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Optical flow models as an open benchmark for radar-based precipitation nowcasting (rainymotion v0.1)
(2019)
Quantitative precipitation nowcasting (QPN) has become an essential technique in various application contexts, such as early warning or urban sewage control. A common heuristic prediction approach is to track the motion of precipitation features from a sequence of weather radar images and then to displace the precipitation field to the imminent future (minutes to hours) based on that motion, assuming that the intensity of the features remains constant (“Lagrangian persistence”). In that context, “optical flow” has become one of the most popular tracking techniques. Yet the present landscape of computational QPN models still struggles with producing open software implementations. Focusing on this gap, we have developed and extensively benchmarked a stack of models based on different optical flow algorithms for the tracking step and a set of parsimonious extrapolation procedures based on image warping and advection. We demonstrate that these models provide skillful predictions comparable with or even superior to state-of-the-art operational software. Our software library (“rainymotion”) for precipitation nowcasting is written in the Python programming language and openly available at GitHub (https://github.com/hydrogo/rainymotion, Ayzel et al., 2019). That way, the library may serve as a tool for providing fast, free, and transparent solutions that could serve as a benchmark for further model development and hypothesis testing – a benchmark that is far more advanced than the conventional benchmark of Eulerian persistence commonly used in QPN verification experiments.
During the last few decades, the rapid separation of the Small Aral Sea from the isolated basin has changed its hydrological and ecological conditions tremendously. In the present study, we developed and validated the hybrid model for the Syr Darya River basin based on a combination of state-of-the-art hydrological and machine learning models. Climate change impact on freshwater inflow into the Small Aral Sea for the projection period 2007–2099 has been quantified based on the developed hybrid model and bias corrected and downscaled meteorological projections simulated by four General Circulation Models (GCM) for each of three Representative Concentration Pathway scenarios (RCP). The developed hybrid model reliably simulates freshwater inflow for the historical period with a Nash–Sutcliffe efficiency of 0.72 and a Kling–Gupta efficiency of 0.77. Results of the climate change impact assessment showed that the freshwater inflow projections produced by different GCMs are misleading by providing contradictory results for the projection period. However, we identified that the relative runoff changes are expected to be more pronounced in the case of more aggressive RCP scenarios. The simulated projections of freshwater inflow provide a basis for further assessment of climate change impacts on hydrological and ecological conditions of the Small Aral Sea in the 21st Century.
OpenForecast
(2019)
The development and deployment of new operational runoff forecasting systems are a strong focus of the scientific community due to the crucial importance of reliable and timely runoff predictions for early warnings of floods and flashfloods for local businesses and communities. OpenForecast, the first operational runoff forecasting system in Russia, open for public use, is presented in this study. We developed OpenForecast based only on open-source software and data-GR4J hydrological model, ERA-Interim meteorological reanalysis, and ICON deterministic short-range meteorological forecasts. Daily forecasts were generated for two basins in the European part of Russia. Simulation results showed a limited efficiency in reproducing the spring flood of 2019. Although the simulations managed to capture the timing of flood peaks, they failed in estimating flood volume. However, further implementation of the parsimonious data assimilation technique significantly alleviates simulation errors. The revealed limitations of the proposed operational runoff forecasting system provided a foundation to outline its further development and improvement.
On a smooth complete Riemannian spin manifold with smooth compact boundary, we demonstrate that Atiyah-Singer Dirac operator in depends Riesz continuously on perturbations of local boundary conditions The Lipschitz bound for the map depends on Lipschitz smoothness and ellipticity of and bounds on Ricci curvature and its first derivatives as well as a lower bound on injectivity radius away from a compact neighbourhood of the boundary. More generally, we prove perturbation estimates for functional calculi of elliptic operators on manifolds with local boundary conditions.
