Deep geometry of subduction below the Andean belt of Colombia as revealed by seismic tomography

In this study new tomographic models of Colombia were calculated. I used the seismicity recorded by the Colombian seismic network during the period 2006-2009. In this time period, the improvement of the seismic network yields more stable hypocentral results with respect to older data set and allows to compute new 3D Vp and Vp/Vs models. The final dataset consists of 10813 P- and 8614 S-arrival times associated to 1405 earthquakes. Tests with synthetic data and resolution analysis indicate that velocity models are well constrained in central, western and southwestern Colombia to a depth of 160 km; the resolution is poor in the northern Colombia and close to Venezuela due to a lack of seismic stations and seismicity. The tomographic models and the relocated seismicity indicate the existence of E-SE subducting Nazca lithosphere beneath central and southern Colombia. The North-South changes in Wadati-Benioff zone, Vp & Vp/Vs pattern and volcanism, show that the downgoing plate is segmented by slab tears E-W directed, suggesting the presence of three sectors. Earthquakes in the northernmost sector represent most of the Colombian seimicity and concentrated on 100-170 km depth interval, beneath the Eastern Cordillera. Here a massive dehydration is inferred, resulting from a delay in the eclogitization of a thickened oceanic crust in a flat-subduction geometry. In this sector a cluster of intermediate-depth seismicity (Bucaramanga Nest) is present beneath the elbow of the Eastern Cordillera, interpreted as the result of massive and highly localized dehydration phenomenon caused by a hyper-hydrous oceanic crust. The central and southern sectors, although different in Vp pattern show, conversely, a continuous, steep and more homogeneous Wadati-Benioff zone with overlying volcanic areas. Here a "normalthickened" oceanic crust is inferred, allowing for a gradual and continuous metamorphic reactions to take place with depth, enabling the fluid migration towards the mantle wedge.

Über das Vermessen tubulärer Strukturen in der Computertomographie

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (engl. chronic obstructive pulmonary disease, COPD) ist ein Überbegriff für Erkrankungen, die zu Husten, Auswurf und Dyspnoe (Atemnot) in Ruhe oder Belastung führen - zu diesen werden die chronische Bronchitis und das Lungenemphysem gezählt. Das Fortschreiten der COPD ist eng verknüpft mit der Zunahme des Volumens der Wände kleiner Luftwege (Bronchien). Die hochauflösende Computertomographie (CT) gilt bei der Untersuchung der Morphologie der Lunge als Goldstandard (beste und zuverlässigste Methode in der Diagnostik). Möchte man Bronchien, eine in Annäherung tubuläre Struktur, in CT-Bildern vermessen, so stellt die geringe Größe der Bronchien im Vergleich zum Auflösungsvermögen eines klinischen Computertomographen ein großes Problem dar. In dieser Arbeit wird gezeigt wie aus konventionellen Röntgenaufnahmen CT-Bilder berechnet werden, wo die mathematischen und physikalischen Fehlerquellen im Bildentstehungsprozess liegen und wie man ein CT-System mittels Interpretation als lineares verschiebungsinvariantes System (engl. linear shift invariant systems, LSI System) mathematisch greifbar macht. Basierend auf der linearen Systemtheorie werden Möglichkeiten zur Beschreibung des Auflösungsvermögens bildgebender Verfahren hergeleitet. Es wird gezeigt wie man den Tracheobronchialbaum aus einem CT-Datensatz stabil segmentiert und mittels eines topologieerhaltenden 3-dimensionalen Skelettierungsalgorithmus in eine Skelettdarstellung und anschließend in einen kreisfreien Graphen überführt. Basierend auf der linearen System Theorie wird eine neue, vielversprechende, integral-basierte Methodik (IBM) zum Vermessen kleiner Strukturen in CT-Bildern vorgestellt. Zum Validieren der IBM-Resultate wurden verschiedene Messungen an einem Phantom, bestehend aus 10 unterschiedlichen Silikon Schläuchen, durchgeführt. Mit Hilfe der Skelett- und Graphendarstellung ist ein Vermessen des kompletten segmentierten Tracheobronchialbaums im 3-dimensionalen Raum möglich. Für 8 zweifach gescannte Schweine konnte eine gute Reproduzierbarkeit der IBM-Resultate nachgewiesen werden. In einer weiteren, mit IBM durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass die durchschnittliche prozentuale Bronchialwandstärke in CT-Datensätzen von 16 Rauchern signifikant höher ist, als in Datensätzen von 15 Nichtrauchern. IBM läßt sich möglicherweise auch für Wanddickenbestimmungen bei Problemstellungen aus anderen Arbeitsgebieten benutzen - kann zumindest als Ideengeber dienen. Ein Artikel mit der Beschreibung der entwickelten Methodik und der damit erzielten Studienergebnisse wurde zur Publikation im Journal IEEE Transactions on Medical Imaging angenommen.

