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.

Non uniform embedding based on relevance analysis with reduced computational complexity: application to the detection of pathologies from biosignal recordings

Nonlinear analysis tools for studying and characterizing the dynamics of physiological signals have gained popularity, mainly because tracking sudden alterations of the inherent complexity of biological processes might be an indicator of altered physiological states. Typically, in order to perform an analysis with such tools, the physiological variables that describe the biological process under study are used to reconstruct the underlying dynamics of the biological processes. For that goal, a procedure called time-delay or uniform embedding is usually employed. Nonetheless, there is evidence of its inability for dealing with non-stationary signals, as those recorded from many physiological processes. To handle with such a drawback, this paper evaluates the utility of non-conventional time series reconstruction procedures based on non uniform embedding, applying them to automatic pattern recognition tasks. The paper compares a state of the art non uniform approach with a novel scheme which fuses embedding and feature selection at once, searching for better reconstructions of the dynamics of the system. Moreover, results are also compared with two classic uniform embedding techniques. Thus, the goal is comparing uniform and non uniform reconstruction techniques, including the one proposed in this work, for pattern recognition in biomedical signal processing tasks. Once the state space is reconstructed, the scheme followed characterizes with three classic nonlinear dynamic features (Largest Lyapunov Exponent, Correlation Dimension and Recurrence Period Density Entropy), while classification is carried out by means of a simple k-nn classifier. In order to test its generalization capabilities, the approach was tested with three different physiological databases (Speech Pathologies, Epilepsy and Heart Murmurs). In terms of the accuracy obtained to automatically detect the presence of pathologies, and for the three types of biosignals analyzed, the non uniform techniques used in this work lightly outperformed the results obtained using the uniform methods, suggesting their usefulness to characterize non-stationary biomedical signals in pattern recognition applications. On the other hand, in view of the results obtained and its low computational load, the proposed technique suggests its applicability for the applications under study.

BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles

Los peces son animales, donde en la mayoría de los casos, son considerados como nadadores muy eficientes y con una alta capacidad de maniobra. En general los peces se caracterizan por su capacidad de maniobra, locomoción silencioso, giros y partidas rápidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios tipos de locomoción que los peces usan para generar maniobras y natación constante. A bajas velocidades la mayoría de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares para su locomoción, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de propulsión. A altas velocidades la locomoción implica el cuerpo y / o aleta caudal porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleración. Estas características pueden inspirar el diseo y fabricación de una piel muy flexible, una aleta caudal mórfica y una espina dorsal no articulada con una gran capacidad de maniobra. Esta tesis presenta el desarrollo de un novedoso pez robot bio-inspirado y biomimético llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante de los peces vertebrados. Inspirado por la morfología de los peces Micropterus salmoides o también conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su fundamento biológico para desarrollar modelos y métodos matemáticos precisos que permiten imitar la locomoción de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden lograr un nivel increíble de maniobrabilidad y eficacia de la propulsión mediante la combinación de los movimientos ondulatorios y aletas morficas. Para imitar la locomoción de los peces reales en una contraparte artificial se necesita del análisis de tecnologías de actuación alternativos, como arreglos de fibras musculares en lugar de servo actuadores o motores DC estándar, así como un material flexible que proporciona una estructura continua sin juntas. Las aleaciones con memoria de forma (SMAs) proveen la posibilidad de construir robots livianos, que no emiten ruido, sin motores, sin juntas y sin engranajes. Asi es como un pez robot submarino se ha desarrollado y cuyos movimientos son generados mediante SMAs. Estos actuadores son los adecuados para doblar la espina dorsal continua del pez robot, que a su vez provoca un cambio en la curvatura del cuerpo. Este tipo de arreglo estructural está inspirado en los músculos rojos del pescado, que son usados principalmente durante