Maternal influences on fetal brain development: the role of nutrition, infection and stress, and the potential for intergenerational consequences.

An optimal early life environment is crucial for ensuring ideal neurodevelopmental outcomes. Brain development consists of a finely tuned series of spatially and temporally constrained events, which may be affected by exposure to a sub-optimal intra-uterine environment. Evidence suggests brain development may be particularly vulnerable to factors such as maternal nutrition, infection and stress during pregnancy. In this review, we discuss how maternal factors such as these can affect brain development and outcome in offspring, and we also identify evidence which suggests that the outcome can, in many cases, be stratified by socio-economic status (SES), with individuals in lower brackets typically having a worse outcome. We consider the relevant epidemiological evidence and draw parallels to mechanisms suggested by preclinical work where appropriate. We also discuss possible transgenerational effects of these maternal factors and the potential mechanisms involved. We conclude that modifiable factors such as maternal nutrition, infection and stress are important contributors to atypical brain development and that SES also likely has a key role

microRNA expression in learned safety

Hintergrund: Signale der Sicherheit zu identifizieren und darauf zu reagieren ist notwendig um chronischen Stress und entsprechende Psychopathologien vorzubeugen. Gelernte Sicherheit beinhaltet Lernprozesse, welche zur Hemmung von Angst führen können. Die Amygdala ist eine Gehirnregion in der ein für gelernte Sicherheit spezifisches Genexpressionsmuster nachgewiesen wurde. Das Ziel der hier vorliegenden Masterarbeit ist es zu untersuchen, wie Genexpression in der Amygdala während gelernter Sicherheit reguliert wird, mit einem auf microRNAs gerichteten Fokus. Methoden: In einem ersten Experiment wurden die Expressionslevels von elf microRNAs in Gewebe der Amygdala von gelernter Sicherheit und gelernter Angst trainierten Mäusen durch qRT-PCR analysiert. In einem zweiten Experiment wurde die Expression der selben elf microRNAs in für gelernte Angst trainierten Mäusen mit Ton-allein und Schock-allein Mäusen verglichen. Schlussendlich wurde eine bioinformatische Untersuchung durchgeführt um nach potentiell durch die microRNAs regulierten Genen zu suchen. Ergebnisse: Es wurde gefunden, dass sich die Expression von fünf microRNAs in der Amygdala von für gelernte Sicherheit und gelernte Angst trainierten Mäusen signifikant unterscheidet. Keine Unterschiede in der Expression dieser microRNAs wurde in der Amygdala von für gelernte Angst trainierten im Vergleich zu Ton-allein und Schock-allein Mäusen gefunden. Durch die bioinformatische Untersuchung wurden mehrere Gene entdeckt, die potentiell durch microRNAs mit für gelernte Sicherheit spezifischer Expression reguliert sein könnten. Diskussion: Die selektive Modulierung der Expression von fünf verschiedenen microRNAs in der Amygdala aufgrund von gelernter Sicherheit legt nahe, dass diese microRNAs für die Regulation von unterschiedlichen Genen verantwortlich sind, die die molekulare Basis der gelernter Sicherheit zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen formen.Background: To detect and interpret safety signals and moreover to react appropriately to those signals is crucial for mental health. Learned safety involves learning about signals indicating protection from danger, thus modulating fear responses. The amygdala is a brain region where specific gene expression changes resulting from safety learning have been observed in mice. The aim of the present study is to try to understand how gene expression in the amygdala during learned safety is regulated focusing on the role of microRNAs. Methods: In a first experiment, expressional levels of 11 miRNAs were analyzed in amygdala tissue of learned safety and learned fear trained control mice by qRT-PCR. In a second experiment, expression of the same 11 miRNAs was analyzed in mice trained in a learned fear paradigm and compared to tone alone and shock alone controls. Finally, a bioinformatical scan was performed, to search for potential microRNA target genes. Results: Amygdala expression of 5 miRNAs has been found to differ significantly between learned safety and learned fear trained animals. No differences in the expression of these miRNAs were found between learned fear and tone-alone and shock-alone control groups. A bioinformatical scan revealed various potential target genes for the miRNAs with learned safety specific expression related to stress and depression. Discussion: The selective modulation of expression of 5 specific miRNAs in the amygdala following learned safety suggests that these miRNAs may account for the regulation of various target genes forming the molecular basis for the neural mechanisms underlying learned safety

