Optisch detektierte Magnetresonanz an NV-Zentren in Diamant

Die rasante Entwicklung der Computerindustrie durch die stetige Verkleinerung der Transistoren führt immer schneller zum Erreichen der Grenze der Si-Technologie, ab der die Tunnelprozesse in den Transistoren ihre weitere Verkleinerung und Erhöhung ihrer Dichte in den Prozessoren nicht mehr zulassen. Die Zukunft der Computertechnologie liegt in der Verarbeitung der Quanteninformation. Für die Entwicklung von Quantencomputern ist die Detektion und gezielte Manipulation einzelner Spins in Festkörpern von größter Bedeutung. Die Standardmethoden der Spindetektion, wie ESR, erlauben jedoch nur die Detektion von Spinensembles. Die Idee, die das Auslesen von einzelnen Spins ermöglich sollte, besteht darin, die Manipulation getrennt von der Detektion auszuführen.rn Bei dem NV−-Zentrum handelt es sich um eine spezielle Gitterfehlstelle im Diamant, die sich als einen atomaren, optisch auslesbaren Magnetfeldsensor benutzen lässt. Durch die Messung seiner Fluoreszenz sollte es möglich sein die Manipulation anderer, optisch nicht detektierbaren, “Dunkelspins“ in unmittelbarer Nähe des NV-Zentrums mittels der Spin-Spin-Kopplung zu detektieren. Das vorgeschlagene Modell des Quantencomputers basiert auf dem in SWCNT eingeschlossenen N@C60.Die Peapods, wie die Einheiten aus den in Kohlenstoffnanoröhre gepackten Fullerenen mit eingefangenem Stickstoff genannt werden, sollen die Grundlage für die Recheneinheiten eines wahren skalierbaren Quantencomputers bilden. Die in ihnen mit dem Stickstoff-Elektronenspin durchgeführten Rechnungen sollen mit den oberflächennahen NV-Zentren (von Diamantplatten), über denen sie positioniert sein sollen, optisch ausgelesen werden.rnrnDie vorliegende Arbeit hatte das primäre Ziel, die Kopplung der oberflächennahen NV-Einzelzentren an die optisch nicht detektierbaren Spins der Radikal-Moleküle auf der Diamantoberfläche mittels der ODMR-Kopplungsexperimente optisch zu detektieren und damit entscheidende Schritte auf dem Wege der Realisierung eines Quantenregisters zu tun.rn Es wurde ein sich im Entwicklungsstadium befindende ODMR-Setup wieder aufgebaut und seine bisherige Funktionsweise wurde an kommerziellen NV-Zentrum-reichen Nanodiamanten verifiziert. Im nächsten Schritt wurde die Effektivität und Weise der Messung an die Detektion und Manipulation der oberflächennah (< 7 nm Tiefe) implantieren NV-Einzelzenten in Diamantplatten angepasst.Ein sehr großer Teil der Arbeit, der hier nur bedingt beschrieben werden kann, bestand aus derrnAnpassung der existierenden Steuersoftware an die Problematik der praktischen Messung. Anschließend wurde die korrekte Funktion aller implementierten Pulssequenzen und anderer Software-Verbesserungen durch die Messung an oberflächennah implantierten NV-Einzelzentren verifiziert. Auch wurde der Messplatz um die zur Messung der Doppelresonanz notwendigen Komponenten wie einen steuerbaren Elektromagneten und RF-Signalquelle erweitert. Unter der Berücksichtigung der thermischen Stabilität von N@C60 wurde für zukünftige Experimente auch ein optischer Kryostat geplant, gebaut, in das Setup integriert und charakterisiert.rn Die Spin-Spin-Kopplungsexperimente wurden mit dem sauerstoffstabilen Galvinoxyl-Radikalals einem Modell-System für Kopplung durchgeführt. Dabei wurde über die Kopplung mit einem NVZentrum das RF-Spektrum des gekoppelten Radikal-Spins beobachtet. Auch konnte von dem gekoppelten Spin eine Rabi-Nutation aufgenommen werden.rn Es wurden auch weitere Aspekte der Peapod Messung und Oberflächenimplantation betrachtet.Es wurde untersucht, ob sich die NV-Detektion durch die SWCNTs, Peapods oder Fullerene stören lässt. Es zeigte sich, dass die Komponenten des geplanten Quantencomputers, bis auf die C60-Cluster, für eine ODMR-Messanordnung nicht detektierbar sind und die NV-Messung nicht stören werden. Es wurde auch betrachtet, welche Arten von kommerziellen Diamantplatten für die Oberflächenimplantation geeignet sind, für die Kopplungsmessungen geeignete Dichte der implantierten NV-Zentren abgeschätzt und eine Implantation mit abgeschätzter Dichte betrachtet.

