Functional and effective connectivity in MEG. Application to the study of epilepsy

Nuestro cerebro contiene cerca de 1014 sinapsis neuronales. Esta enorme cantidad de conexiones proporciona un entorno ideal donde distintos grupos de neuronas se sincronizan transitoriamente para provocar la aparición de funciones cognitivas, como la percepción, el aprendizaje o el pensamiento. Comprender la organización de esta compleja red cerebral en base a datos neurofisiológicos, representa uno de los desafíos más importantes y emocionantes en el campo de la neurociencia. Se han propuesto recientemente varias medidas para evaluar cómo se comunican las diferentes partes del cerebro a diversas escalas (células individuales, columnas corticales, o áreas cerebrales). Podemos clasificarlos, según su simetría, en dos grupos: por una parte, la medidas simétricas, como la correlación, la coherencia o la sincronización de fase, que evalúan la conectividad funcional (FC); mientras que las medidas asimétricas, como la causalidad de Granger o transferencia de entropía, son capaces de detectar la dirección de la interacción, lo que denominamos conectividad efectiva (EC). En la neurociencia moderna ha aumentado el interés por el estudio de las redes funcionales cerebrales, en gran medida debido a la aparición de estos nuevos algoritmos que permiten analizar la interdependencia entre señales temporales, además de la emergente teoría de redes complejas y la introducción de técnicas novedosas, como la magnetoencefalografía (MEG), para registrar datos neurofisiológicos con gran resolución. Sin embargo, nos hallamos ante un campo novedoso que presenta aun varias cuestiones metodológicas sin resolver, algunas de las cuales trataran de abordarse en esta tesis. En primer lugar, el creciente número de aproximaciones para determinar la existencia de FC/EC entre dos o más señales temporales, junto con la complejidad matemática de las herramientas de análisis, hacen deseable organizarlas todas en un paquete software intuitivo y fácil de usar. Aquí presento HERMES (http://hermes.ctb.upm.es), una toolbox en MatlabR, diseñada precisamente con este fin. Creo que esta herramienta será de gran ayuda para todos aquellos investigadores que trabajen en el campo emergente del análisis de conectividad cerebral y supondrá un gran valor para la comunidad científica. La segunda cuestión practica que se aborda es el estudio de la sensibilidad a las fuentes cerebrales profundas a través de dos tipos de sensores MEG: gradiómetros planares y magnetómetros, esta aproximación además se combina con un enfoque metodológico, utilizando dos índices de sincronización de fase: phase locking value (PLV) y phase lag index (PLI), este ultimo menos sensible a efecto la conducción volumen. Por lo tanto, se compara su comportamiento al estudiar las redes cerebrales, obteniendo que magnetómetros y PLV presentan, respectivamente, redes más densamente conectadas que gradiómetros planares y PLI, por los valores artificiales que crea el problema de la conducción de volumen. Sin embargo, cuando se trata de caracterizar redes epilépticas, el PLV ofrece mejores resultados, debido a la gran dispersión de las redes obtenidas con PLI. El análisis de redes complejas ha proporcionado nuevos conceptos que mejoran caracterización de la interacción de sistemas dinámicos. Se considera que una red está compuesta por nodos, que simbolizan sistemas, cuyas interacciones se representan por enlaces, y su comportamiento y topología puede caracterizarse por un elevado número de medidas. Existe evidencia teórica y empírica de que muchas de ellas están fuertemente correlacionadas entre sí. Por lo tanto, se ha conseguido seleccionar un pequeño grupo que caracteriza eficazmente estas redes, y condensa la información redundante. Para el análisis de redes funcionales, la selección de un umbral adecuado para decidir si un determinado valor de conectividad de la matriz de FC es significativo y debe ser incluido para un análisis posterior, se convierte en un paso crucial. En esta tesis, se han obtenido resultados más precisos al utilizar un test de subrogadas, basado en los datos, para evaluar individualmente cada uno de los enlaces, que al establecer a priori un umbral fijo para la densidad de conexiones. Finalmente, todas estas cuestiones se han aplicado al estudio de la epilepsia, caso práctico en el que se analizan las redes funcionales MEG, en estado de reposo, de dos grupos de pacientes epilépticos (generalizada idiopática y focal frontal) en comparación con sujetos control sanos. La epilepsia es uno de los trastornos neurológicos más comunes, con más de 55 millones de afectados en el mundo. Esta enfermedad se caracteriza por la predisposición a generar ataques epilépticos de actividad neuronal anormal y excesiva o bien síncrona, y por tanto, es el escenario perfecto para este tipo de análisis al tiempo que presenta un gran interés tanto desde el punto de vista clínico como de investigación. Los resultados manifiestan alteraciones especificas en la conectividad y un cambio en la topología de las redes en cerebros epilépticos, desplazando la importancia del ‘foco’ a la ‘red’, enfoque que va adquiriendo relevancia en las investigaciones recientes sobre epilepsia. ABSTRACT There are about 1014 neuronal synapses in the human brain. This huge number of connections provides the substrate for neuronal ensembles to become transiently synchronized, producing the emergence of cognitive functions such as perception, learning or thinking. Understanding the complex brain network organization on the basis of neuroimaging data represents one of the most important and exciting challenges for systems neuroscience. Several measures have been recently proposed to evaluate at various scales (single cells, cortical columns, or brain areas) how the different parts of the brain communicate. We can classify them, according to their symmetry, into two groups: symmetric measures, such as correlation, coherence or phase synchronization indexes, evaluate functional connectivity (FC); and on the other hand, the asymmetric ones, such as Granger causality or transfer entropy, are able to detect effective connectivity (EC) revealing the direction of the interaction. In modern neurosciences, the interest in functional brain networks has increased strongly with the onset of new algorithms to study interdependence between time series, the advent of modern complex network theory and the introduction of powerful techniques to record neurophysiological data, such as magnetoencephalography (MEG). However, when analyzing neurophysiological data with this approach several questions arise. In this thesis, I intend to tackle some of the practical open problems in the field. First of all, the increase in the number of time series analysis algorithms to study brain FC/EC, along with their mathematical complexity, creates the necessity of arranging them into a single, unified toolbox that allow neuroscientists, neurophysiologists and researchers from related fields to easily access and make use of them. I developed such a toolbox for this aim, it is named HERMES (http://hermes.ctb.upm.es), and encompasses several of the most common indexes for the assessment of FC and EC running for MatlabR environment. I believe that this toolbox will be very helpful to all the researchers working in the emerging field of brain connectivity analysis and will entail a great value for the scientific community. The second important practical issue tackled in this thesis is the evaluation of the sensitivity to deep brain sources of two different MEG sensors: planar gradiometers and magnetometers, in combination with the related methodological approach, using two phase synchronization indexes: phase locking value (PLV) y phase lag index (PLI), the latter one being less sensitive to volume conduction effect. Thus, I compared their performance when studying brain networks, obtaining that magnetometer sensors and PLV presented higher artificial values as compared with planar gradiometers and PLI respectively. However, when it came to characterize epileptic networks it was the PLV which gives better results, as PLI FC networks where very sparse. Complex network analysis has provided new concepts which improved characterization of interacting dynamical systems. With this background, networks could be considered composed of nodes, symbolizing systems, whose interactions with each other are represented by edges. A growing number of network measures is been applied in network analysis. However, there is theoretical and empirical evidence that many of these indexes are strongly correlated with each other. Therefore, in this thesis I reduced them to a small set, which could more efficiently characterize networks. Within this framework, selecting an appropriate threshold to decide whether a certain connectivity value of the FC matrix is significant and should be included in the network analysis becomes a crucial step, in this thesis, I used the surrogate data tests to make an individual data-driven evaluation of each of the edges significance and confirmed more accurate results than when just setting to a fixed value the density of connections. All these methodologies were applied to the study of epilepsy, analysing resting state MEG functional networks, in two groups of epileptic patients (generalized and focal epilepsy) that were compared to matching control subjects. Epilepsy is one of the most common neurological disorders, with more than 55 million people affected worldwide, characterized by its predisposition to generate epileptic seizures of abnormal excessive or synchronous neuronal activity, and thus, this scenario and analysis, present a great interest from both the clinical and the research perspective. Results revealed specific disruptions in connectivity and network topology and evidenced that networks’ topology is changed in epileptic brains, supporting the shift from ‘focus’ to ‘networks’ which is gaining importance in modern epilepsy research.

