Volume Haptics and Dendritic Spine Editing

Esta tesis se ha desarrollado en el contexto del proyecto Cajal Blue Brain, una iniciativa europea dedicada al estudio del cerebro. Uno de los objetivos de esta iniciativa es desarrollar nuevos métodos y nuevas tecnologías que simplifiquen el análisis de datos en el campo neurocientífico. El presente trabajo se ha centrado en diseñar herramientas que combinen información proveniente de distintos canales sensoriales con el fin de acelerar la interacción y análisis de imágenes neurocientíficas. En concreto se estudiará la posibilidad de combinar información visual con información háptica. Las espinas dendríticas son pequeñas protuberancias que recubren la superficie dendrítica de muchas neuronas del cerebro. A día de hoy, se cree que tienen un papel clave en la transmisión de señales neuronales. Motivo por el cual, el interés por parte de la comunidad científica por estas estructuras ha ido en aumento a medida que las técnicas de adquisición de imágenes mejoraban hasta alcanzar una calidad suficiente para analizar dichas estructuras. A menudo, los neurocientíficos utilizan técnicas de microscopía con luz para obtener los datos que les permitan analizar estructuras neuronales tales como neuronas, dendritas y espinas dendríticas. A pesar de que estas técnicas ofrezcan ciertas ventajas frente a su equivalente electrónico, las técnicas basadas en luz permiten una menor resolución. En particular, estructuras pequeñas como las espinas dendríticas pueden capturarse de forma incorrecta en las imágenes obtenidas, impidiendo su análisis. En este trabajo, se presenta una nueva técnica, que permite editar imágenes volumétricas, mediante un dispositivo háptico, con el fin de reconstruir de los cuellos de las espinas dendríticas. Con este objetivo, en un primer momento se desarrolló un algoritmo que proporciona retroalimentación háptica en datos volumétricos, completando la información que provine del canal visual. Dicho algoritmo de renderizado háptico permite a los usuarios tocar y percibir una isosuperficie en el volumen de datos. El algoritmo asegura un renderizado robusto y eficiente. Se utiliza un método basado en las técnicas de “marching tetrahedra” para la extracción local de una isosuperficie continua, lineal y definida por intervalos. La robustez deriva tanto de una etapa de detección de colisiones continua de la isosuperficie extraída, como del uso de técnicas eficientes de renderizado basadas en un proxy puntual. El método de “marching tetrahedra” propuesto garantiza que la topología de la isosuperficie extraída coincida con la topología de una isosuperficie equivalente determinada utilizando una interpolación trilineal. Además, con el objetivo de mejorar la coherencia entre la información háptica y la información visual, el algoritmo de renderizado háptico calcula un segundo proxy en la isosuperficie pintada en la pantalla. En este trabajo se demuestra experimentalmente las mejoras en, primero, la etapa de extracción de isosuperficie, segundo, la robustez a la hora de mantener el proxy en la isosuperficie deseada y finalmente la eficiencia del algoritmo. En segundo lugar, a partir del algoritmo de renderizado háptico propuesto, se desarrolló un procedimiento, en cuatro etapas, para la reconstrucción de espinas dendríticas. Este procedimiento, se puede integrar en los cauces de segmentación automática y semiautomática existentes como una etapa de pre-proceso previa. El procedimiento está diseñando para que tanto la navegación como el proceso de edición en sí mismo estén controlados utilizando un dispositivo háptico. Se han diseñado dos experimentos para evaluar esta técnica. El primero evalúa la aportación de la retroalimentación háptica y el segundo se centra en evaluar la idoneidad del uso de un háptico como dispositivo de entrada. En ambos casos, los resultados demuestran que nuestro procedimiento mejora la precisión de la reconstrucción. En este trabajo se describen también dos casos de uso de nuestro procedimiento en el ámbito de la neurociencia: el primero aplicado a neuronas situadas en la corteza cerebral humana