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Promotionspreise

27.06.2003 - (idw) Universität Ulm

Prämiierte Nachwuchsforscher 2003
Promotionspreise der Ulmer Universitätsgesellschaft

Im Rahmen ihres 36. Jahrestages verleiht die Universität am Freitag, dem 4. Juli 2003, die diesjährigen Promotionspreise (je Preisträger 1.500 Euro) der Ulmer Universitätsgesellschaft (UUG). Preisträger sind Dr. rer. nat. Ingo Ahrns, Dr. rer. nat. Markus Haase, Dr. rer. nat. Stefan Keppeler, Dr.-Ing. Thomas Knödl, Dr. med. Philipp Lange, Dr. rer. nat. Sarah Lindenberg, Dr. med. Wilhelm Schneiderhan und Dipl.-Ing. Dr. biol. hum. Axel Thielscher.


Mutierte Proteine

Abbau von Nervenzellen ist häufig mit dem Auftreten von Proteinen mit verlängertem Glutaminstrang verknüpft. Diese Korrelation wurde vielfach nachgewiesen, die molekularen Zusammenhänge sind jedoch nicht eindeutig aufgeklärt. Dr. rer. nat. Katrin Lindenberg aus der Abteilung Allgemeine Zoologie hat sich mit Teilaspekten dieser Problematik auseinandergesetzt und besonders mit zwei Genen beschäftigt, deren mutierte Formen mit der spinocerebellären Ataxie und der Huntingtonschen Krankheit verknüpft sind. Ihre Untersuchungen führte sie sowohl an Material von Patienten als auch an Mäusen und Zellinien durch. Es zeigte sich, daß sich die mutierten Proteine im Zellkern anreichern und dort nur unvollständig abgebaut werden, da ein Großteil der betroffenen Nervenzellen nicht über die notwendigen biochemischen Abbausubstanzen verfügt. Die Ergebnisse der Dissertation "Towards understanding the pathogenesis of polyglutamine disorders: mRNA and protein expression, proteolytic cleavage and proteasomal degradation" haben sich in sechs Original-Veröffentlichungen in führenden Journalen und in einem Übersichtsartikel niedergeschlagen.


Zirrhose in Kultur

Man weiß heute, daß die Leberzirrhose die Folge verschiedenster Ursachen, zum Beispiel übermäßigen Alkoholkonsums, chronischer Leberentzündungen oder Eisen- und Kupferüberladung, ist. Unabhängig vom Auslöser scheint vermehrter oxidativer Streß, namentlich die durch Sauerstoffeinfluß bedingte Veränderung von Fett- und Proteinmolekülen, beteiligt zu sein. Hauptmerkmal der Leberzirrhose ist eine krankhafte Vermehrung von Bindegewebe (Fibrose), ausgelöst durch die "Anweisungen" der sogenannten hepatischen Sternzelle. Im Rahmen seiner Dissertation ("Oxidiertes Low-Density-Lipoprotein bindet an den CD36-Rezeptor und stimuliert die Matrixsynthese kultivierter humaner hepatischer Sternzellen") hat Dr. med. Wilhelm Schneiderhan, Abteilung Innere Medizin I, diese Zelle kultiviert und im Zellkulturmodell untersucht.

Er fand heraus, daß oxidierte niedrig-dichte ("low-density-")Lipoproteine (LDL) die Bindegewebsproduktion in den Zellen dosisabhängig bis um das Vierfache steigern. Auch die Bildung hepatischer Sternzellen wird durch oxidierte LDL angeregt. In hohen Konzentrationen zerstören LDL die Zellen. Diese Ergebnisse, die bereits in "Hepatology", der international bedeutendsten Fachzeitschrift zur Erforschung von Lebererkrankungen, publiziert wurden, zeigen erstmals, daß oxidativer Streß neben anderen Faktoren die krankhafte Bildung von Bindegewebe in der Leber steigern und damit eine Leberzirrhose verursachen können. Von dieser Erkenntnis ausgehend, könnten neue Therapieansätze erarbeitet werden, um die Entwicklung der Erkrankung zu verzögern.


Unkontrolliertes Kalzium

Das im Rahmen des Ulmer Interdisziplinären Zentrums für Klinische Forschung finanzierte Projekt, mit dem Dr. med. Philipp Lange in der Abteilung Allgemeine Physiologie für seine Doktorarbeit beauftragt war, steht in direktem Zusammenhang mit einem klinischen Problem: manche Patienten verfallen bei Vollnarkosen mit bestimmten Narkosemitteln in den Zustand der malignen Hyperthermie, gekennzeichnet durch einen enormen Anstieg der Körpertemperatur, der zum Tode führen kann. Man weiß, daß diese Überhitzung durch unkontrollierte übermäßige Freisetzung von Kalzium in den Muskeln ausgelöst wird. Lange sollte nun in Experimenten mit Hilfe von Koffein Kalziumanstiege in isolierten Muskelzellen herbeiführen und dabei die exakte Schwellenkonzentration bestimmen, bei der das freigesetzte Kalzium mit einer Standardindikatormethode nachweisbar würde. Als Testpräparat diente Muskulatur von Mausembryonen, die sich leicht in Zellkultur züchten läßt, so daß auf Tierversuche verzichtet werden konnte.

