Speech Graphs Provide a Quantitative Measure of Thought Disorder in Psychosis

Background: Psychosis has various causes, including mania and schizophrenia. Since the differential diagnosis of psychosis is exclusively based on subjective assessments of oral interviews with patients, an objective quantification of the speech disturbances that characterize mania and schizophrenia is in order. In principle, such quantification could be achieved by the analysis of speech graphs. A graph represents a network with nodes connected by edges; in speech graphs, nodes correspond to words and edges correspond to semantic and grammatical relationships. Methodology/Principal Findings: To quantify speech differences related to psychosis, interviews with schizophrenics, manics and normal subjects were recorded and represented as graphs. Manics scored significantly higher than schizophrenics in ten graph measures. Psychopathological symptoms such as logorrhea, poor speech, and flight of thoughts were grasped by the analysis even when verbosity differences were discounted. Binary classifiers based on speech graph measures sorted schizophrenics from manics with up to 93.8% of sensitivity and 93.7% of specificity. In contrast, sorting based on the scores of two standard psychiatric scales (BPRS and PANSS) reached only 62.5% of sensitivity and specificity. Conclusions/Significance: The results demonstrate that alterations of the thought process manifested in the speech of psychotic patients can be objectively measured using graph-theoretical tools, developed to capture specific features of the normal and dysfunctional flow of thought, such as divergence and recurrence. The quantitative analysis of speech graphs is not redundant with standard psychometric scales but rather complementary, as it yields a very accurate sorting of schizophrenics and manics. Overall, the results point to automated psychiatric diagnosis based not on what is said, but on how it is said.

Effects of Methylphenidate on performance of a practical pistol shooting task: a quantitative electroencephalography (qEEG) study

Abstract Background The present study examined absolute alpha power using quantitative electroencephalogram (qEEG) in bilateral temporal and parietal cortices in novice soldiers under the influence of methylphenidate (MPH) during the preparatory aiming period in a practical pistol-shooting task. We anticipated higher bi-hemispheric cortical activation in the preparatory period relative to pre-shot baseline in the methylphenidate group when compared with the control group because methylphenidate has been shown to enhance task-related cognitive functions. Methods Twenty healthy, novice soldiers were equally distributed in control (CG; n = 10) and MPH groups 10 mg (MG; n = 10) using a randomized, double blind design. Subjects performed a pistol-shooting task while electroencephalographic activity was acquired. Results We found main effects for group and practice blocks on behavioral measures, and interactions between group and phases on electroencephalographic measures for the electrodes T3, T4, P3 and P4. Regarding the behavioral measures, the MPH group demonstrated significantly poorer in shooting performance when compared with the control and, in addition, significant increases in the scores over practice blocks were found on both groups. In addition, regarding the electroencephalographic data, we observed a significant increase in alpha power over practice blocks, but alpha power was significantly lower for the MPH group when compared with the placebo group. Moreover, we observed a significant decrease in alpha power in electrodes T4 and P4 during PTM. Conclusion Although we found no correlation between behavioral and EEG data, our findings show that MPH did not prevent the learning of the task in healthy subjects. However, during the practice blocks (PBs) it also did not favor the performance when compared with control group performance. It seems that the CNS effects of MPH demanded an initial readjustment period of integrated operations relative to the sensorimotor system. In other words, MPH seems to provoke a period of initial instability due to a possible modulation in neural activity, which can be explained by lower levels of alpha power (i.e., higher cortical activity). However, after the end of the PB1 a new stabilization was established in neural circuits, due to repetition of the task, resulting higher cortical activity during the task. In conclusion, MPH group performance was not initially superior to that of the control group, but eventually exceeded it, albeit without achieving statistical significance.