Die Rolle von microRNAs in gelernter Sicherheit

Entsprechend der Tatsache dass Angst durch Lernprozesse generiert und verstärkt werden kann, ist es möglich Angst durch Lernvorgänge spezifisch zu inhibieren. Konditionierte Inhibierung von Angst beinhaltet das Lernen von Signalen die Sicherheit bedeuten und wird aus diesem Grund „Gelernte Sicherheit“ genannt. Gelernte Sicherheitssignale inhibieren Angstreaktionen und führen zu Episoden von Sicherheit, doch darüber hinaus sind sie mit positiven Gefühlszuständen und dem Belohnungssystem verbunden und reduzieren depressionsartiges Verhalten in Mäusen. Dementsprechend kann Gelernte Sicherheit als Paradigma in dem Sub-Konstrukt der „Belohnungsvorhersage“ des positiven Wertigkeitssystem in dem neu etablierten „Research Domain criteria“ System für Neuropsychiatrische Forschung eingeordnet werden. Während einige der zugrundeliegenden neuralen Prozesse der Gelernten Sicherheit schon bekannt sind, sind die molekularen Mechanismen noch unvollständig aufgeklärt. In der vorliegende Dissertation wurde die Rolle von microRNAs (miRNAs)- kurze RNAs welche die Genexpression auf post-transkriptioneller Ebene regulieren- in der Gelernten Sicherheit untersucht. Im Detail wurde der Einfluss von ausgewählten miRNA Spezies (aus der miR-212/-132 Familie) auf die Verhaltensäußerung in Gelernter Sicherheit untersucht. In-silico und in-vitro Experimente wurden dann angewendet um mögliche für die Gelernte Sicherheit relevante und durch miR-132 regulierte Gene zu finden. Die vorliegenden Ergebnisse beinhalten eine Vielfalt von Analytischen Ebenen des Verhaltenszustandes bei der Gelernten Sicherheit, mit dem Schwerpunkt auf mehreren relevanten molekularen Prozessen.As fear can be generated and increased by learning processes, likewise also learned fear inhibition mechanisms do exist. Conditioned inhibition of fear is a fear inhibitory mechanism which involves learning of safety signals and is therefore also referred to as “learned safety”. Learned safety signals exert effects beyond the regulation of fear responses and the identification of episodes of security: they also relate to positive affective states, elicit reward-related approach and a reduction of depression-like behavior in mice. Hence, learned safety can be used as paradigm within the sub-construct “reward prediction” of the “positive valence” system along the newly established Research Domain Criteria system (RDoc) for neuropsychiatric research While some selected insights into the mediating neural underpininngs have been obtained and evidence for its translational potential exist, the molecular mechanisms of learned safety remain incompletely understood. The present thesis examined the role of microRNAs (miRNAs) - small noncoding RNAs which modulate gene expression at the posttranscriptional level - in learned safety. Specifically, the contribution of selected miRNA species (of the miR-212/132 family) to the behavioral expression of learned safety was investigated. In-silico and in-vitro approaches were then combined to identify possible relevant target genes of miRNA-132 which could be mediating the neural effects of learned safety. The present data integrate a wide range of analytical levels of the behavioral state of learned safety with a focus on some relevant molecular processes. Within the RDoc framework, the obtained information may contribute to enhance our understanding of one of the basic domains of functioning which is present along a grading spectrum of behavior - from physiology to pathology of the brain and its behavioral expression.submitted by Marianne Ronovsky, MSc.Zusammenfassung in deutscher SpracheAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersDissertation Medizinische Universität Wien 201

