TY - INPR A1 - Schumacher, Jörg A1 - Seehafer, Norbert T1 - Bifurcation analysis of the plane sheet pinch N2 - A numerical bifurcation analysis of the electrically driven plane sheet pinch is presented. The electrical conductivity varies across the sheet such as to allow instability of the quiescent basic state at some critical Hartmann number. The most unstable perturbation is the two-dimensional tearing mode. Restricting the whole problem to two spatial dimensions, this mode is followed up to a time-asymptotic steady state, which proves to be sensitive to three-dimensional perturbations even close to the point where the primary instability sets in. A comprehensive three-dimensional stability analysis of the two-dimensional steady tearing-mode state is performed by varying parameters of the sheet pinch. The instability with respect to three-dimensional perturbations is suppressed by a sufficiently strong magnetic field in the invariant direction of the equilibrium. For a special choice of the system parameters, the unstably perturbed state is followed up in its nonlinear evolution and is found to approach a three-dimensional steady state. T3 - NLD Preprints - 56 Y1 - 1999 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14926 ER - TY - THES A1 - Müller, Melanie J. I. T1 - Bidirectional transport by molecular motors T1 - Bidirektionaler Transport durch molekulare Motoren N2 - In biological cells, the long-range intracellular traffic is powered by molecular motors which transport various cargos along microtubule filaments. The microtubules possess an intrinsic direction, having a 'plus' and a 'minus' end. Some molecular motors such as cytoplasmic dynein walk to the minus end, while others such as conventional kinesin walk to the plus end. Cells typically have an isopolar microtubule network. This is most pronounced in neuronal axons or fungal hyphae. In these long and thin tubular protrusions, the microtubules are arranged parallel to the tube axis with the minus ends pointing to the cell body and the plus ends pointing to the tip. In such a tubular compartment, transport by only one motor type leads to 'motor traffic jams'. Kinesin-driven cargos accumulate at the tip, while dynein-driven cargos accumulate near the cell body. We identify the relevant length scales and characterize the jamming behaviour in these tube geometries by using both Monte Carlo simulations and analytical calculations. A possible solution to this jamming problem is to transport cargos with a team of plus and a team of minus motors simultaneously, so that they can travel bidirectionally, as observed in cells. The presumably simplest mechanism for such bidirectional transport is provided by a 'tug-of-war' between the two motor teams which is governed by mechanical motor interactions only. We develop a stochastic tug-of-war model and study it with numerical and analytical calculations. We find a surprisingly complex cooperative motility behaviour. We compare our results to the available experimental data, which we reproduce qualitatively and quantitatively. N2 - In biologischen Zellen transportieren molekulare Motoren verschiedenste Frachtteilchen entlang von Mikrotubuli-Filamenten. Die Mikrotubuli-Filamente besitzen eine intrinsische Richtung: sie haben ein "Plus-" und ein "Minus-"Ende. Einige molekulare Motoren wie Dynein laufen zum Minus-Ende, während andere wie Kinesin zum Plus-Ende laufen. Zellen haben typischerweise ein isopolares Mikrotubuli-Netzwerk. Dies ist besonders ausgeprägt in neuronalen Axonen oder Pilz-Hyphen. In diesen langen röhrenförmigen Ausstülpungen liegen die Mikrotubuli parallel zur Achse mit dem Minus-Ende zum Zellkörper und dem Plus-Ende zur Zellspitze gerichtet. In einer solchen Röhre führt Transport durch nur einen Motor-Typ zu "Motor-Staus". Kinesin-getriebene Frachten akkumulieren an der Spitze, während Dynein-getriebene Frachten am Zellkörper akkumulieren. Wir identifizieren die relevanten Längenskalen und charakterisieren das Stauverhalten in diesen Röhrengeometrien mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen und analytischen Rechnungen. Eine mögliche Lösung für das Stauproblem ist der Transport mit einem Team von Plus- und einem Team von Minus-Motoren gleichzeitig, so dass die Fracht sich in beide Richtungen bewegen kann. Dies wird in Zellen tatsächlich beobachtet. Der einfachste Mechanismus für solchen bidirektionalen Transport ist ein "Tauziehen" zwischen den beiden Motor-Teams, das nur mit mechanischer Interaktion funktioniert. Wir entwickeln ein stochastisches