HCHO, H 2 O 2 und CH 3 OOH in der Troposphäre

In dieser Arbeit wurden im Rahmen der UTOPIHAN- und HOHPEX04-Projekte Peroxid- und Formaldehydmessungen in der Troposphäre durchgeführt und wissenschaftlich interpretiert. Die Messungen während UTOPIHAN fanden dabei an Bord eines für Forschungszwecke umgerüsteten Flugzeuges (Learjet 35A) im Wesentlichen in der freien, insbesondere in der oberen Troposphäre über Europa statt. Die Messungen während HOHPEX04 waren hingegen als Bodenmessungen an der sich abwechselnd in der bodennahen Grenzschicht und in von dieser Schicht entkoppelten Luftmassen liegenden Bergstation Hohenpeißenberg (bayerisches Voralpenland) konzipiert. Um eine quantitative Auswertbarkeit der Messungen sicherzustellen, wurden die verwendeten, auf chemischer Derivatisierung und fluorimetrischer Detektion basierenden Messgeräte AL 2001CA (Peroxide) und AL 4021 (Formaldehyd) (AEROLASER) genau charakterisiert. Dabei wurde speziell die bekannte Ozoninterferenz beider Geräte in einer großen Zahl von Laborexperimenten mit unterschiedlichen Randbedingungen bezüglich Wasserdampf- und Kohlenwasserstoffgehalt der Luft untersucht. Für beide Verbindungen wurden Höhen- sowie Breitenprofile erstellt und mit Ergebnissen eines 3D-Chemie-Transport-Modells (CTM) sowie früherer Studien verglichen. In einem weiteren Kapitel werden Ergebnisse einer quantitativen Studie zum Einfluss hochreichender Konvektion auf das HCHO-Budget in der mittleren und oberen Troposphäre präsentiert. Diese Studie kommt zu dem Schluss, dass der rasche Aufwärtstransport von Vorläufergasen von HCHO und HOx wie Methanol, Aceton und sogar gut löslicher Spurengase wie CH3OOH beziehungsweise H2O2 aus der Grenzschicht einen signifikanten, auf Grund der längeren Lebensdauer von NOx über mehrere Tage andauernden und damit großräumigen Einfluss auf die Budgets von HCHO, HOx und auch O3 in der oberen Troposphäre haben kann. Die Befunde der Studie legen desweiteren nahe, dass fehlerhafte Modellvorhersagen für die NO-Mischungsverhältnisse in der Tropopausenregion, die zum Beispiel mit Mängeln des Modells bezüglich der Höhe der Konvektion und des Stratosphären-Troposphären-Austauschs zu tun haben, hauptverantwortlich sind für gefundene Differenzen zwischen Messdaten und dem verwendeten 3D-Chemie-Transport-Modell. Um die Signifikanz der Aussagen zu erhöhen, wurde eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, in der die Konzentration einiger chemischer Verbindungen sowie die Photolyseraten variiert wurden. Eine weitere Studie zum Einfluss verschiedener Parameter auf das CH3OOH/H2O2-Verhältnis kommt zu dem Schluss, dass dieses Verhältnis keinen idealen Indikator für Wolkenprozessierung von Luftmassen darstellt, während eine signifikant positive Abweichung vom H2O2/H2O-Verhältnis in der oberen Troposphäre ein guter Indikator für rasch aufwärts transportierte Luftmassen sein kann. Im Rahmen dieser Studie werden auch Höhen- und Breitenprofile des CH3OOH/H2O2-Verhältnisses diskutiert. In einer letzten Untersuchung zu HCHO-Messungen am Observatorium Hohenpeißenberg im Sommer 2004 werden für die in zwei Windrichtungssektoren eingeteilten Daten Korrelationen anderer Spurengase wie O3, PAN, CO, NOy und Isopren mit HCHO interpretiert. In diesem Zusammenhang wird auch versucht, den beobachteten Tagesgang von HCHO zu erklären.

Heterosis in maize (Zea mays, L.): characterization of heterotic quantitative trait loci (QTL) for agronomic traits in near isogenic lines (NILs) and their testcrosses

In a previous study on maize (Zea mays, L.) several quantitative trait loci (QTL) showing high dominance-additive ratio for agronomic traits were identified in a population of recombinant inbred lines derived from B73 × H99. For four of these mapped QTL, namely 3.05, 4.10, 7.03 and 10.03 according to their chromosome and bin position, families of near-isogenic lines (NILs) were developed, i.e., couples of homozygous lines nearly identical except for the QTL region that is homozygote either for the allele provided by B73 or by H99. For two of these QTL (3.05 and 4.10) the NILs families were produced in two different genetic backgrounds. The present research was conducted in order to: (i) characterize these QTL by estimating additive and dominance effects; (ii) investigate if these effects can be affected by genetic background, inbreeding level and environmental growing conditions (low vs. high plant density). The six NILs’ families were tested across three years and in three Experiments at different inbreeding levels as NILs per se and their reciprocal crosses (Experiment 1), NILs crossed to related inbreds B73 and H99 (Experiment 2) and NILs crossed to four unrelated inbreds (Experiment 3). Experiment 2 was conducted at two plant densities (4.5 and 9.0 plants m-2). Results of Experiments 1 and 2 confirmed previous findings as to QTL effects, with dominance-additive ratio superior to 1 for several traits, especially for grain yield per plant and its component traits; as a tendency, dominance effects were more pronounced in Experiment 1. The QTL effects were also confirmed in Experiment 3. The interactions involving QTL effects, families and plant density were generally negligible, suggesting a certain stability of the QTL. Results emphasize the importance of dominance effects for these QTL, suggesting that they might deserve further studies, using NILs’ families and their crosses as base materials.

