentelle Methoden verfügen, die eine hohe zeitliche Auflösung bieten; Nager: Rothermel, Insekt: Strube-Bloss) werden wir in einem interaktiven Prozess ein Höchstmaß an Verlässlichkeit und Nutzbarkeit des Olfaktometers innerhalb der gesamten Forschungsgruppe sicherstellen. Durch 2-4 wöchige Laborrotationen einzelner Studierender in den Z-Projektlaboren werden wir nicht nur eine kontinuierliche Soft- und Hardware-Unterstützung für das Olfaktometer sicherstellen, sondern das Z-Projekt wird auch als Ankerpunkt innerhalb der Forschungsgruppe fungieren und so ein schnelles und produktives Feedback für zukünftige Entwicklungen sicherstellen. Darüber hinaus werden wir nach der Entwicklung und erfolgreichen Einführung dieses modularen Olfaktometers das Design und die SOPs frei verfügbar machen und so die internationale Sichtbarkeit der Forschungsgruppe weiter erhöhen.
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
HELICAP (Health Literacy in Early Childhood Allergy Prevention) -Gesundheitskompetenz-orientierte Beratung zur frühkindlichen Allergieprävention durch Hebammen: partizipative Entwicklung einer Intervention (Gesundheitsprofessionelle)
Der Zeitraum um die Geburt eines Kindes bietet die Möglichkeit zur Verbesserung der elterlichen Gesundheitskompetenz (GK) durch Hebammen. Sie stehen im engen, kontinuierlichen Austausch mit Familien und bieten ihre einzigartige vor- und nachgeburtliche Betreuung und Beratung auch im häuslichen Umfeld an. Dabei tragen sie bereits zur Gesundheitsförderung bei. Allerdings weisen die Ergebnisse unserer qualitativen Studie darauf hin, dass ihr Wissen oftmals nicht ausreicht, um tragfähige Beratungsstrategien zur GK und frühkindlichen Allergieprävention (FKAP) anwenden zu können. Denn: Vorhandene Interventionen zur GK-orientierten Beratung zwischen Gesundheitsfachkräften und Patienten richten sich bisher nicht an (werdende) Hebammen. Mit der Umstellung der Hebammenausbildung auf die Vollakademisierung 2019 wurde nun auch die Gesundheitsförderung durch Hebammen als Tätigkeit gesetzlich verankert. Daher ist es erforderlich, die derzeitigen Praktiken, Barrieren und Förderfaktoren einer GK-orientierten FKAP-Beratung durch Hebammen weiter zu erforschen und eine passgenaue Intervention für die Qualifikation, Fort- und Weiterbildung von Hebammen zu entwickeln. Ziel ist es eine Intervention partizipativ zu entwickeln, die Hebammen unterstützt die GK von Familien in der Beratung zu FKAP einzuschätzen und zu berücksichtigen, GK-orientierte Beratungsstrategien anzuwenden und die GK von Familien allgemein zu fördern. Das Projekt gliedert sich in vier Arbeitspakete und folgt dem MRC Framework. Zunächst wird eine quantitative Datenerhebung und -analyse auf Basis der qualitativen Erkenntnisse zu aktuellen Praktiken, Hindernissen und Förderfaktoren einer GK-orientierten FKAP-Beratung durch Hebammen mittels Befragung von Hebammen aus Rheinland-Pfalz und Bayern durchgeführt. Im zweiten Arbeitspaket werden Co-Design Workshops mit verschiedenen Stakeholdern veranstaltet. Unter Anwendung der design thinking Methode sollen Ideen für eine Intervention generiert werden. Basierend auf diesen Ideen wird im dritten Arbeitspaket eine Intervention entwickelt, die anschließend in Arbeitspaket 4 bei verschiedenen Zielgruppen pilotiert und evaluiert wird. Aufgrund der Förderung der elterlichen GK und FKAP durch Hebammen ist das Teilprojekt (TP) Gesundheitsprofessionelle im Versorgungskontext angesiedelt. TP-Interessenkonflikte und TP-Lebende systematische Übersichtsarbeiten liefern Forschungsevidenz, die auch für TP-Gesundheitsprofessionelle relevant ist. TP-Planetare Gesundheit wird die Entwicklung der Intervention hinsichtlich Erfordernisse aufgrund der Klimafolgen unterstützen. TP-"Doing Health" sowie TP-Epidemiologie geben Einblicke in die FKAP-Praktiken von Eltern. Die Ergebnisse aus TP-Gesundheitsprofessionelle werden mit TP-Nutzerbedürfnisse verglichen.
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Molecular catalyst data driven reaction monitoring and control in homogeneous catalysis
Catalysis is one of the most important technologies of our age, that will enhance sustainability in the chemical industry. Catalyst research rather focusses on activity and selectivity then stability of the catalyst. The latter is essential for industrial realization, determines the connectivity of research projects and is essential when switching to renewable feeds. Especially in homogeneous catalysis, there is a small share of stability studies compared to heterogeneous catalysis., The main objective of this project is to provide a deeper understanding of deactivation mechanisms in homogeneous catalysis and how to avoid accompanying negative effects on catalyzed reactions for continuous reaction processes. The introduced 4 deactivation modes will be covered in detail during this project:, Mode 1: Long-term deactivation due to inherent dynamic catalyst complex reactions (ageing), Mode 2: Catalyst losses due to leaching of continuous process incl. catalyst separation/recycle, Mode 3: Deactivation induced by gas/liquid mass transport limitations, Mode 4: Impurity-induced deactivation (inherent dynamic reactor operation), Methodically, this will be achieved by using multi-spectroscopic measurements combined with advanced chemometric analysis during kinetic and continuous experiments including catalyst separation and recycle on process level. The resulting time-resolved molecular data of catalyst species and reactants will be used to develop new mechanistic kinetic models of deactivation. These models serve as origin for model-based process control and optimization, by catalyst dosing strategies, as a countermeasure for negative effects on catalyzed reactions that will be validated in long-term continuous reaction campaigns in miniplants. A fundamental understanding and mathematical description of catalyst deactivation is the basis of a future feedstock substitution in the chemical industry.
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Aktive Teilchenansammlungen und aktive elastische Festkörper unter hydrodynamischen, viskoelastischen und elastischen Wechselwirkungen in dünnen, umschließenden Schichten
Projektbeschreibung laut DFG, siehe GEPRIS (, https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/541972050, ):, "Es ist faszinierend, das Entstehen kollektiver Bewegung in Ansammlungen selbstangetriebener Teilchen zu beobachten. Gleichzeitig sind entsprechende Untersuchungen für das Verständnis grundlegender Eigenschaften aktiver Materie im Allgemeinen von großer Bedeutung. Einzelne angetriebene Objekte in solchen Verbünden können ihre Bewegungsrichtungen durch direkte gegenseitige Anpassung ausrichten. Aber auch ein umgebendes Medium kann das Entstehen kollektiver Bewegung fördern. Letzteres wurde insbesondere für aktive Mikroschwimmer in raumfüllenden, viskosen Flüssigkeiten bei kleinen Reynolds-Zahlen erforscht. In diesem Projekt erweitern wir entsprechende Untersuchungen fundamentaler Eigenschaften aktiver Materie in drei grundlegende Richtungen. Erstens beziehen wir die Rolle umgebender Medien mit ein. Wir betrachten dünne Schichten auf Substraten oder freistehende Filme, was eine zweidimensionale Auswertung ermöglicht. Sie umschließen die aktiven Objekte in der Schicht- beziehungsweise Filmebene. Durch die Präsenz des umgebenden Mediums kommt es zu zusätzlichen Wechselwirkungen zwischen den aktiven Objekten. Zweitens konzentrieren wir uns auf den Einfluss, welchen Viskoelastizität des umgebenden Mediums hat. Das heißt, es muss neben den Effekten von Strömungen auch Elastizität mitberücksichtigt werden. Dies trifft häufig auf biologische Systeme zu. Aber auch Modellexperimente unter Verwendung synthetischer Partikel wurden zur Untersuchung des Einflusses von Viskoelastizität durchgeführt. Vollkommen elastische Medien bilden einen Grenzfall. Schließlich untersuchen wir drittens die Dynamik aktiver Festkörper. Hierzu werden elastische Federnetzwerke als Modelle elastischer Festkörper aber auch Verbünde selbstangetriebener Objekte unter gegenseitiger isotroper Anziehung berücksichtigt. Im Ergebnis erforschen wir die kollektive und interne Dynamik von Ansammlungen aktiver Objekte und von aktiven Festkörpern unter räumlicher Einschränkung und in viskoelastischen Umgebungen. Die Beiträge der jeweiligen Komponenten werden quantifiziert. Indem wir diese Beiträge zusammenführen, unterstützen wir den Transfer zentraler, grundlegender Konzepte von der Erforschung theoretischer und künstlicher Modellsysteme hin zu Untersuchungen an biologischen Systemen. Wir wählen die verschiedenen Themenbereiche so, dass Kollaborationen und gemeinsamer Fortschritt zusammen mit führenden experimentellen Arbeitsgruppen auf den jeweiligen Gebieten möglich sind. Als zukünftige Erweiterung unserer Untersuchungen fassen wir Studien zu bewegungsbedingter Phasenseparation und die Herleitung entsprechender statistischer Feldtheorien ins Auge.", (DFG-Verfahren Sachbeihilfen)
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Integration physikalisch motivierter Materialmodelle für gefüllte Elastomere in Mehrkörpersimulationen hochdynamischer Systeme
Das DFG geförderte Forschungsprojekt setzt sich zum Ziel, die numerische Prädiktionsfähigkeit für technische Systeme zu erhöhen, indem eine ganzheitliche Simulationsmethodik implementiert wird, die eine effiziente Kopplung zwischen einer Mehrköpersimulation und einem nichtlinearen FE-Modell ermöglicht. Eine Erweiterung des physikalisch motivierten dynamischen Flokkulationsmodells wird dabei genutzt, um das nichtlineare Materialverhalten elastomerer Lagerelemente vollumfänglich und präzise abzubilden. Dabei stehen vor allem die Eigenschaftsänderungen der Lager unter mehrachsiger Belastung im Fokus, welche bei derzeitigen Modellierungsansätzen häufig vernachlässigt werden. Da die Einbindung eines detaillierten FE-Modells zu einer Steigerung der notwendigen Rechenressourcen führt, werden in diesem Projekt verschiedene Detaillierungsstufen der Solverkopplung implementiert und analysiert, mit dem Ziel eine Reduktion der Rechenzeit unter akzeptablen Genauigkeitseinbußen zu erlauben. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Komplexitätsstufen der entwickelten Methodik werden mit den herkömmlichen Modellierungsstrategien umfassend verglichen. Es wird eine Bewertung der einzelnen Kopplungsstrategien bezüglich des Implementierungs- und Parametrisierungsaufwands sowie der physikalischen Interpretierbarkeit und der erforderlichen Rechenressourcen vorgenommen. Dabei werden die entwickelten und validierten FE-Modelle basierend auf dem DFM auch auf ihre Eignung hin untersucht, in welchem Umfang und mit welcher Zuverlässigkeit sich einmalig bestimmte Materialparameter auf weitere Geometrien und Belastungsszenarien übertragen lassen. Abschließend findet eine Beurteilung der Genauigkeit aller untersuchter Strategien zur Kopplung der FEM und MKS mit Hilfe von Versuchsergebnissen realer Applikationen statt. Die Einbindung der FEM in die MKS erfolgt dazu sowohl direkt über verschiedene Solverkopplungen als auch indirekt durch die Generierung eines Kennfelds bzw. eines Surrogate-Modells mit Hilfe des FE-Modells zur Nutzung innerhalb der MKS. Als erstes Anwendungsbeispiel dient eine Laborzentrifuge, deren Schwingungsamplituden sowie Betriebsresonanzen gemessen und mit den numerisch erzielten Ergebnissen der jeweiligen Kopplungsstrategien verglichen werden. Des Weiteren wird die entwickelte Methodik im Rahmen einer Schwingungsanalyse von Fahrwerkskomponenten eines Elektrofahrzeugs angewendet und validiert.
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Efficient nonparametric analysis of diagnostic and prognostic bio- markers
Diagnostic trials to evaluate biomarker reliabilities have become an important area in clinical as well as in pre-clinical and translational research. Existing statistical methods mostly rely on total areas under ROC curves and thus take the entire range of true and false positives into account. Partial areas under the ROC curves (and other accurate measures, e.g. Youden-indices) are more informative, because they focus on clinically relevant segments. Statistical inference methods for the analysis of these measures in factorial diagnostic trials have not been developed and implemented yet. This project aims to close these gaps to improve biometric practice. The proposed research has been motivated by, various real trials and statistical consulting.
2018 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Relevance of mast cells in maladaptation of the epidermal and endothelial, barrier during chronic skin inflammation
Chronische Erkrankungen stellen eine zunehmende gesundheitspolitische Herausforderung dar. Zelluläre Maladaptationen und die fehlgeleitete Zell-Zellkommunikation an physiologischen Barrieren sind mechanistische Aspekte von zentraler Bedeutung bei chronischen Erkrankungen wie Atherosklerose oder chronische Erkrankungen der Niere, der Haut, oder des Gastrointestinaltrakts.Physiologische Grenzflächen werden durch hoch spezialisierte Zellen, z. B. Endothelzellen oder Epithelzellen, definiert. Störungen in der Regulation und Funktion dieser Grenzflächen führen zu einem pathophysiologischen Mikromilieu, charakterisiert z. B. durch ein spezifisches Sekretom sowie der Aktivierung lokaler Zellen und/oder Rekrutierung von Entzündungszellen. Von besonderer Bedeutung bei chronischen Erkrankungen ist die Perpetuierung maladaptiver Prozesse, die auf posttranslationalen Proteinmodifikationen beruhen. Das Verständnis molekularer Veränderungen, die maladaptiven Krankheitsprozessen an physiologischen Grenzflächen zugrunde liegen, ist derzeit noch sehr limitiert. Innerhalb des GRK’s beabsichtigen wir Krankheit-auslösende maladaptive Prozesse an endothelialen und epithelialen Grenzflächen zu erforschen. Mittels systematischer Ansätze planen wir Untersuchungen zur Bedeutung posttranslationaler Modifikationen für die Barrierefunktion (z. B. Zellmigration), die Proteostase (z. B. Bedeutung des endoplasmatischen Retikulums, des Proteintransports und Abbaus), sowie molekularer Netzwerke (z. B. HIF oder NF- B Signaltransduktion, Zytokine) an endothelialen und epithelialen Grenzflächen. Die vergleichenden Untersuchungen dieser beiden Grenzflächen-definierenden Zelltypen ermöglicht den Studenten einen Ideenaustausch sowie die gemeinsame Nutzung experimenteller (z. B. Tiermodelle, Ko-Kultur Systeme) und technologischer (z. B. hochauflösendes 3D-imaging, Intravital 2-photon-Mikroskopie, Massenspektrometrie) Systeme, von Reagenzien und methodischen Ansätzen, was einen erheblichen Mehrwert in der Ausbildung der Studenten darstellt. Zudem unterstützt die unmittelbare Interaktion mit Medizinstudenten und Klinikern eine translationale Ausrichtung der Projekte. Somit wird das GRK junge Wissenschaftler in einem hoch-relevanten Thema unter Verwendung von state-of-the-art Techniken ausbilden und ihnen eine breit angelegte Basis für eine wissenschaftliche Karriere bieten.
2021 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Urban Mobility and Logistics: Learning and Optimization under Uncertainty
The goal of this project is to systematically improve quantitative decision support for urban mobility and logistics, to analyze its methodological functionality, to derive general conceptual insight, and to use the derived concept for future method designs.For applications in urban mobility and logistics, operational decision support needs to be effective, fast, and applicable on a large scale - often under incomplete information. Providers face uncertainty in many components, for example, the customer demand, the urban traffic conditions, or even the driver behavior. Mere adaptions to new information are often insufficient and anticipation of this uncertainty is key for successful operations. In research and practice, a range of anticipatory methods has been developed, usually tailored to specific practical problems. Such methods may follow intuitive rule-of-thumbs, draw on sampling procedures, or use reinforcement learning techniques. While the methods may perform well for individual problems, there is still a very limited understanding of the general dependencies of a method’s performance and a problem’s characteristics. This research project will provide this conceptual understanding.To this end, the project will systematically develop and compare different methodology for a set of problems from three different application areas, one combining urban mobility and transport as a service, one using a network of parcel stations for urban transportation, and one performing pickup and delivery with a gig economy workforce. The three problems differ in several dimensions, especially in their sources of uncertainty. To classify the problems, measures will be developed, for example, with respect to the scale of the problem or structure and degree of uncertainty. For each problem, a set of different methods will be developed. The methods will improve decision support for the specific problems while simultaneously allowing a systematic analysis of dependencies between problem and methodology performance. To this end, additional measures will be developed to classify method performance, for example, decision speed, or the interpretability of a method. Based on the problem and method measures and the extensive experiments and analyses, a framework will be developed to guide future method design for this emerging research field.This project will span six years and will be hosted at the TU München (TUM). During the project, the PI will supervise three PhD-students, each student working four years in one application area. The PI and the students will collaborate with researchers from TUM and the Georgia Institute of Technology.
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
The role of SLAMF7 during differentiation of CD4 T helper cells
Oberflächenmoleküle, die auf THelfer-Zellen exprimiert werden, steuern deren Schicksal und bieten eine wirksame Strategie zur Steuerung von Immunantworten. Um neue Signalkomponenten zu bestimmen, die bei der Aktivierung von THelfer-Zellen induziert werden, haben quantitative Phosphoproteomics und Massenspektrometrie ergeben, dass SLAMF7 eine Komponente bei T-Zell-Antworten ist. Erste Daten aus der Literatur sind widersprüchlich, so kann SLAMF7 in NK Zellen sowohl aktivierende als auch inhibierende Funktion ausführen und in CD4 THelfer Zellen wurden sie mit zytotoxischen Molekülen detektiert. Über CD4 T-Zellantworten in vitro haben wir erste Hinweise, dass SLAMF7 unterschiedlich häufig auf Subpopulationen exprimiert wird, was zum Teil auf TGFβ zurückgeführt werden kann. In dem vorliegenden Projekt soll nun die Rolle von SLAMF7 für THelfer Zellen in einem Infektionsmodell untersucht werden.
2024 bis 2027
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Molecular and cellular characterization of cell death pathways involved in Leishmania host cell exit and cell-to-cell transfer
In order to survive and replicate as a parasite population, L. major, amastigotes have to undergo cycles of infection, intracellular proliferation, host cell exit and entry into new host cells. By the combination of both, in vitro, human live cell imaging, flow cytometry quantification of the exit process and intravital 2-photon imaging of the infection site in the mouse model, we aim to identify mechanisms underlying this fundamental process crucial for, Leishmania, persistence, propagation and pathogenesis., Using a genetically encoded proliferation reporter system and growth-inhibited KBMA pathogens, we found in the first funding period of the SPP that, Leishmania, exit, both, in vivo, and, in vitro, is triggered by the parasite’s proliferation state. Highly proliferating amastigotes are the predominating form involved in exit and pro-inflammatory macrophages were found as the preferred niche for strongly increased proliferation. Involvement of apoptosis in human macrophages, in vitro, and in the mouse tissue, in vivo, was demonstrated, whereby exit was mostly observed in the context of cell material transfer from the initially infected cell. This suggests a direct cell-to-cell transfer with only minimal exposure to the extracellular milieu. Also, pyroptosis, in addition to apoptosis, might contribute to the process. Furthermore, we found evidence that, Leishmania, proliferation modulates the host cell metabolism such as expression of the lipid receptor CD36, which might impact both on host cell death, as well as on efferocytosis by other cells., We now aim to elucidate the involvement of both apoptosis and pyroptosis in pathogen exit on a molecular level by using the BLaER1 cell line and cell death-specific caspase-3 and Gasdermin D knockouts. These experiments will be complemented using caspase-3 inhibition and Gasdermin D deficient host cells in the mouse model., Using both the proliferation reporter and KBMA systems, we want to dissect the host cell phenotypes supporting efficient exit of amastigotes, which will enable FACS sorting enrichment and consequent mass spectrometry analyses as well as functional and correlative imaging of the exit mechanism in more detail. Finally, to investigate the metabolic changes required for a productive cell-to-cell transfer, we will characterize host cell lipid metabolism and address the impact of CD36 deficiency both for pathogen exit as well as for pathogen uptake by new host cells.
2024 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
AddBluff4NH3/H2: Additiv gefertigter Bluff-Body-Brenner, charakterisiert durch detaillierte Simulationen und Experimente für die brennstoffflexible, stabile und sichere Verbrennung von NH3/H2-Gemischen
Dieses Projekt ist ein Verbundprojekt im Rahmen des, DFG SPP 2419 "Ein Beitrag zur Realisierung der Energiewende: Optimierung thermochemischer Energiewandlungsprozesse zur flexiblen Nutzung wasserstoffbasierter erneuerbarer Brennstoffe durch additive Fertigungsverfahren"., In diesem Projekt wird ein, additiv gefertigter Bluff-Body-Brenner für die brennstoffflexible, stabile und sichere Verbrennung von NH3/H2-Gemischen betrachtet. Zur Untersuchung der Verbrennungseigenschaften und der Schadstoffemissionen werden akkurate numerische Simulationen und detaillierte experimentelle durchgeführt. Die Brennerkonstruktion wird dann optimiert (in Bezug auf Form, Größe und Position des Flammenhalters), um ein effizientes Verbrennungsverhalten zu erreichen. Es werden offene und geschlossene Brennergeometrien betrachtet. Die Seite des Flammenhalters in Kontakt mit der Flamme und andere Hochtemperaturteile werden durch additive Fertigung unter Verwendung von zunächst Ni-Basis-Legierungen und später ultrahochtemperaturbeständigen Refraktärmetall-Legierungen hergestellt, um schnelle Geometrievariationen zu ermöglichen. Die Dynamik der turbulenten Flamme, die Wechselwirkungen zwischen Flamme und Wand, die Grenze der stabilen Verbrennung, der Flammenrückschlag und die Wärmefreisetzung werden untersucht. Schließlich wird ein optimales Bluff-Body-Brennerdesign für eine stabile, sichere, brennstoffflexible und saubere Verbrennung von NH3/H2 als Mischbrennstoff entwickelt.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Pressure effects ON TEMperature stratification and circulation in lakes - PONTEM
Societal Relevance:, Providing the population with sufficient good quality water will be one of the great challenges in near future. Land use and climate change exacerbate this problem. We have only limited possibilities to create new water or transfer water in reservoirs seasonally to periods of shortage. Wise use and management of water resources appear as the most promising tools to alleviate the situation. Hence, numerical models have been adopted for lakes: the implementation of water properties however is still tied to ocean assumptions. As a consequence, simulated flows in the deep water of lakes close to temperature of maximum density (i.e. near 4°C) are flawed or entirely disconnected from reality. We have much better knowledge of the physical properties of lake waters. Numerical lake models could be substantially improved., Scientific Challenge:, Thermobaricity is controlling recirculation in deep lakes in the temperate and subpolar climate zone. Though the topic has gained interest recently in oceanography, the features in deep lakes have not been properly dealt with. By definition, the convenient property of potential density is lost, when thermobaric effects are dominant. This makes stability considerations difficult to display. However, we are convinced that the description of thermobaric effects can significantly be improved. We propose to start from basics of thermodynamic approaches to stability considerations to parsimonious modelling and will complete this research programme by the implementation of a proper inclusion of thermobaricity in numerical models to demonstrate the effects in some prominent cases., We hypothesize that an inclusion of thermobaricity in numerical models solves this issue and thermobaric effects are properly reflected.
2021 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
"Die durch endotheliale Zellen vermittelte metabolische Maladaption von CLL-Zellen kontrolliert die therapeutische Resistenz und die immunologische Flucht"
Die chronisch lymphatische Leukämie (CLL) ist die häufigste Leukämie im Erwachsenenalter. In diesem Projekt wird untersucht, ob der Kontakt zu Endothelzellen (EZ), die Widerstandsfähigkeit von CLL-Zellen gegenüber konventionellen und immunbasierten Therapien verändert. Das bessere Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen könnte uns dabei unterstützen, die Effektivität der Behandlung noch weiter zu verbessern.
2024 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
A simplified model of the coupled linear anisotropic distortion gradient elasticity and its applications to applications to the solution of various boundary value problems
Die Ziele des Forschungsprojektes sind die Entwicklung vereinfachter anisotroper konstitutiver Beziehungen innerhalb der gekoppelten Verzerrungsgradientenelastizität, die Bestimmung entsprechender Skalenparameter, die Anwendung einer solchen Modellierung auf die Lösung einiger Randwertprobleme, bei denen die klassische Elastizität ihre Grenzen hat, und der Nachweis, dass diese Grenzen überwindet werden können. Im Einzelnen wird untersucht:, - Homogenisierungsprobleme, die den Größeneffekt berücksichtigen, werden betrachtet. Insbesondere werden Grenzwerte wie bei Voigt und Reuss und wie bei Hashin-Shtrikman für partikelförmige Verbundwerkstoffe unter Verwendung der Prinzipien des Minimums der potentiellen Energie und der komplementären Energie erhalten, effektive Eigenschaften von faserverstärkten und partikelförmigenVerbundwerkstoffen werden im Rahmen der gekoppelten anisotropen, Verzerrungsgradientenelastizität bewertet., - Rissprobleme bei ebener Verzerrung, d.h. Rissprobleme mit Mode I, II und III, sowie Probleme, mit einem Riss am Rand werden untersucht., - Probleme mit konzentrierten Kräften, insbesondere mit einer an der Oberflächebelasteten Halbebene, einer im Inneren und am freien Rand derPlatte aufgebrachten Kraft werden im Rahmen der Theorie analysiert., Für alle Probleme wird der Einfluss des Kopplungsterms und der Anisotropie der Materialeigenschaften auf die Lösungen, die Abweichung der Lösungen von den Vorhersagen der klassischen Elastizität und von der ungekoppelten Verzerrungsgradientenelastizität untersucht. Die Ergebnisse werden im Kontext der in der Literatur verfügbaren Ergebnisse verglichen und, analysiert.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Long-lasting consequences of early-life influenza A virus infection for the tissue-resident memory T cell niche and susceptibility to secondary infections (TRR359, Teilprojekt A05)
Mit der Geburt wird das Immunsystem des Neugeborenen plötzlich mit einer großen Anzahl von Mikroorganismen ausgesetzt und Infektionen finden in der frühen Phase nach der Geburt häufig statt. Unser Projekt ist Teil des Transregio TRR359 „Perinatale Entwicklung der Topologie der Immunzellen“ ist, dessen Ziel die Erlangung eines besseren Verständnisses der komplexen Anpassungen des frühen Immunsystems auf Infektionen und andere äußere Einflüsse ist. Unser Teilprojekt untersucht, welche langfristigen Konsequenzen eine Influenzainfektion kurz nach der Geburt auf die Zusammensetzung und Funktion von lungenresidenten Zellen (u.a. alveolaren Epithelzellen, Makrophagen und bestimmte T-Zellsubpopulationen) hat und wie sich dieses auf den Verlauf bakterieller Lungeninfektionen später im Leben auswirkt.
2024 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Computational methods for wave-type problems with non-standard boundary conditions
Dieses Projekt befasst sich mit der numerischen Analyse von hyperbolischen Problemen wie der Wellengleichung in Verbindung mit nicht-trivialen Randbedingungen. Diese beinhalten kinetische als auch akustische Randbedingungen und können - im Gegensatz zu Dirichlet oder Neumann-Randbedingungen - das Verhalten am Rand in besonderer Weise widerspiegeln. Diese Möglichkeit ist unverzichtbar, wenn es darum geht, spezielle Eigenschaften der Randdynamik zu modellieren, wie es beispielsweise bei der Membran einer Trommel der Fall ist., Die numerischen Methoden, die in diesem Projekt konstruiert und analysiert werden sollen, basieren auf einer Umformulierung des Problems als eine partiell-differential-algebraische Gleichung. Das bedeutet, dass die Dynamik auf dem Rand als eigenständiges System betrachtet wird, welches dann an die Wellengleichung im Inneren des Gebiets gekoppelt wird. Diese alternative Formulierung ermöglicht die Wahl verschiedener Gitterweiten oder sogar ganz unterschiedlicher Diskretisierungsansätze im Inneren und auf dem Rand. Dies wiederum verspricht signifikante numerische Vorteile, wenn auf dem Rand starke Oszillationen eine Rolle spielen.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Ein robustes, reliables und multimodales KI-System zur Schmerzquantifizierung
In Deutschland leiden mehr als 1,7 Millionen Menschen an einer Demenz. Da diese von kognitiven Einschränkungen betroffen sind, sollten hier Fremdeinschätzungsinstrumente für die Schmerzerkennung eingesetzt werden, da bei dieser Patientengruppe die Selbstauskunft keine verlässliche Information darstellt. Daher ist die Schmerzerkennung bei Demenz eine große Herausforderung für das klinische Monitoring und wird dies auch auf unabsehbare Zeit bleiben. Somit ist die, Entwicklung eines Systems zur Schmerzerkennung und -quantifizierung von großer Relevanz für zahlreiche Anwendungen im klinischen Umfeld, welches die Forderungen nach Robustheit und Zuverlässigkeit erfüllt. Zum Beispiel wäre dies in der Notfall- und Akutmedizin wünschenswert, um bei der Diagnosefindung eine derartige technische Unterstützung durch ein KI-System vorzusehen. Das Vorhaben wird die, Entwicklung eines robusten, reliablen und multimodalen KI-Systems zur Schmerzerkennung und –quantifizierung adressieren. Es beschäftigt sich, erstens, mit dem Forschungsziel tiefe neuronale Netze und Transferlernen mit umfangreichen, bestehenden in-the-wild Datenbanken zum Anlernen von diversen Mimikmerkmalen und zur Erhöhung der Robustheit gegenüber verschiedener, in verfügbaren Schmerzdatensätzen unterrepräsentierter Varianzen (Erscheinungsbild, Beleuchtung, Teilverdeckung, etc.) einzusetzen, um die Grundlagen für eine Technologie zu schaffen, die für die zukünftige potentielle Verwendung im klinischen Umfeld mit Schwerpunkt der Applikation bei Demenzkranken, insbesondere für das postoperative Monitoring in Aufwachräumen, geeignet ist.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
FlexiDS 2.0: Gerichtetes Wachstumsverhalten von neuartigen eutektischen V-Si-B-Legierungen - Charakterisierung und Eigenschaften für Hochtemperaturanwendungen
V-Si-B, -Legierungen stehen seit einigen Jahren im Fokus der wissenschaftlichen Materialentwicklung. Diese Legierungen stellen, bevorzugt durch ihre, hervorragenden spezifischen mechanischen Eigenschaften, , eine vielversprechende Alternative zu Ni- und Mo-Basiswerkstoffen im Bereich der Hochtemperaturlegierungen dar. So weist das V-Si-B Legierungssysteme in Hinblick auf seine Mikrostruktur einige interessante Gemeinsamkeiten mit dem gut untersuchten Mo-Si-B-Schwestersystem auf. Beide Legierungssysteme bilden im metallreichen Bereich (z.B. Vanadium) ein ternäres Eutektikum aus einem Mischkristall, V(Mk), und den zwei intermetallischen Phasen V3Si und V5SiB2. Über gerichtete Erstarrung, lässt sich das, Eutektikum gezielt entlang der Erstarrungsrichtung „züchten“, , was eine, starke Richtungsabhängigkeit der resultierenden mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Kriechbeständigkeit) zur Folge hat. Diese ließen sich, ähnlich wie bei Ni-Basis Superlegierungen, gezielt für einen anwendungsrelevanten Lastfall einstellen. Das beantragte Vorhaben untersucht die Mikrostrukturausbildung und die dadurch resultierenden Eigenschaften (richtungsabhängige Festigkeiten und Kriecheigenschaften) gerichtet erstarrten, neuartiger eutektischer V-Si-B-Legierungen. Dazu wird das, Zonenschmelzverfahren, sowohl ex-situ als auch der direkte Übergang von der flüssigen in die feste Phase im Moment der gerichteten Erstarrung in-situ untersucht und analysiert.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Multimodale KI-basierte Schmerzmessung bei Intermediate Care Patienten in der postoperativen Phase
Das Vorhaben beschäftigt sich mit Methoden der künstlichen Intelligenz zur automatisierten, multimodalen und kontinuierlichen Messung der Schmerzintensität in einer postoperativen Umgebung auf einer Intermediate Care Station nach größeren operativen Eingriffen. Langfristig soll die Technologie für Patienten mit eingeschränkten Kommunikationsfähigkeiten eine bessere Behandlung der Schmerzen und ihrer Ursachen ermöglichen, indem sie das medizinische Personal bei der Schmerzbeurteilung durch ein automatisiertes Echtzeitschmerzmonitoring unterstützt und entlastet sowie eine präzisere, individual- und situationsspezifische Analgesie möglich macht. Perspektivisch könnte die Technologie in weiterführenden Projekten auch für andere Patientenkollektive (z.B. Kinder und Demenzerkrankte) weiterentwickelt, validiert und eingesetzt werden.
2022 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Peridynamic Modeling, Identification and Validation of Laminates Responses Beyond Damage Initiation
With the development of advanced manufacturing technologies,composite materials and laminates are widely used in engineering asthey are advantageous over traditional materials. While the deformation behaviour up to the damage initiation can be predicted bythe classical continuum mechanics with satisfactory accuracy,analysis of progressive failure beyond the critical damage state is still a major challenge. Peridynamics (PD) as a non-local continuum mechanics theory is very suitable for analyzing discontinuous problems such as material failure, crack initialization, crack propagation, crack patterns formation and crack interactions. Based on the recent activities of the research group (RG) in OvGU Magdeburg on PD modeling of crack patterns in float glass,identification of long-range forces in peel films, this project aims to contribute novel formulations for composite laminate structures to offer engineers an alternative solution to tackle fracture problems. A novel PD damage constitutive modeling framework to describedamage initiation, damage growth and crack propagation in a unifiedmanner will be developed by RG in OvGU. Based on the previous research on float glass, the available experimental data will be appliedto identify material parameters, to capture initial distribution of flawsand to describe damage patterns in ring bending tests on glassplates. For the validation, ball drop tests will be simulated and results will be compared with experimental data. In addition, non-local models will be developed and calibrated in OvGU to capture long-range, forces observed in peel tests. By the use of the layer-wise approach the developments will be consolidated to formulate a new PD theory for laminates subjected to severe loading in the post-critical damage regime. Based on the available experimental data on laminated glass, a benchmark problem will be developed and solved to verify the theoretical developments as well as analytical and, numerical solution procedures.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Structured-entities Ontology Extension
Reference ontologies play an essential role in organising knowledge in the life sciences and other domains. They are built and maintained manually. Since this is an expensive process, many reference ontologies only cover a small fraction of their domain. The goal of this project is to develop techniques that enable the automatic extension of the coverage of a reference ontology by extending it with classes that have not been manually added yet. The extension shall be faithful to the (often implicit) design decisions by the developers of the reference ontology., While this is a generic problem, our use case addresses the automatic extension of the Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI) ontology with classes of molecules, since the chemical domain is particularly suited to our approach. We achieve our goal by using the leaf classes of the manually curated reference ontology to train a system to predict subclass relationships between mid-level classes and new classes. Thus, our method uses machine learning techniques, but – in contrast to other approaches – does not rely on text corpora as input, but utilises the content of the ontology itself. Annotations of classes that provide information that are relevant for the classification of a given entity within the ontology play a key role in this learning task. E.g., in the case of ChEBI these are annotations that represent the structure of chemical entities (e.g., molecules and functional groups)., In addition, the axioms of the ontology are represented as logical neural networks, which are used during the training of prediction models. Thus, our approach for ontology extension provides a kind of neural-symbolic integration. In our previous work we have established the feasibility of the approach by comparing the performance of a number of machine learning approaches at subclass prediction. In spite of the limitations of this initial work, the performance of some of our models compare positively to ClassyFire. The latter is a rule-based system representing the state of the art for this task, and is already being used in the development of hEBI. Furthermore, our results show that different machine learning approaches are suited for different kinds of chemical entities. Thus, we plan to use an ensemble approach in our project., The outcomes of this project will be (a) a benchmark training set for training models for chemical ontology extension, and (b) a system that – when provided with a set of new chemical entities as input – will automatically generate a new ontology that extends ChEBI to cover these entities. The benefit of this work is a novel methodology for extending the coverage of existing reference ontologies. If adopted, it will allow improved interoperability and knowledge integration for the communities that use these reference ontologies. Another benefit will be a novel neural-symbolic architecture, integrating graph neural networks, transformers and logical neural networks., The project is a cooperation project with Prof. Dr. Janna Hasting (University of Zurich) as part of the DFG’s Weave Lead Agency process.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Incipient spray fluidized bed agglomeration at the border to coating
The project aims to track the border between spray fluidized bed agglomeration and coating, which are the important key processes for advanced particle engineering. We will investigate experimentally agglomeration in the vicinity of this border (borderline agglomeration), focusing on the starting period of it (incipient agglomeration), in which dimers (to single particles stacked together) are formed from primary particles. The main focus is on simplest agglomerate structure and clearest conditions of spray fluidized bed agglomeration process. The process will also be described by modeling. Here, we can capitalize on own Monte Carlo models, which are stochastic and discrete, able of representing micro-scale events and processes. The goal is to radically improve these models. So the crucial model constituents will be revised, namely the sub-models for breakage and drying, based on separate experiments without spraying (for breakage) or without binder in the spray (for drying). The criterion for aggregation or rebound after wet collision will also be revisited, though still based on normal momentum dissipation. The improved model will provide direct and unconditional access to the agglomeration-coating border, making regime maps obsolete.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Additively-manufactured bluff-body burner investigated by high-fidelity simulations and experiments for fuel-flexible, stable, and safe combustion of NH3/H2 mixtures
This project investigates an additively-manufactured bluff-body burner for fuel-flexible, stable and safe combustion of NH, 3, /H, 2, mixtures. High-fidelity numerical simulations and detailed experimental investigations are carried out to study combustion and pollutant emission characteristics in this burner. The burner design is then optimized (with respect to bluff-body shape, size and position) to achieve an efficient combustion behavior. Open and confined burner geometry will be considered. Flame-side bluff-body and other high-temperature parts are produced by additive manufacturing using Ni-based alloys and ultra-high temperature resistant refractory metal-based alloys to enable geometry variations. Turbulent flame dynamics, flame-wall interactions, blow-off, flame flash-back events, and heat release are investigated in detail. Finally, an optimal bluff-body burner design will be obtained for stable, safe, fuel-flexible, and clean combustion of NH, 3, /H, 2, as blend fuel.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Algebraische Methoden in der Spieltheorie
Es werden verschiedene Polytope untersucht, die Einsichten in die Existenz und Lage verschiedener Equilibria in der Spieltheorie geben. Dazu werden Ergebnisse von Aumann zu correlated equilibria geometrisch interpretiert und dann verallgemeinert auf kompliziertere Spiele mit mehr als 2 Spielern und vielfältigen Strategien. Promotion im Rahmen des DFG-GRK MathCoRe.