Study of the forward photons productions in pp collisions at sqrt{s} = 7 TeV with the ZDC detector of the ATLAS experiment

The Zero Degree Calorimeter (ZDC) of the ATLAS experiment at CERN is placed in the TAN of the LHC collider, covering the pseudorapidity region higher than 8.3. It is composed by 2 calorimeters, each one longitudinally segmented in 4 modules, located at 140 m from the IP exactly on the beam axis. The ZDC can detect neutral particles during pp collisions and it is a tool for diffractive physics. Here we present results on the forward photon energy distribution obtained using p-p collision data at sqrt{s} = 7 TeV. First the pi0 reconstruction will be used for the detector calibration with photons, then we will show results on the forward photon energy distribution in p-p collisions and the same distribution, but obtained using MC generators. Finally a comparison between data and MC will be shown.

Abbaubare Polymere und Kupfer-katalysierte Reaktionen in Miniemulsion zum Aufbau funktioneller Nanopartikel und –kapseln

Die vorliegende Dissertation zeigte die Anwendung von funktionellen Monomeren um Nanokapseln und Nanopartikeln, die mit der Miniemulsionstechnik hergestellt wurden, eine Vielzahl von Eigenschaften zu verleihen. Hierbei wurden zum einen die Vorteile der Miniemulsionstechnik genutzt, die vor allem eine sehr große Bandbreite von Methoden und Monomeren erlaubt. Zum anderen wurden durch das Design der Monomere neue Polymere mit speziellen Eigenschaften synthetisiert.rnEs wurden abbaubare Polymere synthetisiert, die für Freisetzungs- und Sensorapplikationen verwendet werden konnten. Hierzu wurde durch die Verwendung von Dioxepanen die einfache Synthese von abbaubaren Polyester- und Copolyester-Nanopartikeln ermöglicht. Es konnte weiterhin gezeigt werden, das diese Partikel einen hydrophoben Wirkstoff, Paclitaxel, in eine Zelle schleusen können und ihn dort freisetzen.rnDurch die Verwendung tertiärer Diole konnten funktionale Polyurethane hergestellt werden, die eine einzigartige Abbaubarkeit durch die Zugabe von Säuren oder durch thermische Behandlung aufwiesen. Diese bisher in der Literatur unbekannte Klasse von Polyurethanen kann als Sensormaterial und für Opferschichten verwendet werden. rnWeiterhin wurde die Strukturbildung von Hybridblockcopolymeren in Nanopartikeln und Nanokapseln untersucht. Es wurden hierzu neuartige, aminfunktionalisierte Azoinitiatoren hergestellt, die zu Polyurethan-Makroazoinitiatoren weiterreagiert wurden. rnim Folgenden wurden mittels kontrollierten radikalische Polymerisationstechniken Basis der tertiären Carbamate Polyurethan-ATRP-Makroinitiatoren hergestellt. Diese wurden sowohl in Lösung wie auch in inverser Miniemulsion dazu verwendet, Blockterpolymere herzustellen. Es wurden durch unterschiedliche Miniemulsionstechniken Nanopartikel und Nanokapseln hergestellt, die allesamt eine Mikrophasenseparation zeigten, wodurch Kern-Schale-Strukturen erhalten wurden. rnDie Huisgen-Zykloaddition von Aziden und terminalen Alkinen wurde dazu ausgenutzt, um durch die Verwendung von Dialkinen und Diaziden an der Grenzfläche von Topfen in inverser Miniemulsion eine Polymerisation durchzuführen. Es wurden sehr hohe Polymerisationsgrade bei sehr milden Temperaturen durch den Einsatz eines grenzflächenaktiven Kupferkatalysators erreicht. Die hergestellten Nanokapseln wurden Des Weiteren konnte durch die Herstellung eines neuartigen Dipropiolatesters ein System beschrieben werden, das eine Polymerisation mit Diaziden an der Grenzfläche bei Raumtemperatur eingeht. rnWeiterhin wurde die kupferkatalysierte 1,3-Dipolare Zykloaddition von terminalen Alkinen und Aziden (Clickreaktion) dazu ausgenutzt, um Nanokapseln an der Oberfläche zu funktionalisieren. Hierzu wurden Azid- und Alkin funktionalisierte Monomere verwendet, die in inverser Miniemulsion an der Grenzfläche polymerisiert wurden. Die kovalente Anbindung und der Umsatz der von Alkinfunktionen an der Oberfläche wurde mittels eines fluorogenen Click-Farbstoffes (9-Azidomethylen-Anthracen) untersucht und durch Messung der Fluoreszenzverstärkung konnte eine Aussage über die umgesetzten Alkinfunktionen getroffen werden. rnAzidfunktionen konnten mit einem neuartigen kupferfreien System adressiert werden. Hierbei wurde durch den Umsatz mit Acetylensäure eine sehr einfache Funktionalisierung der Polyurethan-Nanokapseloberfläche mit Carboxylgruppen bei Raumtemperatur ohne den Einsatz von Katalysatoren oder einer inerten Atmosphäre erreicht. Die erfolgreiche Anbindung konnte mit Partikelladungsmessungen sowie Bestimmung des Zetapotentials verifiziert werden.rn