Morphologische und quantitative Untersuchungen synaptischer Körperchen in Retina und Zirbeldrüse von Säugetieren und Mensch

Um mit sehr hoher Geschwindigkeit Sinnesreize zur Weiterverarbeitung übertragen zu können, besitzen im Ruhezustand Dauerimpulse liefernde Rezeptorzellen in Sinnesorganen, wie z.B. der Netzhaut (Retina), spezialisierte glutamaterge Synapsen, die durch präsynapti-sche Körperchen (SK) charakterisiert sind, die außerdem nur in Parenchymzellen der Zirbel-drüse vorkommen. SK binden mit hoher Affinität Neurotransmittervesikel und zeigen licht- bzw. reizabhängige morphologische Veränderungen. Sie dienen der Speicherung, eventuell auch dem Transport dieser Vesikel zum Ort der Reizübertragung, der nahen aktiven Zone der Ribbonsynapse. Um Dynamik und Funktion der Zellorganellen zu verstehen, ist es wichtig, ihre genaue Topo-graphie und dreidimensionale (3D) Struktur unter verschiedenen Bedingungen zu kennen. So wurden aus Serienschnitten der Retina und Zirbeldrüse mit Hilfe geeigneter, teils selbst programmierter Software 3D-Rekonstruktionen der SK durchgeführt. Untersucht wurden die ersten und zweiten Synapsen der Sehbahn in Retinae von Mensch, Maus und Ratte, Zapfen-terminale des Hühnchens und SK in Zirbeldrüsen von Ratte, Meerschweinchen und Kaninchen. Analysiert wurde zu verschiedenen Zeitpunkten der Photoperiode oder unter experimentellen Bedingungen entnommenes Frischgewebe sowie Material aus Organkultu-ren. Außerdem wurden SK unter diversen Bedingungen quantifiziert, wobei eine neue Zähl-methode entwickelt wurde, die auf einer Modifikation des Disektors basiert und die Quantifi-zierung auch anderer seltener Ultrastrukturen am Elektronenmikroskop ermöglicht. Im Gegensatz zur etablierten Zählmethode, die die Profilzahl von SK in einer definierten Fläche (PZ) angibt, liefert die vorgestellte Methode die aussagekräftigere Zahl der SK in definierten Volumina und hängt weder von deren Form noch Größe ab. Diverse Kalkulationen zeigten, daß eine Umrechnung von am selben Material gewonnenen PZ in validere Disektor Werte nicht präzise genug möglich ist. Um sinnvolle Aussagen zur Quantität von SK machen zu können, ist es daher erforderlich, die Methode für jedes Tier einer identisch behandelten Gruppe anzuwenden. Es konnte gezeigt werden, daß SK eine konstante Dicke von 35 nm haben. In der Retina sind sie meist nur in einer Ebene C-förmig gebogene Bänder, weshalb sie auch als "synaptic ribbons" bezeichnet werden, oder Platten mit Breite zu Höhe Verhältnissen zwischen 6:1 bis 3:1. Die elektronendichten, unter Normalbedingungen durch regelmäßig polymerisierte Dimere des Hauptproteins RIBEYE pentalamellären SK binden über dünne Proteinbrücken glutamathaltige Neurotransmittervesikel. Ihre untere lange schmale Kante ist über feines elektronendichtes Material an einem, als arciform density (ad) bezeichneten Plaque der Zell-membran verankert, der die Form einer gebogenen Rinne hat. Die zumeist senkrecht darauf stehenden SK zeigen an ihrer membranfernen langen Kante zu Beginn der Lichtphase, ins-besondere aber unter Dauerlicht partiell verdickte Ränder, die auf An- bzw. Abbauvorgänge hinweisen. Diese Veränderungen waren nur in Stäbchenterminalen und Pinealozyten in Ver-bindung mit dem Auftreten kleinerer klumpiger bis kugelförmiger SK nachweisbar und zeig-ten sich in den Schnitten als runde oder irreguläre Profile, die dann neben den "üblichen" stabförmigen SK-Anschnitten vorlagen. Die 3D-Rekonstruktion von Stäbchenterminalen der menschlichen Retina zeigte, daß diese entsprechend der Zahl ihrer SK 1-3 Ribbonsynapsen aufweisen. Letztere bestehen aus einem an der Zellmembran senkrecht über eine ad verankerten SK und der aktiven Zone, die einem ca. 200 nm breiten Bereich der Zellmembran in Fortsetzung der ad nach seitlich oben entspricht. Die boomerang- bis hufeisenförmigen SK haben 2 parallele flache Hauptflächen. Postsynaptisch liegen zwei Horizontalzellfortsätze, welche mit variabeln Aufspaltungen von einem engen Hilus aus tief in Stäbchenendkolben invaginiert sind. Sie verbreitern sich termi-nal und zeigen große breite oft aufgefächerte bzw. verzweigte