2022 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Freiheit & Sicherheit - Diskurse um Äußere und Innere Sicherheit in Deutschland seit 1990. - Teilprojekt in der Forschungsgruppe "Kontroverse Diskurse. Sprachgeschichte als Zeitgeschichte seit 1990"
Das Projekt wird in der ersten Förderphase vorwiegend an der Universität Trier durchgeführt, während die zweite Förderphase an der OvGU Magdeburg vorbereitet wird., Das Teilprojekt erweitert in der ersten Förderphase die narrative Sprachgeschichte kontroverser Diskurse um die Äußere Sicherheit bis etwa 1990 um die Untersuchung seitheriger Diskussionen insbesondere um Bundeswehreinsätze und Beteiligungen und Nicht-Beteiligungen an weltweiten militärischen Aktionen. Dies wird verknüpft mit der Fragestellung, in welcher Weise in solchen öffentlichen Diskussionen "Freiheit" und "Sicherheit" zur Legitimation oder Ablehnung anstehender Entscheidungen herangezogen wurden. Das schwierige Verhältnis von, Freiheit, und, Sicherheit, steht auch in der geplanten zweiten Förderphase im Mittelpunkt, in der ein weiteres inhaltliches Feld, das der Inneren Sicherheit, betrachtet werden soll. Denn im Untersuchungszeitraum werden Diskussionen um Militäreinsätze, um die Äußere Sicherheit, mit der die Freiheiten einer demokratischen Gesellschaft gesichert werden sollen, oft verknüpft und legitimiert mit der Bekämpfung von internationalem "Terrorismus". Das verzahnt sie sehr eng mit auf die Innere Sicherheit ausgerichteten Überlegungen zum Schutz vor "Terror". Eine übergreifende Frage beider Förderperioden lautet daher: Welche Spannungen baut das neue sicherheitspolitische Selbstverständnis der Bundesrepublik, das um den Begriff der Sicherheit kreist, zum hochgradig ambigen Freiheitsbegriff auf? Dieses Verhältnis als eine diskursive Grundfigur demokratischer Diskurse über die Zeit hinweg an den Diskussionen um die sog. Äußere und Innere Sicherheit zu ergründen und zu beschreiben, verspricht Einsichten auch in andere gesellschaftliche Themenfelder. So steht auch in den aktuellen Corona-Debatten das Verhältnis von - in diesem Fall gesundheitlicher - Sicherheit und Freiheit zur Disposition ebenso wie in Debatten um Datenschutz oder Umweltschutz. In der ersten Förderperiode aber steht die, Sicherheit, vor Gefahren von außen sowie die Behauptung der weltweiten Bewahrung und/oder Wiederherstellung von, Freiheit, und, Menschenrechten, im Fokus der Untersuchung, weil - so die Ausgangshypothese - vor allem mit diesen Hochwertworten um die (De-)Legitimation von Militäreinsätzen, Rüstungsausgaben sowie anderen Beteiligungen und Nicht-Beteiligungen Deutscher an internationalen multilateralen Aktivitäten gestritten wurde., Daneben trägt das Teilprojekt zum methodologischen Ziel der Projektgruppe der Entwicklung einer kollaborativen digital gestützten Diskursanalyse bei. Dafür wird das Teilprojekt vor allem qualitative Interpretationen der sich wandelnden Bedeutung von Schlüsselwörtern (z.B. mit framesemantisch inspirierten Analysen), der Wirklichkeitskonstruktionen durch Metapherngebrauch, von metasprachlichen Äußerungen und von seriell genutzten Argumentationsmustern so weiterentwickeln, dass über Annotationen in den Korpusdatenbanken auch diachrone quantitative Vergleiche ermöglicht werden.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
The pulvinar nuclei as a computational system: Computing and calibrating the organization of 3-D visual space
Project in DFG Priority Program SPP2411, We present a novel hypothesis of the functions of the pulvinar in the primate and make proposals for specific tests to probe predictions of this hypothesis. The pulvinar nuclei are greatly enlarged in primates compared with other mammals. We advance the view that the pulvinar may function as a computational system that is specifically suited to adaptive computation. As a specific case of this general hypothesis, we will examine how the pulvinar and its connected neocortical areas may support the structuring of 3-D spatial relationships in the visual world. Information about the 3-D structure of the immediately visible world is important for both sensory, perceptual judgments about the size, shape and position or objects, but also for motor activity, particular the control of eye movements. In humans, such movements are inherently binocular in nature and therefore embedded in 3-D spatial processing. Few, if any, studies of the pulvinar nuclei have examined binocular 3-D properties of pulvinar neurons. By contrast, there has been extensive study of the binocular function of sensory cortical areas. We seek to build upon the current canonical view that the pulvinar nuclei provide a relay or ‘efference copy’ of cognitive signals such as spatial attention. This project will test the hypothesis that the pulvinar relay applies a transform to neuronal signals about 3-D spatial relationships as they pass from one visual cortical area to another. We will make dual electrophysiological recordings from the pulvinar nuclei and anatomically connected visual cortical areas The project will test the adaptive, regulatory role of the pulvinar by employing standard visuomotor adaptation paradigms, in combination with interventions that aim to temporarily and reversibly disrupt pulvinar function.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
DAMP activation and orchestration of cytokine storm by the cold shock protein
Acute kidney injury is a common sequela of diseases associated with blood pressure decrements, such as septicemia or hypoxia. Dead cells and activated tissue resident cells trigger an immune response with subsequent organ failure that represents a complex intermingled process. The focus of this application is to elucidate common underlying mechanisms and cell responses. In sepsis, soluble factors released by bacteria into the blood, circulate as pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) and incite local and systemic inflammatory responses. PAMPs are recognized by pattern recognizing receptors (PRRs) and activate NF-κB signaling, leading to increased expression of damage-associated molecular patterns (DAMPs). DAMPs are released from the nuclear, mitochondrial, or cytoplasmic compartments following inflammasome activation, pyroptosis, necroptosis, or by exosomes. DAMPs initiate and sustain a noninfectious inflammatory response that is associated with systemic inflammation, organ damage, and cell death., Y-box binding protein-1 (YB-1) is a mediator of local and systemic inflammatory responses. Inflammatory stimuli, such as LPS and hypoxia, trigger intracellular upregulation as well as YB‑1 secretion., Wild type, and whole body, Ybx1, knockout mice (, Ybx1, Δ, RosaCreERT, ) were challenged with LPS. While the majority (70%) of, wild type, mice die, 75% of, Ybx1, knockout mice survive. Changes in the inflammatory milieu show that YB-1 is not only present in the secretome but also regulates the composition. These findings form the basis for the present work program, in which the role of YB-1 in DAMP activation and orchestration of cytokine storm will be investigated. The following questions will be addressed: (i) Which DAMPs are regulated by YB-1 in a cell-specific manner? Comparative studies of secretomes in different cell types of, wild type, and, Ybx1, knockout, mice will be performed. (ii) What is the contribution of YB-1 for DAMP-dependent cell-cell communication in, in vitro, models? (iii) What is the, in vivo, relevance of YB-1 for damage perpetuation and protective effects in an ischemia/reperfusion model. Chimeric bone marrow animals with YB-1, wild type, and YB-1-deficient cells will be generated. The secretome data will be analyzed for cell-specific protective factors as well as damage markers. These data will be used to design therapeutic strategies. Two approaches are envisioned: 1. Blockade of LPS and hypoxia-induced damage markers (DAMPs, cytokines) by inhibiting YB-1 activities and 2. To introduce the identified protective factors as an intervention strategy., In summary, the project proposal will expand our understanding of inflammatory secretomes, with a focus on a centrally acting molecule of the cold shock protein family. The results will be translated into intervention strategies to ameliorate acute kidney injury and initiate tissue regeneration.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Rolle von kortikalen-subkortikalen Schleifen bei der Erkennung von Geruchsreizen sowie der Trennung von Vordergrund- und Hintergrunddüften...
Der olfaktorische Bulbus (OB) ist die erste Verarbeitungsstation für Geruchsinformationen im Gehirn. Dieses subkortikale Gebiet sendet Informationen an mehrere kortikale olfaktorische Zentren und erhält direkte Rückprojektionen, die umfangreiche kortikale-subkortikale Schleifen bilden. Bislang ist die genaue physiologische Funktion dieser Schleifen nur unzureichend beschrieben. Eine prominente Theorie, die auf der Grundlage von Computermodellen entwickelt wurde, besagt, dass olfaktorische kortikale-subkortikalen Schleifen die durch den Geruch hervorgerufene neuronale Aktivität an den OB zurückspiegeln und dadurch die Erkennung von "Vordergrund"-Gerüchen in einem verrauschten Dufthintergrund verstärken. Diese "Vordergrund-Hintergrund-Trennung" ist für viele sensorische Verarbeitungsmodalitäten wesentlich. In diesem Tandemprojekt zwischen den Rothermel und Schwarz Labor werden wir die reziproke neuronale Aktivität zwischen dem OB und den zugehörigen kortikalen Zentren untersuchen, um ihren Beitrag zur Erkennung von Geruchsreizen sowie der Trennung von Vordergrund- und Hintergrunddüften aufzudecken. Insbesondere werden wir die kortikalen Schleifen, die zwischen dem OB und dem vorderen olfaktorischen Nukleus (AON) sowie dem OB und dem vorderem piriformen Kortex (APC) gebildet werden, funktionell vergleichen. Zu diesem Zweck werden wir eine gleichzeitige 2P-Ca2+-Bildgebung von kortikalen Fasern und OB-Ausgangsneuronen verwenden (Ziel 1), um ihre räumlich-zeitliche Beziehung bei verschiedenen Geruchsaufgaben zu untersuchen. Die Daten aus diesen Experimenten werden zur Verfeinerung bestehender OB-olfaktorischer Kortex-Modelle verwendet (Ziel 2). In Ziel 3 werden wir eine aktivitätsabhängige Markierung der Zellen des olfaktorischen Kortex etablieren. Die geruchsabhängige Markierung aktiver AON- und APC-Neuronen wird es uns ermöglichen deren reziproke Projektionen mit dem OB in noch nie dagewesenem Detail mit Hilfe der Lichtblatt-Fluoreszenz-Expansionsmikroskopie (LSFEM) zu untersuchen. Schließlich wird die Expression von optogenetischen Aktuatoren in aktivitätsmarkierten Neuronen es uns ermöglichen, die kausale Beziehung der AON/APC-Aktivität bei der Geruchserkennung und der Trennung von Vordergrund- und Hintergrunddüften zu untersuchen (Ziel 4). Eine erfolgreiche Umsetzung dieses Projekts wird unser Verständnis der physiologischen Funktionen von OB-kortikalen Schleifen für die Geruchsverarbeitung und geruchsgesteuerte Verhaltensweisen grundlegend verbessern.
2022 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
SFB1315 B06
The proposed project aims at understanding how systems level hippocampally-related functional connectivity as well as cortico-cortical microstructure changes indicative of memory engrams develop during memory consolidation. We will use a novel and unique 7T connectome MRI for humans to achieve the highest to-date possible resolution for functional and diffusion magnetic resonance imaging (MRI). This will allow imaging of the emergence of cortico-cortical connectivity and engram-related plasticity in a layer-specific manner in early and late stages of memory consolidation, thereby narrowing the gap between an animal-led and human-led understanding of memory consolidation. As neuromodulatory inputs related to more or less salient memory events are one of the most prominent drivers of the long-term stability of memories we will additionally investigate how a stronger involvement of neuromodulatory and ‘saliency-processing structures’ affects memory consolidation. Moreover, we will assess whether semantic congruency affects the time course of dynamics in the memory consolidation network or memory engram formation.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Binaural infrasound perception
An increasing number of individuals are being exposed to infrasound, e.g., due to the energy transition. This can lead to a significant reduction in the quality of life due to a range of complaints (sleep disturbances, concentration disorders, restlessness, migraines). Several studies indicate that infrasound is perceived by the auditory system. How infrasound is processed by the auditory system is still largely unclear. For example, it is not yet clear to what extent the concepts of binaural perception known from the classical audible frequency range can be transferred to the infrasound perception. Insights into binaural processing are of great interest because environmental sounds usually reach both ears and the brain has to form from the signals arriving at both ears a unified percept. The goal of the project is to describe aspects of the binaural perception of infrasound experimentally and with models, so that in the future the effects of infrasound on humans can be better studied., At the beginning of the project, a binaural reproduction system will be developed on the basis of an already established low-distortion reproduction system, which is designed for monaural infrasound reproduction. In listening tests, this binaural reproduction system is then used to determine thresholds in quiet (infrasound without background noise) and masking thresholds (infrasound in the presence of background noise). It is tested if concepts for binaural processing in the classical audible frequency range are also valid in the infrasound frequency range. These concepts include not only an improvement of perception by binaural presentation (binaural integration) but also that the auditory system is able to better detect a target signal in the presence of a noise by comparing the two ear signals (binaural unmasking). In addition, it will be investigated whether listeners can also perceive binaural beats for infrasound stimuli, which, in the classical audible frequency range, are seen as further evidence for specific binaural processing. For the aspect of binaural beats, in addition to auditory experiments, the electrical response of the brain is recorded by electroencephalography (EEG). Based on the experimental results, models of binaural infrasound perception will be developed., The long-term goal is to use the findings of the project for the protection against possible health damages caused by infrasound and the adequate description of the emission of infrasound sources. The findings will thus be of importance both for health protection in general and specifically with regard to the energy transition (infrasound emissions from heat pumps, wind turbines, and other technical facilities).
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Entwicklung von unspezifischen Peroxygenasen für die ß-Hydroxylierung von Aminen im präparativen Maßstab.
Wir sind davon überzeugt, dass unspezifische Peroxygenasen (UPOs) hervorragende Enzyme für C-H-Funktionalisierungen mit einem außergewöhnlichen synthetischen Potenzial darstellen. Durch die Kombination von Protein- und Verfahrenstechnik soll das Potenzial der UPOs durch die Synthese pharmazeutisch wichtiger Bausteine im Gramm-Maßstab demonstriert werden. UPOs sind pilzliche Enzyme, die einen peroxidischen Sauerstoff auf sp3-Kohlenstoffe übertragen und weisen mit mehr als 400 bekannten Beispielen eine beeindruckende Substratvielfalt auf. Sie weisen ausgezeichnete Enantioselektivitäten und beeindruckende Gesamtumsatzzahlen von bis zu 300.000 für benzylische Hydroxylierungen auf. Etwa viertausend putative UPO-Gene wurden annotiert, aber weniger als 20 verschiedene UPO-Enzyme wurden aufgrund ihrer schwierigen heterologen Expression im Detail untersucht. Diese Produktionsbeschränkungen haben auch die gezielte Entwicklung dieser Proteine erheblich behindert, so dass die derzeitige Substratpalette hauptsächlich aus Wildtyp-Aktivitäten besteht. Es wäre von größter Bedeutung, die katalytische Maschinerie der UPOs für neue industriell relevante Substrate zu nutzen. Insbesondere Substrate mit aliphatischen Aminen sind in pharmazeutischen Wirkstoffen (API) allgegenwärtig, aber es gibt nur wenige Beispiele für UPOs, die diese Verbindungen hydroxylieren. Die Molekülklasse der vicinalen Aminoalkohole ist von besonderem Interesse, da diese Gruppen von UPOs aus Aminen synthetisiert werden könnten und spannende Gerüste für die Pharmaindustrie darstellen. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt befasst sich direkt mit den derzeitigen Beschränkungen von UPOs gegenüber Aminsubstraten und zielt darauf ab, einen integrierten Ansatz aus Biochemie und Verfahrenstechnik für die Entwicklung und Anwendung von gentechnisch veränderten UPOs zu nutzen. Auf dem Gebiet des Protein-Engineerings umfasst die Methodik die Entwicklung eines schnellen Analysesystems für den Nachweis von Aminoalkoholen und eine Neugestaltung des aktiven Zentrums einschließlich der aminverankerten Regionen für das Design potenter aminumwandelnder UPOs. Auf der Seite der Verfahrenstechnik werden Online-Methoden für die Kontrolle von Wasserstoffperoxid und die Integration von Ionenaustausch- und Kristallisationstechniken auf die Anforderungen von UPO-katalysierten Reaktionen zugeschnitten. Die Implementierung der entwickelten Biokatalysatoren und Methoden wird explizit für eine hohe Substratbreite und im Gramm-Maßstab untersucht.Das Forschungsprojekt ist in acht Ziele und vier Meilensteine gegliedert, die von den beiden Projektpartnern strukturiert angegangen werden sollen. Es beginnt mit der Entwicklung und dem Engineering von Assays, Proteinen, Echtzeitanalysen und selektiven Produktentfernungen und kulminiert in präparativen Synthesen im Gramm-Maßstab.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Perception of sounds containing low-frequency tonal components
Low-frequency noise has a considerable impact on the perception of sounds. The sound sources are often manmade, e.g. compressors, car or ships. Important parts of the energy transition like wind turbines or heat pumps can also emit such low-frequency sounds. Thus, to evaluate the noise emission of environmental sounds, it is crucial to understand the perception of the low-frequency content of a sound by the auditory system. The audible low-frequency range extends from 20 Hz to around 250 Hz. The sound can be perceived as humming, rumbling or booming, if the sound contains tonal components in this range. These sensations are specific to the low-frequency range. A humming sound contains a low-frequency pure tone; if the level of this tone varies over time, it is perceived as rumbling. Does the sound contain, apart from the low frequency component, also higher tonal components it can be perceived as booming. The aim of the project is to characterise main contributions to the sensations humming, rumbling and booming. To this end, the effect of the variation of characteristic signal properties of basic signal types on the sensations is measured. The results are used to develop models of these sensations. The long-term goal is to use simulations of the sensations humming, rumbling and booming in models for noise evaluation of environmental sounds with respect to annoyance, pleasantness or quality.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
WSAM: Wide Synthetic Aperture Sampling for Motion Classification
We will collaborate with the Johannes Kepler University in Linz and the German Aerospace Center (DLR) in Oberpfaffenhofen. The goal of the project is the use of autonomous drone swarms for rescue applications. Here, drones can imitate the swarming behavior of birds to always have an optimal view for rescue purposes., Considering the current high level of attention that is being paid to drones, it is easy to overlook the enormous potential that they bring with them in civilian areas. Drone groups are establishing themselves worldwide in blue light organizations such as the police, fire brigade and mountain rescue to use this technology to save human lives. Search and rescue operations benefit, among other things, from the flexible, fast and - compared to helicopters - inexpensive and safe use of drones. They are also used in the inspection of disaster areas, for the early detection of forest fires, for border security, or wildlife observation. The problem with all these applications is always the occlusion caused by vegetation, such as forest, which usually makes it impossible to find, detect, and track people, animals or vehicles in single aerial photographs. This project is based on the "Airborne Optical Sectioning" (AOS) imaging method developed at the Johannes Kepler University and will study further potentials of the swarms.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Daten-Segmentierung für nicht-stationäre Zeitreihen
Die Möglichkeit nicht-stationäre Zeitreihen in Segmente mit ähnlichem stochastischen Verhalten aufteilen zu können, ist eine zentrale Voraussetzung zur weiteren Analyse in vielen Anwendungsgebieten. Frühere Ansätze (Kirch, Reckruehm (2023)) arbeiten nur mit einer einzigen Bandbreite und einem Inspektionsparameter, was in der Regel zu einem Güte-Verlust führt. Eine bessere Performance ist zu erwarten, wenn die Information aus Verfahren mit verschiedenen Bandbreiten kombiniert wird (Multiskalen-Verfahren) und der Inspektionsparameter regelmäßig neu geschätzt wird. Genau hierum geht es in diesem Projekt: Hierbei muss zum einen auf computationelle Aspekte geachtet werden, zum anderen wird aber auch die mathematische Analyse deutlich komplexer.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Gerätezentrum "Magdeburg UHF-MR" Core Facility
The Magdeburg UHF-MR Core Facility will provide 7T MRI technology and methodology that is unique in Europe. As the first centre in Europe, the Magdeburg UHF-MR Core Facility will operate two human 7T MRI systems, one state-of-the-art 7T MRI and one 7T “Connectome” MRI with unprecedented gradient performance. Users are scientists mainly from the field of basic, applied and clinical neuroscience from different institutions in Magdeburg as well as external researchers., The main goal is to establish and provide the best possible infrastructure, measurement methods and technologies together with professional support for all imaging researchers. The project is structured into 5 work packages:, - develop and maintain cutting edge methodology, - establish methods to ensure and monitor highest data quality, - provide training and imaging support to the users, - develop and provide digital research data management tools, - establish the organizational structure and administrative procedures, The unique 7T hardware capabilities and the available unique methodological expertise and longest standing 7T MRI experience in Magdeburg form the basis for new superb research opportunities with highest level support and service for the users.
2022 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Scaling Invariant Multidimensional Projections for Information Visualization
Finding good projections from multi-dimensional data domains to the 2D screen is a standard problem in many fields. Multidimensional data usually considered in Multifield Visualization (a subfield of Scientific Visualization) often comes with the property that the dimensions are measured in different physical units, making the ratio between arbitrary. We propose to develop projection techniques thatare independent of the chosen physical unit of each dimension, i.e., they are invariant on the scaling of each dimension. While many standard measures and features do not have this scaling invariance (such as relative Euclidean distance, PCA, t-SNE), simple solutions like normalization of each dimension does not solve the problem adequately. We propose to develop scaling invariant versions of standard automatic non-linear projection techniques such as t-SNE or UMAP. Also, we search for scaling invariant versions of linear projections (such as PCA), as well as for standard clustering techniques. We see the main application of scaling invariant projection techniques in the visual analysis of multifield data.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Lazy Estimation in Networked Systems
The amount of sensor data provided by battery-driven, widely distributed devices is steadily increasing. Since sensor data are typically fed into information processing units, it is worth considering how information processing itself can be exploited to reduce communication and energy demands. For this purpose, this project focuses on information-processing techniques that can incorporate implicit information conveyed by the transmission mechanism. Although a sensor node decides not to send its data, the receiver can still leverage the absence of data to update its state estimates. For instance, sensor readings can be compared against a threshold to decide for a transmission. The receiver can translate this decision rule into information about the data although no transmission took place. Sender and receiver can negotiate such decision rules in order to minimize communication costs, on the transmitting end, and to maximize the retrievable information, on the receiving end. Since threshold-based strategies are far too restrictive for time-varying systems being observed, model-based and data-driven policies will be investigated., This project primarily investigates stochastic decision rules to trigger transmissions. In contrast to deterministic triggers, stochastic mechanisms can preserve the Gaussianity of the implicit information simplifying the estimator design at the receiver. For instance, a Kalman filter only requires minor adaptions to incorporate implicit information when no transmission event is triggered. The goal of this project is to push the principles of stochastic triggering forward to establish a comprehensive framework of lazy estimation. First, the investigations are concerned with general properties and the design of intelligent trigger decisions to improve the effectiveness and robustness of lazy state estimation. These include model-based and data-driven trigger mechanisms, aperiodic and asynchronous transmission and processing times, as well as the study of unreliable communication links. The results provide the foundations for large-scale lazy estimation with respect to both multisensor systems and high-dimensional state representations. For instance, multiple systems collaboratively monitor a dynamic system and fuse exchanged sensor data and estimates. Such distributed data fusion problems lead to dependent trigger decisions that require self-adapting trigger mechanisms. In particular, the project considers applications in object tracking to evaluate the derived concepts. Lazy estimation shows great potential in the processing of neuromorphic sensor data.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Using photorealistic visual images to understand the neuronal integration of visual cues for depth and shape in the ventral stream pathways of the primate brain.
The organization of the nervous system for the visual recognition of objects is often thought to be hierarchical. Nerve cells near the top of the hierarchy can typically be activated only by complex and meaningful stimuli, whereas nerve cells low down in the hierarchy are activated by specific distributions of luminance intensities in the image received by the eye. The encoding of information in the high-level stages resembles perception of the object itself, whereas pattern of activity in the earliest stages resembles a simple transformation of the original image., The “hard problem” for visual processing takes place in the critical, intermediate stages, where the transformation from image to object takes place. This project will concern itself with two of these stages in the ventral visual pathways of the macaque cerebral cortex: the fourth visual area (V4) and the posterior inferotemporal (PIT) region. This project will adopt two new technological developments to address the role of these areas in visual processing. First, new designs of microelectrodes will be employed, which allow the recording of up to several hundreds of neurons simultaneously. Second, the project will exploit a new method of creating photorealistic images of recognizable objects, which allows specific manipulation of different sources of information about the size, shape and structure of the viewed object., An important goal is to explore the responses of neurons with full control over the binocular image content. When viewing solid objects, macaque monkeys directly view the object of interest with the most sensitive portion of forward-facing eyes, rotating the two eyes inwards to view near objects, just like humans do. This mode of vision provides information about binocular depth, called stereopsis. My research group has recently studied the responses of V4 and PIT neurons to binocular depth in considerable detail. However, the visual stimuli used for these existing experiments used artificial patterns of dots, which are excellent for isolating the response to binocular depth in a pure form, but do not probe vision with naturalistic stimuli., Prior to the neurophysiological recordings, the macaques will be trained to perform discrimination tasks with the photorealistic images, in which the 3-D shape or configuration of the portrayed object will be subtly altered. This approach will ensure that the animals’ attention is fully engaged with the images and the task, which will allow us to reveal the most sensitive components of the neuronal responses. Full advantage will be taken of the parallel capture of recordings from multiple neurons to test modern theories of information representation in the nervous system.
2024 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Entwicklung und Charakterisierung von eutektischen V-Si-B-Legierungen mit verbesserten spezifischen mechanischen Eigenschaften: Rolle der neuen V8SiB4-Phase
Vanadium-Silizid-Werkstoffe stellen eine potentielle Alternative für aktuell eingesetzte Hochtemperaturwerkstoffe dar, insbesondere aufgrund ihrer hervorragenden spezifischen mechanischen Eigenschaften. So bestehen beispielsweise V-Si-B-Legierungen aus dem Vanadium-reichen Bereich des Dreistoffsystems aus einem duktilen Vanadium-Mischkristall (V-Mk) und den beiden intermetallischen Phasen V, 3, Si und V, 5, SiB, 2, . Dieses bislang nur wenig erforschte Legierungssystem birgt jedoch in Hinblick auf die Mikrostruktur einige erstaunliche Gemeinsamkeiten zum gut untersuchten Nachbarsystem Mo-Si-B. So konnten in ersten Vorversuchen an V-Si-B-Legierungen deutlich bessere spezifische Druckfestigkeiten im Temperaturbereich von 600 °C bis 900 °C gegenüber Ni-Basislegierungen erzielt werden. Jedoch ist der Mechanismus der Phasenentstehung sowie die Korrelation der Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen noch vollkommen unerforscht. Das primäre Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung neuartiger V-Si-B-Legierungen für Hochtemperaturanwendungen. Hierbei wird die Entwicklung ternär-eutektischer Legierungen angestrebt. In einer Reihe von V-reichen binären und ternären Versuchslegierungen wird die Phasenbildung und -stabilität von der Schmelze bis zum homogenisierten Gefüge erforscht. In der 2. Förderphase steht die Bedeutung der neu entdeckten Phase V8SiB4 im Fokus der Forschung.
2021 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Mathematical Complexity Reduction (DFG GRK 2297/2)
Im Kontext des vorgeschlagenen Graduiertenkollegs (GK) verstehen wir Komplexität als eine intrinsische Eigenschaft, die einen mathematischen Zugang zu einem Problem auf drei Ebenen erschwert. Diese Ebenen sind eine angemessene mathematische Darstellung eines realen Problems, die Erkenntnis fundamentaler Eigenschaften und Strukturen mathematischer Objekte und das algorithmische Losen einer mathematischen Problemstellung. Wir bezeichnen alle Ansätze, die systematisch auf einer dieser drei Ebenen zu einer zumindest partiellen Verbesserung fuhren, als mathematische Komplexitätsreduktion. Für viele mathematische Fragestellungen sind Approximation und Dimensionsreduktion die wichtigsten Werkzeuge auf dem Weg zu einer vereinfachten Darstellung und Rechenzeitgewinnen. Wir sehen die Komplexitätsreduktion in einem allgemeineren Sinne und werden zusätzlich auch Liftings in höherdimensionale Raume und den Einfluss der Kosten von Datenerhebungen systematisch untersuchen. Unsere Forschungsziele sind die Entwicklung von mathematischer Theorie und Algorithmen sowie die Identifikation relevanter Problemklassen und möglicher Strukturausnutzung im Fokus der oben beschriebenen Komplexitätsreduktion. Unser umfassendes Lehr- und Forschungsprogramm beruht auf geometrischen, algebraischen, stochastischen und analytischen Ansätzen und wird durch effiziente numerische Implementierungen komplementiert. Die Doktorandinnen nehmen an einem maßgeschneiderten Ausbildungsprogramm teil. Dieses enthalt unter anderem Kompaktkurse, ein wöchentliches Seminar und ermutigt zu einer frühzeitigen Integration in die wissenschaftliche Community. Das GK dient als ein Katalysator zur Etablierung dieser erfolgreichen DFG Ausbildungskonzepte an der Fakultät für Mathematik und hilft, die Gleichstellungssituation zu verbessern. Die Komplexitätsreduktion ist ein elementarer Aspekt der wissenschaftlichen Hintergründe der beteiligten Wissenschaftler. Die Kombination von Expertisen unterschiedlicher mathematischer Bereiche gibt dem GK ein Alleinstellungsmerkmal mit großen Chancen für wissenschaftliche Durchbruche. Das GK hat Anknüpfungspunkte an zwei Fakultäten der OVGU, an ein Max-Planck-Institut und an mehrere nationale und internationale Forschungsaktivitäten in verschiedenen wissenschaftlichen Communities. Die Studierenden im GK werden in einer Fülle von mathematischen Methoden und Konzepten ausgebildet und erlangen dadurch die Fähigkeit, herausfordernde Aufgaben zu losen. Wir erwarten weiterhin Erfolge in der Forschung und in der Ausbildung der nächsten Generation führender Wissenschaftler in Akademia und Industrie.
2017 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Mathematical Complexity Reduction
In the context of the proposed RTG we understand complexity as an intrinsic property that makes, it difficult to determine an appropriate mathematical representation of a real world problem, to assess the fundamental structures and properties of mathematical objects, and to algorithmically solve a given mathematical problem. By complexity reduction we refer to all approaches that help to overcome these difficulties in a systematic way and to achieve the aforementioned goals more efficiently., For many mathematical tasks, approximation and dimension reduction are the most important tools to obtain, a simpler representation and computational speedups. We see complexity reduction in a more general way and, will also, e.g., investigate liftings to higher-dimensional spaces and consider the costs of data observation., Our research goals are the development of cross-disciplinary mathematical theory and methods for complexity, reduction and the identification of relevant problem classes and effective exploitation of their structures., We aim at a comprehensive teaching and research program based on geometric, algebraic, stochastic, and, analytic approaches, complemented by efficient numerical and computational implementations. In order to, ensure the success of our doctoral students, they will participate in a tailored structured study program. It will, contain training units in form of compact courses and weekly seminars, and encourage early integration into the, scientific community and networking. We expect that the RTG will also serve as a catalyst for a dissemination, of these successful practices within the Faculty of Mathematics and improve the gender situation., Complexity reduction is a fundamental aspect of the scientific backgrounds of the principal investigators., The combination of expertise from different areas of mathematics gives the RTG a unique profile, with high, chances for scientific breakthroughs. The RTG will be linked to two faculties, a Max Planck Institute, and, several national and international research activities in different scientific communities., The students of the RTG will be trained to become proficient in a breadth of mathematical methods, and, thus be ready to cope with challenging tasks in particular in cross-disciplinary research teams. We expect an, impact both in terms of research successes, and in the education of the next generation of leading scientists in, academia and industry.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
OTU-Deubiquitinylasen
In dem Projekt wird das Ausmaß der suppressiven/regulatorischen Kapazität verschiedener OTUs auf die molekulare Dynamik der klassischen und alternativen NF-kB-Regulation und den apoptotischen Zelltod bei einer, H. pylori, -Infektion untersucht. Einschichtige 2D-Magenorganoide ermöglichen es, die funktionelle Spezifität der OTUs in primären Zellen zu erforschen. Mittels CRISPR/Cas9-Technologie werden eine Reihe von Knock-out-Organoide für bestimmte OTUs generiert, sowie ein DUB-spezifischer CRISPR/Cas9-Screen durchgeführt. Die Expression von NF-kB-regulierenden OTUs wird zudem in menschlichen Magenbiopsien untersucht, um die veränderte Expression mit dem Krankheitsstatus zu korrelieren. Die Entschlüsselung der Rolle von DUB-Enzymen bei der NF-kB Kontrolle, dem Zellüberleben und der Magenpathologie bei einer, H. pylori, -Infektion wäre ein bedeutender Fortschritt zum Verständnis der Entstehung menschlicher Magenerkrankungen.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Project 8: Intimate interaction of monocytes/macrophages with resident kidney cells in maladaptive tubular damage
Tubular cells are metabolically highly active and responsive to "external stimuli” by direct contact to urine outflow. Activated tubular cells release mediators affecting local and recruited immune cells, aiming to maintain a balanced milieu. However, if errant, these processes lead to maladaptive responses involving tubular cells, pericytes, and endothelial cells resulting in renal fibrosis and vascular rarefication. Our preliminary data demonstrate that cold shock proteins (e.g. YB-1) largely control monocytic cell recruitment to activated tubular cells. The mechanisms through which YB-1 regulates the tubular cell phenotype, e.g. its impact on gene expression and PTMs, remain unknown. Furthermore, the mechanistic relevance of YB-1 for monocyte recruitment, and phenotypic changes, pericyte-phenotype, and peri-tubular capillaries remains unclear. We hypothesize that YB-1 regulates the tubular secretome and thus the peritubular micromilieu, modulating the phenotype of adjacent cells and the recruitment of monocytes in chronic kidney disease. We speculate that YB-1 activity is persistently posttranslationally modulated (e.g. acetylation, ubiquitination). To address these questions we will analyze chronic kidney injury models in mice lacking YB-1 or the YB-1 target Notch3 specifically in tubular cells (cooperation with Project 5). YB-1 dependent gene expression (expression profiling and ChIP analyses) and the tubular secretome (BIOPLEX) will be determined in cooperation with Project 9. The regulation of YB-1 stability and function through post-translational modifications will be analyzed in cooperation with Project 1, Project 2, and Project 7. Structure-function in vitro analyses will be conducted to delineate the mechanistic relevance of these post-translational modifications. Kinetic analyses will enable us to determine the relevance of YB-1 modifications for disease perpetuation. To this end ex vivo approaches with co-culture systems will be conducted (including primary tubular cells from wt and genetically modified mice). The relevance of YB-1 in tubular cells or monocytes for peritubular capillary rarefication will be analyzed in cooperation with Project 4 using state of the art in vivo imaging. In a translational approach human tissue samples will be analyzed to validate the findings.
2022 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Zugehörigkeit. Die Geschichte der Adoption von Kindern (1945/9-2000)
Die Frage nach der Zugehörigkeit zu einer Familie, zu einer ethnischen oder religiösen Gruppe oder zu einem Staat ist immer brisant. Der Fokus der derzeitigen Flüchtlingspolitik und die weltweite Zunahme von isolationistischen, nationalistischen und identitären Parteien zeugen davon, wie aufgeheizt dieses Thema sein kann., Solche Debatten über Zugehörigkeit, Herkunft und Identität spielten eine wesentliche Rolle in der Geschichte der Adoption von Kindern. Hier wurden politische Vorgaben und gesellschaftliche Diskussionen mit psychologischen und medizinischen Annahmen über das gesunde Aufwachsen und die Herstellung familiärer Bindung und Liebe verbunden und in Praktiken übersetzt, die darüber entschieden, welches Kind in welche Familie kam und wie dieses Kind zum „eigenen“ Kind wurde. Zugleich ging es kontinuierlich um Grenzziehungen und Ausschluss: Wer konnte oder durfte kein Kind aufziehen? Wer sollte nicht adoptiert werden? Schließlich bewegte sich die Adoption von Kindern in einem immer wieder neu vermessenen Spannungsfeld: zwischen humanitären Interventionen zum Wohlergehen des Kindes, normativen Vorstellungen über Asozialität und Erziehungsunfähigkeit, den Wünschen elternloser Paare nach einem Kind sowie – in der Bundesrepublik – der Logik eines zunehmend internationalen Adoptionsmarktes., Dieses Projekt stellt die erste übergreifende Erforschung der Geschichte der Adoption von Kindern in der DDR und der Bundesrepublik bis in die Transformationszeit der 1990er Jahre dar. Es stützt sich auf ein innovatives methodisches Design, das verschiedene Quellengenres und -zugänge miteinander kombiniert und u.a. Verwaltungsakten, Dokumente von Adoptionsagenturen, Ratgeber, Kinderliteratur, wissenschaftliche Aufsätze aus Psychologie, Psychiatrie und Sozialarbeit sowie Ego-Dokumenten konsultiert. Ein Teil der Studie basiert auf lebensgeschichtlichen Interviews.
2023 bis 2026
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
An integrated semiconductor platform for the implementation and study of higher-order exceptional points
Die Übertragung grundlegender Konzepte offener Wellen- oder Quantensysteme auf hochintegrierte Festkörperbauelemente ist sowohl für ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Physik als auch für neue Technologien von größter Bedeutung. In den letzten Jahren sind nicht-hermitsche Systeme in den Fokus gerückt, darunter auch solche, die Parität-Zeitumkehr-Symmetrie aufweisen. Der Hauptgrund für das steigende Interesse sind die sogenannten exzeptionellen Punkte (EPs) im Parameterraum, d. h. exotische Entartungen, bei denen zwei oder mehr Energieeigenwerte und die dazugehörigen Eigenzustände zusammenfallen. Neben einer Reihe interessanter grundlegender Aspekte bergen diese Entartungen ein großes Potenzial für hochempfindliche Sensoren. Potenziell noch mehr, wenn man von EPs zweiter Ordnung zu EPs n-ter Ordnung übergeht, bei denen n Eigenwerte und -zustände zusammenfallen. Dieses interdisziplinäre Forschungsprojekt ist an der Grenze zwischen experimenteller Festkörperoptik und theoretischer nicht-hermitscher Photonik angesiedelt. Die Magdeburger Gruppe wird die Grundlagen und das theoretische Gerüst schaffen, indem sie die Theorie der gekoppelten Moden und numerische Simulationen einsetzt, um geeignete Parametersätze für EPs (höherer Ordnung) zu erhalten und das Potenzial für neuartige Sensoren zu simulieren und zu bewerten. Die Würzburger Gruppe wird ihre Expertise in der Halbleiter-Epitaxie und der Bauelementherstellung nutzen, um maßgeschneiderte EP-Bauelemente auf der Basis skalierbarer Gruppe-III-V-Materialien zu realisieren. Die Herstellung und Optimierung der Bauelemente wird eng mit den numerischen Simulationen verknüpft und effizient in einer iterativen Weise durchgeführt. Ziel dieses Projekts ist es, eine robuste und vielseitige integrierte Halbleiterplattform zu entwickeln, die es ermöglicht, das Konzept der EPs mit dem Mechanismus zur Erzeugung sogenannter exzeptioneller Oberflächen im Parameterraum und den daraus resultierenden robusten EPs zu kombinieren. Mit Hilfe von teilautomatisierter Bauteilcharakterisierung werden wir den Parameterraum abbilden und EPs zweiter und dritter Ordnung in Ringlaserbauteilen realisieren, die mit geeigneten Bus-Wellenleitern gekoppelt sind. Wir werden hochentwickelte spektroskopische Techniken einsetzen, um die Eigenschaften der hergestellten Bauelemente zu charakterisieren und die gewünschte n-te Wurzelskalierung der Systemreaktion auf Störungen zu demonstrieren. Mit Hilfe eines künstlichen Streukörpers, der sowohl lithografisch definiert als auch mobil ausgestaltet sein wird, werden wir die Sensor-Fähigkeiten dieser skalierbaren Bauelemente untersuchen. In einer späteren Phase des Projekts werden wir uns der Kartierung der Energieflächen in der Nähe der EPs zuwenden. So werden wir wertvolle Einblicke in die noch nicht gut verstandene Topologie um EPs höherer Ordnung erhalten, was unsere Forschung mit dem aufregenden neuen Gebiet der topologischen Photonik verbinden wird.
2021 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
ACCESS: Zugang zu sozialen Rechten in Deutschland, Frankreich und Europa
Unser Projekt hat zum Ziel, den Einfluss von Europäisierung auf die Bedingungen des Zugangs zu sozialen Rechten und Leistungen in Deutschland und Frankreich zu untersuchen - von Europäisierung, die die Repertoires zur Kompensation sozialer Ungleichheiten hin zu einem Repertoire des Kampfs gegen Diskriminierungen verschiebt. Das Konzept des social citizenship, worunter wir (i) eine Erzählung über soziale Kohäsion, (ii) eine Beziehung zwischen individueller Partizipation und sozialem Schutz und Status wie auch (iii) ein territorial konstituiertes Verhältnis verstehen, bietet hierfür ein innovatives analytisches Raster. Frankreich und Deutschland seit den 1950er Jahren bis heute sind als Vergleichskontexte gewählt worden, deren kontrastreichen Traditionen sozialer citizenship unterschiedliche Verflechtungen mit der Europäisierung eingehen. In Frankreich auf einem abstrakten Gleichheitsbegriff und einer universell verstandenen gesellschaftlichen Integration beruhend, die nach sozialem Status differenziert und dadurch konkrete Zielsetzungen des öffentlichen Handelns erlaubt. In Deutschland hingegen auf der Zugehörigkeit zu einer kulturellen Gemeinschaft basierend und generell an intermediäre Instanzen delegiert und dank dezentraler Organisation mehr Disparitäten erlaubend. Die sozialen Ungleichheiten und Diskriminierungen im Zugang zu sozialen Rechten untersuchen wir im Hinblick auf Frauen und Migranten. Diese beiden Bevölkerungsgruppen sind in beiden Ländern auf dem Arbeitsmarkt und im Kontext sozialer Sicherung historisch marginalisiert worden. Unser Projekt umfasst drei aufeinander aufbauende Ziele. 1. erarbeiten wir auf der Basis verfügbarer Literatur einen Überblick über (i) die Problematisierungsformen des Zugangs zu sozialen Rechten, (ii) die juristischen Kodifizierungen und (iii) die Politikinstrumente des öffentlichen Handelns bezüglich sozialer Ungleichheiten und Diskriminierungen aufgrund des Geschlechts, der Migration oder Ethnizität in Frankreich und Deutschland. 2. nehmen wir auf der Basis administrativer und juristischer Dokumente eine Bestandsaufnahme der europäischen Bestimmungen und Regulierungen des Zugangs zu sozialen Rechten und Leistungen vor. 3. gehen wir den Wirkungen der Europäisierungsprozesse auf die Definition und Regulierung sozialer Rechte und Leistungen in beiden Ländern nach - und zwar insbesondere im Hinblick auf die ausgewählten Bevölkerungsgruppen. Hierbei konzentrieren wir uns auf den Zeitraum nach 2000, nach der Verabschiedung der europäischen Antidiskriminierungsrichtlinie. Das Projekt hat zum Ziel, die Veränderungen, Anpassungen und Schwierigkeiten in der juristischen Kodifizierung und in der Entwicklung von Politikinstrumenten herauszuarbeiten, auf deren Basis Ungleichheiten kompensiert und gegen Diskriminierungen gekämpft werden. Wir arbeiten auf der Basis symmetrisch angelegter Fallstudien mit dem thematischen Fokus auf den Zugang zu sozialer Grundsicherung und beruflichen Fortbildungsmaßnahmen.
