Optimizing the neuroplastic effects of cathodal transcranial direct current stimulation over the primary motor cortex and transferability to prefrontal cortex. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (195 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021
Die Behandlungsmöglichkeiten neurologischer und neuropsychiatrischer Erkrankungen haben sich in den letzten Jahrzehnten deutlich verbessert, sind aber immer noch eingeschränkt. Eine Dysregulation oder Störung der Neuroplastizität ist bei vielen psychischen und Hirnfunktionsstörungen beteiligt. Hier sind nicht-invasive Hirnstimulationstechniken relevant, die die Plastizität des Gehirns modulieren, ohne die physische Integrität des Schädels zu beeinträchtigen. Eine davon, die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS), hat in mehreren klinischen Pilotstudien vielversprechende Ergebnisse zur Verminderung von Symptomen auf der Grundlage von Störungen des Zentralnervensystems gezeigt. Diese Effekte sind jedoch häufig moderat, zeigen eine nichtlineare Dosisabhängigkeit und eine interindividuelle Variabilität. Um die Wirksamkeit dieses Verfahrens zu verbessern, sind länger anhaltende und homogenere Effekte erforderlich. Dies erfordert neuartige, verbesserte Interventionsstrategien. Darüber hinaus wurden die neuromodulatorischen Wirkungen von tDCS auf den primären motorischen Kortex bisher weitgehend als Grundlage für die Anwendung dieser Intervention auf andere Hirnregionen herangezogen, während eine direkte Untersuchung der physiologischen Wirkungen von tDCS auf nichtmotorische Regionen weitgehend fehlt. Die Arbeit zielt darauf ab, diese Herausforderungen durch den Einsatz innovativer neurophysiologischer und mathematischer Techniken anzugehen, um die Wirksamkeit des kathodalen tDCS über dem primären motorischen Kortex zu verbessern, aber auch die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den präfrontalen Kortex zu untersuchen. Zu diesem Zweck titrierten wir im ersten Schritt systematisch kathodale tDCS-Parameter für das humane motorische Kortexmodell mit unterschiedlichen Intensitäten (1, 2 und 3 mA) und Stimulationsdauern (15, 20 und 30 min). Die Ergebnisse zeigten intensitätsabhängige nichtlineare Effekte, bei denen die Stimulation mit 1 mA eine signifikante Verringerung der Amplitude der motorisch evozierten Potentiale (MEP) induzierte, während die Stimulation mit 2 mA zu einer signifikanten Erhöhung der kortikospinalen Erregbarkeit führte. Protokolle mit höherer Stimulationsintensität (insbesondere Stimulation mit 3 mA) induzierten erneut eine signifikante Verringerung der Erregbarkeit, die etwa eineinhalb Stunden nach der Stimulation andauerte, und waren daher effizienter als die anderen Protokolle. Im zweiten Schritt haben wir untersucht, ob wiederholte tDCS-Protokolle mit unterschiedlichen Intervallen die Nacheffekte verlängern können. Wir verglichen die Auswirkungen von Einzelinterventionen mit konventioneller (1 mA für 15 Minuten) und optimierter kathodaler tDCS (3 mA für 20 Minuten) mit den Auswirkungen einer wiederholten Anwendung in Intervallen von 20 Minuten und 24 Stunden auf die Erregbarkeit des primären motorischen Kortex, basierend auf tierexperimentellen Befunden, dass kurze, aber nicht lange Intervalle zwischen einzelnen Interventionen eine langanhaltende Plastizität erzeugen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Dauer der Nacheffekte wiederholter konventioneller und optimierter Protokolle mit kurzen Intervallen im Vergleich zu den jeweiligen Einzelinterventionsprotokollen nahezu unverändert blieb. Für das lange Intervall (24 h) veränderte die Stimulation mit dem herkömmlichen Protokoll die jeweiligen Nachwirkungen nicht signifikant, während sie die Wirksamkeit des optimierten Protokolls im Vergleich zu den jeweiligen Einzelinterventionen verringerte. Ein wichtiges Ergebnis der ersten Studie waren die beobachteten nichtlinearen intensitätsabhängigen Effekte von tDCS, die eine Erklärung für teilweise heterogene Ergebnisse der