Estudio de la ecología de Ulmus laevis Pallas en la Península Ibérica

Esta tesis doctoral pretende profundizar en el conocimiento de la ecología de Ulmus laevis Pallas, especie autóctona en peligro de extinción en la Península Ibérica, con el fin de proponer medidas adecuadas para su conservación. Se ha estudiado la distribución natural de la especie atendiendo a aspectos edáficos. Los resultados muestran que U. laevis presenta menor capacidad de acidificación de la rizosfera, menor actividad de la reductasa férrica y menor homeostasis que U. minor Mill. cuando crecen en sustratos con una disponibilidad de hierro limitada. Estas diferencias ayudan a comprender la distribución de ambas especies en la Península Ibérica: U. laevis se ve restringido a suelos ácidos o moderadamente ácidos, mientras que U. minor es capaz de habitar tanto suelos ácidos como básicos. Se han analizado las propiedades hidráulicas y anatómicas de U. laevis, constatando que sus características son favorables en ambientes con gran disponibilidad hídrica y que se trata del olmo ibérico más vulnerable a la cavitación por estrés hídrico, por lo que la aridificación del clima y la pérdida de los freáticos supone un riesgo para sus poblaciones. Para evaluar la capacidad de recuperación de la especie se han estudiado la diversidad y estructura genética espacial de las dos mayores poblaciones españolas. Los resultados evidencian que estas poblaciones mantienen niveles de diversidad equiparables o ligeramente superiores a los europeos, pese a haber sufrido un cuello de botella prolongado durante las glaciaciones y a las reducciones poblacionales recientes. En la actualidad la endogamia no representa un riesgo para estas poblaciones. También se ha analizado la producción, dispersión y predación de semillas en Valdelatas (Madrid). Los resultados han mostrado que el viento dispersa las sámaras a corta distancia (<30 m) y que los años no veceros las probabilidades de establecimiento de regenerado son bajas. Además, la producción de sámaras vanas puede tratarse de un carácter adaptativo que aumenta la eficiencia biológica de la especie, ya que favorece la supervivencia de las semillas embrionadas disminuyendo sus tasas de predación pre- y post-dispersión. La modificación del hábitat de esta especie como consecuencia de las actividades humanas afecta de manera negativa al establecimiento del regenerado. La conservación de esta especie a largo plazo requiere la recuperación de los niveles freáticos y de regímenes hidrológicos que permitan avenidas, ya que estas crean las condiciones adecuadas para el establecimiento de regenerado al eliminar la vegetación preexistente y depositar barro. ABSTRACT Ulmus laevis Pallas is an endangered species in the Iberian Peninsula. Therefore, in order to be able to propose adequate management guidelines for its conservation, this PhD Thesis intends to advance the knowledge on the species ecology in the region. Firstly, the species natural distribution was studied in relation to soil nature. Results show that U. minor Mill. had a higher root ferric reductase activity and proton extrusion capability than U. laevis, and maintained a better nutrient homeostasis when grown under iron limiting conditions. These differences in root Fe acquisition efficiencies proved helpful to understand the distribution of these species in the Iberian Peninsula, where U. laevis is restricted to acid or moderately acid soils, whereas U. minor can grow both in acid and basic soils. Secondly, we studied Ulmus laevis’ xylem anatomy and hydraulic traits. These proved favourable for growing under high water availability, but highly susceptible to drought-stress cavitation. Therefore, this species is vulnerable to the Iberian Peninsula’s aridification. Spatial genetic structure and diversity were evaluated in two of the biggest U. laevis populations in Spain in order to evaluate their recovery capabilities. These populations maintain similar or slightly higher diversity levels than European populations, despite having undergone an ancestral genetic bottleneck and having suffered recent population size reductions. No inbreeding problems have been detected in these populations. Seed production, dispersal and predation were assessed in Valdelatas’ elm grove (Madrid). Despite U. laevis samaras being winged nuts, wind dispersed them short distances from the mother tree (<30 m). The seed shadow models show that non-mast years provide very few chances for the stand to regenerate due to their low full seed flux. Empty samaras deceive pre- and post-dispersal predators increasing full seed survival probabilities. Therefore, empty fruit production might be an adaptive trait that increases plant fitness. Finally, human-induced changes in water-table levels and river regulation may affect U. laevis seed dispersal and regeneration establishment negatively. The long-term conservation and expansion of this species in the Iberian Peninsula requires the recovery of water-tables and of natural hydrological regimes, as flooding eliminates vegetation, creating open microhabitats and deposits mud, creating the ideal conditions for seedling establishment.