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Autonome Regelung einer Prozesskette zur CO2-Karbonisierung unter Verwendung von Bergbauabfällen
Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer autonomen und selbst-lernenden Prozesskette, um aus CO2, und Bergbauabfällen über die Karbonatbildung einen schwer löslichen Feststoff herzustellen. Dabei werden in vier Schritten, 1. Calcium- und Magnesiuminonen aus dem Mineral herausgelöst, 2. die entstandene Suspension filtriert, um 3. in der wässrigen Lösung bei einem pH-Wechsel-Prozess unter Zugabe von CO2, die gezielte Bildung von Calciumkarbonat und Magnesiumkarbonat hervorzurufen und dann 4. die Feststoffe abzuzentrifugieren., Dabei soll der Prozess auch bei Änderungen in den Anfangs- und Randbedingungen autonom, die optimalen Bedingungen zur gezielten Herstellung der Feststoffe finden und einstellen, um damit die gewünschten Produkteigenschaften zu erzielen und möglichst wenig Energie zu verbrauchen., Das Projekt ist eingebettet in den SPP2364 und wird gemeinsam mit Kollegen am KIT Karlsruhe und der TU Kaiserslautern bearbeitet.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Autonome Regelung einer Prozesskette zur Karbonatbildung aus CO2 unter Einsatz von Bergbauabfällen
Eine Prozesskette, beginnend mit der Auslösung von Calcium und Magnesium aus Begbauabfällen mit sauren Lösungen, der Filtration der Suspension bis hin zur Endverarbeitung der Lösung in einem pH-Wechsel-Prozess unter Einsatz von CO2 unter höherem Druck und Zugabe von Base zur gezielten Herstellung von Calcium- und Magnesiumkarbonat als schwerlöslichen Fällungsprodukten soll unter wechselden Bedingungen der Ausgangsmeatrialien und Prozessumgebung optimal gesteuert und autonom geregelt werden. In Kooperation mit der TU Kaiserslautern (Regelung) und des KIT (Auslösung und Filtration) soll in Magdeburg im Rahemn des SPP2364 der komplexe Prozess in einer Miniplant als Pilotanlage aufgebaut, detailliert untersucht und optimiert werden.
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Autonome Strukturbildung bei der Wirbelschichtsprühagglomerationen (SPP2364)
Im Rahmen des vorliegenden Projektes werden dynamische Modelle und Methoden der modellgestützten Prozessführung für die Partikelbildung durch Wirbelschichtsprühagglomerationen entwickelt und experimentell erprobt. Zentrale Zielsetzung ist die gezielte Einstellung gewünschter Partikelstrukturen mittels modellgestützter Prozessführung. Das Projekt ist im DFG Schwerpunktprogramm SPP 2364 Autonome Prozesse der Partikeltechnik angesiedelt und wird in Kooperation mit der AG Tsotsas von der Otto-von-Guericke-Universität und der AG Bück von der Friderich Alexander Universität Erlangen Nürnberg durchgeführt.
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Direct numerical simulations and data-driven analysis of ignition and combustion in realistic pre-chamber/ engine systems with NH3/H2 blend fuel
To facilitate carbon-free and low emission combustion in practical engine systems, this project investigates the transient ignition and turbulent combustion process in a realistic pre-chamber/engine geometry with NH3/H2 blend fuel. Direct numerical simulations (DNS) are carried out for this system with exascale computation on Supercomputers, generating a vast amount of high-fidelity data. Machine learning techniques are applied to accelerate the chemical kinetic computation in DNS. The realistic geometry is represented by the immersed boundary method. Data-driven analysis is done to investigate in detail the ignition characteristics and the multi-scale features of the turbulent flames. NOx emissions are also investigated. A better understanding of the practical pre-chamber/engine system using NH3/H2 fuel should be finally obtained, which would be useful for both fundamental academic research and practical applications.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
FOR 5228 Syntophagy - Teilprojekt RP9: NPY-mediated autophagy and the adaptation of hippocampal circuits to stress
The mammalian brain has an enormous capacity for structural and functional plasticity adjusting behavior to an ever-changing environment. This ability requires highly coordinated signaling, synchronized (de-)construction of synapses and adjustment of proteostasis in functional neuronal circuits. Maladaptive changes, arising from early-life adverse experiences, traumatic stress or neurodegenerative processes, can lead to neuropsychiatric conditions such as post-traumatic stress disorder (PTSD), depression or dementia., Neuropeptide Y (NPY) is well established as an anxiolytic and stress-reducing factor and NPY transmission in the dorsal dentate gyrus (DG) has been demonstrated by us and others to control fear memory salience and traumatic stress resilience. Moreover, recent evidence suggests that NPY might play a key role in synaptic preoteostasis, by regulating neuronal autophagy both in vertebrates and invertebrates and that this might explain its capacity to modulate long-term cellular changes in neural circuitry. In this project we will therefore study the role of NPY-induced autophagy in a local circuit relevant for stress adaptation and emotional and cognitive information processing., Specifically, in the DG-to-cornu ammonis (CA)3 system we will address mechanisms of behavioral induced autophagy in DG mossy fibers (MF) and their associated local NPY-secreting interneurons. The role of postsynaptic NPY-Y1 and pre-synaptic/autoregulatory NPY-Y2 receptors as well as intracellular and local circuitry signals will be examined. In addition, we will investigate the behavioral consequences of disturbed NPY-induced autophagy in these cells and ultimately aim to identify molecular and cellular processes that mediate NPY-induced adaptive changes and stress resilience. Our project intends to bridge a cellular and molecular analysis of autophagy to its involvement in adaptive cognitive and emotional brain function and is thereby interwoven with various other research projects of Syntophagy.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Gradual Functional Changes
With the advance of computer facilities and data storage warehouses, more and more data are being recorded continuously during a time, period or intermittently at plethora of discrete time points. These are, both examples of functional data, which furthermore embrace random, fields or manifolds. Our attention is devoted to stochastic functions, predominantly represented by random curves or surfaces, where, every function is considered as a single observation. These, observations are naturally ordered with respect to time and possibly, changing over time. The interest is not in an individual change within each curve, but in a change of the pattern across the sequence of, curves. Almost all existing change detection methods are designed to, discover abrupt breaks. Little attention has been paid to smooth, structural changes, which may be more realistic in practice. With the, vantage of functional analysis and empirical processes, we can, deploy advanced statistical tools like bootstrap or lasso to diagnose, the gradual change of functional form in the time series of random, curves.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Combination of a CD19 antibody of IgA isotype and CD47 inhibition for the treatment of BCP-ALL
In this project, we hypothesize that the combination of a CD19-IgA antibody with blockade of CD47 will result in improved recruitment of myeloid effector cells such as granulocytes and macrophages, and therefore better preclinical efficacy, in vivo, . The results of the proposed experiments will constitute the basis for the translation of clinical protocols combining anti-CD19-IgA constructs with CD47 blockade into early phase clinical trials in adult and pediatric ALL. Such strategies may be particularly relevant in subgroups with an urgent need for therapy optimization, such as, KMT2A, -rearranged disease at all ages.
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Nichtlineare Kapillarsysteme mit tensidebeladenen Grenzflächen
An Fluidgrenzflächen adsorbierte oberflächenaktive Substanzen sind allgegenwärtig und das Verständnis ihres subtilen, aber oft dominanten Einflusses ist daher für eine Vielzahl von technischen Anwendungen und Naturphänomenen von zentraler Bedeutung. Theoretische Untersuchungen zur physikalisch-chemischen Hydrodynamik von Kapillarsystemen mit Tensiden beschränkten sich bisher überwiegend auf einfache Tenside, Fälle ohne Topologieänderungen und kleine Reynolds-Zahlen. Infolgedessen gibt es kein umfassendes Verständnis des Einflusses von Oberflächenviskosität und Trägheit, der in technischen Anwendungen von der Biotechnik bis zur Fertigung wichtig ist, in Kapillarsystemen einschließlich Änderungen der Grenzflächentopologie. Dieses Projekt untersucht die grundlegenden physikalischen Mechanismen, die mit dem nichtlinearen Verhalten von tensidbeladenen Kapillarsystemen verbunden sind, und konzentriert sich auf den subtilen, aber wichtigen Einfluss der Oberflächenviskosität sowie die Entwicklung von Kapillarinstabilitäten und -fragmentierung., Dies wird zu einem detaillierteren Verständnis der Wechselwirkung von Oberflächenviskosität und Trägheit mit der oberflächenspannungsdominierten Grenzflächenbewegung und ihrer Auswirkungen auf Topologieänderungen in Kapillarsystemen über einen weiten Bereich von Längenskalen beitragen. Um diese Strömungen zu untersuchen, werden wir neue numerische Methoden zur Simulation von Grenzflächenströmungen mit unlöslichen Tensiden und Oberflächenviskosität im Bereich der Kontinuumsmechanik entwickeln, die, integriert in modernste numerische Simulationswerkzeuge, einen rationalen rechnerischen Rahmen für die genaue Modellierung oberflächenaktiver Substanzen stellen werden.
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Pro-Active Routing for Emergency Testing in Pandemics
A pandemic can immobilize municipalities within a short amount of time. The key is to discover and avoid spreading of infection clusters through fast and effective testing. An innovative idea implemented during the COVID-19 pandemic in metropolitan areas such as Vienna, Austria, is the employment of a workforce of mobile testers. This project deals with the operational management of such mobile testers and the resulting impact on the spread of a disease using COVID-19 as an example.Based on state-of-the-art multi-agent simulation models, we will generate and analyze data on the tem-poral and spatial spreading (descriptive analytics). With methods of predictive analytics, we will aggregate the data to a detailed information model with a particular focus on modelling correlation for testing de-mand. Using this, we will model and solve the dynamic tester routing with infection hot spots and correla-tion demand problem (TRISC) using methods of prescriptive analytics, esp. reinforcement learning. The obtained policies will be evaluated by the multi-agent simulation again.Hypotheses / research questions / objectivesThe following core research questions will be investigated: (1) How can data of the spread of highly infec-tious diseases like COVID-19 be analyzed and modeled for the purpose of dynamic workforce control? (2) How can we achieve an effective dynamic control of the workforce in reaction and in anticipation of the complex disease information? (3) When is anticipatory dynamic workforce control effective in containing the spread of pandemics?The problem at hand shows new and severe complexity in the information model of the demand (test requests) and in the decision model for the operational control. Deriving the demand information model (via predictive analytics) is complex because it must capture the spatial-temporal correlation of demand. The decision model for the problem is a novel stochastic and dynamic vehicle routing problem. Determin-ing high-quality decisions that integrate the information model (via prescriptive analytics) is therefore additionally challenging. The evaluation by an established agent-based simulation is particularly excep-tional for this research field.The project will be conducted by Jan Fabian Ehmke (JE, Universität Wien), Marlin Ulmer (MU, Technische Universität Braunschweig), and Niki Popper (NP, Technische Universität Wien). JE will serve as coordina-tor and is responsible for tasks of predictive analytics. MU leads the project part on prescriptive analytics for dynamic vehicle routing. NP will contribute with an agent-based simulation that supports the creation of the predictive information model and the evaluation of dynamic and stochastic disease sampling. This will provide unique opportunities to extend current methods including their evaluation in the urgent ap-plication of disease routing.
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Dynamische Eigenschaften anisotroper magnetischer Fluide
Weiche multifunktionale Materialien eröffnen neue Wege für das Design intelligenter Bauelemente, die auf verschiedene Stimuli, wie elektrische und magnetische Felder, mechanische Deformation und chemische Reize reagieren. Magnetische Nanokomposite, die auf Flüssigkristallen basieren, sind sehr vielversprechende Systeme, da die Flüssigkristallstruktur die magnetische Ordnung stabilisieren kann. Jüngste Demonstrationen der spontanen ferromagnetischen Ordnung im Flüssigkristallzustand gestatteten das Design neuer optischer Materialien, die sehr empfindlich auf magnetische Felder reagieren. Unser Projekt setzt die Verfolgung der Ziele der ersten Förderperiode fort mit dem Fokus, die Dynamik und Selbstorganisationsmechanismen in anisotropen Flüssigkeiten mit magnetischer Ordnung zu verstehen. Der neue Antrag baut auf den Erfolgen und den neuen Erkenntnissen beim Studium der Dynamik von Dispersionen magnetischer Nanoplättchen auf, die in der ersten Förderperiode unter Anwendung der AC-Suszeptometrie sowie mechanischen, magnetischen und optischen Untersuchungen im rotierenden Magnetfeld gewonnen wurden. In der neuen Förderperiode werden wir die Untersuchungen an Nanoplättchen enthaltenden magnetischen Flüssigkeiten fortsetzen und die Rolle von Matrix-vermittelten Wechselwirkungen und der Wirkung von räumlichen Beschränkungen auf die Selbstorganisation untersuchen sowie den Charakter von Matrix-vermittelten Kopplungen studieren sowie rheologische Untersuchungen durchführen. Insbesondere werden wir den Einfluss von Grenzflächenverankerungen auf die Struktur und Dynamik von räumlich eingeschränkten Ferronematen und ferromagnetischen Nematen, wie Mikrotröpfchen, erforschen. Die Verwendung von Mischungen von thermotropen Nematen mit Nanoplättchen wird uns gestatten, aktive magnetische Emulsionen zu produzieren und untersuchen, in denen Mikrotröpfchen in der Anwesenheit von Tensiden mit Konzentrationen oberhalb der kritischen mizellaren Konzentration angetrieben werden. Die Anwendung von vor Kurzem entdeckten ferroelektrischen Nematen als Matrix für die ferromagnetischen Nanoplättchen wird uns die Präparation multiferroischer Materialien gestatten, die die Eigenschaften von flüssigen Ferroelektrika und Ferromagneten kombinieren. Der eingereichte Projektantrag liefert eine einzigartige Möglichkeit, unser Verständnis von flüssigen ferromagnetischen Materialien zu erweitern, was sowohl für die Grundlagenforschung als auch für technologische Anwendungen essentiell ist.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Schubspannungen an festen und elastischen Oberflächen durch Ultraschallkavitation
Interest in bubble-induced shear stress is motivated by a variety of technological, chemical and biomedical applications, where this effect is used. Ultrasonic cleaning, micromixing of liquids, intensification of chemical reactions and heat-exchange processes are examples of such applications in the engineering field. In the biomedical field, ultrasound-mediated drug delivery, ultrasound-induced blood-brain barrier opening, bacteria lysis or disinfection are examples of bubble-mediated bioeffects. During decades research works mainly focused on the violent mechanisms resulting from bubble collapses, including shockwave emissions and the generation of microjets. Recent sensitive applications have demonstrated that purely oscillating bubbles may also produce significant mechanical effects on rigid or elastic surfaces through the generation of shear stress. This shear stress results from the liquid flows created in vicinity of the oscillating bubbles. Up to now, the influence and modification of surfaces by bubble-induced shear stress has been mostly investigated qualitatively. The quantitative measurement of shear stress, as well as the potential control of the force exerted by an oscillating or a collapsing bubble near rigid and elastic surfaces, remain challenging., The CaviStress project consequently focuses on the quantification of bubble-induced shear stress, through theoretical, numerical and experimental investigations of the interplay between a cavitation bubble and an in-vicinity interface. The main objective of the project is the control and optimization of wall shear stresses induced by cavitating bubbles, and its application in two different fields: (i) the particle removal on solid surfaces, and (ii) the molecular uptake into biological cells., We investigate theoretically and numerically the shear stress induced by oscillating and collapsing bubbles both in bulk fluid and near rigid or elastic walls. The bubble-induced liquid flows are derived theoretically. The fundamental findings are compared to controlled experiments, from the single bubble case to a realistic multi-bubble streamer where turbulence and mixing occur. Once the liquid flows are characterized, the shear stress is theoretically and numerically quantified. Experimental investigation of the impact of shear stress on rigid walls focuses on its scaling dependence, thus allowing to identify parameter ranges where damage-free cleaning of sensible surfaces is feasible. In parallel, experimental studies of the shear stress on elastic walls focus on the internalization of molecules into biological cells by evaluating the cell poration efficiency from well controlled oscillating or collapsing bubbles. The expected quantification and differentiation of the bubble-induced mechanical effects paves the path to improved ultrasound-based procedures for cleaning and drug delivery through bubbles.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Autonomous structure formation rocesses in spray fluidized bed agglomeration
Recent progress in spray fluidized bed agglomeration enables to model kinetics and particle formation during the process. With minimal amount of empirical information on the influence of operating conditions on fractal dimension, agglomerates can be produced in silico, even printed out in 3D. Such advanced technologies shall be applied to the continuously operated process, in combination with new methods for inline monitoring and automatic control. The goal is to automatic control. The goal is to autonomously run the process towards desired agglomerate structures and structure-dependent end-user properties.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Continuum model with gas-liquid interfacial area for evaporation in porous media
The drying kinetics of porous materials is influenced by the liquid-gas interfaces (menisci) developed and displaced in the course of drying. This project seeks to incorporate the liquid-gas interfacial area into continuum models of drying by combination of state of the art of pore network modeling, pore network simulations, and new experiments.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Modellierung und Quantifizierung von Effektgrößen für faktorielle Daten in der Überlebenszeitanalyse -Teil II
Ziel dieses Vorhabens ist es, den erfolgreichen Weg der ersten Projektphase fortzusetzen und biostatistische Verfahren zur Effektquantifzierung in komplexen Designs mit 'time-to-event' Endpunkten (weiter) zu entwickeln. Diese sind motiviert durch interdisziplinäre Kooperationen der PIs mit medizinischen Kollegen von nationalen Universitätskliniken sowie auftretenden Problemen mit existierenden Verfahren aus der Literatur. Ein besonderer Fokus liegt deshalb auf gut interpretierbaren Estimands wie dem RMST (restricted mean survival time) sowie Situationen mit nichtproportionalen Hazards und/oder konkurrierenden Risiken wie sie bspw. in der Onkologie (insbesondere bei neuartigen Immuntherapien), bei bestimmten Autoimmunerkrankungen (wie multipler Sklerose) oder chronischen Atemwegserkrankungen (wie Asthma im Kindesalter) auftreten können., Um für solche Settings vertrauensvolle biostatistische Inferenzmethoden (Punktschätzer, Konfidenzintervalle und -bereiche sowie Tests) zu entwickeln, werden auf methodischer Ebene bspw. permutations- und bootstrapbasierte Verfahren mit modernen Techniken der nichtparametrischen Statistik, des multiplen Testens und des maschinellen Lernens kombiniert. In ausgiebigen Simulationsstudien, gemeinsamen Analysen mit interdisziplinären Kooperationspartnern /innen sowie rekonstruierten Daten von aktuellen Studien wird die Methodik hinsichtlich Praktikabilität und Effizienz optimiert. Im Anschluss werden die Verfahren in R-Pakten und nutzerfreundlichen shiny-Apps einer breiten Maße von Biometrikern/innen zur flexiblen Analyse von komplexen 'time-to-event'-Daten zur Verfügung gestellt. Ausführliche Guidelines sowie eingängliche Zeitschriften-Artikel ermöglichen den einfachen und unmittelbaren Zugang zur Software.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Optimierung des Betriebs von Wirbelschichtverfahren mittels maschinellen Lernens
Wirbelschichtverfahren sind die Basis für viele Anwendungen, bei denen eine schnelle Vermischung, Wärme- und Stoffübertragung zwischen Gas und Feststoffpartikeln erforderlich ist. Ihre Leistung hängt weitgehend von der Blasendynamik ab: aufsteigende Blasen treiben die Feststoffzirkulation an und verbessern den Gas-Feststoff-Kontakt erheblich, wodurch Misch-, Reaktions- und Transporteigenschaften verbessert werden. Dabei werden bisher fast alle Wirbelschichten mit einem gleichförmigen Gasstrom betrieben. Aktuelle wissenschaftliche Arbeiten zeigen jedoch, dass der Betrieb einer Wirbelschicht mit einer alternierenden Gasströmung (z.B. sinusförmige, Gasfluidisierungsgeschwindigkeit) zu unterschiedlichen Blasenmustern und -dynamiken führt. Ziel dieses Projekt ist es, die Blasen in einer Wirbelschicht durch Anwendung von Methoden der Künstlichen Intelligenz, (KI) wie evolutionäre Algorithmen und genetische Programmierung zu kontrollieren. Wir werden unsere Wirbelschicht im Labormaßstab mit Kamerasystem und Berechnungsmodellen im Euler-Euler- und Euler-Lagrange-Verfahren verwenden, um die Dynamik von Blasen in der Wirbelschicht zu erfassen, während die Wirbelgasgeschwindigkeit räumlich und zeitlich variiert wird. Zunächst werden diese Ergebnisse verwendet, um das optimale Zuflusssmuster für gegebene Zielfunktionen zu finden., Die Herausforderung für die KI-Algorithmen besteht darin, das richtige Gleichgewicht zwischen den zeitintensiven experimentellen Daten und den Simulationsdaten zu finden, um das erforderliche Fluidisierungsgeschwindigkeitsprofil effizient bereitzustellen. Darüber hinaus werden wir mehrere widersprüchliche Zielfunktionen mithilfe von multikriteriellen Optimierungsalgorithmen betrachten. Zweitens werden die KI-Algorithmen verwendet, um durch Steuerung und Kontrolle des Geschwindigkeitsprofils eine optimale Blasengröße und Dynamik zu erhalten. Die Möglichkeit, das Verhalten der Blasen in einer Wirbelschicht zu kontrollieren, ermöglicht die Verbesserung von unter anderem Produktqualität, Effizienz und Selektivität des Verfahrens.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Oxide dispersion strengthened and oxidation resistant Vanadium alloys
Das, komplexe Oxidationsverhalten, von Vanadium ist der Grund dafür, dass Vanadiumbasis-Legierungen trotz ihrer hohen Festigkeiten bei gleichzeitig geringer Dichte bisher praktisch nicht für einen Einsatz bei hohen Temperaturen in Erwägung gezogen werden können. Hinzu kommt, dass Vanadat sehr leicht zwischen verschiedenen Oxidationsstufen wechselt und dadurch die Hochtemperaturkorrosion von Ni-, Co- oder Fe-Basiswerkstoffen extrem beschleunigt, besonders, wenn es in geschmolzener Form vorliegt. Damit schließt sich auch ein Einsatz von aktuellen Vanadiumlegierungen im Umfeld dieser Werkstoffe aus., Um Vanadiumlegierungen bei hohen Temperaturen einsetzbar zu machen, soll daher ein völlig neuartiger und, innovativer Ansatz zum Oxidationsschutz, bei, gleichzeitiger, Oxidpartikelverstärkung, verfolgt werden: Die Entwicklung von Mg- und Ca-haltigen Oxidpartikeln zur Herstellung von oxidationsbeständigen ODS-Vanadium-Silizium Legierungen. Die in ausreichender Konzentration eingebrachten ODS-Partikel sollen die Flüssigphasenbildung bei hohen Temperaturen verhindern. Gleichzeitig wird durch die ODS-Partikel ein festigkeitssteigernder Effekt erwartet, der im potentiellen Anwendungsgebiet solcher Legierungen von Raumtemperatur bis 1050 °C quantifiziert werden soll., In dem Vorhaben soll geklärt werden, (1) bis zu welchem Volumenanteil von MgO-, CaO- oder Magnesiumorthosilikat-Partikeln sich homogene Gefüge in Vanadiumwerkstoffen einstellen lassen, (2) wie hoch die notwendige MgO-, CaO- oder Magnesiumorthosilikat-Konzentration ist, um die Flüssigphasenbildung zu verhindern bzw. um einen selbstschützenden Mechanismus zu provozieren, (3) wie groß der festigkeitssteigernde Effekt durch die Zugabe von Oxiddispersoiden ist und wie sich die ODS-Partikel auf das Kriechverhalten von Vanadiumlegierungen auswirken.
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Strategien zur dynamischen Adaption der Diskretisierung basierend auf höherwertigen Übergangselementen für die Analyse von Wellenausbreitungsvorgängen mittels Hochleistungsrechnern
Methoden der adaptiven Netzverfeinerung (AMR) sind in vielen industriellen und auch wissenschaftlichen Anwendungen unbedingt erforderlich, um den numerischen Aufwand zu reduzieren und dadurch komplexe Problemstellungen überhaupt erst handhabbar zu machen. Betrachtet man jedoch die gegenwärtige Literatur zum Thema AMR, kristallisieren sich einige Unzulänglichkeiten heraus, die noch gelöst werden müssen. Um eine lokale Netzverfeinerung zu erreichen, müssen entweder hybride Netze bestehend aus Simplex- und Tensor-Produkt-Elementen oder Zwangsbedingungen genutzt werden. Beide Ansätze führen jedoch unweigerlich zu lokalen Genauigkeitsverlusten. Darüber hinaus werden in industriellen Anwendungen oft lineare Ansatzfunktionen verwendet, weshalb nur eine algebraische Konvergenz erzielt werden kann. Im wissenschaftlichen Umfeld gibt es selbstverständlich auch Ansätze für eine vollständige hp-Adaptivität. Diese Verfahren sind aber aufgrund ihrer Komplexität in der Implementierung auf Netze mit einem hängenden Knoten pro Elementkante/-fläche ausgelegt und weisen Schwächen in der Anwendung auf hoch dynamische Prozesse (explizite Zeitintegration) auf, da diagonale Massenmatrizen nicht verfügbar sind. Anzumerken ist, dass im Vergleich zu einfachen h-Verfeinerungen aber exponentielle Konvergenzraten erreicht werden können. Die genannten Probleme können durch höherwertige Übergangselemente, die auf der Basis der sogenannten gemischten (transfiniten) Interpolation hergeleitet werden, leicht beseitigt werden. Die Elementformulierung beruht auf Vierecks- bzw. Hexaederelementen im Referenzgebiet und kann beliebige Diskretisierungen miteinander koppeln. Im Prinzip können verschiedenste Elementfamilien gekoppelt werden, die sich nicht nur in Größe oder Ansatzordnung unterscheiden. Da der Funktionsraum nicht durch Zwangsbedingungen eingeschränkt werden muss, müssen auch keine Kompromisse hinsichtlich der Genauigkeit eingegangen werden. Für hochfrequente, transiente Berechnungen werden in diesem Projekt außerdem noch geeignete Methoden zur Diagonalisierung der Massenmatrix erarbeitet. Die entstandene Elementfamilie bildet die Basis für dynamische Netzverfeinerungen. Das besondere Merkmal dieses Ansatzes ist die gezielte Kombination von Verfeinerungs- und Vergröberungsschritten, die in jedem Zeitschritt der Simulation ausgeführt werden. Damit können optimale Konvergenzraten unter möglichst geringem numerischen Aufwand erzielt werden. Um die Effizienz der entwickelten Technik weiter zu steigern, werden die Algorithmen für Hochleistungsrechner aufbereitet. Die herausragenden Eigenschaften der vorgeschlagenen Methodik werden an ausgewählten Beispielen der Wellenausbreitung verdeutlicht. Dazu werden die kontinuierliche Strukturüberwachung mittels geführter Wellen in mikrostrukturierten Materialien und die Analyse seismischer Aktivitäten genutzt.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Technology-aware 3D Interconnect Architectures for heterogeneous SoCs manufactured in Monolithic 3D Integration
Monolithic 3D integration (M3D) is a disruptive technology for the design of 3D System-on-Chips. In contrast to more conventional 3D integration schemes, M3D permits a very dense integration of vertical interconnects between neighboring tiers. Together with extrinsic heterogeneity, i.e., the combination of tiers with different electrical characteristics, unprecedented opportunities for new architectural designs and extended system functionalities arise., These benefits have been proven by numerous works addressing processing elements and memories; yet, for on-chip communication architectures such as Network-on-Chips, only few related works exist. Further on, these works often neglect the significant impact of intrinsic heterogeneity caused by monolithic fabrication, such as process-related transistor degradations on higher tiers, interconnect degradations on lower tiers, or the non-uniform distribution of routing resources among tiers. Finally, previous works primarily exploit wire length reduction in 3D, yet do not consider the extended micro- and macroarchitectural design space., We want to address all of these shortcomings by analyzing how the characteristics of monolithic 3D integration affect the design of the microarchitecture of individual network components, and the architecture of the communication infrastructure. Furthermore, we will analyze the impact of these modifications and extended design options on the overall system architecture., The project will provide four specific contributions to the scientific community:, 1) It will provide systematic design guidelines and a set of architectural templates for optimized 3D interconnect architectures addressing extrinsic and intrinsic heterogeneity;, 2) it will provide models for formulating Network-on-Chip topology synthesis as an optimization problem;, 3) it will provide a toolset for supporting a systematic design space exploration, which accounts for all relevant M3D technology characteristics;, 4) it will demonstrate the optimization potential by means of two demonstrators, a Vision-System-on-Chip and a multiprocessor system., The main outcome of this project will be a deeper understanding on how the disruptive characteristics of Monolithic 3D integration can be exploited for improving the interconnect architecture in 3D integrated circuits. This allows for the design of optimized systems, not supported by current design concepts.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Rise, Fall, or Transformation of the Experience Society
Neuere Zeitdiagnosen zeichnen ein eher düsteres Bild der gesellschaftlichen Verhältnisse, so bspw. die "Flucht nach vorn: Die Erfolgskultur der Gegenwart" (Neckel 2008), die "Gesellschaft der Angst" (Bude 2014) oder die "Abstiegsgesellschaft" (Nachtwey 2016). Der Kontrast zu den Gesellschaftsdiagnosen vor der Jahrtausendwende ist beachtlich. Paradigmatisch für den Optimismus der 1980er und 1990er Jahre war die These der Erlebnisgesellschaft von Gerhard Schulze (1992): Angesichts des materiellen Überflus-ses für breite Schichten habe sich die Modernisierung von außen nach innen gewendet, weg von einer Orientierung auf Status und materiellen Erfolg hin zum fast spielerischen "Projekt des schönen Lebens". Infolge dessen seien auch soziale Ungleichheiten im Alltag der Menschen weitgehend irrelevant geworden, was Schulze als subjektive Entvertikalisierung bezeichnet. Konfrontiert mit den jüngsten Gegenwartsdiagnosen und der dort thematisierten steigenden ökonomischen Ungleichheit und Unsicherheit stellt sich daher die spannende Frage: Ist die Erlebnisgesellschaft schon wieder Geschichte? Oder leben wir immer noch - und vielleicht sogar mehr denn je - in einer Erlebnisgesellschaft? Oder hat sich die Gesellschaft angesichts neuer sozio-ökologischer Krisen und Herausforderungen (Stichworte: Nachhaltigkeit und Postwachstum) zuletzt in eine ganz andere Richtung entwickelt? In diesem Spannungsfeld der Zeitdiagnosen soll das beantragte Projekt eine Positionsbestimmung der deutschen Gesellschaft vor dem Hintergrund der Theorie der Erlebnisgesellschaft vornehmen, die im Jahr 2022 ihr 30-jähriges Jubiläum feiert. Wir erforschen, ob der Wandel zur Erlebnisgesellschaft trotz fragiler gewordener Rahmenbedingungen immer noch intakt ist (Szenario "Aufstieg der Erlebnisgesellschaft") oder sich wieder umgekehrt hat (Szenario "Fall der Erlebnisgesellschaft"). Dabei ist das Projekt auch offen für die Möglichkeit, dass die Gesellschaft mit dem neuen existenziellen Problem des "nachhaltigen Lebens" eine neue Entwicklungsrichtung eingeschlagen hat (Szenario "Transformation der Erlebnisgesellschaft").Um diese Positionsbestimmung vornehmen zu können, stellt das Projekt zwei Grundannahmen der Schulze’schen Theorie in den Mittelpunkt: die der innengerichteten Modernisierung in Richtung Erlebnisorientierung sowie die der subjektiven Entvertikalisierung der Gesellschaft. Diese Grundannahmen überprüfen wir bevölkerungsrepräsentativ im Zeitverlauf (ab ca. 1980 bis heute) für Deutschland und zusätzlich mit aktuellen Querschnittsdaten im internationalen - v. a. europäischen - Ländervergleich (ab ca. 2000 bis heute). Das Forschungsvorhaben ist in großen Teilen sekundäranalytisch angelegt, nur für das Thema der Transformation planen wir eine explorative Primärdatenerhebung. Unser Projekt ist nicht nur zeitdiagnostisch hochrelevant, sondern stellt, von vereinzelten Arbeiten abgesehen, seit langem ein soziologisches Forschungsdesiderat dar., https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/465345673
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Rise, Fall or Transformation of the Experience Society?
Neuere Zeitdiagnosen zeichnen ein eher düsteres Bild der gesellschaftlichen Verhältnisse, so bspw. die "Flucht nach vorn: Die Erfolgskultur der Gegenwart" (Neckel 2008), die "Gesellschaft der Angst" (Bude 2014) oder die "Abstiegsgesellschaft" (Nachtwey 2016). Der Kontrast zu den Gesellschaftsdiagnosen vor der Jahrtausendwende ist beachtlich. Paradigmatisch für den Optimismus der 1980er und 1990er Jahre war die These der Erlebnisgesellschaft von Gerhard Schulze (1992): Angesichts des materiellen Überflus-ses für breite Schichten habe sich die Modernisierung von außen nach innen gewendet, weg von einer Orientierung auf Status und materiellen Erfolg hin zum fast spielerischen "Projekt des schönen Lebens". Infolge dessen seien auch soziale Ungleichheiten im Alltag der Menschen weitgehend irrelevant geworden, was Schulze als subjektive Entvertikalisierung bezeichnet. Konfrontiert mit den jüngsten Gegenwartsdiagnosen und der dort thematisierten steigenden ökonomischen Ungleichheit und Unsicherheit stellt sich daher die spannende Frage: Ist die Erlebnisgesellschaft schon wieder Geschichte? Oder leben wir immer noch - und vielleicht sogar mehr denn je - in einer Erlebnisgesellschaft? Oder hat sich die Gesellschaft angesichts neuer sozio-ökologischer Krisen und Herausforderungen (Stichworte: Nachhaltigkeit und Postwachstum) zuletzt in eine ganz andere Richtung entwickelt? In diesem Spannungsfeld der Zeitdiagnosen soll das beantragte Projekt eine Positionsbestimmung der deutschen Gesellschaft vor dem Hintergrund der Theorie der Erlebnisgesellschaft vornehmen, die im Jahr 2022 ihr 30-jähriges Jubiläum feiert. Wir erforschen, ob der Wandel zur Erlebnisgesellschaft trotz fragiler gewordener Rahmenbedingungen immer noch intakt ist (Szenario "Aufstieg der Erlebnisgesellschaft") oder sich wieder umgekehrt hat (Szenario "Fall der Erlebnisgesellschaft"). Dabei ist das Projekt auch offen für die Möglichkeit, dass die Gesellschaft mit dem neuen existenziellen Problem des "nachhaltigen Lebens" eine neue Entwicklungsrichtung eingeschlagen hat (Szenario "Transformation der Erlebnisgesellschaft").Um diese Positionsbestimmung vornehmen zu können, stellt das Projekt zwei Grundannahmen der Schulze’schen Theorie in den Mittelpunkt: die der innengerichteten Modernisierung in Richtung Erlebnisorientierung sowie die der subjektiven Entvertikalisierung der Gesellschaft. Diese Grundannahmen überprüfen wir bevölkerungsrepräsentativ im Zeitverlauf (ab ca. 1980 bis heute) für Deutschland und zusätzlich mit aktuellen Querschnittsdaten im internationalen - v. a. europäischen - Ländervergleich (ab ca. 2000 bis heute). Das Forschungsvorhaben ist in großen Teilen sekundäranalytisch angelegt, nur für das Thema der Transformation planen wir eine explorative Primärdatenerhebung. Unser Projekt ist nicht nur zeitdiagnostisch hochrelevant, sondern stellt, von vereinzelten Arbeiten abgesehen, seit langem ein soziologisches Forschungsdesiderat dar.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
A Common Storage Engine for Modern Memory and Storage Hierarchies
Scientific research is increasingly driven by data-intensive problems. As the complexity of studied problems is rising, so does their need for high data throughput and capacity. The globally produced data volume doubles approximately every two years, leading to an exponential data deluge. This deluge then directly challenges database management systems and file systems, which provide the foundation for efficient data analysis and management. These systems use different memory and storage devices, which were traditionally divided into primary, secondary and tertiary memory. However, with the introduction of the disruptive technology of non-volatile RAM (NVRAM), these classes started to merge into one another leading to heterogeneous storage architectures, where each storage device has highly different performance characteristics (e.g., persistence, storage capacity, latency). Hence, a major challenge is how to exploit the specific characteristics of memory devices., To this end, SMASH will investigate the benefits of a common storage engine that manages a heterogeneous storage landscape, including traditional storage devices and non-volatile memory technologies. The core for this storage engine will be B-epsilon-trees, as they can be used to efficiently exploit these different devices. Furthermore, data placement and migration strategies will be investigated to minimize the overhead caused by transferring data between different devices. Eliminating the need for volatile caches will allow data consistency guarantees to be improved. From the application side, the storage engine will offer key-value and object interfaces that can be used for a wide range of use cases, such as high-performance computing (HPC) and database management systems. Moreover, due to the widening gap between the performance of computing and storage devices as well as their stagnating access performance, data reduction techniques are in high demand to reduce the bandwidth requirements when storing and retrieving data. We will, therefore, conduct research regarding data transformations in general and the possibilities of external and accelerated transformations. As part of SMASH, we will provide a prototypical standalone software library to be used by third-party projects. Common HPC workflows will be supported through an integration of SMASH into the existing JULEA storage framework, while database systems can use the interface of SMASH directly whenever data is stored or accessed.
2021 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Research Group 5228 "Syntophagy” Project RP9: NPY-mediated autophagy and the adaptation of hippocampal circuits to stress
Recent findings suggest that neuropeptide Y (NPY) can regulate autophagy in neurons from both vertebrate and invertebrate animals. This ability could explain how NPY can induce long-term cellular changes in neural circuits. In addition to the Syntophagy project RP8, which investigates the non-cell-autonomous metaplastic effects of NPY, we focus here on the role of NPY-induced autophagy in a local circuit for stress adaptation and for processing emotional and cognitive information in the dentate gyrus (DG) -to- Cornu-Ammonis (CA) 3 system. We will investigate mechanisms of behavior-induced autophagy in DG moss fibers (MF) and the associated local NPY-secreting interneurons. We will also determine the behavioral effects of impaired NPY-induced autophagy in these cells and ultimately identify molecular substrates that mediate these adaptive changes. In our project we intend, in close collaboration with various other Syntophagy projects, to combine a cellular and molecular analysis of stress-induced autophagy with the elucidation of its role in adaptive cognitive and emotional functions.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Optimierung des Betriebs von Wirbelschichtverfahren mittels maschinellen Lernens
Fluidized beds are the basis for scores of applications in which fast mixing, heat and mass transfer of gas and solid particles are essential. Their performance largely relies on the bubble dynamics: rising bubbles drive the solids circulation and significantly enhance gas-solids contact, improving mixing, reactions, and transport properties. So far, almost all fluidized beds are operated with a uniform gas flow. However, some recent academic work shows that operating a fluidized bed with an alternating gas flow (e.g. sinusoidal gas fluidisation velocity) leads to different bubble patterns and dynamics. In this project, we aim to control the bubbles in a fluidized bed, by application of computational intelligence (CI) methodologies such as evolutionary algorithms and genetic programming. We will use our lab-scale fluidized bed with camera system and our model developments in the Eulerian-Eulerian and Eulerian-Lagrangian frameworks to capture the dynamics of bubbles in the fluidized bed as the fluidizing gas velocity is spatio-temporally varied. Firstly, these results will be used to find the optimal inflow-pattern for given target functions. The challenge for the CI algorithm is to find the right balance between the computationally and timely intensive experimental data and the simulation data to efficiently deliver the required fluidization velocity profile. In addition, we aim to address multiple conflicting target functions using multi-objective optimization algorithms. Secondly, the CI algorithm will be used to steer and control the velocity profile, to obtain a specified bubble size and dynamics. Being able to control the behavior of the bubbles in a fluidized bed will significantly improve the desired outcome, such as product quality, efficiency and selectivity of the process, to name a few.
2021 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Stochastic Optimisation of Urban Delivery Systems with Micro Hubs
To compete with e-commerce giants such as Amazon, many local businesses start to offer fast same-day delivery, often within a few hours after an order was placed. Deliveries are conducted by local delivery fleets. However, the narrow delivery times and the geographical spread of pickup and delivery locations result in a lack of consolidation opportunities. This can be remedied by so-called micro hubs, which can serve as transhipment centres for parcels in urban delivery. Drivers can store parcels from adjacent shops for redistribution. They also can pick up parcels from different shops for joint delivery to customers in the same region. Thus, micro hubs can increase consolidation opportunities and may also enable the use of smaller, green, and clean vehicles for first and last mile delivery. Within this project, optimisation models incorporating consolidation centres in the pickup and delivery system of urban same day delivery are developed. Further, different solution approaches will be investigated to cope for the uncertainty in demand at time of planning.