Forensische Psychophysiologie

Dieses Experiment untersuchte die Effekte der unterschiedlichen Fragen- bzw. Itemtypen (Stimuli), des Wahrheitsgehalts der Antworten und der elektrodermalen Labilität auf die Hautleitfähigkeitsreaktionen (SCR) und die phasische Herzschlagfrequenz (HR) für zwei relativ neue Befragungstechniken der forensischen Psychophysiologie ('Lügendetektion'): Directed Lie Test (DLT) und Guilty Actions Test (GAT).Achtzig Männer begingen einen simulierten Schmuckdiebstahl. Jeweils die Hälfte entwendete entweder einen Ring oder eine Kette. Während dieser Tat wurden jedoch alle Probanden mit den kritischen Details beider Scheinverbrechen konfrontiert. Anschließend absolvierten sie entweder einen DLT oder einen GAT. Die relevanten Stimuli der Tests bezogen sich auf beide Scheinverbrechen und wurden - intraindividuell variiert - wahrheitswidrig und wahrheitsgemäß verneint. Darüber hinaus umfaßte der DLT inhaltlich parallelisierte Paare von Kontrollfragen. Die Probanden wurden instruiert, die jeweiligen Kontrollfragen eines Paars wahrheitswidrig versus wahrheitsgemäß zu verneinen. Die Testverfahren beinhalteten außerdem nicht tatbezogene, irrelevante Stimuli, die wahrheitsgemäß beantwortet wurden. Für beide Befragungstechniken fand man Reaktionsunterschiede zwischen den Stimulustypen, insbesondere stärkere SCR-Magnituden und eine niedrigere HR auf die wahrheitswidrig verneinten relevanten Stimuli. Bei den Kontrollfragen des DLT zeigten sich jedoch keine signifikanten Effekte des Wahrheitsgehalts. Die elektrodermale Labilität hatte keinen bedeutsamen Einfluß auf die Reaktionsunterschiede. Die Ergebnisse wurden vor allem anhand psychophysiologischer Theorien der Aufmerksamkeit, Konflikte und Informationsverarbeitung interpretiert.

Kriterien effizienter Informationsverarbeitung als Prädiktoren des Karriereerfolgs

