TY  - THES
A1  - Huegle, Johannes
T1  - Causal discovery in practice: Non-parametric conditional independence testing and tooling for causal discovery
T1  - Kausale Entdeckung in der Praxis: Nichtparametrische bedingte Unabhängigkeitstests und Werkzeuge für die Kausalentdeckung
N2  - Knowledge about causal structures is crucial for decision support in various domains. For example, in discrete manufacturing, identifying the root causes of failures and quality deviations that interrupt the highly automated production process requires causal structural knowledge. However, in practice, root cause analysis is usually built upon individual expert knowledge about associative relationships. But, "correlation does not imply causation", and misinterpreting associations often leads to incorrect conclusions. Recent developments in methods for causal discovery from observational data have opened the opportunity for a data-driven examination. Despite its potential for data-driven decision support, omnipresent challenges impede causal discovery in real-world scenarios. In this thesis, we make a threefold contribution to improving causal discovery in practice.

(1) The growing interest in causal discovery has led to a broad spectrum of methods with specific assumptions on the data and various implementations. Hence, application in practice requires careful consideration of existing methods, which becomes laborious when dealing with various parameters, assumptions, and implementations in different programming languages. Additionally, evaluation is challenging due to the lack of ground truth in practice and limited benchmark data that reflect real-world data characteristics.
To address these issues, we present a platform-independent modular pipeline for causal discovery and a ground truth framework for synthetic data generation that provides comprehensive evaluation opportunities, e.g., to examine the accuracy of causal discovery methods in case of inappropriate assumptions.

(2) Applying constraint-based methods for causal discovery requires selecting a conditional independence (CI) test, which is particularly challenging in mixed discrete-continuous data omnipresent in many real-world scenarios. In this context, inappropriate assumptions on the data or the commonly applied discretization of continuous variables reduce the accuracy of CI decisions, leading to incorrect causal structures. 
Therefore, we contribute a non-parametric CI test leveraging k-nearest neighbors methods and prove its statistical validity and power in mixed discrete-continuous data, as well as the asymptotic consistency when used in constraint-based causal discovery. An extensive evaluation of synthetic and real-world data shows that the proposed CI test outperforms state-of-the-art approaches in the accuracy of CI testing and causal discovery, particularly in settings with low sample sizes. 

(3) To show the applicability and opportunities of causal discovery in practice, we examine our contributions in real-world discrete manufacturing use cases. For example, we showcase how causal structural knowledge helps to understand unforeseen production downtimes or adds decision support in case of failures and quality deviations in automotive body shop assembly lines.
N2  - Kenntnisse über die Strukturen zugrundeliegender kausaler Mechanismen sind eine Voraussetzung für die Entscheidungsunterstützung in verschiedenen Bereichen. In der Fertigungsindustrie beispielsweise erfordert die Fehler-Ursachen-Analyse von Störungen und Qualitätsabweichungen, die den hochautomatisierten Produktionsprozess unterbrechen, kausales Strukturwissen. In Praxis stützt sich die Fehler-Ursachen-Analyse in der Regel jedoch auf individuellem Expertenwissen über assoziative Zusammenhänge. Aber "Korrelation impliziert nicht Kausalität", und die Fehlinterpretation assoziativer Zusammenhänge führt häufig zu falschen Schlussfolgerungen. Neueste Entwicklungen von Methoden des kausalen Strukturlernens haben die Möglichkeit einer datenbasierten Betrachtung eröffnet. Trotz seines Potenzials zur datenbasierten Entscheidungsunterstützung wird das kausale Strukturlernen in der Praxis jedoch durch allgegenwärtige Herausforderungen erschwert. In dieser Dissertation leisten wir einen dreifachen Beitrag zur Verbesserung des kausalen Strukturlernens in der Praxis.

(1) Das wachsende Interesse an kausalem Strukturlernen hat zu einer Vielzahl von Methoden mit spezifischen statistischen Annahmen über die Daten und verschiedenen Implementierungen geführt. Daher erfordert die Anwendung in der Praxis eine sorgfältige Prüfung der vorhandenen Methoden, was eine Herausforderung darstellt, wenn verschiedene Parameter, Annahmen und Implementierungen in unterschiedlichen Programmiersprachen betrachtet werden. Hierbei wird die Evaluierung von Methoden des kausalen Strukturlernens zusätzlich durch das Fehlen von "Ground Truth" in der Praxis und begrenzten Benchmark-Daten, welche die Eigenschaften realer Datencharakteristiken widerspiegeln, erschwert.
Um diese Probleme zu adressieren, stellen wir eine plattformunabhängige modulare Pipeline für kausales Strukturlernen und ein Tool zur Generierung synthetischer Daten vor, die umfassende Evaluierungsmöglichkeiten bieten, z.B. um Ungenauigkeiten von Methoden des Lernens kausaler Strukturen bei falschen Annahmen an die Daten aufzuzeigen.

(2) Die Anwendung von constraint-basierten Methoden des kausalen Strukturlernens erfordert die Wahl eines bedingten Unabhängigkeitstests (CI-Test), was insbesondere bei gemischten diskreten und kontinuierlichen Daten, die in vielen realen Szenarien allgegenwärtig sind, die Anwendung erschwert. Beispielsweise führen falsche Annahmen der CI-Tests oder die Diskretisierung kontinuierlicher Variablen zu einer Verschlechterung der Korrektheit der Testentscheidungen, was in fehlerhaften kausalen Strukturen resultiert. 
Um diese Probleme zu adressieren, stellen wir einen nicht-parametrischen CI-Test vor, der auf Nächste-Nachbar-Methoden basiert, und beweisen dessen statistische Validität und Trennschärfe bei gemischten diskreten und kontinuierlichen Daten, sowie dessen asymptotische Konsistenz in constraint-basiertem kausalem Strukturlernen. Eine umfangreiche Evaluation auf synthetischen und realen Daten zeigt, dass der vorgeschlagene CI-Test bestehende Verfahren hinsichtlich der Korrektheit der Testentscheidung und gelernter kausaler Strukturen übertrifft, insbesondere bei geringen Stichprobengrößen. 

