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

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.

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.

Parameter-based mechanism for unifying user interaction, applications and communication protocols

In the smart building control industry, creating a platform to integrate different communication protocols and ease the interaction between users and devices is becoming increasingly important. BATMP is a platform designed to achieve this goal. In this paper, the authors describe a novel mechanism for information exchange, which introduces a new concept, Parameter, and uses it as the common object among all the BATMP components: Gateway Manager, Technology Manager, Application Manager, Model Manager and Data Warehouse. Parameter is an object which represents a physical magnitude and contains the information about its presentation, available actions, access type, etc. Each component of BATMP has a copy of the parameters. In the Technology Manager, three drivers for different communication protocols, KNX, CoAP and Modbus, are implemented to convert devices into parameters. In the Gateway Manager, users can control the parameters directly or by defining a scenario. In the Application Manager, the applications can subscribe to parameters and decide the values of parameters by negotiating. Finally, a Negotiator is implemented in the Model Manager to notify other components about the changes taking place in any component. By applying this mechanism, BATMP ensures the simultaneous and concurrent communication among users, applications and devices.

Análisis del MDT para el estudio de superficies aluviales afectadas por fallas : Falla de Alhama y abanicos aluviales al pie de la Sierra de la Tercia (Murcia).

El trabajo del Proyecto Fin de Carrera consiste en el análisis de la formación de los distintos abanicos aluviales localizados en la provincia de Murcia, entre las ciudades de Lorca y Totana y su entorno inmediato, es decir, la Sierra de la Tercia al NO y parte de la depresión del Guadalentín al SE. Se comprobará, como objetivo destacado, si a partir de los datos obtenidos se puede determinar la degradación de los abanicos aluviales afectados por fallas. Inicialmente se realiza un estudio del terreno, con unos datos previos de traza de falla, marcando en él posibles indicios del paso, o no, de la falla en esa zona. Apoyándonos en una parte del trabajo desarrollado en el marco del proyecto del plan nacional de I+D denominado “Searching the record of past earthquakes in South Iberia: Advanced technologies in terrestrial and marine paleoseismology” (SHAKE), los datos con los que se ha trabajado en este proyecto se obtuvieron mediante la realización, en agosto del 2013, de un vuelo usando tecnología LiDAR en combinación con técnicas de Fotogrametría Digital que incorporan imágenes aéreas proporcionadas por el Instituto Geográfico Nacional (PNOA 2010) de la Región de Murcia. La tecnología LiDAR (Light Detection And Ranging) se trata de una técnica geofísica de mapeo por barrido que consta de un sensor láser aerotransportado que escanea la superficie terrestre recogiendo millones de medidas de distancia entre el sensor y el objeto, cuya posición es calculada por GPS diferencial y un sistema de navegación inercial. Cada pulso de láser toma múltiples medidas de distancia a lo largo de un solo haz, con el primer retorno desde la parte superior de la vegetación local, y el último desde la superficie del suelo. El resultado es una nube de puntos a partir de la cual se desarrollan los MDT utilizando el programa MDTopX. Este vuelo (correspondiente a la falla de Alhama) ocupa una extensión aproximada de 282 km2 y un perímetro de vuelo de 139 km. Para obtener una cobertura LiDAR lo más densa posible, se planificó el vuelo a una altura de 1500 metros sobre el terreno, obteniendo así una densidad media de 4 puntos/m2 y una separación entre puntos promedio de 0,5 m. A continuación se crean diferentes mapas (pendientes, orientaciones y curvas de nivel) de los cuales se obtiene toda la información posible para realizar una clasificación de los diferentes indicios, según se explica más adelante. Posteriormente se realiza una nueva traza de los abanicos aluviales usando los resultados anteriores y estableciendo una clasificación de su época, materiales y grado de degradación, entre otros.

Hacia un análisis cuantitativo de la Ciudad Informal: una aproximación desde la Habitabilidad Básica y la experiencia en Makeni (Sierra Leona)