Aplicación de la espectroscopia de reflectancia difusa (TRR) láser a la medida de parámetros de calidad en frutas.

La espectroscopia de reflectancia difusa (TRR o TDRS), técnica no destructiva ampliamente usada en aplicaciones biomédicas, se aplica por primera vez en este trabajo a la detección de propiedades ópticas relacionadas con parámetros de calidad en frutas. Mediante el uso de tecnologías de conteo de fotones y sistemas de iluminación láser, se ha desarrollado un procedimiento para registrar a la vez la cantidad de luz absorbida y la magnitud de dispersión de los fotones por el tejido atravesado. Los resultados previos indican adecuada sensibilidad del sistema a cambios en la fruta de firmeza, compuestos químicos y color, lo que sugiere un amplio potencial de desarrollo de sensores para la industria agroalimentaria.

Cálculo de las características de transmisión de una fibra de índice gradual mediante el empleo de su matriz ABCD

Se desarrolla, en el presente trabajo, un nuevo método para el cálculo de la dispersión temporal de la radiación óptica que se propaga a través de una fibra de Índice gradual mediante el empleo de la matriz ABCD de dicha fibra. Este método de una mayor simplicidad que los usados habitualmente, proporciona análogos resultados a los ya presentados en la literatura del tema con la ventaja de su mayor facilidad de cálculo.

Fibras ópticas: interacción dispersion-chirp en sistemas ópticos modulados directamente

En los sistemas de comunicación por fibra óptica, la configuración usualmente empleada para velocidades de transmisión no superiores a 10 Gb/s es la modulación directa del láser (DML). Esta configuración presenta diversas ventajas frente a la modulación externa, como son un bajo coste, simplicidad de diseño, tamaño reducido y una elevada potencia de emisión. Sin embargo, el desplazamiento de la frecuencia nominal del láser (chirp) asociado al DML es un grave inconveniente al que deben enfrentarse los sistemas que trabajan con este modelo de transmisor. En este trabajo se propone un método para la optimización de los sistemas modulados directamente. Este método determina bajo qué condiciones se consigue contrarrestar la dispersión acumulada en el enlace ajustando adecuadamente el chirp del láser y los fenómenos no lineales que se generan en la fibra óptica.

Clasificación de frutos por su calidad interna mediante espectroscopia láser de reflectancia con resolución temporal (TDRS).

La determinación no destructiva de la calidad interna de la fruta ha sido un objetivo prioritario en las investigaciones recientes (Abbott, 1999). La espectroscopia en el infrarrojo (NIR) es aplicable a la cuantificación de compuestos químicos en alimentos; por otro lado se ha comprobado que el uso de láseres es interesante para la estimación no destructiva de la firmeza de los frutos. Sin embargo estas técnicas ópticas más tradicionales tienen el inconveniente de que miden la intensidad de luz transmitida sin poder diferenciar el efecto de la absorción óptica del efecto de la dispersión espacial que sufre la luz en el interior de los tejidos, lo cual dificulta la estimación independiente de aspectos físicos y químicos. La espectroscopia con resolución temporal es una técnica óptica desarrollada para el diagnóstico en medicina, que permite diferenciar ambos fenómenos (absorción y dispersión), proporcionando una caracterización óptica completa de los tejidos. El objetivo del presente trabajo ha sido la aplicación de esta técnica a frutas y hortalizas, y el desarrollo de modelos matemáticos de estimación no destructiva de su calidad interna para su uso en procesos de clasificación.

Comunicaciones Ópticas de Banda Ancha con Fase Modulada: "Estudio de la Degradación de la Señal Óptica"

En el presente proyecto final de carrera se lleva a cabo un estudio de los sistemas de comunicaciones ópticas de 100 Gb/s. En la primera parte del proyecto se repasan las principales técnicas de modulación y de recepción de la portadora óptica, se presentan los diferentes formatos avanzados de modulación digital empleados para transmisiones de banda ancha y se discute por qué las modulaciones QPSK y DQPSK ofrecen mejores prestaciones que el resto a 100 Gb/s. La segunda parte compone el grueso del proyecto. Se centra en el estudio y la optimización de los sistemas ópticos de 100 Gb/s que hacen uso de los formatos de fase en cuadratura anteriores. De dicho análisis se pretende conocer cómo se degradan este tipo de señales a medida que se propagan por la fibra a estas velocidades. Intentaremos descubrir además cómo controlar ciertos parámetros de diseño como el ciclo de trabajo de la portadora óptica, el mapa de dispersión del enlace, la potencia inyectada a la fibra, la longitud de los vanos de amplificación …, para conseguir reducir la penalización sufrida por las limitaciones anteriores. La detección óptica coherente, la multiplexación en polarización, fibras de gran área efectiva y elevado coeficiente de dispersión cromática, unidas al uso de los formatos de fase en cuadratura, componen la mejor solución tecnológica para conseguir hacer realidad las transmisiones ópticas a 100 Gb/s de larga y ultra-larga distancia. Con el objetivo de completar el estudio teórico anterior, se diseñará una red óptica de banda ancha sobre la que se aplicarán las técnicas de diseño desarrolladas a lo largo del proyecto.