Wider Erwarten stellte Lange fest, daß es keine feste Schwellenkonzentration gibt, daß vielmehr die Schwelle umso niedriger wurde, je häufiger er den Test ausführte. Dementsprechend wurde mit jeder Koffeingabe bei gleichbleibender Konzentration die Kalziumfreisetzung größer. Ein ähnliches Phänomen kannte man bisher bei der Herzmuskulatur, aber nicht beim Skelettmuskel. In seiner Dissertation "Die Wirkung kurzdauernder repetitiver Koffeinapplikationen auf die Kalziumregulation kultivierter Mausmyotuben" untersuchte Lange den von ihm entdeckten Effekt, klärte außerdem mit pharmakologischen Mitteln teilweise den Wirkmechanismus auf und beschrieb seine Ergebnisse schließlich im European Journal of Physiology.


Magnetische Erregung

Entdeckt wurde die transkranielle Magnetstimulation (TMS) bereits um 1900, aber erst Mitte der 80er Jahre, als die neue Leistungselektronik das Schalten sehr starker Ströme durch kleine und bezahlbare Halbleiterelemente ermöglichte und die Konstruktion neuer Spulenformen eine gezielte Stimulation bestimmter Gehirnregionen erlaubte, fand das Verfahren Eingang in die Neurologie, wo sie bald zum Standarddiagnoseverfahren avancierte. Heute erfreut sie sich steigender Beliebtheit in der Psychiatrie und den Neurowissenschaften, da mit ihrer Hilfe Gehirnregionen in ihrer Aktivität gezielt beeinflußt werden können. Allerdings weiß man durchaus noch nicht, welche der verschiedenen Typen von Nervenzellen genau von der TMS erregt werden. Auch ist nur näherungsweise verstanden, welche Gehirnregion unterhalb der Magnetspule wirklich beeinflußt wird und wie groß das beeinflußte Gebiet ist. Um diese Fragen ging es in der Dissertation von Dipl.-Ing. Dr. biol. hum. Axel Thielscher (Abteilung Psychiatrie III). In Kooperation mit einem Physiologen des Max-Planck-Instituts für biologische Kybernetik entwickelte er ein neues Verfahren, bei dem theoretische Berechnungen der elektromagnetischen Spulenfelder mit physiologischen Messungen von Muskelantwortstärken kombiniert wurden.

Die Forscher konnten erstmals bestimmen, wie groß in etwa das Gebiet ist, das mit der TMS stimuliert werden muß, damit gezielt ein Muskelzucken ausgelöst wird. Erfreulicherweise zeigte sich ferner, daß die bisherigen theoretischen Modellvorstellungen, die auf vereinfachenden Annahmen basieren, mit der Realität gut übereinstimmen. Dank Thielschers Arbeit ("Abschätzungen zum Ort der Nervenstimulation durch Magnetfelder - ein Beitrag zu den biophysikalischen Grundlagen der transkraniellen Magnetstimulation") ist nun eine bessere Interpretation der bisherigen und zukünftigen Ergebnisse der Hirnkartierung mittels TMS möglich. Auch können sie zu besseren künftigen Spulenkonstruktionen beitragen, die eine räumlich genauere Stimulation erlauben.


Eleganter Kalkül

Operatoren sind in der mathematischen Analysis von zentraler Bedeutung. Sie beschreiben unter anderem die Diffusion einer chemischen Substanz, die Wärmeausbreitung in einem Körper, die Energie eines Elektrons oder das Wachstum von Zellen. Definiert werden sie als "lineare Abbildungen zwischen unendlich-dimensionalen Räumen" - man ahnt, daß es sich um Objekte von hoher Komplexität handelt. Nun will man aber mit diesen komplexen Größen rechnen, sie addieren, multiplizieren, die Wurzel ziehen, so wie man das auch mit Zahlen tut. Dr. rer. nat. Markus Haase, Abteilung Angewandte Analysis, hat in seiner Dissertation "The Functional Calculus for Sectorial Operators and Similarity Methods" - nebenbei ein eindrucksvolles Beispiel mathematischer Ästhetik - wesentliche Fortschritte in dieser Richtung erzielt.