la natación constante para la flexión de una estructura flexible pero casi incompresible como lo es la espina dorsal de pescado. Del mismo modo la aleta caudal se basa en SMAs y se modifica para llevar a cabo el trabajo necesario. La estructura flexible proporciona empuje y permite que el BR3 nade. Por otro lado la aleta caudal mórfica proporciona movimientos de balanceo y guiada. Motivado por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de natación (anguilliforme, carangiforme, subcarangiforme y tunniforme) se propone un controlador de doblado y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la información del ángulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de natación deseado y a su vez controlar la velocidad de natación. Así mismo de acuerdo con el hecho biológico de la influencia de la forma de la aleta caudal en la maniobrabilidad durante la natación constante se propone un control de actitud. Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar sólo SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de natación, así como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este novedoso diseo mecatrónico presenta un futuro muy prometedor para el diseo de vehículos submarinos capaces de modificar su forma y nadar mas eficientemente. La nueva metodología de control propuesto en esta tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots basados en SMAs, haciéndolos energéticamente más eficientes y la incorporación de una aleta caudal mórfica permite realizar maniobras más eficientemente. En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo: • Estudio y análisis biológico del nado de los peces con el propósito de definir criterios de diseño y control. • Formulación de modelos matemáticos que describan la: i) cinemática del cuerpo, ii) dinámica, iii) hidrodinámica iv) análisis de los modos de vibración y v) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular la aleta caudal y el doblado del cuerpo en la producción de fuerzas de empuje y fuerzas de rotación necesarias en las maniobras y optimización del consumo de energía. • Diseño y fabricación de BR3: i) estructura esquelética de la columna vertebral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación basado en SMAs para el cuerpo y la aleta caudal, iii) piel artificial, iv) electrónica embebida y v) fusión sensorial. Está dirigido a desarrollar la plataforma de pez robot BR3 que permite probar los métodos propuestos. • Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulación de la forma de la aleta caudal y regulación de la actitud) y ii) control de nado continuo (modulación de la velocidad y doblado). Está dirigido a la formulación de los métodos de control adecuados que permiten la modulación adecuada de la aleta caudal y el cuerpo del BR3. • Experimentos: está dirigido a la cuantificación de los efectos de: i) la correcta modulación de la aleta caudal en la producción de rotación y su efecto hidrodinámico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la producción de empuje y iii) efecto de la flexibilidad de la piel en la habilidad para doblarse del BR3. También tiene como objetivo demostrar y validar la hipótesis de mejora en la eficiencia de la natación y las maniobras gracias a los nuevos métodos de control presentados en esta tesis. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua estarán orientados a discutir y demostrar cómo la aleta caudal y el cuerpo pueden afectar considerablemente la dinámica / hidrodinámica de natación / maniobras y cómo tomar ventaja de la modulación de curvatura que la aleta caudal mórfica y el cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometría de la aleta caudal y del cuerpo durante la natación constante y maniobras. ABSTRACT Fishes are animals where in most cases are considered as highly manoeuvrable and effortless swimmers. In general fishes are characterized for his manoeuvring skills, noiseless locomotion, rapid turning, fast starting and long distance cruising. Studies have identified several types of locomotion that fish use to generate maneuvering and steady swimming. At low speeds most fishes uses median and/or paired fins for its locomotion, offering greater maneuverability and better propulsive efficiency At high speeds the locomotion involves the body and/or caudal fin because this can achieve greater thrust and accelerations. This can inspire the design and fabrication of a highly deformable soft artificial skins, morphing caudal fins and non articulated backbone with a significant maneuverability capacity. This thesis presents the development of a novel bio-inspired and biomimetic fishlike robot (BR3) inspired by the maneuverability and steady swimming ability of ray-finned fishes (Actinopterygii, bony fishes). Inspired by the morphology of the Largemouth Bass fish, the BR3 uses its biological foundation to develop accurate mathematical models and methods allowing to mimic fish locomotion. The Largemouth Bass fishes can achieve an amazing