Software zur automatischen Tumordiagnose in der funktionalen MRT der weiblichen Brust

In den westlichen Industrieländern ist das Mammakarzinom der häufigste bösartige Tumor der Frau. Sein weltweiter Anteil an allen Krebserkrankungen der Frau beläuft sich auf etwa 21 %. Inzwischen ist jede neunte Frau bedroht, während ihres Lebens an Brustkrebs zu erkranken. Die alterstandardisierte Mortalitätrate liegt derzeit bei knapp 27 %.rnrnDas Mammakarzinom hat eine relative geringe Wachstumsrate. Die Existenz eines diagnostischen Verfahrens, mit dem alle Mammakarzinome unter 10 mm Durchmesser erkannt und entfernt werden, würden den Tod durch Brustkrebs praktisch beseitigen. Denn die 20-Jahres-Überlebungsrate bei Erkrankung durch initiale Karzinome der Größe 5 bis 10 mm liegt mit über 95 % sehr hoch.rnrnMit der Kontrastmittel gestützten Bildgebung durch die MRT steht eine relativ junge Untersuchungsmethode zur Verfügung, die sensitiv genug zur Erkennung von Karzinomen ab einer Größe von 3 mm Durchmesser ist. Die diagnostische Methodik ist jedoch komplex, fehleranfällig, erfordert eine lange Einarbeitungszeit und somit viel Erfahrung des Radiologen.rnrnEine Computer unterstützte Diagnosesoftware kann die Qualität einer solch komplexen Diagnose erhöhen oder zumindest den Prozess beschleunigen. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer vollautomatischen Diagnose Software, die als Zweitmeinungssystem eingesetzt werden kann. Meines Wissens existiert eine solche komplette Software bis heute nicht.rnrnDie Software führt eine Kette von verschiedenen Bildverarbeitungsschritten aus, die dem Vorgehen des Radiologen nachgeahmt wurden. Als Ergebnis wird eine selbstständige Diagnose für jede gefundene Läsion erstellt: Zuerst eleminiert eine 3d Bildregistrierung Bewegungsartefakte als Vorverarbeitungsschritt, um die Bildqualität der nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu verbessern. Jedes kontrastanreichernde Objekt wird durch eine regelbasierte Segmentierung mit adaptiven Schwellwerten detektiert. Durch die Berechnung kinetischer und morphologischer Merkmale werden die Eigenschaften der Kontrastmittelaufnahme, Form-, Rand- und Textureeigenschaften für jedes Objekt beschrieben. Abschließend werden basierend auf den erhobenen Featurevektor durch zwei trainierte neuronale Netze jedes Objekt in zusätzliche Funde oder in gut- oder bösartige Läsionen klassifiziert.rnrnDie Leistungsfähigkeit der Software wurde auf Bilddaten von 101 weiblichen Patientinnen getested, die 141 histologisch gesicherte Läsionen enthielten. Die Vorhersage der Gesundheit dieser Läsionen ergab eine Sensitivität von 88 % bei einer Spezifität von 72 %. Diese Werte sind den in der Literatur bekannten Vorhersagen von Expertenradiologen ähnlich. Die Vorhersagen enthielten durchschnittlich 2,5 zusätzliche bösartige Funde pro Patientin, die sich als falsch klassifizierte Artefakte herausstellten.rn