Tauzieh-Modell, das wir mit numerischen und analytischen Rechnungen untersuchen. Es ergibt sich ein erstaunlich komplexes Motilitätsverhalten. Wir vergleichen unsere Resultate mit den vorhandenen experimentellen Daten, die wir qualitativ und quantitativ reproduzieren. KW - molekulare Motoren KW - bidirektionaler intrazellulärer Transport KW - Tauziehen KW - stochastische Prozesse KW - kooperative Phänomene KW - molecular motors KW - bidirectional intracellular transport KW - tug-of-war KW - stochastic processes KW - cooperative phenomena Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-18715 ER - TY - JOUR A1 - Hou, Ru A1 - Cherstvy, Andrey G. A1 - Metzler, Ralf A1 - Akimoto, Takuma T1 - Biased continuous-time random walks for ordinary and equilibrium cases BT - facilitation of diffusion, ergodicity breaking and ageing JF - Physical chemistry, chemical physics : a journal of European Chemical Societies N2 - We examine renewal processes with power-law waiting time distributions (WTDs) and non-zero drift via computing analytically and by computer simulations their ensemble and time averaged spreading characteristics. All possible values of the scaling exponent alpha are considered for the WTD psi(t) similar to 1/t(1+alpha). We treat continuous-time random walks (CTRWs) with 0 < alpha < 1 for which the mean waiting time diverges, and investigate the behaviour of the process for both ordinary and equilibrium CTRWs for 1 < alpha < 2 and alpha > 2. We demonstrate that in the presence of a drift CTRWs with alpha < 1 are ageing and non-ergodic in the sense of the non-equivalence of their ensemble and time averaged displacement characteristics in the limit of lag times much shorter than the trajectory length. In the sense of the equivalence of ensemble and time averages, CTRW processes with 1 < alpha < 2 are ergodic for the equilibrium and non-ergodic for the ordinary situation. Lastly, CTRW renewal processes with alpha > 2-both for the equilibrium and ordinary situation-are always ergodic. For the situations 1 < alpha < 2 and alpha > 2 the variance of the diffusion process, however, depends on the initial ensemble. For biased CTRWs with alpha > 1 we also investigate the behaviour of the ergodicity breaking parameter. In addition, we demonstrate that for biased CTRWs the Einstein relation is valid on the level of the ensemble and time averaged displacements, in the entire range of the WTD exponent alpha. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1039/c8cp01863d SN - 1463-9076 SN - 1463-9084 VL - 20 IS - 32 SP - 20827 EP - 20848 PB - Royal Society of Chemistry CY - Cambridge ER - TY - THES A1 - Streibel, Martin Albert Gerhard T1 - Bestimmung von Ozonabbauraten über der Arktis und Antarktis mittels Ozonsonden- und Satellitendaten T1 - Determination of ozone loss rates over the Arctic and Antarctic using ozone sonde and satellite data N2 - Diese Arbeit beschäftigt sich mit der chemischen Ozonzerstörung im arktischen und antarktischen stratosphärischen Polarwirbel. Diese wird durch Abbauprodukte von anthropogen emittierten Fluorchlorkohlenwasserstoffen und Halonen, Chlor- und Bromradikale, verursacht. Studien in denen der gemessene und modellierte Ozonabbau verglichen wird zeigen, dass die Prozeße bekannt sind, der quantitative Verlauf allerdings nicht vollständig verstanden ist. Die Prozesse, die zur Ozonzerstörung führen sind in beiden Polarwirbeln ähnlich. Allerdings fällt als Konsequenz unterschiedlicher meteorologischer Bedingungen der chemische Ozonabbau im arktischen Polarwirbel weniger drastisch aus als über der Antarktis. Der arktische Polarwirbel ist im Mittel stärker dynamisch gestört als der antarktische und weist eine stärkere Jahr-zu-Jahr Variabilität auf. Das erschwert die Messung des chemischen Ozonabbaus. Zur Trennung des chemischen Ozonabbaus von der dynamischen Umverteilung des Ozons im arktischen Polarwirbel wurde die Matchmethode entwickelt. Bei dieser Methode werden Luftpakete innerhalb des Polarwirbels mehrfach beprobt, um den chemischen Anteil der Ozonänderung zu quantifizieren. Zur Identifizierung von doppelt beprobten Luftpaketen werden Trajektorien aus Windfeldern berechnet. Können zwei Messungen im Rahmen bestimmter Qualitätskriterien durch eine Trajektorie verbunden werden, kann die Ozondifferenz zwischen beiden Sondierungen berechnet und als chemischer Ozonabbau interpretiert werden. Eine solche Koinzidenz wird Match genannt. Der Matchmethode liegt ein statistischer Ansatz zugrunde, so dass eine Vielzahl solcher doppelt beprobter Luftmassen vorliegen muss, um gesicherte