kathodalen Stimulation bieten können, allerdings hinsichtlich ihrer neurophysiologischen Grundlagen bisher nur unzureichend untersucht waren. Im dritten Schritt haben wir daher die zugrunde liegenden Mechanismen dieser nonlinearen Effekte untersucht. Da tDCS eine NMDA-Rezeptor-abhängige Neuroplastizität erzeugt, die Kalzium-abhängig ist, kann eine solche Nichtlinearität möglicherweise durch unterschiedliche durch die Intervention induzierte Kalziumkonzentrationen erklärt werden, die die Richtung der Plastizität steuern. Wir verabreichten daher den Kalziumkanalblocker Flunarizin in niedrigen (2,5 mg), mittleren (5 mg) oder hohen (10 mg) Dosierungen vor der kathodalen tDCS des motorischen Kortex mit 3 mA für 20 Minuten. Die Ergebnisse zeigten, dass die durch kathodale tDCS hoher Intensität induzierten inhibitorischen Nachwirkungen bei niedrigen, mittleren bzw. hohen Dosierungen eines Kalziumblockers nicht verändert, verringert oder in eine Erregbarkeitserhöhung modifiziert wurden, was die Kalzium-abhängige Direktionalität von tDCS-induzierter Neuroplastizität bestätigt. Das Ergebnis der ersten und zweiten Studie zeigten eine relevante interindividuelle Variabilität der tDCS-Effekte, die eine weitere Quelle für die begrenzte Wirksamkeit dieser Intervention sein könnte. Jüngste In-vivo-Experimente und Computerstudien am Menschen zeigten, dass das tDCS-induzierte elektrische Feld (EF) stark von der individuellen Anatomie des Gehirns und den Leitfähigkeitseigenschaften des Gewebes abhängt. Die EF-Variabilität könnte daher ein wichtiger Faktor für heterogene Ergebnisse der tDCS sein. Im vierten Schritt, basierend auf neurophysiologischen Daten, die in früheren Studien unserer Gruppe erhoben wurden, die tDCS-induzierte MEP- (induziert durch transkranielle Magnetstimulation (TMS)) und zerebrale Blutfluss-Veränderungen (CBF; gemessen durch funktionelle Magnetresonanztomographie (MRT) über arterielles Spin-Labelling) erfaßten, untersuchten wir den Zusammenhang zwischen einzelnen anatomischen Faktoren, tDCS-induziertem EF und den jeweiligen physiologischen Parametern auf der Ebene des Individuums. Zu diesem Zweck wurde für jeden Teilnehmer ein MRT-basiertes realistisches Kopfmodell entworfen, um 1) anatomische Faktoren zu berechnen und 2) die tDCS- und TMS-induzierten elektrischen Felder (EF) zu simulieren. Anschließend untersuchten wir auf regionaler Ebene, welche einzelnen anatomischen Faktoren die simulierten EFs erklären. Schließlich untersuchten wir, welche spezifischen anatomischen und / oder EF-Faktoren die neurophysiologischen Ergebnisse der tDCS vorhersagten. Die Ergebnisse zeigten, dass von den untersuchten anatomischen Faktoren höhere EF-Werte mit einem geringeren Abstand zwischen Elektrode und Kortex (ECD) und einer geringeren Dicke des Liquor cerebrospinalis (CSF) verbunden waren. Zusätzlich waren CSF-Dicke und ECD negativ korreliert, während EFs positiv mit tDCS-induzierten physiologischen Veränderungen korreliert waren. Schließlich untersuchten wir im fünften Schritt die Übertragbarkeit der durch kathodale tDCS induzierten Neuroplastizität vom motorischen auf den präfrontalen Kortex. Die neurophysiologischen Wirkungen von tDCS auf den primärmotorischen Kortex wurden bereits in einer vielzahl von Studien untersucht. Viel weniger ist jedoch hinsichtlich physiologischer Effekte der tDCS auf nichtmotorische Bereiche wie den präfrontalen Kortex bekannt, der eine wichtige Basis für vielfältige kognitive Funktionen darstellt und dessen Dysfunktionen an neuropsychiatrischen Störungen beteiligt sind. Zu diesem Zweck wurde kathodale tDCS mit niedrigen, mittleren und hohen Dosierungen oder eine Placebo-Stimulation über dem primärmotorischen und dorsolateralen präfrontalen Kortex appliziert. Die Nacheffekte der tDCS wurden mittels TMS-Elektroenzephalographie (EEG) und TMS-MEP auf regionaler Ebene für die Ergebnisparameter TMS-evozierte Potentiale (TEP), TMS-evozierte Oszillationen und MEP-Amplitudenänderungen bewertet. Die Ergebnisse zeigten eine