While some pronouncements of expert treaty bodies have been considered ‘key catalysts’ for the development of international human rights law, others are only selectively referred to in legal practice. This article argues that the varying normative impact is due to the informal character of pronouncements. In the absence of treaty provisions specifying their legal effect, practitioners tend to rely on different factors and arguments when either drawing on or rejecting certain pronouncements. Scholars in turn face difficulties when trying to identify explanatory patterns within this diverging practice as the informal character confronts both international lawyers and international relations scholars with their respective methodological ‘blind spots’. In light of these intradisciplinary challenges, this article explores the extent as to which an interdisciplinary approach helps to assess the reasons for the varying impact of pronouncements. After analysing the factors determining their legal significance on the basis of State practice and the academic debate, this article identifies the drafting process as a factor which promises to be particularly insightful when explored from an interdisciplinary perspective and sketches out a framework for future research.
Sin pragmática no sería posible la comunicación, puesto que no podríamos interpretar enunciados lingüísticos. A cualquier aprendiente de una lengua que no domina, no le basta con ser competente lingüísticamente, puesto que su fin es comunicarse con otras personas y en contextos determinados. Solo una enseñanza que facilite la habilidad de producir y comprender enunciados para realizar actos de lengua, seleccionando los más apropiados para un contexto determinado, podrá preciarse de ser eficiente.
El trabajo que aquí se presenta pretende dar a conocer a la comunidad científica y, en especial, a los y las involucradas directa e indirectamente en el proceso de enseñanza, el concepto de pragmática verbal y contrastarlo con otros como gramática, cultura o interculturalidad, así como concienciarlos de la importancia y de la necesidad imperiosa del establecimiento de la pragmática como disciplina relevante en el proceso comunicativo y, en especial, de su inclusión sistemática y manifiesta en los libros de texto de español como lengua extranjera elaborados para el contexto escolar. Para ello se investiga la presencia de elementos pragmáticos y el fomento de la competencia pragmática en libros de texto para principiantes, por ser estos el material utilizado por excelencia en las escuelas y por su relevancia a la hora de especificar contenidos, tipo de progresión y metodología.
Carbonfasern haben sich in der Luft- und Raumfahrt etabliert und gewinnen in Alltagsanwendungen wie dem Automobilbereich, Windkraft- und Sportbereich durch ihre hohen Zugfestigkeiten, insbesondere ihrer hohen E-Moduli, und ihrer geringen Dichte immer mehr an Bedeutung. Auf Grund ihrer hohen Kosten, welche sich zur Hälfte aus der Precursorherstellung, inklusive seiner Synthese und seinem Verspinnprozess, dem Lösungsspinnverfahren, ergeben, erhalten zunehmend alternative und schmelzspinnbare Precursoren Interesse. Für die Carbonfaserherstellung wird fast ausschließlich Polyacrylnitril (PAN) verwendet, das vor dem Schmelzen irreversible exotherme Zyklisierungsreaktionen aufweist, welchen sich seine Zersetzung anschließt. Eine Möglichkeit der Reduzierung der Schmelztemperatur von Polymeren ist die Einbringung von Comonomeren zur Erhöhung des freien Volumens und die Reduzierung der intermolekularen Wechselwirkungen als interne Weichmacher. Wie am Fraunhofer IAP gezeigt wurde, kann mittels 2-Methoxyethylacrylat (MEA) die Schmelztemperatur zu neuartigen PAN-basierten Precursoren verringert werden. Um den PAN-co-MEA-Precursor für die nachfolgenden Prozessschritte der Carbonfaserherstellung zu verwenden, müssen die thermoplastischen Fasern in thermisch stabile Fasern ohne thermoplastisches Verhalten überführt werden. Es wurde ein neuer Prozessschritt (Prästabilisierung) eingeführt, welcher unter alkalischen Bedingungen zur Abspaltung der Comonomerseitenkette führt. Neben der Esterhydrolyse finden Reaktionen statt, welche an diesem Material noch nicht hinreichend untersucht wurden. Weiterhin stellt sich die Frage nach der Kinetik der Prästabilisierung und der Ermittlung einer geeigneten Prozessführung.
