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Neue Veröffentlichungen:

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    Ab initio modeling of ferroelectric oxides under strain and two-dimensional crystals
    (2025) Pionteck, Mike Nico
    Ferroelectric oxides exhibit strong coupling between structural, electronic, and optical properties, which enables their use in photonic, optoelectronic, and quantum technologies. These couplings are investigated from first principles in two complementary directions. In the first part, a real-time formalism is developed to simulate nonlinear optical processes such as sum and difference frequency generation (SFG, DFG), enabling the calculation of coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS). The approach extends the time-dependent Berry phase polarization method implemented in the Yambo code and allows the decomposition of the total polarization into distinct frequency components. This formalism is examplarily tested on hexagonal boron nitride (h-BN) and molybdenum disulfide (MoS2), predicting their strong excitonic features. In the second part, the focus is on ferroelectric oxides, specifically lithium niobate (LiNbO3, LN) and lithium tantalate (LiTaO3, LT), under uniaxial stress. These materials are key components in nonlinear optical devices, where an application of strain strongly influences their optical response. Domain walls (DWs) play a crucial role in this context. In a first approximation, DWs in LN can be modeled as stressed bulk material. The structural, vibrational, electronic, and optical properties mostly of LN under uniaxial stress are studied using density functional theory (DFT). Phonon modes have a nearly linear dependence on strain, and the splitting of degenerate E modes under xand y compression directly reflects symmetry lowering. The computed strain-dependent nonlinear susceptibilities show that new tensor elements appear under uniaxial stress, consistent with observations of second-harmonic generation (SHG) contrast at DWs. Subsequently, the CARS spectra are calculated under stress applying the real-time approach from part one. Furthermore, the investigation of point defects show that the formation energies of NbLi antisites, small bound polarons, and bipolarons decrease under strain, offering a microscopic explanation for the enhanced conductivity observed at DWs. Overall, this work establishes a microscopic understanding of how strain and symmetry breaking influence the vibrational, optical, and electronic properties of ferroelectric oxides such as LN and LT.
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    Regulation und Expression des antimikrobiellen Peptids Cathelicidin
    (2026) Mattern, Leonie Rebekka
    Das Fettgewebe spielt eine wichtige Rolle in der Regulation physiologischer und pathophysiologischer Immun- und Entzündungsprozesse des Körpers („Adipoflammation“ und „Metaflammation“). Adipozyten sind durch die Sekretion von Adipokinen/Zytokinen hormonell aktiv und fungieren unter anderem als Bestandteile des angeborenen Immunsystems. 2015 konnte erstmalig die Expression des antimikrobiellen Peptides cathelicidin antimicrobial peptide (CAMP) in Adipozyten und dessen Funktion bei der Infektabwehr nachgewiesen werden. Im Rahmen einer Entzündungsreaktion wirkt CAMP chemotaktisch auf Immunzellen und ist in der Lage, potenzielle Krankheitserreger unschädlich zu machen. Die Funktion und Regulation von CAMP in Adipozyten ist bislang weitgehend unbekannt und daher Gegenstand neuester Forschungsinitiativen. Ziel dieser Arbeit war es, die Regulation von adipozytärer CAMP-Expression in vitro anhand unterschiedlicher Stimulanzien, Hypothesen-basiert zu untersuchen. Darüber hinaus galt es, die in vitro gewonnenen Erkenntnisse am Mausmodell durch Quantifizierung der CAMP-Proteinkonzentration im murinen Serum und der CAMP-Expression im subkutanen Fettgewebe zu erweitern. Zudem sollte die humane Zelllinie der Simpson-Golabi-Behmel-Syndrom (SGBS) Adipozyten als neues Modell für die adipozytäre CAMP-Expression in vitro etabliert werden. Zur Untersuchung der Funktion und Regulation von CAMP in Adipozyten wurde der Einfluss der Toll-like-Rezeptoren (TLR) -2, -3, -7, -9 und des NOD-like (NOD)-Rezeptor 1 sowie von zellfreier DNA (cfDNA) auf die CAMP-Expression und -Sekretion in humanen und murinen Modellen analysiert. Die CAMP-Genexpression in murinen 3T3 L1-Adipozyten sowie humanen SGBS-Adipozyten unter Stimulation mit TLR- und NOD Agonisten sowie cfDNA wurde mittels reverse transcriptase realtime polymerase chain reaction (RT-PCR) quantifiziert. Die Serumkonzentrationen von CAMP in TLR-9-Knockout (KO)-Mäusen und C57BL/6J Wildtyp-Mäusen wurden mittels enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) ermittelt. Die CAMP- und TLR-9-Expression im subkutanen Fettgewebe von männlichen Wildtyp-Mäusen wurde per RT-PCR verifiziert. Dabei konnten folgende Ergebnisse erarbeitet werden: 1. Die CAMP-Genexpression in murinen Adipozyten wird durch Agonisten des TLR-7 induziert. 