Self-organizing cultured neural networks: Image analysis techniques for longitudinal tracking and modeling of the underlying network structure (versión actualizada)

Esta tesis estudia la evolución estructural de conjuntos de neuronas como la capacidad de auto-organización desde conjuntos de neuronas separadas hasta que forman una red (clusterizada) compleja. Esta tesis contribuye con el diseño e implementación de un algoritmo no supervisado de segmentación basado en grafos con un coste computacional muy bajo. Este algoritmo proporciona de forma automática la estructura completa de la red a partir de imágenes de cultivos neuronales tomadas con microscopios de fase con una resolución muy alta. La estructura de la red es representada mediante un objeto matemático (matriz) cuyos nodos representan a las neuronas o grupos de neuronas y los enlaces son las conexiones reconstruidas entre ellos. Este algoritmo extrae también otras medidas morfológicas importantes que caracterizan a las neuronas y a las neuritas. A diferencia de otros algoritmos hasta el momento, que necesitan de fluorescencia y técnicas inmunocitoquímicas, el algoritmo propuesto permite el estudio longitudinal de forma no invasiva posibilitando el estudio durante la formación de un cultivo. Además, esta tesis, estudia de forma sistemática un grupo de variables topológicas que garantizan la posibilidad de cuantificar e investigar la progresión de las características principales durante el proceso de auto-organización del cultivo. Nuestros resultados muestran la existencia de un estado concreto correspondiente a redes con configuracin small-world y la emergencia de propiedades a micro- y meso-escala de la estructura de la red. Finalmente, identificamos los procesos físicos principales que guían las transformaciones morfológicas de los cultivos y proponemos un modelo de crecimiento de red que reproduce el comportamiento cuantitativamente de las observaciones experimentales. ABSTRACT The thesis analyzes the morphological evolution of assemblies of living neurons, as they self-organize from collections of separated cells into elaborated, clustered, networks. In particular, it contributes with the design and implementation of a graph-based unsupervised segmentation algorithm, having an associated very low computational cost. The processing automatically retrieves the whole network structure from large scale phase-contrast images taken at high resolution throughout the entire life of a cultured neuronal network. The network structure is represented by a mathematical object (a matrix) in which nodes are identified neurons or neurons clusters, and links are the reconstructed connections between them. The algorithm is also able to extract any other relevant morphological information characterizing neurons and neurites. More importantly, and at variance with other segmentation methods that require fluorescence imaging from immunocyto- chemistry techniques, our measures are non invasive and entitle us to carry out a fully longitudinal analysis during the maturation of a single culture. In turn, a systematic statistical analysis of a group of topological observables grants us the possibility of quantifying and tracking the progression of the main networks characteristics during the self-organization process of the culture. Our results point to the existence of a particular state corresponding to a small-world network configuration, in which several relevant graphs micro- and meso-scale properties emerge. Finally, we identify the main physical processes taking place during the cultures morphological transformations, and embed them into a simplified growth model that quantitatively reproduces the overall set of experimental observations.

A voltage disturbances prototype for testing electrical generators connected to microgrids

The search for new energy models arises as a necessity to have a sustainable power supply. The inclusion of distributed generation sources (DG) allows to reduce the cost of facilities, increase the security of the grid or alleviate problems of congestion through the redistribution of power flows. In remote microgrids it is needed in a particular way a safe and reliable supply, which can cover the demand for a low cost; due to this, distributed generation is an alternative that is being widely introduced in these grids. But the remote microgrids are especially weak grids because of their small size, low voltage level, reduced network mesh and distribution lines with a high ratio R/X. This ratio affects the coupling between grid voltages and phase shifts, and stability becomes an issue of greater importance than in interconnected systems. To ensure the appropriate behavior of generation sources inserted in remote microgrids -and, in general, any electrical equipment-, it is essential to have devices for testing and certification. These devices must, not only faithfully reproduce disturbances occurring in remote microgrids, but also to behave against the equipment under test (EUT) as a real weak grid. This also makes the device commercially competitive. To meet these objectives and based on the aforementioned, it has been designed, built and tested a voltage disturbances generator, in order to provide a simple, versatile, full and easily scalable device to manufacturers and laboratories in the sector.