Hierzu wurde die Prästabilisierung in den Labormaßstab überführt und die möglichen Zusammensetzungen des aus DMSO und einer KOH-Lösung bestehenden Reaktionsmediums evaluiert. Weiterhin wurde die Behandlung bei verschiedenen Prästabilisierungszeiten von maximal 30 min und Temperaturen von 40, 50 und 60 °C durchgeführt, um primär mittels NMR-Spektroskopie die chemischen Strukturänderungen aufzuklären. Die Esterhydrolyse des Comonomers, welche zur Abspaltung des 2-Methoxyethanols führt, wurde mittels 1H-NMR-spektroskopischer Untersuchungen detektiert.
Es wurde ein Modell aufgestellt, das die chemisch-physikalischen Strukturänderungen während der Prästabilisierung aufzeigt. Die zuerst ablaufende Reaktion ist die Esterhydrolyse am Comonomer, welche vom Faserrand nach innen verläuft und durch die Präsenz des DMSO in Kombination mit der KOH-Lösung (Superbase) initiiert wird. Der zeitliche Reaktionsverlauf der Esterhydrolyse kann in drei Bereiche eingeteilt werden. Der erste Bereich ab dem Prästabilisierungsbeginn wird durch die Diffusion der basischen Anionen in die Faser, der zweite Bereich durch die Reaktion an der Estergruppe des Comonomers und der dritte Bereich durch letzte Reaktionen im Faserinneren und diffusiven Prozessen der Produkte und Edukte charakterisiert. Der zweite Bereich kann mit einer Reaktion pseudo 1. Ordnung abgebildet werden, da in diesem Bereich bereits eine ausreichende Diffusion der Edukte in die Faser stattgefunden hat. Bei 50 °C spielt die Diffusion im ersten Bereich im Vergleich zur Reaktion eine untergeordnete Rolle. Mit Erhöhung der Temperatur auf 60 °C kann eine im Verhältnis geringere Diffusions- als Reaktionsgeschwindigkeit beobachtet werden. Die Nebenreaktionen wurden mittels 13C-CP/MAS-NMR-spektroskopischen, elementaranlaytischen Untersuchungen sowie Doppelbrechungsmessungen charakterisiert. Während der alkalischen Esterhydrolyse beginnt die Reduzierung der Nitrilgruppen unter der Bildung von primären Carbonsäureamiden und Carbonsäuren. Zur Beschreibung dieser Umsetzung wurde eine Methode entwickelt, welche die Addition von 13C-CP/MAS-NMR-Spektren der Modellsubstanzen PAN, PAM und PAA beinhaltet. Weitere stattfindende Reaktionen sind die Bildung von konjugierten Doppelbindungen, welche insbesondere auf eine Zyklisierung der Nitrile hinweisen. Die nasschemisch initiierte Zyklisierung der Nitrilgruppen kann zu kürzeren Stabilisierungszeiten und einem besser kontrollierbaren Stabilisierungsprozess durch geringere Wärmefreisetzung und schlussendlich zu einer Kostenersparnis des gesamten Verfahrens führen. Die Umsetzung der Nitrilgruppen konnte mit einer Reaktion pseudo 1. Ordnung gut abgebildet werden. DMSO initiiert die Esterhydrolyse, wobei die KOH-Konzentration einen höheren Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit der Ester- und Nitrilhydrolyse als die DMSO-Konzentration besitzt. Beide Reaktionen zeigen eine vergleichbare Abhängigkeit von der Temperatur. Die Erhöhung der Prästabilisierungszeit und der KOH- bzw. DMSO-Konzentration führt zur Migration niedermolekularer Bestandteile des Fasermaterials an die Oberfläche und der Bildung punktueller Ablagerungen bis hin zu miteinander verbundenen Einzelfasern. Eine weitere Erhöhung der Prästabilisierungszeit bzw. der Konzentration führt zu einem steigenden Carbonsäureanteil und zur Quellung des Fasermaterials, wodurch die Ablagerungen in das Reaktionsmedium diffundieren. Die Ablagerungen enthalten Chlor, welches durch den Waschvorgang mit HCl in das Materialsystem gelangt ist und durch Parameteranpassungen reduziert wurde. Die schmelzbaren Fasern konnten durch die Prästabilisierung erfolgreich über eine Kern-Mantel-Struktur in nicht-thermoplastische Fasern überführt werden.