level of maneuverability and propulsive efficiency by combining undulatory movements and morphing fins. To mimic the locomotion of the real fishes on an artificial counterpart needs the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators as well as a bendable material that provides a continuous structure without joins. The Shape Memory Alloys (SMAs) provide the possibility of building lightweight, joint-less, noise-less, motor-less and gear-less robots. Thus a swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body. This type of structural arrangement is inspired by fish red muscles, which are mainly recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incompressible structure such as the fishbone. Likewise the caudal fin is based on SMAs and is customized to provide the necessary work out. The bendable structure provides thrust and allows the BR3 to swim. On the other hand the morphing caudal fin provides roll and yaw movements. Motivated by the versatility of the BR3 to mimic all the swimming modes (anguilliform, caranguiform, subcaranguiform and thunniform) a bending-speed controller is proposed. The bending-speed control law incorporates bend angle and frequency information to produce desired swimming mode and swimming speed. Likewise according to the biological fact about the influence of caudal fin shape in the maneuverability during steady swimming an attitude control is proposed. This novel fish robot is the first of its kind to incorporate only SMAs to bend a flexible continuous structure without joints and gears to produce thrust and mimic all the swimming modes as well as the caudal fin to be morphing. This novel mechatronic design is a promising way to design more efficient swimming/morphing underwater vehicles. The novel control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling robots based on SMAs, making them more energy efficient and the incorporation of a morphing caudal fin allows to perform more efficient maneuvers. As a whole, the BR3 project consists of five major stages of development: • Study and analysis of biological fish swimming data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. • Formulation of mathematical models for: i) body kinematics, ii) dynamics, iii) hydrodynamics, iv) free vibration analysis and v) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modelling the e ects of modulating caudal fin and body bend into the production of thrust forces for swimming, rotational forces for maneuvering and energy consumption optimisation. • Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of backbone and body, ii) SMA muscle-like mechanisms for the body and caudal fin, iii) the artificial skin, iv) electronics onboard and v) sensor fusion. It is aimed at developing the fish-like platform (BR3) that allows for testing the methods proposed. • The swimming controller: i) control of SMA-muscles (morphing-caudal fin modulation and attitude regulation) and ii) steady swimming control (bend modulation and speed modulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BR3’s caudal fin and body. • Experiments: it is aimed at quantifying the effects of: i) properly caudal fin modulation into hydrodynamics and rotation production for maneuvering, ii) body bending into thrust generation and iii) skin flexibility into BR3 bending ability. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving swimming and maneuvering efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Waterchannel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the caudal fin and body can considerably affect the dynamics/hydrodynamics of swimming/maneuvering and how to take advantage of bend modulation that the morphing-caudal fin and body enable to properly change caudal fin and body’ geometry during steady swimming and maneuvering.

Design and optimization of optical, fiber based PSK demodulators for high-bit-rate optical networks

El objetivo principal de esta tesis ha sido el diseño y la optimización de receptores implementados con fibra óptica, para ser usados en redes ópticas de alta velocidad que empleen formatos de modulación de fase. En los últimos años, los formatos de modulación de fase (Phase Shift keying, PSK) han captado gran atención debido a la mejora de sus prestaciones respecto a los formatos de modulación convencionales. Principalmente, presentan una mejora de la eficiencia espectral y una mayor tolerancia a la degradación de la señal causada por la dispersión cromática, la dispersión por modo de polarización y los efectos no-lineales en la fibra óptica. En este trabajo, se analizan en detalle los formatos PSK, incluyendo sus variantes de modulación de fase diferencial (Differential Phase Shift Keying, DPSK), en cuadratura (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK) y multiplexación en polarización (Polarization Multiplexing Differential Quadrature Phase Shift Keying, PM-DQPSK), con la finalidad de diseñar y optimizar los receptores que permita su