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Kriterien effizienter und flexibler Informationsverarbeitung und deren Auswirkungen auf den Karriereerfolg. Die Kriterien Interferenz, Interferenz unter der negativen Priming-Bedingung und die Spontanflexibilität wurden in drei aufeinander aufbauenden Studien untersucht. Die Interferenzindices wurden mit einer modifizierten Form des Stroop-Tests erhoben, und das Konstrukt der Spontanflexibilität wurde mit der Gauß-Aufgabe, der Wasserumschüttaufgabe, dem Wortgruppentest und der Anagramm-Aufgabe operationalisiert. Bei diesen Aufgaben wurde eine Lösungsstrategie vorgegeben, aber es gab zusätzlich eine effizientere Lösungsstrategie, die während der Bearbeitung der Einzelaufgaben immer offensichtlicher wurde. Da die einzelnen Aufgaben nicht signifikant miteinander korrelierten, wurde im Rahmen einer Nachuntersuchung die Reliabilität über Parallelaufgaben geprüft. Für die Diagnose von Gruppenunterschieden erwiesen sich die Indikatoren der Spontanflexibilität als hinreichend reliabel. Die Wortdarbietungszeiten der Interferenzindices waren hochreliabel. Zwischen den Interferenzindices zeigte sich ein starker positiver Zusammenhang. Zur Validierung der Aufgaben wurden Beurteilungen über die berufliche Leistung der Versuchsteilnehmer herangezogen. Zwischen den einzelnen Beurteilungskriterien zeigten sich hohe Zusammenhänge. Die Gauß-Aufgabe korrelierte mit einem Beurteilungskriterium, dessen Verhaltensbeschreibungen sehr gut mit der Definition der Spontanflexibilität übereinstimmten. Die Wasserumschüttaufgabe korrelierte mit einem Beurteilungskriterium, welches eher eine durch die Situation herausgeforderte Flexibilität widerspiegelt. Die Interferenzindikatoren korrelierten mit Beurteilungskriterien, die zum einen die Fähigkeit zum Aufbauen von professionellen Beziehungen und zum anderen die Effizienz und den Qualitätsstandard eines Mitarbeiters bewerteten. Aufgrund der replizierten Zusammenhänge kann davon ausgegangen werden, dass die Interferenz, die Interferenz unter der negativen Priming-Bedingung, die Spontanflexibilität und die herausgeforderte Flexibilität Einfluss auf den Karriereerfolg eines Mitarbeiters nehmen. Aus diesem Grund bieten sich im Bereich der Arbeits- und Organisationspsychologie vielversprechende Einsatzmöglichkeiten für die in dieser Untersuchung entwickelten Tests an.

Stimulus-induced gamma activity in the electrocorticogram of freely moving telemetric implanted rats: the neuronal signature of novelty detection

During this thesis a new telemetric recording system has been developed allowing ECoG/EEG recordings in freely behaving rodents (Lapray et al., 2008; Lapray et al., in press). This unit has been shown to not generate any discomfort in the implanted animals and to allow recordings in a wide range of environments. In the second part of this work the developed technique has been used to investigate what cortical activity was related to the process of novelty detection in rats’ barrel cortex. We showed that the detection of a novel object is accompanied in the barrel cortex by a transient burst of activity in the γ frequency range (40-47 Hz) around 200 ms after the whiskers contact with the object (Lapray et al., accepted). This activity was associated to a decrease in the lower range of γ frequencies (30-37 Hz). This network activity may represent the optimal oscillatory pattern for the propagation and storage of new information in memory related structures. The frequency as well as the timing of appearance correspond well with other studies concerning novelty detection related burst of activity in other sensory systems (Barcelo et al., 2006; Haenschel et al., 2000; Ranganath & Rainer, 2003). Here, the burst of activity is well suited to induce plastic and long-lasting modifications in neuronal circuits (Harris et al., 2003). The debate is still open whether synchronised activity in the brain is a part of information processing or an epiphenomenon (Shadlen & Movshon, 1999; Singer, 1999). The present work provides further evidence that neuronal network activity in the γ frequency range plays an important role in the neocortical processing of sensory stimuli and in higher cognitive functions.

Neural network activity in the neonatal acute slice, slice culture and cell culture

Information processing and storage in the brain may be presented by the oscillations and cell assemblies. Here we address the question of how individual neurons associate together to assemble neural networks and present spontaneous electrical activity. Therefore, we dissected the neonatal brain at three different levels: acute 1-mm thick brain slice, cultured organotypic 350-µm thick brain slice and dissociated neuronal cultures. The spatio-temporal properties of neural activity were investigated by using a 60-channel Micro-electrode arrays (MEA), and the cell assemblies were studied by using a template-matching method. We find local on-propagating as well as large- scale propagating spontaneous oscillatory activity in acute slices, spontaneous network activity characterized by synchronized burst discharges in organotypic cultured slices, and autonomous bursting behaviour in dissociated neuronal cultures. Furthermore, repetitive spike patterns emerge after one week of dissociated neuronal culture and dramatically increase their numbers as well as their complexity and occurrence in the second week. Our data indicate that neurons can self-organize themselves, assembly to a neural network, present spontaneous oscillations, and emerge spatio-temporal activation patterns. The spontaneous oscillations and repetitive spike patterns may serve fundamental functions for information processing and storage in the brain.

