Empleo de biomarcadores para la reconstrucción paleoclimática. El registro pleistoceno del Mar de Fuentillejo (Ciudad Real)

El registro sedimentario del lago volcánico conocido como maar de Fuentillejo (Centro de España) ofrece la oportunidad de determinar la evolución paleoambiental durante el Pleistoceno medio y superior de la parte Centro-Sur de la Península Ibérica, objetivo principal de esta Tesis Doctoral. Se ha recopilado información sobre otras reconstrucciones paleoambientales en maares de todo el mundo y estudios paleoclimáticos realizados en el registro de la turbera de Padul, relativamente próxima al maar de Fuentillejo. Con ello, se pudo realizar el estado del arte.A lo largo del sondeo continuo (142,25 m) perforado en la parte central del maar de Fuentillejo en el año 2002, se han tomando un total de 613 muestras a intervalos de 20 cm para el análisis de biomarcadores. Los biomarcadores se obtuvieron mediante un equipo de extracción acelerada de disolventes (Dionex ASE 200) y fueron analizados con un cromatógrafo de gases (HP 6890) con detector selectivo de masas (HP 5973). La datación de sedimentos del maar de Fuentillejo ha sido complicada debido a la ausencia de restos orgánicos terrestres. Se seleccionaron seis muestras de sedimento para intentar datar por el método de racemización de aminoácidos: los resultados obtenidos no fueron buenos. Finalmente, el modelo de edad-profundidad se ha llevado a cabo mediante paleomagnetismo, dataciones 14C y U/Th. En base a una interpolación lineal de las edades medias calibradas se ha datado la base del registro en aproximadamente 355 ka. Se han identificado y cuantificado los n-alcanos, n-metil cetonas, ácidos n- alcanoicos y azufre orgánico del sedimento a lo largo del registro. La interpretación de los diferentes índices establecidos a partir de éstos permite independizar tres Unidades Geoquímicas generales (UG) y nueve Subunidades (S) que definen condiciones paleoambientales distintas (predominio en el aporte de vegetación terrestre/de macrofitas/acuática, lámina de agua más alta vs. más baja, periodos más húmedos vs. más secos).A partir de análisis estadísticos de los índices de n-alcanos (matriz de correlación y análisis de agrupaciones) se han definido tres asociaciones: Grupo 1 (condiciones ambientales más húmedas y fase con lámina de agua elevada), Grupo 2 (con condiciones intermedias) y Grupo 3 (las fases más secas y con lámina de agua más baja). Además, se establece un Indicador Paleoambiental (I.P.) que muestra variaciones notables correlacionables con escenarios paleoambientales distintos (más húmedos vs. más secos) distinguiendo veintiséis Episodios (E): cinco Secos, nueve Húmedos y doce Intermedios.En general, se encuentra una buena correspondencia entre estos Episodios (E) y los eventos paleoclimáticos cortos descritos por Vegas et al. (2010) en este registro, en base a la palinología y geoquímica, así como los Episodios del Oxígeno Marino (MIS) y Eventos Heinrich, que permiten suponer que las oscilaciones paleoclimatológicas registradas en el maar tienen un origen global. Esta correspondencia se confirma por el análisis espectral, que revela que los ciclos interpretados (103, 41, 26 y 23 ka) evidencian influencia orbital. Además, se ha realizado una correlación tentativa entre los episodios paleoambientales de larga duración obtenidos a partir del perfil suavizado del porcentaje relativo de C27 de la Cuenca de Padul (Granada, Sur de la Península Ibérica) y el perfil I.P. suavizado del maar de Fuentillejo, aunque hay diferencias que podrían ser explicadas por la vecindad de Padul a la zona de nieves perpetuas de Sierra Nevada lo que origina marcadas diferencias hidrológicas entre ambos sitios. El análisis por cadenas de Markov ha permitido determinar que los cambios paleoambientales reflejados por los biomarcadores no fueron, en la mayoría de los casos, bruscos pasando, normalmente, por estados transicionales.