demodulación. Para ello, se han analizado y desarrollado nuevas estructuras que ofrecen una mejora en las prestaciones del receptor y una reducción de coste comparadas con las actualmente disponibles. Para la demodulación de señales DPSK, en esta tesis, se proponen dos nuevos receptores basados en un interferómetro en línea Mach-Zehnder (MZI) implementado con tecnología todo-fibra. El principio de funcionamiento de los MZI todo-fibra propuestos se asienta en la interferencia modal que se produce en una fibra multimodo (MMF) cuando se situada entre dos monomodo (SMF). Este tipo de configuración (monomodo-multimodo-monomodo, SMS) presenta un buen ratio de extinción interferente si la potencia acoplada en la fibra multimodo se reparte, principal y equitativamente, entre dos modos dominantes. Con este objetivo, se han estudiado y demostrado tanto teórica como experimentalmente dos nuevas estructuras SMS que mejoran el ratio de extinción. Una de las propuestas se basa en emplear una fibra multimodo de índice gradual cuyo perfil del índice de refracción presenta un hundimiento en su zona central. La otra consiste en una estructura SMS con las fibras desalineadas y donde la fibra multimodo es una fibra de índice gradual convencional. Para las dos estructuras, mediante el análisis teórico desarrollado, se ha demostrado que el 80 – 90% de la potencia de entrada se acopla a los dos modos dominantes de la fibra multimodo y se consigue una diferencia inferior al 10% entre ellos. También se ha demostrado experimentalmente que se puede obtener un ratio de extinción de al menos 12 dB. Con el objeto de demostrar la capacidad de estas estructuras para ser empleadas como demoduladores de señales DPSK, se han realizado numerosas simulaciones de un sistema de transmisión óptico completo y se ha analizado la calidad del receptor bajo diferentes perspectivas, tales como la sensibilidad, la tolerancia a un filtrado óptico severo o la tolerancia a las dispersiones cromática y por modo de polarización. En todos los casos se ha concluido que los receptores propuestos presentan rendimientos comparables a los obtenidos con receptores convencionales. En esta tesis, también se presenta un diseño alternativo para la implementación de un receptor DQPSK, basado en el uso de una fibra mantenedora de la polarización (PMF). A través del análisi teórico y del desarrollo de simulaciones numéricas, se ha demostrado que el receptor DQPSK propuesto presenta prestaciones similares a los convencionales. Para complementar el trabajo realizado sobre el receptor DQPSK basado en PMF, se ha extendido el estudio de su principio de demodulación con el objeto de demodular señales PM-DQPSK, obteniendo como resultado la propuesta de una nueva estructura de demodulación. El receptor PM-DQPSK propuesto se basa en la estructura conjunta de una única línea de retardo junto con un rotador de polarización. Se ha analizado la calidad de los receptores DQPSK y PM-DQPSK bajo diferentes perspectivas, tales como la sensibilidad, la tolerancia a un filtrado óptico severo, la tolerancia a las dispersiones cromática y por modo de polarización o su comportamiento bajo condiciones no-ideales. En comparación con los receptores convencionales, nuestra propuesta exhibe prestaciones similares y además permite un diseño más simple que redunda en un coste potencialmente menor. En las redes de comunicaciones ópticas actuales se utiliza la tecnología de multimplexación en longitud de onda (WDM) que obliga al uso de filtros ópticos con bandas de paso lo más estrechas posibles y a emplear una serie de dispositivos que incorporan filtros en su arquitectura, tales como los multiplexores, demultiplexores, ROADMs, conmutadores y OXCs. Todos estos dispositivos conectados entre sí son equivalentes a una cadena de filtros cuyo ancho de banda se va haciendo cada vez más estrecho, llegando a distorsionar la forma de onda de las señales. Por esto, además de analizar el impacto del filtrado óptico en las señales de 40 Gbps DQPSK y 100 Gbps PM-DQPSK, este trabajo de tesis se completa estudiando qué tipo de filtro óptico minimiza las degradaciones causadas en la señal y analizando el número máximo de filtros concatenados que permiten mantener la calidad requerida al sistema. Se han estudiado y simulado cuatro tipos de filtros ópticos;Butterworth, Bessel, FBG y F-P. ABSTRACT The objective of this thesis is the design and optimization of optical fiber-based phase shift keying (PSK) demodulators for high-bit-rate optical networks. PSK modulation formats have attracted significant attention in recent years, because of the better performance with respect to conventional modulation formats. Principally, PSK signals can improve spectrum efficiency and tolerate more signal degradation caused by chromatic dispersion, polarization mode dispersion and nonlinearities in the fiber. In this work, many PSK formats were analyzed in detail, including the variants of differential phase modulation (Differential Phase Shift