Aussagen über die Ozonzerstörung gewinnen zu können. So erhält man die Ozonzerstörung in einem bestimmten Zeitintervall, also Ozonabbauraten. Um die Anzahl an doppelt beprobten Luftpackten zu erhöhen wurde eine aktive Koordinierung der Ozonsondenaufstiege entwickelt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Matchkampagnen während des arktischen Winters 2002/2003 und zum ersten Mal während eines antarktischen Winter (2003) durchgeführt. Aus den gewonnenen Daten wurden Ozonabbauraten in beiden Polarwirbeln bestimmt. Diese Abbauraten dienen zum einen der Evaluierung von Modellen, ermöglichen aber auch den direkten Vergleich von Ozonabbauraten in beiden Polarwirbeln. Der Winter 2002/2003 war zu Beginn durch sehr tiefe Temperaturen in der mittleren und unteren Stratosphäre charakterisiert, so dass die Matchkampagne Ende November gestartet wurde. Ab Januar war der Polarwirbel zeitweise stark dynamisch gestört. Die Kampagne ging bis Mitte März. Für den Höhenbereich von 400 bis 550 K potentieller Temperatur (15-23 km) konnten Ozonabbauraten und der Verlust in der Gesamtsäule berechnet werden. Die Ozonabbauraten wurden in verschiedenen Tests auf ihre Stabilität überprüft. Der antarktische Polarwirbel war vom Beginn des Winters bis Mitte Oktober 2003 sehr kalt und stellte Ende September kurzzeitig den Rekord für die größte bisher aufgetretene Ozonloch-Fläche ein. Es konnten für den Kampagnenzeitraum, Anfang Juni bis Anfang Oktober, Ozonabbauraten im Höhenbereich von 400 bis 550 K potentieller Temperatur ermittelt werden. Der zeitliche Verlauf des Ozonabbaus war dabei auf fast allen Höhenniveaus identisch. Die Zunahme des Sonnenlichtes im Polarwirbel mit der Zeit führt zu einem starken Anwachsen der Ozonabbauraten. Ab Mitte September gingen die Ozonabbauraten auf Null zurück, da bis zu diesem Zeitpunkt das gesamte Ozon zwischen ca. 14 und 21 km zerstört wurde. Im letzten Teil der Arbeit wird ein neuer Algorithmus auf Basis der multivariaten Regression vorgestellt, mit dem Ozonabbauraten aus Ozonprofilen verschiedener Sensoren gleichzeitig berechnet werden können. Dabei können neben der Ozonabbaurate die systematischen Fehler zwischen den einzelnen Sensoren bestimmt werden. Dies wurde exemplarisch am antarktischen Winter 2003 für das 475 K potentielle Temperatur Niveau gezeigt. Neben den Ozonprofilen der Sonden wurden Daten von zwei Satellitenexperimenten verwendet. Die mit der multivariaten Matchtechnik berechneten Ozonabbauraten stimmen gut mit den Ozonabbauraten der Einzelsensor-Matchansätze überein. N2 - The subject of this thesis is the destruction of ozone in the stratospheric polar vortex of the Arctic and Antarctic. It is caused by decomposition products of anthropogenic emitted Chlorofluorocarbons and Halons, radicals of chlorine and bromine. Studies which are dealing with the comparison of measured and modelled ozone loss show that the processes are known but that the quantitative development is not fully understood yet. The processes that lead to ozone destruction are similar in both polar vortices. But as a consequence of different meteorological conditions the chemical ozone loss in the arctic polar vortex is less dramatic than over the Antarctic. On average the Arctic polar vortex is stronger perturbed and exhibit a stronger annual variability. In order to distinguish between chemical ozone loss and the dynamical redistribution of ozone in the Arctic vortex the Match method was developed. Air parcels in the polar vortex are probed several times in order to quantify the chemical change in ozone. To identify those air parcels trajectories are calculated using wind fields. When it is possible to connect two measurements by a trajectory within certain quality criteria the difference in ozone can be calculated and is interpreted as chemical ozone loss. Such a coincidence is called a Match. The Match method is a statistical approach which needs many of those doubly probed air parcels in order to draw significant conclusions about the destruction of ozone. So the ozone destruction can be calculated for a certain period in time which gives ozone loss rates. In order to enhance the number of doubly probed air masses an active coordination was established. Within the scope of the thesis Match campaigns were performed during the Arctic winter 2002/2003 and for the first time during the Antarctic winter 2003. The achieved data was used in order to determine ozone loss rates in both polar vortices. The loss rates serve for the evaluation of numerical models but allow as well the direct comparison