Arquitecturas desplazadas. Rafael Bergamín y las arquitecturas del exilio español en Venezuela

El siglo XX ha sido el siglo de los desplazamientos. Una ingente cantidad de personas fueron forzadas por motivos políticos, o se vieron obligadas por motivos económicos, a abandonar sus territorios de origen, generando un distanciamiento que en la mayoría de los casos resultaría irrecuperable. Las penurias vividas en Europa, las oportunidades que se abrían en países americanos, o la presión ejercida por los regímenes totalitarios, llevaron a un buen número de profesionales, artistas e intelectuales europeos a territorio americano. El presente trabajo se propone indagar sobre una de esas migraciones que se establecieron en Latinoamérica en la primera mitad del siglo XX: la de los arquitectos españoles que se vieron forzados al exilio. Para ello se busca poner en evidencia no sólo sus aportaciones sino también la influencia que ejerció en su obra la cultura de los países de adopción. Venezuela recibió gran parte del contingente de arquitectos españoles desplazados como consecuencia de la Guerra Civil. Tras México fue el país que mayor número acogió. La llegada de dichos exiliados coincidió con el momento en que la sociedad venezolana, de base agrícola y comercial, pasaría a evidenciar el impacto de la revolución petrolera. Así pues, dicha llegada supuso no sólo la dramática pérdida del mundo previo, implícita en todo exilio, sino el arribo a una sociedad en profundo proceso de cambio. En ambos casos se trataba de “mundos que se desvanecen”. Se propone la asunción de la obra de dichos profesionales como una arquitectura desplazada. Un desplazamiento que se produce en dos sentidos: por un lado, se trata de un desplazamiento físico, por otro, la palabra desplazada habla también de la condición secundaria que adquiere la arquitectura ante el drama vital y de supervivencia que afectó a los exiliados. Así pues, a un desplazamiento físico, verificable, se une un desplazamiento en cuanto al nivel de importancia y de atención asignado a la arquitectura. El trabajo comprende una introducción, cuatro capítulos, y un epílogo, a modo de conclusión. A lo largo de dichos capítulos se conjugan el enfoque individual en la obra de uno de estos arquitectos desterrados, Rafael Bergamín, y la visión “coral” de diversas trayectorias vitales que enfrentaron un destino común. Se elige la figura de Bergamín como eje de desarrollo debido a la presencia significativa que tuvo su obra tanto en España como en Venezuela, y por la caracterización de la misma como obra construida en colaboración. La introducción, “Exilios arquitectónicos”, muestra el sustrato estructural, la fundamentación y la metodología empleada, incluyendo “problematizaciones” sobre el exilio arquitectónico. El primer capítulo, “Memoria de partida”, da cuenta de la formación y actuación, durante la preguerra, de los arquitectos españoles que saldrían al exilio. Se introduce un esquema de base generacional y se revela un panorama para nada unívoco. El segundo capítulo, “Guerra y salida al exilio”, aborda la actuación de dichos arquitectos durante la contienda bélica así como la posterior dispersión general del exilio. El tercer capítulo, “Construir desde lo que se desvanece. Arquitectos del exilio español en Venezuela”, propone diversos presupuestos conceptuales en torno al tema del desplazamiento en la arquitectura, revisando la adscripción disciplinar y profesional de los arquitectos españoles exiliados en Venezuela. El cuarto capítulo, “El regreso”, versa sobre el recorrido final de estos arquitectos. Como marco general, se revisa su itinerario de regreso o, en muchos casos, la imposibilidad de retorno. Por último, se dispone la fuente de los diversos documentos de archivos y repositorios, así como el aparato bibliográfico y referencial, empleados en la investigación. Tres anexos se adjuntan al corpus del trabajo. El primero presenta documentos inéditos, hallados durante el pertinente proceso de investigación; el segundo, dibujos de Bergamín, básicamente de las primeras décadas del siglo XX: caricaturas, anuncios y trabajos de la Escuela; el tercero, un esbozo biográfico de los arquitectos del exilio español. ABSTRACT The 20th Century has been the century of displacements. An enormous number of people were forced to leave their homelands for political or economic reasons, which generated a gap that in most of the cases would be unrecoverable. The hardships that people had to endure in Europe, the opportunities that emerged in American countries, or the pressure exerted by totalitarian regimes drove a good number of European professionals, artists and intellectuals to American territory. This research study is intended to investigate one of those migrations that settled in Latin America during the first half of the 20th century: the one of the Spanish architects that were forced into exile. To achieve this, an attempt was made to expose not only their contributions but also the influence that the culture of the countries which welcomed them exerted in their work. Venezuela received a large portion of Spanish architects who were displaced as a consequence of the Civil War. After Mexico, it was the country that sheltered the greatest number of persons. The arrival of these exiled Spanish architects coincided with the moment in which the Venezuelan society – based on agriculture and commerce – would witness the impact of the revolution of the oil industry. Thus, their arrival supposed not only experiencing the dramatic loss of their previous world – implicit in the notion of the exile – but also settling in a society going through a profound change process. In both cases it was about “two worlds that were vanishing.” The assumption of these architects’ work is regarded as a displaced architecture. A displacement that takes place in two ways: on one hand, there was a physical displacement, and on the other hand, the word displaced also talks about the second place that architecture is given when confronted with the urgent drama of survival that affected the exiled community. Hence, a physical, verifiable displacement is combined with a displacement that has to do with the importance and the attention given to architecture. This research study encompasses an introduction, four chapters, and an epilogue as a conclusion. Throughout the chapters, the individual approach to the work of one of these exiled architects, Rafael Bergamín, runs in parallel to an overall view of various other architects’ career paths that faced a common destiny. The work of the architect Bergamín was chosen as the center of this research study due to the significant presence that his work had in Spain as well as in Venezuela, and because its main characteristic was that it was built in collaboration with other architects. The introduction, “Architectural exiles”, shows the structural contextualization, the explanatory thesis statement and the methodology used, including “problematizations” about the architectural exile. The first chapter, “Memory of departure”, contains the academic background and performance during the pre-war time of the Spanish architects that would go into exile. An outline based on different generations and revealing an unambiguous perspective is introduced. The second chapter, “War and departure into exile”, tackles the performance of the Spanish architects during the war, as well as the following general diaspora into exile. The third chapter, “Building from what vanishes. Architects of the Spanish exile in Venezuela”, proposes various conceptual assumptions concerning the topic of displacement in architecture according to the doctrine and professional affiliations of the Spanish architects exiled in Venezuela. The fourth chapter, “The return”, deals with the end of these architects’ careers. As a general framework, their itineraries to return, or in many cases, the impossibility of returning, are reviewed. Finally, the sources to the various documents of files and repositories, as well as the bibliographical references consulted for the research, are provided. Three annexes have been attached to this research study. The first annex contains unpublished documents found during the research process; the second includes Bergamín’s drawings, basically from the first decades of the 20th century, such as, caricatures, advertisements and assignments done when he was a university student; and the third annex presents a biographical outline of the architects of the Spanish exile.