dosisabhängige nichtlineare neurophysiologische Wirkung der tDCS über dem motorischen Kortex, die nicht vollständig auf die Ergebnisse der tDCS über dem präfrontalen tDCS übertragbar war. Niedrige und hohe Dosierungen der tDCS über dem motorischen Kortex reduzierten frühe positive TEP-Peaks und MEP-Amplituden, während eine Erhöhung der Amplituden dieser Potentiale für primärmotorische tDCS mit mittlerer Dosierung beobachtet wurde. Im Gegensatz dazu reduzierte präfrontale tDCS mit niedriger, mittlerer und hoher Dosierung die frühen positiven TEP-Amplituden gleichermaßen. Darüber hinaus wurden für beide kortikalen Bereiche keine tDCS-induzierten neuromodulatorischen Effekte auf späte TEP-Amplituden (mit Ausnahme präfrontaler tDCS mit niedriger Dosierung) oder TMS-evozierte Oszillationen beobachtet. Zusammengenommen hat diese Arbeit unter Verwendung innovativer neurophysiologischer, Computergestützter und bildgebender Verfahren wichtige Aspekte in Bezug auf tDCS-induzierte neuroplastische Effekte untersucht, und liefert neue Erkenntnisse für zukünftige Anwendungen von tDCS in Grundlagen- und klinischen Studien.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2021000014
Multi-view classification with convolutional neural networks. - In: PLOS ONE, ISSN 1932-6203, Bd. 16 (2021), 1, e0245230, insges. 17 S.
https://doi.org/10.1371/journal.pone.0245230
On the design of stable periodic orbits of a triple pendulum on a cart with experimental validation. - In: Automatica, ISSN 0005-1098, Bd. 125 (2021), 109403
In this paper, we enhance an inversion-based control approach towards the stabilization of a periodic orbit of a multi-link triple pendulum on a cart. To this end, a nominal trajectory is obtained by formulating the considered transition problem as a two-point boundary value problem (BVP) in input-output representation. For solvability of the resulting BVP, a setup function is introduced such that additional parameters are provided in the differential equation of the internal dynamics. Based on the linearized dynamics about the nominal trajectory, a linear-quadratic-Gaussian (LQG) controller is implemented to compensate for measurement noise, model uncertainties, and external disturbances. This way we achieve to force a triple pendulum to move along a non-trivial periodic orbit and render it attractive. The high performance and accuracy of our approach is illustrated on an experimental setup.
https://doi.org/10.1016/j.automatica.2020.109403
Pollen analysis using multispectral imaging flow cytometry and deep learning. - In: The new phytologist, ISSN 1469-8137, Bd. 229 (2021), 1, S. 593-606
Pollen identification and quantification are crucial but challenging tasks in addressing a variety of evolutionary and ecological questions (pollination, paleobotany), but also for other fields of research (e.g. allergology, honey analysis or forensics). Researchers are exploring alternative methods to automate these tasks but, for several reasons, manual microscopy is still the gold standard. In this study, we present a new method for pollen analysis using multispectral imaging flow cytometry in combination with deep learning. We demonstrate that our method allows fast measurement while delivering high accuracy pollen identification. A dataset of 426 876 images depicting pollen from 35 plant species was used to train a convolutional neural network classifier. We found the best-performing classifier to yield a species-averaged accuracy of 96%. Even species that are difficult to differentiate using microscopy could be clearly separated. Our approach also allows a detailed determination of morphological pollen traits, such as size, symmetry or structure. Our phylogenetic analyses suggest phylogenetic conservatism in some of these traits. Given a comprehensive pollen reference database, we provide a powerful tool to be used in any pollen study with a need for rapid and accurate species identification, pollen grain quantification and trait extraction of recent pollen.