2. L-Mimosin reduziert die CAMP-Expression in murinen Adipozyten. 3. CfDNA reduziert signifikant die CAMP-Genexpression in murinen Adipozyten. 4. Adipozyten der SGBS-Zelllinie exprimieren CAMP und stellen ein geeignetes Zellkulturmodell für die Untersuchung der CAMP-Regulation in humanen Adipozyten dar. 5. Die CAMP-Genexpression steigt signifikant während der adipozytären Differenzierung von humanen SGBS-Zellen an. 6. Die TLR-9-Expression korreliert positiv mit der CAMP-Expression im murinen subkutanen Fettgewebe. 7. Männliche TLR-9-KO-Mäuse zeigen signifikant niedrigere CAMP-Protein konzentrationen im Serum als Wildtyp- Mäuse. Die dargestellten Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zur erweiterten Kenntnis der adipozytären Regulation und Funktion des antimikrobiellen Peptids CAMP. Die erfolgreiche Etablierung des SGBS-Modells für Versuche mit CAMP ermöglicht es, die Regulation von CAMP auch in humanen Adipozyten in vitro zu untersuchen. Die Beeinflussung von CAMP durch Toll-like-Rezeptoren stellt eine wichtige Grundlage für weitergehende Studien und potenzielle Ansatzpunkte von translationaler Forschung dar, insbesondere hinsichtlich chronischer Inflammation sowie der antimikrobiellen Aktivität des Fettgewebes.
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    Knochenstatus im murinen Modell des Niemann-Pick Typ C
    (2026) Mattern, Nick
    Der Morbus Niemann-Pick (NPC) ist eine autosomal-rezessiv vererbte atypische Sphingolipidose, deren Ursprung ein Gendefekt des Cholesterolstoffwechsels ist. Bei an NPC erkrankten Patienten reichern sich Lipide wie Cholesterin, Glykolipide und Sphingolipide im endosomalen/lysosomalen System an. Bei anderen Sphingolipidosen führt diese Akkumulation zu Störungen des Knochenstoffwechsels. Vor diesem Hintergrund war es das Ziel der vorliegenden Arbeit die Hypothese zu testen, dass die Akkumulation von Sphingolipiden einen negativen Einfluss auf den Knochenstatus hat. Hierfür wurde der Knochenstatus in einem NPC-Mausmodell, sowie begleitend durch eine klinische Umfrage an NPC-Patienten untersucht. Weiterhin wurde analysiert, inwiefern Medikamente, die zur Behandlung von NPC eingesetzt werden, einen Einfluss auf den Knochenstatus haben. Dazu wurden Femora von weiblichen und männlichen betroffenen Npc1-/--, kontroll-Npc1+/+- und heterozygoten Npc1+/--Mäusen verwendet, die histologisch, computertomographisch, sowie histomorphometrisch untersucht wurden. Um zusätzlich Erkenntnisse über die postnatale Entwicklung (P) bei NPC zu erhalten, wurden Wirbelkörper von Mäusen an P30 und P40 mittels realtime RT-PCR untersucht. Die histomorphometrischen Untersuchungen zeigten eine signifikante Reduktion der relativen Knochenfläche der Npc1-/--Mäuse im Vergleich zu den Wildtypen. Nach der medikamentösen Behandlung der Tiere war dieser Unterschied nicht mehr nachweisbar. Wurde die gesamte untersuchte Fläche als Konfounder berücksichtigt, so waren die signifikanten Unterschiede nur bei den weiblichen Versuchstieren nachzuweisen. Hier war die Knochenfläche bei den medikamentös behandelten weiblichen Mäusen ebenfalls signifikant reduziert. Die µCT-Untersuchungen komplementierten diese Ergebnisse in Bezug auf das relative Knochenvolumen. Zudem zeigte sich eine verringerte Trabekeldicke und -nummer. Die relative Knochenoberfläche, die trabecular seperation, der trabecular pattern factor, sowie der structure model index, zeigte sich bei den unbehandelten Npc1-/--Mäusen deutlich erhöht. Vor allem bei den weiblichen Mäusen zeigen sich die Ergebnisse vergleichbar mit µCT-Untersuchungen von murinen Proben mit Osteoporose. Die Ergebnisse der RT-PCR zeigten signifikante Unterschiede zwischen männlichen und weiblichen Npc1-/--Mäuse für den Primer alkalische Phosphatase. Zudem war die Expression der Sphingosin-Kinase 1 an P30 bei den weiblichen Npc1-/--Mäusen im Vergleich zu den männlichen Mäusen signifikant erniedrigt war. Zusammenfassend zeigen die Npc1-/--Mäuse in ihrer Gesamtheit einen schlechteren Knochenstatus als der Wildtyp und die heterozygoten Mäuse. Dabei scheint das Geschlecht der Tiere eine Einflussgröße zu sein. Die medikamentöse Behandlung, vor allem das Verhindern der Sphingolipidakkumulation, konnte den Knochenstatus der Tiere verbessern.