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Tribologische Optimierung von Hüftendoprothesen durch Entwicklung einer künstlichen Synovialflüssigkeit und eines neuartigen Hüft-Tribometers
In Deutschland entscheiden sich jährlich rund 200.000 Menschen für eine künstliche Hüfte und lassen ihr Hüftgelenk durch eine Endoprothese ersetzen. Die Operation gehört zu den Standardeingriffen in der orthopädischen Chirurgie. Die Hüftprothese ist während der Bewegung, insbesondere die Gleitpaarung zwischen Hüftkopfkugel und Pfanne, starken Belastungen und daher auch einem starken Verschleiß ausgesetzt. Durch mechanische Arbeit der beiden im Gelenk befindlichen Reibpartner wird ein nicht unerheblicher Materierialabrieb erzeugt, welcher zu einer Entzündung des umliegenden Gewebes und einer nachfolgenden Lockerung der Endoprothese führen kann und ein Hüftprothesenwechsel erfordert. Der Hüftprothesenwechsel wird allerdings erschwert, weil die Endoprothese sich im Vergleich zur ersten Operation schlechter im Knochen befestigen lässt. Ursache hierfür ist Entzündung verursacht durch den Metall - und Plastikabrieb der Gleitpartner im künstlichen Gelenk, welche zu einer Abnahme der Knochensubstanz führen. Die Schmierflüssigkeit eines gesunden Hüftgelenks ist die von der Gelenkschleimhaut produzierten Synovialflüssigkeit. Durch Implantation und Gelenkentzündung verändert sich die Zusammensetzung dieser Synovialflüssigkeit, was zu einer verminderten Schmierfähigkeit der Flüssigkeit führt. In dem hier, beantragten Vorhaben sollen die Eigenschaften der Synovialflüssigkeit vor und nach Prothesenimplantation näher untersucht werden. Mit Hilfe der gewonnenen Ergebnisse soll eine, künstliche Synovialflüssigkeit hergestellt werden, welche den Anforderungen der optimalen Schmierung des Implantats gerecht wird. Zur Untersuchung der tribologischen Eigenschaften soll ein, neuartiger Prüfstand entwickelt werden, der als Hüftkopfkugel/Pfanne- Prüfstand ausgeführt ist und die Reibung unter Berücksichtigung einer realistischeren gelenkähnlichen Schmiermittelmenge (ca. 3-10 ml) direkt an der Prüfpaarung messen kann. So wird es möglich für jede Gleitpaarung eine optimale Schmierflüssigkeit zu identifizieren und zu prüfen wie die künstliche Synovialflüssigkeit der humanen Synovialflüssigkeit gleicht und welche Einflussfaktoren die Schmiereigenschaften positiv beeinflussen. Ziel ist es, eine künstliche Synovialflüssigkeit mit optimalen Schmierbedingungen zu entwickeln, welche potentiell in Zukunft im Patienten appliziert werden kann.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Implicit mobile human-robot communication for spatial action coordination with context-specific semantic environment modeling
The use of robots in the industry as well as in the work and everyday life is becoming more and more flexible. Current methods for machine learning and adaptive motion planning are leading to a more robust behavior and a higher autonomy of the robots. Nevertheless, collaborative human-robot interactions still happen to have interruptions and breakdowns in cases where the human is not able to comprehend the robot's movement behavior. A common cause is that the human has an incorrect or limited picture of what the robot is currently perceiving and what its internal state is. This could be avoided if the robot could understand and incorporate the mental states and the perspective of the interaction partner in its own action generation in order to actively generate a common understanding of the interaction.A key competence for such a collaboration between humans and robots is the ability of communication and mutual coordination via implicit signals of body language and movement. The project investigates the implicit human-robot communication in collaborative actions by using the example of the joint construction of a shelf. In experimental studies, situations will be created and recorded in which the interaction and perception between the human and the robot is disturbed. On the one hand, new perception methods are explored, that robustly detect interaction-relevant features based on head and body poses and facial expressions against occlusions. These are interpreted in the context of the action and the environment, so that implicit communication signals (e.g., turning toward, turning away, compliance, hinting, etc.) and internal states (e.g., approval, disapproval, willingness to interact, etc.) can be inferred. On the other hand, new methods are being explored to make the robot infer the perspective and the state of the human interlocutor in its own action planning and actively requests user reactions.This leads to a spatial coordination of the partners during the construction of the shelf by taking into consideration the mutual perception and the goal of the action. Via an active use of body pose, relative orientation and movement of the robot, conflict situations can be solved in advance without the need for explicit instructions to the robot.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Neuartige Ansätze für die Integration der induzierten Kristallisation in biosynthetische Prozessen: von neuen konzeptionellen Ansätzen zu praktikablen Lösungen.
Das Projekt dient der Untersuchung von biokatalytischen Reaktionssystemen und der Integration von selektiven Kristallisationstechniken. Hauptschwerpunkte sind die Synthese von chiralen Aminen und Carbonsäuren. Zum Projekt gehört zudem die Einführung von computergestützten Technologie zur Vorhersage, zum Entwurf und schliesslich zur Verbesserung der reaktiven Kristallisation in biosynthetischen Prozesse. Diese direkte Verbindung zu technischen Systemen, einschliesslich des Zugangs zu den erforderlichen Instrumenten, ermöglicht Synergieeffekte zu verwandten Forschungsgebieten.
2021 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Übergangsmetall-nitrid-AlGaN Schichten mittets Sputterepitaxie für elektronische Anwendungen
Goal of this project is to identify specific TM-group-III-N layers with epitaxial quality for a potential application in group-III-nitride electronics. For this we will first study the properties of pure and alloyed group-IIIb-, -IVb-, and -Vb-nitrides (Cr, V, Ti, Sc, Nb, Zr, Ta, Hf) with AlN and in some cases also with GaN. This will result in a database of material parameters, namely crystal structure, lattice parameter, electrical and optical properties for a wide range of compositions., Their potential should be then evaluated within the framework of thin films applied as active layers, i.e. for polarization optimization in HEMTs, novel HEMT structures as, for example, GaN/ScN/GaN binary high mobility electron channels or as thicker films for an application as highly conductive buffer layer and electrically conducting strain engineering layers, enabling true vertical electronic devices on Si substrates. For the latter pure TMN alloys or TMN alloys with AlN are the most promising candidates, while for active layers, apart from binary TMN layers, also alloys with GaN are interesting.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Erweiterung fiktiver Gebietsmethoden für vibroakustische Fragestellungen - Analyse heterogener Dämmmaterialien
Die Vorhersage des akustischen Verhaltens von Systemen, die Materialien mit komplexer Mikrostruktur beinhalten, ist aus mehreren Gründen eine große Herausforderung. Zum einen ist es sehr aufwendig, hochauflösende numerische Modelle mit Hilfe von geometriekonformen Diskretisierungen aufzubauen und zum anderen müssen alle physikalisch relevanten Wechselwirkungen der Struktur sowohl mit dem umgebenden als auch mit dem eingeschlossenen Fluid berücksichtigt werden. Die geometriekonforme Diskretisierung von heterogenen Materialien mit komplexer Mikrostruktur führt in der Regel zu einer sehr hohen Anzahl von finiten Elementen und somit zu nicht vertretbaren Rechenzeiten. Als zielführende Alternative haben sich in den letzten Jahren fiktive Gebietsmethoden, wie die Finite Cell Method (FCM), herauskristallisiert. Zur Erfassung der akustischen bzw. vibroakustischen Eigenschaften muss die FCM für das neue Anwendungsgebiet in einigen Aspekten erweitert werden. Zunächst müssen die akustische Wellengleichung für Berechnungen im Zeitbereich und die Helmholtz-Gleichung für Analysen im Frequenzbereich mit Hilfe von fiktiven Gebietsmethoden diskretisiert werden. Weiterhin müssen geeignete Kopplungsstrategien zwischen dem Struktur- und Fluidgebiet entwickelt werden. Die Teilfelder können dabei sowohl schwach (rückwirkungsfrei) als auch stark (rückwirkungsbehaftet) gekoppelt werden. Der Vorteil von fiktiven Gebietsmethoden ist neben der hochgenauen Auflösung der Geometrie (trotz nicht konformer Diskretisierung) die Möglichkeit der Überlagerung von Struktur- und Fluidelementen. Damit kann eine effektive Strategie zur vibroakustischen Kopplung heterogener Materialien entwickelt werden. Der numerische Aufwand dieser komplexen Simulationen ist auch unter Nutzung fiktiver Gebietsmethoden immer noch sehr hoch. Daher ist es ein weiteres Ziel, neben den mikrostrukturell aufgelösten Modellen auch vereinfachte Modelle auf der Basis von Verfahren zur numerischen Homogenisierung abzuleiten. Trotz der starken Abstraktion der Wirklichkeit wird erwartet, dass für verschiedene Anwendungen brauchbare Ergebnisse erzielt werden können. Der letzte Schwerpunkt des Projektes besteht in der experimentellen Validierung der entwickelten numerischen Methoden. Dazu werden verschiedene Versuchsstände genutzt. Für die Umsetzung der vibroakustischen Kopplung ist das Schwingungsverhalten der Struktur entscheidend. Dieses kann mit Hilfe eines 3D Laser-Scanning-Vibrometers untersucht werden. Zusätzlich werden die frequenzabhängigen akustischen Parameter unter Nutzung verschiedener einfacher Messaufbauten, wie bspw. einem Kundtschen Rohr, gemessen und jeweils mit den simulativ ermittelten Ergebnissen verglichen. Weiterhin wird in einem Freifeldraum die Schallabstrahlung mit Hilfe von Mikrofon-Arrays und Fernfeldmikrofonen vermessen. Auf der Basis dieser Daten kann die Leistungsfähigkeit der implementierten Modelle nachgewiesen werden. Abschließend werden Richtlinien für deren Nutzung abgeleitet.
2021 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Interdependencies of autophagy, protein synthesis, aging, activity and synaptic viability.
Synapses in the brain can persist for months and even years. Their proteinaceous components, however, become dysfunctional after much shorter periods, and thus must be continuously removed and degraded. Autophagy is one such removal pathway, mainly involved in clearance of protein complexes and aggregates. Significant evidence suggests that aging is associated with impaired protein clearance, and that manipulations that augment autophagy increase life-span and rejuvenate multiple physiological processes including several pertaining to synaptic and cognitive functions. Catabolic and anabolic processes are often coupled, and thus manipulations that enhance autophagy are likely to affect other aspects of protein metabolism. Our overall goal in this project is thus to gain a broader view of the effects exerted by such manipulations, using them to expose interdependencies among autophagy, protein synthesis, aging, activity, and synaptic viability. To that end we will examine how manipulations of autophagy affect (synaptic) protein synthesis and degradation in standard and aged neuronal cultures, in mice of different ages, and in mice raised in enriched environments. Long-term imaging will be used to examine how these manipulations affect autophagic flux, neuronal viability, synaptic persistence, tenacity and function, as well as resilience to stressors. Ultimately, we hope to use the obtained data to identify autophagy-associated targets for manipulations aimed at improving life-long neuronal and synaptic viability, and test a subset of these within the consortium.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Dynamic Mesh Refinement Exploiting High-Order Transfinite Elements for the Analysis of Wave Propagation Phenomena on High-Performance Clusters
Adaptive mesh refinement (AMR) strategies are of interest in many branches in science and engineering. Due to the possibility to generate locally refined discretizations, large-scale problems of practical relevance become tractable. However, a review of the state of the art in AMR reveals several issues that are not sufficiently resolved yet. First, often only low-order finite elements in combination with h-extensions are applied in commercial codes resulting in a sub-optimal convergence of algebraic type. Additionally, to ensure a conformal coupling, either unstructured discretizations consisting of both simplex and tensor-product elements have to be utilized or the ansatz space of the elements has to be constrained reducing the overall accuracy of the approach. Second, high-order hp-type refinement strategies, mainly implemented in a research environment, suffer from restrictions to 1-irregular meshes to decrease the implementational complexity or are based on hierarchic shape functions that do not permit the construction of diagonal mass matrices which is essential for (explicit) transient analyses. However, these methods are at least capable of delivering exponential rates of convergence. Therefore, a novel methodology to construct dynamically refined meshes based on (nodal) high-order quadrilateral and hexahedral finite element types is proposed. Fortunately, the aforementioned drawbacks can easily be overcome by employing the so-called transfinite interpolation technique (Gordon-Coons interpolation) enabling the construction of arbitrary transition elements. In principle, it is possible to couple elements of different types, sizes, and polynomial orders without any compromise on the attainable accuracy. This unique versatility opens up a wide variety of possible applications for this element type. Additionally, highly accurate mass lumping schemes are developed to facilitate the application to transient analyses. The proposed novel family of elements constitutes the cornerstone for implementing a dynamic refinement strategy, where both refinement and coarsening steps are executed in each time step of a dynamic analysis. Hence, optimal rates of convergence can be achieved with minimal numerical effort. To increase the efficiency of the proposed framework even further, all algorithms are implemented in a high-performance computing framework. The exceptional properties of the novel methodology are showcased using different numerical examples from the area of wave propagation analysis, where dynamic mesh refinement techniques are indispensable for a numerically efficient simulation. To this end, guided waves in the context of structural health monitoring in micro-structured materials and seismic wave propagation over large regions are discussed.
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Struktur, Wärme, Elastizität und deren Wechselspiel in weichen polymerbasierten Kompositmaterialien über unterschiedliche Längenskalen hinweg
Heisenberg-Förderung, Projektbeschreibung laut DFG, siehe GEPRIS (, https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/413993216, ):, "Das Ziel des Heisenberg-Programms ist es, herausragenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die alle Voraussetzungen für die Berufung auf eine Langzeit-Professur erfüllen, zu ermöglichen, sich auf eine wissenschaftliche Leitungsfunktion vorzubereiten und in dieser Zeit weiterführende Forschungsthemen zu bearbeiten. In der Verfolgung dieses Ziels müssen nicht immer projektförmige Vorgehensweisen gewählt und realisiert werden. Aus diesem Grunde wird bei der Antragstellung und auch später bei der Abfassung von Abschlussberichten - anders als bei anderen Förderinstrumenten - keine "Zusammenfassung" von Projektbeschreibungen und Projektergebnissen verlangt. Somit werden solche Informationen auch in GEPRIS nicht zur Verfügung gestellt."
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Timing und Valenzumkehr: Welche individuellen dopaminergen Eingangsneurone in den Pilzkörper sind hinreichend? (FOR 2705: Entschlüsselung eines Gehirn-Schaltkreises: Struktur, Plastizität und Verhaltensfunktion des Pilzkörpers von Drosophila)
Belohnung zu erhalten und Bestrafung zu vermeiden sind wirkmächtige Ziele menschlichen und tierischen Verhaltens. Zu diesem Zweck haben Mensch und Tier Mechanismen entwickelt, um das Auftreten von Belohnungen bzw. von Bestrafungen vorherzusagen. Diese Mechanismen wurden intensiv erforscht und sind mittlerweile im Prinzip gut verstanden. Es wird allerdings üblicherweise die gesamte Kehrseite der Lernprozesse über Belohnungen und Bestrafungen nicht berücksichtigt. Nämlich ist es gleichermaßen entscheidend Reize zu erlernen, welche den Verlust einer Belohnung oder das Aussetzen einer Bestrafung vorhersagen! Tatsächlich fühlt es sich gut an eine Belohnung zu erhalten, aber es ist unangenehm, wenn sie wieder entzogen wird. Entsprechend werden Reize, die mit dem Erhalt oder dem Verlust von Belohnungen verknüpft sind, als positiv oder negativ gelernt. Und auch für Bestrafungen gilt: bestraft zu werden ist unmittelbar schlecht, aber es ist "schön, wenn der Schmerz nachlässt". Diese sogenannte Valenzumkehr ist eine grundlegende Eigenschaft der Verarbeitung von Belohnung und Bestrafung, aber ihre neurobiologischen Mechanismen sind bisher völlig unzureichend verstanden. Da dopaminerge Neurone im gesamten Tierreich, einschließlich des Menschen, eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Belohnungen und Bestrafungen spielen, wollen wir die einmaligen experimentellen Möglichkeiten des einfachen Nervensystems der Taufliege Drosophila ausnutzen, um die Rolle einzelner, identifizierter Dopaminneurone bei der Valenzumkehr zu untersuchen. So wollen wir verstehen, wie ein und dasselbe Erlebnis zwei gegensätzliche Gedächtnisse bewirken kann - nämlich für Reize, welche ihm vorausgehen, oder welche mit seinem Ende verknüpft sind. Zu diesem Zweck kombinieren wir hochauflösende Verhaltensexperimente mit Methoden der Optogenetik und unseren neuesten Befunden zum synaptischen Konnektom des Lernzentrums im Gehirn der Drosophila, dem sogenannten Pilzkörper.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Mechanismen der Differenzierungsentscheidung einer eukaryontischen Zelle
The development and fate of a eukaryotic cell is controlled by complex networks of, interacting biomolecules. They regulate the differential expression of genes that drive the, process of cell differentiation or that are required to execute this process. There is a, tremendous body of information available on the regulatory mechanisms of gene expression in, eukaryotic cells and on the cell type-specific expression of transcription factors and other, regulators. However, the overall functional interplay of these molecules in determining the fate, of a differentiating cell or the identity of a stem cell which is able to differentiate into various, specialized cell types, is not really understood. Gene regulatory mechanisms in prokaryotes, the, lambda switch that controls the entry of the phage into the lytic cycle for example, are well-, established (Delbrück 1949; Kafri et al. 2013) and influence our thinking. The situation in, eukaryotes however is more complex with combinatorial control of gene expression. In, eukaryotes, many molecular factors can act together in binding to promoter regions, thereby, controlling the expression of a certain gene, often in a context-dependent manner. This variety, makes it very difficult to integrate the many pieces of knowledge on local molecular, mechanisms into a coherent picture or even into a mechanistic model of regulatory control that, would predict the differentiation behavior of the cell. Thus, while we can see expression, changes on a global scale and deduce connections between genes, we are currently only at the, beginning of discriminating and understanding cause and effect. This situation basically holds, for all eukaryotic cells, from Dictyostelium to mammalian cells. In well-studied yeasts for, example, interaction networks on gene expression and protein abundance levels were, described (e.g. Moignard et al. 2015), but even those detailed analyses yielded just static, pictures of potential hubs and interactions of components, while it is known that the dynamics of, regulation essentially determines the final outcome (Endres 2012; Rowland et al. 2012; Varusai, et al. 2015; Vilar et al. 2003)., Some regulatory networks are known to involve developmental switches that give rise to so, called commitment points, at which the decision on the cell fate is irreversibly made., Commitment points in the cell cycle of yeasts are related, well-known paradigms for the control, of cell proliferation (Zachariae and Tyson 2016). Here, essential molecular players and their, fuctional interactions in generating irreversible switches are well understood. Co-regulated with, the cell cycle, the protein abundance is adjusted by modulating gene expression (Eser et al., 2011). In contrast however, commitment points that decide on the differentiation destiny of a, eukaryotic cell are currently not well understood., There are two prevailing and in part contradicting views of how the differentiation of, eukaryotic cells is controlled, both dating back to the year of 1969 (Britten and Davidson 1969;, Kauffman 1969a; Kauffman 1969b) and both pursued and elaborated until today ((Thomas, 1981; Abou-Jaoudé et al. 2016; Peter and Davidson 2011; Bornholdt and Kauffman 2019) and, references therein). The model by Britten and Davidson (Britten and Davidson 1969) assumes a- 2 -, hierarchical control based on uni-directional information flow (Peter and Davidson 2011), assuming complex connections but without variability, acting like the rigid steering mechanics of, a technical device. The model by Kauffmann (Bornholdt and Kauffman 2019; Kauffman 1969a;, Kauffman 1969b) on the other hand explains the global dynamics of gene regulation by a, system of interconnected switches. While there are good arguments in favour for each of both, competing views, direct experimental proof or disproof is pending and obviously difficult, (Newman 2020)., Intrinsic transcriptional heterogeneity is widely observed in clonal populations of, mammalian cells in culture, but also occurs in intact tissues under physiological conditions, (Marco et al. 2014). Approaches to explain this heterogeneity while considering the global, dynamics which is expected for a complex gene regulatory network (and which the Britten-, Davidson model neglects), are based on the Kauffman model and have been metaphorically, illustrated by Waddington's epigenetic landscape (Huang et al. 2009; Waddington 1957). Here, the global dynamics of the regulatory network is explained by a quasi-potential landscape, in the, following simply called Waddington landscape, that represents possible states of the dynamic, system while defining the probabilities for state transitions to occur ((Graf and Enver 2009;, Huang 2011; Huang et al. 2009; Macarthur et al. 2009; Moris et al. 2016; Wu et al. 2017; Zhou, and Huang 2011); Fig. 1A). Although there are theoretically sound formal frameworks that, principally allow to compute the quasi-potential landscape from a set of differential equations, these approaches have currently still limited practical value simply because the molecular, interactions within considered regulatory networks are not sufficiently known and hence, differential equations and their parameters are elusive. Experimental analysis, on the other, hand, would require the measurement of true time-series in individual cells but such approaches, are still in the fledgling stages, at least in mammalian cells., The reconstruction of pseudo-time series from static snapshots taken of mammalian cell, populations depends on certain assumptions and unequivocal conclusions are hardly possible, for principle reasons (Weinreb et al. 2018). This limitation however, tends to be neglected or, even ignored for the sake of simplicity. Until recently, the Waddington landscape, and the, existence of attractors, accordingly remained a theoretical concept. It is supported by many, experimental observatios, while basic features, including the functional role of stochasticity, are, still a matter of pure speculation ((Moris et al. 2016) and references therein)., We have overcome this limitation by developing an experimental system that allows to, take true time series, i.e. to test the same cell all over again. True time series for individual cells, can be taken by repeated, non-destructive sampling retrieving just small parts of the stirred, cytoplasmic volume of the giant amoeba Physarum polycephalum. In these multinucleate cells, the cytoplasm is homogenous due to continuous mixing by the vigorous cytoplasmic streaming, (Guttes and Guttes 1961, 1964; Rusch et al. 1966; Sachsenmaier et al. 1972; Starostzik and, Marwan 1995a; Walter et al. 2013) (Pretschner et al. 2021). Based on our single cell data we, have developed an appropriate computational approach to identify attractors, to reconstruct the, Waddington landscape from gene expression time series, and to disentangle the complex, response revealing the differential regulation of the individual genes (Rätzel et al. 2020;, Werthmann and Marwan 2017; Pretschner et al. 2021). We have shown that cells, as predicted, by the model of the Waddington landscape, take individually different gene expression routes, (trajectories) to sporulation and that these routes converge to highly similar states of gene, expression. These findings however are only valid for the small set of 35 genes analysed in the, respective studies. Although our work resulted in a proof of principle, the molecular details of, developmental switching and especially of the commitment point have, due to the limited size of, the data set, not yet been identified. Neither in Physarum nor in mammalian cells it is clear, whether all cells of a population do cross the same commitment point or might use alternative, commitment points with different molecular signatures and mechanisms, that all might lead to, the same differentiated state. These fundamental questions are addressed in the proposed, project and the generation of the necessary data sets simply depends on funding.
2024 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Initiation of international collaboration on the crystal structure, microstructure and mechanical properties of precipitation hardened Fe-Cu-Ni-Ti-Al complex concentrated alloys
Since the CCAs are being actively explored for next-generation structural materials for high-temperature applications and therefore, they should have a high creep resistance besides that a comprehensive understanding of their creep and fracture behaviors is also indispensable., Among the several anomalies existing in the creep behavior of HEAs, the foremost important is the stress exponent, n, calculated from the Berkovich nanoindentation creep tests turns out to be much larger than that calculated based on the uniaxial stress relaxation and spherical nanoindentation creep tests, and this could not be explained using classical creep theory for crystalline metals. It is still uncertain whether the classical creep theory for conventional metals are applicable for the HEAs., The Fe32.3Al29.3Cu11.7Ni10.8Ti15.9 CCA, developed by OVGU-HT Materials group – whose compression behavior was studied under a constant displacement test with quasi static strain rate between room temperature (RT) and 1100°C revealed a stable single phase bcc microstructure with precipitates at the grain boundaries. The high temperature deformation and creep behavior of this material will be studied during a 3 months visit of Prof. Puspendu Sahu, Professor of Physics), Jadavpur University, Kolkata, India. In addition, TEM analyses are planned to perform at Jadavpur University with the deformed materials to get insights into the deformation mechanisms.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Improvement of the numerical efficiency of rotordynamic simulations by applying the Scaled Boundary Finite Element Method to compute the hydrodynamic bearings
The rotordynamic properties of systems with hydrodynamic bearings are affected crucially by the nonlinear bearing forces. Regarding fast-rotating, lightly-loaded rotors, this causes subsynchronous self-excited oscillations with potentially high amplitudes, which can reduce the durability of the components, cause critical noise emissions, and affect the energy efficiency of the machine. To reduce expensive test bench experiments and time-consuming iterations in the product development process, the design has to be based on precise simulative analyses of the operating behavior under consideration of the nonlinear interactions between the bearing forces and the shaft vibrations. To this end, the equation of motion of the elastic shaft is incorporated into a time integration scheme and coupled with the Reynolds equation, which describes the pressure generation in hydrodynamic bearings. Hence, each time step of the simulation includes a solution of the Reynolds equation, for which numerical methods, analytical approximations, and look-up tables are employed. While numerical methods lead to considerable and often inacceptable computational times, analytical solutions are only possible in conjunction with substantial simplifications. The look-up table approach, to some extent, offers a tradeoff between these two extremes, while the modeling depth is usually limited, since the interpolation effort increases with every considered physical effect., A promising basis for the development of a novel, numerically efficient solution without the substantial limitations of analytical methods or look-up table techniques is the semi-analytical Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM). The fundamentals for solving the Reynolds equation with the SBFEM have been derived in preliminary work, but the potential of the approach has not been exploited yet, which is the objective of this project. In order to further reduce the numerical effort, high-order shape functions need to be employed in combination with an automatic, adaptive mesh refinement as well as coarsening and a transformation of the Reynolds equation in a manner that smoothens the solution is analyzed. Another strategy worth investigating is to avoid the repeated solution of eigenvalue problems within the time integration scheme. This requires that the eigenvalue problem is differentiated with respect to the parameters of the shaft displacement and developed into a series prior to the rotordynamic simulation. In order to improve the modeling depth of the SBFEM solution compared to the preliminary work, strategies for incorporating mass-conserving cavitation models as well as shaft tilting need to be investigated. In the last step, the developed methodology is to be verified and analyzed with regard to its efficiency. To ensure a realistic context, this is done within the framework of a rotor dynamics or MBS formulation, whereby complex technical overall systems can also be simulated.
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Visual peripheral perception in virtual reality
Based on the results of the previous project, there are further, research deficits, especially related to the understanding of the, coupling of peripheral visual stimuli, eye-tracking motion, and action., This leads to theoretical and methodological challenges, especially in, complex situations as they exist in sports. Using appropriate VR tools, systematic and standardized studies are conducted with the following, objectives: • Comparison of peripheral perception and motor response, to these signals in head-mounted displays (HMD) and in the real, world (RW) • Influence of different peripheral signals in head-mounted, displays (HMD) on eye-following movements and motor response behavior in complex situations. From this, the following theoretical, insights are expected: • Similarities and differences of peripheral, vision in RW and VR • Further established findings on the functionality, of peripheral perception in RW and VR • Influence of the perception of, different visual peripheral signals on the movement action.
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Tribologische Optimierung von Hüftendoprothesen durch Entwicklung einer künstlichen Synovialflüssigkeit und eines neuartigen Hüft-Tribometers
In Deutschland entscheiden sich jährlich rund 200.000 Menschen für eine künstliche Hüfte und lassen ihr Hüftgelenk durch eine Endoprothese ersetzen. Die Operation gehört zu den Standardeingriffen in der orthopädischen Chirurgie. Die Hüftprothese ist während der Bewegung, insbesondere die Gleitpaarung zwischen Hüftkopfkugel und Pfanne, starken Belastungen und daher auch einem starken Verschleiß ausgesetzt. Durch mechanische Arbeit der beiden im Gelenk befindlichen Reibpartner wird ein nicht unerheblicher Materierialabrieb erzeugt, welcher zu einer Entzündung des umliegenden Gewebes und einer nachfolgenden Lockerung der Endoprothese führen kann und ein Hüftprothesenwechsel erfordert. Der Hüftprothesenwechsel wird allerdings erschwert, weil die Endoprothese sich im Vergleich zur ersten Operation schlechter im Knochen befestigen lässt. Ursache hierfür ist Entzündung verursacht durch den Metall - und Plastikabrieb der Gleitpartner im künstlichen Gelenk, welche zu einer Abnahme der Knochensubstanz führen. Die Schmierflüssigkeit eines gesunden Hüftgelenks ist die von der Gelenkschleimhaut produzierten Synovialflüssigkeit. Durch Implantation und Gelenkentzündung verändert sich die Zusammensetzung dieser Synovialflüssigkeit, was zu einer verminderten Schmierfähigkeit der Flüssigkeit führt. In dem hier beantragten Vorhaben sollen die Eigenschaften der Synovialflüssigkeit vor und nach Prothesenimplantation näher untersucht werden. Mit Hilfe der gewonnenen Ergebnisse soll eine künstliche Synovialflüssigkeit hergestellt werden, welche den Anforderungen der optimalen Schmierung des Implantats gerecht wird. Zur Untersuchung der tribologischen Eigenschaften soll ein neuartiger Prüfstand entwickelt werden, der als Hüftkopfkugel/Pfanne-Prüfstand ausgeführt ist und die Reibung unter Berücksichtigung einer realistischeren gelenkähnlichen Schmiermittelmenge (ca. 3-10 ml) direkt an der Prüfpaarung messen kann. So wird es möglich für jede Gleitpaarung eine optimale Schmierflüssigkeit zu identifizieren und zu prüfen wie die künstliche Synovialflüssigkeit der humanen Synovialflüssigkeit gleicht und welche Einflussfaktoren die Schmiereigenschaften positiv beeinflussen. Ziel ist es, eine künstliche Synovialflüssigkeit mit optimalen Schmierbedingungen zu entwickeln, welche potentiell in Zukunft im Patienten appliziert werden kann.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Role of Filamin A in integrin-dependent dendritic growth and hippocampus function
Filamin A (FlnA) is a large dimeric protein that can cross-link actin fibers and serve as a bridge between the cytoskeleton and cell membrane integrins. Mutations in the FlnA gene in humans result in periventricular heterotopia, in which neurons aggregate along the lateral ventricles due to impaired migration. Therefore, previous research has focused on the importance of FlnA for neuronal migration and its contribution to neuron maturation is not well understood. However, we and other groups have shown that the actin cytoskeleton and integrins play important roles in dendrite development and plasticity. In concrete preliminary work for this project, we have also collected evidence that FlnA is significantly involved in the formation of dendritic branches in hippocampal neurons. Using molecular biology, anatomical, electrophysiological and behavioural methods, we now investigate the cellular mechanisms underlying the involvement of FlnA in dendritic growth and determine the role of these processes in hippocampal-dependent information processing and memory formation.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Development and systematic validation of a system for contactless, camera-based measurement of the heart rate variability
Heart rate variability (HRV) provides important information for the medical analysis of the cardiovascular system and the activity of the autonomic nervous system, as well as for the diagnosis and prevention of diseases. Traditional HRV monitoring systems are contact-based techniques that require sensors to be attached directly to the person's body, such as an electrocardiogram (ECG) or contact photoplethysmography (PPG). These techniques are only partially suitable for long-term monitoring or early detection of disease symptoms. In addition, they can have some negative effects on the monitored person, such as skin irritations, an increased risk of spreading disease germs due to direct contact, etc.The aim of this research project is the optical measurement of heart rate variability (HRV) from video images using PPG. PPG is an optical, non-invasive technology that uses light to record volumetric variations of blood circulation in the skin. In recent years, this technique has been realized remotely and contact-free through the use of cameras and has already been successfully used for the measurement of heart rate (HR) from video data. For the measurement of HRV a precise temporal determination of the heartbeat peaks in the PPG signal is necessary. The high measurement accuracy of HR in the state of the art can only be achieved by a strong temporal filtering. However, this makes it impossible to localize the heartbeats precisely over time. A challenge is that even smallest movements and facial expressions of the test persons lead to artifacts in the PPG signal. This is where this research project takes effect, by systematically detecting these artifacts in the PPG signal and subsequently compensating them. Up to now, almost all methods for measuring the PPG signal have been based on color value averaging of (partial) areas of the skin in the face. Movement compensation is not possible with these methods because position informations is lost. To train models that are invariant to movement, deep neural networks (Convolutional Neural Network (CNN)) are well suited. Using 3D head pose estimation methods and action unit recognition (facial muscle movements), a system will be trained to extract motion-invariant PPG signals from video data. For this purpose, information on detected skin regions in each image will be generated using new segmentation methods based on CNN and used for motion compensation. The data obtained by this network will be further processed with another recurrent neural network (Long Short-Term Memory (LSTM)) optimized for temporal signal processing in order to determine the pulse peaks in the PPG signal precisely in time.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Gradual Functional Changes
With the advance of computer facilities and data storage warehouses, more and more data are being recorded continuously during a time period or intermittently at plethora of discrete time points. These are both examples of functional data, which furthermore embrace random fields or manifolds. Our attention is devoted to stochastic functions predominantly represented by random curves or surfaces, where every function is considered as a single observation. These observations are naturally ordered with respect to time and possibly changing over time. The interest is not in an individual change withineach curve, but in a change of the pattern across the sequence of curves. Almost all existing change detection methods are designed to discover abrupt breaks. Little attention has been paid to smooth structural changes, which may be more realistic in practice. With the, vantage of functional analysis and empirical processes, we can deploy advanced statistical tools like bootstrap or lasso to diagnose the gradual change of functional form in the time series of random curves.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Intravascular crosstalk of interleukin-6 and therapeutic glucocorticoids in SARS-CoV2 infection
SARS-CoV2 is highly infectious and causes the disease COVID-19. 10-20 % of patients infected with SARS-CoV2 develop severe symptoms. In these patients, SARS-CoV2 can trigger a cytokine storm that leads to the life-threatening Cytokine Release Syndrome (CRS). Among the cytokines released, Interleukin-6 (IL-6), a paradigm pro-inflammatory cytokine with deleterious functions, correlates strongly with and predicts the severity of COVID-19. Noteworthy, systemic vascular complications in critically ill COVID-19 patients represent a main risk. The expression of SARS-CoV2 entry factors on vascular cells in virtually all organs suggests that vascular damage could be a consequence of lytic viral infection of vascular cells. However, it is also discussed that impaired vessel function is mediated by loss of function of non-infected vascular cells exposed to systemically elevated levels of IL-6. In addition, SARS-CoV2 may locally affect IL-6 signalling pathways by controlling the expression and release of IL-6 receptor subunits and IL-6 itself. The suspected role of IL-6 in the development of COVID-19 is the basis for several ongoing clinical trials with approved drugs that either inhibit IL-6 function extracellularly or intervene in intracellular IL-6 signal processing. However, the molecular mechanisms and pathophysiological consequences of IL-6 and the causes of vascular damage in COVID-19 are still unknown., Preliminary results from clinics show that immunosuppressive glucocorticoids (GC) reduce deaths in certain patient groups by for so far unknown reasons. Remarkedly, both extracellular and intracellular IL-6 signalling is influenced by GC and, vice versa, IL-6 influences GC signalling. To address the increasing concerns about the efficacy of GC treatment for COVID-19 and possible (adverse) effects of GCs on the vascular system, the molecular mechanisms of GC action in SARS-CoV2-infected cells and the crosstalk of GC and IL-6 must be elucidated., The aim of this project is to gain profound translational knowledge about molecular mechanisms and pathophysiological consequences of IL-6 and GC action in SARS-CoV2-infected cells and non-infected vascular cells. For this purpose, we will use highly defined, 2D and 3D in vitro, vascular models and single cell techniques to define the consequences of SARS-CoV2 infection in the two integral vessel cell types, endothelial cells and smooth muscle cells. The results obtained will be a prerequisite for understanding SARS-CoV2 infection and targeted development of treatments to cope with COVID-19.
2018 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Analyse von erzwungenen periodischen Betriebsweisen am Beispiel der Methanolsynthese (SPP 2080)
Methanol ist ein wichtiger Grundstoff in der chemischen Industrie, der traditonell in großen Mengen aus Synthesegas mit Hilfe heterogener Cu/ZnO/Al_2 O_3 Katalysatoren unter stationären Bedingungen hergestellt wird. Im vorliegenden Projekt wird untersucht, inwieweit sich die Methanolsynthese durch erzwungene periodische Betriebsweisen verbessern lässt. Das Projekt ist im DFG Scherpunktprogramm SPP 2080 "Katalysatoren und Reaktoren unter dynamischen Betriebsbedingungen für die Energie-speicherung und -wandlung".
2021 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Tissue engineering von Lymphgefässen unter Mikrogravitation ohne Scaffolds und Protein analysis in extracellular vesicles from dermal microvascular endothelial cells from patients with systemic sclerosis
Die klinische Forschungsgruppe der MTRM unter Leitung von Prof. Infanger konzentriert sich auf das Gebiet der rekonstruktiven Chirurgie einschl. Handchirurgie, freier Lappenplastiken und, Lymphchirurgie, ebenso auf die Themen Tissue Engineering und Tumorforschung. Supermikrochirurgische Lymphchirurgie als neues Verfahren zur Behandlung von, Patienten mit Lymphödem ist nur mit den Mikroskopen der Neuen Generation möglich.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Mechanism of agglomeration in spray drying with the fine particle recirculation
Powders manufactured by spray drying often require an additional enlargement step, which is mainly carried out either outside the drying tower or by recycling dry undersized particles into the drying tower. In this project, we advance the knowledge in the enlargement of powders in spray drying with fines return, targeting both the process quality and product quality. An efficient prediction tool within a computational fluid dynamics (CFD) framework is constructed and assessed by means of spatially and temporally resolved pilot-scale plant experiments.
2021 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Multi-scale coupling of the vascular hemodynamics for an AI-assisted, standardized evaluation of neurological pathologies
Neurovascular diseases can lead to severe limitations and disabilities in affected individuals and are also among the leading causes of death in Germany. Particularly patient-specific changes in the cerebral vessels are expressed, for example, in the form of so-called intracranial aneurysms (permanent, balloon-like vessel bulges) or arteriovenous malformations (abnormal connections of arterial and venous vessels without capillary bed). Although continuously evolving imaging modalities enable a reliable diagnosis, individual risk assessment is highly complex, subject to numerous influencing variables, and too simplified in clinical practice due to the lack of models. As a result, the optimal treatment decision is challenging., In the context of this research project, a holistic approach to evaluate neurovascular pathologies shall be realized by means of multi-scale modeling. First, the cardiovascular hemodynamics are described by means of a one-dimensional model. Subsequently, the neurovascular circulation and the venous system are mapped in 3D using computational fluid dynamics. Through this highly individualized and AI-assisted approach, the aforementioned pathologies can be precisely described morphologically and hemodynamically to computationally track their growth and remodeling processes along the time scale. For the time scale, time-dependent 4D flow measurements and tomographic image data are employed as well as longitudinal studies., After the successful realization of the modeling "from the aorta to the vein", the project aims to standardize the developed in-silico models via a usability module within the framework. In parallel, high-resolution in vitro validation measurements will be performed to ensure the plausibility of the models. Finally, the transfer of the developments into a scoring system is planned in order to prepare an application in the clinical environment. The standardization as well as the scoring system will exploit methods based on artificial intelligence (AI). This comprises the image- and mesh-based preprocessing and evaluation of flow simulation (with focus on deep learning) as well as the classification of extracted parameters (with focus on machine learning)., In summary, the planned holistic approach to assess neurovascular pathologies enables a highly interdisciplinary combination of patient-specific hemodynamics with medical imaging, AI-based image processing and evaluation, and simulative description. Consequently, transferring these influencing variables and conditions into a standardized assessment system can enable a precise and risk-free assessment of the actual disease state for the patient.
2020 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Die Rolle von Einschlüssen in dünnen, funktionalisierten, elastischen oder viskoelastischen Schichten, Filmen und Membranen
Projektbeschreibung siehe GEPRIS (, https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/413993436, ):, "Erhöhte mechanische Festigkeit ist einer der Vorteile, die sich aus der Verstärkung elastischer Materialien durch eingebettete Fasern ergeben. Dadurch können die Abmessungen von Werkstücken reduziert werden. Im Extremfall lassen sich sperrige Bauteile durch elastische Membranen, dünne Schichten und Filme ersetzen. Unser übergeordnetes Ziel besteht darin, theoretisch-analytische Methoden zu entwickeln, um solche dünnen elastischen Kompositmaterialien effizient beschreiben zu können. Als einen ersten Schritt auf diesem Weg untersuchen wir hier die Rolle von partikelartigen Einschlüssen in dünnen elastischen Umgebungen. Zunächst werden die gegenseitigen Wechselwirkungen der Einschlüsse aufgrund von Deformationen der elastischen Membran charakterisiert, sowie ihr Einfluss auf die globalen Eigenschaften der Membran. Im Hinblick auf eine spätere gesamtheitliche und an die jeweilige Situation anpassbare Beschreibung, werden danach Methoden zur Charakterisierung unterschiedlicher Einzelfälle entwickelt. Neben rein statischer Elastizität sind dies dynamische Viskoelastizität, unterschiedliche Membranoberflächenbedingungen, thermische und thermophoretische Effekte, wenn die Einschlüsse von außen aufgeheizt werden, sowie damit verknüpfte Aktuation. Neben Einschlüssen in dünnen Filmen werden teilweise auch die Adsorption von Partikeln an Membranen und daraus resultierende Deformationseffekte behandelt. Während wir uns zunächst auf flache und linear elastische Membranen beschränken müssen, sollen danach auch nichtlineare Elastizität und gekrümmte Membranen berücksichtigt werden. Dabei verspricht die Funktionalisierung mit partikelartigen Einschlüssen bereits ein breites Spektrum an maßgeschneiderten Anwendungsmöglichkeiten. Beispiele könnten bis hin zu speziellen Lautsprechermembranen, schaltbaren Membranen zur gesteuerten Freisetzung von Arzneimitteln oder auch dünnen Aktoren reichen. Im weiteren Umfeld können unsere Ergebnisse außerdem die Interpretation der Daten aus AFM-Messungen (Rasterkraftmikroskopie) unterstützen und sind auch für Aspekte der gezielten Manipulation biologischer Zellmembranen für technische Anwendungen von Bedeutung. Aufbauend auf den hier erzielten Ergebnissen ist unser langfristiges Ziel durch die theoretische Beschreibung faserverstärkter dünner elastischer Kompositmaterialien gegeben.", (DFG-Verfahren Sachbeihilfen)
2023 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
26592_ Extension of fictitious domain methods for vibroacoustic issues - analysis of heterogeneous insulation materials
The project is dedicated to the development of an efficient calculation method for solving three-dimensional vibroacoustic problems using porous insulation materials. The aim is to resolve the microstructure of the insulation material in order to overcome the current limitations of Biot's theory, which is often used and seems particularly unsuitable for modeling closed-cell foams. In order to enable the extremely complex geometry-resolved modeling we are aiming for, fictitious domain methods with higher-order approach functions are to be used. On the one hand, these can be applied very advantageously to voxel data and, on the other hand, a high efficiency for wave propagation problems can be expected.