Zur Ermittlung eines geeigneten Prozessfensters für nachfolgende thermische Beanspruchungen der prästabilisierten Fasern wurden drei Kriterien identifiziert, anhand welcher die Evaluation erfolgte. Das erste Kriterium beinhaltet die Notwendigkeit der vollständigen Aufhebung der thermoplastischen Eigenschaft der Fasern. Als zweites Kriterium diente die Fasermorphologie. Anhand von REM-Aufnahmen wurden Faserbündel mit separierten Einzelfasern ohne Ablagerungen für die nachfolgende Stabilisierung ausgewählt. Das dritte Kriterium bezieht sich auf eine möglichst geringe Umsetzung der Nitrilgruppen, um Prästabilisierungsbedingungen mit Nebenreaktionen zu vermeiden.
Aus den Untersuchungen konnte eine Prästabilisierungstemperatur von 60 °C als geeignet identifiziert werden. Weiterhin führen hoch alkalische Zusammensetzungen des Reaktionsmediums mit KOH-Konzentrationen von 1, 1,5 und 2 M, vorzugsweise 1,5 M und 50 vol% DMSO mit Reaktionszeiten von unter 10 min zu geeigneten Fasern. Ein MEA-Anteil unterhalb von 2 mol% bewirkt eine Überführung in die Unschmelzbarkeit. Thermisch stabile und für die nachfolgende Stabilisierung geeignete Fasern besitzen weiterhin 68 – 80 mol% Nitrilgruppen, 20 – 25 mol% Carbonsäuren, bis zu 15 mol% primäre Carbonsäureamide und zyklisierte Strukturen.
Business process management is an established technique for business organizations to manage and support their processes. Those processes are typically represented by graphical models designed with modeling languages, such as the Business Process Model and Notation (BPMN).
Since process models do not only serve the purpose of documentation but are also a basis for implementation and automation of the processes, they have to satisfy certain correctness requirements. In this regard, the notion of soundness of workflow nets was developed, that can be applied to BPMN process models in order to verify their correctness. Because the original soundness criteria are very restrictive regarding the behavior of the model, different variants of the soundness notion have been developed for situations in which certain violations are not even harmful.
All of those notions do only consider the control-flow structure of a process model, however. This poses a problem, taking into account the fact that with the recent release and the ongoing development of the Decision Model and Notation (DMN) standard, an increasing number of process models are complemented by respective decision models. DMN is a dedicated modeling language for decision logic and separates the concerns of process and decision logic into two different models, process and decision models respectively.
Hence, this thesis is concerned with the development of decisionaware soundness notions, i.e., notions of soundness that build upon the original soundness ideas for process models, but additionally take into account complementary decision models. Similar to the various notions of workflow net soundness, this thesis investigates different notions of decision soundness that can be applied depending on the desired degree of restrictiveness. Since decision tables are a standardized means of DMN to represent decision logic, this thesis also puts special focus on decision tables, discussing how they can be translated into an unambiguous format and how their possible output values can be efficiently determined.
Moreover, a prototypical implementation is described that supports checking a basic version of decision soundness. The decision soundness notions were also empirically evaluated on models from participants of an online course on process and decision modeling as well as from a process management project of a large insurance company. The evaluation demonstrates that violations of decision soundness indeed occur and can be detected with our approach.