Auftreibungen. Die Ribbon-synapsen sind in die zwischen solchen Endauftreibungen entstehenden Rinnen eingesenkt. Unterhalb ihrer ad berühren sich die Horizontalzellterminale. Etwas darunter enden 1-2 ca. 100 nm breite Bipolarzelldendriten, die vom Zentrum der Invagination des Stäbchenterminals zum Hilus hin dünner werden, um zum Soma invaginierender ON-Bipolarzellen weiterzulau-fen. Da die Zahl der in den Stäbchenendkolben eintretenden Fortsätze variabel ist, fanden sich Konstellationen von 1-3 SK, 1-3 Horizontal- und 1-4 Bipolarzellterminalen, wie sie auch in der Literatur beschrieben sind. Drei zentrale Ausschnitte menschlicher Zapfenpedikel wurden aus lückenlosen Serienschnit-ten mit ihren Mitochondrien, SK und den in Form von Triaden hier invaginierenden postrib-bonsynaptischen Fortsätzen rekonstruiert. Der Grundbauplan der Ribbonsynapsen ist hier dem der Stäbchen ähnlich, jedoch sind die SK kürzer, die Invaginationen deutlich kleiner und nie verzweigt, die Bipolarzelldendriten breiter und die Horizontalzellfortsätze terminal weniger stark und nur rundlich aufgetrieben. Zapfen-SK sind nur in einer Ebene schwach gebogene Bänder. Die gefundene Zahl von Zapfen SK paßt zu Literaturdaten, deren Zusammenfas-sung für Primaten foveanah 10-20 und peripher 30-40 SK zeigt. In Bipolarzellaxonen des Menschen waren SK nicht immer über leistenartige Membranplaques am Plasmalemm ver-ankert. Die hier flachen Ribbonsynapsen zeigten kleinere bandförmige oder nur ca. 250 x 150 x 35 nm große plattenförmige SK mit etwas größerem Abstand zu den aktiven Zonen als in Photorezeptoren. Bei BALB/c Mäusen, deren SK besonders deutlich auf Veränderungen der Photoperiode oder experimentelle Bedingungen reagieren, zeigten Rekonstruktionen von Stäbchenribbon-synapsen am Ende der Dunkelphase band- bis boomerangförmige SK und weder Klumpen noch Kugeln. Im ersten Drittel und gegen Ende der Lichtphase fanden sich jedoch ca. 20 Prozent solch veränderter SK. Gleichzeitig waren die mittleren Abschnitte vieler SK unter beiden Lichtbedingungen dünner als am Ende der Dunkelphase. Die langen, oft mehrfach gebogenen und verdrehten Zapfen-SK dieser Mäuse waren unabhängig von den Lichtbedin-gungen oft deutlich größer als die der Stäbchen, wohingegen beim Menschen Zapfen-SK re-lativ gerade, bandförmige Zellorganellen geringerer Größe als in Stäbchen darstellten. Während in Stäbchenterminalen nur ausnahmsweise mehr als ein größeres bandförmiges SK (neben eventuellen kugelförmigen) vorlag, zeigten sich in den Zapfen orts- und spezies-abhängig 15 bis über 25 meist bandförmige Organellen, die in wenigen Fällen mit zwei ge-legentlich sogar 3 verschiedenen Triaden aus 2 Horizontal- und einem Bipolarzellfortsatz ver-bunden waren. Dies ist bei BALB/c Mäusen, die weniger, aber größere Zapfen-SK zeigten, häufiger als beim Menschen. Die SK der Bipolarzellen in der inneren plexiformen Schicht waren speziesübergreifend meist lange Bänder oder kleine Platten mit ca. 250 x 150 nm großen Hauptflächen und nur ge-ringen Verdrehungen. Verschiedene Bipolarzelltypen haben unterschiedlich viele SK. Im Rahmen der Arbeit erstmals erstellte 3D-Rekonstruktion ektopischer synaptischer Körper-chen (eSK) konnten belegen, daß diese in Bipolarzelldendriten lokalisiert sind. Die kleinen, leicht gebogenen, 35 nm dicken Platten, deren große Oberflächen Dimensionen von meist nur ca. 100 x 200 nm hatten, sind praktisch nie an der Zellmembran verankert, sondern ste-hen in einigen Fällen über zu langen Tubuli fusionierte Vesikel mit dem Interzellularspalt in Verbindung. Dies könnte ein Hinweis auf eine "compound" Endo- oder Exozytose sein. Sel-ten finden sich zwei, ausnahmsweise auch drei parallel zueinander angeordnete SK im Inne-ren der Bipolarzelldendriten, meistens nahe deren Eintritt in Stäbchenendkolben. Im Gegen-satz zur Ratte fanden sich eSK bei seit Geburt unter Dauerdunkelheit gehaltenen BALB/c Mäusen sogar im in Stäbchen- bzw. Zapfenterminal invaginierten Abschnitt von Bipolarzell-dendriten. Neben plattenförmigen SK lagen bei diesen Mäusen auch innen hohle klumpen-förmige Organellen in Stäbchenbipolarzelldendriten vor. Unter