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.

Coherent structures in statistically-stationary homogeneous shear turbulence

La región cerca de la pared de flujos turbulentos de pared ya está bien conocido debido a su bajo número de Reynolds local y la separación escala estrecha. La región lejos de la pared (capa externa) no es tan interesante tampoco, ya que las estadísticas allí se escalan bien por las unidades exteriores. La región intermedia (capa logarítmica), sin embargo, ha estado recibiendo cada vez más atención debido a su propiedad auto-similares. Además, de acuerdo a Flores et al. (2007) y Flores & Jiménez (2010), la capa logarítmica es más o menos independiente de otras capas, lo que implica que podría ser inspeccionado mediante el aislamiento de otras dos capas, lo que reduciría significativamente los costes computacionales para la simulación de flujos turbulentos de pared. Algunos intentos se trataron después por Mizuno & Jiménez (2013), quien simulan la capa logarítmica sin la región cerca de la pared con estadísticas obtenidas de acuerdo razonablemente bien con los de las simulaciones completas. Lo que más, la capa logarítmica podría ser imitado por otra turbulencia sencillo de cizallamiento de motor. Por ejemplo, Pumir (1996) encontró que la turbulencia de cizallamiento homogéneo estadísticamente estacionario (SS-HST) también irrumpe, de una manera muy similar al proceso de auto-sostenible en flujos turbulentos de pared. Según los consideraciones arriba, esta tesis trata de desvelar en qué medida es la capa logarítmica de canales similares a la turbulencia de cizalla más sencillo, SS-HST, mediante la comparación de ambos cinemática y la dinámica de las estructuras coherentes en los dos flujos. Resultados sobre el canal se muestran mediante Lozano-Durán et al. (2012) y Lozano-Durán & Jiménez (2014b). La hoja de ruta de esta tarea se divide en tres etapas. En primer lugar, SS-HST es investigada por medio de un código nuevo de simulación numérica directa, espectral en las dos direcciones horizontales y compacto-diferencias finitas en la dirección de la cizalla. Sin utiliza remallado para imponer la condición de borde cortante periódica. La influencia de la geometría de la caja computacional se explora. Ya que el HST no tiene ninguna longitud característica externa y tiende a llenar el dominio computacional, las simulaciopnes a largo plazo del HST son ’mínimos’ en el sentido de que contiene sólo unas pocas estructuras media a gran escala. Se ha encontrado que el límite principal es el ancho de la caja de la envergadura, Lz, que establece las escalas de longitud y velocidad de la turbulencia, y que las otras dos dimensiones de la caja debe ser suficientemente grande (Lx > 2LZ, Ly > Lz) para evitar que otras direcciones estando limitado también. También se encontró que las cajas de gran longitud, Lx > 2Ly, par con el paso del tiempo la condición de borde cortante periódica, y desarrollar fuertes ráfagas linealizadas no físicos. Dentro de estos límites, el flujo muestra similitudes y diferencias interesantes con otros flujos de cizalla, y, en particular, con la capa logarítmica de flujos turbulentos de pared. Ellos son exploradas con cierto detalle. Incluyen un proceso autosostenido de rayas a gran escala y con una explosión cuasi-periódica. La escala de tiempo de ruptura es de aproximadamente universales, ~20S~l(S es la velocidad de cizallamiento media), y la disponibilidad de dos sistemas de ruptura diferentes permite el crecimiento de las ráfagas a estar relacionado con algo de confianza a la cizalladura de turbulencia inicialmente isotrópico. Se concluye que la SS-HST, llevado a cabo dentro de los parámetros de cílculo apropiados, es un sistema muy prometedor para estudiar la turbulencia de cizallamiento en general. En segundo lugar, las mismas estructuras coherentes como en los canales estudiados por Lozano-Durán et al. (2012), es decir, grupos de vórticidad (fuerte disipación) y Qs (fuerte tensión de Reynolds tangencial, -uv) tridimensionales, se estudia mediante simulación numérica directa de SS-HST con relaciones de aspecto de cuadro aceptables y número de Reynolds hasta Rex ~ 250 (basado en Taylor-microescala). Se discute la influencia de la intermitencia de umbral independiente del tiempo. Estas estructuras tienen alargamientos similares en la dirección sentido de la corriente a las familias separadas en los canales hasta que son de tamaño comparable a la caja. Sus dimensiones fractales, longitudes interior y exterior como una función del volumen concuerdan bien con sus homólogos de canales. El estudio sobre sus organizaciones espaciales encontró que Qs del mismo tipo están alineados aproximadamente en la dirección del vector de velocidad en el cuadrante al que pertenecen, mientras Qs de diferentes tipos están restringidos por el hecho de que no debe haber ningún choque de velocidad, lo que hace Q2s (eyecciones, u < 0,v > 0) y Q4s (sweeps, u > 0,v < 0) emparejado en la dirección de la envergadura. Esto se verifica mediante la inspección de estructuras de velocidad, otros cuadrantes como la uw y vw en SS-HST y las familias separadas en el canal. La alineación sentido de la corriente de Qs ligada a la pared con el mismo tipo en los canales se debe a la modulación de la pared. El campo de flujo medio condicionado a pares Q2-Q4 encontró que los