Herstellung hydrophiler Polyurethanpartikel und anisotroper Polymerpartikel

Hydrophile Polyurethanpartikel wurden mittels in inversen Miniemulsionen durchgeführten Polyadditionsreaktionen hergestellt. Wie durch FT-IR-Spektroskopie gezeigt wurde, konnte durch die Abwesenheit von Wasser in dem verwendeten System die Entstehung von Harnstoffbindungen vermieden werden. Das Molekulargewicht der erhaltenen Polyurethane konnte durch verschiedene Parameter, wie zum Beispiel die Hydrophobizität der kontinuierlichen Phase oder die Zugabe von DMSO zur dispersen Phase, beeinflusst werden. Die höchsten Molekulargewichte (Mn von bis zu 19000 g•mol-1) wurden mit Isopar M als kontinuierlicher Phase erhalten. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung anisotroper Polystyrolpartikel über eine Film-Dehnungs-Methode. Polystyrol/Polyvinylalkohol-Filme wurden oberhalb der Glasübergangstemperatur von Polystyrol und Polyvinylalkohol (Matrix) uniaxial oder biaxial gedehnt, wodurch ellipsenförmige oder scheibenförmige Partikel entstanden. Es zeigte sich, dass die Redispergierbarkeit der verstreckten Partikel in Wasser stark von deren Oberflächenfunktionalisierung abhängig war. Die beste Redispergierbarkeit (46%) wurde für Sulfonat-funktionalisierte Partikel erhalten. Als eine alternative Methode zur Herstellung anisotroper Polymerpartikel wurde im letzten Teil der vorliegenden Arbeit Elektrospinnen eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass es prinzipiell möglich ist, ellipsenförmige PS-Partikel zu erhalten, deren Aspektverhältnis durch die Höhe der angelegten Spannung und den Abstand zwischen Spitze und Kollektor beeinflusst wurde. Neben PS-Partikeln konnten auch PMMA-Kapseln über Elektrospinnen verstreckt werden. Mittels der Film-Dehnungs-Methode konnte jedoch eine größere Vielfalt an Aspektverhältnissen hergestellt werden. Ein weiterer Nachteil gegenüber der Film-Dehnungs-Methode ist die relativ breite Größenverteilung der verstreckten Partikel. Jedoch ist Elektrospinnen im Gegensatz zur Film-Dehnungs-Methode ein kontinuierlicher Prozess und könnte auch für die Herstellung anisotroper Partikel von Polymeren mit einer hohen Glasübergangstemperatur verwendet werden.

Imaging and modeling of pore scale processes in porous media using X-ray computed tomography and lattice Boltzmann solver