(3) Um die Anwendbarkeit und Möglichkeiten kausalen Strukturlernens in der Praxis aufzuzeigen, untersuchen wir unsere Beiträge in realen Anwendungsfällen aus der Fertigungsindustrie. Wir zeigen an mehreren Beispielen aus der automobilen Karosseriefertigungen wie kausales Strukturwissen helfen kann, unvorhergesehene Produktionsausfälle zu verstehen oder eine Entscheidungsunterstützung bei Störungen und Qualitätsabweichungen zu geben.
KW  - causal discovery
KW  - causal structure learning
KW  - causal AI
KW  - non-parametric conditional independence testing
KW  - manufacturing
KW  - causal reasoning
KW  - mixed data
KW  - kausale KI
KW  - kausale Entdeckung
KW  - kausale Schlussfolgerung
KW  - kausales Strukturlernen
KW  - Fertigung
KW  - gemischte Daten
KW  - nicht-parametrische bedingte Unabhängigkeitstests
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-635820
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dörries, Timo Julian
T1  - Anomalous transport and non-Gaussian dynamics in mobile-immobile models
N2  - The mobile-immobile model (MIM) has been established in geoscience in the context of contaminant transport in groundwater. Here the tracer particles effectively immobilise, e.g., due to diffusion into dead-end pores or sorption. The main idea of the MIM is to split the total particle density into a mobile and an immobile density. Individual tracers switch between the mobile and immobile state following a two-state telegraph process, i.e., the residence times in each state are distributed exponentially. In geoscience the focus lies on the breakthrough curve (BTC), which is the concentration at a fixed location over time.  We apply the MIM to biological experiments with a special focus on anomalous scaling regimes of the  mean squared displacement (MSD) and non-Gaussian displacement distributions. As an exemplary system, we have analysed the motion of tau proteins, that diffuse freely inside axons of neurons. Their free diffusion thereby corresponds to the mobile state of the MIM. Tau proteins stochastically bind to microtubules, which effectively immobilises the tau proteins until they unbind and continue diffusing. Long immobilisation durations compared to the mobile durations give rise to distinct non-Gaussian Laplace shaped distributions. It is  accompanied by a plateau in the MSD for initially mobile tracer particles at relevant intermediate timescales. An equilibrium fraction of initially mobile tracers gives rise to non-Gaussian displacements at intermediate timescales, while the MSD remains linear at all times. In another setting  bio molecules diffuse in a biosensor and transiently bind to specific receptors, where advection becomes relevant in the mobile state. The plateau in the MSD observed for the advection-free setting and long immobilisation durations persists also for the case with advection. We find a new clear regime of anomalous diffusion with non-Gaussian distributions and a cubic scaling of the MSD. This regime emerges for initially mobile and for initially immobile tracers. For an equilibrium fraction of initially mobile tracers we observe an intermittent ballistic scaling of the MSD.  The long-time effective diffusion coefficient is enhanced by advection, which we physically explain with the variance of mobile durations.  Finally, we generalize the MIM to incorporate arbitrary immobilisation time distributions and focus on a Mittag-Leffler immobilisation time distribution with power-law tail ~ t^(-1-mu)  with 0<mu<1 and diverging mean immobilisation durations.  A fit of our model to the BTC of experimental data from tracer particles in aquifers matches the BTC including the power-law tail.  We use the fit parameters for plotting the displacement distributions and the MSD. We find Gaussian normal diffusion at short times and long-time power-law decay of mobile mass accompanied by anomalous diffusion at long times.  The long-time diffusion is subdiffusive in the advection-free setting, while it is either subdiffusive for 0<mu<1/2 or superdiffusive for 1/2<mu<1 when advection is present. In the long-time limit we show equivalence of our model to a bi-fractional diffusion equation.
N2  - In den Geowissenschaften wurde das 	"mobile-immobile model" (MIM) entwickelt, um den Transport von Verunreinigungen in Grundwässern zu beschreiben. Diese Verunreinigungen können in Sackgassenporen diffundieren oder an Oberflächen adsorbieren. Dabei bewegen sich die Verunreinigungen effektiv nicht. Der Grundgedanke des MIMs besteht darin, die Dichte der Verunreinigungen in eine Dichte aus mobilen Partikeln und eine Dichte aus immobilen Partikeln aufzuteilen. Jedes einzelne Teilchen der  Verunreinigung wechselt dabei zwischen dem mobilen Zustand, wo es diffundiert und sich durch Advektion bewegt und dem immobilen Zustand, wo es sich nicht bewegt. Je nach Zustand wird die Verunreinigung der mobilen oder der immobilen Dichte zugerechnet. Die Aufenthaltsdauern im mobilen und immobilen Zustand folgen jeweils einer Exponentialverteilung. Dies bedeutet, dass der Wechsel zwischen mobilen und immobilen Zustand durch einen Telegrafenprozess beschrieben werden kann. In den Geowissenschaften liegt der Fokus auf der "breakthrough curve" (BTC), was die Konzentrationskurve an einem festen Ort definiert. Der Grundgedanke dieser Arbeit besteht nun darin, das MIM auf biologische Systeme zu übertragen, wo beispielsweise Proteine zwischen einem diffusiven und einem immobilen Zustand wechseln. Dabei fokussieren wir uns auf Messgrößen, die üblicherweise in Experimenten mit einzelnen Molekülen oder Proteinen gemessen werden. Typische Messgrößen stellen die mittlere quadratische Verschiebung (MSD) und die Verschiebungsdichte dar, wobei wir besonderen Fokus auf nicht-lineare MSDs und nicht-Gaußsche Verteilungen legen. Als tragendes Beispiel für MIM in biologischen Systemen identifizieren wir Tau Proteine, welche in Nervenzellen diffundieren und für eine zufällige Dauer an Mikrotubuli binden, wobei sie effektiv unbeweglich werden. In der eindimensionalen Beschreibung des Systems sind die mittleren Bindungsdauern wesentlich länger als die durchschnittlichen Diffusionsdauern. Dadurch entsteht eine exponentielle Ortswahrscheinlichkeitsverteilung begleitet von einem Plateau im MSD auf mittleren Zeitskalen, wenn die Proteine zu Beginn alle mobil sind. Für eine Gleichgewichtsverteilung an mobilen Proteinen zu Beginn ist das MSD linear, wobei die Verteilung einer skalierten Laplaceverteilung entspricht. In anderen Systemen, wie beispielsweise biologischen Molekülen in Biosensoren, spielt Advektion eine wichtige Rolle. Das Plateau, welches wir im MSD für lange mittlere Immobilisierungsdauern finden, besteht auch mit Advektion. Zusätzlich finden wir ein neues Regime mit einem anomalen Skalierungsverhalten des MSDs. Dabei wächst das MSD kubisch unabhängig von der mittleren Immobilisierungsdauer, sofern die Advektionsgeschwindigkeit hinreichend groß ist. Für eine Gleichgewichtsverteilung an mobilen Molekülen finden wir ein ballistisches Regime im MSD. Das Langzeitverhalten vom MSD ist linear, wobei der effektive Diffusionskoeffizient durch Advektion verstärkt wird. Dieser Effekt ist in der Literatur bekannt. Wir bieten hier aber eine physikalische Erklärung über eine Kopplung der Advektion mit der Varianz der gesamten Aufenthaltsdauer im mobilen Zustand.  Abschließend erweitern wir das MIM, indem wir über exponentiell verteilte Immobilisierungsdauern hinausgehen und beliebige Verteilungen zulassen.  Das entsprechende Modell nennen wir extended MIM (EMIM).  Besonderen Fokus legen wir dabei auf eine Mittag-Leffler Verteilung, die sich  durch ein Potenzgesetz ~t^(-1-mu) mit 0<mu<1 für lange Immobilisierungsdauern auszeichnet. Solche Verteilungen werden in Experimenten gemessen. Das Potenzgesetz hat zur Folge, dass der Mittelwert divergiert.  Wir fitten EMIM zu einer BTC aus einem Experiment, in dem die Konzentration von fluoreszenter Farbe nach Durchlauf eines Grundwasserleiters gemessen wird.  Das gemessene Potenzgesetz der BTC kann durch MIM erklärt werden. Wir verwenden die erhaltenen Fitparameter, um das MSD und die Dichten darzustellen. Dabei finden wir ein lineares MSD mit Gaußscher Verteilung zu Beginn und eine nicht-Gaußsche Verteilung im Langzeitverhalten. Im Allgemeinen ist das MSD von EMIM mit der Mittag-Leffler Verteilung subdiffusiv im advektionsfreien Fall. Mit vorhandener Advektion finden wir Subdiffusion für 0<mu<1/2 und Superdiffusion für 1/2<mu<1. Im Langzeitlimes konvergiert EMIM zu einer bifraktionelen Diffusiongleichung.
KW  - anomalous diffusion
KW  - tau proteins
KW  - contaminant transport
KW  - mobile-immobile model (MIM)
KW  - anomale Diffusion
KW  - Schadstofftransport
KW  - mobile-immobile model (MIM)
KW  - Tau-Protein
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634959
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TY  - THES
A1  - Hippel, Barbara von
T1  - Long-term bacteria-fungi-plant associations in permafrost soils inferred from palaeometagenomics
N2  - The arctic is warming 2 – 4 times faster than the global average, resulting in a strong feedback on northern ecosystems such as boreal forests, which cover a vast area of the high northern latitudes. With ongoing global warming, the treeline subsequently migrates northwards into tundra areas. The consequences of turning ecosystems are complex: on the one hand, boreal forests are storing large amounts of global terrestrial carbon and act as a carbon sink, dragging carbon dioxide out of the global carbon cycle, suggesting an enhanced carbon uptake with increased tree cover. On the other hand, with the establishment of trees, the albedo effect of tundra decreases, leading to enhanced soil warming. Meanwhile, permafrost thaws, releasing large amounts of previously stored carbon into the atmosphere. So far, mainly vegetation dynamics have been assessed when studying the impact of warming onto ecosystems. Most land plants are living in close symbiosis with bacterial and fungal communities, sustaining their growth in nutrient poor habitats. However, the impact of climate change on these subsoil communities alongside changing vegetation cover remains poorly understood. Therefore, a better understanding of soil community dynamics on multi millennial timescales is inevitable when addressing the development of entire ecosystems. Unravelling long-term cross-kingdom dependencies between plant, fungi, and bacteria is not only a milestone for the assessment of warming on boreal ecosystems. On top, it also is the basis for agriculture strategies to sustain society with sufficient food in a future warming world.
The first objective of this thesis was to assess ancient DNA as a proxy for reconstructing the soil microbiome (Manuscripts I, II, III, IV). Research findings across these projects enable a comprehensive new insight into the relationships of soil microorganisms to the surrounding vegetation. First, this was achieved by establishing (Manuscript I) and applying (Manuscript II) a primer pair for the selective amplification of ancient fungal DNA from lake sediment samples with the metabarcoding approach. To assess fungal and plant co-variation, the selected primer combination (ITS67, 5.8S) amplifying the ITS1 region was applied on samples from five boreal and arctic lakes. The obtained data showed that the establishment of fungal communities is impacted by warming as the functional ecological groups are shifting. Yeast and saprotroph dominance during the Late Glacial declined with warming, while the abundance of mycorrhizae and parasites increased with warming. The overall species richness was also alternating. The results were compared to shotgun sequencing data reconstructing fungi and bacteria (Manuscripts III, IV), yielding overall comparable results to the metabarcoding approach. Nonetheless, the comparison also pointed out a bias in the metabarcoding, potentially due to varying ITS lengths or copy numbers per genome. 
The second objective was to trace fungus-plant interaction changes over time (Manuscripts II, III). To address this, metabarcoding targeting the ITS1 region for fungi and the chloroplast P6 loop for plants for the selective DNA amplification was applied (Manuscript II). Further, shotgun sequencing data was compared to the metabarcoding results (Manuscript III). Overall, the results between the metabarcoding and the shotgun approaches were comparable, though a bias in the metabarcoding was assumed. We demonstrated that fungal shifts were coinciding with changes in the vegetation. Yeast and lichen were mainly dominant during the Late Glacial with tundra vegetation, while warming in the Holocene lead to the expansion of boreal forests with increasing mycorrhizae and parasite abundance. Aside, we highlighted that Pinaceae establishment is dependent on mycorrhizal fungi such as Suillineae, Inocybaceae, or Hyaloscypha species also on long-term scales. 
The third objective of the thesis was to assess soil community development on a temporal gradient (Manuscripts III, IV). Shotgun sequencing was applied on sediment samples from the northern Siberian lake Lama and the soil microbial community dynamics compared to ecosystem turnover. Alongside, podzolization processes from basaltic bedrock were recovered (Manuscript III). Additionally, the recovered soil microbiome was compared to shotgun data from granite and sandstone catchments (Manuscript IV, Appendix). We assessed if the establishment of the soil microbiome is dependent on the plant taxon and as such comparable between multiple geographic locations or if the community establishment is driven by abiotic soil properties and as such the bedrock area. We showed that the development of soil communities is to a great extent driven by the vegetation changes and temperature variation, while time only plays a minor role. The analyses showed general ecological similarities especially between the granite and basalt locations, while the microbiome on species-level was rather site-specific. A greater number of correlated soil taxa was detected for deep-rooting boreal taxa in comparison to grasses with shallower roots. Additionally, differences between herbaceous taxa of the late Glacial compared to taxa of the Holocene were revealed.
With this thesis, I demonstrate the necessity to investigate subsoil community dynamics on millennial time scales as it enables further understanding of long-term ecosystem as well as soil development processes and such plant establishment. Further, I trace long-term processes leading to podzolization which supports the development of applied carbon capture strategies under future global warming.
N2  - Die Arktis erwärmt sich schneller als der weltweite Durschnitt, was die dortigen Ökosysteme wie die borealen Nadelwälder stark beeinflusst. Die Baumgrenze verschiebt sich durch veränderte Wachstumsbedingungen nach Norden und breitet sich in Tundra-Gegenden aus. Das führt zu komplexen Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf, da durch das Baumwachstum vermehrt CO2 im Boden gespeichert wird. Andererseits wird der Albedo-Effekt der Tundra verringert und der Boden erwärmt sich verstärkt. Das wiederum führt zum Tauen von Permafrost und setzt große Mengen an gespeichertem Kohlenstoff frei. Bislang wurde vor allem die Auswirkung der Erwärmung auf Vegetationsdynamiken untersucht. Für ein gesundes Pflanzenwachstum stehen die meisten Landpflanzen in engem Austausch mit einer Vielzahl an Bakterien und Pilzen. Es ist bislang wenig verstanden, wie diese Bodengemeinschaften durch den Klimawandel beeinflusst werden. Es ist deshalb notwendig, verstärkt auch die Langzeitabhängigkeiten der Pflanzen von Mikroorganismen zu betrachten. Dies ist nicht nur ein Meilenstein bei der Untersuchung des Klimawandels auf arktische Ökosysteme. Zudem wird so die Entwicklung angepasster Strategien im Bereich der Landwirtschaft ermöglicht, was die Grundlage dafür ist, die wachsende Bevölkerung auch in Zukunft mit ausreichend Nahrungsmitteln versorgen zu können.
Im ersten Teil meiner Arbeit untersuche ich das Potential, die Dynamiken von Bodenmikroorganismen aus Seesedimenten zu rekonstruieren. Ich habe gezeigt, dass molekulargenetische Analysen das sowohl für Pilze als auch Bakterien auf großen Zeitskalen ermöglichen. Eine Zuweisung der Mikroorganismen zu ihren Funktionen im Ökosystem ermöglichte, Dynamiken in den Nährstoffkreisläufen sowie in Pilzökologien zu verstehen.
Die Analyse der komplexen Assoziationen von Pilzen und Pflanzen bildete den zweiten Teil meiner Arbeit. Hier konnte ich zeigen, dass Pilze und Pflanzen spezifische Muster in ihren Vorkommen miteinander zeigen und dass die Vegetation das Pilzvorkommen auch auf großen Zeitskalen beeinflusst. Die Tundravegetation des Spätglazials war vor allem von Flechten und Hefevorkommen dominiert, während die Einwanderung von borealen Wäldern in die untersuchten Gebiete zu zunehmder Mykorrhiza- und Parasitenverbreitung führte. Ich habe auch gezeigt, dass die Etablierung von Pinaceen langfristig von spezifischen Mykorrhiza-Pilzen wie Suillineae, Inocybaceae oder Hyaloscypha-Arten abhängt.
Das dritte Ziel meiner Arbeit war es, zeitliche Dynamiken in der Zusammensetzung von Bodenorganismen im Bezug zur Entstehung von Böden zu rekonstruieren. Mir gelang es, die Verwitterung von Basalt nachzuvollziehen und daraus die Entstehung von Podsol abzuleiten. Ein Vergleich zu Bodengesellschaften aus Granit- und Sandstein-Einzugsgebieten zeigte, dass sich die Granit- und Basalt-Bodeneigenschaften ähneln. Allerdings zeigten die Pflanzen an den Standorten ein sehr ortsspezifisches Mikrobiom und somit eine lokale Anpassung an die Wachstumsbedingungen.
Ich konnte mit dieser Arbeit zeigen, dass die Rekonstruktion von Bodenmikroorganismen im Vergleich zur Vegetation einen Einblick in Ökosystemdynamiken unter Klimawandel ermöglicht. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis von Bodenentstehungsprozessen und vereinfacht die Entwicklung angewandter carbon capture Strategien.
KW  - sedimentary ancient DNA
KW  - ecology
KW  - lake sediment
KW  - Arctic
KW  - ecosystem reconstruction
KW  - climate change
KW  - treeline dynamics
KW  - microbial soil communities
KW  - plant-microbe interactions
KW  - Arktis
KW  - Klimawandel
KW  - Ökologie
KW  - Ökosystem-Rekonstruktion
KW  - Seesediment
KW  - mikrobielle Bodengemeinschaften
KW  - Pflanzen-Mikroben-Interaktionen
KW  - sedimentary ancient DNA
KW  - Baumgrenzen-Dynamik
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636009
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TY  - THES
A1  - Aue, Lars
T1  - Cyclone impacts on sea ice in the Atlantic Arctic Ocean
T1  - Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Atlantischen Arktischen Ozean
N2  - The Arctic is the hot spot of the ongoing, global climate change. Over the last decades, near-surface temperatures in the Arctic have been rising almost four times faster than on global average. This amplified warming of the Arctic and the associated rapid changes of its environment are largely influenced by interactions between individual components of the Arctic climate system. On daily to weekly time scales, storms can have major impacts on the Arctic sea-ice cover and are thus an important part of these interactions within the Arctic climate. The sea-ice impacts of storms are related to high wind speeds, which enhance the drift and deformation of sea ice, as well as to changes in the surface energy budget in association with air mass advection, which impact the seasonal sea-ice growth and melt. 