https://doi.org/10.1111/nph.16882
Advances in engineering research and application : proceedings of the International Conference on Engineering Research and Applications, ICERA 2020. - Cham : Springer International Publishing, 2021. - 1 Online-Ressource (xiv, 886 p.). - (Lecture notes in networks and systems ; Volume 178) ISBN 978-3-030-64719-3
This proceedings book features volumes gathered selected contributions from the International Conference on Engineering Research and Applications (ICERA 2020) organized at Thai Nguyen University of Technology on December 1-2, 2020. The conference focused on the original researches in a broad range of areas, such as Mechanical Engineering, Materials and Mechanics of Materials, Mechatronics and Micromechatronics, Automotive Engineering, Electrical and Electronics Engineering, and Information and Communication Technology. Therefore, the book provides the research community with authoritative reports on developments in the most exciting areas in these fields.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-64719-3
Real-time person orientation estimation and tracking using colored point clouds. - In: Robotics and autonomous systems, ISSN 1872-793X, Bd. 135 (2021), 103665, insges. 13 S.
Robustly estimating the orientations of people is a crucial precondition for a wide range of applications. Especially for autonomous systems operating in populated environments, the orientation of a person can give valuable information to increase their acceptance. Given peoples orientations, mobile systems can apply navigation strategies which take peoples proxemics into account or approach them in a human like manner to perform human robot interaction (HRI) tasks. In this paper, we present an approach for person orientation estimation based on computationally efficient features extracted from colored point clouds, formerly used for a two-class person attribute classification. The classification approach has been extended to the continuous domain while treating the problem of orientation estimation in real time. Furthermore, we present an approach for tracking estimated orientations over time using a Bayesian filter. We will show that tracking can increase the accuracy of orientations by up to 3.69˚ on a dataset recorded with a mobile robot. Best results on this highly challenging dataset are achieved with a regression approach for orientation estimation in combination with tracking. The mean angular error of just 16.49˚ proofs the applicability in real-world scenarios.
https://doi.org/10.1016/j.robot.2020.103665
Algorithmen und Datenstrukturen : eine Einführung mit Java
6., überarbeitete und erweiterte Auflage. - Heidelberg : dpunkt.verlag, 2021. - 1 Online-Ressource (xix, 588 Seiten) ISBN 3-96910-066-6
Intro -- I Grundlegende Konzepte -- Vorbemerkungen und Überblick -- Informatik, Algorithmen und Datenstrukturen -- Historischer Überblick: Algorithmen -- Historie von Programmiersprachen und Java -- Grundkonzepte der Programmierung in Java -- Algorithmische Grundkonzepte -- Intuitiver Algorithmusbegriff -- Beispiele für Algorithmen -- Bausteine für Algorithmen -- Pseudocode-Notation für Algorithmen -- Struktogramme -- Rekursion -- Sprachen und Grammatiken -- Begriffsbildung -- Reguläre Ausdrücke -- Backus-Naur-Form (BNF) -- Elementare Datentypen -- Datentypen als Algebren -- Signaturen von Datentypen -- Der Datentyp bool -- Der Datentyp integer -- Felder und Zeichenketten -- Terme -- Bildung von Termen -- Algorithmus zur Termauswertung -- Datentypen in Java -- Primitive Datentypen -- Referenzdatentypen -- Operatoren -- Algorithmenparadigmen -- Überblick über Algorithmenparadigmen -- Applikative Algorithmen -- Terme mit Unbestimmten -- Funktionsdefinitionen -- Auswertung von Funktionen -- Erweiterung der Funktionsdefinition -- Applikative Algorithmen -- Beispiele für applikative Algorithmen -- Imperative Algorithmen -- Grundlagen imperativer Algorithmen -- Komplexe Anweisungen -- Beispiele für imperative Algorithmen -- Das logische Paradigma -- Logik der Fakten und Regeln -- Deduktive Algorithmen -- Weitere Paradigmen -- Genetische Algorithmen -- Neuronale Netze -- Umsetzung in Java -- Ausdrücke und Anweisungen -- Methoden -- Applikative Algorithmen und Rekursion -- Literaturhinweise zum Teil I -- II Algorithmen -- Ausgewählte Algorithmen -- Suchen in sortierten Folgen -- Sequenzielle Suche -- Binäre Suche -- Sortieren -- Sortieren: Grundbegriffe -- Sortieren durch Einfügen -- Sortieren durch Selektion -- Sortieren durch Vertauschen: BubbleSort -- Sortieren durch Mischen: MergeSort -- QuickSort -- Sortieren durch Verteilen: RadixSort.