In der Erdöl– und Gasindustrie sind bildgebende Verfahren und Simulationen auf der Porenskala im Begriff Routineanwendungen zu werden. Ihr weiteres Potential lässt sich im Umweltbereich anwenden, wie z.B. für den Transport und Verbleib von Schadstoffen im Untergrund, die Speicherung von Kohlendioxid und dem natürlichen Abbau von Schadstoffen in Böden. Mit der Röntgen-Computertomografie (XCT) steht ein zerstörungsfreies 3D bildgebendes Verfahren zur Verfügung, das auch häufig für die Untersuchung der internen Struktur geologischer Proben herangezogen wird. Das erste Ziel dieser Dissertation war die Implementierung einer Bildverarbeitungstechnik, die die Strahlenaufhärtung der Röntgen-Computertomografie beseitigt und den Segmentierungsprozess dessen Daten vereinfacht. Das zweite Ziel dieser Arbeit untersuchte die kombinierten Effekte von Porenraumcharakteristika, Porentortuosität, sowie die Strömungssimulation und Transportmodellierung in Porenräumen mit der Gitter-Boltzmann-Methode. In einer zylindrischen geologischen Probe war die Position jeder Phase auf Grundlage der Beobachtung durch das Vorhandensein der Strahlenaufhärtung in den rekonstruierten Bildern, das eine radiale Funktion vom Probenrand zum Zentrum darstellt, extrahierbar und die unterschiedlichen Phasen ließen sich automatisch segmentieren. Weiterhin wurden Strahlungsaufhärtungeffekte von beliebig geformten Objekten durch einen Oberflächenanpassungsalgorithmus korrigiert. Die Methode der „least square support vector machine” (LSSVM) ist durch einen modularen Aufbau charakterisiert und ist sehr gut für die Erkennung und Klassifizierung von Mustern geeignet. Aus diesem Grund wurde die Methode der LSSVM als pixelbasierte Klassifikationsmethode implementiert. Dieser Algorithmus ist in der Lage komplexe geologische Proben korrekt zu klassifizieren, benötigt für den Fall aber längere Rechenzeiten, so dass mehrdimensionale Trainingsdatensätze verwendet werden müssen. Die Dynamik von den unmischbaren Phasen Luft und Wasser wird durch eine Kombination von Porenmorphologie und Gitter Boltzmann Methode für Drainage und Imbibition Prozessen in 3D Datensätzen von Böden, die durch synchrotron-basierte XCT gewonnen wurden, untersucht. Obwohl die Porenmorphologie eine einfache Methode ist Kugeln in den verfügbaren Porenraum einzupassen, kann sie dennoch die komplexe kapillare Hysterese als eine Funktion der Wassersättigung erklären. Eine Hysterese ist für den Kapillardruck und die hydraulische Leitfähigkeit beobachtet worden, welche durch die hauptsächlich verbundenen Porennetzwerke und der verfügbaren Porenraumgrößenverteilung verursacht sind. Die hydraulische Konduktivität ist eine Funktion des Wassersättigungslevels und wird mit einer makroskopischen Berechnung empirischer Modelle verglichen. Die Daten stimmen vor allem für hohe Wassersättigungen gut überein. Um die Gegenwart von Krankheitserregern im Grundwasser und Abwässern vorhersagen zu können, wurde in einem Bodenaggregat der Einfluss von Korngröße, Porengeometrie und Fluidflussgeschwindigkeit z.B. mit dem Mikroorganismus Escherichia coli studiert. Die asymmetrischen und langschweifigen Durchbruchskurven, besonders bei höheren Wassersättigungen, wurden durch dispersiven Transport aufgrund des verbundenen Porennetzwerks und durch die Heterogenität des Strömungsfeldes verursacht. Es wurde beobachtet, dass die biokolloidale Verweilzeit eine Funktion des Druckgradienten als auch der Kolloidgröße ist. Unsere Modellierungsergebnisse stimmen sehr gut mit den bereits veröffentlichten Daten überein.

Tropfenbasierte Multiphasen – Mikroreaktionstechnologie in organisch-chemischer Synthese

In der vorliegenden Doktorarbeit werden neue, mikrofluidische Verfahren, zur Durchführung chemischer Reaktionen in mehrphasigen Systemen präsentiert. rnDas Einschließen von Reaktionspartnern in einzelne Segmente, deren Volumina im Bereich von Mikro- bis Femtoliter liegen und die dadurch erzeugten enormen, spezifischen Oberflächen, ermöglichen Massentransportprozesse über die Phasengrenzfläche zwischen einzelnen Segmenten, drastisch zu intensivieren. Aufgrund geringer räumlicher Ausdehnungen einzelner Kompartimente und durch vorherrschende, zirkulierende Strömungen in den einzelnen Abschnitten, sind Diffusions- und Konvektionsprozesse in diesen rasch, sodass an der Grenzfläche gebildete, reaktive Intermediate in sehr kurzen Zeitintervallen umgesetzt werden können. rnrn

Strukturbildung in Polyurethandispersionen und -filmen

Mechanische Eigenschaften nach Verfilmen sind häufig die wichtigsten Anforderungen für Polyurethandispersionen, so werden beispielsweise in den Hauptanwendungen im Beschichtungs- und Klebstoffsektor oftmals hohe Festigkeiten benötigt. Diese Anforderungen werden in der Dissertation durch eine gezielte Strukurbildung in den Polymeren adressiert. Mit einer hohen Kontrolle über den Polymeraufbau, durch die Ausbildung von kristallinen Bereichen, sowie mit phasenseparierten Morphologien werden drei Konzepte für die Modifikation der mechanischen Eigenschaften vorgestellt: Eine chemische bzw. kovalente Vernetzung wird mit funktionalisierten Polyurethanen erreicht, die physikalische Vernetzung kann reversibel die mechanische Festigkeit von Filmen erhöhen und Hybride mit kontrollierter Morphologie zeigen eine Kombination von Vorteilen ihrer Einzelbestandteile. Ferner zeichnen sich die synthetisierten Polyurethane gegenüber anderen Polymerklassen durch ihre relativ einfache Synthese und die Möglichkeit zur Herstellung multifunktionaler Materialien aus.