The occurrence of storms in the Arctic is typically associated with the passage of transient cyclones. Even though the above described mechanisms how storms/cyclones impact the Arctic sea ice are in principal known, there is a lack of statistical quantification of these effects. In accordance with that, the overarching objective of this thesis is to statistically quantify cyclone impacts on sea-ice concentration (SIC) in the Atlantic Arctic Ocean over the last four decades. In order to further advance the understanding of the related mechanisms, an additional objective is to separate dynamic and thermodynamic cyclone impacts on sea ice and assess their relative importance. Finally, this thesis aims to quantify recent changes in cyclone impacts on SIC. These research objectives are tackled utilizing various data sets, including atmospheric and oceanic reanalysis data as well as a coupled model simulation and a cyclone tracking algorithm. 

Results from this thesis demonstrate that cyclones are significantly impacting SIC in the Atlantic Arctic Ocean from autumn to spring, while there are mostly no significant impacts in summer. The strength and the sign (SIC decreasing or SIC increasing) of the cyclone impacts strongly depends on the considered daily time scale and the region of the Atlantic Arctic Ocean. Specifically, an initial decrease in SIC (day -3 to day 0 relative to the cyclone) is found in the Greenland, Barents and Kara Seas, while SIC increases following cyclones (day 0 to day 5 relative to the cyclone) are mostly limited to the Barents and Kara Seas. 
 
For the cold season, this results in a pronounced regional difference between overall (day -3 to day 5 relative to the cyclone) SIC-decreasing cyclone impacts in the Greenland Sea and overall SIC-increasing cyclone impacts in the Barents and Kara Seas. A cyclone case study based on a coupled model simulation indicates that both dynamic and thermodynamic mechanisms contribute to cyclone impacts on sea ice in winter. A typical pattern consisting of an initial dominance of dynamic sea-ice changes followed by enhanced thermodynamic ice growth after the cyclone passage was found. This enhanced ice growth after the cyclone passage most likely also explains the (statistical) overall SIC-increasing effects of cyclones in the Barents and Kara Seas in the cold season.

Significant changes in cyclone impacts on SIC over the last four decades have emerged throughout the year. These recent changes are strongly varying from region to region and month to month. The strongest trends in cyclone impacts on SIC are found in autumn in the Barents and Kara Seas. Here, the magnitude of destructive cyclone impacts on SIC has approximately doubled over the last four decades. The SIC-increasing effects following the cyclone passage have particularly weakened in the Barents Sea in autumn. As a consequence, previously existing overall SIC-increasing cyclone impacts in this region in autumn have recently disappeared. Generally, results from this thesis show that changes in the state of the sea-ice cover (decrease in mean sea-ice concentration and thickness) and near-surface air temperature are most important for changed cyclone impacts on SIC, while changes in cyclone properties (i.e. intensity) do not play a significant role.
N2  - Die Arktis ist der Hotspot des globalen Klimawandels. In den letzten Jahrzehnten sind die oberflächennahen Temperaturen in der Arktis fast viermal so schnell gestiegen wie im globalen Durchschnitt. Diese verstärkte Erwärmung der Arktis und die damit verbundenen raschen Umweltveränderungen werden u.a. durch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten des arktischen Klimasystems angetrieben. Auf täglichen bis wöchentlichen Zeitskalen können Stürme große Einflüsse auf das arktische Meereis haben und sind somit ein wichtiger Teil dieser Wechselwirkungen innerhalb des arktischen Klimas. Der Einfluss der Stürme auf das Meereis resultiert aus den hohen Windgeschwindigkeiten, welche die Drift und Verformung des Meereises verstärken, sowie aus Änderungen in der Oberflächenenergiebilanz im Zusammenhang mit der Advektion von Luftmassen, was das Wachstum und Schmelzen des Meereises beeinflusst.

Das Auftreten von Stürmen in der Arktis ist oft mit dem Durchzug von Zyklonen verbunden. Obwohl die oben beschriebenen Mechanismen, wie sich Stürme/Zyklone auf das arktische Meereis auswirken, im Prinzip bekannt sind, fehlt es an einer statistischen Quantifizierung dieser Effekte. Dementsprechend ist das übergeordnete Ziel dieser Arbeit eine statistische Quantifizierung der Auswirkungen von Zyklonen auf die Meereiskonzentration (engl. Sea Ice Concentration, SIC) im atlantischen Arktischen Ozeans über die letzten vier Jahrzehnte. Um ein Verständnis für die zugrunde liegenden Mechanismen zu erlangen, besteht ein weiteres Ziel darin, die dynamischen und thermodynamischen Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis zu trennen und ihre relative Bedeutung zu analysieren. Zuletzt zielt diese Arbeit darauf ab, aktuelle Veränderungen der Zykloneneinflüsse auf das Meereis zu quantifizieren. Zum Erreichen dieser Forschungsziele werden verschiedene Datensätze genutzt, darunter atmosphärische und ozeanische Reanalysedaten sowie eine gekoppelte Modellsimulation und ein Algorithmus zur automatischen Identifikation von Zyklonen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Zyklone die SIC im atlantischen Arktischen Ozean von Herbst bis Frühjahr signifikant beeinflussen, während es im Sommer meist keine signifikanten Auswirkungen gibt. Die Stärke und das Vorzeichen (abnehmende oder zunehmende SIC) der Auswirkungen der Zyklone hängt stark von der betrachteten täglichen Zeitskala und der Region des Arktischen Ozeans ab. So ist ein anfänglicher Rückgang der SIC (Tag -3 bis Tag 0 relativ zum Zyklonendurchgang) in der Grönland-, der Barents- und der Karasee festzustellen, während ein SIC-Anstieg nach dem Zyklonendurchgang (Tag 0 bis Tag 5 relativ zum Zyklonendurchgang) hauptsächlich auf die Barents- und die Karasee beschränkt ist.

Für die kalte Jahreszeit ergibt sich daraus ein ausgeprägter regionaler Unterschied zwischen insgesamt (Tag -3 bis Tag 5 relativ zum Zyklon) SIC-verringernden Zyklonenauswirkungen in der Grönlandsee und insgesamt SIC-erhöhenden Zyklonenauswirkungen in der Barents- und Karasee. Die Analyse spezifischer Zyklonenfälle basierend auf einer gekoppelten Modellsimulation zeigt, dass sowohl dynamische als auch thermodynamische Mechanismen zu den Auswirkungen von Zyklonen auf das Meereis im Winter beitragen. Hierbei wurde ein typisches Muster bestehend aus einer anfänglichen Dominanz dynamischer Meereisveränderungen gefolgt von verstärktem thermodynamischem Eiswachstum nach der Zyklonenpassage gefunden. Dieses verstärkte Eiswachstum nach der Zyklonenpassage erklärt u.a. auch die (statistischen) insgesamt SIC-erhöhenden Effekte von Zyklonen in der Barents- und Karasee im Winter.