Die Kristallstruktur zweier Atmungsproteine: das Hämoglobin des Meerschweinchens und das 24-mere Hämocyanin des Kaiserskorpions

Im Verlauf der vorgestellten Arbeit konnten die Kristallstrukturen zweier Atmungsproteine gelöst werden. Da diese Strukturen mit verschiedenen Auflösungen gelöst wurden, wurden für die beiden Modelle unterschiedliche Methoden verwendet.rnrnDie Kristalle des Hämoglobins des Meerschweinchens Cavia porcellus erlaubten eine Messung von Streureflexen bis zu einer Auflösung von 1.7 Ǻ. Damit konnten das Molecular Replacement und das folgende Refinement mit geringen Vorgaben durchgeführt werden.rnAnhand der ermittelten Struktur konnte gezeigt werden, dass die Höhenadaptation des Hämoglobins des Meerschweinchens auf einer Stabilisierung des R2-Zustandes und einer gleichzeitigen Destabilisierung des T-Zustandes beruht. Die zu Grunde liegenden Aminosäureaustausche konnten identifiziert und der resultierende Mechanismus postuliert werden. Die Durchführung von Mutagenese-Experimenten am Hämoglobin des Meerschweinchens könnte die vorgestellte Hypothese bestätigen.rnrnDie Kristallstruktur des 24-meren Hämocyanins aus Pandinus imperator konnte durch eine Kombination von Röntgenkristallographie und Homologiemodellierung mit einer Auflösung von 6.5 Ǻ gelöst werden. Allerdings wäre die Bestimmung der Phasen durch Molecular Replacement ohne die vor kurzem publizierte Kryo-EM Struktur nicht möglich gewesen [Cong et al., 2009].rnDamit ist es durch die Kombination verschiedener Methoden erstmalig gelungen die Struktur eines Hämocyanins dieser Größe (Mw = 1.7 MDa) zu lösen. Die Auflösung von 6.5 Ǻ, eine für die Kristallographie relativ geringe Auflösung, erlaubte die Bestimmung des Cα-Traces des Proteins mit hoher Genauigkeit.rnDurch die Kristallstruktur konnte das zu Grunde liegende Kryo-EM Modell aus [Cong et al., 2009] bestätigt werden. Insbesondere die Position der α-Helices konnte mittels Kristallographie mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden. Durch die Verwendung von OMIT-Maps wurde sichergestellt, dass die Struktur nicht "kopiert" wurde. Die Übereinstimmung ist deshalb auf die Struktur des Hämocyanins im gemessenen Kristall zurückzuführen, nicht auf einen Bias bei der Auswertung.rnAnhand der Kristallstruktur konnten für die Kooperativität im Trimer potentiell entscheidende Aminosäuren identifiziert werden. Diese Aminosäuren könnten im Vergleich zur bekannten trimeren Struktur aus Limulus polyphemus zur Ausbildung zusätzlicher Bindungen zwischen den Untereinheiten führen. Diese Bindungen könnten eine wichtige Rolle beim Konformationsübergang zwischen dem T- und R-Zustand spielen.rn