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    Predictive mechanisms in passive and active touch
    (2025-10) Jeschke, Michaela
    Perception is an active process which is shaped by prior sensory experiences and expectations about the objects and situational demands that an agent is confronted with. The first part of this work focuses on neural adaptation processes in passive tactile perception, while the second part will examine the role of prior visual information and different context factors for optimization of active haptic explorations. In the first study we exploited tactile adaptation aftereffects to reveal previously unknown communalities in the somatosensory processing of spatially structured tactile features. Two-point distance, macro-scale roughness, and curvature have been extensively studied in isolation in the past and are deemed critical for shape and material perception. Their potential overlap in sensory processing however had remained unexplored. Across four experiments, we here demonstrate that adaptation to one property can produce aftereffects in the perception of the other properties: For roughness and tactile distance specifically, cross property aftereffects were bidirectional, specific to orientation and skin region, weaker than the respective within-property aftereffects, and did not result from peripheral receptor fatigue. Together, the results suggest a common neural substrate for processing spatially structured tactile features at early cortical levels, providing a window into how low-level spatial features may be organized to support coherent object perception. A second study compliments the first one: here, we investigated whether there is a relationship between biophysical skin properties with basic tactile abilities and the tactile distance aftereffect. While previous studies clearly demonstrated that peripheral factors are not the origin and cause of tactile aftereffects, it had remained unclear whether they could have an additional impact on aftereffect expression, possibly explaining interindividual differences in e.g. the aftereffect strength. Results revealed that higher hydration and elasticity were related to increased tactile sensitivity and spatial acuity. The magnitude of distance aftereffects, however, was independent from both skin properties and tactile abilities; suggesting that the underlying cortical processes are rather robust and stable. Interindividual variability in the aftereffect magnitude might instead stem from e.g. cortical idiosyncrasies causing differences in the susceptibility to neural adaptation. For active touch, we examined in the third study if and how prior visual information can be exploited for texture exploration. Participants had to discriminate grating textures by spatial frequency while receiving prior visual cues of varying quality about texture orientation. These priors influenced exploratory movement direction similarly to adjustments known to emerge during exploration and to enhance perception, but notably, they did so already at initial contact. The degree of adjustment scaled with the quality, i.e. informational value of the priors, consistent with established motor control models. The findings show that humans can flexibly learn to use abstract visual priors to optimize haptic explorations, with the learning process and direct usage substantially depending on the priors’ quality. In the fourth study, we corroborated and extended findings from study 3 with an investigation in a more naturalistic VR-setting, assessing haptic exploration of real-life materials (sand, sponge, sandpaper), and how naturalistic prior visual information affects the initial movement selection beyond single movement parameter adjustment but with regard to holistic movement selection. Results showed that with adequate prior visual information, participants explored materials in a more efficient way: they used specialized exploratory procedures earlier, with higher probability, and explored materials for a shorter time. In the fifth study, we assessed factors that humans might take into account for termination of exploratory behavior. (Expected) task demands are known to influence, e.g., force tuning in softness exploration. Exploration extension generally improves discrimination performance up to a saturation point. We therefore hypothesized that humans adjust exploration durations according to current task demands and assessed this in a haptically rendered grating discrimination task. However, exploration extension increases motor costs, which humans typically seek to minimize; to examine the role of motor costs for haptic explorations, we artificially manipulated motor effort by implementing counteracting forces in a force-feedback device. Results showed that increased task demands were compensated by exploration extension, but the extent of this compensation depended on the motor costs the agent was confronted with. This likely reflects the agent’s dynamically updated cost-benefit expectations. Altogether, this dissertation provides new behavioral evidence on how efficiency of touch perception is supported by robust early cortical mechanisms jointly encoding different tactile features, as well as higher-level prediction processes that enable exploratory movement adjustments for optimized sensory data gathering.
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