Signifikante Änderungen in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC über die letzten vier Dekaden sind das ganze Jahr über zu finden. Diese Veränderungen variieren stark von Region zu Region und von Monat zu Monat. Die stärksten Trends in den Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC sind im Herbst in der Barents- und Karasee zu beobachten. Hier hat sich die Stärke der zerstörerischen Auswirkungen von Zyklonen auf die SIC in den letzten vier Jahrzehnten ungefähr verdoppelt. Die SIC-erhöhenden Effekte nach der Zyklonenpassage haben sich in der Barentssee im Herbst besonders abgeschwächt.  Dadurch sind zuvor existierende, insgesamt SIC-erhöhende Zyklonenauswirkungen in dieser Region und Jahreszeit zuletzt verschwunden. Generell zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Änderungen im Zustand des Meereises (Abnahme der mittleren Meereiskonzentration und -dicke) sowie in der Lufttemperatur die veränderten Auswirkungen der Zyklonen auf die SIC antreiben, während Veränderungen in den Eigenschaften der Zyklonen (z.B. ihre Intensität) keine wesentliche Rolle spielen.
KW  - Arctic
KW  - atmosphere
KW  - sea ice
KW  - cyclones
KW  - meteorology
KW  - Arktis
KW  - Atmosphäre
KW  - Meereis
KW  - Zyklone
KW  - Meteorologie
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634458
SP  - VIII, 131
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TY  - THES
A1  - Freimuth, Nina
T1  - Elucidating the suppression of root hair formation by a member of a novel, short ENTH protein family in Arabidopsis thaliana
T1  - Untersuchungen der Unterdrückung der Wurzelhaarbildung durch ein Mitglied einer neuen, kurzen ENTH-Proteinfamilie in Arabidopsis thaliana
N2  - This work analyzed functional and regulatory aspects of the so far little characterized EPSIN N-terminal Homology (ENTH) domain-containing protein EPSINOID2 in Arabidopsis thaliana. ENTH domain proteins play accessory roles in the formation of clathrin-coated vesicles (CCVs) (Zouhar and Sauer 2014). Their ENTH domain interacts with membranes and their typically long, unstructured C-terminus contains binding motifs for adaptor protein complexes and clathrin itself. There are seven ENTH domain proteins in Arabidopsis. Four of them possess the canonical long C-terminus and participate in various, presumably CCV-related intracellular transport processes (Song et al. 2006; Lee et al. 2007; Sauer et al. 2013; Collins et al. 2020; Heinze et al. 2020; Mason et al. 2023). The remaining three ENTH domain proteins, however, have severely truncated C-termini and were termed EPSINOIDs (Zouhar and Sauer 2014; Freimuth 2015). Their functions are currently unclear. Preceding studies focusing on EPSINOID2 indicated a role in root hair formation: epsinoid2 T DNA mutants exhibited an increased root hair density and EPSINOID2-GFP was specifically located in non-hair cell files in the Arabidopsis root epidermis (Freimuth 2015, 2019). 
In this work, it was clearly shown that loss of EPSINOID2 leads to an increase in root hair density through analyses of three independent mutant alleles, including a newly generated CRISPR/Cas9 full deletion mutant. The ectopic root hairs emerging from non-hair positions in all epsinoid2 mutant alleles are most likely not a consequence of altered cell fate, because extensive genetic analyses placed EPSINOID2 downstream of the established epidermal patterning network. Thus, EPSINOID2 seems to act as a cell autonomous inhibitor of root hair formation. Attempts to confirm this hypothesis by ectopically overexpressing EPSINOID2 led to the discovery of post-transcriptional and -translational regulation through different mechanisms. One involves the little characterized miRNA844-3p. Interference with this pathway resulted in ectopic EPSINOID2 overexpression and decreased root hair density, confirming it as negative factor in root hair formation. A second mechanism likely involves proteasomal degradation. Treatment with proteasomal inhibitor MG132 led to EPSINOID2-GFP accumulation, and a KEN box degron motif was identified in the EPSINOID2 sequence associated with degradation through a ubiquitin/proteasome-dependent pathway. In line with a tight dose regulation, genetic analyses of all three mutant alleles indicate that EPSINOID2 is haploinsufficient. Lastly, it was revealed that, although EPSINOID2 promoter activity was found in all epidermal cells, protein accumulation was observed in N-cells only, hinting at yet another layer of regulation.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden funktionelle und regulatorische Aspekte des bisher wenig charakterisierten EPSIN N-Terminal Homology (ENTH)-Domäne-enthaltenden Proteins EPSINOID2 in Arabidopsis thaliana untersucht. ENTH-Domänen Proteine spielen akzessorische Rollen in der Bildung von Clathrin-umhüllten Vesikeln (CCVs) (Zouhar and Sauer 2014). Ihre ENTH-Domäne interagiert mit Membranen und ihr typischerweise langer, unstrukturierter C-Terminus enthält Bindungsmotive für Adapterproteinkomplexe und Clathrin selbst. In Arabidopsis gibt es sieben ENTH-Domänen Proteine. Vier von ihnen besitzen den langen C-Terminus und sind an verschiedenen, vermutlich CCV-bezogenen intrazellulären Transportprozessen beteiligt (Song et al. 2006; Lee et al. 2007; Sauer et al. 2013; Heinze et al. 2020; Collins et al. 2020; Mason et al. 2023). Die verbleibenden drei ENTH-Domänen Proteine haben jedoch stark verkürzte C-Termini und wurden als EPSINOIDe bezeichnet (Zouhar and Sauer 2014; Freimuth 2015). Ihre Funktion ist derzeit unklar. Vorangegangene Studien, die sich auf EPSINOID2 konzentrierten, deuteten auf eine Rolle bei der Wurzelhaarbildung hin: epsinoid2 T-DNA-Mutanten zeigten eine erhöhte Wurzelhaardichte und EPSINOID2-GFP war speziell in Nicht-Haarzellen in der Wurzelepidermis von Arabidopsis lokalisiert (Freimuth 2015, 2019). 
In dieser Arbeit wurde durch Analysen von drei unabhängigen mutierten Allelen, einschließlich einer neu generierten CRISPR/Cas9-Deletionsmutante, klar gezeigt, dass der Verlust von EPSINOID2 zu einer Erhöhung der Wurzelhaardichte führt. Die ektopischen Wurzelhaare, die in allen epsinoid2 Allelen aus Nicht-Haar-Positionen hervorgehen, sind höchstwahrscheinlich keine Folge eines veränderten Zellschicksals, da umfangreiche genetische Analysen EPSINOID2 dem etablierten Netzwerk zur Ausbildung der epidermalen Identität nachgeschaltet platziert haben. Somit scheint EPSINOID2 als zellautonomer Inhibitor der Wurzelhaarbildung zu wirken. Versuche, diese Hypothese durch ektopische Überexpression von EPSINOID2 zu bestätigen, führten zur Entdeckung einer post-transkriptionellen und  translationalen Regulation durch verschiedene Mechanismen. Bei einem davon handelt es sich um die wenig charakterisierte miRNA844-3p. Eine Beeinträchtigung dieses Signalwegs führte zu einer ektopischen Überexpression von EPSINOID2 und einer verringerten Wurzelhaardichte, was bestätigt, dass es sich um einen negativen Faktor bei der Wurzelhaarbildung handelt. Ein zweiter Mechanismus beinhaltet wahrscheinlich den proteasomalen Abbau. Die Behandlung mit dem proteasomalen Inhibitor MG132 führte zur Akkumulation von EPSINOID2-GFP, und in der Sequenz von EPSINOID2 wurde ein KEN-Box Degron Motiv identifiziert, das mit dem Abbau über einen Ubiquitin/Proteasom-abhängigen Weg verbunden ist. Im Einklang mit einer strengen Dosisregulierung zeigten genetische Analysen aller drei mutierten Allele, dass EPSINOID2 haploinsuffizient ist. Abschließend wurde festgestellt, dass die Aktivität des EPSINOID2 Promotors zwar in allen Epidermiszellen zu finden war, eine Proteinakkumulation jedoch nur in Nicht-Haarzellen beobachtet wurde, was auf eine weitere Ebene der Regulation hindeutet.
KW  - ENTH domain proteins
KW  - ENTH-Domänen Proteine
KW  - root hair formation
KW  - Wurzelhaarbildung
KW  - miRNA regulation
KW  - miRNA Regulation
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634994
ER  - 
TY  - THES
A1  - Peitz, Diana
T1  - Mindful Eating
N2  - Maladaptive eating behaviors such as emotional eating, external eating, and loss-of-control eating are widespread in the general population. Moreover, they are associated to adverse health outcomes and well-known for their role in the development and maintenance of eating disorders and obesity (i.e., eating and weight disorders). Eating and weight disorders are associated with crucial burden for individuals as well as high costs for society in general. At the same time, corresponding treatments yield poor outcomes. Thus, innovative concepts are needed to improve prevention and treatment of these conditions.
The Buddhist concept of mindfulness (i.e., paying attention to the present moment without judgement) and its delivery via mindfulness-based intervention programs (MBPs) has gained wide popularity in the area of maladaptive eating behaviors and associated eating and weight disorders over the last two decades. Though previous findings on their effects seem promising, the current assessment of mindfulness and its mere application via multi-component MBPs hampers to draw conclusions on the extent to which mindfulness-immanent qualities actually account for the effects (e.g., the modification of maladaptive eating behaviors). However, this knowledge is pivotal for interpreting previous effects correctly and for avoiding to cause harm in particularly vulnerable groups such as those with eating and weight disorders.
To address these shortcomings, recent research has focused on the context-specific approach of mindful eating (ME) to investigate underlying mechanisms of action. ME can be considered a subdomain of generic mindfulness describing it specifically in relation to the process of eating and associated feelings, thoughts, and motives, thus including a variety of different attitudes and behaviors. However, there is no universal operationalization and the current assessment of ME suffers from different limitations. Specifically, current measurement instruments are not suited for a comprehensive assessment of the multiple facets of the construct that are currently discussed as important in the literature. This in turn hampers comparisons of different ME facets which would allow to evaluate their particular effect on maladaptive eating behaviors. This knowledge is needed to tailor prevention and treatment of associated eating and weight disorders properly and to explore potential underlying mechanisms of action which have so far been proposed mainly on theoretical grounds.
The dissertation at hand aims to provide evidence-based fundamental research that contributes to our understanding of how mindfulness, more specifically its context-specific form of ME, impacts maladaptive eating behaviors and, consequently, how it could be used appropriately to enrich the current prevention and treatment approaches for eating and weight disorders in the future.
Specifically, in this thesis, three scientific manuscripts applying several qualitative and quantitative techniques in four sequential studies are presented. These manuscripts were published in or submitted to three scientific peer-reviewed journals to shed light on the following questions: 

I.	How can ME be measured comprehensively and in a reliable and valid way to advance the understanding of how mindfulness works in the context of eating? 
II.	Does the context-specific construct of ME have an advantage over the generic concept in advancing the understanding of how mindfulness is related to maladaptive eating behaviors? 
III.	Which ME facets are particularly useful in explaining maladaptive eating behaviors? 
IV.	Does training a particular ME facet result in changes in maladaptive eating behaviors?

To answer the first research question (Paper 1), a multi-method approach using three subsequent studies was applied to develop and validate a comprehensive self-report instrument to assess the multidimensional construct of ME - the Mindful Eating Inventory (MEI). Study 1 aimed to create an initial version of the MEI by following a three-step approach: First, a comprehensive item pool was compiled by including selected and adapted items of the existing ME questionnaires and supplementing them with items derived from an extensive literature review. Second, the preliminary item pool was complemented and checked for content validity by experts in the field of eating behavior and/or mindfulness (N = 15). Third, the item pool was further refined through qualitative methods: Three focus groups comprising laypersons (N = 16) were used as a check for applicability. Subsequently, think-aloud protocols (N = 10) served as a last check of comprehensibility and elimination of ambiguities. 
The resulting initial MEI version was tested in Study 2 in an online convenience sample (N = 828) to explore its factor structure using exploratory factor analysis (EFA). Results were used to shorten the questionnaire in accordance with qualitative and quantitative criteria yielding the final MEI version which encompasses 30 items. These items were assigned to seven ME facets: (1) ‘Accepting and Non-attached Attitude towards one’s own eating experience’ (ANA), (2) ‘Awareness of Senses while Eating’ (ASE), (3) ‘Eating in Response to awareness of Fullness‘ (ERF), (4) ‘Awareness of eating Triggers and Motives’ (ATM), (5) ‘Interconnectedness’ (CON), (6) ‘Non-Reactive Stance’ (NRS) and (7) Focused Attention on Eating’ (FAE). 
Study 3 sought to confirm the found facets and the corresponding factor structure in an independent online convenience sample (N = 612) using confirmatory factor analysis (CFA). The study served as further indication of the assumed multidimensionality of ME (the correlational seven-factor model was shown to be superior to a single-factor model). Psychometric properties of the MEI, regarding factorial validity, internal consistency, retest-reliability, and observed criterion validity using a wide range of eating-specific and general health-related outcomes, showed the inventory to be suitable for a comprehensive, reliable and valid assessment of ME. These findings were complemented by demonstrating measurement invariance of the MEI regarding gender. In accordance with the factor structure of the MEI, Paper 1 offers an empirically-derived definition of ME, succeeding in overcoming ambiguities and problems of previous attempts at defining the construct.

To answer the second and third research questions (Paper 2) a subsample of Study 2 from the MEI validation studies (N = 292) was analyzed. Incremental validity of ME beyond generic mindfulness was shown using hierarchical regression models concerning the outcome variables of maladaptive eating behaviors (emotional eating and uncontrolled eating) and nutrition behaviors (consumption of energy-dense food). Multiple regression analyses were applied to investigate the impact of the seven different ME facets (identified in Paper 1) on the same outcome variables. The following ME facets significantly contributed to explaining variance in maladaptive eating and nutrition behaviors: Accepting and Non-attached Attitude towards one`s own eating experience (ANA), Eating in Response to awareness of Fullness (ERF), the Awareness of eating Triggers and Motives (ATM), and a Non-Reactive Stance (NRS, i.e., an observing, non-impulsive attitude towards eating triggers). Results suggest that these ME facets are promising variables to consider when a) investigating potential underlying mechanisms of mindfulness and MBPs in the context of eating and b) addressing maladaptive eating behaviors in general as well as in the prevention and treatment of eating and weight disorders.

To answer the fourth research question (Paper 3), a training on an isolated exercise (‘9 Hunger’) based on the previously identified ME facet ATM was designed to explore its particular association with changes in maladaptive eating behaviors and thus to preliminary explore one possible mechanism of action. The online study was realized using a randomized controlled trial (RCT) design. Latent Change Scores (LCS) across three measurement points (before the training, directly after the training and three months later) were compared between the intervention group (n = 211) and a waitlist control group (n = 188). Short- and longer-term effects of the training could be shown on maladaptive eating behaviors (emotional eating, external eating, loss-of-control eating) and associated outcomes (intuitive eating, ME, self-compassion, well-being). Findings serve as preliminary empirical evidence that MBPs might influence maladaptive eating behaviors through an enhanced non-judgmental awareness of and distinguishment between eating motives and triggers (i.e., ATM). This mechanism of action had previously only been hypothesized from a theoretical perspective. Since maladaptive eating behaviors are associated with eating and weight disorders, the findings can enhance our understanding of the general effects of MBPs on these conditions.