Advances in global instability computations: from incompressible to hypersonic flow

Esta tesis constituye un gran avance en el conocimiento del estudio y análisis de inestabilidades hidrodinámicas desde un punto de vista físico y teórico, como consecuencia de haber desarrollado innovadoras técnicas para la resolución computacional eficiente y precisa de la parte principal del espectro correspondiente a los problemas de autovalores (EVP) multidimensionales que gobiernan la inestabilidad de flujos con dos o tres direcciones espaciales inhomogéneas, denominados problemas de estabilidad global lineal. En el contexto del trabajo de desarrollo de herramientas computacionales presentado en la tesis, la discretización mediante métodos de diferencias finitas estables de alto orden de los EVP bidimensionales y tridimensionales que se derivan de las ecuaciones de Navier-Stokes linealizadas sobre flujos con dos o tres direcciones espaciales inhomogéneas, ha permitido una aceleración de cuatro órdenes de magnitud en su resolución. Esta mejora de eficiencia numérica se ha conseguido gracias al hecho de que usando estos esquemas de diferencias finitas, técnicas eficientes de resolución de problemas lineales son utilizables, explotando el alto nivel de dispersión o alto número de elementos nulos en las matrices involucradas en los problemas tratados. Como más notable consecuencia cabe destacar que la resolución de EVPs multidimensionales de inestabilidad global, que hasta la fecha necesitaban de superordenadores, se ha podido realizar en ordenadores de sobremesa. Además de la solución de problemas de estabilidad global lineal, el mencionado desarrollo numérico facilitó la extensión de las ecuaciones de estabilidad parabolizadas (PSE) lineales y no lineales para analizar la inestabilidad de flujos que dependen fuertemente en dos direcciones espaciales y suavemente en la tercera con las ecuaciones de estabilidad parabolizadas tridimensionales (PSE-3D). Precisamente la capacidad de extensión del novedoso algoritmo PSE-3D para el estudio de interacciones no lineales de los modos de estabilidad, desarrollado íntegramente en esta tesis, permite la predicción de transición en flujos complejos de gran interés industrial y por lo tanto extiende el concepto clásico de PSE, el cuál ha sido empleado exitosamente durante las pasadas tres décadas en el mismo contexto para problemas de capa límite bidimensional. Típicos ejemplos de flujos incompresibles se han analizado en este trabajo sin la necesidad de recurrir a restrictivas presuposiciones usadas en el pasado. Se han estudiado problemas vorticales como es el caso de un vórtice aislado o sistemas de vórtices simulando la estela de alas, en los que la homogeneidad axial no se impone y así se puede considerar la difusión viscosa del flujo. Además, se ha estudiado el chorro giratorio turbulento, cuya inestabilidad se utiliza para mejorar las características de funcionamiento de combustores. En la tesis se abarcan adicionalmente problemas de flujos compresibles. Se presenta el estudio de inestabilidad de flujos de borde de ataque a diferentes velocidades de vuelo. También se analiza la estela formada por un elemento rugoso aislado en capa límite supersónica e hipersónica, mostrando excelentes comparaciones con resultados obtenidos mediante simulación numérica directa. Finalmente, nuevas inestabilidades se han identificado en el flujo hipersónico a Mach 7 alrededor de un cono elíptico que modela el vehículo de pruebas en vuelo HIFiRE-5. Los resultados comparan favorablemente con experimentos en vuelo, lo que subraya aún más el potencial de las metodologías de análisis de estabilidad desarrolladas en esta tesis. ABSTRACT The present thesis constitutes a step forward in advancing the frontiers of knowledge of fluid flow instability from a physical point of view, as a consequence of having been successful in developing groundbreaking methodologies for the efficient and accurate computation of the leading part of the spectrum pertinent to multi-dimensional eigenvalue problems (EVP) governing instability of flows with two or three inhomogeneous spatial directions. In the context of the numerical work presented in this thesis, the discretization of the spatial operator resulting from linearization of the Navier-Stokes equations around flows with two or three inhomogeneous spatial directions by variable-high-order stable finite-difference methods has permitted a speedup of four orders of magnitude in the solution of the corresponding two- and three-dimensional EVPs. This improvement of numerical performance has been achieved thanks to the high-sparsity level offered by the high-order finite-difference schemes employed for the discretization of the operators. This permitted use of efficient sparse linear algebra techniques without sacrificing accuracy and, consequently, solutions being obtained on typical workstations, as opposed to the previously employed supercomputers. Besides solution of the two- and three-dimensional EVPs of global linear instability, this development paved the way for the extension of the (linear and nonlinear) Parabolized Stability Equations (PSE) to analyze instability of flows which depend in a strongly-coupled inhomogeneous manner on two spatial directions and weakly on the third. Precisely the extensibility of the novel PSE-3D algorithm developed in the framework of the present thesis to study nonlinear flow instability permits transition prediction in flows of industrial interest, thus extending the classic PSE concept which has been successfully employed in the same context to boundary-layer type of flows over the last three decades. Typical examples of incompressible flows, the instability of which was analyzed in the present thesis without the need to resort to the restrictive assumptions used in the past, range from isolated vortices, and systems thereof, in which axial homogeneity is relaxed to consider viscous diffusion, as well as turbulent swirling jets, the instability of which is exploited in order to improve flame-holding properties of combustors. The instability of compressible subsonic and supersonic leading edge flows has been solved, and the wake of an isolated roughness element in a supersonic and hypersonic boundary-layer has also been analyzed with respect to its instability: excellent agreement with direct numerical simulation results has been obtained in all cases. Finally, instability analysis of Mach number 7 ow around an elliptic cone modeling the HIFiRE-5 flight test vehicle has unraveled flow instabilities near the minor-axis centerline, results comparing favorably with flight test predictions.

Aplicación de la imagen hiperespectral para la detección de contaminación microbiana en espinaca fresca envasada.

