Software tools and efficient algorithms for the feature detection, feature tracking, event localization, and visualization of large sets of atmospheric data

Data sets describing the state of the earth's atmosphere are of great importance in the atmospheric sciences. Over the last decades, the quality and sheer amount of the available data increased significantly, resulting in a rising demand for new tools capable of handling and analysing these large, multidimensional sets of atmospheric data. The interdisciplinary work presented in this thesis covers the development and the application of practical software tools and efficient algorithms from the field of computer science, aiming at the goal of enabling atmospheric scientists to analyse and to gain new insights from these large data sets. For this purpose, our tools combine novel techniques with well-established methods from different areas such as scientific visualization and data segmentation. In this thesis, three practical tools are presented. Two of these tools are software systems (Insight and IWAL) for different types of processing and interactive visualization of data, the third tool is an efficient algorithm for data segmentation implemented as part of Insight.Insight is a toolkit for the interactive, three-dimensional visualization and processing of large sets of atmospheric data, originally developed as a testing environment for the novel segmentation algorithm. It provides a dynamic system for combining at runtime data from different sources, a variety of different data processing algorithms, and several visualization techniques. Its modular architecture and flexible scripting support led to additional applications of the software, from which two examples are presented: the usage of Insight as a WMS (web map service) server, and the automatic production of a sequence of images for the visualization of cyclone simulations. The core application of Insight is the provision of the novel segmentation algorithm for the efficient detection and tracking of 3D features in large sets of atmospheric data, as well as for the precise localization of the occurring genesis, lysis, merging and splitting events. Data segmentation usually leads to a significant reduction of the size of the considered data. This enables a practical visualization of the data, statistical analyses of the features and their events, and the manual or automatic detection of interesting situations for subsequent detailed investigation. The concepts of the novel algorithm, its technical realization, and several extensions for avoiding under- and over-segmentation are discussed. As example applications, this thesis covers the setup and the results of the segmentation of upper-tropospheric jet streams and cyclones as full 3D objects. Finally, IWAL is presented, which is a web application for providing an easy interactive access to meteorological data visualizations, primarily aimed at students. As a web application, the needs to retrieve all input data sets and to install and handle complex visualization tools on a local machine are avoided. The main challenge in the provision of customizable visualizations to large numbers of simultaneous users was to find an acceptable trade-off between the available visualization options and the performance of the application. Besides the implementational details, benchmarks and the results of a user survey are presented.