The integration of the different findings leads to several suggestions of how ME might enrich different kinds of future interventions on maladaptive eating behaviors to improve health in general or the prevention and treatment of eating and weight disorders in particular. Strengths of the thesis (e.g., deliberate specific methodology, variety of designs and methods, high number of participants) are emphasized. The main limitations particularly regarding sample characteristics (e.g., higher level of formal education, fewer males, self-selected) are discussed to arrive at an outline for future studies (e.g., including multi-modal-multi-method approaches, clinical eating disorder samples and youth samples) to improve upcoming research on ME and underlying mechanisms of action of MBPs for maladaptive eating behaviors and associated eating and weight disorders.
This thesis enriches current research on mindfulness in the context of eating by providing fundamental research on the core of the ME construct. Thereby it delivers a reliable and valid instrument to comprehensively assess ME in future studies as well as an operational definition of the construct. Findings on ME facet level might inform upcoming research and practice on how to address maladaptive eating behaviors appropriately in interventions. The ME skill ‘Awareness of eating Triggers and Motives (ATM)’ as one particular mechanism of action should be further investigated in representative community and specific clinical samples to examine the validity of the results in these groups and to justify an application of the concept to the general population as well as to subgroups with eating and weight disorders in particular.
In conclusion, findings of the current thesis can be used to set future research on mindfulness, more specifically ME, and its underlying mechanism in the context of eating on a more evidence-based footing. This knowledge can inform upcoming prevention and treatment to tailor MBPs on maladaptive eating behaviors and associated eating and weight disorders appropriately.
N2  - Maladaptives Essverhalten wie emotionales Essen, externales Essen und Essen mit Kontrollverlust sind in der Allgemeinbevölkerung weit verbreitet. Neben anderen negativen Auswirkungen auf die Gesundheit, ist maladaptives Essverhalten bekannt für seine Rolle bei der Entwicklung und Aufrechterhaltung von Essstörungen und Adipositas (die unter dem Begriff Ess- und Gewichtsstörungen zusammengefasst werden können). Ess- und Gewichtsstörungen sind mit einer erheblichen Belastung für den Einzelnen und hohen Kosten für die Gesellschaft im Allgemeinen verbunden. Gleichzeitig zeigen bisherige Behandlungsansätze keine zufriedenstellende Wirksamkeit. Daher werden innovative Konzepte benötigt, um die Entwicklung von Präventions- und Behandlungsansätzen zu unterstützen.
Das buddhistische Konzept der Achtsamkeit (d.h. die Aufmerksamkeit auf den gegenwärtigen Moment zu richten, ohne zu urteilen) und seine Umsetzung in Form von achtsamkeitsbasierten Interventionsprogrammen (englisch: mindfulness-based intervention programs; MBPs) hat in den letzten zwei Jahrzehnten im Kontext von maladaptivem Essverhalten und damit assoziierten Ess- und Gewichtsstörungen große Popularität erlangt. Obwohl die bislang gefundenen Effekte vielversprechend sind, lässt die derzeitige Messung von Achtsamkeit sowie ihre vorherrschende Anwendung im Rahmen von MBPs mit mehreren Komponenten keine Rückschlüsse darauf zu, inwieweit die der Achtsamkeit innewohnenden Qualitäten selbst für die gefundenen Effekte verantwortlich sind (z. B. für die Veränderung maladaptiven Essverhaltens). Dieses Wissen ist jedoch von zentraler Bedeutung, um Interventionen richtig zuzuschneiden und potenziell schädliche Effekte in besonders vulnerablen Gruppen - wie beispielsweise denjenigen mit Ess- und Gewichtsstörungen - zu vermeiden.
Um die derzeitigen Limitationen bezogen auf die Erforschung zugrunde liegender Wirkmechanismen zu adressieren, hat sich jüngste Forschung auf den kontextspezifischen Ansatz des achtsamen Essens (englisch: mindful eating, ME) konzentriert. ME kann als ein Unterkonstrukt der generischen Achtsamkeit betrachtet werden, welches sich speziell auf den Prozess des Essens selbst sowie die damit verbundenen Gefühle, Gedanken und Motive bezieht und somit eine Vielzahl unterschiedlicher Einstellungen und Verhaltensweisen umfasst. Allerdings existiert bislang keine allgemeingültige Operationalisierung. Zudem ist die derzeitige Erfassung von ME von unterschiedlichen Limitationen betroffen. Insbesondere sind die derzeitigen Messinstrumente nicht für eine umfassende Erfassung der zahlreichen Facetten des Konstrukts geeignet, die derzeit in der Literatur als wichtig diskutiert werden. Dies wiederum erschwert den Vergleich verschiedener ME-Facetten, der es ermöglichen würde, ihre jeweils spezifische Wirkung auf maladaptives Essverhalten zu bewerten. Dieses Wissen wird benötigt, um die Prävention und Behandlung von Ess- und Gewichtsstörungen angemessen zu gestalten und um mögliche, bisher hauptsächlich theoretisch angenommenen Wirkmechanismen näher zu erforschen.
Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, evidenzbasierte Grundlagenforschung zu betreiben, die zu unserem gegenwärtigen Verständnis darüber beitragen kann, wie Achtsamkeit, und genauer gesagt ihre kontextspezifische Form von ME, bei der Veränderung von maladaptivem Essverhalten wirkt und wie sie folglich in geeigneter Weise eingesetzt werden könnte, um die derzeitigen Präventions- und Behandlungsansätze für Ess- und Gewichtsstörungen in Zukunft zu bereichern.
Auf dieser Grundlage werden in der vorliegenden Dissertation drei wissenschaftliche Manuskripte präsentiert, die die folgenden Fragen beleuchten:

I.
Wie kann ME umfassend und auf reliable und valide Weise gemessen werden, umbesser zu verstehen, wie Achtsamkeit im Kontext des Essens funktioniert?
II.
Hat das kontextspezifische Konstrukt von ME einen Vorteil gegenüber demgenerischen Konzept, um zu verstehen, wie Achtsamkeit mit maladaptivemEssverhalten zusammenhängt?
III.
Welche Facetten von ME sind besonders nützlich, um maladaptives Essverhalten zuerklären?
IV.
Führt das Training einer bestimmten ME-Facette zu Veränderungen immaladaptiven Essverhalten?

Diese Forschungsfragen wurden mit Hilfe von vier Studien beantwortet, die in drei Artikeln in wissenschaftlichen peer-reviewed Journals veröffentlicht oder zur Begutachtung eingereicht wurden und verschiedene qualitative und quantitative Techniken beinhalteten.
Zur Beantwortung der ersten Forschungsfrage (Paper 1) wurde ein multimethodaler Ansatz mit drei aufeinander folgenden Studien angewandt, um ein umfassendes Selbstauskunftsinstrument zur Erfassung des multidimensionalen Konstrukts ME zu entwickeln und zu validieren - das Mindful Eating Inventar (MEI). Studie 1 zielte auf die Erstellung einer ersten Version des MEI mit Hilfe von drei Schritten ab: Erstens wurde ein umfassender Itempool zusammengestellt, indem Items aus den bestehenden ME-Fragebögen ausgewählt und angepasst wurden. Zudem wurden Items ergänzt, die aus einer umfangreichen Literaturrecherche abgeleitet wurden. Zweitens wurde dieser vorläufige Itempool durch Experten (N = 15) aus dem Bereich Essverhalten und/oder Achtsamkeit ergänzt und die Inhaltsvalidität überprüft. Drittens wurde dieser vorläufige Itempool durch Einbeziehung der Meinung von Laien mittels zweier qualitativer Methoden verfeinert: Drei Fokusgruppen (N = 16) prüften die Anwendbarkeit der Items im Alltag. Schließlich dienten Think-Aloud-Protokolle (N = 10) der letzten Überprüfung der Verständlichkeit und der Beseitigung von Unklarheiten. Die daraus resultierende erste MEI-Version wurde in Studie 2 mit Hilfe einer Online-Stichprobe (N = 828) getestet, um die Faktorenstruktur mittels explorativer Faktorenanalyse (EFA) zu untersuchen. Anschließend wurde der Fragebogen nach qualitativen und quantitativen Kriterien gekürzt. Hieraus resultierte die finale MEI-Version mit 30 Items. Diese Items sind den folgenden sieben ME-Facetten zugeordnet: (1) ‘Akzeptierende, nicht-anhaftende Haltung gegenüber der eigenen Essenserfahrung‘ (ANA), (2) ‘Gewahrsein der Sinneserfahrung während des Essens‘ (ASE), (3) ‘Essen in Abhängigkeit zum Gewahrsein der Magenfülle‘ (ERF), (4) ‘Gewahrsein von Essmotiven- und -triggern‘ (ATM), (5) ‘Verbundenheit‘ (CON), (6) ‘Nicht-reaktive Haltung‘ (NRS) und (7) ‘Auf das Essen fokussierte Aufmerksamkeit‘ (FAE). Studie 3 diente dazu, diese finale Faktorenstruktur in einer unabhängigen Online-Stichprobe (N = 612) mittels konfirmatorischer Faktorenanalyse (CFA) zu bestätigen und die angenommene Multidimensionalität des Konstrukts ME zu belegen (das korrelative Sieben-Faktoren-Modell erwies sich dem Ein-Faktoren-Modell überlegen). Die psychometrischen Eigenschaften des MEI hinsichtlich faktorieller Validität, interner Konsistenz, Retest-Reliabilität und beobachteter Kriteriumsvalidität unter Verwendung eines breiten Spektrums essensspezifischer und allgemeiner gesundheitsbezogener Outcomes zeigten, dass das Inventar für eine umfassende, reliable und valide Bewertung von ME geeignet ist. Diese Ergebnisse wurden durch den Nachweis der Messinvarianz des MEI in Bezug auf das Geschlecht ergänzt. In Anlehnung an die Faktorenstruktur des MEI konnte eine empirisch abgeleitete, operationale Definition bereitgestellt werden, die die Probleme und Ambiguitäten bisheriger, meist theoriegeleiteter Definitionsversuche überwindet.

Zur Beantwortung der zweiten und dritten Forschungsfrage (Paper 2) wurde eine Teilstichprobe der Studie 2 aus den MEI-Validierungsstudien (N = 292) analysiert. Die inkrementelle Validität von ME über die allgemeine Achtsamkeit hinaus in Bezug auf die Outcomevariablen maladaptives Essverhalten (emotionales Essen und unkontrolliertes Essen) und Ernährungsverhalten (selbstberichteter Verzehr von energiereichen Nahrungsmitteln) konnte mit Hilfe hierarchischer Regressionsmodelle gezeigt werden. Multiple Regressionsanalysen wurden angewandt, um den Einfluss der sieben verschiedenen Facetten von ME, die in Paper 1 identifiziert wurden, auf dieselben Outcomes zu untersuchen. Die folgenden ME-Facetten erklärten deren Varianz signifikant: ‘Akzeptierende, nicht-anhaftende Haltung gegenüber der eigenen Essenserfahrung‘ (ANA), ‘Essen in Abhängigkeit zum Gewahrsein der Magenfülle‘ (ERF), ‘Gewahrsein von Essmotiven- und -triggern‘ (ATM), ‘Nicht-reaktive Haltung‘ (NRS, d.h. eine beobachtende, nicht-impulsive Haltung gegenüber Essenstriggern). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese ME-Facetten vielversprechend sein könnten, um a) die zugrunde liegenden Mechanismen von Achtsamkeit und MBPs im Kontext von Essen zu untersuchen und b) maladaptives Essverhalten direkt oder im Rahmen der Prävention und Behandlung von Ess- und Gewichtsstörungen korrekt und gewinnbringend zu adressieren.