Charakteristika und zeitliche Merkmale des Blickrichtungsnacheffekts

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene, insbesondere zeitliche Aspekte des Blickrichtungsnacheffekts (gaze aftereffect) untersucht. Dieser Effekt besagt, dass nach längerer Betrachtung von Bildern, die Personen mit abgewandtem Blick zeigen, die Wahrnehmung von Blickrichtungen in Richtung des adaptierten Blickes verschoben ist. Betrachter halten dann zugewandte Blicke fälschlicherweise für in die Gegenrichtung verschoben, und Blicke in die Adaptationsblickrichtung fälschlicherweise für geradeaus, d.h. sie fühlen sich angeschaut, obwohl sie es nicht werden. In dieser Dissertation wird der Blickrichtungsnacheffekt mit vier psychophysischen Experimenten untersucht, in denen die Probanden einfache kategoriale Urteile über die Blickrichtung der Testbilder abzugeben hatten.rnrnDas erste Experiment untersucht die Induktion des Blickrichtungsnacheffekts. Es wird gezeigt, dass keine separate Adaptationsphase für die Induktion des Nacheffekts notwendig ist. Auch die alleinige, relativ kurze Darbietung des zur Adaptation verwendeten Reizes (TopUp-Display) vor der Präsentation eines Testbildes führt im Laufe wiederholter experimenteller Darbietungen zu einer Verschiebung der allgemeinen Blickrichtungs-Tuningkurve, sowie zu ihrer Verbreiterung. In einem zweiten Experiment wird nachgewiesen, dass die Ausprägung des Blickrichtungsnacheffekts von der jeweiligen Darbietungszeit des Adaptationsreizes abhängt. Zwar ist der Nacheffekt umso stärker, je länger das TopUp-Display gezeigt wird. Aber auch bei sehr kurzen Darbietungszeiten von einer Sekunde kommt der Effekt bereits zustande, hier zeigt sich eine lokal begrenztere Wirkung. Die Auswertung des zeitlichen Verlaufs ergibt, dass sich der Effekt rasch vollständig aufbaut und bereits innerhalb der ersten Darbietungen entsteht. Das dritte Experiment zeigt, dass dem Nacheffekt sowohl kurzfristige Einwirkungen der direkt vor dem Testbild erfolgten Reizung zugrunde liegen, als auch langfristige Memory-Effekte, die über die im Laufe des Experiments gegebenen Wiederholungen akkumuliert werden. Bei Blickwinkeln von 5° halten sich kurzfristige und langfristige Einwirkungen in etwa die Waage. Bei Blickwinkeln von 10° aber sind nur knapp 20% kurzfristig, und etwa 80% langfristige Einwirkungen für den Effekt verantwortlich. In einem vierten Experiment wird die zeitliche Rückbildung des Effekts untersucht und gezeigt, dass sich der Blickrichtungsnacheffekt im Kontrast zu seiner schnellen Entstehung langsam, nämlich innerhalb mehrerer Minuten zurückbildet.rnrnDie Diskussion der Ergebnisse kommt zu dem Schluss, dass die hier gefundene zeitliche Dynamik des Blickrichtungsnacheffekts Adaptationsprozesse auf höheren Schichten der visuellen Informationsverarbeitung als die zugrunde liegenden Mechanismen nahe legt.

Mechanistic study of cell death induction by O 6-methylating agents, focusing on the role of homologous recombination as a molecular target for sensitization of tumor cells to chemotherapeutic alkylating agents