Untersuchungen an neuartigen sauerstoffsubstituierten Donoren und Akzeptoren für Singulettsauerstoff
(2019)
Im Verlauf dieser Arbeit wurden Aromaten wie Naphthaline und Anthracene mit Singulettsauerstoff, einer reaktiven Form des gewöhnlichen Sauerstoffs, zu sogenannten Endoperoxiden umgesetzt. Die hier eingesetzten Systeme wurden mit funktionellen Gruppen modifiziert, die über eine Sauerstoffbrücke mit dem Aromaten verknüpft sind. Die daraus entstandenen Endoperoxide sind meist besonders labil und konnten in dieser Arbeit isoliert und umfassend untersucht werden.
Hierbei wurde zum einen das Reaktionsverhalten untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Aromaten in Abhängigkeit ihrer funktionellen Gruppen unterschiedlich schnell mit Singulettsauerstoff reagieren. Die so ermittelten Reaktivitäten wurden zusätzlich durch theoretische Berechnungen gestützt.
Die resultierenden Endoperoxide wurden unter verschiedenen Bedingungen wie erhöhter Temperatur oder einem sauren bzw. basischen Milieu auf ihre Stabilität hin untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die auf Naphthalinen basierenden Endoperoxiden den gebundenen Singulettsauerstoff in guten Ausbeuten oft schon bei sehr niedrigen Temperaturen (−40 bis 0 °C) freisetzen. Diese Verbindungen können daher als milde Quellen dieser reaktiven Sauerstoffspezies eingesetzt werden. Weiterhin konnten bei den Anthracenendoperoxiden Zerfallsmechanismen aufgeklärt und andere reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid oder Persäuren nachgewiesen werden.
Zu den Modifikationen der Aromaten gehören auch Glucosereste. Dadurch könnten sich die hier hergestellten Endoperoxide als vielversprechende Verbindungen in der Krebstherapie herausstellen, da Krebszellen deutlich stärker als gesunde Zellen kohlenhydratreiche Verbindungen für ihren Stoffwechsel benötigen. Bei der Spaltung von Endoperoxiden mit Glucosesubstituenten werden ebenfalls reaktive Sauerstoffspezies frei, die so zum Zelltod führen könnten.
On uninterpretable features
(2019)
Hyperspectral remote sensing of the spatial and temporal heterogeneity of low Arctic vegetation
(2019)
Arctic tundra ecosystems are experiencing warming twice the global average and Arctic vegetation is responding in complex and heterogeneous ways. Shifting productivity, growth, species composition, and phenology at local and regional scales have implications for ecosystem functioning as well as the global carbon and energy balance. Optical remote sensing is an effective tool for monitoring ecosystem functioning in this remote biome. However, limited field-based spectral characterization of the spatial and temporal heterogeneity limits the accuracy of quantitative optical remote sensing at landscape scales. To address this research gap and support current and future satellite missions, three central research questions were posed:
• Does canopy-level spectral variability differ between dominant low Arctic vegetation communities and does this variability change between major phenological phases?
• How does canopy-level vegetation colour images recorded with high and low spectral resolution devices relate to phenological changes in leaf-level photosynthetic pigment concentrations?
• How does spatial aggregation of high spectral resolution data from the ground to satellite scale influence low Arctic tundra vegetation signatures and thereby what is the potential of upcoming hyperspectral spaceborne systems for low Arctic vegetation characterization?
To answer these questions a unique and detailed database was assembled. Field-based canopy-level spectral reflectance measurements, nadir digital photographs, and photosynthetic pigment concentrations of dominant low Arctic vegetation communities were acquired at three major phenological phases representing early, peak and late season. Data were collected in 2015 and 2016 in the Toolik Lake Research Natural Area located in north central Alaska on the North Slope of the Brooks Range. In addition to field data an aerial AISA hyperspectral image was acquired in the late season of 2016. Simulations of broadband Sentinel-2 and hyperspectral Environmental and Mapping Analysis Program (EnMAP) satellite reflectance spectra from ground-based reflectance spectra as well as simulations of EnMAP imagery from aerial hyperspectral imagery were also obtained.