Real-Time Multimodal Retinal Image Registration for a Computer Assisted Laser Photocoagulation System

An algorithm for the real-time registration of a retinal video sequence captured with a scanning digital ophthalmoscope (SDO) to a retinal composite image is presented. This method is designed for a computer-assisted retinal laser photocoagulation system to compensate for retinal motion and hence enhance the accuracy, speed, and patient safety of retinal laser treatments. The procedure combines intensity and feature-based registration techniques. For the registration of an individual frame, the translational frame-to-frame motion between preceding and current frame is detected by normalized cross correlation. Next, vessel points on the current video frame are identified and an initial transformation estimate is constructed from the calculated translation vector and the quadratic registration matrix of the previous frame. The vessel points are then iteratively matched to the segmented vessel centerline of the composite image to refine the initial transformation and register the video frame to the composite image. Criteria for image quality and algorithm convergence are introduced, which assess the exclusion of single frames from the registration process and enable a loss of tracking signal if necessary. The algorithm was successfully applied to ten different video sequences recorded from patients. It revealed an average accuracy of 2.47 ± 2.0 pixels (∼23.2 ± 18.8 μm) for 2764 evaluated video frames and demonstrated that it meets the clinical requirements.

Local strain distribution in real three-dimensional alveolar geometries

Mechanical ventilation is not only a life saving treatment but can also cause negative side effects. One of the main complications is inflammation caused by overstretching of the alveolar tissue. Previously, studies investigated either global strains or looked into which states lead to inflammatory reactions in cell cultures. However, the connection between the global deformation, of a tissue strip or the whole organ, and the strains reaching the single cells lining the alveolar walls is unknown and respective studies are still missing. The main reason for this is most likely the complex, sponge-like alveolar geometry, whose three-dimensional details have been unknown until recently. Utilizing synchrotron-based X-ray tomographic microscopy, we were able to generate real and detailed three-dimensional alveolar geometries on which we have performed finite-element simulations. This allowed us to determine, for the first time, a three-dimensional strain state within the alveolar wall. Briefly, precision-cut lung slices, prepared from isolated rat lungs, were scanned and segmented to provide a three-dimensional geometry. This was then discretized using newly developed tetrahedral elements. The main conclusions of this study are that the local strain in the alveolar wall can reach a multiple of the value of the global strain, for our simulations up to four times as high and that thin structures obviously cause hotspots that are especially at risk of overstretching.

Time-lapse microscopy and classification of 2D human mesenchymal stem cells based on cell shape picks up myogenic from osteogenic and adipogenic differentiation

Current methods to characterize mesenchymal stem cells (MSCs) are limited to CD marker expression, plastic adherence and their ability to differentiate into adipogenic, osteogenic and chondrogenic precursors. It seems evident that stem cells undergoing differentiation should differ in many aspects, such as morphology and possibly also behaviour; however, such a correlation has not yet been exploited for fate prediction of MSCs. Primary human MSCs from bone marrow were expanded and pelleted to form high-density cultures and were then randomly divided into four groups to differentiate into adipogenic, osteogenic chondrogenic and myogenic progenitor cells. The cells were expanded as heterogeneous and tracked with time-lapse microscopy to record cell shape, using phase-contrast microscopy. The cells were segmented using a custom-made image-processing pipeline. Seven morphological features were extracted for each of the segmented cells. Statistical analysis was performed on the seven-dimensional feature vectors, using a tree-like classification method. Differentiation of cells was monitored with key marker genes and histology. Cells in differentiation media were expressing the key genes for each of the three pathways after 21 days, i.e. adipogenic, osteogenic and chondrogenic, which was also confirmed by histological staining. Time-lapse microscopy data were obtained and contained new evidence that two cell shape features, eccentricity and filopodia (= 'fingers') are highly informative to classify myogenic differentiation from all others. However, no robust classifiers could be identified for the other cell differentiation paths. The results suggest that non-invasive automated time-lapse microscopy could potentially be used to predict the stem cell fate of hMSCs for clinical application, based on morphology for earlier time-points. The classification is challenged by cell density, proliferation and possible unknown donor-specific factors, which affect the performance of morphology-based approaches. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Functional flexibility of intestinal IgA - broadening the fine line