Zur Beantwortung der vierten Forschungsfrage (Paper 3) wurde ein Training zu einer klar umschriebenen, isolierten Übung ('9 Hunger') auf der Grundlage der zuvor identifizierten ME-Facette ATM konzipiert, um deren potenziellen Zusammenhang mit Veränderungen im maladaptiven Essverhalten zu erforschen und sich so einem möglichen Wirkmechanismus anzunähern. Die Online-Studie wurde in Form einer randomisiert kontrollierten Studie (RCT) durchgeführt. Latent Change Scores (LCS) über drei Messzeitpunkte (vor dem Training, direkt nach dem Training und drei Monate später) wurden zwischen der Interventionsgruppe (n = 211) und einer Wartelisten-Kontrollgruppe (n = 188) verglichen. Es konnten kurz- und längerfristige Effekte des Trainings auf maladaptives Essverhaltens (emotionales Essen, externes Essen, Essen mit Kontrollverlust) und assoziierte Outcomes (intuitives Essen, achtsames Essen, Selbstmitgefühl, Wohlbefinden) gefunden werden. Die Ergebnisse dienen als vorläufige empirische Unterstützung des bislang nur theoretisch angenommenen Mechanismus, dass MPBs maladaptives Essverhalten und damit Ess- und Gewichtsstörungen durch ein verbessertes, nicht-wertendes Gewahrsein unterschiedlicher Essmotiven und Trigger sowie deren Unterscheidung beeinflussen könnten.