Técnicas y materiales de la construcción fortificada altomedieval en el centro de la Península Ibérica: métodos de análisis a través de la arqueología y la historia de la construcción

Esta tesis doctoral tiene como objeto el acercamiento histórico-constructivo a la realidad material de las fortificaciones edificadas en el centro de la Península Ibérica durante los primeros siglos de la Edad Media. El marco geográfico se extiende desde el cauce del río Duero, delimitado por los valles de sus afluentes, el Duratón, al oeste, y el Escalote al este, hasta las cumbres del Sistema Central oriental en su entronque con el Ibérico, para descender por la falda sur de la sierra hasta los valles altos del Lozoya, Jarama y Henares. Siguiendo las demarcaciones actuales, el marco de estudio ocupa parcialmente las provincias de Soria, Guadalajara, Madrid, Segovia, Burgos y Valladolid. Desde un punto de vista cronológico, el espacio temporal se inicia con la conquista musulmana de la Península Ibérica de 711 y culmina con la incorporación definitiva al reino de Castilla de las zonas estudiadas, en torno al año 1150. Se trata de un espacio de transición, tanto desde el punto de vista social como ecológico. Los territorios al sur de la sierra correspondían a los confines septentrionales de la Marca Media de al-Andalus, mientras que la falta norte, los extrema durii, fueron un territorio escasamente poblado y desorganizado, foco de la expansión de los reinos de León y Castilla y zona de conflicto con al-Andalus a principios del siglo X. Un territorio tan amplio y heterogéneo, unido a una compleja evolución histórica y social y la parquedad de las fuentes escritas, ha necesitado de un acercamiento con una metodología de tipo mixto, en la que han convergido las técnicas propias de la documentación histórica, de la arqueología y de la historia de la construcción. Esta metodología parte de un exhaustivo vaciado bibliográfico, tras lo cual se planteó una prospección arqueológica dirigida que permitió realizar un catálogo de elementos fortificados en el área de estudio susceptibles de contener fases altomedievales. Sobre cada uno de los elementos localizados se realizó una toma de datos de tipo gráfico métrico y constructivo. Cruzando los datos recabados en cada edificio con técnicas propias de la estratigrafía e historia de la construcción se identificaron y aislaron las fases de la cronología analizada. Entre las fortificaciones que evidenciaron fases altomedievales y atendiendo a su singularidad, representatividad y calidad estratigráfica se ha profundizado en el análisis de nueve casos de estudio: el conjunto fortificado de Atienza, el castillo de Cogolludo, el recinto amurallado de Buitrago de Lozoya, el castillo de Caracena, la iglesia parroquial de la Inmaculada Concepción de Mezquetillas, la alcazaba de Gormaz, la torre de San Andrés de Sepúlveda, la iglesia parroquial de San Miguel de Ayllón y la fortificación rupestre de Alcolea de las Peñas. La investigación ha servido para dos fines principales. El primero se centra en el aspecto material. En este sentido no solo se ha identificado la presencia o ausencia de fases altomedievales en cado uno de los edificio lo que ha permitido realizar una lectura territorial, la caracterización de las diferentes técnicas y materiales constructivos y valorar la posibilidad de establecer una cronotipología. El segundo se centra en aspectos históricos y sociales. La vinculación de estos restos materiales con la documentación histórica ha devenido en un medio para conocer la historia de las gentes que construyeron estos edificios, la motivación que les llevó a emprender tales proyectos, así como el contexto en el que cada una de estas fortificaciones desempeñó las funciones para las que fue creada. Este estudio ha puesto de manifiesto la ruptura que supuso la ocupación estatal de esta zona por parte del ejército cordobés desde mediados del siglo X, tanto desde el punto de vista social como constructivo. Se ha podido documentar materialmente esta ocupación tras la restauración de Medinaceli, en torno a 946, y la sucedida tras la toma de Sepúlveda por parte de Almanzor en 984, diferenciándose claramente las técnicas constructivas propias de este momento, ejecutadas directamente por talleres foráneos, procedentes de Córdoba y Toledo. La posición estratigráfica de estas fábricas diagnósticas ha permito identificar fases constructivas inmediatamente anteriores y posteriores a este momento. También se ha podido comprobar la hipótesis inicial en relación a la pérdida de conocimientos constructivos durante el final de la Antigüedad y los primeros siglos del medievo en la zona estudiada. La sillería y la explotación de canteras, así como el ciclo productivo del ladrillo por completo, son recuperados sin recurrir a un sustrato tecnológico local, propiciados de manera efímera por la ocupación califal. Cuando se produce el desmembramiento del califato a partir del año 1010 estas técnicas se vuelven a abandonar. A finales del siglo XI y principios del siglo XII se produce un nuevo cambio en la construcción, recuperándose de nuevo estas técnicas de la mano del románico y del establecimiento de la red parroquial diocesana. En una zona y periodo histórico apenas explotado por la investigación, esta tesis doctoral busca no solo establecer