La seguridad alimentaria de hortalizas de hoja puede verse comprometida por contaminaciones microbianas, lo que ha motivado la promoción mundial de normas de seguridad en la producción, el manejo poscosecha y el procesado. Sin embargo, en los últimos años las hortalizas han estado implicadas en brotes de Escherichia coli, Salmonella spp y Listeria monocytogenes, lo que obliga a plantear investigaciones que posibiliten la detección de contaminación por microorganismos con técnicas rápidas, no destructivas y precisas. La imagen hiperespectral integra espectroscopia e imagen para proporcionar información espectral y espacial de la distribución de los componentes químicos de una muestra. Los objetivos de este estudio fueron optimizar un sistema de visión hiperespectral y establecer los procedimientos de análisis multivariante de imágenes para la detección temprana de contaminación microbiana en espinacas envasadas (Spinacia oleracea). Las muestras de espinacas fueron adquiridas en un mercado local. Se sometieron a la inoculación mediante la inmersión en suspensiones con poblaciones iniciales de 5 ó 7 unidades logarítmicas de ufc de una cepa no patógena de Listeria innocua. Después de 15 minutos de inoculación por inmersión, las hojas fueron envasadas asépticamente. Se consideró un tratamiento Control-1 no inoculado, sumergiendo las espinacas en una solución tampón (agua de peptona) en lugar de en solución inoculante, y un tratamiento Control-2 en el que las hojas no se sometieron a ninguna inmersión. Las muestras se almacenaron a 8ºC y las mediciones se realizaron 0, 1, 3, 6 y 9 días después de inocular. Cada día se determinaron los recuentos microbianos y se adquirieron las imágenes con una cámara VIS-NIR (400-1000 nm). Sobre los gráficos de dispersión de los scores de PC1 y PC2 (análisis de componentes principales computados sobre las imágenes hiperespectrales considerando el rango de 500-940 nm) se reconocieron diferentes patrones que se identificaron con niveles de degradación; así se seleccionaron píxeles que conformaron las clases de no degradados, semi-degradados y degradados. Se consideraron los espectros promedio de cada clase para asignar los píxeles anónimos a una de las tres clases. Se calculó la distancia SAM (Spectral Angle Mapper) entre el espectro promedio de cada categoría y cada espectro anónimo de las imágenes. Cada píxel se asignó a la clase a la que se calcula la distancia mínima. En general, las imágenes con los porcentajes más altos de píxeles levemente degradados y degradados correspondieron a contenidos microbiológicos superiores a 5 unidades logarítmicas de ufc.

Comunicaciones Ópticas de Banda Ancha con Fase Modulada: "Estudio de la Degradación de la Señal Óptica"

En el presente proyecto final de carrera se lleva a cabo un estudio de los sistemas de comunicaciones ópticas de 100 Gb/s. En la primera parte del proyecto se repasan las principales técnicas de modulación y de recepción de la portadora óptica, se presentan los diferentes formatos avanzados de modulación digital empleados para transmisiones de banda ancha y se discute por qué las modulaciones QPSK y DQPSK ofrecen mejores prestaciones que el resto a 100 Gb/s. La segunda parte compone el grueso del proyecto. Se centra en el estudio y la optimización de los sistemas ópticos de 100 Gb/s que hacen uso de los formatos de fase en cuadratura anteriores. De dicho análisis se pretende conocer cómo se degradan este tipo de señales a medida que se propagan por la fibra a estas velocidades. Intentaremos descubrir además cómo controlar ciertos parámetros de diseño como el ciclo de trabajo de la portadora óptica, el mapa de dispersión del enlace, la potencia inyectada a la fibra, la longitud de los vanos de amplificación …, para conseguir reducir la penalización sufrida por las limitaciones anteriores. La detección óptica coherente, la multiplexación en polarización, fibras de gran área efectiva y elevado coeficiente de dispersión cromática, unidas al uso de los formatos de fase en cuadratura, componen la mejor solución tecnológica para conseguir hacer realidad las transmisiones ópticas a 100 Gb/s de larga y ultra-larga distancia. Con el objetivo de completar el estudio teórico anterior, se diseñará una red óptica de banda ancha sobre la que se aplicarán las técnicas de diseño desarrolladas a lo largo del proyecto.

Simulación numérica de un problema de contaminación atmosférica

La ecuación en derivadas parciales de advección difusión con reacción química es la base de los modelos de dispersión de contaminantes en la atmósfera, y los diferentes métodos numéricos empleados para su resolución han sido objeto de amplios estudios a lo largo de su desarrollo. En esta Tesis se presenta la implementación de un nuevo método conservativo para la resolución de la parte advectiva de la ecuación en derivadas parciales que modela la dispersión de contaminantes dentro del modelo mesoescalar de transporte químico CHIMERE. Este método está basado en una técnica de volúmenes finitos junto con una interpolación racional. La ventaja de este método es la conservación exacta de la masa transportada debido al empleo de la ley de conservación de masas. Para ello emplea una formulación de flujo basado en el cálculo de la integral ponderada dentro de cada celda definida para la discretización del espacio en el método de volúmenes finitos. Los resultados numéricos obtenidos en las simulaciones realizadas (implementando el modelo conservativo para la advección en el modelo CHIMERE) se han comparado con los datos observados de concentración de contaminantes registrados en la red de estaciones de seguimiento y medición distribuidas por la Península Ibérica. Los datos estadísticos de medición del error, la media normalizada y la media absoluta normalizada del error, presentan valores que están dentro de los rangos propuestos por la EPA para considerar el modelo preciso. Además, se introduce un nuevo método para resolver la parte advectivadifusiva de la ecuación en derivadas parciales que modeliza la dispersión de contaminantes en la atmósfera. Se ha empleado un método de diferencias finitas de alto orden para resolver la parte difusiva de la ecuación de transporte de contaminantes junto con el método racional conservativo para la parte advectiva en una y dos dimensiones. Los resultados obtenidos de la aplicación del método a diferentes situaciones incluyendo casos académicos y reales han sido comparados con la solución analítica de la ecuación de advección-difusión, demostrando que el nuevo método proporciona un resultado preciso para aproximar la solución. Por último, se ha desarrollado un modelo completo que contempla los fenómenos advectivo y difusivo con reacción química, usando los métodos anteriores junto con una técnica de diferenciación regresiva (BDF2). Esta técnica consiste en un método implícito multipaso de diferenciación regresiva de segundo orden, que nos permite resolver los problemas rígidos típicos de la química atmosférica, modelizados a través de sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias. Este método hace uso de la técnica iterativa Gauss- Seidel para obtener la solución de la parte implícita de la fórmula BDF2. El empleo de la técnica de Gauss-Seidel en lugar de otras técnicas comúnmente empleadas, como la iteración por el método de Newton, nos proporciona rapidez de cálculo y bajo consumo de memoria, ideal para obtener modelos operativos para la resolución de la cinética química atmosférica. ABSTRACT Extensive research has been performed to solve the atmospheric chemicaladvection- diffusion equation and different numerical methods have been proposed. This Thesis presents the implementation of an exactly conservative method for the advection equation in the European scale Eulerian chemistry transport model CHIMERE based on a rational interpolation and a finite volume algorithm. The advantage of the method is that the cell-integrated average is predicted via a flux formulation, thus the mass is exactly conserved. Numerical results are compared with a set of observation registered at some monitoring sites in Spain. The mean normalized bias and the mean normalized absolute error present values that are inside the range to consider an accurate model performance. In addition, it has been introduced a new method to solve the advectiondiffusion equation. It is based on a high-order accurate finite difference method to solve de diffusion equation together with a rational interpolation and a finite volume to solve the advection equation in one dimension and two dimensions. Numerical results obtained from solving several problems include academic and real atmospheric problems have been compared with the analytical solution of the advection-diffusion equation, showing that the new method give an efficient algorithm for solving such problems. Finally, a complete model has been developed to solve the atmospheric chemical-advection-diffusion equation, adding the conservative method for the advection equation, the high-order finite difference method for the diffusion equation and a second-order backward differentiation formula (BDF2) to solve the atmospheric chemical kinetics. The BDF2 is an implicit, second order multistep backward differentiation formula used to solve the stiff systems of ordinary differential equations (ODEs) from atmospheric chemistry. The Gauss-Seidel iteration is used for approximately solving the implicitly defined BDF solution, giving a faster tool than the more commonly used iterative modified Newton technique. This method implies low start-up costs and a low memory demand due to the use of Gauss-Seidel iteration.