https://ebookcentral.proquest.com/lib/kxp/detail.action?docID=6379309
A dynamic bolus phantom for the evaluation of the spatio-temporal resolution of MPI scanners. - In: Journal of magnetism and magnetic materials, ISSN 1873-4766, Bd. 519 (2021), 167446
Magnetic particle imaging (MPI) is a tomographic imaging method to determine the spatial distribution of magnetic nanoparticles (MNP) within a defined volume. To evaluate the spatio-temporal resolution of existing MPI scanners, enabling the consistent comparison of the performance of different scanner setups, we developed dynamic MPI measurement phantoms based on segmented flow. These segmented flow phantoms comprise a defined bolus of ferrofluid tracer material, which can be pumped through a tube system with defined velocities. Using a hydrophobic organic carrier oil, cylindrically shaped boluses of different diameter, length, and flow velocity can be emulated. Moving boluses were imaged by different MPI scanner types and the correlation of spatial resolution und velocity of the bolus was investigated. For all bolus dimension and flow velocity combinations investigated, we observed a decreasing spatial resolution and increasing blurring for increasing bolus velocity and decreasing bolus volume.
https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167446
"Hidden" integration of industrial design-tools in E-learning environments. - In: Cross reality and data science in engineering, (2021), S. 437-455
One of the problems that has emerged during the intensive usage of the GOLDi remote lab over the years is the usage of external third-party development tools, necessary for the software- or hardware-oriented design. The installation and setup (e.g. of Atmel Studio or Intel Quartus Prime) on a private PC or laptop is quite complicated, requires some expert knowledge to use these tools safely and effectively, and is not always platform-independent. Above this, these IDE occupy several gigabytes in memory size and sometimes take hours to install. These very powerful tools, of which only a fraction of the offered functionality is needed to solve the given educational task, generate a large overhead. In addition, high school and university students may have only little or no knowledge of microcontrollers, FPGA, compiler linker toolchain, hardware-related languages, etc.That is why we developed a new tool as an integral part of the GOLDi remote lab infrastructure - called WIDE (WEB IDE) - which will be described in this paper. WIDE supports all the design flows with the only requirement of an Internet browser. This means WIDE is running in standalone mode to write and compile code in the specific language or directly inside the Experiment Control Panel (ECP) of the student's Web browser.
Virtual control units in remote labs. - In: Cross reality and data science in engineering, (2021), S. 223-231
Enforced by current results of research in the field of the Internet of Things, working with virtual models has taken a significant step forward. To use such technologies in interactive collaborative and blended learning scenarios, virtual, remote and hybrid online labs has a long tradition in the engineering education process. In virtual or hybrid labs, parts of the experiments take place not on real, but on virtual instruments. In the paper, we present virtual design tools, used in a hybrid online lab that supports a course in designing combinational and sequential logic for control systems. We describe a new integrated hardware-oriented design tool called BEAST (Block-diagram Editing And Simulation Tool) supporting a circuit-oriented design process and works as virtual control unit in a hybrid online lab. We also discuss in which learning scenarios virtual control units have proven themselves.