of ozone loss rates of both polar vortices. The beginning of the winter 2002/2003 is characterized by very low temperatures in the middle and lower stratosphere. Hence, the Match campaign started at the end of November. From January on the polar vortex was strongly dynamically disturbed at certain times. For the height region of 400 to 500 K potential temperature (15-23 km) ozone loss rates and the column loss were determined. The robustness of the ozone loss rates was checked with a variety of different tests. From beginning of the winter until October 2003 the Antarctic polar vortex was very cold and the expansion of the ozone hole area reached record values in late September. From the beginning of June until the beginning of October ozone loss has been calculated in a height region from 400 to 550 K potential temperature. The development of the ozone loss was almost identical on the different height levels. The increase in sunlight led to an increase in ozone loss rates. From mid September the ozone loss rates decreased rapidly and the ozone was completely destroyed between approx. 14 and 21 km. In the last part of the thesis a new algorithm is presented which is based on a multivariate regression in order to calculate ozone loss rates from ozone profiles made by different sensors. At the same time the systematic error between different sensors has to be considered. As an example the approach is shown for the Antarctic Winter 2003 on the 475 K potential temperature level. Beside the ozone profiles from the sondes, data from two satellites experiments have been used. The agreement between the ozone loss rates calculated by the multivariate regression method and those calculated by the single match approach is very good. KW - Ozon KW - Polarforschung KW - Polartief KW - Atmosphäre KW - Ozonzabbau KW - ozone KW - polar research KW - polar vortex KW - atmosphere KW - ozone loss Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6570 ER - TY - THES A1 - Codutti, Agnese T1 - Behavior of magnetic microswimmers T1 - Verhalten magnetischer Microschwimmer BT - simulations for natural swimmers and synthetic propellers BT - Simulationen von natürlichen Schwimmern und synthetischen Propellern N2 - Microswimmers, i.e. swimmers of micron size experiencing low Reynolds numbers, have received a great deal of attention in the last years, since many applications are envisioned in medicine and bioremediation. A promising field is the one of magnetic swimmers, since magnetism is biocom-patible and could be used to direct or actuate the swimmers. This thesis studies two examples of magnetic microswimmers from a physics point of view. The first system to be studied are magnetic cells, which can be magnetic biohybrids (a swimming cell coupled with a magnetic synthetic component) or magnetotactic bacteria (naturally occurring bacteria that produce an intracellular chain of magnetic crystals). A magnetic cell can passively interact with external magnetic fields, which can be used for direction. The aim of the thesis is to understand how magnetic cells couple this magnetic interaction to their swimming strategies, mainly how they combine it with chemotaxis (the ability to sense external gradient of chemical species and to bias their walk on these gradients). In particular, one open question addresses the advantage given by these magnetic interactions for the magnetotactic bacteria in a natural environment, such as porous sediments. In the thesis, a modified Active Brownian Particle model is used to perform simulations and to reproduce experimental data for different systems such as bacteria swimming in the bulk, in a capillary or in confined geometries. I will show that magnetic fields speed up chemotaxis under special conditions, depending on parameters such as their swimming strategy (run-and-tumble or run-and-reverse), aerotactic strategy (axial or polar), and magnetic fields (intensities and orientations), but it can also hinder bacterial chemotaxis depending on the system. The second example of magnetic microswimmer are rigid magnetic propellers such as helices or random-shaped propellers. These propellers are actuated and directed by an external rotating magnetic field. One open question is how shape and magnetic properties influence the propeller behavior; the goal of this research field is to design the best propeller for a given situation. The aim of the thesis is to propose a simulation method to reproduce the behavior of experimentally-realized propellers and to determine their magnetic properties. The