2021 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Methodologies of Economic Criticism
The network "Methodologies of Economic Criticism" will systematise, compare and evaluate the diverse and partially overlapping methodologies within English Studies that constitute the burgeoning, yet still inchoate field of Economic Criticism - an interdisciplinary research area that explores the various interconnections, past and present, between literature, culture, the economy and economics. As a reaction to the financial crisis of 2007/8 and global challenges with clear links to the economy (e.g. climate change, economic inequalities, automation, digitalisation, migration), Economic Criticism is currently flourishing in English Studies and the humanities more broadly. Despite an outpouring of publications, however, a decidedly methodological approach to analysing literature, culture and the economy is still missing. The network will fill this research gap by uniting scholars from three German-speaking countries, who have longstanding expertise in different approaches to Economic Criticism and who represent four sub-disciplines of English Studies. As its main goal, the ‘intra-interdisciplinary’ network will jointly develop and publish a "Handbook: Methodologies of Economic Criticism" providing a comprehensive, critical and historically informed overview of established and innovative analytical tools for scrutinising economic concerns with the means provided by (Anglophone) literary studies, cultural studies and postcolonial studies. A second goal is to implement the findings into academic teaching, by developing a set of teaching materials on Economic Criticism for tertiary education. For this purpose, the network also includes members with a background in didactics.
2021 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Patterning valence specific amygdala memory by dorsal tegmental area (DTA) and ventral tegmental area (VTA) dopamine (DA) subsystems
The amygdala is a key structure for the association of Pavlovian conditioned (CS) to unconditioned (US) stimuli. The basolateral complex of the amygdala (BLA) integrates CS information from the auditory cortex and aversive US information from thalamic and sensory cortical inputs. Signals are then relayed via an inhibitory network of primarily central lateral amygdala (CEl) SST+ and PKC delta+ neurons to basal forebrain and the brainstem nuclei, thereby controlling fear behaviors (Tovote, 2016). Dopamine (DA) neurons located in the dorsal tegmental area (DTA neurons), are interconnected with the basolateral (BLA)- central amygdala (CE) circuitry. The CE-projecting DTA neurons send a prediction error coupled DAergic reinforcement signal to the CE. Importantly, this, signal rewires the BLA to CEl neuronal connectivity by shifting the weight from PKC delta+ to SST+ synapses (Groessl, 2018; Li, 2013). The amygdala has been mostly investigated in aversive fear learning,but there is increasing recognition that the BLA-CE network encodes also reward behaviors. However, the specific BLA-CE circuit rearrangements underlying discriminatory associative reinforcement learning related to negative or positive experiences are not resolved.The ventral tegmental area (VTA) and the mesolimbic reward system also project to the BLA/CE network. Therefore, we propose that BLACE circuitry unifies both negative and positive associative learning by DTA and VTA coupled reinforcement signals, respectively. In support of this view, VTA neuron activity and amygdala DA levels, likely originating from the VTA, increase during reward learning (Correia, 2016). Likewise, DTA neuron activity and amygdala DA levels (Groessl, 2018), in part originating from DTA cells (unpublished), are strongly increased during exposure to aversive experience. Thus, these two circuits might represent two distinctly different midbrain systems recruited during positively and negatively rated learning paradigms. Moreover, D1 vs. D2 DA receptors are asymmetrically distributed in the genetically defined neuronal subtypes. Here, a simple assumption would imply that DTA and VTA differentially innervate SST+ and PKC delta+ cells. We therefore hypothesize that negatively valenced fear and positively valenced reward signals generate memory traces that differentially map on the genetic BLA to SST+ and BLA to PKC delta+ circuit architecture. We propose that DA originating from the DTA reinforces BLA to SST+ synapses during fear learning, while DA arising from the VTA, enhances BLA to CEl PKC delta+ synapses during reward learning. If we will find that aversive and rewarding stimuli affect the network in the same direction, the simple hypothesis would have to be rejected in favor of control of synaptic transmission by DA along the anatomical rostro-caudal gradients (Kim, 2017) rather than along genetically defined neuronal types.
2021 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Robuster Entwurf und Regelung von Power-to-Methanol Prozessen mit Methoden des maschinellen Lernens (SPP 2331)
Im Rahmen der Energiewende spielt die Herstellung von grünem Methanol eine wichtige Rolle. Dazu wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien (Wind, Sonne) in Wasserstoff umgewandelt, der dann mit Hilfe von CO und CO_2 aus organischen Abfällen zu Methanol umgesetzt wird. Da die Ver-fügbarkeit dieser Ausgangsstoffe/Energie starken zeitlichen Fluktuationen auf unterschiedlichen Zeitskalen unterliegt, werden neue Konzepte für den robusten Prozessentwurf und die robuste Prozessführug benötigt. Dazu werden im Rahmen des vorliegenden Projektes datengetriebene Ansätze des maschinellen Lernens verwendet. Das Projekt ist im DFG Schwerpunktprogramm SPP 2331 "Machine Learning in Chemical Engineering" angesiedelt.
2021 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Untersuchung komplexer Aminosäure- und Amin-basierter in situ-Produktkristallisationsstrategien in Transaminase- und Amin-Dehydrogenase-katalysierten Reaktionen und deren Entwicklung zu flow-Reaktionskonzepten.
Transaminasen sind äußerst selektive Biokatalysatoren für die Synthese von chiralen Aminen. Ungünstiger weise beinhalten zahlreiche Anwendungen dieser Biokatalysatoren ungünstige Gleichgewichtslagen und damit geringe Atomeffizienzen in der asymmetrischen Syntheserichtung, welche aufwendig kompensiert werden müssen. Üblich sind mehrstufige biokatalytische Kaskadenreaktionen, ein überstöchiometrischer Einsatz des Donoramins und spezielle Donoramine mit nicht-enzymatischen Nebenreaktionen.Das vorgestellte Forschungsvorhaben trägt dieser Limitierung Rechnung und hat das Ziel in einem integrierten Verfahrensansatz die direkte Entfernung des Produktamins aus der Reaktionslösung durch eine selektive in situ-Kristallisation zu ermöglichen. Die Kristallisation des Produktamins soll gezielt durch die Bildung eines schwer löslichen Salzes erfolgen, welches dadurch im Zuge der biokatalytischen Reaktion kontinuierlich aus der Reaktionslösung entfernt wird. Hierdurch soll dann das Reaktionsgleichgewicht auf die Produktseite verschoben werden und gleichzeitig das Produkt (als Salz) durch eine einfache Filtration aus der Reaktionslösung abgetrennt werden. Das Konzept soll schlussendlich auf eine kontinuierliche Prozessführung, incl. einer vollen Rezyklierung der nicht umgesetzten Reaktanden zur Überwindung der geringen Atomeffizienz, bis in den Multi-Gramm-Maßstab übertragen werden.Strukturiert ist das Forschungsvorhaben in 7 Arbeitspakete und 2 Meilensteine, welche die Fragestellung ausgehend von dem Screening geeigneter Säuren bis hin zur optimierten integrierten Reaktionsführung strukturiert bearbeiten werden. Nach Auswahl geeigneter Säuren zur Kristallisation des Amins werden die Salzpaare charakterisiert und die Reaktionsbedingungen für eine effiziente Kopplung für verschiedene Transaminasen angepasst. Danach wird die Maßstabsvergrößerung incl. einer kontinuierlichen Reaktionsführung etabliert. Abschließend soll die selektive Kristallisation des Co-Produktes Pyruvat untersucht werden, was analog zu einer Gleichgewichtsverschiebung führen kann.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Gekoppeltes 3D-CFD-Modell zur Berechnung von Kolbenringpaketen unter Berücksichtigung von Mischreibung, Dynamik und Strukturverformungen
Im Hinblick auf die Forderung nach steigender Effizienz und Leistungsdichte von Maschinenelementen bedarf es neuartiger, möglichst detaillierter 3D-Simulationsmethoden. Dabei wird die Strömungssimulation mittels CFD (Computational Fluid Dynamics) zur Untersuchung geschmierter Tribosysteme zukünftig weiter an Bedeutung gewinnen. In vielen Anwendungen herrschen komplexe Fluid-Struktur-Wechselwirkungen vor, die das Systemverhalten maßgeblich beeinflussen. Neben der Existenz mehrerer Phasen sind Mehrkörperdynamik, Strukturverformungen und Mischreibungszustände häufige Randbedingungen in diesen tribologischen Systemen. Im Rahmen dieses Projektes sollen daher Methoden zur Integration der genannten Einflüsse in die CFD erarbeitet werden. Eine geeignete Anwendung, anhand der dies exemplarisch geschehen soll, ist das Kolbenringpaket als Teil der Kolben/Zylinder-Paarung von Verbrennungsmotoren. Auf der einen Seite bietet es ein interessantes und vielfältiges Anwendungsfeld, da Verbrennungsmotoren durch weitere Optimierungen und den Einsatz neuer synthetischer Kraftstoffe auch in der Zukunft eine bedeutende Rolle spielen werden und die Kolben/Zylinder-Paarung tendenziell für den größten Anteil der Motorreibung verantwortlich ist. Auf der anderen Seite ist es ein anspruchsvolles System, für das bisher keine CFD-Modelle existieren, welche alle genannten Einflüsse in der notwendigen Detailtiefe berücksichtigen., Der neuartige Berechnungsansatz, der die Untersuchung der Blowby-Menge und der Reibung verbessern soll, besteht in der Entwicklung eines mit benutzerdefinierten Funktionen gekoppelten 3D-CFD-Modells des Kolbenringpakets. Von besonderer Bedeutung sind dafür die dreidimensionale Dynamik und Verformung des Kolbenrings, die durch ein FE-Modell abgebildet werden soll. Dabei sind nicht nur die Kopplung mit der strömungsmechanischen Lösung und dem Festkörperkontakt umzusetzen, sondern auch effiziente Algorithmen zur Anpassung der dreidimensionalen Berechnungsnetze zu entwickeln. Darüber hinaus sollen ein Mischreibungsmodell sowie ein Modell zur Berücksichtigung der Schmierstoffspeicherung im Honprofil des Zylinders implementiert werden. Abschließend wird das Gesamtmodell anhand der Messergebnisse eines Floating-Liner-Prüfstandes validiert., Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens ist mit der Erlangung allgemeingültiger Methodenkompetenzen zur dreidimensionalen Berechnung von Fluid-Struktur-Interaktionen in geschmierten Maschinenelementen zu rechnen. Zum Ende des Vorhabens liegen neben umfassenden Details über die Reibungs- und Transportmechanismen innerhalb des Kolbenringpakets, Erkenntnisse und 3D-Teilmodelle zur Kopplung der mehrphasigen CFD mit Modellen zur Mischreibung, Strukturdynamik und benutzerdefinierten Netzdynamik vor, die auf andere geschmierte Maschinenelemente übertragbar sind.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Lattice-Boltzmann simulations of particulate flows
Turbulent flows laden with particles are ubiquitous in a wide range of industrial and natural processes including biomass combustion, pollutant transport, sand storms, icy clouds, etc. In most of these applications particle shape is not spherical. Numerical simulation of turbulent flows with non-spherical particles is complicated because the orientation and distribution of particles play an important role and can significantly modify flow and turbulence behavior. Most numerical studies dealing with turbulent flows involving non-spherical particles are limited to point particles. However, when particles become larger than the Kolmogorov length scale, simulations become more complex and demand large computational efforts. Very few numerical studies of turbulent flows with interface-resolved non-spherical particles can be found in the scientific literature up to now. Most of these studies have considered isothermal conditions. However, heat transfer from/to particles can again significantly alter all flow properties. Hot particles can also modify the turbulence spectra through pressure dilatation. Such effects have never been addressed thoroughly in the past. The goal of this study is to bridge this gap by performing direct numerical simulation (DNS) of turbulent flows containing non-spherical particles and considering heat transfer effects. Given the complexity of the problem and very high computational costs required for the simulations, a lattice Boltzmann method (LBM) solver is chosen for this study. Due to the locality of all operations, parallel computations are straightforward with LBM. Moreover, it can relatively easily be applied to complex domains, which makes it suitable for the purpose of the present proposal. To this end, an immersed boundary method (IBM) combined with an LBM solver will be employed. In order to deliver information relevant for practical applications, the final simulations will consider a pipe flow, opening the door for a better physical understanding of important phenomena like particle position in catalytic reactors, or fouling in heat exchangers. Such DNS (here based on LBM) will improve our understanding of the physical transfer mechanisms. Combining turbulence, non-isothermal and fluid dynamics aspects and considering the mutual interactions that occur during the motion of non-spherical particles are the central goals of this proposal. The results of this study will also enable practical progress concerning heat transfer enhancement, possibly coupled to drag-reduction effects.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Dissecting pathogen persistence- versus clearance-promoting functions of monocyte-derived cell populations during L. major infection
Tissue damage and infection results in the massive recruitment of immune cells from the bloodstream. Among these recruited cells, the monocytes give rise to a versatile system of phagocytes which can take up and neutralize pathogens, activate the adaptive immune system, but also induce tissue repair. Despite intense investigation in a variety of disease models, it has remained unclear how the different functions of specific monocyte subsets are induced after recruitment to the tissue, and how these functions contribute to the control of infections. This question is especially important for the infection with intracellular pathogens such as, L. major, , for which monocyte-derived cells can serve both as niches for intracellular growth of the pathogen, but also as effector cells fighting the infection., In our previous work, we have identified distinct subsets of monocyte-derived cells that harbour, L. major, with different intracellular proliferation rates, exhibit characteristic gene expression patterns, and are differentially engaged by effector T cells. How such differences relate to distinct effects of the individual monocyte-derived subsets, i.e. to what extent they promote intracellular survival and persistence of the pathogen, or pathogen clearance by activating the immune system, is unclear yet., The objective of the proposed research is therefore to investigate the following questions:, (1) How are the monocyte-derived cell subsets are recruited to, and activated at, the site of L. major skin infection?, To achieve this, we will employ fluorescent reporter systems that allow us to track in vivo the recruitment and activation of monocytes to the site of infection., (2) How do the different subsets interact with T cells and modulate T cell effector functions?, For this, we will investigate by intravital 2-photon microscopy in vivo, and by live cell imaging and RNA sequencing ex vivo, the capacity of different monocyte-derived cell subsets to interact with and activate effector T cells., (3) How do candidate genes shown to be specifically expressed in distinct monocyte-derived cell subsets impact on the role of these subsets in promoting pathogen persistence versus clearance?, To investigate this question, we will apply mixed bone marrow chimeric models combined with partial cell depletion to address cell-intrinsic versus cell extrinsic effects of candidate gene deficiencies on pathology and infection course., The proposed research should critically contribute to our understanding of the mechanisms and dynamics of how different monocyte-derived cell subsets impact on the course of infection. Given the widespread involvement of monocytes in a variety of infectious, inflammatory and malignant diseases, elucidating the mechanisms that control such immunostimulatory versus immunomodulatory functions could guide novel therapeutic strategies targeting this balance specifically in monocytes.
2020 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Adaptive plasticity of brain structure and function in response to consecutive stress exposure: assessing the role of endocannabinoid receptors as mediators of resilience
The major aim of this project is to unravel neurobiological, cellular, molecular, and epigenetic events that mediate the development of stress resilience versus stress vulnerability in a rat model of early life stress (ELS). The overarching hypothesis is that vulnerable as well as resilient individuals exist and that exposure to ELS (1st hit) induces different or contrasting adaptive plasticity processes in the respective animals. We will test if repeated exposure to stress at different stages of development, ELS as 1st "hit” and swim stress at juvenility as 2nd "hit” will have lasting effects on neuronal networks in the brain, specifically those mediating affect regulation and social approach and reward. More specifically, we will analyze if rats classified as resilient or susceptible following the 1st hit and subsequently exposed to a 2nd hit at juvenility will demonstrate the same phenotype at adulthood, that is, resilient animals will remain resilient throughout the lifespan, whereas susceptible animals may display exacerbation of symptoms following the 2nd hit (cumulative stress concept)., On the mechanistic level we will address two complementary hypotheses of ELS-induced brain plasticity. First, we hypothesize that a) the mPFC-amygdala-NAc circuit is central in understanding vulnerability vs resilience due to its continuous and significant maturation during juvenility ; b) the long-term effect of ELS-induced "stress-inoculation” vs vulnerability is sex-specific and is conferred c) by activity-induced changes in the expression of synaptic plasticity proteins within specific neuronal ensembles, which confer d) structural long-term changes in synaptic connectivity and plasticity. Second, we hypothesize that ELS-induced resilience is conferred e) by changes in CB1 receptors, whose expression f) is epigenetically re-programmed by ELS. Finally, the project will also elucidate if and in which way pharmacological interventions on the endocannabinoid system may be effective in normalizing behavioral pathology and in epigenetic "reprogramming” of ELS-induced brain functions., This multidisciplinary project is essential in order to disentangle the factors that moderate the long-term effects of ELS, which is crucial for identifying the biological underpinnings of resilience and characterizing neural circuits and molecular pathways involved in (re-)programming mechanisms.
2020 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Inter- and transgenerational consequences of early life adversity on oxytocin-receptor gene expression
Experience-driven maturation of neuronal and behavioral functions represents a fundamental principle of functional brain development. During brain development, genetically preprogrammed events interact with environmental and psychological ‘epigenetic’ factors, which results in ‘fine-tuning’ of neuronal networks in order to adapt to an individual´s environment and to generate appropriate responses to environmental challenges. Studies in humans as well as in various animal models have shown that the exposure to one or multiple forms of early-life adversity (ELA), such as childhood stress, abuse and neglect, constitutes a major risk factor for developing somatic and behavioral disorders and in the etiology of a wide range of mental diseases. Increasing evidence, including those from our own studies, demonstrated that negative and positive environmental early-life experiences critically interfere with the maturation of brain structure and function . Hence, synaptic circuitries adapt or maladapt to a given environment, which - in the case of adverse experiences such as socio-emotional neglect, abuse, and trauma - can lead to dysfunctional neuronal circuitries, and thereby contribute to the aetiology of mental and behavioral disorders. Moreover, evidence is emerging that behavioral and brain structural/functional consequences of ELA can be transmitted to the next generations, however, the detailed mechanisms underlying inter- and transgenerational transmission of ELA are still poorly understood., Based on these findings the aim of this project is to compare the inter- and transgenerational transmission of ELA-induced changes in behavior and in prefrontal and hippocampal Oxytocin-receptor (OxtR) expression, including the underlying epigenetic regulation, in male and female offspring (F1 and F2 generation) of stress-exposed mothers (F0 generation)., We expect that the brain of individuals, which were exposed to ELA, suffers from dysfunctional neuronal circuits in prefrontal and hippocampal areas, which hinders their behavioral flexibility and adaptations to the environment. We will focus on the oxytocinergic system (specifically the expression of the OxtR) based on our previous investigations, where we observed a) depressive-like and ADHD-like behavioral phenotypes in ELA animals, b) impaired maternal care behavior in ELA females (F0 generation) towards their offspring (F1 generation) and c) decreased OxtR gene-expression in the PFC of ELA exposed F0 females. We will address the working hypothesis (a) that the ELA induced decrease in OxtR gene expression in the brain and oocytes of adult female mice (F0 generation) is a) epigenetically regulated and b) transmitted to their F1 and F2 offspring via © maternal behavior and/or (d) via the maternal germline.
2022 bis 2025
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Molekulare Mechanismen der Notch3-abhängigen Immunzellinfiltration, Entwicklung einer fibrogenen Niche und Nierenfibroseentstehung
ME 1365/7-3, Chronische Nierenerkrankungen betreffen etwa 10% der Allgemeinbevölkerung und stellen aufgrund der hohen Kosten und Chronizität eine große Belastung für das Gesundheitssystem dar. Bei der Mehrzahl der Betroffenen kommt es zu einem nicht reversiblen Rückgang der Nierenfunktion. Die zugrundeliegenden Ursachen sind vielfältig und reichen von arterieller Hypertonie, Hyperglykämie bis hin zu Autoimmunerkrankungen. Es entwickelt sich eine progressive tubulointerstitielle Fibrose mit Verlust der Nierengewebsarchitektur und einem Rückgang der Anzahl der Nephrone. Es ist ein enger zeitlicher und räumlicher Zusammenhang der Nierengewebsschädigung mit tubulointerstitieller Zellinfiltration und einer "aktivierten" fibrogenen Nische nachweisbar. Unsere Arbeitsgruppe sowie andere identifizierten die Rezeptoren der Notch-Familie als zentrale Regulatoren des Nierenschadens. Mäuse mit einer genetischen Ablation des Notch3 Rezeptors sind vor experimentellen Nierenerkrankungen wie der Harnleiterobstruktion und der nephrotoxischen Serumnephritis geschützt. Die grundlegende Rolle des Notch3 Rezeptors für die zelluläre Antwort auf Gewebeschäden wird bei diesen Tieren durch die Beobachtung einer schwächeren Integrin-Aktivierung, einer geringeren Leukozyteninfiltration in das Gewebe und fehlende Aktivierung des NF-kB-Signalweges unterstrichen. Unsere neueren Ergebnisse definieren eine zellspezifische Funktion des Notch3 Rezeptors. Dabei konnte zum einem die Funktion des Notch3 Rezeptors in nierenresidenten Zellen (z.B. tubuläre sowie tubulointerstitielle Zellen und Mesangialzellen) und zum anderen in peripheren Immunzellen beschrieben werden., Die Ergebnisse werden unser Verständnis zur Pathophysiologie chronischer Nierenerkrankungen mit dem Fokus auf ein Schlüsselrezeptormolekül vertiefen. Diese werden genutzt, um Interventionsstrategien mit zellspezifischer Behandlung sowohl einer Entzündungsreaktion als auch der Organfibrose zu gestalten.
2022 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
A hybrid sea ice model to estimate the impact of floe scale sea ice-ocean-atmosphere coupling on the Antarctic sea ice evolution
A number of mechanisms have been proposed to explain the decrease and increase of the Antarctic sea ice extent in the recent years. But the processes that drive this evolution are not well understood. The simulation of Antarctic sea ice in current climate models remains a fundamental problem and the reason for this shortcoming is a current research question. But there is some evidence that this stems, in addition to the formulation of atmospheric and oceanic processes, also from the description of the sea ice physics in the Southern Ocean. Even though much of the current sea ice cover in the Southern Ocean resembles a marginal ice zone, continuum sea ice models usually do not resolve sea ice floes nor parameterize this regime and neglect important feedbacks on climate and weather. Furthermore, the application of continuum sea ice models at or below the resolution of individual floes is questionable as the underlying continuum assumption of those sea ice models likely breaks down. In this proposal we will address these shortcomings of current continuum sea ice models used in climate models by developing a hybrid sea ice model, that explicitly describes atmosphere, sea ice and ocean interactions up to the floe scale. The hybrid approach provides a seamless model framework to predict the sea ice state, ranging from interacting sea ice floes in the marginal ice zone up to pack ice. The development of new numerical models and their validation to improve the understanding of Polar Processes and Mechanisms is a central aspect of the current call. Our hybrid model, which combines particle with continuum methods, will contribute to a better understanding and prediction of the Antarctic climate system by explicitly including coupling and feedbacks between atmosphere, sea ice and ocean at the floe scale. Small scale processes related to individual floes are important to the polar climate, but their parameterization in continuum sea ice models remains a research question.To understand the impact of floe scale interactions on the evolution of the sea ice cover in the Southern Ocean, we will develop a Discrete Element sea ice model, based on the description of DESIgn and the Princeton DEM, and nest it into the continuum sea ice formulation in the climate model ICON. Our goal is to explicitly simulate discrete sea ice floes in a subdomain of interest such as the marginal ice zone. In regions where a high spatial resolution is not required, the simulation is based on the continuum model, which is a suitable, computational efficient, approach to describe the sea ice evolution at large scales and low resolutions. Using the hybrid approach, we will explicitly take the floe size distribution into account, which significantly impacts the simulated sea ice volume. Finally, owing to the particle approach used in the hybrid sea ice model, this project opens a pathway towards exascale sea ice modeling, including the possible use of GPUs.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Auswirkung der Vaskularisierung des Hippocampus auf neuronale Ressourcen des MTL und assoziierter neurokognitive Netzwerke
Dieses Projekt bildet das B04 Projekt des SFB 1436 "Neural Resources of Cognition". Das Ziel dieses Projektes ist es, zu untersuchen, wie sich die präzise Architektur der Gefäße im Hippocampus auf die individuellen kognitiven Ressourcen bei jüngeren und älteren Menschen auswirkt. Ich leite dieses Projekt zusammen mit Dr. Anne Maass and Prof. Stefanie Schreiber.
2019 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Bayessche semiparametrische Modelle mit Zeitreihenfehlern
Die Bayessche Zeitreihenanalyse erfreut sich zunehmend wachsender Beliebtheit in der Fachliteratur., Oft geht man hierbei in der Modellierung von einer stationären zentrierten Zeitreihe aus., In vielen relevanten Fällen stellt eine solche Zeitreihe jedoch nicht das primäre Objekt von Interesse dar, sondern wird lediglich als Fehlerterm in einem Modell mit zusätzlichem (endlichdimensionalem) "Parameter von Interesse" zugrunde gelegt., Beispiele hierfür reichen von linearen Modellen (mit Modelkoeffizienten als Parameter von Interesse) über Strukturbruch-Modelle (mit den Strukturbrüchen als Parameter von Interesse) bis hin zur nichtlinearen Regression (mit Regressionsfunktion als Parameter von Interesse)., Wenn man sich für den Fehlerterm nicht auf ein endlichdimensionales Zeitreihenmodell beschränken möchte, besteht die Möglichkeit, diesen nichtparametrisch zu modellieren – man spricht in diesem Fall von einem semiparametrischen Modell., Obwohl es einige Arbeiten zu Bayesschen semiparametrischen Modellen in der Fachliteratur gibt, sind dennoch wenig semiparametrische Ansätze im Zeitreihen-Kontext entwickelt worden., Insbesondere mit Blick auf asymptotische Betrachtungen gibt es zudem kaum theoretische Erkenntnisse., Wir betrachten ein Bayessches semiparametrisches lineares Modell, mit Fehlerterm bestehend aus einer stationären zentrierten Zeitreihe, welche nichtparametrisch mit einem Bernstein-Hpd-Gamma Prior für die Spektraldichtematrix im Zusammenspiel mit der Whittle Likelihood modelliert wird., Die Resultate des Verfahrens werden in einer vergleichenden Simulationsstudie evaluiert., Für den wichtigen Spezialfall des Erwartungswert-Modells werden zudem Kontraktionsraten der gemeinsamen a posteriori Verteilung sowie ein Bernstein-von-Mises Resultat für die marginale a posteriori Verteilung des Erwartungswerts hergeleitet.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Gaze track representation in high-level visual cortex
When we look at a face, we carry out distinctive eye movements leading to gaze paths that can easily be discriminated from the gaze paths elicited by other objects. It is well-known that frontal and parietal areas support the planning and execution of such eye movements. However, we recently showed that face and house-specific gaze tracks can be decoded in the fusiform face area (FFA) and the parahippocampal place area (PPA) - even in the absence of a face or house to look at. We concluded that action (gaze) patterns are represented in high-level visual cortex, demonstrating a potential neural basis for close interactions of perception and action. While we think we have presented solid evidence for this counterintuitive mapping of complex gaze patterns in high-level perceptual areas, many questions as to their nature and function remain., In the first experiment of the present proposal, we want to investigate the nature of this novel finding, specifically at what time the critical information is represented in a gaze track and if it is coded in the sequence or rather the location of fixations. In a second experiment, we want to learn if the gaze tracks elicited when identifying a face respectively identifying a facial emotion expression are represented in different perceptual brain areas. Finally, we plan to investigate if microsaccades elicited during face viewing are represented in a similar way as saccades in the FFA.
2022 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Die Wirkung des Einsatzes KI gestützter Technologie zur Lügenerkennung in Verhandlungen
Die zunehmende Digitalisierung gesellschaftlicher und ökonomischer Interaktionen verläuft mit, einer erheblichen Geschwindigkeit. Forschung zu Digitalisierungsprozessen sollte dabei zwei Erkenntnisgegenstände, miteinander in Einklang bringen, die für gewöhnlich allerdings getrennt voneinander, untersucht werden: Erstens die Frage der technischen Entwicklung und zweitens die, Frage der Auswirkungen dieser Entwicklung auf menschliches Verhalten. In dem hier beantragten, Projekt soll der Versuch unternommen werden, beide Perspektiven in einem interdisziplinären, Zugang miteinander zu verbinden, wobei der Schwerpunkt zwar auf der Verhaltensanalyse liegt, die technische Komponenten aber dennoch stark vertreten ist. Der Anwendungsfall, der für diese, Art der Analyse von Digitalisierungsprozessen gewählt wird, ist das Phänomen asymmetrischer, Information., Asymmetrisch verteilte Information spielt in vielen ökonomischen Kontexten eine wichtige Rolle., Informationsasymmetrien sind verantwortlich für Adverse Selektion (Akerlof, 1978) und Moral Hazard, auf Versicherungsmärkten, spielen im Human Resource Management eine große Rolle und, verhindern, dass bilaterale Verkaufsverhandlungen sicher zu effizienten Lösungen führen, (Kennan and Wilson, 1993). Bisher gab es kaum eine Möglichkeit, diese Asymmetrien zu beseitigen, weil die asymmetrisch verteilte Information privater Natur ist. Nur das jeweilige in einer, Verhandlung stehende Individuum kennt sie. Deshalb konzentrierte sich die Forschung lange auf, die Frage, ob es Anreizsysteme gibt, unter denen die wahrheitsgemäße Offenbarung privater, Information eine beste Antwort sein kann (Myerson and Satterthwaite, 1983). In der jüngsten Zeit, hat sich die Situation insofern geändert, als es mit Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) möglich, geworden ist, aus der Mimik von Menschen auf Gefühlszustände zu schließen, um so beispielsweise, detektieren zu können, ob gelogen wird oder nicht (Pérez-Rosas et al., 2015). Es ist, davon auszugehen, dass angesichts der fortschreitenden Digitalisierung die Qualität derartiger, Algorithmen weiter zunehmen wird. Künstliche Intelligenz umfasst hier vor allem das Forschungsgebiet Maschinelles Lernen, in dem ein künstliches System anhand von Beispielen trainiert wird und zwar so, dass es anschließend für unbekannte Daten verallgemeinert., Das Projektvorhaben verbindet zwei Forschungsbereiche: Wirtschaftswissenschaften (WW) sowie, Neuro-Informationstechnik (NIT). In beiden Bereichen spielt die Identifikation privater Information, eine große Rolle, wird jedoch aus unterschiedlichen Blickwinkeln betrachtet. Während die, ökonomische Analyse sich auf die Rolle und Wichtigkeit privater Information in Verhandlungssituationen, fokussiert, steht bei NIT die Machbarkeit und Qualität einer automatisierten Erkennung, persönlicher Charakteristiken im Vordergrund. Dass das Zusammenwirken beider Forschungszweige, erfolgreich möglich ist, wird anhand der gemeinsamen Publikation der Antragsteller, (Othman et al., 2019) deutlich., Im Zentrum dieses Forschungsvorhabens stehen mehrere Fragen. Die ökonomisch bedeutsame, Frage ist, ob und wie Menschen auf die Existenz einer wenig invasiven Technologie zur Lügendetektion, reagieren. Dabei wird es einerseits darum gehen, wie Menschen mit den Informationen, umgehen, die eine KI erzeugt und zum anderen, wie sich die bloße Existenz einer solchen Technologie, auswirkt. Es wird untersucht, ob Institutionen (zum Beispiel Märkte), die die automatisierte, Erkennung privater Information benutzen, Institutionen vorgezogen werden, die auf diese Technik, verzichten. Aus technischer Perspektive soll geklärt werden, wie gut eine KI gestützte Technologie, in der Lage ist, einfache Lügen im ökonomischen Kontext zu erkennen. Die Forschungsfragen, lassen sich wie folgt zusammenfassen., Aus ökonomischer Sicht, werden folgende Forschungsfragen untersucht:, 1. Wie wirkt sich die Existenz einer KI basierten Technologie zur Detektion von Lügen a priori, auf das Kommunikationsverhalten und insbesondere auf den Gebrauch von Lügen aus?, 2. Wie nutzen Menschen die Informationen über die Ehrlichkeit ihres Verhandlungspartners, die die KI gestützte Technologie Ihnen präsentiert?, 3. Kommt es durch die Existenz derartiger KI Technologien zu Marktselektionseffekten? Unter, welchen Umständen werden Akteure ein Marktdesign vorziehen, das KI gestützte, Technologie einsetzt oder auslässt?, Aus ingenieurstechnischer Sicht stehen folgende Forschungsfragen im Vordergrund:, 1. Inwiefern ist die Detektion von Lügen in simplen Verhandlungssituationen mit finanzieller, Incentivierung mittels einer KI gestützten mimischen Expressionsanalyse möglich?, 2. Wie lässt sich die Detektion von Lügen durch die Hinzunahme weitere Modalitäten, z.B., der automatisierten, bildbasierten Vitalparameterschätzung verbessern?, 3. Wie können die Klassifikationsmodelle interpretiert, der Einfluss unterschiedlicher Modalitäten, bewertet und Merkmale, die zur Detektion von Lügen geeignet sind, identifiziert, werden?, Das Projekt nutzt die KI-Technologie, um die Frage zu beantworten, wie sich individuelles Verhalten in Konfliktsituationen mit privater Information durch die Existenz solcher Mechanismen ändert. Dies geschieht mit Hilfe incentivierter Laborexperimente und des Einsatzes der KI-Technologie. Die finale Forschungsfrage ist, ob die alleinige Existenz solcher Technologien die Menschen in ihrem Verhalten beeinflusst. So wird Käufern und Verkäufern die Möglichkeit gegeben, sich für oder gegen diese Technologie zu entscheiden, um Zugriff auf private Informationen des Verhandlungspartners zu erlangen. Damit befasst sich das Projekt mit ökonomischen Konsequenzen der Digitalisierung im Bereich des Marktdesigns. Es soll untersucht werden, wie sich die Akteure in entsprechende Teilmärkte selektieren und ob die Märkte überhaupt, zustande kommen. Diese Forschungsfrage ist von hoher praktischer und wissenschaftlicher Relevanz., Der Einsatz von KI wird in den nächsten Jahren stark zunehmen und in immer mehr Anwendungen auftreten. Angesichts dieser Entwicklung ist es von hohem gesellschaftlichem und wissenschaftlichem Interesse zu wissen, wie die Verwendung solcher Technologien das Verhalten der betroffenen Akteure beeinflusst. Dies ist sowohl für die Beantwortung der Frage nach den Wohlfahrtseffekten der KI als auch für konkrete Fragen des Marktdesigns relevant. Eine hervorhebenswerte Stärke des Projektes zu ist, dass das erwartete Lügeverhalten durch entsprechende laborexperimentelle Methoden incentiviert ist und die KI auf incentivierten Datensätzen lernen kann. Die KI gestützte Technologie, die in dem Projekt zum Einsatz kommt, ist allerdings nicht nur geeignet, Lügen zu detektieren, sondern kann ganz allgemein dafür verwendet werden emotionale Zustände aufzudecken. In diesem Zusammenhang stellt sich zusätzlich die Frage, ob eine höhere Transparenz der emotionalen Zustände der Verhandlungsteilnehmer Auswirkungen auf den Verlauf der Verhandlungen bzw. auf deren Ergebnisse hat. Als ein Nebenprodukt können die im Rahmen des Projekts gesammelten methodischen Erfahrungen zur Analyse emotionaler Reaktionen dazu genutzt werden, um Beweggründe von Versuchspersonen in anderen Laborexperimenten auf eine neue Art zu analysieren.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Dynamic modelling of training-induced, response-optimised mobilisation of neural resources
This projects tests if neural resource mobilisation can be optimized by adapting the task demands relative to the subject’s current ability in healthy older participants. We refer to the gap between task demand and ability as the Ability Prediction Error (APE). Using computational modelling and longitudinal quantitative MRI (qMRI), we aim to explore how APEs control sensorimotor performance improvements, behavioural transfer and the time course of neural resource mobilization at macro- and mesoscopic brain levels in a defined (pre-) frontal brain circuit.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Effects of hippocampal vascularization patterns on the neural resources of MTL neurocognitive circuits
The hippocampus and adjacent entorhinal cortex (EC) form a neural circuit within the medial temporal lobe (MTL) that is crucial for episodic memory formation. Integrity of this circuit is massively affected by age-related degeneration, partly due to pathology (e.g. tau, microinfarcts), partly due to environmental factors. Interestingly, the pattern of hippocampal vascularization varies among individuals, that is, there are individuals with a single supply, and there are individuals with a double supply., We recently found out that the individual vascularization profile interacts with verbal memory and global cognition: participants with a double supply had higher scores in the California Verbal Learning Test (CVLTII). What is not clear so far is which neuronal mechanisms underlie this effect. How does the individual vascularization profile affect cognitive aging? How does a double supply contribute to cognitive resource, and does it interact with training success?, These are the key questions addressed in this project within the CRC 1436. Here, we use the beneficial effect of a double hippocampal blood supply as model to understand the neuronal basis of cognitive resources in younger and older adults. By using ultra-high resolution functional and structural imaging at 7 Tesla together with advanced modeling techniques, we will investigate how the fine-grained hippocampal vascular supply affects age-related MTL pathology, MTL integrity, and MTL myeloarchitecture (neural resources), and how this mediates subregion-specific memory function (cognition). Finally, we will test how the effect of cognitive interventions on MTL function is modified by the hippocampal vascularization patterns.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Erstellung und Untersuchung einer Biomarker-basierten Alterskohorte
Wenn wir altern, nimmt unsere geistige Leistungsfähigkeit und unser Erinnerungsvermögen ab. Die Stärke dieses Abbaus variiert jedoch stark zwischen verschiedenen Personen. Dabei kann ein rapider Abfall des Erinnerungsvermögens auch ein frühes Anzeichen der Alzheimer Krankheit sein, bei der sich Proteine im Gehirn ablagern und dabei die Funktion der Nervenzellen einschränken. Das Ziel des Zentralprojektes Z03 ist es, gesundes kognitives Altern besser zu verstehen unter Nutzung verschiedener Bildgebungsverfahren. In einer großen Kohorte von kognitiv gesunden älteren Proband*innen möchten wir die molekularen, funktionellen und strukturellen Eigenschaften des Gehirns im Alter untersuchen. Dazu rekrutieren wir über einen Zeitraum von 4 Jahren Proband*innen, die 60 Jahre und älter sind. Dabei liegt ein Fokus unserer Studie auf der Gruppe der Super-Ager, die mindestens 80 Jahre alt sind und eine (für ihr Alter) überdurchschnittliche kognitive Leistungsfähigkeit aufweisen.Alle Proband*innen durchlaufen eine 3 Tesla MRT Untersuchung, um die Hirnstruktur und Funktion zu untersuchen. Ein Teil der Proband*innen wird auch mittels PET weiter auf Tau Ablagerungen untersucht. Darüber hinaus werden verschiedene Proteine, inklusive Alzheimer-assoziierte Proteine, im Blut untersucht. Weiterhin werden die Proband*innen in weiteren Teilprojekten des SFBs weiter untersucht, die z.B. kognitive Trainingsinterventionen beinhalten.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Exploratory attentional resource allocation by the anterior prefrontal cort
Allocation of attention enables us to focus on the task at hand. However, in a constantly changing environment it is also necessary to explore the environment for the adaptive reallocation of resources. The anterior prefrontal cortex (aPFC) is regarded as a decisive part of a neurocognitive circuit for the neuronal realization of exploratory resource allocation in human and non-human primates. However, rodents (with their less differentiated frontal cortex) also show exploratory resource allocation. We plan to investigate the neural processes of exploratory attentional resource shifts on the macro-scale and meso-scale across humans and Mongolian gerbils. We utilize a novel, complementary foraging paradigm in both species based on exploitation / exploration trade-offs and record brain activity from the aPFC with respect to its local micro- and widespread macro-circuitry. Moreover, there is emerging evidence that exploratory attention is diminished in old age revealed by-sometimes perseverative- exploitative behaviour. Exploratory resource allocation is also likely to be a prerequisite for successful transfer of learning. This will be investigated in collaboration with other subprojects of the CRC.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Hybrid^2-Index Structures for Main Memory Databases
Aim of this project is to speed up index accesses of database management systems (DBMS) in order to improve the total performance. As index accesses are starting points for all succeeding processing steps of database queries, fast index accesses are the key to a superior total performance of DBMS. For the purpose of speeding up index accesses we propose to investigate and develop new hardware-/software index structures, which realize structure-hybrid indexes, i.e., the combination of static and dynamic indexes, on hybrid shared-memory system architectures consisting of a CPU and an FPGA or GPU as hardware accelerator. Such hybrid^2-indexes are not considered so far in literature, such that the possibilities of current hybrid shared-memory system architectures are not utilized in an optimal way. Because of the reduction of the communication costs between CPU and hardware accelerator many existing design rules for utilizing hardware accelerators must be rethought, especially concerning the complexities of tasks taken over by the hardware accelerators.Within this project we will hence research on which and how static and dynamic index structures can be realized in an efficient way with high performance on hybrid systems. Furthermore, we will investigate how to react on changing access patterns by dynamically swapping used index structures on the hardware accelerators. We expect novel, adaptive structure- and hardware-hybrid index structures, which significantly improve the performance of index accesses in DBMS in comparison to existing traditional systems.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Improving simulations of large-scale dense particle-laden flows with ma- chine learning: a genetic programming approach
Particle-laden flows are encountered in many natural and industrial processes, such as, for instance, the flow of red and white blood cells in plasma, or the fluidization of biomass particles in furnaces. Over the last 40 years, scientists have used Euler-Lagrange (EL) simulations as a way to predict the behavior of such flows. However, EL simulations rely on models to describe the interaction between the fluid and the individually tracked particles. These models require the so-called "undisturbed” fluid velocity at the location of the particle, which is what the velocity of the fluid would have been if the particle had not been there. Current models for this are very rudimentary and precisely calculating the undisturbed fluid velocity is extremely expensive, as it would involve running many additional highly resolved simulations of the same case where one particle is left out., This is a project to deliver a novel model for the undisturbed fluid velocity at each particle location, given the properties of the flow around the particle and of the surrounding particles, using a supervised learning machine learning approach: genetic programming (GP). GP is highly suitable, as its result will not be a "black-box” model, but a verifiable expression for the undisturbed velocity. This expression will be validated by analytical solutions and highly resolved simulations, and will enable accurate, large-scale simulations of dense particle-laden flows, while only requiring a fraction of the cost of fully resolved simulations.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Meso-scale Bildgebung am Menschen
Dieses Projekt bildet das Z-Projekt des SFB 1436 "Neural Resources of Cognition". Das Ziel dieses Projektes ist es, Methoden zur meso-scale Modellierung von ultra-hochfeld MRT-Daten zu entwickeln um neuronal Ressourcen in jungen und älteren Menschen zu identifizieren. Ich leite dieses Projekt zusammen mit Prof. Oliver Speck and Prof. Michael Hanke.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
"Metabolische Dysregulationen bei EMT-getriebener metastatischer Kolonisierung"
Die metastatische Kolonisierung erfordert eine dynamische Adaptation von Tumorzellen and sich permanent ändernde Bedingungen der Tumorumgebung. Dies wird durch die Aktivierung des embryonalen Programmes der epithelialen-mesenchymalen Transition (EMT) ermöglicht, welche Tumorzellen die notwendige Plastizität verleiht. Wir und andere Arbeitsgruppen haben gezeigt, dass diese Plastizität auch die permanente Adaptation metabolischer Prozesse einschließt. In Projekt A03 werden wir untersuchen, wie die EMT-Aktivierung mit metabolischen Veränderungen in der metastatischen Kolonisierung verknüpft ist, mit dem Ziel molekulare "Schwachstellen" als neue therapeutische Angriffspunkte zu identifizieren. Wir werden charakterisieren, wie EMT-Faktoren metabolische Prozesse (z.B. den Wechsel in zentralen Energie-Signalwegen) regulieren, neue Wege eines gezielten Eingreifens erforschen und die Ergebnisse an humanen Krebserkrankungen validieren.