The role of microRNAs in learned safety

Entsprechend der Tatsache dass Angst durch Lernprozesse generiert und verstärkt werden kann, ist es möglich Angst durch Lernvorgänge spezifisch zu inhibieren. Konditionierte Inhibierung von Angst beinhaltet das Lernen von Signalen die Sicherheit bedeuten und wird aus diesem Grund „Gelernte Sicherheit“ genannt. Gelernte Sicherheitssignale inhibieren Angstreaktionen und führen zu Episoden von Sicherheit, doch darüber hinaus sind sie mit positiven Gefühlszuständen und dem Belohnungssystem verbunden und reduzieren depressionsartiges Verhalten in Mäusen. Dementsprechend kann Gelernte Sicherheit als Paradigma in dem Sub-Konstrukt der „Belohnungsvorhersage“ des positiven Wertigkeitssystem in dem neu etablierten „Research Domain criteria“ System für Neuropsychiatrische Forschung eingeordnet werden. Während einige der zugrundeliegenden neuralen Prozesse der Gelernten Sicherheit schon bekannt sind, sind die molekularen Mechanismen noch unvollständig aufgeklärt. In der vorliegende Dissertation wurde die Rolle von microRNAs (miRNAs)- kurze RNAs welche die Genexpression auf post-transkriptioneller Ebene regulieren- in der Gelernten Sicherheit untersucht. Im Detail wurde der Einfluss von ausgewählten miRNA Spezies (aus der miR-212/-132 Familie) auf die Verhaltensäußerung in Gelernter Sicherheit untersucht. In-silico und in-vitro Experimente wurden dann angewendet um mögliche für die Gelernte Sicherheit relevante und durch miR-132 regulierte Gene zu finden. Die vorliegenden Ergebnisse beinhalten eine Vielfalt von Analytischen Ebenen des Verhaltenszustandes bei der Gelernten Sicherheit, mit dem Schwerpunkt auf mehreren relevanten molekularen Prozessen.As fear can be generated and increased by learning processes, likewise also learned fear inhibition mechanisms do exist. Conditioned inhibition of fear is a fear inhibitory mechanism which involves learning of safety signals and is therefore also referred to as “learned safety”. Learned safety signals exert effects beyond the regulation of fear responses and the identification of episodes of security: they also relate to positive affective states, elicit reward-related approach and a reduction of depression-like behavior in mice. Hence, learned safety can be used as paradigm within the sub-construct “reward prediction” of the “positive valence” system along the newly established Research Domain Criteria system (RDoc) for neuropsychiatric research While some selected insights into the mediating neural underpininngs have been obtained and evidence for its translational potential exist, the molecular mechanisms of learned safety remain incompletely understood. The present thesis examined the role of microRNAs (miRNAs) - small noncoding RNAs which modulate gene expression at the posttranscriptional level - in learned safety. Specifically, the contribution of selected miRNA species (of the miR-212/132 family) to the behavioral expression of learned safety was investigated. In-silico and in-vitro approaches were then combined to identify possible relevant target genes of miRNA-132 which could be mediating the neural effects of learned safety. The present data integrate a wide range of analytical levels of the behavioral state of learned safety with a focus on some relevant molecular processes. Within the RDoc framework, the obtained information may contribute to enhance our understanding of one of the basic domains of functioning which is present along a grading spectrum of behavior - from physiology to pathology of the brain and its behavioral expression.submitted by Marianne Ronovsky, MSc.Zusammenfassung in deutscher SpracheAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2017OeB

Simulation of PEM fuel cell systems for commercial aircraft

Der Systemwirkungsgrad von wasserstoffbetriebenen PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) ist abhängig von den Betriebsparametern, sowie den Umgebungsbedingungen. In der vorliegenden Arbeit wird das Verhalten des Systems bei Veränderung dieser Parameter im Kontext von Luftfahrtanwendungen betrachtet. Insbesondere steht die Verwendung von PEMFC für den Antrieb von Verkehrs-flugzeugen im Regional- und Kurzstreckenbetrieb im Fokus.Für die Untersuchung des Systemwirkungsgrades sowie die Ermittlung von Betriebsgrenzen wird im Rahmen der Arbeit ein 1D-Strömungsbilanzmodell für Brennstoffzellen unter der Annahme von feuchter Luft in „Simscape“ implementiert. Dieses Modell umfasst neben der Brennstoffzelle auch Teile der Wasserstoffversorgung, sowie alle benötigten Schritte, um Sauerstoff aus der Umgebungsluft mit den richtigen Betriebsparametern bereitzustellen. Dabei erfolgen die Schritte der Verdichtung, Temperaturregulierung und Befeuchtung. Da sich im Reiseflug aufgrund des geringen Umgebungsdrucks ein sehr hoher Verdichtungsaufwand ergibt, wird das Sauerstoffsystem um eine Turbine erweitert, mit welcher ein Teil der Verdichtungsenergie, die auch für inerte Gase (vor allem Stickstoff und Argon) aufgewendet werden muss, zurückgewonnen wird.Das implementierte Modell wird verwendet, um anhand eines Referenzflugzeuges den Einfluss des Betriebsdrucks auf den Systemwirkungsgrad zu untersuchen. Aufgrund des zunehmenden Verdichtungsaufwands ergibt sich, dass der Systemwirkungsgrad bei konstantem Betriebsdruck des Brennstoffzellensystems mit steigender Flughöhe abnimmt. Der Wirkungsgrad verbessert sich bei geringeren Betriebsdrücken, ist aber für die Erhaltung der Wasserbilanz nach unten hin begrenzt. Weiters zeigt sich, dass die Berücksichtigung des Staudrucks des Flugzeuges den Verdichtungsaufwand deutlich reduziert und den Gesamtwirkungsgrad dadurch verbessert.Das im Rahmen der Diplomarbeit erstellte Modell eignet sich für die Vorauslegung von mit Brennstoffzellen betriebenen Flugzeugen. Durch seine flexible Implementierung können Parameter schnell ausgetauscht oder neue Systembausteine hinzugefügt werden.The system efficiency of hydrogen-powered PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cell) depends on the operating parameters and environmental conditions. This thesis focuses on the behavior of a fuel cell system in the context of aviation applications due to changes on the operating conditions. In particular, the focus is on the use of PEMFC for the propulsion of commercial aircrafts in regional and short-haul operations.For the investigation of the system efficiency and the determination of operating limits, a 1D-flow-balance-model for fuel cells is implemented in "Simscape" assuming moist air. In addition to the fuel cell, this model also includes parts of the hydrogen supply and all steps required to provide oxygen from ambient air with correct operating parameters. The steps of compression, temperature regulation and humidification take place. Due to low ambient pressure during cruising flight, the compression power is very high; therefore, the oxygen system includes a turbine, in order to partially recover the compression energy.The implemented model is used to investigate the influence of the operating pressure on the system efficiency using a reference aircraft. The results show that with increasing altitude the system efficiency decreases under constant operating pressure due to growing compression effort. The efficiency improves for lower operating pressures but is limited to a minimum in order to maintain a positive water balance. Furthermore, it is shown that the consideration of dynamic pressure significantly reduces the compression effort and thus increase the overall efficiency.The model created as part of this thesis can be used for the preliminary design of fuel-cell-powered aircrafts. Due to its flexible implementation, parameters can be easily exchanged, or new system components can be added