La importantísima expansión urbana que sufren las principales ciudades de los países en vías de desarrollo, es el mayor reto que afronta la habitabilidad a nivel mundial. Dentro de la teoría general de la Habitabilidad Básica (HaB-ETSAM-UPM, 1995) la ordenación del territorio y el planeamiento urbanístico son las herramientas determinantes para orientar coherentemente los procesos de urbanización, como se reconoce también desde las principales esferas técnicas a nivel internacional. Pero tales herramientas deben enfocarse a una construcción eficiente del territorio, actuando desde una aproximación multidisciplinar, flexible y directa, que incida en las prioridades específicas de cada contexto. Para ello, resulta fundamental comprender a fondo las realidades específicas de estos ámbitos. La ciudad es un fenómeno complejo en esencia. El tejido construido, en constante proceso de cambio, es el caparazón visible que alberga una maravillosa mezcla entrelazada de espacios, funciones, flujos, personas.... Cada ciudad, diferente y única, se integra en su medio, se adapta a geografías, contextos y climas distintos, evoluciona según dinámicas propias, en incomprensibles (o casi) procesos evolutivos. El estudio de la ciudad, supone siempre una simplificación de la misma. La realidad urbana, por detallado que sea nuestro análisis, siempre contendrá indescifrables relaciones que se nos escapan. En cambio, necesitamos de métodos analíticos que nos ayuden a comprender algo esa complejidad. Acercarnos en ese análisis, es un paso previo fundamental para la formulación de respuestas. En este plano, de avance en la comprensión del hecho urbano, se sitúa este trabajo. Se pone el acento en el enfoque cuantitativo, profundizando en datos básicos concretos, siempre aceptando de partida que esta información es una componente mínima, pero esperamos que sustantiva, de un fenómeno inabordable. Y es esta búsqueda de comprensión material y cuantitativa de la ciudad, el objetivo esencial de la investigación. Se pretende proporcionar una base detallada de aquéllos aspectos fundamentales, que pueden ser medidos en los entornos urbanos y que nos proporcionan información útil para el diagnóstico y las propuestas. Para ello, se aportan rangos y referencias deseables, a través de una herramienta para la comprensión y la valoración de cada contexto, la Matriz de Indicadores. Esta herramienta se concibe desde la reflexión a la aplicación práctica, a la utilidad directa, al aporte concreto para quien pueda servir. Ésta es la voluntad decidida con la que se aborda este trabajo, centrado en los entornos urbanos donde el aporte técnico es prioritario: la Ciudad Informal. La Ciudad Informal, entendida aquí como aquélla que se desarrolla sin los medios suficientes (técnicos, económicos e institucionales) que proporciona la planificación, aquélla por donde la habitabilidad precaria se extiende. Es la ciudad que predomina en los países en vías de desarrollo, en los contextos de bajos recursos, allí donde, precisamente, se concentran los principales déficits y necesidades a nivel global. El enfoque nace de la teoría de la Habitabilidad Básica, de la definición de mínimos posibles para, desde allí, construir el espacio necesario para el desarrollo humano. Éste es el ámbito genérico objeto del trabajo que, a su vez, se nutre, de forma muy importante, de la experiencia directa en la ciudad de Makeni, en Sierra Leona. Esta ciudad nos sirve de prototipo experimental en un doble sentido. Por un lado, sirve como espacio empírico en el que chequear la metodología de valoración cuantitativa; y, por otro, el conocimiento de esta ciudad de tamaño medio africana, que se ha ido adquiriendo en los últimos cinco años, es una base directa para el desarrollo teórico de la propia metodología, que ayuda a atisbar lo esencial en contextos similares. El encaje de todo este recorrido se ha articulado desde una experiencia académica que, como docente, he coordinado directa e intensamente. Experiencia muy enriquecedora, que ha sumado muchas manos y mucho aprendizaje en este tiempo. Teoría y práctica en planeamiento urbano se alternan en el trabajo, nutriéndose la una de la otra y a la inversa. Trabajo que nace desde la pasión por la ciudad y el urbanismo. Desde la búsqueda por comprender y desde la vocación de actuar, de intentar mejorar y hacer más habitables los entornos urbanos. Especialmente allí donde las dificultades se agolpan y el camino se alarga, se llena de polvo. Acumular preguntas a cada paso. Cada vez más preguntas. Las respuestas, si existen, aparecen entrelazadas en dinámicas indescifrables de las que queremos formar parte. Fundirnos por momentos en la misma búsqueda, acompañarla. Sentirnos cerca de quiénes comienzan de cero casi cada día. Y otra vez, arrancar. Y compartir, desde el conocimiento, si acaso es que se puede. Y la ciudad. Brutal, imponente, asfixiante, maravillosa, imposible. Creación colectiva insuperable, de energías sumadas que se cosen sin patrón aparente. O sin más razón que la del propio pulso de la vida. Así se siente Makeni. ABSTRACT The important urban growth suffering major cities of developing countries, is the biggest challenge facing the global habitability. Within the general theory of Basic Habitability (HAB-ETSAM-UPM, 1995) spatial planning and urban planning are the crucial tools to consistently guide the urbanization process, as also recognized from the main technical areas worldwide. But such tools should focus on an efficient construction of the territory, working from a multidisciplinary, flexible and direct