Movimiento de paredes de dominio magnético en nanohilos con defectos controlados

La investigación realizada en este trabajo de tesis se ha centrado en el estudio de la generación, anclaje y desenganche de paredes de dominio magnético en nanohilos de permalloy con defectos controlados. Las últimas tecnologías de nanofabricación han abierto importantes líneas de investigación centradas en el estudio del movimiento de paredes de dominio magnético, gracias a su potencial aplicación en memorias magnéticas del futuro. En el 2004, Stuart Parkin de IBM introdujo un concepto innovador, el dispositivo “Racetrack”, basado en un nanohilo ferromagnético donde los dominios de imanación representan los "bits" de información. La frontera entre dominios, ie pared magnética, se moverían en una situación ideal por medio de transferencia de espín de una corriente polarizada. Se anclan en determinadas posiciones gracias a pequeños defectos o constricciones de tamaño nanométrico fabricados por litografía electrónica. El éxito de esta idea se basa en la generación, anclaje y desenganche de las paredes de dominio de forma controlada y repetitiva, tanto para la lectura como para la escritura de los bits de información. Slonczewski en 1994 muestra que la corriente polarizada de espín puede transferir momento magnético a la imanación local y así mover paredes por transferencia de espín y no por el campo creado por la corriente. Desde entonces muchos grupos de investigación de todo el mundo trabajan en optimizar las condiciones de transferencia de espín para mover paredes de dominio. La fracción de electrones polarizados que viaja en un hilo ferromagnético es considerablemente pequeña, así hoy por hoy la corriente necesaria para mover una pared magnética por transferencia de espín es superior a 1 107 A/cm2. Una densidad de corriente tan elevada no sólo tiene como consecuencia una importante degradación del dispositivo sino también se observan importantes efectos relacionados con el calentamiento por efecto Joule inducido por la corriente. Otro de los problemas científico - tecnológicos a resolver es la diversidad de paredes de dominio magnético ancladas en el defecto. Los diferentes tipos de pared anclados en el defecto, su quiralidad o el campo o corriente necesarios para desenganchar la pared pueden variar dependiendo si el defecto posee dimensiones ligeramente diferentes o si la pared se ancla con un método distinto. Además, existe una componente estocástica presente tanto en la nucleación como en el proceso de anclaje y desenganche que por un lado puede ser debido a la naturaleza de la pared que viaja por el hilo a una determinada temperatura distinta de cero, así como a defectos inevitables en el proceso de fabricación. Esto constituye un gran inconveniente dado que según el tipo de pared es necesario aplicar distintos valores de corriente y/o campo para desenganchar la pared del defecto. Como se menciona anteriormente, para realizar de forma eficaz la lectura y escritura de los bits de información, es necesaria la inyección, anclaje y desenganche forma controlada y repetitiva. Esto implica generar, anclar y desenganchar las paredes de dominio siempre en las mismas condiciones, ie siempre a la misma corriente o campo aplicado. Por ello, en el primer capítulo de resultados de esta tesis estudiamos el anclaje y desenganche de paredes de dominio en defectos de seis formas distintas, cada uno, de dos profundidades diferentes. Hemos realizado un análisis estadístico en diferentes hilos, donde hemos estudiado la probabilidad de anclaje cada tipo de defecto y la dispersión en el valor de campo magnético aplicado necesario para desenganchar la pared. Luego, continuamos con el estudio de la nucleación de las paredes de dominio magnético con pulsos de corriente a través una linea adyacente al nanohilo. Estudiamos defectos de tres formas distintas e identificamos, en función del valor de campo magnético aplicado, los distintos tipos de paredes de dominio anclados en cada uno de ellos. Además, con la ayuda de este método de inyección que es rápido y eficaz, hemos sido capaces de generar y anclar un único tipo de pared minimizando el comportamiento estocástico de la pared mencionado anteriormente. En estas condiciones óptimas, hemos estudiado el desenganche de las paredes de dominio por medio de corriente polarizada en espín, donde hemos conseguido desenganchar la pared de forma controlada y repetitiva siempre para los mismos valores de corriente y campo magnético aplicados. Además, aplicando pulsos de corriente en distintas direcciones, estudiamos en base a su diferencia, la contribución térmica debido al efecto Joule. Los resultados obtenidos representan un importante avance hacia la explotación práctica de este tipo de dispositivos. ABSTRACT The research activity of this thesis was focused on the nucleation, pinning and depinning of magnetic domain walls (DWs) in notched permalloy nanowires. The access to nanofabrication techniques has boosted the number of applications based on magnetic domain walls (DWs) like memory devices. In 2004, Stuart Parkin at IBM, conceived an innovative concept, the “racetrack memory” based on a ferromagnetic nanowire were the magnetic domains constitute the “bits” of information. The frontier between those magnetic domains, ie magnetic domain wall, will move ideally assisted by a spin polarized current. DWs will pin at certain positions due to artificially created pinning sites or “notches” fabricated with ebeam lithography. The success of this idea relies on the careful and predictable control on DW nucleation and a defined pinning-depinning process in order to read and write the bits of information. Sloncsewski in 1994 shows that a spin polarized current can transfer magnetic moment to the local magnetization to move the DWs instead of the magnetic field created by the current. Since then many research groups worldwide have been working on optimizing the conditions for the current induced DW motion due to the spin transfer effect. The fraction of spin polarized electrons traveling through a ferromagnetic nanowire is considerably small, so nowadays the current density required to move a DW by STT exceeds 1 107 A/cm2. A high current density not only can produce a significant degradation of the device but also important effects related to Joule heating were also observed . There are other scientific and technological issues to solve regarding the diversity of DWs states pinned at the notch. The types of DWs pinned, their chirality or their characteristic depinning current or field, may change if the notch has slightly different dimensions, the stripe has different thickness or even if the DW is pinned by a different procedure. Additionally, there is a stochastic component in both the injection of the DW and in its pinning-depinning process, which may be partly intrinsic to the nature of the travelling DW at a non-zero temperature and partly due to the unavoidable defects introduced during the nano-fabrication process. This constitutes an important inconvenient because depending on the DW type different values of current of magnetic field need to be applied in order to depin a DW from the notch. As mentioned earlier, in order to write and read the bits of information accurately, a controlled reproducible and predictable pinning- depinning process is required. This implies to nucleate, pin and depin always at the same applied magnetic field or current. Therefore, in the first chapter of this thesis we studied the pinning and depinning of DW in six different notch shapes and two depths. An statistical analysis was conducted in order to determine which notch type performed best in terms of pinning probability and the dispersion measured in the magnetic field necessary to depin the magnetic DWs. Then, we continued studying the nucleation of DWs with nanosecond current pulses by an adjacent conductive stripe. We studied the conditions for DW injection that allow a selective pinning of the different types of DWs in Permalloy nanostripes with 3 different notch shapes. Furthermore, with this injection method, which has proven to be fast and reliable, we manage to nucleate only one type of DW avoiding its stochastic behavior mentioned earlier. Having achieved this optimized conditions we studied current induced depinning where we also achieved a controlled and reproducible depinning process at always the same applied current and magnetic field. Additionally, changing the pulse polarity we studied the joule heating contribution in a current induced depinning process. The results obtained represent an important step towards the practical exploitation of these devices.