y el segundo aplicado a espinas dendríticas situadas a lo largo de neuronas piramidales de la corteza del cerebro de una rata. Por último, presentamos el programa, Neuro Haptic Editor, desarrollado a lo largo de esta tesis junto con los diferentes algoritmos ya mencionados. ABSTRACT This thesis took place within the Cajal Blue Brain project, a European initiative dedicated to the study of the brain. One of the main goals of this project is the development of new methods and technologies simplifying data analysis in neuroscience. This thesis focused on the development of tools combining information originating from distinct sensory channels with the aim of accelerating both the interaction with neuroscience images and their analysis. In concrete terms, the objective is to study the possibility of combining visual information with haptic information. Dendritic spines are thin protrusions that cover the dendritic surface of numerous neurons in the brain and whose function seems to play a key role in neural circuits. The interest of the neuroscience community toward those structures kept increasing as and when acquisition methods improved, eventually to the point that the produced datasets enabled their analysis. Quite often, neuroscientists use light microscopy techniques to produce the dataset that will allow them to analyse neuronal structures such as neurons, dendrites and dendritic spines. While offering some advantages compared to their electronic counterpart, light microscopy techniques achieve lower resolutions. Particularly, small structures such as dendritic spines might suffer from a very low level of fluorescence in the final dataset, preventing further analysis. This thesis introduces a new technique enabling the edition of volumetric datasets in order to recreate dendritic spine necks using a haptic device. In order to fulfil this objective, we first presented an algorithm to provide haptic feedback directly from volumetric datasets, as an aid to regular visualization. The haptic rendering algorithm lets users perceive isosurfaces in volumetric datasets, and it relies on several design features that ensure a robust and efficient rendering. A marching tetrahedra approach enables the dynamic extraction of a piecewise linear continuous isosurface. Robustness is derived using a Continuous Collision Detection step coupled with acknowledged proxy-based rendering methods over the extracted isosurface. The introduced marching tetrahedra approach guarantees that the extracted isosurface will match the topology of an equivalent isosurface computed using trilinear interpolation. The proposed haptic rendering algorithm improves the coherence between haptic and visual cues computing a second proxy on the isosurface displayed on screen. Three experiments demonstrate the improvements on the isosurface extraction stage as well as the robustness and the efficiency of the complete algorithm. We then introduce our four-steps procedure for the complete reconstruction of dendritic spines. Based on our haptic rendering algorithm, this procedure is intended to work as an image processing stage before the automatic segmentation step giving the final representation of the dendritic spines. The procedure is designed to allow both the navigation and the volume image editing to be carried out using a haptic device. We evaluated our procedure through two experiments. The first experiment concerns the benefits of the force feedback and the second checks the suitability of the use of a haptic device as input. In both cases, the results shows that the procedure improves the editing accuracy. We also report two concrete cases where our procedure was employed in the neuroscience field, the first one concerning dendritic spines in the human cortex, the second one referring to an ongoing experiment studying dendritic spines along dendrites of mouse cortical pyramidal neurons. Finally, we present the software program, Neuro Haptic Editor, that was built along the development of the different algorithms implemented during this thesis, and used by neuroscientists to use our procedure.