hydrodynamic simulations are based on the use of the mobility matrix. As main result, I propose a method to match the experimental data, while showing that not only shape but also the magnetic properties influence the propellers swimming characteristics. N2 - Die Forschung an Mikroschwimmern oder genauer gesagt an aktiv schwimmenden Mikroorganismen oder Objekten mit niedrigen Reynolds Zahlen, hat in den letzten Jahren wegen ihrer vielfältigen Anwendungen in der Medizin und Bioremediation stark an Bedeutung gewonnen. Besonders vielversprechend ist die Arbeit mit magnetischen Mikroschwimmern, da deren biokompatibler Magnetismus genutzt werden kann um die Schwimmer gezielt zu steuern. In dieser Arbeit werden zwei Beispiele von magnetischen Mikroschwimmern aus physikalischer Sicht untersucht. Das erste Modellsystem hierfür sind magnetische Zellen. Diese können entweder magnetische Biohybride (eine schwimm-Zelle gekoppelt mit einer synthetischen magnetischen Komponente) oder magnetotaktische Bakterien (natürlich vorkommende Bakterien die eine intrazelluläre Kette von magnetischen Kristallen produzieren) sein. Die passive Wechselwirkung der magnetischen Zelle mit einem externen Magnetfeld kann zu deren Steuerung genutzt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es zu verstehen wie magnetische Zellen die magnetische Wechselwirkung mit ihre Schwimmstrategie verknüpfen, oder genauer gesagt, wie sie sie zur Chemotaxis (die Fähigkeit externe chemische Gradienten wahrzunehmen und die Fortbewegungsrichtung daran anzupassen) zu nutzen. Es ist immer noch nicht restlos geklärt worin in der natürlichen Umgebung der magnetischen Bakterien, wie beispielsweise in porösem Sediment, der Vorteil der Wechselwirkung mit dem externen magnetischen Feld liegt. In dieser Arbeit wurde ein modifiziertes „Active Brownian Particle model“ verwendet um mittels Computersimulationen experimentelle Ergebnisse an Bakterien zu reproduzieren, die sich frei, in einer Glaskapillare, oder in anders begrenzten Geometrien bewegen. Ich werde zeigen, dass abhängig von der Schwimmstrategie („run-and-tumble“ oder „runand-reverse“), aerotaktische Strategie (axial oder polar), und der Feldintensität und Orientierung, das magnetische Feld Chemotaxis beschleunigen kann. Abhängig von dem gewählten Modellsystem kann es jedoch auch zu einer Behinderung der Chemotaxis kommen. Das zweite Beispiel für magnetische Mikroschwimmer sind starre (z.B. Helices) oder zufällig geformte magnetische Propeller. Sie werden durch ein externes magnetisches Feld angetrieben und gelenkt. Hierbei stellt sich die Frage wie die Form der Propeller deren Verhalten beeinflusst und wie sie für eine bestimmte Anwendung optimiert werden können. Daher ist es das Ziel dieser Arbeit Simulationsmethoden vorzuschlagen um das experimentell beobachtete Verhalten zu reproduzieren und die magnetischen Eigenschaften der Propeller zu beschreiben. Hierfür wird die Mobilitätsmatrix verwendet um die hydrodynamischen Simulationen zu realisieren. Ein Hauptresultat meiner Arbeit ist eine neue Methode, welche die Simulationen in Einklang mit den experimentellen Resultaten bringt. Hierbei zeigt sich, dass nicht nur die Form sondern insbesondere auch die magnetischen Eigenschaften die Schwimmcharakteristik der Propeller entscheidend beeinflussen. KW - microswimmers KW - magnetism KW - bacteria KW - propellers KW - simulation KW - Microschwimmer KW - Magnetismus KW - Bakterien KW - Propeller KW - Simulationen Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422976 ER - TY - THES A1 - Makarava, Natallia T1 - Bayesian estimation of self-similarity exponent T1 - Bayessche Schätzung des selbstählichen Exponenten N2 - Estimation of the self-similarity exponent has attracted growing interest in recent decades and became a research subject in various fields and disciplines. Real-world data exhibiting self-similar behavior and/or parametrized by self-similarity exponent (in particular Hurst exponent) have been collected in different fields ranging from finance and human sciencies to hydrologic and traffic networks. Such rich classes of possible applications obligates researchers to investigate qualitatively new methods for estimation of the self-similarity exponent as well as identification of long-range dependencies (or long memory). In this thesis I present the Bayesian estimation of the Hurst exponent. In contrast to previous methods, the Bayesian approach allows the possibility to calculate the point estimator and confidence intervals at the same time, bringing significant advantages in