approach, that affects the specific priorities of each context. To do this, it is essential to thoroughly understand the specific realities of these areas. The city is essentially a complex phenomenon. The urban fabric in constant flux, is the visible shell that houses a wonderful mixture interlocking spaces, functions, flows, people.... Every city, different and unique, is integrated into its environment, adapted to geographies, contexts and climates, it evolves according to its own dynamics, along (almost) incomprehensible evolutionary processes. The study of the city, is always a simplification of it. The urban reality, even studied from a detailed analysis, always contain undecipherable relationships that escape us. Instead, we need analytical methods that help us understand something that complexity. Moving forward in this analysis is an essential first step in formulating responses. At this level, progressing in understand the urban reality, is where this work is located. The emphasis on the quantitative approach is placed, delving into specific basic data, starting always accepting that this information is just a minimal component, but we hope that substantive, of an intractable phenomenon. And it is this search for materials and quantitative understanding of the city, the main objective of the research. It is intended to provide a detailed basis of those fundamental aspects that can be measured in urban environments that provide us useful information for the diagnosis and proposals. To do this, desirable ranges and references are provided, through a tool for understanding and appreciation of each context, the Indicator Matrix. This tool is conceived from reflection to practical application, to a direct utility, concrete contribution to who can serve. This is the firm resolve with which this work is addressed, centered in urban environments where the technical contribution is a priority: the Informal City. The Informal City, understood here as the urban areas developed without the sufficient resources (technical, economic and institutional) which planning provides, where it is extended the precarious habitability. It is the city that prevails in developing countries, in low-resource settings, where, precisely, the main gaps and needs in the global context are concentrated. The approach stems from the theory of Basic Habitability, the definition of possible minimum, to build the necessary space for human development. This is the generic scope of the work object, that is also based in the direct experience in the town of Makeni, Sierra Leone. This city serves as an experimental prototype in two ways. On the one hand, it serves as a space where empirically check the quantitative assessment methodology; and, secondly, the knowledge of this African city of medium size, which has been acquired in the last five years, is a direct basis for the theoretical development of the methodology itself, which helps to glimpse the essence in similar contexts. The engagement of this whole journey has been articulated from an academic experience, directly and intensely coordinated as teacher. Enriching experience that has added many hands and much learning at this time. Theory and practice in urban planning are mixed at work, enriching the one of the other and vice versa. Work is born from the passion for the city and urbanism. From the search for understanding and from the vocation of acting, trying to improve and make more livable urban environments. Especially where the difficulties are crowded and the road is so long, full of dust. To accumulate questions at every turn. More and more questions. The answers, if do exist, appears inside indecipherable dynamics in which we want to be involved. Merge at times in the same search. Feel close to those who start from scratch almost every day. And again, move forward. And share, from knowledge, if possible. And the city. Brutal, impressive, suffocating, wonderful, impossible. Unsurpassed collective creation, combined energy mix that are sewn with no apparent pattern. Or for no reason other than the pulse of life itself. As it feels the city of Makeni.

An integrated assessment of two decades of air pollution policy making in Spain: Impacts, costs and improvements

This paper analyses the effects of policy making for air pollution abatement in Spain between 2000 and 2020 under an integrated assessment approach with the AERIS model for number of pollutants (NOx/NO2, PM10/PM2.5, O3, SO2, NH3 and VOC). The analysis of the effects of air pollution focused on different aspects: compliance with the European limit values of Directive 2008/50/EC for NO2 and PM10 for the Spanish air quality management areas; the evaluation of impacts caused by the deposition of atmospheric sulphur and nitrogen on ecosystems; the exceedance of critical levels of NO2 and SO2 in forest areas; the analysis of O3-induced crop damage for grapes, maize, potato, rice, tobacco, tomato, watermelon and wheat; health impacts caused by human exposure to O3 and PM2.5; and costs on society due to crop losses (O3), disability-related absence of work staff and damage to buildings and public property due to soot-related soiling (PM2.5). In general, air quality policy making has delivered improvements in air quality levels throughout Spain and has mitigated the severity of the impacts on ecosystems, health and vegetation in 2020 as target year. The findings of this work constitute an appropriate diagnosis for identifying improvement potentials for further mitigation for policy makers and stakeholders in Spain.