Caracterización de vehículos ferroviarios para analizar la sensibilidad de sus parámetros dinámicos

Este trabajo forma parte de un proyecto más amplio, cuya finalidad es realizar un estudio de sensibilidad que permita determinar qué grado de exactitud se requiere en la definición de los principales parámetros que influyen en la dinámica de los vehículos ferroviarios. Como paso previo a este análisis de sensibilidad, es preciso seleccionar un vehículo de referencia en el que basar dicho estudio. Dicho vehículo se empleará como punto de partida, para después variar el valor de los parámetros que lo caracterizan, a fin de determinar su influencia sobre la dinámica de marcha. Para alcanzar este objetivo se ha construido una base de datos de vehículos ferroviarios, que almacena las características de los parámetros que afectan al comportamiento dinámico de los vehículos. El valor de referencia correspondiente a cada parámetro puede asociarse al promedio de los valores almacenados en la base de datos, y sus rangos de variación pueden obtenerse a partir de las medidas de dispersión de estos datos. Se ha realizado un test de normalidad sobre los datos almacenados en la base de datos, encontrándose que la hipótesis de normalidad resulta, en general, inapropiada, lo que requiere el uso de estimadores más robustos de los habituales. Aunque el estudio de sensibilidad podría basarse en el vehículo ficticio definido por los valores promedio de cada parámetro, cabe la posibilidad de que este vehículo promedio presente un comportamiento dinámico distinto al que tendría un vehículo real. Para evitar este posible contratiempo, se han utilizado técnicas de escalado multidimensional para seleccionar los registros de la base de datos más próximos al vehículo promedio. Para determinar cuál de estos vehículos resulta más apropiado, se ha comparado su comportamiento dinámico empleando técnicas de simulación de sistemas multicuerpo. A partir de los resultados obtenidos en estas simulaciones, se ha valorado el comportamiento de cada modelo desde el punto de vista de la seguridad, de la agresión a la vía y del confort, siguiendo las indicaciones de la norma EN-14363. Finalmente, se ha seleccionado como vehículo de referencia aquél que, presentando un comportamiento adecuado, requiere el menor esfuerzo computacional para llevar a cabo las simulaciones.

Estudio numérico de la propagación de inestabilidades en elementos estructurales cilíndricos de material anisótropo bajo presión interna

Con este estudio se quiere realizar un análisis numérico sobre la propagación de inestabilidades en elementos estructurales cilíndricos de material anisótropo (material de Gasser-Ogden- Holzapfel), que mediante una matriz neohookeana reforzada bidireccionalmente con fibras de forma simétrica, simula el colágeno y la elastina que forman las arterias. Para ello, se simula mediante un modelo axilsimétrico de elementos finitos, un cilindro hueco sometido a presión interna y carga axial. Por medio de este modelo se pretende identificar las bifurcaciones que se producen relacionándolas con la formación de aneurismas en enfermedades cardiovasculares. Para corroborar la veracidad de los resultados obtenidos, se debe validar una formulación analítica de la condición de bifurcación para cilindros huecos sometidos al tipo de carga mencionada. Además, a la hora de comenzar el estudio, se analiza la influencia de la variación de algunos de los parámetros mecánicos y geométricos del modelo constitutivo, como pueden ser: la dispersión y la orientación respecto al eje axial de las fibras, el espesor del cilindro y la longitud de éste. Para analizar la propagación de inestabilidades se ha estudiado, sobre una misma geometría, dos materiales que presentan comportamientos distintos. Los resultados muestran como para uno de los materiales se produce abultamiento (bulging) y estricción (necking) y para otro se produce únicamente propagación axial de la inestabilidad.