Organkultur und Ca++-Entzug fanden sich in Stäbchen die massivsten Veränderungen von SK, die entweder als Klumpen oder Kugeln vorlagen oder massive Protrusionen an ei-nem kleinen plattenförmigen Abschnitt zeigten, der noch an der ad befestigt blieb. Die Be-funde deuten darauf hin, daß Licht über Kalziumentzug zu Verklumpungen an SK und zur Abschnürung von klumpen- bis kugelförmigen SK Fragmenten führt. Bei der Rekonstruktion mit anti-β-Dystroglykan Immunogold-markierter Zapfenterminalen der Hühnchenretina konnte erstmals gezeigt werden, daß sich dieses zum Dystrophin-assozierten Glykoproteinkomplex gehörende Protein in perisynaptischen Fortsätzen der Pho-torezeptoren seitlich und an ihren Spitzen fand, während Horizontal- und Bipolarzellfortsätze nicht markiert waren. Dies deutet auf eine neue strukturelle oder funktionelle Domäne in Pho-torezeptorterminalen hin, die eine noch im Detail zu klärende Rolle bei der synaptischen Transmission spielt, da bei Mutationen im Dystrophin-assoziierten Proteinkomplex eine Ver-änderung der synaptischen Kommunikation in der äußeren plexiformen Schicht zu beobach-ten ist. In der Zirbeldrüse sind die meisten SK wenig gebogene, flache, plattenförmige Strukturen, die bei der Ratte meist ca. 300x150x35 nm groß sind. Daneben gibt es deutlich längere bandförmige Organellen und unter Normalbedingungen bei Ratte und Hühnchen praktisch keine, bei Meerschweinchen nur wenige klumpige oder kugelförmige SK. Pinealozyten der Meerschweinchenzirbeldrüse weisen üblicherweise Felder parallel gruppierter plattenförmi-ger synaptischer Körperchen auf. Unter Dauerlicht zeigten sich an der Membran benachbar-ter Zellen einander gegenüberliegende Felder stark verbogener, partiell verdickter SK, die vermutlich aus verschmolzenen Einzelplatten entstanden waren sowie deutlich mehr kugeli-ge bzw. klumpige SK. Die Organellen nehmen nachts an Größe zu, wodurch sich ihre Ober-fläche vergrößert, bei Ratten nimmt sie um 19,3 Prozent von 0,041 auf 0,0501 µm² zu. Da die plattenförmigen SK eine konstante Dicke von 35 nm hatten, läßt sich so ein durchschnitt-liches Volumen von 1,47x10-3 µm³ für 12.00 und von 1,75x10-3 µm³ für Mitternacht mit einer Zunahme von 0,28x10-3 µm³ (entspricht 19,3 %) errechnen. Der Vergleich von Pinealocyten-SK von unter LD 4:20 zu LD 20:4 gehaltenen Ratten zeigte unter LD 20:4 insignifikant mehr SK, die signifikant längere Profile hatten, was auf eine Größenzunahme der Organellen hin-deutet. Überlegungen und mathematische Berechnungen, was Profillängenmessungen bedeuten und wieviele Profile für sinnvolle Vergleiche ausgewertet werden müßten, werden kritisch diskutiert. Die selbst erhobenen Befunde werden im Kontext mit allen verfügbaren Literaturdaten de origine, dem Auftreten von SK in der Ontogenese sowie SK betreffenden pathologischen und Altersveränderungen betrachtet. Hierbei deutet die Analyse der Chronobiologie von SK in quantitativer und morphologischer Hinsicht auf eine Abhängigkeit von der Photoperiode bzw. Licht und Dunkelheit und nicht auf eine endogene zirkadiane Rhythmik hin. Die oberhalb funktionell wichtiger Ca++-Känale lokalisierten SK setzen in Photorezeptoren die Lichtinformation in exozytierte Glutamatquanten um, wobei das Glutamat an verschiedenen postsynaptischen Orten wirkt. Die zuvor nie so anschaulich durch 3D-Stereoanimationen visualisierten Befunde zeigen, daß die Morphologie von SK hier für eine maximal schnelle Freisetzung der gebundenen Transmittervesikel an in unmittelbarer Nähe gelegenen aktiven Zonen der Ribbonsynapsen optimiert ist. Der molekulare Aufbau von SK wird ultrastrukturell nachvollzogen und die Funktion der Organellen diskutiert. Diesbezüglich ist die Vesikelspei-cherung erwiesen, das "Priming" für die Exozytose beinahe bewiesen, eine Koordinations-funktion für multivesikuläre Transmitterfreisetzung ist denkbar, während eine Förderband-funktion eher unwahrscheinlich ist. In breve haben die im Rahmen dieser Habilitation ge-wonnenen Erkenntnisse und entwickelten Methoden einige Beiträge zur Klärung des mor-phologisch funktionellen Gesamtverständnisses der Ribbonsynapsen geleistet.