Juego de gestión económico-deportiva de fórmula 1 para Android

Formula Racing Team Manager (FRTM) se trata de un juego de un solo jugador, para Android, donde el jugador tendrá como objetivo principal ascender desde la quinta división inicial hasta la primera y lograr allí ganar la clasificación por equipos ante 19 equipos manejados por el sistema. Por el camino tendrá que gestionar una gran cantidad de tareas distintas en el juego, desde la gestión del equipo en sí a la gestión estratégica de las carreras. Para conseguir el objetivo será básico lograr una buena gestión económica, la fuente principal de ganancias son los patrocinadores, pudiendo contar con un total de cuatro simultáneamente. El dinero conseguido se utilizará en mejorar el equipo (empleados, coche y pilotos) lo máximo posible para conseguir mejores resultados en carrera. Hay una gran cantidad de circuitos disponibles, todos reales, combinando circuitos históricos del calendario de Fórmula 1 con actuales y con circuitos otros populares en otras categorías (a destacar la inclusión de carreras de resistencia como las 500 millas de Indianápolis o las 24 horas de Le Mans). Será importante entender bien los parámetros de cada circuito para lograr un buen resultado en todos ellos. La temporada se divide en 20 grandes premios, formado cada uno por tres sesiones (entrenamientos, clasificación y carrera). En los entrenamientos el jugador podrá, durante dos horas, dar todas las vueltas que cree oportuno hasta que su tiempo se agote, para encontrar así la mejor configuración posible para el coche, y obtener los datos de consumos y desgastes que encuentre necesarios para emplearlos en carrera. En la sesión de clasificación (separada en tres rondas), se decidirán las posiciones de salida en carrera Antes de la carrera el jugador deberá decidir qué estrategia utilizar en ella, escogiendo la configuración del coche, los compuestos de neumáticos y las cargas de combustible a utilizar en cada parada. Durante la carrera también podrá cambiar ciertos parámetros en caso de que la situación de carrera no se adapte a sus expectativas, teniendo así un control total de lo sucedido en carrera, como si de un director deportivo de un equipo real de Fórmula 1 se tratase. Durante la carrera, se irán simulando las vueltas cuando el jugador así lo desee y lo indique mediante un reproductor disponible. Posteriormente, al terminar la carrera volverá a predominar la gestión económica del equipo por parte del jugador, teniendo que controlar los desgastes de cada una de las diez piezas distintas del coche para evitar roturas, y volviendo a poder entrenar a pilotos y empleados. El juego está disponible tanto en español como en inglés. ABSTRACT. Formula Racing Team Manager (FRTM) is a single player game, for Android, where the player has the main objective of promoting from the initial fifth division to the first one, and winning there the championship against 19 teams managed by the system. On the way, the player will have to manage a different number of tasks in the game, from the team management to the race strategic management. To complete that objective a basic key is to achieve a good economic management, the main source of incomes are the sponsors; being able to have a total of four at the same time. The money received will have to be spent on improving the team (staff, car and drivers) the best as possible to try to achieve even better race results. There are a lot of available circuits throughout the game, all of them real, combining some historical from Formula 1 calendar with actual ones, and also with some popular circuits from other categories (to highlight the inclusion of endurance races like the 500miles from Indianapolis and the 24 hours of Le Mans). It will be basic to fully understand the parameters from each circuit to achieve a good result in all of them. The season is divided in 20 Grand Prix, every one of them composed by three sessions (free practice, qualifying and race). In the Free Practice session the player will get the chance to driver all the laps he can in two hours, to try to get the best possible setup for the car and to obtain data from tyres wear and fuel consumption. On the qualifying session (composed by three rounds), the starting grid for the race will be decided. Before the race, the player will have to choose the strategy to use, deciding the car setup, the tyres compound and the fuel inputs for every pit stop to do. Also, throughout the race, the player will get the chance to change some parameters of that strategy in case of the race not going as expected. On the race, every lap will be simulated when the player decides. And, after the race is finished, the player will have to work again on the economy and team management, controlling the wear of every car part to avoid malfunctions, and being able to train drivers and staff. The game is available in both spanish and english.

Investigación y análisis sobre la idoneidad de la práctica del tenis de mesa en la Educación Primaria