Intestinal bacteria outnumber our own human cells in conditions of both health and disease. It has long been recognized that secretory antibody, particularly IgA, is produced in response to these microbes and hypothesized that this must play an important role in defining the relationship between a host and its intestinal microbes. However, the exact role of IgA and the mechanisms by which IgA can act are only beginning to be understood. In this review we attempt to unravel the complex interaction between so-called "natural," "primitive" (T-cell-independent), and "classical" IgA responses, the nature of the intestinal microbiota/intestinal pathogens and the highly flexible dynamic homeostasis of the mucosal immune system. Such an analysis reveals that low-affinity IgA is sufficient to protect the host from excess mucosal immune activation induced by harmless commensal microbes. However, affinity-maturation of "classical" IgA is essential to provide protection from more invasive commensal species such as segmented filamentous bacteria and from true pathogens such as Salmonellatyphimurium. Thus a correlation is revealed between "sophistication" of the IgA response and aggressiveness of the challenge. A second emerging theme is that more-invasive species take advantage of host inflammatory mechanisms to more successfully compete with the resident microbiota. In many cases, the function of IgA may be to limit such inflammatory responses, either directly by coagulating or inhibiting virulence of bacteria before they can interact with the host or by modulating immune signaling induced by host recognition. Therefore IgA appears to provide an added layer of robustness in the intestinal ecosystem, promoting "commensal-like" behavior of its residents.

Dissociated lateralization of transient and sustained blood oxygen level-dependent signal components in human primary auditory cortex

Among other auditory operations, the analysis of different sound levels received at both ears is fundamental for the localization of a sound source. These so-called interaural level differences, in animals, are coded by excitatory-inhibitory neurons yielding asymmetric hemispheric activity patterns with acoustic stimuli having maximal interaural level differences. In human auditory cortex, the temporal blood oxygen level-dependent (BOLD) response to auditory inputs, as measured by functional magnetic resonance imaging (fMRI), consists of at least two independent components: an initial transient and a subsequent sustained signal, which, on a different time scale, are consistent with electrophysiological human and animal response patterns. However, their specific functional role remains unclear. Animal studies suggest these temporal components being based on different neural networks and having specific roles in representing the external acoustic environment. Here we hypothesized that the transient and sustained response constituents are differentially involved in coding interaural level differences and therefore play different roles in spatial information processing. Healthy subjects underwent monaural and binaural acoustic stimulation and BOLD responses were measured using high signal-to-noise-ratio fMRI. In the anatomically segmented Heschl's gyrus the transient response was bilaterally balanced, independent of the side of stimulation, while in opposite the sustained response was contralateralized. This dissociation suggests a differential role at these two independent temporal response components, with an initial bilateral transient signal subserving rapid sound detection and a subsequent lateralized sustained signal subserving detailed sound characterization.

Maternal tobacco smoking and decreased leukocytes, including dendritic cells, in neonates

Maternal smoking in pregnancy is associated with respiratory diseases in the offspring, possibly due to prenatal influences on the developing immune system. We investigated whether maternal smoking in pregnancy was associated with cord blood leukocyte numbers, including precursor dendritic cells, adjusting for concomitant factors. In a prospective healthy birth cohort study, total leukocyte counts were reduced in neonates of smoking mothers [10.7 (8.4-13.0), n=14] compared with nonexposed infants [14.7 (13.7-15.7), n=74, p=0.002] [geometric mean cells x 10(3)/microL (95% confidence interval)]. All leukocyte subsets were decreased, most prominently segmented neutrophils [4.3 (2.8-5.7) versus 6.2 (5.5-6.8), p=0.021], lymphocytes [3.8 (2.9-4.8) versus 5.0 (4.5-5.6), p=0.036], and myeloid precursor dendritic cells [12.7 cells/microL (9.1-17.8) versus 18.3 (15.8-21.2), p=0.055]. These differences persisted after adjustment for possible confounders. Predictors of myeloid precursor dendritic cell numbers in multivariable models were maternal smoking (-5.1 cells/microL, p=0.042), age (-0.5 cells/microL/y, p=0.035), and, marginally, asthma (+8.1 cells/microL, p=0.075). The decrease of all leukocytes in neonates of smoking mothers could be clinically significant and suggests a decreased cell production, increased peripheral recruitment, or retention in bone marrow. Given the importance of dendritic cells in early immune responses, their decrease might reflect an impact of maternal smoking on the developing fetal immune system.