Struktur-Dynamik-Beziehungen in amorphen festen Lösungen

Feste Lösungen homogen dispergierter Wirkstoffmoleküle in amorphen Polymermatrizen sind wichtige Materialien in vielen pharmazeutischen Anwendungen, bei denen eine kontrollierte Abgabe wasserunlöslicher Wirkstoffe in wässrige Systeme eine Rolle spielt. Die intermolekulare Bindungs-stärke zwischen Polymer- und Wirkstoffmolekülgruppen bestimmt die Stabilität der festen Lösung und steuert somit die biologische Aktivität der Wirkstoffmoleküle. In festen Lösungen, die aus acryl-säurehaltigen Copolymeren (Protonendonoren) und basischen Wirkstoffmolekülen (Protonenakzepto-ren) hergestellt werden, sind intermolekulare Wasserstoffbrücken zwischen den Systemkomponenten Triebkraft für die Bildung einer stabilen homogenen Dispersion und für die Entstehung struktureller Merkmale zwischen den Molekülgruppen der Systemkomponenten. Zudem ist die Bindungsstärke der Wasserstoffbrücken im Hinblick auf die kontrollierte Abgabe der Wirkstoffe von Bedeutung. Da dynamische chemische Gleichgewichte bei der Bildung der Wasserstoffbrücken eine wichtige Rolle spielen müssen neben strukturellen Parametern auch dynamische Faktoren beleuchtet werden. Ziel dieser Arbeit ist neben der Ermittlung von intermolekularen Bindungsstärken vor allem die Identifika-tion struktureller Verhältnisse zwischen den Systemkomponenten auf molekularer Ebene. Die Be-stimmung der Abhängigkeit dieser Parameter von der Struktur der verwendeten Polymere und einer Vielzahl weiterer Einflüsse wie z.B. Feuchtigkeit, Lagerdauer oder Wirkstoffkonzentration soll ein kontrolliertes Design fester Lösungen mit definierten anwendungsspezifischen Eigenschaften ermögli-chen. Temperaturabhängige 1H-Festkörper-MAS-NMR (Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance) Experimente an festen Lösungen mit unterschiedlichen Copolymer-Zusammensetzungen weisen die Existenz dynamischer chemischer Gleichgewichte in den komplexen Wasserstoffbrücken-netzwerken nach. Veränderungen in der chemischen Verschiebung und in der Linienform der Reso-nanzlinien acider Protonen erlauben einen tiefen Einblick in die Architektur dieser Netzwerke und legen die Bindungsverhältnisse unter Berücksichtigung der Polymerchemie und der Mobilität der Systemkomponenten dar, wobei die Befunde mithilfe quantenchemischer Rechnungen untermauert werden können. Die Gegenwart acider Protonen ermöglicht einen einfachen 1H-2H-Austausch, wor-aufhin mithilfe rotorsynchronisierter temperaturabhängiger 2H-MAS-NMR Experimente die Wasser-stoffbrückenbindungsstärke bestimmt werden kann. Mit 1H-1H-Korrelationsexperimenten (Doppelquantenspektroskopie) stehen Methoden für die Bestimmung homonuklearer dipolarer 1H-1H-Kopplungen zur Verfügung, die strukturelle Aussagen aufgrund von bevorzugten räumlichen Kontak-ten bestimmter Molekülgruppen ermöglichen. Weiterhin können diese Experimente verwendet werden, um Wasserstoffbrücken zwischen Polymergruppen von Polymer-Wirkstoff-Wasserstoffbrücken zu unterscheiden, wodurch eine quantitative Beschreibung des Bindungsnetzwerks und der Konkurrenz-prozesse zwischen den einzelnen wasserstoffverbrückten Spezies ermöglicht wird. Eine Kristallisation der Wirkstoffmoleküle ist in vielen Anwendungen unerwünscht, da sie die biologische Verfügbarkeit des Wirkstoffs reduzieren. Mit 1H-Festkörper-MAS-NMR Experimenten können kristalline von amorph dispergierten Wirkstoffmolekülen unterschieden werden, wodurch eine Quantifizierung der Destabilisierungsprozesse ermöglicht wird, die durch Exposition der festen Lösungen mit Wasserdampf ausgelöst werden können. Die Zeit- und Konzentrationsabhängigkeit der Wasseraufnahme kann mit NMR-Experimenten verfolgt werden, wobei unterschiedlich mobile Was-serspezies an unterschiedlichen Bindungsorten identifiziert werden können, was zum molekularen Verständnis der Destabilisierungsprozesse beiträgt. Zusätzlich wird die Mobilität der Wirkstoffmole-küle bestimmt, die sich – wie auch die Wirkstoffkonzentration - als wichtige Größe in der Beschrei-bung der Destabilisierung erweist. Aufbauend auf den Beobachtungen wird ein Zusammenhang zwischen der Copolymerzusammensetzung und einer kritischen Wirkstoffkonzentration hergestellt, der für die Anwendungen amorpher fester Lösungen in biologischen Systemen von großer Bedeutung ist.

Relationship between pain and anxiety in rats

Clinically, it is well known that neuropathic pain often induces comorbid symptoms such as anxiety. In turn, also anxiety has been associated with a heightened experience of pain. Although, the link between pain and anxiety is well recognized in humans, the neurobiological basis of this relationship remains unclear. Therefore, the aim of the current study was to investigate the influence of neuropathic pain on anxiety and vice versa in rats by assessing not only pain-related behaviour but also by discovering possible key substrates which are responsible for the interrelation of pain and anxiety.rnIn rats with a chronic constriction of the sciatic nerve (CCI model) anxiety-like behaviour was observed. Since anxiety behaviour could be completely abolished after the treatment of the pure analgesic drugs gabapentin and morphine, we concluded that anxiety was caused by the strong persistent pain. Furthermore, we found that the neuropeptides oxytocin and vasopressin were upregulated in the amygdala of CCI rats, and the intra-amygdala treatment of an oxytocin antagonist but not the vasopressin antagonist could reduce anxiety-like behaviour in these animals, while no effect on mechanical hypersensitivity was observed. These data indicate that oxytocin is implicated in the underlying neuronal processes of pain-induced anxiety and helps to elucidate the pathophysiological mechanisms of neuropathic pain. rnTo assess the influence of trait anxiety on pain sensation in rats, we determined mechanical hypersensitivity after sciatic nerve lesion (CCI) in animals selectively bred for high anxiety or low anxiety behaviour. The paw withdrawal thresholds were significantly decreased in high anxiety animals in comparison to low anxiety animals 2 and 3 weeks after surgery. In a second model state anxiety was induced by the sub-chronic injection of the anxiogenic drug pentylentetrazol in naive rats. Pain response to mechanical stimuli was increased after pharmacologically-induced anxiety. These results provided evidence for the influence of both trait and state anxiety on pain sensation. rnThe studies contribute to the elucidation of the relationship between pain and anxiety. We investigated that the neuropathic pain model displays sensory as well as emotional factors of peripheral neuropathy. Changes in expression levels of neuropeptides in the central nervous system due to neuropathic pain may contribute to the pathophysiology of neuropathic pain and its related symptoms in animals which might also be relevant for human scenarios. The results of the current study also confirm that anxiety plays an important role in the perception of pain. rnA better understanding of pain behaviour in animals might improve the preclinical profiling of analgesic drugs during development. The study highlights the potential use of the rat model as a new preclinical tool to further investigate the link between pain and anxiety by determining not only the sensory reflexes after painful stimuli but also the more complex pain-related behaviour such as anxiety.rn