Results showed that canopy-level spectral variability within and between vegetation communities differed by phenological phase. The late season was identified as the most discriminative for identifying many dominant vegetation communities using both ground-based and simulated hyperspectral reflectance spectra. This was due to an overall reduction in spectral variability and comparable or greater differences in spectral reflectance between vegetation communities in the visible near infrared spectrum.
Red, green, and blue (RGB) indices extracted from nadir digital photographs and pigment-driven vegetation indices extracted from ground-based spectral measurements showed strong significant relationships. RGB indices also showed moderate relationships with chlorophyll and carotenoid pigment concentrations. The observed relationships with the broadband RGB channels of the digital camera indicate that vegetation colour strongly influences the response of pigment-driven spectral indices and digital cameras can track the seasonal development and degradation of photosynthetic pigments.
Spatial aggregation of hyperspectral data from the ground to airborne, to simulated satel-lite scale was influenced by non-photosynthetic components as demonstrated by the distinct shift of the red edge to shorter wavelengths. Correspondence between spectral reflectance at the three scales was highest in the red spectrum and lowest in the near infra-red. By artificially mixing litter spectra at different proportions to ground-based spectra, correspondence with aerial and satellite spectra increased. Greater proportions of litter were required to achieve correspondence at the satellite scale.
Overall this thesis found that integrating multiple temporal, spectral, and spatial data is necessary to monitor the complexity and heterogeneity of Arctic tundra ecosystems. The identification of spectrally similar vegetation communities can be optimized using non-peak season hyperspectral data leading to more detailed identification of vegetation communities. The results also highlight the power of vegetation colour to link ground-based and satellite data. Finally, a detailed characterization non-photosynthetic ecosystem components is crucial for accurate interpretation of vegetation signals at landscape scales.
Veni, vidi, falsi nuntii
(2019)
Farber disease is a rare lysosomal storage disorder resulting from acid ceramidase deficiency and subsequent ceramide accumulation. No treatments for Farber disease are clinically available, and affected patients have a severely shortened lifespan. We have recently reported a novel acid ceramidase deficiency model that mirrors the human disease closely. Acid sphingomyelinase is the enzyme that generates ceramide upstream of acid ceramidase in the lysosomes. Using our acid ceramidase deficiency model, we tested if acid sphingomyelinase could be a potential novel therapeutic target for the treatment of Farber disease. A number of functional acid sphingomyelinase inhibitors are clinically available and have been used for decades to treat major depression. Using these as a therapeutic for Farber disease, thus, has the potential to improve central nervous symptoms of the disease as well, something all other treatment options for Farber disease can’t achieve so far. As a proof-of-concept study, we first cross-bred acid ceramidase deficient mice with acid sphingomyelinase deficient mice in order to prevent ceramide accumulation. Double-deficient mice had reduced ceramide accumulation, fewer disease manifestations, and prolonged survival. We next targeted acid sphingomyelinase pharmacologically, to test if these findings would translate to a setting with clinical applicability. Surprisingly, the treatment of acid ceramidase deficient mice with the acid sphingomyelinase inhibitor amitriptyline was toxic to acid ceramidase deficient mice and killed them within a few days of treatment. In conclusion, our study provides the first proof-of-concept that acid sphingomyelinase could be a potential new therapeutic target for Farber disease to reduce disease manifestations and prolong survival. However, we also identified previously unknown toxicity of the functional acid sphingomyelinase inhibitor amitriptyline in the context of Farber disease, strongly cautioning against the use of this substance class for Farber disease patients
Wege entstehen beim Gehen
(2019)
Musicalarbeit in der Schule, vom Mini-Musical bis hin zu groß angelegten Schulmusicals, erfreut sich sowohl bei Schülerinnen und Schülern als auch bei Musiklehrkräften großer Beliebtheit und eines oftmals außerordentlichen, teils auch unterschätzten Engagements. Dessen ungeachtet gibt es nur wenig musikdidaktische Fachliteratur zu diesem Thema und es liegen bislang nur wenige Forschungsarbeiten vor, die wegweisend für die Umsetzung von Musicalprojekten an Schulen sind. Auch in der Musiklehrerbildung spielt Musicalarbeit nur eine marginale Rolle.