Die Integration der Ergebnisse erlaubte die Ableitung mehrere Vorschläge, wie ME zukünftige Interventionen für maladaptives Essverhalten bereichern könnte, um die Gesundheit im Allgemeinen sowie die Prävention und Behandlung von Ess- und Gewichtsstörungen zu verbessern. Die Stärken der Dissertation (z. B. aufeinander aufbauende, spezifische Methodik, Vielfalt von Designs und Methoden, großer Stichprobenumfang) werden hervorgehoben. Die wichtigsten Einschränkungen, insbesondere in Bezug auf die Stichprobencharakteristika der inkludierten Studien (z.B. höheres Bildungsniveau, weniger Männer, selbst-selektiert) werden kritisch diskutiert, um Ideen und Notwendigkeiten für kommende Forschung abzuleiten (z.B. Einschluss multimodaler und multimethodaler Ansätze, klinischer Essstörungsstichproben und Jugendlichenstichproben), um die zukünftige Forschung zu ME und den zugrundeliegenden Mechanismen von MBPs im Kontext von maladaptivem Essverhalten und assoziierten Ess- und Gewichtsstörungen zu verbessern.
Diese Arbeit bereichert die aktuelle Forschung zu Achtsamkeit im Kontext von Essverhalten und assoziierten Ess- und Gewichtsstörungen, indem sie Grundlagenforschung zum Kern des Konstrukts ME liefert. Dabei stellt sie ein reliables und valides Instrument zur umfassenden Erfassung von ME in zukünftigen Studien sowie eine operationale Definition zur Verfügung. Die Ergebnisse auf der Ebene der ME-Facetten können von Forschung und Praxis genutzt werden, maladaptives Essverhalten in der Prävention und Behandlung angemessen zugeschnitten zu adressieren. Der vorläufig identifizierte Wirkmechanismus von ATM sollte in repräsentativen Bevölkerungsstichproben und spezifischen klinischen Stichproben weiter untersucht werden, um die Gültigkeit der Ergebnisse in diesen Gruppen zu prüfen und eine breitere Anwendung des Konzepts in der Allgemeinbevölkerung sowie in spezifischen Gruppen mit Ess- und Gewichtsstörungen zu rechtfertigen.
Zusammenfassend können die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit dazu beitragen, die Forschung zu ME und zugrundeliegenden Mechanismen auf eine stärker evidenzbasierte Grundlage zu stellen. Dieses Wissen kann genutzt werden, um künftige MBPs in Prävention und Behandlung von Ess- und Gewichtsstörungen entsprechend anzupassen.
KW  - mindful eating
KW  - mindfulness
KW  - eating behavior
KW  - achtsames Essen
KW  - Achtsamkeit
KW  - Essverhalten
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634515
ER  - 
TY  - THES
A1  - Siebler, Lara
T1  - Identifying novel regulators of heat stress memory in Arabidopsis thaliana
T1  - Identifikation neuer Regulatoren des Hitzestressgedächtnisses in Arabidopsis thaliana
N2  - Heat stress (HS) is a major abiotic stress that negatively affects plant growth and productivity. However, plants have developed various adaptive mechanisms to cope with HS, including the acquisition and maintenance of thermotolerance, which allows them to respond more effectively to subsequent stress episodes. HS memory includes type II transcriptional memory which is characterized by enhanced re-induction of a subset of HS memory genes upon recurrent HS. In this study, new regulators of HS memory in A. thaliana were identified through the characterization of rein mutants.
The rein1 mutant carries a premature stop in CYCLIN-DEPENDENT-KINASE 8 (CDK8) which is part of the cyclin kinase module of the Mediator complex. Rein1 seedlings show impaired type II transcriptional memory in multiple heat-responsive genes upon re-exposure to HS. Additionally, the mutants exhibit a significant deficiency in HS memory at the physiological level. Interaction studies conducted in this work indicate that CDK8 associates with the memory HEAT SHOCK FACTORs HSAF2 and HSFA3. The results suggest that CDK8 plays a crucial role in HS memory in plants together with other memory HSFs, which may be potential targets of the CDK8 kinase function. Understanding the role and interaction network of the Mediator complex during HS-induced transcriptional memory will be an exciting aspect of future HS memory research. 
The second characterized mutant, rein2, was selected based on its strongly impaired pAPX2::LUC re-induction phenotype. In gene expression analysis, the mutant revealed additional defects in the initial induction of HS memory genes. Along with this observation, basal thermotolerance was impaired similarly as HS memory at the physiological level in rein2. Sequencing of backcrossed bulk segregants with subsequent fine mapping narrowed the location of REIN2 to a 1 Mb region on chromosome 1. This interval contains the At1g65440 gene, which encodes the histone chaperone SPT6L. SPT6L interacts with chromatin remodelers and bridges them to the transcription machinery to regulate nucleosome and Pol II occupancy around the transcriptional start site. The EMS-induced missense mutation in SPT6L may cause altered HS-induced gene expression in rein2, possibly triggered by changes in the chromatin environment resulting from altered histone chaperone function.
Expanding research on screen-derived factors that modify type II transcriptional memory has the potential to enhance our understanding of HS memory in plants. Discovering connections between previously identified memory factors will help to elucidate the underlying network of HS memory. This knowledge can initiate new approaches to improve heat resilience in crops.
N2  - Hitzestress ist ein abiotischer Stressfaktor, der Pflanzenwachstum und Ertragsfähigkeit negativ beeinflusst. Pflanzen haben Anpassungsmechanismen entwickelt, einschließlich des Erwerbs und der Aufrechterhaltung von Thermotoleranz, die es ihnen ermöglichen auf wiederholte Stressereignisse effektiver zu reagieren. Das Hitzestress-Gedächtnis umfasst unter anderem verstärkte Re-Induktion von Gedächtnisgenen nach wiederholter Exposition (Typ II). In dieser Arbeit wurden anhand der Charakterisierung von Re-Induktionsmutanten (rein Mutanten) neue Regulatoren des Typ II Hitzestress-Gedächtnisses in A. thaliana identifiziert.
Die rein1 Mutante weist ein vorzeitiges Stoppcodon in CDK8 auf, einer Untereinheit im Kinasemodul des Mediator Komplexes. Rein1 Keimlinge zeigen ein beeinträchtigtes Hitzstress-Transkriptionsgedächtnis, sowie Defekte in der Aufrechterhaltung der Thermotoleranz auf physiologischer Ebene. Mittels Interaktionsstudien konnte gezeigt werden, dass CDK8 mit den im Hitzestress-Gedächtnis fungierenden Hitzeschockfaktoren HSAF2 und HSFA3 interagiert. Die Ergebnisse legen nahe, dass CDK8 zusammen mit HSFs eine Rolle bei der Aufrechterhaltung des Hitzestress-Gedächtnisses spielt, wobei letztere potenzielle Ziele der Kinasefunktion von CDK8 darstellen. Die Rolle und das Interaktionsnetzwerk des Mediatorkomplexes während der durch Hitzstress-induzierten transkriptionellen Gedächtnis-bildung und Aufrechterhaltung ist ein aufregender Aspekt zukünftiger Forschung.
Die zweite rein Mutante (rein2) wurde aufgrund einer stark beeinträchtigten transkriptionellen Re-Induktion nach wiederholtem Hitzestress für weitere Charakterisierungen ausgewählt. Dabei wurden zusätzliche Defekte in der initialen Induktion von Hitzestress-Gedächtnisgenen festgestellt. Die basale Thermotoleranz in rein2 war in ähnlicher Weise beeinträchtigt wie das Hitzestress-Gedächtnis. Die Position von REIN2 wurde mithilfe von Sequenzierung und Feinkartierung auf eine 1 Mb große Region auf Chromosom 1 eingegrenzt. Dieses Intervall enthält das Gen At1g65440, das für Histon-Chaperon SPT6L kodiert. Die Missense-Mutation in SPT6L könnte die Ursache für das veränderte Hitzestress-induzierte Transkriptionsmuster in rein2 sein, möglicherweise aufgrund von einer abweichenden Chaperonfunktion und folglich Veränderung in der Chromatinumgebung.
Die Ausweitung der Forschung zu den in diesem Screening ermittelten Faktoren, die das Typ II Transkriptionsgedächtnis beeinflussen, hat das Potenzial, unser derzeitiges Verständnis des Hitzestress-Gedächtnisses in Pflanzen zu verbessern und Verbindungen zwischen zuvor entdeckten Gedächtnisregulatoren herzustellen. Dieses Wissen kann dazu beitragen neue Ansätze zur Verbesserung der Hitzeresilienz bei Nutzpflanzen anzustoßen.
KW  - epigenetics
KW  - heat stress
KW  - molecular biology
KW  - genetic screen
KW  - Epigenetik
KW  - Hitzestress
KW  - Molekularbiologie
KW  - genetischer Screen
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634477
ER  - 
TY  - THES
A1  - Verch, Ronald
T1  - Whole-body electrical muscle stimulation superimposed walking as training tool in the management of type 2 diabetes mellitus
T1  - Elektrische Ganzkörpermuskelstimulation überlagertes Gehen als Trainingsinstrument bei der Behandlung von Diabetes mellitus Typ 2
N2  - Background: The worldwide prevalence of diabetes has been increasing in recent years, with a projected prevalence of 700 million patients by 2045, leading to economic burdens on societies. Type 2 diabetes mellitus (T2DM), representing more than 95% of all diabetes cases, is a multifactorial metabolic disorder characterized by insulin resistance leading to an imbalance between insulin requirements and supply. Overweight and obesity are the main risk factors for developing type 2 diabetes mellitus. The lifestyle modification of following a healthy diet and physical activity are the primary successful treatment and prevention methods for type 2 diabetes mellitus. Problems may exist with patients not achieving recommended levels of physical activity. Electrical muscle stimulation (EMS) is an increasingly popular training method and has become in the focus of research in recent years. It involves the external application of an electric field to muscles, which can lead to muscle contraction. Positive effects of EMS training have been found in healthy individuals as well as in various patient groups. New EMS devices offer a wide range of mobile applications for whole-body electrical muscle stimulation (WB-EMS) training, e.g., the intensification of dynamic low-intensity endurance exercises through WB-EMS. This dissertation project aims to investigate whether WB-EMS is suitable for intensifying low-intensive dynamic exercises such as walking and Nordic walking.
Methods: Two independent studies were conducted. The first study aimed to investigate the reliability of exercise parameters during the 10-meter Incremental Shuttle Walk Test (10MISWT) using superimposed WB-EMS (research question 1, sub-question a) and the difference in exercise intensity compared to conventional walking (CON-W, research question 1, sub-question b). The second study aimed to compare differences in exercise parameters between superimposed WB-EMS (WB-EMS-W) and conventional walking (CON-W), as well as between superimposed WB-EMS (WB-EMS-NW) and conventional Nordic walking (CON-NW) on a treadmill (research question 2). Both studies took place in participant groups of healthy, moderately active men aged 35-70 years. During all measurements, the Easy Motion Skin® WB-EMS low frequency stimulation device with adjustable intensities for eight muscle groups was used. The current intensity was individually adjusted for each participant at each trial to ensure safety, avoiding pain and muscle cramps. In study 1, thirteen individuals were included for each sub question. A randomized cross-over design with three measurement appointments used was to avoid confounding factors such as delayed onset muscle soreness. The 10MISWT was performed until the participants no longer met the criteria of the test and recording five outcome measures: peak oxygen uptake (VO2peak), relative VO2peak (rel.VO2peak), maximum walk distance (MWD), blood lactate concentration, and the rate of perceived exertion (RPE).
Eleven participants were included in study 2. A randomized cross-over design in a study with four measurement appointments was used to avoid confounding factors. A treadmill test protocol at constant velocity (6.5 m/s) was developed to compare exercise intensities. Oxygen uptake (VO2), relative VO2 (rel.VO2) blood lactate, and the RPE were used as outcome variables. Test-retest reliability between measurements was determined using a compilation of absolute and relative measures of reliability. Outcome measures in study 2 were studied using multifactorial analyses of variances.
Results: Reliability analysis showed good reliability for VO2peak, rel.VO2peak, MWD and RPE with no statistically significant difference for WB-EMS-W during 10WISWT. However, differences compared to conventional walking in outcome variables were not found. The analysis of the treadmill tests showed significant effects for the factors CON/WB-EMS and W/NW for the outcome variables VO2, rel.VO2 and lactate, with both factors leading to higher results. However, the difference in VO2 and relative VO2 is within the range of biological variability of ± 12%. The factor combination EMS∗W/NW is statistically non-significant for all three variables. WB-EMS resulted in the higher RPE values, RPE differences for W/NW and EMS∗W/NW were not significant.
Discussion: The present project found good reliability for measuring VO2peak, rel. VO2peak, MWD and RPE during 10MISWT during WB-EMS-W, confirming prior research of the test. The test appears technically limited rather than physiologically in healthy, moderately active men. However, it is unsuitable for investigating differences in exercise intensities using WB-EMS-W compared to CON-W due to different perceptions of current intensity between exercise and rest. A treadmill test with constant walking speed was conducted to adjust individual maximum tolerable current intensity for the second part of the project. The treadmill test showed a significant increase in metabolic demands during WB-EMS-W and WB-EMS-NW by an increased VO2 and blood lactate concentration. However, the clinical relevance of these findings remains debatable. The study also found that WB-EMS superimposed exercises are perceived as more strenuous than conventional exercise. While in parts comparable studies lead to higher results for VO2, our results are in line with those of other studies using the same frequency. Due to the minor clinical relevance the use of WB-EMS as exercise intensification tool during walking and Nordic walking is limited. High device cost should be considered. Habituation to WB-EMS could increase current intensity tolerance and VO2 and make it a meaningful method in the treatment of T2DM. Recent figures show that WB-EMS is used in obese people to achieve health and weight goals. The supposed benefit should be further investigated scientifically.
N2  - Hintergrund: Die weltweite Prävalenz von Diabetes hat in den letzten Jahren zugenommen. Bis zum Jahr 2045 wird mit einer Prävalenz von 700 Millionen Patienten gerechnet, was zu einer wirtschaftlichen Belastung für die Gesellschaft führt. Diabetes mellitus Typ 2, der mehr als 95 % aller Diabetesfälle ausmacht, ist eine multifaktorielle Stoffwechselstörung, die durch Insulinresistenz gekennzeichnet ist und zu einem Ungleichgewicht zwischen Insulinbedarf und -angebot führt. Übergewicht und Adipositas sind die Hauptrisikofaktoren für die Entwicklung von Diabetes mellitus Typ 2. Die Änderung des Lebensstils durch eine gesunde Ernährung und körperliche Aktivität ist die wichtigste und erfolgreichste Behandlungs- und Präventionsmethode für Diabetes mellitus Typ 2. Probleme können bei den Patienten bestehen, den empfohlenen Umfang an körperlicher Aktivität zu erreichen. Die elektrische Muskelstimulation (EMS) ist eine zunehmend beliebte Trainingsmethode, die in den letzten Jahren in den Mittelpunkt der Forschung gerückt ist. Dabei wird von außen ein elektrisches Feld an die Muskeln angelegt, was zu einer Muskelkontraktion führen kann. Positive Effekte des EMS-Trainings wurden sowohl bei gesunden Personen als auch in verschiedenen Patientengruppen gefunden. Neue EMS-Geräte bieten eine breite Palette mobiler Anwendungen für das Ganzkörper-EMS-Training (WB-EMS), z.B. die Intensivierung von dynamischen Ausdauerübungen mit niedriger Intensität durch WB-EMS. In diesem Dissertationsprojekt soll untersucht werden, ob die WB-EMS zur Intensivierung von dynamischen Übungen mit geringer Intensität wie Walking und Nordic Walking geeignet ist.
Methodik: Zwei unabhängige Studien wurden durchgeführt. In der ersten Studie wurden die Zuverlässigkeit von Belastungsparametern während des 10-Meter-Inkremental-Penlde-Gehtests (10MISWT) unter Verwendung von überlagertem WB-EMS (Forschungsfrage 1, Unterfrage a) und der Unterschied in der Belastungsintensität zum konventionellen Gehen (Forschungsfrage 1, Unterfrage b) untersucht. Die zweite Studie beschäftigte sich mit Unterschieden in Belastungsparametern zwischen überlagertem WB-EMS (WB-EMS-W) und konventionellem Gehen (CON-W) sowie zwischen überlagertem WB-EMS (WB-EMS-NW) und konventionellem Nordic Walking (CON-NW) auf einem Laufband zu vergleichen (Forschungsfrage 2). Beide Studien wurden an Teilnehmergruppen von gesunden, mäßig aktiven Männern im Alter von 35-70 Jahren durchgeführt. Bei allen Messungen wurde das Niederfrequenz-Stimulationsgerät Easy Motion Skin® für WB-EMS mit einstellbaren Intensitäten für acht Muskelgruppen verwendet. Um die Sicherheit zu gewährleisten und Schmerzen und Muskelkrämpfe zu vermeiden, wurde die Stromintensität für jeden Teilnehmer bei jedem Versuch individuell angepasst. In Studie 1 wurden dreizehn Personen für jede Unterfrage einbezogen. Es wurde ein randomisiertes Cross-over-Design mit drei Messterminen verwendet, um Störfaktoren wie z. B. einen verzögert einsetzenden Muskelkater zu vermeiden. Der 10MISWT wurde so lange durchgeführt, bis die Teilnehmer die Kriterien des Tests, das Erreichen des Kegels bis zum nächsten akustischen Signal, nicht mehr erfüllten. Fünf Ergebnisgrößen erfasst wurden: Spitzenwertmessung der Sauerstoffaufnahme (VO2peak), relative VO2peak (rel.VO2peak), maximale Gehstrecke (MWD), Blutlaktatkonzentration und der Grad der wahrgenommenen Anstrengung (RPE). Elf Teilnehmer wurden in Studie 2 eingeschlossen. Um Störfaktoren zu vermeiden, wurde ein randomisiertes Cross-over-Design in einer Studie mit vier Messterminen verwendet. Es wurde ein Laufbandtestprotokoll mit konstanter Geschwindigkeit (6,5 m/s) entwickelt, um die Belastungsintensitäten zu vergleichen. Sauerstoffaufnahme (VO2), relative VO2 (rel. VO2), Blutlaktat und der RPE wurden als Ergebnisvariablen verwendet. Die Test-Retest-Reproduzierbarkeit zwischen den Messungen wurde anhand einer Zusammenstellung absoluter und relativer Zuverlässigkeitsmaße ermittelt. Die Ergebnisgrößen in Studie 2 wurden mit Hilfe multifaktorieller Varianzanalysen untersucht.