2019 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
"Metabolische und dietäre Kontrolle von mesenchymalem Gewebspriming und chronischer Arthritis"
Zelluläre und systemische Änderungen des Stoffwechsels haben dramatische Auswirkungen auf die Immunantwort und auf die Entstehung und den Ablauf von rheumatoider Arthritis (RA). In der ersten Förderperiode der FOR2886 haben wir gezeigt, dass metabolische Aktivierung synovialer Fibroblasten (SF) die Schwere und Länge von wiederholt auftretenden Artrhritisschüben erhöht ("entzündliches Gewebspriming"). Unsere Vorarbeiten für die zweite Förderperiode weisen darauf hin, dass Ernährungsumstellungen, wie zum Beispiel Nahrungsergänzung mit kurzkettigen Fettsäuren oder Intervallfasten (IF), in Mäusen die Entwicklung von entzündlichem Gewebspriming unterdrücken. IF bewirkte in unseren präliminären Versuchen substantielle Änderungen sowohl des Serum-Metaboloms als auch der bioenergetisch-transkriptionellen Signatur von SF. Außerdem resultierte IF in signifikanten Änderungen der Zusammensetzung der Darmmikrobiota. Während der zweiten Förderperiode planen wir daher, die direkten und indirekten Mechanismen zu entschlüsseln, die dieser Neustrukturierung des systemischen und zellulären Stoffwechsels durch IF zugrunde liegen und die letztendlich die Abmilderung von Arthritis begünstigen. Längerfristig ist es unsere Vision, eine Diät zu entwickeln, die die Entstehung von Arthritis und das entzündliche Gewebspriming in präklinischen Mausmodellen vermindert. Die aus diesen Versuchen gewonnene Erkenntnisse wollen wir dann auf Patienten mit RA und anderen Formen entzündlicher Gelenkserkrankungen übertragen
2024 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Netzwerke, Paradigmen und Karrieren im akademischen Feld
Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanzierte Projekt untersucht den Wandel der Logik akademischer Felder von einem Wettbewerb um Erkenntnisgewinn hin zu einem Wettbewerb um Drittmittel und Sichtbarkeit. Insbesondere drei Aspekte sind dabei von Interesse: die Verengung der paradigmatischen Vielfalt in einem akademischen Feld, die sich verändernden Kooperationsmuster der Wissenschaftler:innen sowie der Wandel und die zunehmende Standardisierung wissenschaftlicher Karriereverläufe. Das Projekt untersucht diese Entwicklungen für das Feld der Soziologie in einer komparativen empirischen Studie, in der für den Zeitraum 2000 bis 2019 die Veränderungen der US-amerikanischen und der deutschen Soziologie im Vergleich analysiert werden. Um unsere forschungsleitenden Hypothesen zu prüfen, sowie Hypothesen zu generieren, die sich auf die Untersuchung des Wandels des akademischen Feldes auf den Ebenen von Ländern, Institutionen und Forschenden beziehen, kombinieren wir unterschiedliche Datentypen: Publikationsdaten (z.B. Artikelabstracts auf SCOPUS), Netzwerkdaten (Kooperationen, z.B. Koautorenschaft und Zitationen zwischen Forscher:innen, Berufungsdaten), Lebenslaufdaten, institutionelle Daten (z.B. finanzielle Ausstattung der Fachbereiche) und in qualitativer Befragung von Soziolog:innen generierte Interviewdaten, die Einsichten in die persönlichen Erfahrung des angenommenen Wandels eröffnen sollen. Für die Auswertung dieser Daten werden Methoden der geometrischen Datenanalyse, der Netzwerkanalyse, der quantitativen Textanalyse, der Sequenzanalyse und der qualitativ-rekonstruktiven Sozialforschung genutzt.
2022 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Planar and Vertical Junctions for Innovative GaN-Based High-Power Devices
The development of group III nitrides has started a new era of high-frequency and high-power electronics. With the surge in regenerative energy sources, electric vehicles, data centres and many more mobile and energy-hungry applications, more efficient, compact and economical power conversion systems are required. In this context, a superior Baliga Figure of Merit is one factor, which promises significant potential for GaN-based power electronics (PE).Its workhorse is the lateral AlGaN/GaN HFET, which has reached commercial maturity in the 600 V regime. Generally, the vertical device geometry is preferred due to significant scaling benefits (as the maximum operating voltage can be scaled without compromising wafer area) and improved isolation properties. Electric field peaks are buried in the bulk, rendering vertical devices less prone to surface-related breakdown and parasitic effects like current collapse. Vertical power devices rely on specific types of 3D field-shaping and current-guiding (hetero)structures to ensure low leakage currents and high breakdown voltages. However, the failure of dopant implantation and diffusion processes in GaN leaves selected-area growth (SAG) as the most viable option. SAG has already yielded promising results, but a still relatively immature state is preventing the commercialization of vertical PE devices based on GaN. Material issues, especially linked to defects and non-ideal interfaces, are far from being solved. In addition to the high cost of native GaN substrates, a lack of knowledge of microstructure and defect characteristics and immature fabrication processes have prevented the development of a viable vertical GaN device technology.In this project, a systematic analysis of growth- and process-related defects and microscopic properties of p-n junctions and heterojunctions will be conducted. Compound Semiconductor Technology (CST) of RWTH Aachen University will employ SAG processes to create planar and vertical p-n junctions and heterojunctions in specific test structures for electrical and microscopic characterization. The Semiconductor Physics group at OvGU Magdeburg will perform detailed micro- and nanoscopic studies via (scanning) transmission electron microscopy ((S)TEM), cathodoluminescence (STEM-CL) spectroscopy, electron beam induced current (STEM-EBIC) measurements as well as time-of-flight transport analysis to identify defects, characterize carrier and exciton transport/dynamics and link these to electrical data and growth/processing conditions. This, complemented by physical modelling, will generate a deep understanding of the impact of defects and processes on the macroscopic material, interface and device properties and lead to novel strategies to fabricate PE devices. Finally, improved junction barrier Schottky diodes (JBS), vertical-channel junction field effect transistors (vc-JFET) or current aperture vertical electron transistors (CAVET) will be demonstrated.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Restoring neural resources perturbed by sleep deprivation
Many disorders as well as ageing cause a decline in cognitive functions, yet experimentally inducible, changes in neural resources are required to understand how these declines arise and how they are, counteracted by mechanisms mobilising remaining resources. Lack of sleep destabilises and impairs, cognitive performance and renders mistakes more likely, presumably by functionally depleting neural, resources. In this project we aim to establish and characterise sleep deprivation (SD) as a model to, test and simulate the effects of declining cognitive functions as a result of reduced availability of neural resources (a "functional loss of resources”) in humans. On the other hand, cognitive control may adaptively mobilise resources according to needs and availability. To probe neural resources and mechanisms maintaining cognitive functions in spite of SD effects, cognitive control is investigated using a task allowing us to disentangle contributions of the posterior medial frontal, lateral frontal, and occipital cortices which together form a neural network that facilitates behavioural adaptations. Employing model-based and multivariate pattern analyses (MVPA) to neuroimaging data in rested wakefulness (RW) and after SD, the contributions of individual regions and the network itself will be investigated. Structural predictors of resource vs. vulnerability to SD, such as intracortical myelination, will be explored using microstructural MRI. Orexin (OX) is a neuropeptide that, in interaction with the noradrenergic (NA) system, stabilises and adjusts arousal and may have the potential to revert SD effects. Therefore, its role of in stabilising and restoring neural resources will be studied in pharmacological challenge studies.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
SBF 1436/1 - A07 "Molecular & cellular determinants of neural resources - Orexinergic modulation of neural resource"
Orexinergic neurons are potent mediators of circadian fluctuation in cognitive function. In the proposed, project, we aim to explore the potential of orexinergic neuromodulation and the associated wakefulness, promoting system to mobilise neural resources by stimulating prefrontal cortex (PFC)-tohippocampus, signalling and to build up resources through increasing neural plasticity in the hippocampus., We will impose circadian disturbances together with pharmacological and viral interventions, to dissect the circuit mechanisms that underlie the circadian neuromodulation of memory formation, pattern recognition and cognitive flexibility. Engram labelling, slice physiology and molecular analysis, will be utilised to determine the cellular mechanisms of resource formation within hippocampal microcircuits., Our project will closely connect with other CRC projects that target cellular and circuit mechanism, of resource management and ultimately aims to investigate the potential of orexinergic modulation, for the mobilisation of cognitive reserve beyond circadian modulation. Thus, the interactive approach, within the CRC will provide fundamental insights into neuronal circuits and cellular mechanism, that may be utilised to battle cognitive decline, e.g. during ageing
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
SBF 1436/1 - A07 Orexinergic modulation of neural resource
In the proposed project, we aim to explore the potential of orexinergic neuromodulation and the associated wakefulness promoting system to mobilize neural resources by stimulating prefrontal cortex (PFC)-to hippocampus signaling and to build up resources through increasing neural plasticity in the hippocampus. To dissect the underlying neuronal mechanisms, we will use behavioral, pharmacological and viral interventions. In close connection to other CRC projects we expect to gain insight in to the neuronal circuits and cellular mechanism that may be utilized to battle cognitive decline.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
SFB 1436/1 - TP MGK / IRTG
We provide a platform for the structured interdisciplinary scientific training of our doctoral as well as postdoctoral researchers within the proposed CRC to meet both individual career needs but also the transfer of knowledge form basic science into application, and the involvement of the public in research questions.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
SFB 1436/1 - Z01 "Functional neural circuit analysis and small animal imaging in vivo"
Neurobiological studies of memory over the past century have progressed along two relatively independent lines of inquiry: (1) a top-down approach that examines the animal’s behaviours associated with memory acquisition, consolidation, and retrieval as well as the brain regions and circuits underlying these processes, and (2) a bottom-up approach that explores the cellular and circuit mechanisms of memory encoding and storage by examining the patterns of neuronal firing and the efficacy of synaptic transmission. Project Z01 will integrate these approaches, bridge micro- meso- and macroscale analyses, and provide most recent technology for functional neural circuit analysis to several projects conducting animal experiments within this CRC.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
SFB 1436: Neural Resources of Cognition - Unlocking the Full Potential of the Brain. TP A06: Neural resource mediated by BDNF-dependent neuroplasticity of cortico-hippocampal interactions
Neuronal interactions between the hippocampus (HIP) and prefrontal cortex (PFC) mediate essential, cognitive brain functions including spatial learning and fear extinction. This project will study how performancedeficits due to pathophysiological or ageing-dependent malfunction in one of the two brain, areas can be ameliorated by BDNF release-dependent compensatory re-shaping of HIP-PFC synaptic, circuits. We hypothesise that the HIP-PFC synaptic circuit provides a platform to serve as a neural, resource that can be tuned by BDNF-dependent mechanisms and exploited as a neural reserve during, age- or disease-related malfunctioning. To test this, we will employ optogenetically controlled BDNF, release in separate experiments in HIP and PFC neurons, respectively, and investigate in a combined, in vivo and ex vivo approach (1) the mechanisms of HIP-PFC neuronal interactions that provide the, compensatory neural reserve/resource and (2) how unlocking this resource can improve cognitive, functions in adult, healthy, aged, and diseased mice.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Neural Resources of Cognition - Unlocking the Full Cognitive Potential of the Brain
In diesem Sonderforschungsbereich (SFB) wollen wir die physiologischen Prinzipien entschlüsseln, die die neuralen Ressourcen der Kognition auf mikro-, meso- und makroskalen Ebenen bei jungen und älteren Erwachsenen bestimmen. Wir werden uns individuelle Variabilität durch die Einbeziehung kognitiv überdurchschnittlicher Individuen wie z.B. "Superager" zunutze machen. Unser SFB wird somit dazu beitragen, übergreifende Theorien neuronaler Ressourcen zu entwickeln. Im Verlauf des SFB werden wir ein umfassendes Konzept der kognitiven Medizin entwickeln, welches individuell zugeschnittene Interventionen zum Schutz oder zur Verbesserung spezifischer kognitiver Funktionen umfaßt und das Transferpotenzial von Interventionen optimiert., www.sfb1436
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
SFB 1436 "Neuronal Resources of Cognition"; Project B6 "Mobilisation of neural resources for temporal attention"
The external environment is rich with multiple sources of sensory stimulation, and our ability to adapt, to our surroundings requires the efficient use of neural resources to process this dynamic input. Attendingto particular moments in time is a key cognitive capacity instrumental in all animals’ survival., This requires associations between sensory systems and top-down executive control. How our senses, give us information about the environment changes as we age, often becoming compromised, and, resulting in drastic lifestyle changes, including problems with communicating and learning; ultimately, leading to isolation and further cognitive decline. While previous designs to prolong cognitive functioningacross the lifespan often rely on unisensory training programs, in the ‘real’ world, events often stimulate more than one sensory modality simultaneously and, therefore, may enhance the efficacy ofresource utilisation. The hidden potential underlying multisensory information processing within theseneurocognitive circuits during temporal attention, as well as the changes in these capacities acrossageing, remain unclear. Our project focuses on a key component that is instrumental in cognitive performanceand memory formation, the utilisation of temporal information in multisensory contexts; further, we will determine the potential to enhance these cognitive processes through interventionssuch as external feedback and multisensory training. We evaluate the potential for elevating cognitiveefficiency by manipulating expectations about the timing of sensorially cued events (WP1), testing thetransfer of information across modalities (WP2), and combining sensory categories (WP3) to ultimatelystabilise memory engrams. Across all three aims, we will relate behavioural readouts directly with neuronalactivity on the meso-scale and macro-scale level using functional magnetic resonance imaging(fMRI) in both humans and mice as well as micro-scale single-cell resolution two-photon (2P) Ca2+imaging and immediate early gene (IEG) expression in mice.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
C05 "Intervening in circuits for cognitive resource allocation in primates"
SFB 1436 aims to investigate neural resources at all size scales through an interdisciplinary approach that relates functional and structural properties of cortical and subcortical circuits to behaviour and performance and investigates interventions. Technological advances in in vivo brain imaging of the human brain and multimodal modelling will build a bridge between molecular studies in animal models and behavioural studies in subjects and patients., Project C05 of SFB 1436 - in collaboration with Prof. Dr. Petra Ritter (Charite, Berlin) - takes a combined theoretical and empirical approach to investigate causally - from neurons to behaviour - how resource allocation in visual and parietal brain regions can be controlled by altering functional connectivity in the animal model closest to human cognition, the rhesus monkey.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Human imaging at meso-scale
It is known from animal work that most mechanisms limiting neural resources manifest at the level of brain microstructure and influence brain functions at different hierarchical levels, such as brain macrostructure, neuronal networks, and behavioural phenotypes. Current research on neural resources in humans, however, often lacks a mechanistic level of explanation due to missing technology and/or methodological expertise needed to describe neuronal changes at the, meso-scale, (i.e. at the level of cortical layers or neuronal ensembles). This hinders knowledge transfer from mechanistic insights at the micro-scale gained in animal research to macro-scale human brain models and interventions. The CRC initiative has the overall goal to systematically investigate neural resources at the micro-, meso-, and macro-scale by taking an interdisciplinary and multi-scale approach and to link changes in the functional and structural architecture of cortical and subcortical micro-circuits to behavioural performance and cognitive interventions. Technological advancements in meso-scale brain imaging, meso-scale data modelling, and multi-modal and multi-scale data interaction can bridge this gap. The aim of, Z02, is to develop and test novel technologies using ultra-high resolution 7 Tesla magnetic resonance imaging (7T MRI) for wider applications in human subjects and primates and to provide them to the researchers of the CRC projects by ensuring (i) usage of appropriate and state-of-the-art MR-sequences that offer reproducible and optimised data quality and (ii) computational tools and analysis pipelines for multi-modal and multi-scale data modelling within and across individuals., Z02, has the overarching goal of modelling the human cortex in three dimensions, that is, both in plane at the cortical surface (dimensions 1&2) and in cortical depth (dimension 3, cf. Kuehn & Sereno 2018, Fig. 1). This approach extends the frequently applied localisation of function in cortical regions, e.g. Brodmann areas, or more advanced and ambitious columnar mapping, to a novel level of detail relevant for cognitive processes (e.g., Larkum et al. 2018). This will allow the CRC projects to target research questions on neural resources in a novel yet undiscovered dimension, while at the same time enabling Magdeburg to maintain its leading position for human brain imaging in Europe.
2019 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Simulation und Analysis für zeitliche Mehrskalenprobleme mit partiellen Differentialgleichungen
In diesem Projekt untersuchen wir zeitliche Mehrskalenprobleme mit partiellen Differentialgleichungen. Viele Anwendungen beschreiben Langzeiteffekte, etwa die Materialalterung, Materialschädigung durch Risse, biologische Musterbildungsprozess oder biologische Wachstumsprozesse. Diese Phänomene sind oft durch wichtige Kurzzeiteinflüsse bestimmt., Eine detaillierte numerische Simulation solcher Vorgänge mit etablierten Verfahren ist nicht möglich. Als Beispiel betrachten wir das Wachstum von artherioskelrotischem Plaque, welches im Zeitraum von mehreren Monaten abspielt, jedoch erheblich durch die mechanische Belastung der pulsierenden Blutströmung bestimmt ist, welche eine Auflösung von weniger als einer Sekunde bedarf. Eine direkte Simulation über lange Zeiträume mit sehr feiner Auflösung ist jenseits der Möglichkeiten., Wir werden zeitliche Mehrskalenverfahren zur Approximation dieser Probleme entwickeln, untersuchen und implementieren. Diese Methoden basieren auf einer Mittelung der schnellen Prozesse, um so eine effektive Gleichung zur Beschreibung des Langzeitverhaltens zu gewinnen., Ein Teil des Projekts widmet sich der mathematischen Analyse von zeitlichen Mehrskalenproblemen mit partiellen Differentialgleichungen. Üblicherweise kann ein Skalenparameter eingeführt werden, der das Verhältnis zwischen langsamer und schneller Skala beschreibt. Wir werden die Konvergenz der Mehrskalenlösung gegen die gemittelte Lösung in Hinblick auf diesen Skalenparameter untersuchen., Im zweiten Teil werden effiziente numerische Verfahren zur schnellen Approximieren von zeitlichen Mehrskalenproblemen entwickelt und implementiert. Diese Verfahren basieren auf einer effizienten Approximation der gemittelten Langzeitprobleme. Zur örtlichen Diskretisierung verwenden wir die Finite Elemente Methode, zeitliche Diskretisierung erfolgt auf Basis von Galerkin-Verfahren. Zum Erlangen effizienter Algorithmen werden wir konsequent auf adaptive Verfahren in Ort und Zeit setzen., Die mathematische Analyse von zeitlicher Mehrskaligkeit im Zusammenhang mit partiellen Differentialgleichungen ist ein herausforderndes Problem, welches bisher kaum systematisch untersucht wurde.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Strengthening the link between subjective and objective visual acuity
Visual acuity testing is a fundamental ophthalmological examination with eminent relevance for diagnostics, medico-legal decisions, and research progress in clinical and basic science. Importantly, the standard procedure to determine visual acuity is ‘subjective’ testing, where the validity of the results critically depends on the reliability of the patient’s responses. In certain groups of patients this is, due to inability or lack of willingness, a serious confound with far reaching consequences. While ‘objective’ visual acuity testing based on visual evoked potentials (VEPs) has proven to be of value, it is suffering from severe limitations that compromise the reliability of the VEP-acuity estimates. Our recent research advances indicate that these challenges can be overcome with an acuity-testing approach that is based on the cognitive event-related-potential component ‘P300’. Based on the momentum of this research, the current proposal aims to improve objective acuity testing in order to stimulate the wide-spread use of electrophysiological visual acuity estimation., We will address the challenges and limitations of conventional objective acuity testing with a bicentric approach combining bi-modal neuro-imaging [P300/VEP and magnetic resonance imaging (MRI & fMRI)] and psychophysics with the goal to devise an innovative objective acuity-testing scheme. Specifically, we plan to test 250 patients with visual impairment down to legal blindness. We will assess discrepancies between subjective and P300- and VEP-based acuity caused by (i) disease-type, (ii) spatial stimulus characteristics, (iii) cortical constraints, and (iv) temporal dynamics. We will use these insights to (v) establish an integrated framework for beyond-state-of-the-art electrophysiological acuity assessment in clinical and research applications. The aspects addressed will include effects of the interplay of central visual loss and fixation behavior, distorted vision, inherent differences in self-paced psychophysics vs non-self-paced objective readouts, and the scope of cognitive event related potentials and fMRI- based visual field acuity maps. This will advance both the application and our basic understanding of objective acuity testing., With the overarching goal to substantially improve the robustness, reliability, and specificity of objective visual acuity estimates, the project has a strong focus on practical relevance, aiming at the translation of findings into clinical routine and the identification of biomarkers for therapy-success readout. Simultaneously, the experiments will shed light on important aspects of the structure-function interaction in the healthy and diseased human visual system.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
The NMDA receptor complex - a signalling hub at the origin of cognitive flex-ibility?
The NMDA receptor (NMDAR) is one of the most thoroughly investigated receptors in the mammalian brain. It plays an important role in learning and memory and NMDAR hypofunction or pharmacological NMDAR inhibition leads to impairments in cognitive flexibility. However, the mechanistic underpin-nings of its role for cognitive flexibility and consequently the possibilities to exploit, expand or mobi-lise neural resource associated with its function are rather poorly investigated and developed so far. Research has staggered here at least in part for two reasons, the lack of behavioural paradigms that are sophisticated and sensitive enough to unmask underlying behavioural processes and the lack of knowledge about the NMDAR signalling hub. This hub extends beyond the receptor complex itself and its interactome in the sense that endogenous modulators and eventually glial signalling components are part of it. The aim of our project is to unravel the contribution of the NMDAR signalling hub to cog-nitive flexibility. We will focus our analysis on subregions of the frontal cortex involved in cognitive flexibility. We will combine a sophisticated behavioural paradigm in mice (attentional set shifting) with state-of-the-art, highly sensitive proteome analyses deciphering molecular, cellular and network properties of cognitive flexibility. In particular, the effect of age, environmental and cognitive enrich-ment, and circadian strain on the NMDAR signalling hub will be assessed with the aim to identify key players in the different subregions of the frontal cortex. This will enable us to identify druggable targets and corresponding intervention strategies. Our hypothesis is that a specific modulation of those com-ponents of the NMDAR signalling hub that are associated - both on a group and individual level - with stronger cognitive flexibility can be used as a neural resource. Consequently, pharmacological inventions specifically targeting these components should efficiently improve impaired cognitive flexi-bility and thereby improve cognitive functioning in general.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Ultrathin coating of fluidized particles by means of aerosol
Coated particles for various applications are usually produced by spraying solid-containing liquid on mechanically agitated or fluidized cores. Every spray droplet which is deposited on the surface of a core particle leaves behind a solid remnant after evaporation of the solvent or suspension liquid (preferably water). Each such deposit is a building block (BB) of the coating layer. However, spray droplets are quite large (typically 40 µm with two-fluid nozzles) in present technology, so that BBs are also large, resulting in coarse and thick coating. Radically thinner and finer resolved coating layers (down to the nanoscale) could be produced on fluidized particles by using aerosol (with droplet diameters around 1 µm or less) instead of common spray. Feasibility of the respective aerosol fluidized bed (AFB) coating process has recently been shown by a proof-of-principle experiment. On this basis, the present project aims at a thorough scientific investigation of the novel AFB process. This includes batch coating experiments with variation of operating parameters, materials, as well as aerosol generation and entrance conditions. The quality of coated particles is characterized thoroughly by scanning electron microscopy and various image analysis techniques in regard of intra-particle coating thickness distribution, inter-particle coating thickness distribution, average porosity, porosity distribution, and pore size distribution. Supported by such unique data, a stochastic (Monte Carlo) model is developed and parameterized to accurately simulate the buildup of coating layers on single particles and in the population of particles; Moreover, in the surface coverage period (possibly with island growth) and later on (in the coating layer growth period). Finally, measurements are conducted and a model is developed to predict solids yield of the process, which is equivalent to the efficiency of the fluidized bed in filtering aerosol droplets out of the gas flow.
2022 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Stand-alone two-phase parahydrogen induced hyperpolarizer for ultra-low and high field MR (2P-PHIP)
Magnetic resonance (MR) plays a pivotal role in many fields of science, and to enhance its intrinsically low signal several hyperpolarization (HP) techniques were developed For instance, dissolution dynamic nuclear polarization (dDNP) is in a state of preclinical research. It requires low temperatures (~1 K), paramagnetic agents together with microwaves for HP, and the rapid dissolution in a suitable carrier. This makes dDNP technically challenging and essentially a one-shot technique.An alternative HP method is the exploitation of the intrinsic spin order of para hydrogen (pH2 - the spin singlet isomer of H2), which can be transferred to target molecules. pH2 induced polarization (PHIP) makes use of the hydrogenation of target molecules with pH2, whereas signal amplification by reversible exchange (SABRE) allows spin order transfer without the modification of target molecules and enables continuous HP. As pH2 generation is low cost, low instrumentation demands and pH2 can be stored for months, PHIP and SABRE are promising methods of HP for future clinical applications.The project 2P-PHIP aims to the development of a cost-efficient PHIP and SABRE-based stand-alone continuous flow hyperpolarization reactor for biochemistry and future in vivo biomedical applications. In contrast to commercially available dDNP, the reactor will be able to continuously deliver high purity hyperpolarized liquids enabling MR experiments with longer acquisition times and larger quantities. A novel two-phase pH2 induced HP technique with the catalyst retained in a fluorinated phase (or another hydrophobic phase) will be pursued as the most promising route. This approach will facilitate the extraction of hyperpolarized substrates with high purity needed for future in vivo applications. More traditional (single-phase) PHIP and SABRE implementations will also be possible with this polarizer. The stand-alone reactor can be used at ultra-low (µT-range) or high magnetic field (T-range) MR enabling unique features of both regimes. MR at high magnetic fields provide superior spectral resolution, whereas imaging at low magnetic fields is compatible with sensitive implants (i.e. pacemakers). The investigation of HP using non-traditional methods, the direct observation of the HP itself will be carried out using the most sensitive SQUID instrumentation available. As we ultimately aim to in vivo applications, proof-of-concept experiments on biological samples, such as cell cultures, blood or homogenized brain tissue will also be undertaken.The outcome of the 2P-PHIP project will be a multipurpose stand-alone pH2-based polarizer featuring high concentrations of highly polarized substrates with high tracer throughput for in vivo applications.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Structure and dynamics of nematic phases with strong smectic fluctuations formed by bent-core mesogens
Mesophases with mesogens of non-cylindrical shapes exhibit remarkable complex structures and, in some phases, a very fast electro-optical response. Enhanced polar and smectic fluctuations, driven by steric interactions of bent mesogens, for instance, result in the formation of cluster phases with strong susceptibility to external fields. Such highly responsive materials have broad perspectives for applications. The shape of the mesogens can also be controlled by external stimuli such as light in photoisomerisable molecules. This proposal is based on the extensive collaboration between our group in Magdeburg and the Department of Organic Chemistry at Martin Luther University Halle (C. Tschierske and M. Alaasar). The proposal's primary aim is to investigate the effects of the photo-tuneable nanostructures on liquid crystals' micro and macroscopical properties in bulk and restricted geometry. We propose to study complex liquid crystalline systems such as photoswitchable mesogens forming nematic, twist-bend nematic phase, bent-core smectic phases with the heliconical nanostructure, and the newly discovered polar nematic phase. The central questions are how the nanostructure of the mesophase and photo-stimulation affect the bulk and surface properties of liquid crystals, how it affects the behaviour of colloids based on such materials. We will study the behaviour of liquid crystals in bulk, in droplets and filaments as well. The proposed research will be conducted in five stages, starting with the characterisation of the bulk properties and shifting the focus to the studies of light-driven anchoring transitions in pure photoswitchable compounds and systems with photoswitchable surfaces only. We will employ the acquired knowledge for understanding the behaviour of the solid inclusions in an LC matrix. The translational and rotational motions of colloidal particles will be investigated in the nematic, twist-bend nematic and ferroelectric nematic phases. At the final stage, we will explore the dynamics of liquid crystal filaments with photoismerisable mesogens. The output of this research will elucidate the mechanisms underlying the interplay between the light-driven mesogenic shape changes, structure formation and the properties of the novel liquid crystalline systems.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Effects of hippocampal vascularization patterns on the neural resources of MTL neurocognitive circuits
The hippocampus and adjacent entorhinal cortex (EC) form a neural circuit within the medial temporal lobe (MTL) that is crucial for episodic memory formation. Integrity of this circuit is massively affected by age-related degeneration, partly due to pathology (e.g. tau, microinfarcts), partly due to environmental factors. Interestingly, the pattern of hippocampal vascularization varies among individuals, that is, there are individuals with a single supply, and there are individuals with a double supply., We recently found out that the individual vascularization profile interacts with verbal memory and global cognition: participants with a double supply had higher scores in the California Verbal Learning Test (CVLTII). What is not clear so far is which neuronal mechanisms underlie this effect. How does the individual vascularization profile affect cognitive aging? How does a double supply contribute to cognitive resource, and does it interact with training success?, These are the key questions addressed in this project within the CRC 1436. Here, we use the beneficial effect of a double hippocampal blood supply as model to understand the neuronal basis of cognitive resources in younger and older adults. By using ultra-high resolution functional and structural imaging at 7 Tesla together with advanced modeling techniques, we will investigate how the fine-grained hippocampal vascular supply affects age-related MTL pathology, MTL integrity, and MTL myeloarchitecture (neural resources), and how this mediates subregion-specific memory function (cognition). Finally, we will test how the effect of cognitive interventions on MTL function is modified by the hippocampal vascularization patterns.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Common and pleiotropic genetic factors in epileptogenesis
Previous studies on identifying genetic risk loci implicated in epileptogenesis have usually employed standard genetic risk models under which these variants act, namely single common variants under a multiplicative (i.e. additive in the number of alleles) model (GWAS studies) or several subsets of rare variants acting together as a genetic burden (exome studies). In the 1st funding period, we (1) identified 2 novel suceptibility loci for GGE (NCAM1, MAP3K9), (2) described an aberrant ALDH5A1 promoter regulation, and (3, formerly P2) conducted a benchmarking study for common-variant pleiotropy detection and applied such methodsto GWAS datasets from ILAE2. In the 2nd period, project P3 will pursue different statistical and bioinformatic approaches in parallel to identify epilepsy-related genetic variants that act under non-standard risk models or those which require additional information, including external epigenomic data or information on related traits, to achieve sufficient power for their successful identification. This involves widened pleiotropy detection, Bayesian GWAS, polygenic risk scores (PRS) profiling and improved epilepsy sub-phenotype delineation, systematic investigation of compound heterozygous risk models and of pairwise epistasis as well as several approaches based on integration of transcriptional and epigenetic data. We will focus on generalized genetic epilepsies (GGEs) while also considering focal epilepsies (FEs) as well as developmental and epileptic encephalopathies (DEEs). Project P3 will share novel candidate loci with P1, P2 and the experimental projects P4-P8.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Optimizing graph databases focussing on data processing and integration of machine learning for large clinical and biological datasets
Graphdatenbanken stellen eine effiziente Technik zur Speicherung und zum Zugriff auf hochgradig, verknüpfte Daten unter Verwendung einer Graphstruktur dar, wie z.B. Verbindungen zwischen Messdatenzu Umweltparametern oder klinischen Patientendaten. Die flexible Knotenstruktur macht es einfach, dieErgebnisse verschiedener Untersuchungen hinzuzufügen. Dies reicht von einfachen Blutdruckmessungenüber die neuesten CT- und MRT-Scans bis hin zu hochauflösenden Omics-Analysen (z.B. von Tumorbiopsien,Darmmikrobiom-Proben). Allerdings wird das volle Potenzial der Datenverarbeitung und -analyse mittelsGraphdatenbanken in biologischen und klinischen Anwendungsfällen noch nicht vollständig ausgeschöpft.Insbesondere die riesige Menge an miteinander verbundenen Daten, die geladen, verarbeitet und analysiertwerden müssen, führt zu zu langen Verarbeitungszeiten, um in klinische Arbeitsabläufe integriert werdenzu können. Um dieses Ziel zu erreichen sind neuartige Optimierungen von Graph-Operatoren sowie eine, geeignete Integration von Analyseansätzen notwendig., Dieses Projekt zielt darauf ab, die oben genannten Probleme in zwei Richtungen zu lösen: (i) Vorschlag, geeigneter Optimierungen für Graphdatenbank-Operationen, auch unter Einsatz moderner Hardware, und(ii) Integration von Algorithmen des maschinellen Lernens für eine einfachere und schnellere Analyse der biologischenDaten. Für die erste Richtung untersuchen wir den Stand der Technik von Graphdatenbanksystemen, und deren Speicherung sowie ihr Verarbeitungsmodell. Anschließend schlagen wir Optimierungen für effizienteoperationale und analytische Operatoren vor. Für die zweite Richtung stellen wir uns vor, Algorithmen desmaschinellen Lernens näher an ihre Datenlieferanten - die Graphdatenbanken - heranzubringen. Zu diesemZweck füttern wir in einem ersten Schritt die Algorithmen des maschinellen Lernens direkt mit dem Graphenals Eingabe, indem wir geeignete Graphenoperatoren entwerfen. In einem zweiten Schritt integrieren wir dasmaschinelle Lernen direkt in die Graphdatenbank, indem wir spezielle Knoten hinzufügen, die das Modell des Algorithmus für maschinelles Lernen repräsentieren. Die Ergebnisse unseres Projekts sind verbesserte Operatoren, die sowohl moderne Hardware als auch Integrationskonzepte für Algorithmen des maschinellen Lernens nutzen. Unsere allgemein entwickeltenAnsätze werden das Verarbeiten und Analysieren riesiger Graphen in einer Fülle von Anwendungsfällen überunseren angestrebten Anwendungsfall der biologischen und klinischen Datenanalyse hinaus vorantreiben.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Verbesserung der Simulation vn großen, mit dichten Partikeln beladenen Strömungen durch maschinelles Lernen: ein genetischer Programmieransatz
Mit Partikeln beladene Strömungen treten in vielen natürlichen und industriellen Prozessen auf, wie zum Beispiel dem Fluss roter und weißer Blutkörperchen im Plasma, oder in der Fluidisierung von Biomasse in Wirbelschichten. In den letzten 40 Jahren haben Wissenschaftler Euler-Lagrange (EL) Simulationen verwendet, um das Verhalten solcher Strömungen vorherzusagen., Die EL-Simulationen stützen sich jedoch auf Modelle, um die Wechselwirkung zwischen der Fluidströmung und den individuell verfolgten Partikeln zu beschreiben. Diese Modelle erfordern die sogenannte ``\textit{ungestörte}'' Fluidgeschwindigkeit am Ort des Partikels, was der Geschwindigkeit des Fluids entspricht, wenn der Partikel nicht dort wäre. Aktuelle Modelle hierfür sind sehr rudimentär und die genaue Berechnung der ungestörten Flüssigkeitsgeschwindigkeit ist extrem teuer, da viele zusätzliche, hochaufgelöste Simulationen desselben Falls erforderlich sind, bei denen jeweils ein Partikel weggelassen wird., Ziel des Projekts ist es, ein neues Modell für die ungestörte Strömungsgeschwindigkeit bei jedem Partikel zu entwickeln. Dieses Modell basiert auf den Eigenschaften der Strömung um den Partikel und den Eigenschaften der umgebenden Partikel. Zur Entwicklung des Modells wird ein Verfahren aus dem Bereich des überwachten maschinellen Lernens verwendet: Genetische Programmierung (GP). GP eignet sich insbeondere für dieses Projekt, weil es sich nicht um ein ``Black-Box'' Modell handelt, sondern eine überprüfbare Gleichung für die ungestörte Strömungsgeschwindigkeit darstellen kann. Diese Gleichung wird durch analytische Lösungen und hochaufgelöste Simulationen validiert und ermöglicht genaue Simulationen in großem Maßstab, während nur ein Bruchteil der Kosten für vollständig aufgelöste Simulationen erforderlich ist.
Completed projects
2020 bis 2023
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) // Land Sachsen-Anhalt
2-Photonen-Mikroskop für ex vivo Untersuchungen im Gewebeschnitt (Imaging / Elektrophysiologie)
Die 2-Photonen-Mikroskopie ist heute als modernes bildgebendesVerfahren für die Untersuchung zellulärer Funktionen imGewebeverband unentbehrlich geworden. Diese fortschrittliche mikroskopische Technik erlaubt aufgrund der geringeren Streuung des verwendeten langwelligen Anregungslichts im Infrarot-Bereicheine im Vergleich zur konventionellen Fluoreszenzmethoden erheblich größere Eindringtiefe. So können zelluläre Prozesse noch in einer Tiefe von ca. 150 µm in Schnittpräparaten visualisiert werden, deren Untersuchung für viele neurowissenschaftlich und immunologisch arbeitende Gruppen der Otto-von-Guericke-Universität essentiell ist. Obwohl in einer Reihe von AGs der Medizinischen Fakultät breites Interesse an solchen Experimenten in Gewebeschnitten besteht, existieren hier gegenwärtig nur 2-Photonen-Mikroskope, deren spezielle Konfigurationen auf Versuche mit lebenden Tierenzugeschnitten sind. Eine transiente Umrüstung dieser vorhandenen Geräte für Arbeiten in Gewebeschnitten wäre aufgrund langer Umrüstzeiten und dem damit verbundenen Arbeitsaufwand sehr ineffizient. Das beantragte 2-Photonen-Mikroskop soll deshalb als dedizierter Messplatz für Schnittpräparate dienen, wobei den Nutzern des Gerätes insbesondere auch simultane elektrophysiologische Ableitungen ermöglicht werden sollen. Das Gerät soll in die Serviceeinheit "Mehrdimensionale Mikroskopie und zelluläre Diagnostik" integriert werden, um es für alle Forschenden der OVGU Magdeburg nutzbar zu machen. Die Spezifikationen des Mikroskops sind so gewählt, dass anspruchsvolle "Live-Cell Imaging"-Experimente mit grünen und roten Fluorophoren mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung durchgeführt werden können. Dazu soll das Gerät über zwei unabhängige Laserlinien (ein stimmbarer Laser und ein Festwellenlängen-Laser) verfügen, mit deren Hilfe die jeweils benutzen Fluorophore simultan nahe ihrer Absorptionsmaxima angeregt werden können. Die Ausstattung des Scan-Kopfes ist außerdem so gewählt, dass Linien, Areale und Volumenanteile des Präparates schnell und präzise abgetastet werden können. Die verbauten Detektoren sollen außerdem regelbar sein ("gated Photomultiplier"), so dass bei optogenetischer Stimulation mittels eines externen Lasers Beschädigungen durch massiven Lichteinfall ausgeschlossen werden können. Insgesamt soll durch die Beschaffung dieses modernen 2-Photonen-Mikroskops eine erfolgreiche Bearbeitung vieler DFG-geförderter Projekte am Standort direkt unterstützt werden.