Keying, DPSK), in quadrature (Differential Quadrature Phase Shift Keying, DQPSK) and polarization multiplexing (Polarization Multiplexing Differential Quadrature Phase Shift Keying, PM-DQPSK), in order to design and optimize receivers enabling demodulations. Therefore, novel structures, which offer good receiver performances and a reduction in cost compared to the current structures, have been analyzed and developed. Two novel receivers based on an all-fiber in-line Mach-Zehnder interferometer (MZI) were proposed for DPSK signal demodulation in this thesis. The operating principle of the all-fiber MZI is based on the modal interference that occurs in a multimode fiber (MMF) when it is located between two single-mode fibers (SMFs). This type of configuration (Single-mode-multimode-single-mode, SMS) can provide a good extinction ratio if the incoming power from the SMF could be coupled equally into two dominant modes excited in the MMF. In order to improve the interference extinction ratio, two novel SMS structures have been studied and demonstrated, theoretically and experimentally. One of the two proposed MZIs is based on a graded-index multimode fiber (MMF) with a central dip in the index profile, located between two single-mode fibers (SMFs). The other one is based on a conventional graded-index MMF mismatch spliced between two SMFs. Theoretical analysis has shown that, in these two schemes, 80 – 90% of the incoming power can be coupled into the two dominant modes exited in the MMF, and the power difference between them is only ~10%. Experimental results show that interference extinction ratio of 12 dB could be obtained. In order to demonstrate the capacity of these two structures for use as DPSK signal demodulators, numerical simulations in a completed optical transmission system have been carried out, and the receiver quality has been analyzed under different perspectives, such as sensitivity, tolerance to severe optical filtering or tolerance to chromatic and polarization mode dispersion. In all cases, from the simulation results we can conclude that the two proposed receivers can provide performances comparable to conventional ones. In this thesis, an alternative design for the implementation of a DQPSK receiver, which is based on a polarization maintaining fiber (PMF), was also presented. To complement the work made for the PMF-based DQPSK receiver, the study of the demodulation principle has been extended to demodulate PM-DQPSK signals, resulting in the proposal of a novel demodulation structure. The proposed PM-DQPSK receiver is based on only one delay line and a polarization rotator. The quality of the proposed DQPSK and PM-DQPSK receivers under different perspectives, such as sensitivity, tolerance to severe optical filtering, tolerance to chromatic dispersion and polarization mode dispersion, or behavior under non-ideal conditions. Compared with the conventional receivers, our proposals exhibit similar performances but allow a simpler design which can potentially reduce the cost. The wavelength division multiplexing (WDM) technology used in current optical communications networks requires the use of optical filters with a passband as narrow as possible, and the use of a series of devices that incorporate filters in their architecture, such as multiplexers, demultiplexers, switches, reconfigurable add-drop multiplexers (ROADMs) and optical cross-connects (OXCs). All these devices connected together are equivalent to a chain of filters whose bandwidth becomes increasingly narrow, resulting in distortion to the waveform of the signals. Therefore, in addition to analyzing the impact of optical filtering on signal of 40 Gbps DQPSK and 100 Gbps PM-DQPSK, we study which kind of optical filter minimizes the signal degradation and analyze the maximum number of concatenated filters for maintaining the required quality of the system. Four types of optical filters, including Butterworth, Bessel, FBG and FP, have studied and simulated.

NEMAWASHI: Attaining Value Stream alignment within Complex Organizational Networks

In the process of value creation, organizations perform an intense intra-organizational dialog through which internal VS alignment is achieved towards certain strategic objectives. Within the context of complex organizational networks, were goal conflicts are preprogrammed through incentive structures, VS alignment as legitimation of action towards strategic goals has special interest. On the one hand it facilitates the access to necessary resources for goal achievement and on the other it increases the sustainability and supports commonly agreed upon decisions leading to success. This paper provides a winnerless process (WLP) differential equations model for quantifying intra-organizational value stream (VS) alignment dynamics that can help design sustainable lean management solutions. This paper presents ongoing research results that show how the model was implemented in one industrial facility.