Die vorliegende Publikation möchte dazu beitragen, diese Lücke zu verringern. Sie ist das Ergebnis des Masterseminars „Musicalarbeit in der Schule“ am Lehrstuhl für Musikpädagogik und Musikdidaktik der Universität Potsdam, das begleitend zur künstlerischen Erarbeitung des Musicals „Elion“ durch Studierende der Universität Potsdam im Sommersemester 2018 stattfand. Im Zentrum des Seminars standen pädagogische sowie methodisch-didaktische Fragestellungen in den Bereichen Gesang, Choreografie und Theaterarbeit. Des Weiteren wurden Möglichkeiten und pädagogische Potenziale fachübergreifenden und fächerverbindenden Arbeitens erörtert.
Zu diesem Seminar wurden Musicalexperten aus verschiedenen schulischen Kontexten eingeladen, die den Studierenden Einblicke in ihre langjährigen Praxiserfahrungen gewährten und ihre Erfahrungen zur Diskussion stellten.
Die vorliegende Publikation wurde abschließend von den Seminarteilnehmern selbst erarbeitet und stellt eine Zusammenfassung des Seminars dar. Sie versteht sich als Entscheidungshilfe für oder gegen Musicalarbeit in der Schule und als Leitfaden für den Einstieg in die Praxis.
Creating fonts is a complex task that requires expert knowledge in a variety of domains. Often, this knowledge is not held by a single person, but spread across a number of domain experts. A central concept needed for designing fonts is the glyph, an elemental symbol representing a readable character. Required domains include designing glyph shapes, engineering rules to combine glyphs for complex scripts and checking legibility. This process is most often iterative and requires communication in all directions. This report outlines a platform that aims to enhance the means of communication, describes our prototyping process, discusses complex font rendering and editing in a live environment and an approach to generate code based on a user’s live-edits.
Thermoresponsive Zellkultursubstrate für zeitlich-räumlich gesteuertes Auswachsen neuronaler Zellen
(2019)
Ein wichtiges Ziel der Neurowissenschaften ist das Verständnis der komplexen und zugleich faszinierenden, hochgeordneten Vernetzung der Neurone im Gehirn, welche neuronalen Prozessen, wie zum Beispiel dem Wahrnehmen oder Lernen wie auch Neuropathologien zu Grunde liegt. Für verbesserte neuronale Zellkulturmodelle zur detaillierten Untersuchung dieser Prozesse ist daher die Rekonstruktion von geordneten neuronalen Verbindungen dringend erforderlich. Mit Oberflächenstrukturen aus zellattraktiven und zellabweisenden Beschichtungen können neuronale Zellen und ihre Neuriten in vitro strukturiert werden. Zur Kontrolle der neuronalen Verbindungsrichtung muss das Auswachsen der Axone zu benachbarten Zellen dynamisch gesteuert werden, zum Beispiel über eine veränderliche Zugänglichkeit der Oberfläche.