Innovative Aircraft Heat Exchanger Integration for Hydrogen-Electric Propulsion

To transfer heat generated by hydrogen-electric aircrafts to the surrounding, a heat exchanger can be integrated into the propulsion system to dissipate heat and to generate additional thrust using the ramjet effect. This paper presents the influence of various parameters on propulsion performance showing the challenges and possibilities of combining the propulsion system with a heat exchanger. Further, the trade-off between size and efficiency of the propulsion system is discussed

Classic and Inverse Compositional Gauss-Newton in Global DIC

International audienceToday, effective implementations of Digital Image Correlation (DIC) are based on iterative algorithms with constant linear operators. A relevant idea of the classic Finite Element (or more generally global) DIC (FE-DIC) solver consists in replacing the gradient of the deformed state image with that of the reference image, so as to obtain a constant operator. Different arguments (small strains, small deformations, equality of the two gradients close to the solution...) have been given in the literature to justify this approximation, but none of them are fully accurate. Indeed, the convergence of the optimization algorithm has to be investigated from its ability to produce descent directions. Through such a study, this paper attempts to explain why this approximation works and what is its domain of validity. Then an Inverse Compositional Gauss-Newton (ICGN) implementation of FE-DIC is proposed as a cost effective and mathematically sound alternative to this approximation

Fundamentals of Innovative Aircraft Heat Exchanger Integration for Hydrogen–Electric Propulsion

The potential of utilizing the rejected heat of a fuel cell system to improve the aircraft propulsive efficiency is discussed for various flight conditions. The thermodynamic background of the process and the connection of power consumption in the fan of the ducted propulsor and fuel cell heat are given, and a link between these two components is presented. A concept that goes beyond the known ram heat exchanger is discussed, which outlines the potential benefits of integrating a fan upstream of the heat exchanger. The influence of the fan pressure ratio, flight speed, and altitude, as well as the temperature level of the available fuel cell heat on the propulsive efficiency, is presented. A correlation between the fan pressure ratio, flight speed, and exchangeable fuel cell heat is established, providing a simplified computational approach for evaluating feasible operating conditions within this process. This paper identifies the challenges of heat exchanger integration at International Standard Atmosphere sea level conditions and its benefits for cruise flight conditions. The results show that for a flight Mach number of 0.8 and a fan pressure ratio of 1.5 at a cruising altitude of 11,000 m, the propulsion efficiency increases by approximately 8 percentage points compared to a ducted propulsor without heat utilization. Under sea-level conditions, the concept does not offer any performance advantages over a ducted propulsor. Instead, it exhibits either comparable or reduced propulsive efficiency