una metodología de trabajo sino sentar las bases para futuros estudios, tanto desde el punto de vista particular, profundizando en el estudio constructivo y estratigráfico de cada uno de los elementos recogidos, como en otros aspectos más trasversales. ABSTRACT This doctoral thesis has a constructive historical material approach to the reality of the fortifications built in the center of the Iberian Peninsula during the first centuries of the middle Ages. The geographical framework extends from the Duero´s riverbed, bounded by the valleys of its tributaries, the Duratón on the west, and the Escalote on the east, until to the peaks of the eastern Central System at its connection with the Iberian, to descend the hillside of the mountain range to the high valleys of Lozoya, Jarama and Henares. Following the current demarcations under this framework study, partially cover the provinces of Soria, Guadalajara, Madrid, Segovia, Burgos and Valladolid. From a chronological point of view, the temporal space began with the Muslim conquest of the Iberian Peninsula in 711 A.D and ends with the final incorporation into the Kingdom of Castile in the studied areas, around the year 1150 A.D. It is a transitional gathering point, both socially and ecologically. The southern territories of the Sierra or mountain range corresponded to the northern boundaries of the Middle mark of al- Andalus , while the northern missing, the extrema Durii , were a disorganized sparsely populated territory and point of the expansion of the kingdoms of Leon and Castile and zone of conflict with al- Andalus at the beginning of the tenth century. Such a wide and diverse territory, connected with a complex historical, social evolution and the lack of written sources , has required an approach with a mixed type methodology, which have converged the techniques of historical documentation of the archeology and building history. This methodology comes from a comprehensive bibliographic study, after which an archaeological survey was directed that allowed building a fortified elements ‘catalog in the study area likely to contain high medieval period phases were raised. On each of the elements located one metric data collection and constructive graphic type was performed. Checking against the data collected in each building with its own history of stratigraphy and construction techniques and finally, they were identified and isolated the timing analysis phases. Among the early medieval fortifications that showed high period Medieval phases and according to its uniqueness , representativeness and stratigraphy’s quality of the nine case studies : the fortified complex of Atienza, Cogolludo Castle, the Buitrago de Lozoya´s walled enclosure , the Caracena´s castle , the Mezquetillas´ parish church, the Gormaz´s fortress, the San Andres toser in Sepulveda, the church of San Miguel de Ayllón and the Alcolea de las Peñas´ rock fortress. This research study has served two main purposes. The first focuses on the material side. In this sense it does not only identified the presence or absence of early medieval period phases in each one of the building, which has allowed a territorial reading and the characterization of the different construction techniques and materials, but it also assess the possibility of establishing a chrono–typology. The second focuses on historical and social aspects. The bound of these materials remains with the historical documentation has become a means to know the history of the people who built these buildings, the motivation that led them to undertake such projects as well as the context in which each of these fortifications played the functions for which it was created. This study has revealed the breach that led to the state occupation of the Cordovan army in this area by since mid-tenth century, from the social point of view and also from the structural one. It has been materially document this occupation after the restoration of Medinaceli, around 946, and succeeded after taking Sepulveda by Almanzor in 984, clearly differentiating their own building techniques currently implemented directly by foreign workshops, from Cordova and Toledo. The stratigraphic position of these factories has made it possible to identify earlier and later construction phases at this time. It has also been able to verify the initial hypothesis in relation with constructive knowledge loss during late antiquity and early medieval centuries in the studied area. Also ashlar, masonries as well as the brick production is recovered without resorting to a local technological substrate, fleetingly brought about by the Caliphate occupation. When the dismemberment of the Caliphate is produced from the year 1010 these techniques were abandoned again. In the late eleventh and early twelfth century these techniques are recovered from Romanesque and a new change came, also from the establishment of the diocesan parish network. In one historical period that has been hardly exploited by research, this thesis seeks not only to establish a working methodology but lay the groundwork for future studies, both from the particular point of view, paying special attention in the constructive and stratigraphic studies of each of the evidence collected , and additionally in other more transversal aspects.