3D-electron microscopy of different conformations of cephalopod hemocyanins

Die Hämocyanine der Cephalopoden Nautilus pompilius und Sepia officinalis sorgen für den Sauerstofftransport zwischen den Kiemen und den Geweben. Sie bestehen aus einem zylindrischen Dekamer mit interner Kragenstruktur. Während eine Untereinheit (also eine Polypeptidkette) bei NpH aus sieben paralogen funktionellen Domänen (FU-a bis FU-g) besteht, führte ein Genduplikationsereignis der FU-d zu acht FUs in SoH (a, b, c, d, d´, e, f, g). In allen Mollusken Hämocyaninen bilden sechs dieser FUs den äußeren Ring und die restlichen die interne Kragenstruktur. rnrnIn dieser Arbeit wurde ein dreidimensionales Modell des Hämocyanins von Sepia officinalis (SoH) erstellt. Die Rekonstruktion, mit einer Auflösung von 8,8Å (FSC=0,5), erlaubt das Einpassen von Homolologiemodellen und somit das Erstellen eines molekularen Modells mit pseudo atomarer Auflösung. Des Weiteren wurden zwei Rekonstruktionen des Hämocyanins von Nautilus pompilius (NpH) in verschiedenen Oxygenierungszuständen erstellt. Die auf 10 und 8,1Å aufgelösten Modelle zeigen zwei verschiedene Konformationen des Proteins. Daraus ließ sich eine Modellvorstellung über die allosterische Funktionsweise ableiten. Die hier erreichte Auflösung von 8Å ist die momentan höchste eines Molluskenhämocyanins. rnAuf Grundlage des molekularen Modells von SoH konnte die Topologie des Proteins aufgeklärt werden. Es wurde gezeigt, dass die zusätzliche FU-d´ in den Kragen integriert ist und somit die prinzipielle Wandarchitektur aller Mollusken Hämocyanine identisch ist. Wie die Analyse des erstellten molekularen Modells zeigt werden sind die beiden Isoformen (SoH1 und SoH2) in den Bereichen der Interfaces nahezu identisch; auch der Vergleich mit NpH zeigt grosse Übereinstimmungen. Des weiteren konnte eine Fülle von Informationen bezüglich der allosterischen Signalübertragung innerhalb des Moleküls gewonnen werden. rnDer Versuch, NpH in verschiedenen Oxygenierungszuständen zu zeigen, war erfolgreich. Die Datensätze, die unter zwei atmosphärischen Bedingungen präpariert wurden, führten reproduzierbar zu zwei unterschiedlichen Rekonstruktionen. Dies zeigt, daß der hier entwickelte experimentelle Ansatz funktioniert. Er kann nun routinemäßig auf andere Proteine angewandt werden. Wie der strukturelle Vergleich zeigte, verändert sich die Orientierung der FUs durch die Oxygenierung leicht. Dies wiederum beeinflusst die Anordnung innerhalb der Interfaces sowie die Abstände zwischen den beteiligten Aminosäuren. Aus dieser Analyse konnte eine Modellvorstellung zum allosterischen Signaltransfer innerhalb des Moleküls abgeleitet werden, die auf einer Umordnung von Salzbrücken basiert.

Toward a 3D in vitro model based on decellularized thymus to maintain adult thymic ephitelial cells functionality

During my PhD,I have been develop an innovative technique to reproduce in vitro the 3D thymic microenvironment, to be used for growth and differentiation of thymocytes, and possible transplantation replacement in conditions of depressed thymic immune regulation. The work has been developed in the laboratory of Tissue Engineering at the University Hospital in Basel, Switzerland, under the tutorship of Prof.Ivan Martin. Since a number of studies have suggested that the 3D structure of the thymic microenvironment might play a key role in regulating the survival and functional competence of thymocytes, I’ve focused my effort on the isolation and purification of the extracellular matrix of the mouse thymus. Specifically, based on the assumption that TEC can favour the differentiation of pre-T lymphocytes, I’ve developed a specific decellularization protocol to obtain the intact, DNA-free extracellular matrix of the adult mouse thymus. Two different protocols satisfied the main characteristics of a decellularized matrix, according to qualitative and quantitative assays. In particular, the quantity of DNA was less than 10% in absolute value, no positive staining for cells was found and the 3D structure and composition of the ECM were maintained. In addition, I was able to prove that the decellularized matrixes were not cytotoxic for the cells themselves, and were able to increase expression of MHC II antigens compared to control cells grown in standard conditions. I was able to prove that TECs grow and proliferate up to ten days on top the decellularized matrix. After a complete characterization of the culture system, these innovative natural scaffolds could be used to improve the standard culture conditions of TEC, to study in vitro the action of different factors on their differentiation genes, and to test the ability of TECs to induce in vitro maturation of seeded T lymphocytes.