Esta investigación surge a raíz de la experiencia profesional del autor, maestro especialista de Educación Física en el C.E.I.P. “Alhambra” de Madrid, cuando de manera progresiva, aprecia que el tenis de mesa puede ser un deporte muy interesante de desarrollar en las sesiones de Educación Física y de promover dentro de los tiempos de recreo. El autor cree que este deporte desarrolla una serie de objetivos motrices, afectivos, cognitivos y sociales que pueden contribuir a la adquisición de las competencias básicas y al desarrollo integral de los alumnos. Es entonces cuando recibe formación sobre el deporte de tenis de mesa y busca los medios necesarios de financiación para que se dote al centro del material necesario. Así la Junta municipal del distrito de Fuencarral-El Pardo instala en el patio del colegio tres mesas de exterior y, con los recursos del colegio y la ayuda de la Asociación de padres y madres (AMPA), se consiguen cinco mesas de interior plegables y todo el material necesario (redes, raquetas, pelotas, etc.). Tras introducir este deporte desde 3º a 6º de Educación Primaria promueve un campeonato en el colegio cuyo índice de participación ronda el 90% del alumnado, estos resultados crean al autor ciertas incertidumbres que son la motivación y punto de partida para realizar esta investigación que analice si la práctica del tenis de mesa puede resultar idónea en la etapa de Educación Primaria. Introducción La legislación actual en materia de educación, Ley Orgánica 2/2006, de 3 de mayo, de Educación (LOE) modificada por la Ley Orgánica 8/2013, de 9 de diciembre, para la mejora de la calidad educativa. (LOMCE), otorga una gran relevancia al deporte en general. "El deporte es una actividad saludable, divertida y formativa que puede tener profundos beneficios no sólo para su salud y su bienestar sino también para el desarrollo personal integral físico, psicológico y psicosocial del niño, además de sobre su desarrollo deportivo" (Pradas, 2009, p. 151), es pues, un momento idóneo para analizar qué deportes se practican en los colegios o por qué se practican unos más que otros. "El tenis de mesa además de ser un deporte para todos, se presenta como un juego atractivo, en donde su práctica resulta muy divertida a cualquier edad, tanto para niños como para adultos, principalmente porque presenta unas reglas de juego simples, no encerrando peligro alguno para la integridad física de sus practicantes durante su juego" (Pradas, 2009, p. 83). Es un deporte que "está abierto a todos, sin distinción de edad o sexo, tanto como deporte de alto nivel como de práctica familiar o social" (Gatien, 1993, p. 16). No obstante, "son escasas las obras sobre tenis de mesa. Pocos libros, tanto de divulgación como de reflexión sobre el tenis de mesa, adornan los estantes de las librerías y las bibliotecas" (Erb, 1999, p.14) y añade “así pues, el medio escolar padece de falta de obras explicativas y pedagógicas referidas a este tema" (Erb, 1999, p.14 ) En particular, se pretenden conseguir cinco objetivos divididos en tres categorías (el centro, el profesorado y el deporte. • A nivel de Centro: - Conocer el porcentaje de colegios que disponen de espacios y materiales adecuados para la práctica del tenis de mesa, así como identificar, de las distintas Direcciones de Área Territoriales (DAT), cuál tiene los colegios mejor dotados tanto en instalaciones como en materiales para desarrollar programas de promoción del tenis de mesa. - Averiguar las posibles causas por las que el tenis de mesa no se practica tanto como otros deportes, analizando los impedimentos que limitan la implantación del tenis de mesa como un deporte habitual en los centros de Educación Primaria. Analizar la opinión del profesorado en cuanto a los materiales y las instalaciones necesarios para el tenis de mesa. • A nivel de profesorado: - Analizar el nivel de conocimiento que tienen los profesionales que imparten la asignatura de Educación Física sobre el tenis de mesa, así como sus necesidades para incluir unidades didácticas de tenis de mesa en sus programaciones didácticas. - Conocer el perfil de profesor ideal que recomienda la utilización del tenis de mesa y averiguar el interés del profesorado por recibir formación específica del tenis de mesa. • A nivel de deporte: - Analizar la opinión de los profesionales sobre la idoneidad del tenis de mesa en la Educación Primaria atendiendo a los objetivos que persigue, a las competencias que desarrolla, a los contenidos, criterios de evaluación y estándares de aprendizaje que se pueden trabajar y a las lesiones que se producen. Metodología La investigación se caracterizó por utilizar una metodología inductiva, al surgir de la experiencia profesional del autor, también fue transversal al analizar la realidad en un momento concreto y de tipo cuantitativa. La población objeto de estudio fue la totalidad de los colegios públicos de la Comunidad de Madrid, siendo los profesores de Educación Física los encargados de facilitar los datos solicitados. Estos datos se obtuvieron utilizando como instrumento de toma de datos el cuestionario auto administrado con preguntas cerradas de opción múltiple previamente validado por un panel de 5 expertos. Las variables indirectas fueron: el género del profesorado, la edad del profesorado, la experiencia profesional y el tipo de destino. El proceso de la toma de datos supuso un lapso de tiempo de 3 meses, desde mayo