grupos de vórticidad están en el medio de los dos, pero prefieren los dos cizalla capas alojamiento en la parte superior e inferior de Q2s y Q4s respectivamente, lo que hace que la vorticidad envergadura dentro de las grupos de vórticidad hace no cancele. La pared amplifica la diferencia entre los tamaños de baja- y alta-velocidad rayas asociados con parejas de Q2-Q4 se adjuntan como los pares alcanzan cerca de la pared, el cual es verificado por la correlación de la velocidad del sentido de la corriente condicionado a Q2s adjuntos y Q4s con diferentes alturas. Grupos de vórticidad en SS-HST asociados con Q2s o Q4s también están flanqueadas por un contador de rotación de los vórtices sentido de la corriente en la dirección de la envergadura como en el canal. La larga ’despertar’ cónica se origina a partir de los altos grupos de vórticidad ligada a la pared han encontrado los del Álamo et al. (2006) y Flores et al. (2007), que desaparece en SS-HST, sólo es cierto para altos grupos de vórticidad ligada a la pared asociados con Q2s pero no para aquellos asociados con Q4s, cuyo campo de flujo promedio es en realidad muy similar a la de SS-HST. En tercer lugar, las evoluciones temporales de Qs y grupos de vórticidad se estudian mediante el uso de la método inventado por Lozano-Durán & Jiménez (2014b). Las estructuras se clasifican en las ramas, que se organizan más en los gráficos. Ambas resoluciones espaciales y temporales se eligen para ser capaz de capturar el longitud y el tiempo de Kolmogorov puntual más probable en el momento más extrema. Debido al efecto caja mínima, sólo hay un gráfico principal consiste en casi todas las ramas, con su volumen y el número de estructuras instantáneo seguien la energía cinética y enstrofía intermitente. La vida de las ramas, lo que tiene más sentido para las ramas primarias, pierde su significado en el SS-HST debido a las aportaciones de ramas primarias al total de Reynolds estrés o enstrofía son casi insignificantes. Esto también es cierto en la capa exterior de los canales. En cambio, la vida de los gráficos en los canales se compara con el tiempo de ruptura en SS-HST. Grupos de vórticidad están asociados con casi el mismo cuadrante en términos de sus velocidades medias durante su tiempo de vida, especialmente para los relacionados con las eyecciones y sweeps. Al igual que en los canales, las eyecciones de SS-HST se mueven hacia arriba con una velocidad promedio vertical uT (velocidad de fricción) mientras que lo contrario es cierto para los barridos. Grupos de vórticidad, por otra parte, son casi inmóvil en la dirección vertical. En la dirección de sentido de la corriente, que están advección por la velocidad media local y por lo tanto deforman por la diferencia de velocidad media. Sweeps y eyecciones se mueven más rápido y más lento que la velocidad media, respectivamente, tanto por 1.5uT. Grupos de vórticidad se mueven con la misma velocidad que la velocidad media. Se verifica que las estructuras incoherentes cerca de la pared se debe a la pared en vez de pequeño tamaño. Los resultados sugieren fuertemente que las estructuras coherentes en canales no son especialmente asociado con la pared, o incluso con un perfil de cizalladura dado. ABSTRACT Since the wall-bounded turbulence was first recognized more than one century ago, its near wall region (buffer layer) has been studied extensively and becomes relatively well understood due to the low local Reynolds number and narrow scale separation. The region just above the buffer layer, i.e., the logarithmic layer, is receiving increasingly more attention nowadays due to its self-similar property. Flores et al. (20076) and Flores & Jim´enez (2010) show that the statistics of logarithmic layer is kind of independent of other layers, implying that it might be possible to study it separately, which would reduce significantly the computational costs for simulations of the logarithmic layer. Some attempts were tried later by Mizuno & Jimenez (2013), who simulated the logarithmic layer without the buffer layer with obtained statistics agree reasonably well with those of full simulations. Besides, the logarithmic layer might be mimicked by other simpler sheardriven turbulence. For example, Pumir (1996) found that the statistically-stationary homogeneous shear turbulence (SS-HST) also bursts, in a manner strikingly similar to the self-sustaining process in wall-bounded turbulence. Based on these considerations, this thesis tries to reveal to what extent is the logarithmic layer of channels similar to the simplest shear-driven turbulence, SS-HST, by comparing both kinematics and dynamics of coherent structures in the two flows. Results about the channel are shown by Lozano-Dur´an et al. (2012) and Lozano-Dur´an & Jim´enez (20146). The roadmap of this task is divided into three stages. First, SS-HST is investigated by means of a new direct numerical simulation code, spectral in the two horizontal directions and compact-finite-differences in the direction of the shear. No remeshing is used to impose the shear-periodic boundary condition. The influence of the geometry of the computational box is explored. Since HST has no characteristic outer length scale and tends to fill the computational domain, longterm simulations of HST are ‘minimal’ in the sense of containing on average only a few large-scale