Qualitative and absolute quantitative studies of the cell-nanoparticle interaction

This thesis focused on the polymer’s influence on the interaction of polymeric NPs with epithelial cells. Furthermore, the measurement of single submicron nanoparticles in a commercially available flow cytometer was established, to provide a new method in the toolbox for nanoparticle-cell studies. This gave way to develop a routine for the absolute quantification of intracellular NPs via flow cytometry. rnThe cellular uptake of poly(methyl methacrylate) (PMMA), polystyrene (PS) and poly(L-lactide) (PLLA) nanoparticles was investigated via flow cytometry. PLLA-NPs were internalized the most efficiently. But upon co-incubation of PS and PLLA particles with cells, the two particles mutually influenced their uptake, slightly shifting the relative uptake efficiencies. This phenomenon should be based on specific properties of the different polymer materials. The findings indicated a competition (which is strongly influenced by properties of the respective polymeric material) for the uptake into the cells, allegedly due to competition for specific coatings with serum components that enhances the NPs’ cellular uptake. The fluorescence of single 150 nm particles was determined with a benchtop cytometer, breaching the machine’s detection limit but yielding precise NP fluorescence standardization factors. Up to now, these standardization factors are mostly determined by spectroscopic analysis of the particles’ dye content. Finally a flow cytometric routine for absolute particle counting in cells was devised. This quantitation revealed a low uptake efficiency for un-functionalized PMMA NPs of less than 150 NPs (approx. 0,001 % of added) per cell.rn

A picture is worth a thousand words--the utility of 3D visualization illustrated by a case of survived pancreatic transection

It is one of the most important tasks of the forensic pathologist to explain the forensically relevant medical findings to medical non-professionals. However, it is often difficult to comment on the nature and potential consequences of organ injuries in a comprehensive way to individuals with limited knowledge of anatomy and physiology. This rare case of survived pancreatic transaction after kicks to the abdomen illustrates how the application of dedicated software programs for three-dimensional reconstruction can overcome these difficulties, allowing for clear and concise visualization of complex findings.

Getting in touch-3D printing in Forensic Imaging

With the increasing use of medical imaging in forensics, as well as the technological advances in rapid prototyping, we suggest combining these techniques to generate displays of forensic findings. We used computed tomography (CT), CT angiography, magnetic resonance imaging (MRI) and surface scanning with photogrammetry in conjunction with segmentation techniques to generate 3D polygon meshes. Based on these data sets, a 3D printer created colored models of the anatomical structures. Using this technique, we could create models of bone fractures, vessels, cardiac infarctions, ruptured organs as well as bitemark wounds. The final models are anatomically accurate, fully colored representations of bones, vessels and soft tissue, and they demonstrate radiologically visible pathologies. The models are more easily understood by laypersons than volume rendering or 2D reconstructions. Therefore, they are suitable for presentations in courtrooms and for educational purposes.

Reconstruction and 3D visualisation based on objective real 3D based documentation

Reconstructions based directly upon forensic evidence alone are called primary information. Historically this consists of documentation of findings by verbal protocols, photographs and other visual means. Currently modern imaging techniques such as 3D surface scanning and radiological methods (Computer Tomography, Magnetic Resonance Imaging) are also applied. Secondary interpretation is based on facts and the examiner's experience. Usually such reconstructive expertises are given in written form, and are often enhanced by sketches. However, narrative interpretations can, especially in complex courses of action, be difficult to present and can be misunderstood. In this report we demonstrate the use of graphic reconstruction of secondary interpretation with supporting pictorial evidence, applying digital visualisation (using 'Poser') or scientific animation (using '3D Studio Max', 'Maya') and present methods of clearly distinguishing between factual documentation and examiners' interpretation based on three cases. The first case involved a pedestrian who was initially struck by a car on a motorway and was then run over by a second car. The second case involved a suicidal gunshot to the head with a rifle, in which the trigger was pushed with a rod. The third case dealt with a collision between two motorcycles. Pictorial reconstruction of the secondary interpretation of these cases has several advantages. The images enable an immediate overview, give rise to enhanced clarity, and compel the examiner to look at all details if he or she is to create a complete image.

Developing a smoking cessation program for Turkish-speaking migrants in Switzerland: novel findings and promising effects

Introduction: Recent studies show that smoking prevalence in the Turkish-speaking migrant population in Switzerland is substantially higher than in the general population. A specific group treatment for Turkish-speaking migrants was developed and tested in order to provide the migrant population with equal access to smoking cessation programs and to improve the migration-sensitive quality of such programs by sociocultural targeting. Methods: The evaluation of the program included quantitative (questionnaires t1 and t2 and follow-up by telephone) and qualitative methods (participant observation and semi-structured interviews). Results: The results showed that 37.7% of the 61 participants were smoke free at the 12-month follow-up. The factors of being in a partnership and using nicotine replacement products during the program were positively associated with successful cessation. We also demonstrated the importance of “strong ties” (strong relationships between participants) and the sensitivity of the program to sociocultural (e.g., social aspects of smoking in Turkish culture, which were addressed in relapse prevention), socioeconomic (e.g., low financial resources, which were addressed by providing the course for free), and migration-specific (e.g., underdeveloped access to smoking cessation programs, which was addressed using outreach strategy for recruiting) issues. Conclusions: Overall, the smoking cessation program was successfully tested and is now becoming implemented as a regular service of the Swiss Public Health Program for Tobacco Prevention (by the Swiss Association for Smoking Prevention).