2020 bis 2023
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) // Land Sachsen-Anhalt
Kriechverhalten von gerichtet erstarrten Mo-Werkstoffen mit und ohne Beschichtung
Die Arbeiten konzentrieren sich auf die Entwicklung und Charakterisierung neuartiger mehrphasiger Hochtemperaturmaterialien auf Basis einer Mo-Mischkristallphase (Moss), die mit intermetallischen Mo2ZrB2- und Mo2HfB2-Phasen mit hohen Schmelzpunkten verstärkt ist. Mo-Hf-B und Mo-Zr-B sind eine Klasse von Hochtemperaturwerkstoffen, die verschiedene Anwendungen finden können, z.B. in der Flugzeugindustrie aufgrund hohen Kriechfestigkeit bei den angestrebten Anwendungstemperaturen, die modernen Nickelbasis-Superlegierungen überlegen ist. Kritisch ist jedoch das Werkstoffverhalten im Bereich mittlerer Temperaturen; hier oxidiert das Molybdän, was einen Werkstoffschutz notwendig macht., Im Rahmen eines Teilprojektes werden dafür selbstheilende Beschichtungssysteme entwickelt, charakterisiert und anwendungsnah getestet. Dieses Beschichtungssysteme bestehen aus einem sauerstofffreien präkeramischen Polymer und sauerstoffbindenden Füllstoffpartikeln wie Si und B. Die Umwandlung in eine geschlossene keramische Schutzschicht erfolgt in inerter Atmosphäre im Temperaturbereich zwischen 800 °C und 1200 °C., Zyklische Oxidationsversuche belegen eine (noch zu verbessernde) Schutzwirkung der Schicht im Temperaturbereich zwischen 800 °C und 1000 °C; die Wirkung bei höheren Temperaturen wird gegenwärtig untersucht., Erste Ergebnisse röntgenographischer Untersuchungen zeigen, dass sich durch Zugabe von ZrO2 als weiterem Füllstoff eine Zirkoniummolybdatphase bildet, d. h., die Legierungskomponenten Mo zu stabilen Phasen reagiert und in der Probe verbleibt; das Abdampfen von Mo-Oxiden wird weitgehend verhindert. Die Rolle der Schutzschicht in diesem Prozess ist noch nicht vollständig geklärt und ist Gegenstand weiterführender Untersuchungen.
2018 bis 2022
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) // Land Sachsen-Anhalt
ADAPtive T cell migration into the stressed brain
The ADAP-SKAP55 proteins form a molecular complex that regulates adhesion and migration of T cells. Our findings from the 2nd funding period suggest a role of the two proteins in modulating membrane scaffolding and actin filament organization. We now plan to delineate their contribution to actin-mediated migration of T cells by structural, biochemical and molecular biology techniques. We will exploit our mechanistic insights to probe in mice the role of ADAP-SKAP55 as well as their interaction partners in stress-induced T cell extravasation into the brain meningeal space and clarify their relevance for T cell-supported cognitive functioning and coping with traumatic stress.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Principal component analysis for multivariate extremes
The aim of this project is to explore extensions of the classical dimension reduction technique of principal component analysis (PCA) to the setting of multivariate extreme value theory. In this setting, a challenging aspects is that in the natural modelling framework of non-negative max-stable vectors the orthogonal decomposition in the Euclidean space standing behind the PCA for normally distributed data is no longer applicable. Instead, the max-times-algebra lends itself to a more suitable framework for a decomposition of the dependence structure. This project explores how an optimal projection of a max-stable vector into a lower dimensional space can be implemented efficiently, justified theoretically and how we can interpret the result for specific classes of models
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Umkämpfte Solidarität. Solidaritätsdynamiken zwischen sozialpolitischem Tagesgeschäft und Krise
Soziologische Studien zu Solidarität fokussieren entweder empirische Solidarpraktiken bzw. Solidaritätspotentiale in der Bevölkerung oder die Bedeutung wohlfahrtsstaatlich institutionalisierter Solidarität, ohne diese beiden Ebenen miteinander zu verknüpfen. Das Projekt untersucht daher am Beispiel Deutschlands einerseits die Wechselwirkungen und Spannungsverhältnisse zivilgesellschaftlicher und sozialstaatlicher Solidarität seit 2003. Andererseits analysiert es, inwiefern größere Krisen wie die Finanzkrise die Bedeutung und Arbeitsweise von solidarischen Ideen und Praktiken im Vergleich zum sozialpolitischen und zivilgesellschaftlichen Tagesgeschäft verändern. Zu diesem Zweck analysiert das Projekt nicht nur die wohlfahrtsstaatlichen Dynamiken der Idee der Solidarität auf der diskursiven und instrumentellen Ebene am Beispiel der Gesetzlichen Krankenversicherung und der Grundsicherung für Arbeitsuchende (Alg II), sondern auch die zivilgesellschaftlichen Handlungspraktiken und Verwendungsweisen von Solidarität. Ziel ist, erstens, eine Verhältnisbestimmung zwischen den institutionalisierten sozialpolitischen Leitideen (‚Solidarität von oben‘) und den zivilgesellschaftlichen Ideen und Solidarpraktiken (‚Solidarität von unten‘) und zweitens, die Dynamiken und Konflikte des solidarischen Tagesgeschäftes mit denen in Zeiten der Finanzkrise und der Covid-19-induzierten Krise zu vergleichen (Solidarität während der Krise)., The European Social Model during and after the pandemic (gem. mit Martin Seeleib-Kaiser), 2020-2021, In combing political science and sociological perspectives, the publication project debates the lasting effects, potential chances and emerging challenges of the pandemic with respect to social policy. Among other questions it asks whether Covid-19 will end austerity, or strengthen existing tendencies in the long run or which social groups are the winners and which the losers of the pandemic-related reforms?, Kooperationspartnerin im Projekt ACCESS: Zugang zu sozialen Rechten in Deutschland, Frankreich und Europa (Projektleitung: Monika Eigmüller und Olivier Giraud), Deutsch-französisches Forschungsprogramm gefördert durch ANR-DFG, 2020-2025, Idee und Praktiken der Solidarität in der Gesetzlichen Krankenversicherung, 2019-2020
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Untersuchung des Zusammenhangs zwischen den effektiven Steifigkeiten dreidimensionaler Materialproben und dünner Schichten
Unter dem Begriff ,Homogenisierungsmethoden” werden Methoden zusammengefasst, welche die effektiven Materialeigenschaften eines Materials mit Mikrostruktur aus der räumlichen Anordnung der Phasen und deren individueller Eigenschaften ermitteln. Voraussetzung hierfür ist ein hinreichender Skalenabstand. Die Fluktuationen der Felder auf Makroebene, z.B. aufgrund von Geometrievariationen und Randbedingungen, müssen auf sehr viel größeren Längenskalen stattfinden als die Fluktuationen in der Mikrostruktur. Ist dies der Fall, so lässt sich auf einer Mesoebene eine Materialprobe definieren, die groß genug ist, um einen repräsentativen Mikrostrukturausschnitt zu erfassen. Deren effektive Eigenschaften werden dann punktuell auf der Makroebene angewandt, weswegen die Materialprobe kleiner sein muss als die charakteristischen Geometrieabmessungen auf der Makroebene (Hashin, 1983). Bei der numerischen Homogenisierung werden die Eigenschaften der virtuellen Materialprobe in einem virtuellen Experiment bestimmt. Letztere wird als Repräsentatives Volumenelement (RVE) bezeichnet. Standardmässig werden periodisch fortsetzbare RVE mit periodischen Randbedinungen verwendet, auch bei stochastischen Mikrostrukturen. Die periodischen Randbedingungen imitieren die Einbettung des RVE in eine Umgebung mit identischem Materialverhalten., In diesem Projekt sollen die folgenden Fragen beantwortet werden. Wie kann man möglichst genau auf die dreidimensionale Steifigkeit eines Materials mit Mikrostruktur schließen, wenn ausschließlich Experimente an dünnen Schichten und Fäden möglich sind? Ist es rein numerisch möglich, wenn die volle Information aller Felder in virtuellen Versuchen an dünnen Schichten zur Verfügung steht, möglichst exakt auf die effektiven Eigenschaften des dreidimensionalen Materials zu schließen? Lassen sich einfache Abschätzungen wie der bereits experimentell ermittelte Wert E, PP2D, =E, PP3D, ˜ 0.7 auf Materialklassen (Polymere) verallgemeinern, oder ist dieser Wert spezifisch für Polypropylen? Zur Beantwortung der ersten beiden Fragen sind die Entwicklung einer Homogenisierungstheorie für den dimensionalen Übergang erforderlich. Die dritte Frage kann nur experimentell durch die Messung von E, 2D, und E, 3D, an verschiedenen Materialien beantwortet werden. Wie gezeigt wurde, ist die lokale Querdehnung ein wichtiger Indikator für die Differenz zwischen E, 2D, und E, 3D, . Daher sollte zusätzlich zu den Nenngrößen im Zugversuch auch die lokale Querdehnung an dünnen Filmen gemessen werden., Hashin, Z. (1983). ”Analysis of Composite Materials - A Survey". In: Journal of Applied Mechanics 50, S. 481-505.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Algorithmische Eigenschaften schon Coxeter Schatten
Shadows in Coxeter groups are a well established tool which helps to characterize non-emptiness of double coset intersections in algebraic groups having these Coxeter groups as affine Weyl groups. These intersections in tern are relevant in the context of representation theory or in the study of non-emptiness and dimensions of certain varieties associated to the affine flag variety and affine Grassmannian. This project aims to find closed formulas for and a better algorithmic understanding of shadows.
2022 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Development and validation of a measurement instrument to assess health-related quality of life (HRQoL) in Long COVID-19 (QoLCOVI)
Nach der akuten Phase einer Infektion mit SARS-CoV-2 berichten viele Patient*innen über anhaltende körperliche und psychische Symptome, was gemäß der Definition der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als "Post-COVID-19-Zustand" bezeichnet wird. Neben der hohen Symptombelastung ist dieses Krankheitsbild mit erheblichen negativen Auswirkungen auf die physische, emotionale, kognitive und psychosoziale Komponente der gesundheitsbezogenen Lebensqualität (LQ) verbunden. Ein Instrument zur systematischen Erfassung dieser Auswirkungen existiert bislang nicht. Ziel des Forschungsprojektes ist es daher, einen Fragebogen zu entwickeln und zu validieren, der die gesundheitsbezogene LQ von Patient*innen mit Post-COVID-19-Symptomatik erfasst. Die spezifischen Ziele des Projekts sind (1) die Identifikation von Einschränkungen der LQ aus der Perspektive betroffener Patient*innen als Grundlage für die Entwicklung eines konzeptuellen Modells zur LQ bei Post-COVID-19-Symptomatik, (2) die Generierung von Items für den Fragebogen, (3) die Beurteilung der Inhaltsvalidität dieser Items, (4) die systematische Reduktion der Items und die Verbesserung des Fragebogens, (5) die Beurteilung der Inhaltsvalidität des Fragebogens und (6) die psychometrische Validierung des finalen Fragebogens. Im Ergebnis des Projekts wird ein qualitativ hochwertiger Fragebogen zur Erfasssung der Auswirkungen der Post-COVID-19-Symptomatik auf die gesundheitsbezogene LQ zur Verfügung stehen, der künftig in epidemiologischer Forschung und in klinischen Studien eingesetzt werden kann.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
A Coupled Peridynamic-Finite-Element-Simulation for the Damage Analysis of Fibre Reinforced Composits
The prediction of damage behaviour and residual strength as part of a damage tolerance assessment is crucial for the design, evaluation and approval of safety-relevant lightweight structures. For fibre-reinforced composites (FRP), sufficiently precise and robust methods for evaluating progressive damage have been lacking to date. The main challenge for analysing FRP structures in comparison to metallic materials is the heterogeneity of FRPs, which leads to complex failure mechanisms. A simulation methodology for strength assessment must therefore be able to depict both the initiation and progression of damage, including all the mechanisms at work and their interaction., The aim of the DFG project is to develop an improved damage analysis methodology for FRP. For this purpose, a new adaptive solution approach is proposed, which consists of a coupling of the peridynamics (PD) for potentially damaged model areas with the FEM for the undamaged areas. The aim of the project is to increase the prediction accuracy of the load-bearing behaviour and thus to develop more robust, safe and resource-efficient structures., PD is a promising non-local method for describing damage and dynamic crack growth, especially in brittle materials. However, the computational effort is extremely high in order to achieve a sufficiently accurate description of the crack behaviour. In order to reduce the computational effort, peridynamics is only used in those parts of a structure in which cracks can potentially occur. The remaining structural areas are modelled using the classical finite element method (FEM). In the project, suitable methods for coupling the PD with the FEM are developed, tested and evaluated and used for crack propagation. Initial good results were achieved with the Arlequin method and the alternating Schwarz method. The software developed in the project will be made freely available (open source software) in accordance with the DFG goal of "sustainability of research software" as part of the "e-Research Technologies" funding programme in order to enable further use by other researchers.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Long-distant transport in characean algae
Transcellular permeation and long-distance transport of solutes are particularly important because they deliver the photosynthetic assimilates to growing cells and enable trafficking of signalling substances involved in the development of multicellular organisms. These transport mechanisms strongly rely on the mechanical and viscoelastic properties of the cellular cytoplasm. In recent years, studies of active transport in various biological and artificial systems become a focus of intensive research. In particular, self-assembly and collective behaviour of active systems appear to have many similarities across the lengthscales. Understanding the physiological relevance of those phenomena in biological systems is essential. Characean algae provide a unique opportunity to study cyclosis-driven intercellular transport on the length scale of a few centimetres. In this proposal, we are going to explore the long-distant transport in characean cell chains and understand how the viscoelastic properties of the cytoplasm determine the transport of photo-metabolites under variable conditions. We are going to employ magnetic nano/microparticles and magnetic emulsions for measurement of the viscoelastic response and targeting biologically active materials in the cytoplasm. This will allow us to establish the relation between the rheology of the cytoplasm and the formation of the heterogeneities in the external pH (pH bands) and the photosynthetic activity. A new noninvasive method will be developed to study the plasmodesmal permeation by naturally produced photometabolites and to elucidate the physiological means for modulation of cell-to-cell conductance. We intend to establish how the permeability of the plasmodesmata depends on the cyclosis velocity and the presence of the salinity stress in the species with different mechanisms of adaptation to the environment osmoticity. Furthermore, we expect to clarify the role of the circulating electric currents in intercellular communications and formation of structures with various photosynthetic activities.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Machine Learning for the Design and Control of Power2X Processes with Application to Methanol Synthesis
We, develop novel numerical methods that combine advantages of traditional modeling and optimization approaches with the power of data-driven machine learning (ML) and use them for, a new robust design and control methodology for power2chemicals processes. Methanol synthesis is considered as a challenging application example. Nonlinear dynamics due to strongly varying feed supplies is explicitly taken into account. The ambitious work program reflects the complementary expertise of the three participating groups in experimental realization, conceptual design, control,and efficient algorithms. In a first step, a hybrid modeling methodology is developed. It combines experimental data from a gradientless kinetic reactor with available physico-chemical insight and efficient ML. We use universal differential equations and the differentiable end-to-end programming paradigm which allow to use deep learning for unknown or expensive model parts and to extend methods of mixed-integer optimal control (MIOC) and optimal experimental design (OED). In a second step, the hybrid models are used for robust plant design. In the first period the focus is on well-mixed isothermal reactors and nonisothermal spatially distributed reactors. We want to increase flexibility and tolerance against load and composition changes. For this, buffer tanks and different types of single stage and multi stage reactors with variable feed distribution are considered. The optimal configuration and optimal nominal open loop control profiles will be determined with MIOC using the dynamic hybrid models developed above for given characteristic feed profiles over time. Plant complexity will be constrained in the formulation of the optimization problem, in view of practical applicability. In addition to a robust design, in a third step, also a robust control strategy is developed to compensate plant model mismatch and unforeseen disturbances, which differ from the nominal case considered above. For this purpose we use repetitive online optimization (NMPC) and extend state-of-the-art concepts and techniques to the special case of hybrid ML models. Modeling, design and control results for a single gradientless reactor will be closely coupled to experiments, allowing for efficient data generation and validation at the same time. An investigation of more complex fixed-bed reactors will be done in silico using available mechanistic reference models. An experimental validation is planned for a possible second funding period, among others. We plan to generate advances in Optimal Decision Making via ML-embedded optimization and control. Our hybrid ML models enforce physical laws and at the same time show promise to extract new knowledge from data via symbolic regression. We develop offline and online experimental design methods to cope with heterogeneous data and develop robust optimization methods that shall increase safety in ML applications.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Modellentwicklung zur Untersuchung dichter partikelbeladener Strömungen auf der Mesoskala
Dichte partikelbeladene Strömungen können in vielen natürlichen und industrielle Prozessen, wie der Strömung roter Blutkörperchen im Plasma oder der Fluidisierung von Kohl- oder Biomasspartikel in Wirbelschichten, vorkommen, um nur einige zu nennen. Diese Strömungen werden von einem komplizierten Gleichgewicht zwischen der Strömung-Wand, Strömung-Partikel, Partikel-Wand, und Partikel-Partikel Wechselwirkungen geprägt. Die Vorhersage solcher Strömungen mit vollständig aufgelösten oder direkten numerischen Simulationen ist normalerweise viel zu rechenintensiv. Mesoskalige Ansätze, wie Euler-Lagrange Partikel Tracking ermöglichen es, das Verhalten von viel größeren partikelbeladenen Strömungssystemen als vollständig aufgelösten Ansätze., Sie verwenden jedoch reduzierte Modelle, anstatt die Strömung um einzelne Partikel aufzulösen, die derzeit mit sehr strengen Einschränkungen verbunden sind., Dies ist ein Projekt zur Entwicklung neuartigen volumengefilterten Euler-Lagrange Ansatzes für die Vorhersage des Verhaltens dichter partikelbeladener Strömungen auf der Mesoskala. Dieser Ansatz wird die derzeit bestehende Lücke zwischen vollständig aufgelösten Simulationen und klassischem Euler-Lagrange Partikel Tracking schließen. Hierzu werden Modelle entwickelt, um die Kopplung der Partikel mit der Strömung genau zu berücksichtigen. Dies wird erreicht, indem in das Model den lokalen Effekt jedes Partikels innerhalb der Strömung ermittelt und berücksichtigt wird, wobei auch die Wände berücksichtigt werden. Der neu vorgeschlagene Euler-Lagrange Ansatz wird viel genauere Ergebnisse liefern als aktuelle Euler-Lagrange Partikel Tracking Verfahren, wobei nur ein Bruchteil der Berechnugskosten für vollständig aufgelöste Simulationen benötigt wird.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Experimental and numerical OPtimization of a cross-flow TIDal turbinE (OPTIDE)
Vertikalachsige Turbinen sind eine flächeneffiziente Technologie zur nachhaltigen Nutzung von Gezeitenströmungen. Die vertikale Drehachse sorgt allerdings zu einem dynamischen Strömungsabriss, der die Effizienz der Turbinen herabsetzt und im schlimmsten Fall zu Materialversagen durch Ermüdungsbrüche führen kann. In die Schaufeln integrierte Antriebe sollen dafür sorgen, dass sich die Turbinenschaufeln während jeder Umdrehung optimal an die Strömung anpassen, in dem die Schaufel gepitcht wird. Ein dynamischer Strömungsabriss kann so verhindert werden. Das führt zu einer höheren Effizienz bei geringeren Strukturbelastungen und das Selbsstartverhalten der Turbine kann verbessert werden. Zur Ermittlung einer optimierten Regelung der Pitchfunktion werden experimentelle Hardwarebasierte Optimierungsmethoden mit numerischen Methoden kombiniert., Das Projekt ist eine internationale Kooperation des Instituts für Strömungstechnik und Thermodynamik und des Instituts für Elektrische Energiesysteme der Otto-von-Guericke Universität Magdeburg mit dem Institut für Maschinenbau der Hochschule Magdeburg-Stendal und dem Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels der Université Grenoble-Alpes.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Politics in Search of Evidence (PoSEvi) -The role of Political Philosophy and Public Health in the political responses to COVID-19
Das Projekt ist Teil einer Forschungskooperation zwischen dem Institut für Sozialmedizin und Gesundheitssystemforschung (ISMG) und der Hochschule für Philosophie München. Das Projekt wird geleitet von Prof. Dr. Michael Reder (Hochschule für Philosophie München) und Prof. Dr. Dr. Christian Apfelbacher (ISMG, Medizinische Fakultät, OvGU Magdeburg)., Ziel des Teams in Magdeburg ist es, zu erforschen und zu verstehen, wie Epidemiolog:innen/Public Health-Wissenschaftler:innen das Verhältnis zwischen ihrer Disziplin und der politischen Entscheidungsfindung wahrnehmen, wie Epidemiolog:innen/Public Health-Wissenschaftler:innen ihre eigene Rolle als Wissenschaftler:innen und Bürger:innen mit politischer Meinung aushandeln, wie Epidemiolog:innen/Public Health-Wissenschaftler:innen das Verhältnis zwischen ihrer und anderen wissenschaftlichen Disziplinen wahrnehmen, welche normativen Annahmen Epidemiolog:innen/Public Health-Wissenschaftler:innen bei der Produktion und Verbreitung von Forschungsergebnissen machen, wie politische und kulturelle Kontexte das Selbstverständnis von Epidemiolog:innen/Public Health-Wissenschaftler:innen und ihr Verhältnis zur Politik beeinflussen., Neben einer systematischen Analyse von themenbezogenen Dokumenten (Positionspapiere, Stellungnahmen, Fact sheets etc.) werden Interviews mit Expert:innen aus den Subdisziplinen der Epidemiologie und aus dem Bereich Public Health durchgeführt. Das Forschungsvorgehen orientiert sich an den Prinzipien der Grounded Theory (Methodology) mit dem Ziel der Entwicklung eines theoretischen Modells zum Verhältnis von evidenzbasierter Politik und Wissenschaft., Von Projektbeginn an sowie insbesondere bei der Interpretation der Daten ist ein intensiver Austausch mit dem Forschungsteam der Hochschule für Philosophie vorgesehen., Die Ergebnisse werden abschließend im Rahmen eines Stakeholder-Dialogs vorgestellt und diskutiert.
2022 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Vascular resistance and resilience in ALS - an ultrahigh-resolution 7T MRI study of the motor cortex
Die Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine rasch progrediente neuromuskuläre Erkrankung mit Degeneration der Pyramidenzellen des Motorkortex‘ (M1). Die Ursache der sporadischen Form der ALS ist unvollständig geklärt; die Behandlung der Erkrankung rein supportiv, kausale Therapieansätze fehlen. Obwohl viele der betroffenen Patienten innerhalb von 3 bis 5 Jahren nach Diagnosestellung an einer Insuffizienz der Atemmuskulatur versterben, sind Krankheitsverlauf und Prognose im Einzelfall äußerst heterogen. Dieses wird anhand individueller motorischer Phänotypen, langer Krankheitsverläufe oder einer möglichen Regredienz motorischer Funktionsverluste deutlich. Im vorgelegten Antrag hypothetisieren wir, dass dieser Heterogenität eine variable Gefäßversorgung des Motorkortex‘ zugrunde liegt, die einer M1-Pyramidenzelldegeneration ("resistance") oder deren motorischen Folgeerscheinungen ("resilience") entgegenwirkt. Zur Beantwortung der Fragestellung wird prospektiv eine selektierte ALS-Kohorte von 20 Patienten sowie 20 alters- und geschlechtsangepasste Kontrollprobanden mittels 7 Tesla Ultra-Hochfeld-Magnetresonanztomographie (MRT) unter Verwendung einer Angiographie (ToF-MRA) und anatomischer Sequenzen (MPRAGE) untersucht. Visuell werden zwei vaskuläre M1-Muster, jeweils separat für die Äste der A. cerebri anterior (medialer Motorkortex) und die der A. cerebri media (lateraler Motorkortex) unterschieden: singulär, d.h. eine M1-Versorgung durch die terminalen kortikalen kleinen Arterien eines Astes, oder dual, d.h. durch die terminalen kortikalen kleinen Arterien von zwei Ästen. Es wird angenommen, dass ein duales vaskuläres Muster aufgrund überlappender Perfusionsterritorien beider Äste einer Pyramidenzelldegeneration oder deren motorischen Folgeerscheinungen entgegenwirkt. Zur quantitativen Analyse wird das "vessel distance mapping" angewandt, welches jedem Voxel die Distanz zu den untersuchten Arterien zuordnet, woraus sich eine Approximation der Perfusionsterritorien ableiten lässt. Anhand von Mediationsmodellen werden direkte Effekte von vaskulärem Muster und Perfusionsterritorien auf die Pyramidenzelldegeneration (erfasst anhand der M1-Kortexdicke) untersucht, und, inwiefern deren Schwere den Einfluss von vaskulärem Muster und Perfusionsterritorien auf die motorische Funktion (global und körperteilspezifisch) zum Zeitpunkt des Einschluss-MRTs und im Langzeitverlauf vermittelt. Vaskuläre Muster könnten als neue Variable die phänotypische Variabilität der ALS erklären helfen, die auch translational im klinischen Alltag als zusätzlicher Aspekt für eine individualisierte Patientenberatung bezüglich Krankheitsverlauf und Prognose heranziehbar wäre. Die zerebrale Vaskulatur stellt potentiell modifizierbares Gewebe dar, dessen Funktionalität sowohl medikamentös als auch anhand von Lebensführung beeinflusst werden kann. Ein "vaskulärer Therapieansatz" könnte in dem Sinne zu vollkommen neuen Strategien in der Prävention und Behandlung der ALS führen.
2022 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Vascular resistance and resilience in ALS – an ultrahigh-resolution 7T MRI study of the motor cortex
Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a rapidly progressive neuromuscular disorder hallmarked by pyramidal cell degeneration of the motor cortex (M1). The underlying causes of sporadic ALS remain largely unknown, limiting its treatment options to supportive measures without any causal therapies. Even though many patients die within 3 to 5 years through respiratory insufficiency, individual ALS disease course and prognosis are highly variable. This is mirrored by distinct motor phenotypes, very long survival times of up to 10 years, and cessation or even reversal of disease progression in individual patients.In the presented proposal we hypothesize that a root cause of clinical ALS heterogeneity is a variable vascular supply of the motor cortex, which mitigates M1 pyramidal cell degeneration (“resistance”) or its impact on motor function (“resilience”). To address this question, we will prospectively examine a selected cohort of 20 ALS patients and 20 age- and sex-matched controls that will undergo 7 Tesla ultra-high field magnetic resonance imaging (MRI) applying angiographic (ToF-MRA) and anatomical sequences (MPRAGE). By visual rating two vascular patterns of M1 supply will be distinguished for the branches of the anterior cerebral artery (medial motor cortex) and middle cerebral artery (lateral motor cortex), respectively: a “single supply” pattern in which the M1 supply is provided by the terminal cortical arteries of one single branch only, or a “double supply” pattern, in which two branches feed the supplying terminal cortical arteries. We assume that a “double supply” pattern results in overlapping perfusion territories of both branches which mitigate M1 pyramidal cell degeneration or its impact on motor function. For quantitative analysis vessel distance mapping will be applied, which assigns each non-vessel voxel the distance to each of the examined arteries and thus consequently allows an approximation of the branches’ perfusion territories. Based upon mediation models the direct effects of the vascular supply patterns and perfusion territories on pyramidal cell degeneration (studied using M1 cortical thickness, global and body-part specific) will be assessed, as well as whether their severity mediates the influence of vascular supply patterns and perfusion territories upon motor function (global and body-part specific), both, at the time of the baseline MRI and longitudinally.Vascular patterns could serve as a new marker to explain the phenotypic variability in ALS, which might prove useful as an additional aspect for an individualized patient counseling regarding disease course and prognosis. Additionally the cerebral vasculature is potentially “dynamic” tissue, whose functionality can be modified through lifestyle and certain drugs. A “vascular approach to therapy” might lead to new avenues in the prevention and treatment of ALS.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Deep lung aerosol generation and virus encapsulation
Microscopic aerosols have been identified as the prime infection pathways for SARS-CoV-2. These droplets are generated deep in the lung from lining fluids. During breathing thin films form and rupture, thereby releasing fine droplets that encapsulate the viral load. In contrast to larger droplets formed in the upper airways, microscopic droplets studied here remain suspended in air much longer and thus pose a higher risk for airborne infection. Here, an interdisciplinary research team will tackle the science of aerosol generation and virus encapsulation connecting medical, biological, and fluid mechanics expertise. We will emphasis on realistic fluids together with viral particles and focus on the fast and delicate flows resulting to film rupture, droplet generation, encapsulation, and stabilization. Emphasis is placed on high spatio-temporal resolution experimentation, simulations of the atomization and drop formation process of thin films, and the biological virulence of the thereby generated aerosol particles. While the research was motivated from the virulence of SARS-CoV-2, it will also test other viruses to unravel the fundamental fluid mechanics that results to airborne transmission of pathogens from the lung.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Bertolt Brecht und Ernst Toller - Internationale wissenschaftliche Konferenz (20.-22. Juli 2022, Magdeburg) und wiss. Sammelband
Die internationale, von der DFG geförderte Konferenz "Bertolt Brecht und Ernst Toller" (zunächst für März 2022 geplant, wegen Covid-19 auf Juli 2022 verschoben) widmete sich vergleichend unter diversen ästhetischen, (kultur-)politischen und zum Teil auch biographischen Aspekten den beiden wichtigsten Dramenautoren der Weimarer Republik. Sowohl politisch gab es zu Lebzeiten zahlreiche Berührungspunkte zwischen beiden als auch hinsichtlich ihres ästhetisch avancierten Anspruchs mit experimentellen Impulsen keineswegs nur im Feld von Theater und Drama; dennoch lassen sich kaum Belege eines intensiveren Austauschs der Autoren finden. Auch haben sich nur in sehr geringem Umfang schriftliche Äußerungen über den jeweils anderen erhalten, obwohl beide mit ähnlichen Themen aktiv waren und es auch Überschneidungen bei weiteren Kontaktpersonen gibt; zum Beispiel arbeiteten beide phasenweise eng mit Erwin Piscator zusammen, einem der wichtigsten Theaterregisseure der Weimarer Republik., Ein Blick in die Forschung erweckt den Eindruck, hier setze sich dieses Schweigen fort: Nur sehr wenige Untersuchungen nehmen Bertolt Brecht und Ernst Toller unter Spezialfragestellungen vergleichend in den Blick, und dann in der Regel als zwei Protagonisten in einer Reihe von mehreren Autoren. Eine Monographie oder eine Aufsatzsammlung, die sich dezidiert Brecht und Toller vergleichend widmen würde, gibt es nicht., Es war das Ziel der internationalen Konferenz "Bertolt Brecht und Ernst Toller" (20.-22. Juli 2022 in Magdeburg), diesem Desiderat zu begegnen und in Vorträgen und in intensiven Diskussionen neue Perspektiven auf die beiden Autoren, deren Arbeitsweisen und Themen wie auch auf zeitpolitische, dramaturgische, theaterwissenschaftliche, kulturelle und gesellschaftliche Aspekte der Weimarer Republik und der Exilzeit zu eröffnen. Die Vorträge entwickelten neue Erkenntnisse zum unterschiedlichen Kanonisierungsstatus Brechts und Tollers, zur Medialität ihrer Theaterkonzepte und ihrem auf unterschiedliche Weise kritisch-ambivalenten Verhältnis zu audiovisuellen Medien, zum Vergleich ästhetischer und dramaturgischer Arbeits- und Verfahrensweisen, zur kulturpolitischen Arbeit und Theaterarbeit der beiden Autoren, zu wichtigen politischen, historischen und kulturellen Themen der Weimarer Republik wie Masse, Weltkrieg und Revolution, Judentum und Antisemitismus, Genderfragen sowie Körperlichkeit und Sport; im Blick auf das Spektrum literarischer Gattungen standen Drama und Theater im Vordergrund, aber auch bedeutende Gedichtsammlungen Brechts und Tollers wurden berücksichtigt., Die Konferenzbeiträge wurden in überarbeiteter Form und ergänzt durch einige weitere Beiträge in einem Sammelband veröffentlicht, der von den Tagungsorganisatorinnen und -organisatoren herausgeben wurde und im August 2024 erschienen ist.
2022 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Integrating machine learning in combinatorial dynamic optimization for urban transportation services
The goal of this project is to provide effective decision support for stochastic dynamic pickup and delivery problems by combining the strengths of mixed-integer linear programming (MILP) and reinforcement learning (RL).Stochastic dynamic pickup-and-delivery problems play an increasingly important role in urban logistics. They are characterized by the often time-critical transport of wares or passengers in the city. Common examples are same-day delivery, ridesharing, and restaurant meal delivery. The mentioned problems have in common that a sequence of decision problems with future uncertainty must be solved in every decision step where the full value of a decision reveals only later in the service horizon. Searching the combinatorial decision space of the subproblems for efficient and feasible tours is a complex task of solving a MILP. This complexity is now multiplied by the challenge of evaluating such decision with respect to their effectiveness given future dynamism and uncertainty; an ideal case for RL. Both are crucial to fully meet operational requirements. Therefore, a direct combination of both methods is needed. Yet, a seamless integration has not been established due to different reasons and is the aim of this research project. We suggest using RL to manipulate the MILP itself to derive not only efficient but also effective decisions. This manipulation may change the objective function or the constraints. Incentive or penalty terms can be added to the objective function to enforce or prohibit the selection of certain decisions. Alternatively, the constraints may be adapted to reserve fleet-resources.The challenge is to decide where and how the manipulation takes place. SDPDPs have constraints with respect to routing, vehicle capacities, or time windows. Some constraints may be irrelevant for the fleet’s flexibility while others might be binding. The first part of the research project focuses on identifying the "interesting” parts of the MILP via (un-)supervised learning. Once the "interesting” parts are identified, the second challenge is to find the right parametrization. Here, we will apply RL methods to learn the state-dependent manipulation of the MILP components.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Laser-based additive manufacturing of metal parts from powder in microgravity - LMD@µg
Fixed base stations are to be set up on the moon and on Mars in the near future. Accordingly, the duration and number of space missions will continue to increase in the long term. At the same time, the probability of component failures increases during the flight. In order to be able to react quickly in such a case, a process must be developed where parts can be manufactured or repaired, so that the total mass of spare parts on the spaceship can also be reduced to a minimum., The project is implemented through the development of a laser-based additive manufacturing process for the production of metal parts from powder (titanium and nickel alloys) in microgravity in a pressurized volume. The approach is based on the "Laser Metal Deposition" (LMD) process known for earth gravity. The aims of the research project are the development of a reliable powder handling technology, an LMD device and the guarantee of a stable melting process. The production of microgravity is done with the help of the Einstein-Elevator., The project is being carried out by the Institute of Transport and Automation Technology (ITA) at Leibniz University Hannover in cooperation with the Institute für Logistics and Material Handling Systems (ILM) at Otto-von-Guericke University in Magdeburg.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Lattice Boltzmann simulations of reacting flows in small-scale static and moving beds of particles with complex shapes
he central objective of this project is to improve our basic understanding of physicochemical pro- cesses occurring at the micro-scale in particle beds including chemical reactions involving a gas phase. The gain in insight into this problem will provide fundamental guidance in the development of reduced models, suitable for simulations of the large-scale process. The shape and arrangement of particles in the bed control the resulting flow and, thereby, the final outcome of the chemical re- actions. Boundary effects and dispersion processes are important concerning pressure drop as well as species and heat transport. All relevant aspects will be taken into account during this project for typical beds of small dimensions: complex, non-spherical particle shapes; particle movement; un- steady flow - from the laminar to the low-turbulence regime; detailed kinetics and species transport. For this purpose, a Lattice Boltzmann simulation model (LBM) will be developed and applied as a tool for Direct Numerical Simulation (DNS) of reacting flows in complex geometries.
2022 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
State-dependent decoding and control of neuronal circuits and signals for perceptual decisions
Summary for the extension of the Heisenberg-Professorship., Everyday life presents perceptual tasks every moment of the waking day. Walking up and down in a built environment, we may have to find the building we have an appointment in, while we navigate static objects and moving people in our path, meanwhile our gaze might be drawn to faces we recognize. In the past decades, we have made significant strides in understanding the neural substrates that support perceptual judgements about three-dimensional figures and objects and their movement trajectories (Gold & Shadlen 2007; Krug 2020). Most of the underlying evidence has been generated using judgments that take place over clearly-defined finite time periods requiring a response to one perceptual dimension of a simple object or stimulus. The level of inquiry focussed on the single neuron (neurophysiology) and single brain area (functional MRI) (Krug, 2020; Parker & Newsome, 1998)., Building on my previous work, I have developed a new set of 3D-motion stimuli, that allows us to probe how neural signals contribute to perceptual decisions as the incoming stimulus is changing dynamically and unpredictably. In Project 1, we are using these stimuli to probe in real-time the interactions between multiple groups of neurons recorded simultaneously. This project uses high-dimensional recordings with linear electrode arrays as trained Rhesus macaques make perceptual decisions about them. To decode the current state of perceptual circuits from ongoing recorded neuronal activity (SUA, MUA, LFP), I have implemented, together with my postdoc Dr. Corentin Gaillard, modern machine-learning approaches for analysing perceptual decision signals for 3D-motion. We will also use the linear decoder to target causal interventions in ongoing decision-making in a state-dependent manner (Project 2)., The correlative study of real-time signals in Projects 1 informs Project 2. Across Projects 1 & 2, using our detailed knowledge of single neurons and the dynamics of local circuits in area V5/MT for decisions about 3D-motion stimuli (DeAngelis et al.,1998; Dodd et al. 2001 Krug et al., 2004; Krug et al. 2013; Wasmuht et al 2019; Krug 2020), we aim to achieve detailed knowledge of the relevant circuits in extrastriate area V5/MT across columns and their interactions with cortical areas directly connected (V4/V4t, MST, LIP). Project 3 addresses functional decision-making in primates across brain-wide circuits. This is the same overarching question as Projects 1 & 2, but from the starting point of combining high resolution MRI and causal stimulation methods to pinpoint the neuroanatomical localisation of decision-making circuits. One particular focus is here how changes in functional connectivity between key brain areas (V5/MT, LIP, FEF) affect local activation, perceptual state, and decisions. For this, I use focussed ultrasound stimulation (FUS) to manipulate functional connectivity, a new method I was involved in establishing (Verhagen et al. 2019). Ultimately, these changes in functional connectivity will be linked to the real-time neural activity changes we characterize in Projects 1 and 2.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Adaptive pore network modelling of thermochemical processes in single porous particles
A single particle model with high accuracy is central to DEM/CFD simulations of a bed packed with a population of thermally-thick solid particles and exposed to a thermal process (such as drying) or a thermochemical process (such as calcination, pyrolysis, or combustion). A model as such must essentially account for heat and mass transfer within a single porous particle, morphological changes of its pore structure, chemical reactions and the connection to the particle’s fluid-solid surroundings. Project B4 aims at performing a major breakthrough in the modelling and simulation of these porescale phenomena at the level of a single particle and under realistic process conditions. This project will concentrate on microscopic discrete and macroscopic continuum modelling as well as on experimental characterisation of the drying and calcination processes. Discrete models will be developed based on first principles. Since the pore size will change over time due to thermal stress (shrinkage during drying) or chemical reactions (consumption of solid phase), the pore structure must be traced over time and updated accordingly. Full consideration of structural changes is one of the major advances that will be made with the help of adaptive discrete pore network models - a new family of discrete models. Model extensions shall be made to account for internal temperature gradients and unstructured networks with physically realistic pore structures. The interior pore structure and volumetric change of a particle will be characterised by techniques such as µ-CT imaging. Pore-scale phenomena are directly accessible by discrete models. This fact will be used to revisit the classical continuum models, taking inputs from representative discrete pore network simulations and feeding effective parameters to a macro-scale continuum model. To endow the continuum model with predictive capabilities, high-quality and trustworthy gravimetric measurements will be conducted for single particles in thermo-balance reactors under controlled conditions. On this basis, the classical continuum models will be upgraded and thus implemented in the DEM/CFD libraries after their model-order reduction.