In dieser Arbeit wurde untersucht, ob mit thermoresponsiven Polymeren (TRP) beschichtete Zellkultursubstrate für eine dynamische Kontrolle des Auswachsens neuronaler Zellen geeignet sind. TRP können über die Temperatur von einem zellabweisenden in einen zellattraktiven Zustand geschaltet werden, womit die Zugänglichkeit der Oberfläche für Zellen dynamisch gesteuert werden kann. Die TRP-Beschichtung wurde mikrostrukturiert, um einzelne oder wenige neuronale Zellen zunächst auf der Oberfläche anzuordnen und das Auswachsen der Zellen und Neuriten über definierte TRP-Bereiche in Abhängigkeit der Temperatur zeitlich und räumlich zu kontrollieren. Das Protokoll wurde mit der neuronalen Zelllinie SH-SY5Y etabliert und auf humane induzierte Neurone übertragen. Die Anordnung der Zellen konnte bei Kultivierung im zellabweisenden Zustand des TRPs für bis zu 7 Tage aufrecht erhalten werden. Durch Schalten des TRPs in den zellattraktiven Zustand konnte das Auswachsen der Neuriten und Zellen zeitlich und räumlich induziert werden. Immunozytochemische Färbungen und Patch-Clamp-Ableitungen der Neurone demonstrierten die einfache Anwendbarkeit und Zellkompatibilität der TRP-Substrate.
Eine präzisere räumliche Kontrolle des Auswachsens der Zellen sollte durch lokales Schalten der TRP-Beschichtung erreicht werden. Dafür wurden Mikroheizchips mit Mikroelektroden zur lokalen Jouleschen Erwärmung der Substratoberfläche entwickelt. Zur Evaluierung der generierten Temperaturprofile wurde eine Temperaturmessmethode entwickelt und die erhobenen Messwerte mit numerisch simulierten Werten abgeglichen. Die Temperaturmessmethode basiert auf einfach zu applizierenden Sol-Gel-Schichten, die den temperatursensitiven Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin B enthalten. Sie ermöglicht oberflächennahe Temperaturmessungen in trockener und wässriger Umgebung mit hoher Orts- und Temperaturauflösung. Numerische Simulationen der Temperaturprofile korrelierten gut mit den experimentellen Daten. Auf dieser Basis konnten Geometrie und Material der Mikroelektroden hinsichtlich einer lokal stark begrenzten Temperierung optimiert werden. Ferner wurden für die Kultvierung der Zellen auf den Mikroheizchips eine Zellkulturkammer und Kontaktboard für die elektrische Kontaktierung der Mikroelektroden geschaffen.
Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren erstmalig das enorme Potential thermoresponsiver Zellkultursubstrate für die zeitlich und räumlich gesteuerte Formation geordneter neuronaler Verbindungen in vitro. Zukünftig könnte dies detaillierte Studien zur neuronalen Informationsverarbeitung oder zu Neuropathologien an relevanten, humanen Zellmodellen ermöglichen.
Auftrag und Möglichkeiten der Kommission für Friedenskonsolidierung im System der Vereinten Nationen
(2019)
Vor dem Hintergrund der international steigenden Zahl an Konfliktrückfällen insbesondere im Anschluss an bereits offiziell für beendet erklärte Bürgerkriege und die daraus folgende zunehmende Relevanz von Peacebuilding-Maßnahmen der internationalen Gemeinschaft, wird in diesem Beitrag die Arbeit der Kommission für Friedenskonsolidierung der Vereinten Nationen untersucht. Einerseits werden hierbei, nach einigen einführenden Erläuterungen zum Begriff der Friedenskonsolidierung an sich sowie der Zusammensetzung und Funktionsweise der Kommission, zunächst ihre einzelnen Aufträge systematisch unter Einordnung in den Kontext des Peacebuilding-Systems der Vereinten Nationen herausgearbeitet und eine auswertende Bilanz unter ihre bisherige Erfüllung gezogen. Daran anschließend erfolgt eine Darstellung der zukünftigen Möglichkeiten der Kommission im Bereich der Friedenskonsolidierung unter besonderer Berücksichtigung ihres Potenzials innerhalb des Systems der Vereinten Nationen sowie der einschlägigen völkerrechtlichen Aspekte.