data-analysis as discussed in this thesis. Moreover, it is also applicable to short data and unevenly sampled data, thus broadening the range of systems where the estimation of the Hurst exponent is possible. Taking into account that one of the substantial classes of great interest in modeling is the class of Gaussian self-similar processes, this thesis considers the realizations of the processes of fractional Brownian motion and fractional Gaussian noise. Additionally, applications to real-world data, such as the data of water level of the Nile River and fixational eye movements are also discussed. N2 - Die Abschätzung des Selbstähnlichkeitsexponenten hat in den letzten Jahr-zehnten an Aufmerksamkeit gewonnen und ist in vielen wissenschaftlichen Gebieten und Disziplinen zu einem intensiven Forschungsthema geworden. Reelle Daten, die selbsähnliches Verhalten zeigen und/oder durch den Selbstähnlichkeitsexponenten (insbesondere durch den Hurst-Exponenten) parametrisiert werden, wurden in verschiedenen Gebieten gesammelt, die von Finanzwissenschaften über Humanwissenschaften bis zu Netzwerken in der Hydrologie und dem Verkehr reichen. Diese reiche Anzahl an möglichen Anwendungen verlangt von Forschern, neue Methoden zu entwickeln, um den Selbstähnlichkeitsexponenten abzuschätzen, sowie großskalige Abhängigkeiten zu erkennen. In dieser Arbeit stelle ich die Bayessche Schätzung des Hurst-Exponenten vor. Im Unterschied zu früheren Methoden, erlaubt die Bayessche Herangehensweise die Berechnung von Punktschätzungen zusammen mit Konfidenzintervallen, was von bedeutendem Vorteil in der Datenanalyse ist, wie in der Arbeit diskutiert wird. Zudem ist diese Methode anwendbar auf kurze und unregelmäßig verteilte Datensätze, wodurch die Auswahl der möglichen Anwendung, wo der Hurst-Exponent geschätzt werden soll, stark erweitert wird. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Gauß'sche selbstähnliche Prozess von bedeutender Interesse in der Modellierung ist, werden in dieser Arbeit Realisierungen der Prozesse der fraktionalen Brown'schen Bewegung und des fraktionalen Gauß'schen Rauschens untersucht. Zusätzlich werden Anwendungen auf reelle Daten, wie Wasserstände des Nil und fixierte Augenbewegungen, diskutiert. KW - Hurst-Exponent KW - Bayessche Statistik KW - fraktionale Brown'schen Bewegung KW - fraktionales Gauß'sches Rauschen KW - fixierte Augenbewegungen KW - Hurst exponent KW - Bayesian inference KW - fractional Brownian motion KW - fractional Gaussian noise KW - fixational eye movements Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64099 ER - TY - JOUR A1 - Seckler, Henrik A1 - Metzler, Ralf T1 - Bayesian deep learning for error estimation in the analysis of anomalous diffusion JF - Nature Communnications N2 - Modern single-particle-tracking techniques produce extensive time-series of diffusive motion in a wide variety of systems, from single-molecule motion in living-cells to movement ecology. The quest is to decipher the physical mechanisms encoded in the data and thus to better understand the probed systems. We here augment recently proposed machine-learning techniques for decoding anomalous-diffusion data to include an uncertainty estimate in addition to the predicted output. To avoid the Black-Box-Problem a Bayesian-Deep-Learning technique named Stochastic-Weight-Averaging-Gaussian is used to train models for both the classification of the diffusionmodel and the regression of the anomalous diffusion exponent of single-particle-trajectories. Evaluating their performance, we find that these models can achieve a wellcalibrated error estimate while maintaining high prediction accuracies. In the analysis of the output uncertainty predictions we relate these to properties of the underlying diffusion models, thus providing insights into the learning process of the machine and the relevance of the output. KW - random-walk KW - models Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-022-34305-6 SN - 2041-1723 VL - 13 PB - Nature Publishing Group UK CY - London ER - TY - JOUR A1 - Seckler, Henrik A1 - Metzler, Ralf T1 - Bayesian deep learning for error estimation in the analysis of anomalous diffusion JF - Nature Communications N2 - Modern single-particle-tracking techniques produce extensive time-series of diffusive motion in a wide variety of systems, from single-molecule motion in living-cells to movement ecology. The quest is to decipher the physical mechanisms encoded in the data and thus to better understand the probed systems. We here augment recently proposed machine-learning