Ergebnisse: Die Reliabilitätsanalyse zeigte eine gute Zuverlässigkeit für VO2peak, rel.VO2peak, MWD und RPE ohne statistisch signifikanten Unterschied für das WB-EMS überlagerte Gehen zwischen den beiden Messungen während des 10WISWT. Es wurden jedoch keine Unterschiede bei den Ergebnisvariablen im Vergleich zum konventionellen Gehen festgestellt. Die Analyse der Laufbandtests zeigte signifikante Effekte für die Faktoren CON/WB-EMS und W/NW für die Ergebnisvariablen VO2, rel.VO2 und Laktat, wobei beide Faktoren zu höheren Ergebnissen führten. Der Unterschied bei VO2 und rel.VO2 liegt jedoch im Bereich der biologischen Variabilität von ± 12 %. Die Faktorenkombination EMS∗W/NW ist für alle drei Variablen statistisch nicht signifikant. WB-EMS führte zu den höheren RPE-Werten, die RPE-Unterschiede für W/NW und EMS∗W/NW waren nicht signifikant.
Diskussion: Das vorliegende Projekt ergab eine gute Zuverlässigkeit bei der Messung von VO2peak, rel.VO2peak, MWD und RPE während des 10MISWT mit WB-EMS-Überlagerung beim Gehen, was frühere Untersuchungen zu diesem Test bestätigen. Der Test scheint bei gesunden, mäßig aktiven Männern eher technisch als physiologisch begrenzt zu sein. Er ist jedoch ungeeignet für die Untersuchung von Unterschieden in der Belastungsintensität bei überlagertem WB-EMS im Vergleich zum herkömmlichen Gehen, da die Stromstärkenintensität des WB-EMS zwischen Belastung und Ruhe unterschiedlich wahrgenommen wird. Für den zweiten Teil des Projekts wurde ein Laufbandtest mit konstanter Gehgeschwindigkeit durchgeführt, um die individuell maximal tolerierbare Stromintensität während der Belastung einzustellen. Der Laufbandtest zeigte eine signifikante Erhöhung der metabolischen Anforderungen während des WB-EMS überlagerten Gehens und des Nordic Walking durch eine erhöhte VO2 und Blutlaktatkonzentration. Die klinische Relevanz dieser Ergebnisse bleibt jedoch umstritten. Die Studie ergab auch, dass WB-EMS-überlagerte Übungen als anstrengender empfunden werden als konventionelle Übungen. Während vergleichbare Studien zum Teil zu höheren VO2-Werten führen, stimmen unsere Ergebnisse mit denen anderer Studien überein, welche dieselbe Stromfrequenz verwenden. Aufgrund der bisher fehlenden klinischen Relevanz ist der Einsatz von WB-EMS zur Trainingsintensivierung beim Gehen und Nordic Walking begrenzt. Die hohen Gerätekosten sollten berücksichtigt werden. Die Gewöhnung an WB-EMS könnte die Toleranz gegenüber der aktuellen Intensität erhöhen, die VO2 weiter steigern und es zu einer sinnvollen Methode für die Behandlung von T2DM machen. Jüngste Zahlen zeigen, dass WB-EMS bei adipösen Menschen eingesetzt wird, um Gesundheits- und Gewichtsziele zu erreichen, der vermeintliche Nutzen sollte wissenschaftlich weiter untersucht werden.
KW  - whole-body electrical muscle stimulation
KW  - walking
KW  - type 2 diabetes mellitus
KW  - Diabetes mellitus Typ 2
KW  - Gehen
KW  - elektrische Ganzkörpermuskelstimulation
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634240
ER  - 
TY  - THES
A1  - Halfpap, Stefan
T1  - Integer linear programming-based heuristics for partially replicated database clusters and selecting indexes
T1  - Auf ganzzahliger linearer Optimierung basierende Heuristiken für partiell-replizierte Datenbankcluster und das Auswählen von Indizes
N2  - Column-oriented database systems can efficiently process transactional and analytical queries on a single node. However, increasing or peak analytical loads can quickly saturate single-node database systems. Then, a common scale-out option is using a database cluster with a single primary node for transaction processing and read-only replicas. Using (the naive) full replication, queries are distributed among nodes independently of the accessed data. This approach is relatively expensive because all nodes must store all data and apply all data modifications caused by inserts, deletes, or updates.
In contrast to full replication, partial replication is a more cost-efficient implementation: Instead of duplicating all data to all replica nodes, partial replicas store only a subset of the data while being able to process a large workload share. Besides lower storage costs, partial replicas enable (i) better scaling because replicas must potentially synchronize only subsets of the data modifications and thus have more capacity for read-only queries and (ii) better elasticity because replicas have to load less data and can be set up faster. However, splitting the overall workload evenly among the replica nodes while optimizing the data allocation is a challenging assignment problem.
The calculation of optimized data allocations in a partially replicated database cluster can be modeled using integer linear programming (ILP). ILP is a common approach for solving assignment problems, also in the context of database systems. Because ILP is not scalable, existing approaches (also for calculating partial allocations) often fall back to simple (e.g., greedy) heuristics for larger problem instances. Simple heuristics may work well but can lose optimization potential.
In this thesis, we present optimal and ILP-based heuristic programming models for calculating data fragment allocations for partially replicated database clusters. Using ILP, we are flexible to extend our models to (i) consider data modifications and reallocations and (ii) increase the robustness of allocations to compensate for node failures and workload uncertainty. We evaluate our approaches for TPC-H, TPC-DS, and a real-world accounting workload and compare the results to state-of-the-art allocation approaches. Our evaluations show significant improvements for varied allocation’s properties: Compared to existing approaches, we can, for example, (i) almost halve the amount of allocated data, (ii) improve the throughput in case of node failures and workload uncertainty while using even less memory, (iii) halve the costs of data modifications, and (iv) reallocate less than 90% of data when adding a node to the cluster. Importantly, we can calculate the corresponding ILP-based heuristic solutions within a few seconds. Finally, we demonstrate that the ideas of our ILP-based heuristics are also applicable to the index selection problem.
N2  - Spaltenorientierte Datenbanksysteme können transaktionale und analytische Abfragen effizient auf einem einzigen Rechenknoten verarbeiten. Steigende Lasten oder Lastspitzen können Datenbanksysteme mit nur einem Rechenknoten jedoch schnell überlasten. Dann besteht eine gängige Skalierungsmöglichkeit darin, einen Datenbankcluster mit einem einzigen Rechenknoten für die Transaktionsverarbeitung und Replikatknoten für lesende Datenbankanfragen zu verwenden. Bei der (naiven) vollständigen Replikation werden Anfragen unabhängig von den Daten, auf die zugegriffen wird, auf die Knoten verteilt. Dieser Ansatz ist relativ teuer, da alle Knoten alle Daten speichern und alle Datenänderungen anwenden müssen, die durch das Einfügen, Löschen oder Aktualisieren von Datenbankeinträgen verursacht werden.
Im Gegensatz zur vollständigen Replikation ist die partielle Replikation eine kostengünstige Alternative: Anstatt alle Daten auf alle Replikationsknoten zu duplizieren, speichern partielle Replikate nur eine Teilmenge der Daten und können gleichzeitig einen großen Anteil der Anfragelast verarbeiten. Neben niedrigeren Speicherkosten ermöglichen partielle Replikate (i) eine bessere Skalierung, da Replikate potenziell nur Teilmengen der Datenänderungen synchronisieren müssen und somit mehr Kapazität für lesende Anfragen haben, und (ii) eine bessere Elastizität, da Replikate weniger Daten laden müssen und daher schneller eingesetzt werden können. Die gleichmäßige Lastbalancierung auf die Replikatknoten bei gleichzeitiger Optimierung der Datenzuweisung ist jedoch ein schwieriges Zuordnungsproblem.
Die Berechnung einer optimierten Datenverteilung in einem Datenbankcluster mit partiellen Replikaten kann mithilfe der ganzzahligen linearen Optimierung (engl. integer linear programming, ILP) durchgeführt werden. ILP ist ein gängiger Ansatz zur Lösung von Zuordnungsproblemen, auch im Kontext von Datenbanksystemen. Da ILP nicht skalierbar ist, greifen bestehende Ansätze (auch zur Berechnung von partiellen Replikationen) für größere Probleminstanzen oft auf einfache Heuristiken (z.B. Greedy-Algorithmen) zurück. Einfache Heuristiken können gut funktionieren, aber auch Optimierungspotenzial einbüßen.
In dieser Arbeit stellen wir optimale und ILP-basierte heuristische Ansätze zur Berechnung von Datenzuweisungen für partiell-replizierte Datenbankcluster vor. Mithilfe von ILP können wir unsere Ansätze flexibel erweitern, um (i) Datenänderungen und -umverteilungen zu berücksichtigen und (ii) die Robustheit von Zuweisungen zu erhöhen, um Knotenausfälle und Unsicherheiten bezüglich der Anfragelast zu kompensieren. Wir evaluieren unsere Ansätze für TPC-H, TPC-DS und eine reale Buchhaltungsanfragelast und vergleichen die Ergebnisse mit herkömmlichen Verteilungsansätzen. Unsere Auswertungen zeigen signifikante Verbesserungen für verschiedene Eigenschaften der berechneten Datenzuordnungen: Im Vergleich zu bestehenden Ansätzen können wir beispielsweise (i) die Menge der gespeicherten Daten in Cluster fast halbieren, (ii) den Anfragedurchsatz bei Knotenausfällen und unsicherer Anfragelast verbessern und benötigen dafür auch noch weniger Speicher, (iii) die Kosten von Datenänderungen halbieren, und (iv) weniger als 90 % der Daten umverteilen, wenn ein Rechenknoten zum Cluster hinzugefügt wird. Wichtig ist, dass wir die entsprechenden ILP-basierten heuristischen Lösungen innerhalb weniger Sekunden berechnen können. Schließlich demonstrieren wir, dass die Ideen von unseren ILP-basierten Heuristiken auch auf das Indexauswahlproblem anwendbar sind.
KW  - database systems
KW  - integer linear programming
KW  - partial replication
KW  - index selection
KW  - load balancing
KW  - Datenbanksysteme
KW  - Indexauswahl
KW  - ganzzahlige lineare Optimierung
KW  - Lastverteilung
KW  - partielle Replikation
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-633615
ER  - 
TY  - THES
A1  - Panzer, Marcel
T1  - Design of a hyper-heuristics based control framework for modular production systems
T1  - Design eines auf Hyperheuristiken basierenden Steuerungsframeworks für modulare Produktionssysteme
N2  - Volatile supply and sales markets, coupled with increasing product individualization and complex production processes, present significant challenges for manufacturing companies. These must navigate and adapt to ever-shifting external and internal factors while ensuring robustness against process variabilities and unforeseen events. This has a pronounced impact on production control, which serves as the operational intersection between production planning and the shop- floor resources, and necessitates the capability to manage intricate process interdependencies effectively. Considering the increasing dynamics and product diversification, alongside the need to maintain constant production performances, the implementation of innovative control strategies becomes crucial.
In recent years, the integration of Industry 4.0 technologies and machine learning methods has gained prominence in addressing emerging challenges in production applications. Within this context, this cumulative thesis analyzes deep learning based production systems based on five publications. Particular attention is paid to the applications of deep reinforcement learning, aiming to explore its potential in dynamic control contexts. Analysis reveal that deep reinforcement learning excels in various applications, especially in dynamic production control tasks. Its efficacy can be attributed to its interactive learning and real-time operational model. However, despite its evident utility, there are notable structural, organizational, and algorithmic gaps in the prevailing research. A predominant portion of deep reinforcement learning based approaches is limited to specific job shop scenarios and often overlooks the potential synergies in combined resources. Furthermore, it highlights the rare implementation of multi-agent systems and semi-heterarchical systems in practical settings. A notable gap remains in the integration of deep reinforcement learning into a hyper-heuristic.
To bridge these research gaps, this thesis introduces a deep reinforcement learning based hyper- heuristic for the control of modular production systems, developed in accordance with the design science research methodology. Implemented within a semi-heterarchical multi-agent framework, this approach achieves a threefold reduction in control and optimisation complexity while ensuring high scalability, adaptability, and robustness of the system. In comparative benchmarks, this control methodology outperforms rule-based heuristics, reducing throughput times and tardiness, and effectively incorporates customer and order-centric metrics. The control artifact facilitates a rapid scenario generation, motivating for further research efforts and bridging the gap to real-world applications. The overarching goal is to foster a synergy between theoretical insights and practical solutions, thereby enriching scientific discourse and addressing current industrial challenges.
N2  - Volatile Beschaffungs- und Absatzmärkte sowie eine zunehmende Produktindividualisierung konfrontieren Fertigungsunternehmen mit beträchtlichen Herausforderungen. Diese erfordern eine Anpassung der Produktion an sich ständig wechselnde externe Einflüsse und eine hohe Prozessrobustheit gegenüber unvorhersehbaren Schwankungen. Ein Schlüsselelement in diesem Kontext ist die Produktionssteuerung, die als operative Schnittstelle zwischen der Produktions- planung und den Fertigungsressourcen fungiert und eine effiziente Handhabung zahlreicher Prozessinterdependenzen sicherstellen muss. Angesichts dieser gesteigerten Produktionsdynamik und Produktvielfalt rücken innovative Steuerungsansätze in den Vordergrund.
In jüngerer Zeit wurden daher verstärkt Industrie-4.0-Ansätze und Methoden des maschinellen Lernens betrachtet. Im Kontext der aktuellen Forschung analysiert die vorliegende kumulative Arbeit Deep-Learning basierte Produktionssysteme anhand von fünf Publikationen. Hierbei wird ein besonderes Augenmerk auf die Anwendungen des Deep Reinforcement Learning gelegt, um dessen Potenzial zu ergründen. Die Untersuchungen zeigen, dass das Deep Reinforcement Learning in vielen Produktionsanwendungen sowohl herkömmlichen Ansätzen als auch an- deren Deep-Learning Werkzeugen überlegen ist. Diese Überlegenheit ergibt sich vor allem aus dem interaktiven Lernprinzip und der direkten Interaktion mit der Umwelt, was es für die dynamische Produktionssteuerung besonders geeignet macht. Dennoch werden strukturelle, organisatorische und algorithmische Forschungslücken identifiziert. Die überwiegende Mehrheit der untersuchten Ansätze fokussiert sich auf Werkstattfertigungen und vernachlässigt dabei potenzielle Prozesssynergien modularer Produktionssysteme. Ferner zeigt sich, dass Multi- Agenten- und Mehr-Ebenen-Systeme sowie die Kombination verschiedener algorithmischer Ansätze nur selten zur Anwendung kommen.
Um diese Forschungslücken zu adressieren, wird eine auf Deep Reinforcement Learning basierende Hyper-Heuristik für die Steuerung modularer Produktionssysteme vorgestellt, die nach der Design Science Research Methodology entwickelt wird. Ein semi-heterarchisches Multi-Agenten-System ermöglicht eine dreifache Reduktion der Steuerungs- und Optimierungs- komplexität und gewährleistet gleichzeitig eine hohe Systemadaptabilität und -robustheit. In Benchmarks übertrifft das Steuerungskonzept regelbasierte Ansätze, minimiert Durchlaufzeiten und Verspätungen und berücksichtigt kunden- sowie auftragsorientierte Kennzahlen. Die ent- wickelte Steuerungsmethodik ermöglicht einen schnellen Szenarienentwurf, um dadurch weitere Forschungsbemühungen zu stimulieren und die bestehende Transferlücke zur Realität weiter zu überbrücken. Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, eine Synergie zwischen theoretischen Erkenntnissen und Praxis-relevanten Lösungen zu schaffen, um sowohl den wissenschaftlichen Diskurs zu bereichern als auch Antworten auf aktuelle industrielle Herausforderungen zu bieten.
KW  - modular production
KW  - deep learning
KW  - modulare Produktion
KW  - Produktionssteuerung
KW  - Deep Learning
KW  - Reinforcement Learning
KW  - Simulation
KW  - production control
KW  - reinforcement learning
KW  - simulation
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-633006
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