Differentiation and extracellular matrix interactions of chondrocytes in response to signaling molecules and biomaterials for cartilage repair = Differenzierung und Interaktionen von Chondrozyten mit der extrazellulären Matrix als Reaktion auf Signalmoleküle und Biomaterialien für die Wiederinstandsetzung von Knorpel

Chondrocytes live isolated in the voluminous extracellular matrix of cartilage, which they secrete and is neither vascularized nor innervated. Nutrient and waste exchanges occur through diffusion leading to low oxygen tension around the cells. Consequently even normal cartilage under normal physiological conditions suffers from a poor reparative potential that predisposes to degenerative conditions, such as osteoarthritis of the joints, with significant clinical effects.rnOne of the key challenges in medicine is the structural and functional replacement of lost or damaged tissues. Current therapeutical approaches are to transplant cells, implant bioartificial tissues, and chemically induce regeneration at the site of the injury. None of them reproduces well the biological and biomechanical properties of hyaline cartilage.rnThis thesis investigates the re-differentiation of chondrocytes and the repair of cartilage mediated by signaling molecules, biomaterials, and factors provided in mixed cellular cultures (co-culture systems). As signaling molecules we have applied prostaglandin E2 (PGE2) and bone morphogenetic protein 1 (BMP-1) and we have transfected chondrocytes with BMP-1 expressing vectors. Our biomaterials have been hydrogels of type-I collagen and gelatin-based scaffolds designed to mimic the architecture and biochemistry of native cartilage and provide a suitable three-dimensional environment for the cells. We have brought chondrocytes to interact with osteosarcoma Cal 72 cells or with murine preosteoblastic KS483 cells, either in a cell-to-cell or in a paracrine manner.rnExogenous stimulation with PGE2 or BMP-1 did not improve the differentiation or the proliferation of human articular chondrocytes. BMP-1 induced chondrocytic de-differentiation in a dose-dependent manner. Prostaglandin stimulation from gelatin-based scaffolds (three-dimensional culture) showed a certain degree of chondrocyte re-differentiaton. Murine preosteoblastic KS483 cells had no beneficial effect on human articular chondrocytes jointly cultivated with them in hydrogels of type I collagen. Although the hydrogels provided the chondrocytes with a proper matrix in which the cells adopted their native morphology; additionally, the expression of chondrocytic proteoglycan increased in the co-cultures after two weeks. The co-culture of chondrocytes with osteoblast-like cells (in transwell systems) resulted in suppression of the regular de-differentiation program that passaged chondrocytes undergo when cultured in monolayers. Under these conditions, the extracellular matrix of the chondrocytes, rich in type-II collagen and aggrecan, was not transformed into the extracellular matrix characteristic of de-differentiated human articular chondrocytes, which is rich in type-I collagen and versican.rnThis thesis suggests novel strategies of tissue engineering for clinical attempts to improve cartilage repair. Since implants are prepared in vitro (ex-vivo) by expanding human articular chondrocytes (autologous or allogeneic), we conclude that it will be convenient to provide a proper three-dimensional support to the chondrocytes in culture, to supplement the culture medium with PGE2, and to stimulate chondrocytes with osteoblastic factors by cultivating them with osteoblasts.rn