Am besten funktioniert der Funktionalkalkül im sogenannten Hilbertraum. Da dieser unendlich-dimensionale Raum sozusagen das mathematische Zuhause quantenphysikalischer Berechnungen ist, haben Haases Ergebnisse, bereits in vier renommierten Zeitschriften veröffentlicht, vor allem für die mathematische Formulierung der Quantentheorie interessante Konsequenzen. Mehrere Resultate des Preisträgers dürfen sogar als allgemeingültig betrachtet werden.


Spins semiklasisch

Das Thema der Dissertation von Dr. rer. nat. Stefan Keppeler ("Spinning particles: Semiclassical quantisation and spectral statistics") ist auf dem Gebiet der semiklassischen Quantenmechanik angesiedelt. In diesem Teilgebiet der Theoretischen Physik werden Näherungsmethoden entwickelt und angewandt, mit denen quantenmechanische Größen, wie z.B. Spektrallinien eines Atoms, unter Verwendung von Größen aus der klassischen Mechanik berechnet werden können. Damit erhält man im allgemeinen zwar keine exakten Resultate, jedoch sind semiklassische Methoden häufig sehr viel effizienter als entsprechende Methoden der exakten Quantenmechanik.

Die ersten semiklassischen Verfahren, die unmittelbar nach Einführung der Quantenmechanik entwickelt wurden, gehen auf Einstein, Brillouin und Keller (EBK) zurück. Keppeler hat deren Regeln so verallgemeinert, daß sie auf physikalische Systeme angewendet werden können, in denen der Elektronenspin eine wesentliche Rolle spielt. Da der Spin eines Teilchens ein quantenmechanisches Phänomen ist, EBK-Quantisierungregeln aber den Formalismus der klassischen Mechanik benutzen, mußte Keppler eine geeignete Beschreibung des Spins in der Sprache der klassischen Mechanik entwickeln. Da der Spin in aktuellen Fragestellungen der Atom-, Molekül- und Festkörperphysik eine immer wichtigere Rolle spielt, stellen seine Resultate ausgezeichnete Werkzeuge zur Untersuchung vieler interessanter Probleme zur Verfügung.


Senkrecht-Laser auf Sandwich-Art

Oberflächenemittiernde Laserdioden mit Vertikalresonator, kurz Vertikallaserdioden genannt, sind Schlüsselkomponenten für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz und niedrigen Energieverbrauch aus. Ein wesentlicher Nachteil ist ihre niedrige Verstärkerleistung. In seiner Dissertation "Mehrstufige Halbleiterlaserdioden mit Vertikalresonator", mittlerweile in zahlreichen renommierten Journalen publiziert, hat Dr.-Ing. Thomas Knödl aus der Abteilung Optoelektronik einen vertikalemittierenden Halbleiterlaser mit neuartiger Schichtstruktur entwickelt, die durch ihre wesentlich höhere Verstärkung ausgezeichnete neue Anwendungsperspektiven eröffnet, insbesondere im Bereich der Hochleistungs-Lasermodule. Knödls Laser, der bei Raumtemperatur betrieben weden kann, besitzt mehrere aktive Zonen, die elektrisch gekoppelt sind. Er könnte dank der Vorarbeiten des Preisträgers, der dabei eng mit der Industrie kooperierte, ad hoc in Serie gehen.


Biologisches Sehsystem

Ortsvariantes aktives Sehen - d.h. ein scharfes Abbild der betrachteten Szene im Zentrum, geringe Auflösung in der Peripherie - bildet die Grundlage von Sehsystemen höherer Wirbeltiere. Der Neuroinformatiker Dr. rer. nat. Ingo Ahrns hat dieses Prinzip nachempfunden und in seiner Disseration "Ortsvariantes Sehen für die partielle Tiefenrekonstruktion" für die automatische Bildverarbeitung zur Steuerung eines Roboterarms nutzbar gemacht.

Der Roboter muß zunächst aus einer Menge von Objekten aufgrund geeigneter Merkmale eines automatisch auswählen und anschließend im Blickzentrum fixieren. Während sich das Objekt bzw. die beobachtende Kamera bewegt, werden nun mehrere Bilder des fixierten Objekts aufgenommen, wodurch es möglich wird, das Relief der Objektoberfläche zu bestimmen. Daraus lassen sich Hinweise auf die Form des Objekts und geeignete Positionen für die Greifhand des Roboters berechnen. Mit weit weniger Daten als seine konventionellen Artgenossen erfaßt ein Roboter nach diesem Konzept ein großes Sichtfelfd bei gleichzeitig hoher Detailschärfe im Blickzentrum. Im industriellen Einsatz wurde Ahrns' System bereits erfolgreich getestet.

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