structures. It is found that the main limit is the spanwise box width, Lz, which sets the length and velocity scales of the turbulence, and that the two other box dimensions should be sufficiently large (Lx > 2LZ, Ly > Lz) to prevent other directions to be constrained as well. It is also found that very long boxes, Lx > 2Ly, couple with the passing period of the shear-periodic boundary condition, and develop strong unphysical linearized bursts. Within those limits, the flow shows interesting similarities and differences with other shear flows, and in particular with the logarithmic layer of wallbounded turbulence. They are explored in some detail. They include a self-sustaining process for large-scale streaks and quasi-periodic bursting. The bursting time scale is approximately universal, ~ 20S~l (S is the mean shear rate), and the availability of two different bursting systems allows the growth of the bursts to be related with some confidence to the shearing of initially isotropic turbulence. It is concluded that SS-HST, conducted within the proper computational parameters, is a very promising system to study shear turbulence in general. Second, the same coherent structures as in channels studied by Lozano-Dur´an et al. (2012), namely three-dimensional vortex clusters (strong dissipation) and Qs (strong tangential Reynolds stress, -uv), are studied by direct numerical simulation of SS-HST with acceptable box aspect ratios and Reynolds number up to Rex ~ 250 (based on Taylor-microscale). The influence of the intermittency to time-independent threshold is discussed. These structures have similar elongations in the streamwise direction to detached families in channels until they are of comparable size to the box. Their fractal dimensions, inner and outer lengths as a function of volume agree well with their counterparts in channels. The study about their spatial organizations found that Qs of the same type are aligned roughly in the direction of the velocity vector in the quadrant they belong to, while Qs of different types are restricted by the fact that there should be no velocity clash, which makes Q2s (ejections, u < 0, v > 0) and Q4s (sweeps, u > 0, v < 0) paired in the spanwise direction. This is verified by inspecting velocity structures, other quadrants such as u-w and v-w in SS-HST and also detached families in the channel. The streamwise alignment of attached Qs with the same type in channels is due to the modulation of the wall. The average flow field conditioned to Q2-Q4 pairs found that vortex clusters are in the middle of the pair, but prefer to the two shear layers lodging at the top and bottom of Q2s and Q4s respectively, which makes the spanwise vorticity inside vortex clusters does not cancel. The wall amplifies the difference between the sizes of low- and high-speed streaks associated with attached Q2-Q4 pairs as the pairs reach closer to the wall, which is verified by the correlation of streamwise velocity conditioned to attached Q2s and Q4s with different heights. Vortex clusters in SS-HST associated with Q2s or Q4s are also flanked by a counter rotating streamwise vortices in the spanwise direction as in the channel. The long conical ‘wake’ originates from tall attached vortex clusters found by del A´ lamo et al. (2006) and Flores et al. (2007b), which disappears in SS-HST, is only true for tall attached vortices associated with Q2s but not for those associated with Q4s, whose averaged flow field is actually quite similar to that in SS-HST. Third, the temporal evolutions of Qs and vortex clusters are studied by using the method invented by Lozano-Dur´an & Jim´enez (2014b). Structures are sorted into branches, which are further organized into graphs. Both spatial and temporal resolutions are chosen to be able to capture the most probable pointwise Kolmogorov length and time at the most extreme moment. Due to the minimal box effect, there is only one main graph consist by almost all the branches, with its instantaneous volume and number of structures follow the intermittent kinetic energy and enstrophy. The lifetime of branches, which makes more sense for primary branches, loses its meaning in SS-HST because the contributions of primary branches to total Reynolds stress or enstrophy are almost negligible. This is also true in the outer layer of channels. Instead, the lifetime of graphs in channels are compared with the bursting time in SS-HST. Vortex clusters are associated with almost the same quadrant in terms of their mean velocities during their life time, especially for those related with ejections and sweeps. As in channels, ejections in SS-HST move upwards with an average vertical velocity uτ (friction velocity) while the opposite is true for sweeps. Vortex clusters, on the other hand, are almost still in the vertical direction. In the streamwise direction, they are advected by the local mean velocity and thus deformed by the mean velocity difference. Sweeps and ejections move faster and slower than the mean velocity respectively, both by 1.5uτ . Vortex clusters move with the same speed as the mean velocity. It is verified that the incoherent structures near the wall is due to the wall instead of small size. The results suggest that coherent structures in channels are not particularly associated with the wall, or even with a given shear profile.