Spatial and temporal flower presentation in Apiaceae-Apioideae

Alle Doldengewächse (Apiaceae), darunter die größte, weltweit verbreitete Unterfamilie der Apioideen, weisen in ihren Blütenständen sehr einheitliche Merkmale auf. Die ‚Doppeldolden´ werden aus kleinen, weißen oder gelben Blüten gebildet und von vielen unspezialisierten Insekten besucht. Der uniforme Eindruck, der damit erweckt wird, ist unter Umständen ein Grund, dass die zugrundeliegende Morphologie bislang wenig untersucht wurde. Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist es daher, die ‚verborgene Diversität´ im Blütenstandsbereich der Apiaceae -Apioideen mit dem Ziel darzustellen, den Einfluss der Architektur der Pflanzen auf die Art der Blütenpräsentation in Raum und Zeit und damit auf das Reproduktionssystem der Art zu ermitteln. Im ersten Kapitel zeigt der Vergleich von neun ausgewählten Arten, dass in den selbstfertilen und unspezifisch bestäubten Pflanzen durch Synchronisation und Rhythmik in der Präsentation von Blüten Fremdbefruchtung gefördert wird. Entweder durchlaufen die Pflanzen dabei nur eine getrennte männliche und weibliche Blühphase (Xanthoselinum alsaticum) oder der moduläre Bau der Pflanzen führt zu einer Folge männlicher und weiblicher Blühphasen (multizyklische Dichogamie). Die Diözie in Trinia glauca kann in diesem Zusammenhang als eine Trennung der Blühphasen auf verschiedengeschlechtliche Individuen gesehen werden. Für die andromonözischen Arten wird gezeigt, dass der Anteil funktional männlicher Blüten mit steigender Doldenordnung nicht einheitlich zu- oder abnimmt. Dadurch fungieren die Pflanzen zu verschiedenen Zeiten und mit unterschiedlicher Stärke eher als Pollenrezeptoren oder Pollendonatoren. Es wird deutlich, dass das ‚uniforme Muster‘ der Apioideen mit Dolden verschiedener Ordnungen, dichogamen Blüten und deren diversen Geschlechtsausbildungen ein komplexes Raum-Zeit-Gefüge zur Optimierung des Reproduktionssystems darstellt. Das zweite Kapitel stellt die Ergebnisse von Manipulationsexperimenten (Handbestäubung, Bestäuberabschirmung, Entfernen von Dolden niedriger Ordnung) an Chaerophyllum bulbosum dar, die zeigen, dass das Raum-Zeit-Gefüge in der Präsentation der Blüten der Art erlaubt, flexibel auf Umwelteinflüsse zu reagieren. Es stellt sich heraus, dass mechanische Beschädigungen kaum Einfluss auf den Andromonöziegrad und prozentualen Fruchtansatz der Individuen nehmen. Grundvoraussetzung der Reaktionsfähigkeit ist wiederum deren modulärer Bau. Dieser erlaubt es den Pflanzen, zusammen mit dem andromonöziebedingten Reservoir an - geschlechtlich flexiblen - männlichen Blüten, in den später angelegten Dolden fehlenden Fruchtansatz der Blüten früh blühender Dolden zu kompensieren. Im dritten Kapitel wird eine vergleichende Merkmalsanalyse an 255 Apioideen-Arten vorgelegt, die alle Verwandtschaftskreise, Wuchsformen und Verbreitungsgebiete der Gruppe repräsentieren. Ziel der Analyse war die Identifizierung von Merkmalssyndromen, die den Zusammenhang zwischen Architektur und Reproduktionssystem verdeutlichen sollten. Interessanterweise sind die einzigen Merkmale, die miteinander einhergehen, Protogynie und die graduelle Abnahme männlicher Blüten mit steigender Doldenordnung. Alle anderen Merkmale variieren unabhängig voneinander und erzeugen auf vielen verschiedenen Wegen immer wieder das gleiche Funktionsmuster, das als ‚breeding syndrome‘ der Apioideae gedeutet werden kann. Die Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Blütenstände der Apiaceen und darüber hinaus zu morphologischer Variation in ‚unspezialisierten‘ Reproduktionssystemen. Offensichtlich liegt in den Apioideen der Selektionsdruck auf der Aufrechterhaltung der generalisistischen Bestäubung und überprägt alle morphologisch-phylogenetischen Merkmalsvarianten.