techniques for decoding anomalous-diffusion data to include an uncertainty estimate in addition to the predicted output. To avoid the Black-Box-Problem a Bayesian-Deep-Learning technique named Stochastic-Weight-Averaging-Gaussian is used to train models for both the classification of the diffusion model and the regression of the anomalous diffusion exponent of single-particle-trajectories. Evaluating their performance, we find that these models can achieve a well-calibrated error estimate while maintaining high prediction accuracies. In the analysis of the output uncertainty predictions we relate these to properties of the underlying diffusion models, thus providing insights into the learning process of the machine and the relevance of the output.
Diffusive motions in complex environments such as living biological cells or soft matter systems can be analyzed with single-particle-tracking approaches, where accuracy of output may vary. The authors involve a machine-learning technique for decoding anomalous-diffusion data and provide an uncertainty estimate together with predicted output. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-022-34305-6 SN - 2041-1723 VL - 13 IS - 1 PB - Nature portfolio CY - Berlin ER - TY - GEN A1 - Seckler, Henrik A1 - Metzler, Ralf T1 - Bayesian deep learning for error estimation in the analysis of anomalous diffusion T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Sprache Englisch Modern single-particle-tracking techniques produce extensive time-series of diffusive motion in a wide variety of systems, from single-molecule motion in living-cells to movement ecology. The quest is to decipher the physical mechanisms encoded in the data and thus to better understand the probed systems. We here augment recently proposed machine-learning techniques for decoding anomalous-diffusion data to include an uncertainty estimate in addition to the predicted output. To avoid the Black-Box-Problem a Bayesian-Deep-Learning technique named Stochastic-Weight-Averaging-Gaussian is used to train models for both the classification of the diffusionmodel and the regression of the anomalous diffusion exponent of single-particle-trajectories. Evaluating their performance, we find that these models can achieve a wellcalibrated error estimate while maintaining high prediction accuracies. In the analysis of the output uncertainty predictions we relate these to properties of the underlying diffusion models, thus providing insights into the learning process of the machine and the relevance of the output. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1314 KW - random-walk KW - models Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-586025 SN - 1866-8372 IS - 1314 ER - TY - JOUR A1 - Thapa, Samudrajit A1 - Lomholt, Michael Andersen A1 - Krog, Jens A1 - Cherstvy, Andrey G. A1 - Metzler, Ralf T1 - Bayesian analysis of single-particle tracking data using the nested-sampling algorithm: maximum-likelihood model selection applied to stochastic-diffusivity data JF - Physical chemistry, chemical physics : PCCP ; a journal of European Chemical Societies N2 - We employ Bayesian statistics using the nested-sampling algorithm to compare and rank multiple models of ergodic diffusion (including anomalous diffusion) as well as to assess their optimal parameters for in silico-generated and real time-series. We focus on the recently-introduced model of Brownian motion with "diffusing diffusivity'-giving rise to widely-observed non-Gaussian displacement statistics-and its comparison to Brownian and fractional Brownian motion, also for the time-series with some measurement noise. We conduct this model-assessment analysis using Bayesian statistics and the nested-sampling algorithm on the level of individual particle trajectories. We evaluate relative model probabilities and compute best-parameter sets for each diffusion model, comparing the estimated parameters to the true ones. We test the performance of the nested-sampling algorithm and its predictive power both for computer-generated (idealised) trajectories as well as for real single-particle-tracking trajectories. Our approach delivers new important insight into the objective selection of the most suitable stochastic model for a given time-series. We also present first model-ranking results in application to experimental data of tracer diffusion in polymer-based hydrogels. Y1 - 2018 U6 - https://doi.org/10.1039/c8cp04043e SN - 1463-9076 SN - 1463-9084 VL - 20 IS - 46 SP - 29018 EP - 29037 PB - Royal Society of Chemistry CY - Cambridge ER -