Chemotherapeutic SN1‑methylating agents are important anticancer drugs. They induce several covalent modifications in the DNA, from which O6‑methylguanine (O6MeG) is the main toxic lesion. In this work, different hypotheses that have been proposed to explain the mechanism of O6MeG‑triggered cell death were tested. The results of this work support the abortive processing model, which states that abortive post‑replicative processing of O6MeG‑driven mispairs by the DNA mismatch repair (MMR) machinery results in single‑strand gaps in the DNA that, upon a 2nd round of DNA replication, leads to DNA double‑strand break (DSB) formation, checkpoint activation and cell death. In this work, it was shown that O6MeG induces an accumulation of cells in the 2nd G2/M‑phase after treatment. This was accompanied by an increase in DSB formation in the 2nd S/G2/M‑phase, and paralleled by activation of the checkpoint kinases ATR and CHK1. Apoptosis was activated in the 2nd cell cycle. A portion of cells continue proliferating past the 2nd cell cycle, and triggers apoptosis in the subsequent generations. An extension to the original model is proposed, where the persistence of O6MeG in the DNA causes new abortive MMR processing in the 2nd and subsequent generations, where new DSB are produced triggering cell death. Interestingly, removal of O6MeG beyond the 2nd generation lead to a significant, but not complete, reduction in apoptosis, pointing to the involvement of additional mechanisms as a cause of apoptosis. We therefore propose that an increase in genomic instability resulting from accumulation of mis‑repaired DNA damage plays a role in cell death induction. Given the central role of DSB formation in toxicity triggered by chemotherapeutic SN1‑alkylating agents, it was aimed in the second part of this thesis to determine whether inhibition of DSB repair by homologous recombination (HR) or non‑homologous end joining (NHEJ) is a reasonable strategy for sensitizing glioblastoma cells to these agents. The results of this work show that HR down‑regulation in glioblastoma cells impairs the repair of temozolomide (TMZ)‑induced DSB. HR down‑regulation greatly sensitizes cells to cell death following O6‑methylating (TMZ) or O6‑chlorethylating (nimustine) treatment, but not following ionizing radiation. The RNAi mediated inhibition in DSB repair and chemo‑sensitization was proportional to the knockdown of the HR protein RAD51. Chemo‑sensitization was demonstrated for several HR proteins, in glioma cell lines proficient and mutated in p53. Evidence is provided showing that O6MeG is the primary lesion responsible for the increased sensitivity of glioblastoma cells following TMZ treatment, and that inhibition of the resistance marker MGMT restores the chemo‑sensitization achieved by HR down‑regulation. Data are also provided to show that inhibition of DNA‑PK dependent NHEJ does not significantly sensitized glioblastoma cells to TMZ treatment. Finally, the data also show that PARP inhibition with olaparib additionally sensitized HR down‑regulated glioma cells to TMZ. Collectively, the data show that processing of O6MeG through two rounds of DNA replication is required for DSB formation, checkpoint activation and apoptosis induction, and that O6MeG‑triggered apoptosis is also executed in subsequent generations. Furthermore, the data provide proof of principle evidence that down‑regulation of HR is a reasonable strategy for sensitizing glioma cells to killing by O6‑alkylating chemotherapeutics.

Tuning of magnetic exchange interactions between organic radicals through bond and space

The dissertation entitled "Tuning of magnetic exchange interactions between organic radicals through bond and space" comprises eight chapters. In the initial part of chapter 1, an overview of organic radicals and their applications were discussed and in the latter part motivation and objective of thesis was described. As the EPR spectroscopy is a necessary tool to study organic radicals, the basic principles of EPR spectroscopy were discussed in chapter 2. rnAntiferromagnetically coupled species can be considered as a source of interacting bosons. Consequently, such biradicals can serve as molecular models of a gas of magnetic excitations which can be used for quantum computing or quantum information processing. Notably, initial small triplet state population in weakly AF coupled biradicals can be switched into larger in the presence of applied magnetic field. Such biradical systems are promising molecular models for studying the phenomena of magnetic field-induced Bose-Einstein condensation in the solid state. To observe such phenomena it is very important to control the intra- as well as inter-molecular magnetic exchange interactions. Chapters 3 to 5 deals with the tuning of intra- and inter-molecular exchange interactions utilizing different approaches. Some of which include changing the length of π-spacer, introduction of functional groups, metal complex formation with diamagnetic metal ion, variation of radical moieties etc. During this study I came across two very interesting molecules 2,7-TMPNO and BPNO, which exist in semi-quinoid form and exhibits characteristic of the biradical and quinoid form simultaneously. The 2,7-TMPNO possesses the singlet-triplet energy gap of ΔEST = –1185 K. So it is nearly unrealistic to observe the magnetic field induced spin switching. So we studied the spin switching of this molecule by photo-excitation which was discussed in chapter 6. The structural similarity of BPNO with Tschitschibabin’s HC allowed us to dig the discrepancies related to ground state of Tschitschibabin’s hydrocarbon(Discussed in chapter 7). Finally, in chapter 8 the synthesis and characterization of a neutral paramagnetic HBC derivative (HBCNO) is discussed. The magneto liquid crystalline properties of HBCNO were studied by DSC and EPR spectroscopy.rn