de 2015 hasta julio de 2015, en este tiempo hubo dos fases de recogida de datos, una online a través del correo electrónico institucional de los colegios públicos de la Comunidad de Madrid y otra “in situ” con cuestionarios de lápiz y papel. En cuanto a los datos que se obtuvieron, sobre una población de 798 colegios, se consiguió una muestra de 276, esto supuso una tasa de respuesta del 34,59%, asumiendo la situación más desfavorable posible (p=q) y un nivel de confianza del 95%, para el total de los 276 cuestionarios cumplimentados, el error máximo fue del ±4,78%. Resultados En cuanto a los resultados obtenidos, se establecieron de acuerdo a tres dimensiones: A nivel de Centro, a nivel de Profesorado y a nivel del Deporte y pretendieron averiguar si se alcanzaron los cinco objetivos planteados. Tras el análisis de los resultados, se apreció que los colegios públicos de la Comunidad de Madrid disponían de las suficientes instalaciones para el tenis de mesa, en cambio, faltaban materiales específicos y formación por parte del profesorado, así como recursos didácticos y un programa de promoción del tenis de mesa. Se apreció un manifiesto interés por parte del profesorado en recibir formación específica de tenis de mesa pues la mayoría recomendaba la utilización del tenis de mesa dentro de la asignatura de Educación Física en Educación Primaria. Por último, los resultados mostraron la cantidad de objetivos motrices, afectivos, cognitivos y sociales que desarrolla el tenis de mesa así como su contribución a la adquisición de las competencias básicas y al objetivo “k” de la Educación Primaria, que indica “Valorar la higiene y la salud, conocer y respetar el cuerpo humano, y utilizar la Educación Física y el deporte como medios para favorecer el desarrollo personal y social”, además, se mostró el bajo índice de lesiones que provoca. Discusión y conclusiones El tenis de mesa es un deporte idóneo para ser practicado y enseñado en la asignatura de Educación Física en la etapa de Educación Primaria debido a la gran cantidad de contenidos que son susceptibles de ser trabajados a través de este deporte y debido a la gran cantidad de valores, individuales y sociales que se pueden fomentar con la práctica del tenis de mesa. Las causas de que hasta ahora, el tenis de mesa no sea un deporte practicado de forma habitual en los colegios públicos de la Comunidad de Madrid a pesar de trabajar muchos contenidos específicos de la asignatura de Educación Física puede deberse a factores externos al deporte del tenis de mesa y susceptibles de ser solucionados con una adecuada inversión en materiales específicos, formación del profesorado y recursos didácticos. Si se dota a los centros de los materiales y recursos didácticos necesarios y dando formación al profesorado, éste introduciría unidades didácticas de tenis de mesa dentro de sus programaciones anuales. La federación española y madrileña de tenis de mesa, deberían desarrollar un programa de promoción dotando de materiales y recursos a los centros, tal y como lo han hecho otras federaciones como la de voleibol, bádminton o de baloncesto, entre otras. ABSTRACT This research arises from the professional experience of the author, specialized teacher of physical education in the CEIP "Alhambra" in Madrid, where progressively, appreciates that table tennis can be a very interesting sport to develop in physical education sessions and promote within the playtimes. The author believes that this sport develops a range of motor, affective, cognitive and social objectives that can contribute to the acquisition of basic skills and the integral development of students. It is then when receives training on the sport of table tennis and seeks ways of funding in order to outfit the center with necessary equipment. The Municipal District of Fuencarral-El Pardo installed three outdoor tables in the schoolyard and with the resources of the school and the support of the Association of Parents (AMPA), five indoor folding tables are achieved as well as all the necessary material (nets, rackets, balls, etc.). After introduce the sport from 3rd to 6th grade of primary education, promotes a championship in the school where the participation rate is around 90% of students, these results create the uncertainties to the author that are the motivation and starting point for this research to analyze whether the practice of table tennis can be ideal at the stage of primary education. Introduction The current legislation on education, Organic Law 2/2006 of 3 May, on Education (LOE) as amended by Organic Law 8/2013, of December 9, to improve educational quality (LOMCE), attaches great importance to the sport in general, "Sport is a healthy, funny and educational activity that can have great benefits not only for their health and well-being but also for the physical, psychological and psychosocial comprehensive personal child development besides on their sports development "(Pradas, 2009, p. 151), is therefore an ideal moment to analyze which sports are practiced in schools or why are practiced some more than others. "The table tennis as well as being a sport for everyone, is presented as an attractive game, where its practice is funny at any