Analysis of 3D Soft Tissue Changes After 1- and 2-Jaw Orthognathic Surgery in Mandibular Prognathism Patients

Purpose Orthognathic surgery has the objective of altering facial balance to achieve esthetic results in patients who have severe disharmony of the jaws. The purpose was to quantify the soft tissue changes after orthognathic surgery, as well as to assess the differences in 3D soft tissue changes in the middle and lower third of the face between the 1- and 2-jaw surgery groups, in mandibular prognathism patients. Materials and Methods We assessed soft tissue changes of patients who have been diagnosed with mandibular prognathism and received either isolated mandibular surgery or bimaxillary surgery. The quantitative surface displacement was assessed by superimposing preoperative and postoperative volumetric images. An observer measured a surface-distance value that is shown as a contour line. Differences between the groups were determined by the Mann-Whitney U test. The Spearman correlation coefficient was used to evaluate a potential correlation between patients' surgical and cephalometric variables and soft tissue changes after orthognathic surgery in each group. Results There were significant differences in the middle third of the face between the 1- and 2-jaw surgery groups. Soft tissues in the lower third of the face changed in both surgery groups, but not significantly. The correlation patterns were more evident in the lower third of the face. Conclusion The overall soft tissue changes of the midfacial area were more evident in the 2-jaw surgery group. In 2-jaw surgery, significant changes would be expected in the midfacial area, but caution should be exercised in patients who have a wide alar base.

Post-mortem forensic neuroimaging: correlation of MSCT and MRI findings with autopsy results

Multislice-computed tomography (MSCT) and magnetic resonance imaging (MRI) are increasingly used for forensic purposes. Based on broad experience in clinical neuroimaging, post-mortem MSCT and MRI were performed in 57 forensic cases with the goal to evaluate the radiological methods concerning their usability for forensic head and brain examination. An experienced clinical radiologist evaluated the imaging data. The results were compared to the autopsy findings that served as the gold standard with regard to common forensic neurotrauma findings such as skull fractures, soft tissue lesions of the scalp, various forms of intracranial hemorrhage or signs of increased brain pressure. The sensitivity of the imaging methods ranged from 100% (e.g., heat-induced alterations, intracranial gas) to zero (e.g., mediobasal impression marks as a sign of increased brain pressure, plaques jaunes). The agreement between MRI and CT was 69%. The radiological methods prevalently failed in the detection of lesions smaller than 3mm of size, whereas they were generally satisfactory concerning the evaluation of intracranial hemorrhage. Due to its advanced 2D and 3D post-processing possibilities, CT in particular possessed certain advantages in comparison with autopsy with regard to forensic reconstruction. MRI showed forensically relevant findings not seen during autopsy in several cases. The partly limited sensitivity of imaging that was observed in this retrospective study was based on several factors: besides general technical limitations it became apparent that clinical radiologists require a sound basic forensic background in order to detect specific signs. Focused teaching sessions will be essential to improve the outcome in future examinations. On the other hand, the autopsy protocols should be further standardized to allow an exact comparison of imaging and autopsy data. In consideration of these facts, MRI and CT have the power to play an important role in future forensic neuropathological examination.

Application of 3D documentation and geometric reconstruction methods in traffic accident analysis: with high resolution surface scanning, radiological MSCT/MRI scanning and real data based animation

The examination of traffic accidents is daily routine in forensic medicine. An important question in the analysis of the victims of traffic accidents, for example in collisions between motor vehicles and pedestrians or cyclists, is the situation of the impact. Apart from forensic medical examinations (external examination and autopsy), three-dimensional technologies and methods are gaining importance in forensic investigations. Besides the post-mortem multi-slice computed tomography (MSCT) and magnetic resonance imaging (MRI) for the documentation and analysis of internal findings, highly precise 3D surface scanning is employed for the documentation of the external body findings and of injury-inflicting instruments. The correlation of injuries of the body to the injury-inflicting object and the accident mechanism are of great importance. The applied methods include documentation of the external and internal body and the involved vehicles and inflicting tools as well as the analysis of the acquired data. The body surface and the accident vehicles with their damages were digitized by 3D surface scanning. For the internal findings of the body, post-mortem MSCT and MRI were used. The analysis included the processing of the obtained data to 3D models, determination of the driving direction of the vehicle, correlation of injuries to the vehicle damages, geometric determination of the impact situation and evaluation of further findings of the accident. In the following article, the benefits of the 3D documentation and computer-assisted, drawn-to-scale 3D comparisons of the relevant injuries with the damages to the vehicle in the analysis of the course of accidents, especially with regard to the impact situation, are shown on two examined cases.