2022 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
A mechanistic study on thrombus formation in JAK2 V617F and CALR mutated chronic myeloproliferative neoplasia (CMN)
JAK2-V617F and CALR mutations are the most common genetic aberrations in classic Philadelphia-Chromosome negative chronic myeloproliferative neoplasia (CMN). A major cause of morbidity and mortality in patients carrying these mutations is a marked prothrombotic state leading to venous and arterial thrombosis. Based on a large body of evidence, in recent years, granulocytes and monocytes were identified as key players in induction of venous thrombosis., Previously, our group found that JAK2-V617F aberrantly activates ß1 and ß2 integrins (VLA4 and LFA1) on leukocytes in CMN and identified some of the critical inside-out signaling molecules involved (e.g. small GTPase Rap1, CALDAG-GEF1). Interestingly, inhibition of VLA4 and LFA1 using neutralizing antibodies suppressed JAK2-V617F induced thrombus formation in-vivo (inferior vena cava stenosis model)., Based on these studies, we aim to elucidate the precise underlying molecular mechanisms that trigger and sustain the process of venous thrombosis in CALR- and JAK2-V617F-mutated CMN. Our comprehensive analysis will include characterisation of integrin-mediated granulocyte adhesion and of key signaling molecules driving integrin activation in granulocytes. Our experimental approach will employ various suitable cell lines, JAK2-V617F knock-in and CALR mutated mouse models, primary leukocytes derived from patients and a thrombosis in-vivo model (inferior vena cava stenosis) which is well established in our lab. Molecules involved will be targeted using neutralising antibodies and selective small molecule inhibitors. Further, we will employ 2-photon microscopy in saphenous vein thrombosis model to intravitally investigate a potential difference in rolling, crawling, adhesion and aggregation (thrombus formation) of JAK2-V617F positive and CALR mutated granulocytes, respectively. Further, these investigations will also focus on the involvement of neutrophil extracellular traps (NETs), including a potential activation of peptidylarginine deiminase 4 (PAD4) by mutated CALR. In an in vitro study, we previously showed that in JAK2-V617F positive leukocytes, BTK and the small GTPase RhoA were constitutively activated. Thus, we hypothesize that signaling molecules upstream and downstream of BTK are activated in CALR mutated leukocytes and may represent an integration point for development of thrombosis. This part of the project may allow to explore BTK as a potential therapeutic drug target in CMN. Finally, based in previous results showing differential activation of the small GTPase Rap1 in granulocytes isolated from CALR mutated patients, we aim to dissect the molecular mechanisms involved in differential Rap1 activation in CALR and JAK2V617F mutated granulocytes., Identification of the precise molecular pathways involved in the pro-thrombotic state of JAK2-V617F positive and CALR mutated patients may ultimately provide novel targets for prophylaxis and therapy of venous thrombosis in CMN.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Bulk Reaction - Teilprojekt C2
Die Brennstoffzufuhr zur Erwärmung der Schüttung und zur thermischen Behandlung der Partikel hat zentrale Bedeutung für die Auslegung und Optimierung von Prozessen. Je nach Prozess wird über verschiedene Lanzensysteme seitlich Brennstoff und Luft, seitlich vorgewärmte Verbrennungsluft oder axial Brennstoff mit Luft eingeblasen. Die Brennstoffstrahlen vermischen sich dabei auch mit der axialen Gasströmung. Daher ist die langfristige wissenschaftliche Fragestellung, wie sich ein eingeblasener Brennstoffstrahl im Querschnitt als Funktion der Prozessparameter und der Schüttungsmorphologie verteilt und wie letztendlich die Ausbildung der Flammen ist. In der Flamme erwärmt sich die Schüttung am stärksten, so dass die Ausbreitung des Wärmestroms in radialer und peripherer Richtung durch Strahlung, Leitung und Kontakt ermittelt werden muss. In der ersten Förderperiode konzentrieren sich die Untersuchungen zunächst auf die Vermischung konditionierter, inerter Gasstrahlen, dabei ist zu untersuchen:, Wie hängen die Eindringtiefe und die räumliche Ausbreitung des Gasstrahls von der Eindüsungsgeschwindigkeit, dem Verhältnis vom eingeblasenem zum axialen Volumenstrom, der Partikelgröße, dem Lückengrad und der Partikelform ab., Wie hängt das Erwärmungsverhalten individueller Partikel ab von deren Größe, der Größenverteilung, der Partikelform, der Strahlung der Partikel untereinander und durch Kontakt der Partikel?
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Bulk-Reaction - Teilprojekt C5
Aus Rechenzeitgründen wird derzeit in großskaligen DEM-CFD Simulationen die Gasphasenströmung nur stark vereinfacht abgebildet. Die exakte Geometrie einzelner Partikel wird auf der Gasseite nicht abgebildet, sondern lediglich pauschal durch eine lokal verteilte, isotrope Porosität berücksichtigt. Gerade für chemisch reagierende Schüttungen ist dies ein unbefriedigender Ansatz, da das Gasphasenströmungsfeld über die örtliche Verteilung des Oxidators (beeinflusst Gasphasen- und, Partikelreaktion) und die lokale Mischungsrate ganz wesentlich den Reaktionsfortschritt bestimmt. Deshalb sollen im Projekt C5 neue Modelle für eine genauere Impulskopplung in CFD-DEM, unter Berücksichtigung der heterogenen und anisotropen Natur der Partikelkonfigurationen, hergeleitet, entwickelt und validiert werden. Dabei werden die Details der Umströmung einzelner Partikel (Impuls, Diffusion, Konvektion) auf größeren Raum- und Zeitskalen projiziert (coarse graining). Die grundlegende Idee des Teilprojektes ist hierbei, dass im Rahmen von numerischen Simulationen, sowohl mikrostrukturelle Größen, z.B., Partikeldurchmesser, Volumenanteile und Partikelgeometrien als auch deren Verteilung berücksichtigt werden können. Zentrale wissenschaftliche Fragestellungen des Projektes sind Ziele des Teilprojekts sind:, Wie kann der lokale Volumenanteil in den Impulsgleichungen der Fluid- und Widerstandskraft formuliert werden, so dass die lokale anisotrope und heterogene Struktur der Partikelkonfiguration berücksichtigt wird?, Wie kann die derzeitige stark vereinfachte Widerstandskraftformulierung zwischen der Gas- und der Partikelphase mit einer Widerstandskraftformulierung ersetzt werden, welche die lokalen Strukturen der Partikelkonfiguration und das komplexe Strömungsverhalten berücksichtigt und gleichzeitig der starken Inhomogenität der Kräfteverteilung in Partikelkonfigurationen Rechnung trägt?, Wie kann Diffusion in den stark inhomogen verteilten und komplexe geformten Hohlräumen zwischen den Partikeln beschrieben werden?
2022 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Einheitliche konservative numerische Berechnungs- methode für Grenzflächenströmungen
Der Großteil der numerischen Methoden für die Berechnung von Strömungen mit Grenzflächen wurde bisher entweder für inkompressible oder kompressible Fluide entwickelt, was die Leistungsfähigkeit und die möglichen Anwendungsbereiche und Applikationen stark einschränkt., Ferner erschweren offene Fragen bezüglich der Massen-, Impuls- und Energieerhaltung von numerischen Methoden für die Berechnung von Grenzflächenströmungen bei allen Strömungsgeschwindigkeiten die Anwendung moderner Berechnungsmethoden in Forschung und Entwicklung, für Anwendungen die von der Treibstoffeinspritzung in Flugzeugtriebwerken bis hin zur Stoßwellenlithotripsie für die Behandlung von Nierensteinen reichen., Das vorrangige Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer neuen einheitlichen numerischen Berechnungsmethode welche die Simulation von Grenzflächenströmungen bei allen Geschwindigkeiten, mit Machzahlen von M=0 bis M >> 1, inklusive Grenzflächenströmungen bei denen kompressible und inkompressible Fluide miteinander in direkter Wechselwirkung stehen, zum ersten Mal mit dem gleichen konservativen numerischen Berechnungsmodell ermöglichen., Die vorgeschlagene Forschung konzentriert sich dabei auf zentrale Aspekte des Berechnungsalgorithmus, neue numerische Methoden und die relevanten Erhaltungsfehler, wodurch wichtige derzeitige Lücken in der Fachliteratur bezüglich der Massen-, Impuls- und Energieerhaltung für Grenzflächenströmungen, auch mit Oberflächenspannung, und der thermodynamischen Modelle für kompressible-inkompressible Grenzflächenströmungen geschlossen werden., Darüber hinaus wird eine systematische Studie zum Einfluss und der Bedeutung der Kompressibilität von Flüssigkeiten für die Simulation von Grenzflächenströmungen sowie eine umfangreiche Analyse der Leistungsfähigkeit des neuen Berechnungsalgorithmus durchgeführt. Die Prüfung und Validierung der entwickelten Berechnungsmethoden wird eine wichtige Komponente des Forschungsprojekts sein.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Experimental investigation of flow fields in the interstices of bulk particles with ray tracing based reconstruction
The flow behaviour of the gas phase in a packed bed has important effects on mass and energy transport processes that are taking place in the bed. It is hence also a central parameter for process optimisation of such systems. Currently, however, only very limited data on the gas flow in packed beds exists, since the access to the particle interstices is very challenging with both probe-based and optical measurement methods. Furthermore, the existing results were typically obtained using refractive index matching, and are hence limited to liquids. For gaseous flows, mainly conclusions obtained using similarity theory are available, which limits the potential range of application., In this project, we extend optical particle image velocimetry (PIV) of the velocity fields in the gas phase within packed beds by ray tracing reconstructions. For this, we use beds consisting of transparent bulk material so that the velocity field determination can be aided with a numerical simulation of light propagation through the bed. The simulation is performed with ray tracing, and the resulting information is used to correct the raw PIV particle images of the flow. This technique then allows for the direct measurement of velocity fields in the gas phase of transparent packed beds. For the development of the reconstruction method, the packed bed is modelled using transparent spherical packing material in regular arrangements. The high sensitivity of the method to a precise correspondence between the experimental set-up and the simulation, including, for example, the exact shape and refractive indices of the spheres, will be addressed systematically through the numerical optimisation of the parameters used in the simulation as well as new methods for PIV illumination, calibration and post-processing. The gas flow in the bed will be varied concerning Reynolds number, arrangement of the gas inlets to the bed, and packing material size and arrangement. High-speed PIV will give access not only to the mean velocities but also to fluctuations and turbulence quantities in the interstices. These are important for heat and mass transfer modelling. The project will also deliver a complete methodology, including a ray tracing software, that facilitates the adoption of the method by the scientific community.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Experimental investigation of flow fields in the interstices of bulk particles with ray tracing based reconstruction
The flow behaviour of the gas phase in a packed bed has important effects on mass and energy transport processes that are taking place in the bed. It is hence also a central parameter for process optimisation of such systems. Currently, however, only very limited data on the gas flow in packed beds exists, since the access to the particle interstices is very challenging with both probe-based and optical measurement methods. Furthermore, the existing results were typically obtained using refractive index matching, and are hence limited to liquids. For gaseous flows, mainly conclusions obtained using similarity theory are available, which limits the potential range of application., In this project, we extend optical particle image velocimetry (PIV) of the velocity fields in the gas phase within packed beds by ray tracing reconstructions. For this, we use beds consisting of transparent bulk material so that the velocity field determination can be aided with a numerical simulation of light propagation through the bed. The simulation is performed with ray tracing, and the resulting information is used to correct the raw PIV particle images of the flow. This technique then allows for the direct measurement of velocity fields in the gas phase of transparent packed beds. For the development of the reconstruction method, the packed bed is modelled using transparent spherical packing material in regular arrangements. The high sensitivity of the method to a precise correspondence between the experimental set-up and the simulation, including, for example, the exact shape and refractive indices of the spheres, will be addressed systematically through the numerical optimisation of the parameters used in the simulation as well as new methods for PIV illumination, calibration and post-processing. The gas flow in the bed will be varied concerning Reynolds number, arrangement of the gas inlets to the bed, and packing material size and arrangement. High-speed PIV will give access not only to the mean velocities but also to fluctuations and turbulence quantities in the interstices. These are important for heat and mass transfer modelling. The velocity fields obtained with the new technique are validated with results of endoscopic measurements, with the mean velocity fields measured in the partner project A2, the simulated velocities from A4 and C6, and, at the bed surface, by comparison with the velocity fields measured by standard PIV directly above the bed. The project will also deliver a complete methodology, including a ray tracing software, that facilitates the adoption of the method by the scientific community. The ray tracing expertise and software of the present project will also be used in a cross-site collaboration with project B3 in Bochum to characterise the radiation experiment performed there.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
SFB-TRR 287 A2: 3D-Measurements in dense granular assemblies using hyperpolarised Magnetic Resonance Imaging
Research areas, Biomedical Technology and Medical Physics (205-32), Biomedical System Technology (407-06), Due to the limited accessibility of the bulk material to direct detection methods, often only integral flow quantities can be measured at the inlet and outlet of packed bed reactors. The exact understanding of the processes inside these technical systems is, thus, just as difficult as the system design with regard to energy efficiency and product quality. Furthermore, predictions from simulations cannot be experimentally validated in detail. Therefore, in project A2 the three-dimensional (3D) velocity field of the gas flow will be first measured in the reference configuration of the CRC/TRR with spherical and complex shaped particles by means of hyperpolarised phase contrast magnetic resonance imaging (pc-MRI). Three-dimensional, temporally and spatially resolved flow maps of the entire gas volume will be generated. These flow field data are essential and form the basis for the further understanding of the homogeneous and heterogeneous chemical reaction rates in particle beds. Sensors or tracer particles, which in turn can perturb the flow and particle movement, are not required. Optical access is also not necessary and arbitrary geometries are possible. The high flexibility of pc-MRI allows adaptations of the measurement to the requirements, e.g. regarding the sample volume (up to about 40 x 40 x 40 cm in commercial MRI) and the spatial (approx. 1 millimetre) or temporal resolution (approx. 1/10 second). With established MRI methods, usually only liquids can be detected due to their favourable physical properties with regards to generation of magnetisation (also called spin polarisation) and its life-time (relaxation properties). In this project, the transition to gaseous media is made possible by the application of highly innovative hyperpolarisation techniques. With this, the comprehensive three-dimensional, quantitative measurement of gas flow fields in complex geometries of non-transparent particle beds will be possible for the first time. Therefore, in addition to hyperpolarisation of the gas, MRI flow measurement methods for hyperpolarised magnetisation must be established. In addition, the development of materials and measurement setups is required that support the use of hyperpolarised gases without interference with the high spin polarisation. A2 will, therefore, build a continuous flow Xenon hyperpolariser with sufficient flow and polarisation level for fast and accurate MRI detection of gas (WP 1), a Xe-coil for Xe-MRI (WP 2), select and characterise proper materials for building an MR-compatible reference experiment (WP 3), extend a table to MR system for Xe-capability (WP 4), develop 3D pc-MRI flow measurement method for the application in hyperpolarised gas systems (WP 5) and measure and process flow data from the reference configuration (WP 6) to be provided to the simulation projects and to be compared to the other experimental methodology.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Verteilung und Ablagerung von Partikeln in verdampfenden festsitzenden Tröpfchen
Festsitzende partikelbeladene Tröpfchen lagern die in ihnen suspendierten Partikel beim Verdampfen auf dem Substrat ab und erzeugen dabei eine Vielzahl von Partikelablagerungsmustern. Die Kontrolle der Form und Eigenschaften dieser Partikelablagerungen kann für viele Anwendungen, vom Tintenstrahldruck bis zur RNA-Sequenzierung, von entscheidender Bedeutung sein. Trotz der erheblichen Forschungsanstrengungen die der Partikelablagerung in verdampfenden festsitzenden Tröpfchen gewidmet wurden, fehlt uns nach wie vor ein grundlegendes Verständnis vieler Aspekte des Partikelverteilungs- und -ablagerungsprozesses. Insbesondere eine detaillierte Quantifizierung der einzelnen Beiträge von Partikel-Partikel- und Partikel-Substrat-Wechselwirkungen, von Partikelanordnung an der Gas-Flüssig-Grenzfläche und von Partikelgrößenverteilungen ist bisher nicht verfügbar. Vor diesem Hintergrund sind die Hauptziele dieses Projekts: (i) die Quantifizierung des Einflusses attraktiver van-der-Waals-Kräfte auf die Partikelverteilung, (ii) die Ermittlung optimaler Bedingungen für die Partikelanordnung an der Gas-Flüssig-Grenzfläche und (iii) die Analyse des Einflusses der Partikelgrößenverteilung von polydispersen Partikelpopulationen auf die Verteilung und Trennung von Partikeln nach Größe für kugel- und ellipsenförmige Partikel. Um diese Forschung zu ermöglichen, werden wir ein effizientes Simulationswerkzeug entwickeln, um die Verdampfung partikelbeladener festsitzender Tröpfchen zu simulieren, alle relevanten physikalischen Mechanismen aufzulösen und die kapillare Anziehung von Partikeln an der Gas-Flüssig-Grenzfläche zu berücksichtigen.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
ADAMANT-II: Adaptive Data Management in Evolving Heterogeneous Hardware/Software Systems
Heterogeneous system architectures consisting of CPUs, GPUs and FPGAs offer a variety of optimization possibilities for database systems compared to pure CPU-based systems. However, it has been shown that it is not sufficient to just map existing software concepts one-to-one to non von-Neumann hardware architectures such as FPGAs to fully exploit their optimization potential. Rather, new processing capabilities require the design of novel processing concepts, which have to be considered at the planning level of query processing. A basic processing concept has already been developed in the first project phase by considering device-specific features in our plug’n’play system architecture. In fact, more advanced concepts are required to achieve an optimal exploitation of the capabilities of the hardware architectures. While significant speed-ups were achieved on the level of individual operators mapped to GPUs and FPGAs, the performance gain at the level of complete queries was unsatisfying. Hence, we derived the hypothesis for the second project phase that standard query-mapping approaches with their consideration of queries on the level of individual operators is not sufficient to explore the extended processing features of heterogeneous system architectures., We will address this shortcoming by researching new processing and query mapping methods for heterogeneous systems, which question the commonly used granularity level of operators. Therefore, we will provide processing entities that encapsulate a greater functionality than standard database operators and may span multiple hardware devices. Thus, processing entities are intrinsically heterogeneous and combine the specific features of individual devices. As a result, our heterogeneous system architecture enables database operations and features that are not available or cannot be implemented efficiently in classical database systems., To explore this extended feature set, we have identified three application domains that are still challenging for classical database systems and for which we assume that they will benefit greatly from heterogeneous system architectures: High-volume data feeds, approximate query processing and dynamic multi-query processing. The stream-based nature of high-volume data feeds asks for a hardware architecture where processing can be done on the fly without the need to store data beforehand. Hence, FPGAs are a promising hardware platform for processing high-volume data feed applications. Furthermore, FPGAs as well as GPUs are good platforms for approximate query processing, as they allow for approximate arithmetics and hardware-influenced sampling techniques. Dynamic multi-query processing is very challenging from the system management point of view, as query plans that have performed well for one workload can be inefficient for a different workload. Here, the multi-level parallelism of heterogeneous systems offers better opportunities to handle heavy workloads.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Experimental investigation of the interaction of flame and particles in bulk solids
As part of the SFB/TRR 287 (BULK-Reaction), this project provides measurement data of turbulent, reactive flows in debris. In addition to the visualization of flame propagation by means of chemiluminescence images, coherent anti-Stokes Raman spectroscopy provides highly temporally and spatially resolved gas-phase temperature measurements as well as the concentration of individual selected species. Laser Doppler anemometry is used to determine the flow velocity, and surface temperatures of the particles are determined using phosphorus thermometry. In order to achieve optical accessibility, a two-dimensional geometry of flame (methane) and particles is constructed. The calcination of magnesite is also investigated in order to determine a possible feedback effect of CO2 release on gas-phase combustion.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Filled Polar Liquid Crystals from Umbrella-Shaped Mesogens
The work group[AE1] (WG) Lehmann (Würzburg) synthesizes star mesogens on the basis of a [AE2] subphthalocyanine core with conjugated arms (oligothiophenes, benzothienobenzothiophenes, thienylpyrrolopyrrolthiophenes) decorated with aliphatic chains. The latter induces columnar liquid-crystalline (LC) phases. The photophysical properties are studied in solution and thin films. The thermotropic behavior and the structure of the mesophases will be investigated by means of polarized optical microscopy, differential scanning calorimetry, X-ray scattering (WAXS, SAXS, GISAXS) and the modelling with the program Materials Studio. The umbrella-shaped, semiconducting mesogens form polar phases, for which an anomalous photovoltaic effect in thin, aligned films is expected. Therefore, alignment of the materials will be studied with a number of methods (different surfaces, magnetic and electric fields) in the WG Eremin (Magdeburg). The polar properties will be studied will be investigated by means of dielectric spectroscopy, second harmonic generation and the piezoelectric effect. On the thin oriented, polar films, the anomalous photovoltaic effect will be tested. These materials should exhibit a photocurrent without the need of a donor-acceptor (p/n) junction., The result regarding the phase transitions, transition temperatures, alignment and the photocurrent will be considered to optimize the LC materials by synthesis. Moreover, the WG Lehmann will prepare star mesogen derivatives, for which the conjugated arms are tethered to fullerenes (C60) via flexible spacers with different spacer length. These molecules are sterically overcrowded and do not form LC phases. The original star mesogens without fullerenes possess between their arms intrinsic free space, which can host C60. Consequently, the mixture between these molecules with the sterically overcrowded fullerene derivatives results in new, polar, highly ordered, columnar donor-acceptor LC phases. These are filled mesophases, which will be thoroughly investigated in the WG Lehmann and Eremin with respect to their structure-property relationships, i.e. the mesophase structure, photophysical and polar properties, alignment, charge carrier mobilities with the Time-Of-Flight method and the photovoltaic properties. The latter will be studied by means of an inverted device structure in collaboration with a Japanese expert (Dr. Araoka, Tokyo). The filled liquid crystals are new donor-acceptor materials, which allow the control of the morphology and the alignment between electrodes. The polar properties will facilitate charge separation. The joint, multidisciplinary project of the WG Lehmann and Eremin will result in a new generation of liquid-crystalline, polar semiconductor materials, which allow the application in organic photovoltaics.
2020 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Jet mixing and bulk solids heating in fixed bed reactors
As part of the SFB/TRR 287 (BULK-Reaction), this project investigates the interaction between the heating of a bed and the gas jet dispersion taking place in it. C2 uses an available laboratory shaft as a model system. To investigate the cross-mixing, ambient air is blown into the bed from below and a hot gas from the side. The spatial temperature field of the gas phase and the bed of spherical particles is measured using Raman scattering in optical fibers. The experiments are compared with simulations. The temperature and velocity distribution of the bulk material is calculated using the standard porous medium model. This clarifies the question of how large the errors in large-scale DEM/CFD simulations are today.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Aerosolenstehung in der Lunge und Einkapselung von Viren
Mikroskopische Aerosole wurden als die Hauptinfektionswege für SARS-CoV-2 identifiziert. Diese Tröpfchen werden tief in der Lunge aus Auskleidungsflüssigkeiten erzeugt. Während der Atmung bilden sich dünne Filme und reißen auf, wodurch feine Tröpfchen freigesetzt werden, die die Viruslast einkapseln. Im Gegensatz zu größeren Tröpfchen, die sich in den oberen Atemwegen bilden, bleiben mikroskopisch kleine Tröpfchen, die hier untersucht wurden, viel länger in der Luft schwebend und stellen somit ein höheres Risiko für luftübertragene Infektionen dar. Hier wird sich ein interdisziplinäres Forschungsteam mit der Wissenschaft der Aerosolerzeugung und Viruseinkapselung befassen, das medizinisches, biologisches und strömungsmechanisches Fachwissen verbindet. Wir werden den Schwerpunkt auf realistische Flüssigkeiten zusammen mit Viruspartikeln legen und uns auf die schnellen und empfindlichen Strömungen konzentrieren, die zu Filmbrüchen, Tröpfchenbildung, Verkapselung und Stabilisierung führen. Der Schwerpunkt liegt auf Experimenten mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung, Simulationen des Zerstäubungs- und Tropfenbildungsprozesses von dünnen Filmen und der biologischen Virulenz der dabei erzeugten Aerosolpartikel. Während die Forschung durch die Virulenz von SARS-CoV-2 motiviert wurde, werden auch andere Virenarten getestet, um die grundlegende Mechanismen zu entschlüsseln, die zu einer Übertragung von Krankheitserregern aus der Lunge über die Luft erlauben.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Deep Lung Aerosol Generation and Virus Encapsulation (AGAVE)
The aim of the interdisciplinary project, which is funded by the German Research Foundation (DFG) to the tune of almost €900,000, is to find out why the phenomenon of so-called "superspreaders” exists. Researchers oft the three founded teams are looking into the question of how the virus particles in the human body are packed into the tiny aerosols and which mechanisms lead to these aerosol particles adhering to the airways of other people, where they burst and leading to further infection. Process engineers are then developing simulation models to assist in making reliable predictions about the distribution and spread of the aerosols.
2019 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
DFG-Forschungsgruppe HELICAP: FOR 2959
Die Stärkung der Gesundheitskompetenz ist ein prioritäres Aktionsfeld von Public Health in Deutschland. Im gegenwärtigen Diskurs wird Gesundheitskompetenz als individuelle Fähigkeit von Individuen operationalisiert, auf Gesundheitsinformationen zuzugreifen, diese zu verstehen, kritisch zu bewerten und anzuwenden. Es wird in dieser Auffassung nicht bewusstgemacht, welche Faktoren Gesundheitsentscheidungen behindern können und dass Gesundheitskompetenz in eine komplexe soziale und ökologische Umwelt eingebettet ist:, Diese Definition übergeht die Aushandlungsprozesse des Individuums mit seiner subjektiven Realität. Die Fähigkeit, Gesundheitsinformationen zum eigenen bzw. für den Vorteil Nahestehender zu verarbeiten ist stark abhängig von der Fähigkeit des Einzelnen, sich vom passiven Konsumenten von Gesundheitsinformationen hin zu einem reflektierten Teilnehmer am Gesundheitssystem zu emanzipieren. Weiterhin bestehen offene Fragen bezüglich der wissenschaftlichen Grundlage und Qualität dieser Gesundheitsinformationen. Schließlich fehlen Messinstrumente zur Erfassung spezifischer Formen von Gesundheitskompetenz., Basierend auf einem modifizierten Gesundheitskompetenzmodell, in dem soziale, umweltbezogene, situative und persönliche Determinanten betont werden, soll der Bereich der frühkindlichen Allergieprävention exemplarisch genutzt werden, um Antworten auf die oben genannten Herausforderungen zu finden. Da bis zu 20% der Kinder von Allergien bzw. allergischen Erkrankungen betroffen sind, stellt die frühkindliche Allergieprävention einen Bereich mit hoher Public Health - Relevanz dar, in dem zusätzlich seit einiger Zeit ein für alle Bereiche der Medizin einmaliger Paradigmenwechsel weg von der Allergenmeidung hin zur Toleranzinduktion stattfindet. Von etablierten Interventionen in Form von pharmakologischen Behandlungen verschiebt sich das Paradigma in der Allergieforschung hin zur Stimulation des Immunsystems., Ziel der Forschergruppe ist es, Gesundheitskompetenz in der frühkindlichen Allergieprävention in sechs verschiedenen Teilprojekten mit interdisziplinärem Ansatz zu untersuchen. Diese beziehen sich auf:, Interessenskonflikte in der Erstellung von Leitlinien zur Allergieprävention, Interessenskonflikte manifestieren sich im Entwicklungsprozess von Leitlinien und können zu Verzerrungen von Empfehlungen führen. Diese offen darzulegen und in Entscheidungsprozesse mit einzubeziehen reduziert das Risiko einer unangemessenen Beeinflussung. Im Fokus steht eine Qualitätsbeurteilung der Leitlinien von Allergieprävention wie auch von frühkindlicher Ernährung. Die Anzahl an Interessenskonflikten in Leitliniengruppen wird quantifiziert. Zudem werden Verbindungen zwischen Leitlinienautoren, Forschern und Forschungsförderern exploriert, um eine neue Strategie zur Offenlegung von Konflikten zu erhalten., Evidenzsynthese von Interventionen zur frühkindlichen Allergieprävention, Besonders in Feldern mit dynamischer Forschungstätigkeit und damit verbundenen Veränderungen in der Evidenzlandschaft verlieren Empfehlungen schnell an Aktualität. Mittels eines Living Systematic Reviews zu Interventionen zur Prävention von Allergien und allergischen Erkrankungen in der frühen Kindheit sollen diese Lücken zwischen Evidenz und Praxis verringert und eine umfassende Informationsquelle zur Verfügung gestellt werden., Translation von Wissen durch Versorgungsakteure, Hebammen, Kinderärzte und Allgemeinmediziner sind die ersten Ansprechpartner junger oder werdender Eltern zum Thema Gesundheit und Allergieprävention. In diesem Teilprojekt soll mithilfe qualitativer Befragungen untersucht werden, wie Gesundheitsfachkräfte die Evidenz zu frühkindlicher Allergieprävention aufnehmen, in Empfehlungen übersetzen und diese dann an ihre Patienten - mit unterschiedlich ausgeprägter Gesundheitskompetenz - übersetzen., Passung Nutzerperspektive (junge Eltern) - Angebot, Bei der Suche nach relevanten Gesundheitsinformationen sind jungen oder werdenden Eltern Limitationen gesetzt - sei es durch Aspekte ihrer Gesundheitskompetenz selbst oder durch die Verfügbarkeit sowie der Qualität von Informationen. Es sollen Faktoren untersucht werden, die das Verhalten von Eltern in Bezug auf Gesundheitskompetenz und frühkindliche Allergieprävention beeinflussen. Das Vorgehen bei der Informationssuche sowie Präferenzen werden unter Berücksichtigung sozio-kultureller Hintergründe untersucht., Epidemiologie elterlicher Gesundheitskompetenz und Allergieprävention, Die Analyse von Faktoren die das Verhalten junger Eltern beeinflussen, ist von entscheidender Wichtigkeit für eine gelungene Evidenzsynthese. Mithilfe einer groß angelegten Kohortenstudie an Müttern und Neugeborenen sollen Entwicklung und Assoziationen zwischen Gesundheitskompetenz und Gesundheitsverhalten besser verstanden werden. Wechselseitige Einflüsse zwischen der Gesundheitskompetenz von Müttern und Vätern werden mitberücksichtigt., Entwicklung eines Instruments zur Erfassung allergiepräventionsspezifischer Gesundheitskompetenz, Auf Basis einer vorangehenden Definition von frühkindlicher Allergieprävention wie Gesundheitskompetenz wird ein multidimensionales Instrument zur Erfassung und Analyse der elterlichen Kompetenzausprägungen entwickelt. Mithilfe dieses mehrdimensionalen Assessment-Instruments sollen psychometrische wie diagnostische Eigenschaften gemessen werden können., Die einzelnen Arbeitspakete sind dabei eigenständig arbeitende, jedoch untereinander stark verknüpfte und sich inhaltlich ergänzende Einheiten. Die Teilprojekte stehen seit Beginn des Forschungsvorhabens in einem kontinuierlichen Dialog. Erkenntnisse aus den Teilprojekten sollen zur Weiterentwicklung eines theoretischen Modells der Gesundheitskompetenz für den Bereich Allergieprävention integriert werden. Hierzu ist die Förderung des interdisziplinären Diskurses zwischen den Disziplinen und den Teilprojekten grundlegend. Interdisziplinäres wissenschaftliches Arbeiten ist in der gelebten Forschungspraxis aufgrund der epistemologischen Unterschiede der wissenschaftlichen Disziplinen sehr fordernd. Im Rahmen einer Begleitforschung werden aus der Perspektive von HELICAP Möglichkeiten und Grenzen interdisziplinärer Forschung untersucht. Die Organisation der Zusammenarbeit der einzelnen Arbeitspakete wird vom in Magdeburg und Freiburg durchzuführenden wissenschaftlichen Koordinierungszentrums des Projektes übernommen, ebenso wie die Budget- sowie Zeitplanung und die Öffentlichkeitsarbeit. Zur Ermöglichung eines partizipativen Forschungsprozesses ist das Koordinierungszentrum, neben den Management-Belangen, zudem verantwortlich für die Etablierung eines Elternbeirates. Die Einbindung von Interessensgruppen ist eine wichtige Voraussetzung für den Erfolg der Forschungsgruppe. Zu diesem Zweck sollen über den bereits etablierten Wissenschaftlichen Beirat und das Public Health Board hinaus auch junge und werdende Eltern zur Unterstützung und Bereicherung in das Board integriert werden.
2019 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
DFG-Forschungsgruppe HELICAP: FOR 2959 (WP2)
Nicht-reproduzierbare oder widersprüchliche Ergebnisse der Gesundheitsforschung haben oftmals eine Verunsicherung der Gesundheitsprofessionen sowie der Öffentlichkeit zur Folge. Deswegen wurde die Methodik der Evidenzsynthese mittels systematischer Reviews (SR) entwickelt. Jedoch verlieren diese - und somit auch klinische Leitlinien - in Feldern dynamischer Forschungstätigkeit wie der frühkindlichen Allergieprävention (FKAP) schnell an Aktualität. Es ist daher anzunehmen, dass Lücken zwischen dem Wissen aus der besten verfügbaren Evidenz und der gelebten FKAP Praxis bestehen. Durch fortwährernd aktualisierte, "lebende" systematische Reviews (LSR) kann die Lücke zwischen Evidenz und Praxis verringert werden, indem SRs fortwährend auf dem neuesten Stand gehalten werden., Übergeordnetes Ziel dieses Projektes ist es, ein LSR zu Interventionen zur Prävention von Allergien und allergischen Erkrankungen in der frühen Kindheit (0-3 Jahre) zu erstellen. Teilziele des Vorhabens sind 1) FKAP-Interventionen auf individueller (z.B. frühe Exposition gegenüber allergenen Lebensmitteln) sowie auf Gemeindeebene (z.B. Programme zur Förderung umweltbezogener Diversität) zu identifizieren, 2) die Evidenz zu Wirksamkeit und Sicherheit der Interventionen zusammenzufassen, 3) die Qualität der verfügbaren Evidenz zu beurteilen, 4) Zusammenfassungen in allgemeinverständlicher Sprache (plain language summaries, PLS) zu erstellen und, 5) ein Work Flow für das LSR zu entwickeln., Im ersten Jahr wird das Protokoll für den SR entwickelt und eine umfassende Literaturrecherche durchgeführt, um geeignete Studien zu identifizieren. Im zweiten Jahr erfolgen die Extraktion der Daten, eine (Netzwerk-)Meta-Analyse sowie die Bewertung der Evidenz. Anschließend werden der baseline SR und ein PLS erstellt und veröffentlicht. Im dritten Jahr wird eine entsprechende Webanwendung entwickelt, um den SR in einen LSR zu überführen. Eine erste Aktualisierung der Literaturrecherche wird durchgeführt und Ergebnisse und Schlussfolgerungen werden gegebenenfalls angepasst. In der Folge wird die Veröffentlichung neuer Studien kontinuierlich beobachtet und ein fortlaufender Peer-Review-Prozess implementiert, um eine sofortige Bewertung des Bias-Risikos und die Datenextraktion aus neuen Studien zu gewährleisten. Verfügbare Technologien sollen genutzt werden, den LSR-Ablauf zu unterstützen (e.g. text mining, TaskEXchange)., Durch dieses Teilprojekt wird eine umfassende Informationsquelle zu FKAP - Evidenz zur Verfügung gestellt. Das Teilprojekt ist eng mit dem Teilprojekt "Interessenskonflikte" verbunden, da im SR oder in Leitlinien eingeschlossenen Studien verglichen werden können. Es ist zudem mit den Teilprojekten "Gesundheitsprofessionen" und "Digitale Gesundheitsinformation" verknüpft, da diese untersuchen, wie wissenschaftliche Evidenz durch Gesundheitsprofessionen genutzt und in digitaler Gesundheitsinformation repräsentiert wird.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Development of high brightness quantum dot lasers for LIDAR light sources at 1250 nm
Novel semiconductor laser technology is on-demand for light detection and ranging (LiDAR) systems which are key safety components for autonomous driving assistance systems (ADAS). In LiDAR, light pulses are sent out omnidirectional and, once reflected from objects, are received by photodetection systems. Fundamentally, the system’s scan speed depends on the laser power that is available at each measurement spot. Unfortunately, the light output from conventional semiconductor edge-emitting lasers is highly divergent along the vertical direction which not only reduces power density but also the possible resolution of the LiDAR system. Moreover, as these system operate in free-space eye safety regulations have to be obeyed. Current systems operate at non-optimum wavelengths around 905 nm since a mature semiconductor technology at the most attractive wavelength of 1250 nm has not been demonstrated so far. With this project, a Chinese and a German group team up for developing epitaxial growth and laser technology to cover this gap. Two recently patented novel concepts for high brightness edge emitting lasers, the HiBBEE laser, and the corrugated stripe laser will be combined with high-density quantum dot stacks and optimized for high-brightness, low-divergence 1250 nm laser emission. With these novel lasers higher resolution, faster scanning, and higher energy efficiency LiDAR systems will become available. In addition the complexity and cost of any of the potential optical ADAS systems when including these single mode lasers is dramatically reduced.
2018 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Extrospection. External access to higher cognitive processes
The DFG-funded Research Training Group (RTG) 2386 "Extrospection.External access to higher cognitive processes” offers a structured and interdisciplinary doctoral program including a fast-track option for Master’s students. During the first funding period 2018-2023, a sophisticated admission process will select three cohorts of doctoral researchers (with application calls in 2018, 2019, and 2020) and two cohorts of fast-track students (to start in 2018 and 2019). Students are asked to apply for one (or more) of the advertised research topics. They will have to hand in a detailed 5-page proposa for an interdisciplinary doctoral project devoted to the problem of extrospection. When applying, applicants should also explain why they wish to conduct their doctoral research in a structured and interdisciplinary doctoral program. Upon admission, students will be offered a salaried doctoral position for three years. Each doctoral candidate will be assigned two experts from different disciplines as their primary and secondary supervisors.
2021 bis 2024
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Olfaktorisch-limbische Verbindung: vom Geruch zum Verhalten...
Soziale Verhaltensweisen, konfliktiv (z.B. Aggression, Kindstötung) oder kooperativ (z.B. Paarung, Mutter-Kind Interaktionen), können bei allen sich sexuell fortpflanzenden Tierarten beobachtet werden und sind entscheidend für Gesundheit, Überleben und Reproduktion. Diese Verhaltensweisen sind vielfach instinktiv und werden ohne vorherige Exposition allein in Gegenwart von spezifischen sensorischen Reizen, die oft olfaktorischer oder Pheromon-artiger Natur sind, gezeigt. Über die neuronalen Schaltkreise, die diese Verhaltensweisen codieren, ist jedoch wenig bekannt. In diesem Projekt sollen die molekularen, zellulären und neuronalen Grundlagen olfaktorisch vermittelter sozialer Verhaltensweisen untersucht werden – ausgehend von einer Charakterisierung der neuronalen Schaltkreise bis hin zur Verhaltensrelevanz. Unser Ziel ist es zu bestimmen, wie soziale Signale zuerst im olfaktorischen Bulbus umgewandelt und im Anschluss an limbische Systeme, die für soziales Verhalten wichtig sind, weitergeleitet werden. Des Weiteren wollen wir untersuchen, wie spezielle Neurone im limbischen System, die den Neurotransmitter GABA und das Enzym Aromatase exprimieren, diese Signale verarbeiten sowie die sozialen Verhaltensweisen identifizieren, die zu ihrer Aktivierung führen. Wir werden einen vielseitigen Ansatz verwenden, der in vivo Zwei-Photonen- und mikroendoskopische Aufzeichnungen, eine selektive Markierung von neuronalen Schaltkreisen, Gentargeting sowie Verhaltenstests kombiniert, um die anatomischen und physiologischen Eigenschaften von olfaktorischen Netzwerken aufzuklären, die der Steuerung von sozialem Verhalten zugrunde liegen. Soziale Verhaltensweisen sind meist stereotyp und eine festprogrammierte Verschaltung während der Entwicklung ermöglicht ihre Charakterisierung anhand von molekulargenetischen Ansätzen. Wir werden drei spezifische Ziele verfolgen, die unabhängig, aber miteinander verbunden sind. Zu Beginn werden wir, unter Verwendung von viralen Tracern, die Neuronen Populationen des olfaktorischen Bulbus identifizieren, die auf GABAerge und Aromatase exprimierende Neuronen in der medialen Amygdala und im BNST (bed nucleus of the stria terminalis) projizieren sowie die molekulare Identität dieser Neurone untersuchen. In einem zweiten Schritt werden wir, mithilfe der in vivo Kalzium-Bildgebung, diese Neurone des olfaktorischen Bulbus auf die molekulare Bandbreite ihrer Antworten auf Chemosignale, die spezifisches soziales Verhalten codieren, untersuchen. Anschließend wird die Aktivität von GABA- und Aromatase positiven Neuronen in der Amygdala und im BNST in unterschiedlichen sozialen Verhaltensweisen funktional charakterisiert. Diese detaillierte Studie der neuronalen Schaltkreise, die gut definierte, angeborene soziale Verhaltensweisen steuern, wird einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Codierung komplexer Verhaltensweisen durch das Gehirn liefern.