age, both children and adults, mainly because it has simple game rules, not enclosing danger for the physical integrity of its practitioners during their game" (Pradas, 2009, p. 83). It is a sport that is "open to all, regardless of age or sex, as high-level sport, as family or social practice" (Gatien, 1993, p. 16). However, "there are few books on table tennis. Few books, both reflexion or popularization about table tennis, adorn the shelves of bookstores and libraries." (Erb, 1999, p.14) and add "So, the school environment suffers from lack of explanatory and educational work related to this issue." (Erb, 1999, p.14) In particular, it is intended to achieve the following objectives within the Community of Madrid: • To determine the percentage of schools that have spaces and materials suitable for practicing table tennis and identify, from the different Directorates of Land Area (DAT), which has the best equipped schools in both facilities and materials to develop programs to promote table tennis. • Find out the possible causes that explained why table tennis is not practiced as much as other sports, analyzing impediments that limit the implementation of table tennis as a regular sport in primary schools. Analyze the opinion of teachers in terms of materials and facilities needed for table tennis. • Analyze the level of knowledge about table tennis among professionals who teach the subject of Physical Education and their needs to include teaching units about table tennis in their teaching programs. • Knowing the profile of the ideal teacher who recommends the use of table tennis and figure out the interest of teachers to receive specific training of table tennis. • Analyze the professional opinion on the suitability of table tennis in Primary Education taking into account the objectives pursued, to develop the skills, content, evaluation criteria and learning standards that can work and injuries involved. Methodology The investigation was characterized by using an inductive methodology, arising from the professional experience of the author, was also transverse to analyze reality in a particular time and quantitative type. The population under study were all the state schools in Madrid region, being the physical education teachers responsible for providing the requested data. These data were obtained using as data collection instrument a self-administered questionnaire with multiple choice questions, because it facilitates the analysis thereof. In terms of obtained data, on a population of 798 schools, a sample of 276 was achieved, this represented a response rate of 34.59%, assuming the worst case scenario (p = q) and a level 95% confidence for the total of the 276 completed questionnaires, the maximum error was ± 4.78%. Results In terms of the results, they were set according to three dimensions: center level, professorate level and Sport level and trying to find out whether the five objectives were achieved. After analyzing the results, it was found that schools possessed sufficient facilities for table tennis, however, lacked specific materials and training by teachers, as well as teaching resources and a program to promote table tennis. A clear interest was noticed by teachers in order to receive specific training in table tennis since most recommended the use of table tennis in the subject of physical education in primary education. Finally, the results proved the number of motor, affective, cognitive and social objectives developed by table tennis and its contribution to the acquisition of basic skills and the objective "k" of primary education, in addition to the low rate of injury it causes. Discussion and conclusions Table tennis is an ideal sport to be practiced and taught in the subject of Physical Education in Primary Education due to the large amount of content that are likely to be worked through this sport and due to the large number of individual and social values that can foster the practice of table tennis. The causes of that so far, table tennis is not a sport practiced regularly in schools despite working many specific contents of the subject of Physical Education may be due to factors outside the sport of table tennis and subject to solved with adequate investment in specific materials, teacher training and educational resources. By endowing the centers with the necessary teaching materials and resources and providing training to teachers, they would introduce teaching units of table tennis within their annual programs. Madrid and the Spanish Federation of table tennis should develop a promotional program by endowing materials and resources to the centers, as did other federations such as badminton and basketball, among others.

La adecuada formación de Técnicos, base del desarrollo tecnológico

José Antonio Martín Pereda, Secretario del Plan Nacional de Investigación Científica y Desarrollo Tecnológico, reflexiona sobre el impacto en el sistema ciencia - tecnología de las nuevas tecnologías. Cree que se debe establecer una conexión estrecha entre la Universidad y la industria, dándose una integración real de ambas. Para ello deben resolverse varios problemas, consiguiendo una adecuada cualificación de los profesionales.