Evolución paleoambiental de la Península Ibérica desde hace 1 Ma a partir de los biomarcadores del registro de la Turbera de Padul (Granada)

La Turbera de Padul, en la Provincia de Granada, ofrece unas posibilidades de estudio muy atractivas desde el punto de vista de la reconstrucción paleoambiental. Se trata de una fosa tectónica subsidente de naturaleza detrítica, a cuyo techo aparecen alternantes niveles de turba. El sondeo, de 107 metros, se realizó en un punto donde los estratos de turba aparecen a mayor profundidad, lo que permite obtener un registro geoquímico orgánico con mucho detalle con una antigüedad de hasta 1Ma. Se tomaron muestras cada 20 cm para el análisis de biomarcadores. Estos biomarcadores se obtuvieron mediante extracción Soxhlet, posterior separación de fracciones de diferente polaridad mediante Cromatografía en Columna, con Gel de Sílice y Alúmina, y posteriormente el análisis e identificación por Cromatografía de Gases - Espectrometría de masas, con confirmación de los compuestos químicos identificados por comparación con Bibliotecas de Espectros de Masas. La datación del sondeo se realizó utilizando distintos métodos como datación por 14C, U/Th, y datación por racemización de aminoácidos. Los resultados dataron el muro del sondeo con una antigüedad de 1 millón de años. El estudio de los biomarcadores ha permitido identificar episodios con distintas características en un escenario complejo, como es la Turbera de Padul, donde el aporte de agua por fusión nival complica la interpretación paleoambiental, y es la responsable de la existencia de la lámina de agua en la turbera en periodos secos con temperaturas elevadas. Se han identificado series de n-alcanos, de n-metilcetonas y series de nalcanoles, que han permitido identificar la aportación de materia orgánica de distintas fuentes al sedimento y por tanto la interpretación paleoambiental. La identificación de diterpenoides fenólicos (cis-Totatol, trans-Totarol y Ferruginol) han permitido identificar episodios de clima templado y húmedo con proliferación de cupresáceas, y precipitaciones abundantes. Por otro lado, se han identificado triterpenoides como el Friedelan-3-ona (Friedelin) y el A-norfriedel-8en-10-ona, cuya relación como precursor (Friedelin) y producto (A-norfriedel-8en-10-ona) ha permitido identificar episodios con fluctuaciones del espesor de la lámina de agua y aporte de material vegetal. ABSTRACT The Bog of Padul, in the province of Granada, offers very attractive possibilities for the study of paleoenvironmental reconstruction. It is a subsiding graben of detrital nature, whose upper part appear alternating peat levels. The core of 107 meters, obtained from a borehole drilled in a place where the layers of peat appear deeper, allowing to obtain organic geochemist information along the last 1 million years. Every 20 cm samples for biomarkers analysis were taken. These biomarkers were obtained by Soxhlet extraction, subsequent separation of fractions of different polarity by column chromatography with silica gel and alumina, and then analyzed and identified by gas chromatography - mass spectrometry, with confirmation of the chemicals identified by comparison to mass spectral libraries. The dating of the core was conducted using different methods such as 14C dating, U/Th, and amino acid racemization dating. The results dated the base of the core to be 1 million years old. The study has identified biomarkers episodes with different characteristics in a complex scenario, such as the Bog of Padul, where the contribution of snowmelt water complicates the paleoenvironmental interpretation, and is responsible for the existence of a sheet of water in dry periods with high temperatures. There have been identified series of n-alkanes, n-methyl ketones and series of n-alkanols that have shown the contribution of different organic matter sources to the sediment and therefore allowed to paleo interpretation. The identification of phenolic diterpenoids (cis-Totatol, trans-Totarol and Ferruginol) have identified episodes of mild and humid climate with proliferation of Cupressaceae, and abundant rainfall. In addition, triterpenoids have been identified, as the friedelan-3-one (friedelin) and the A-norfriedel-8en-10-one, whose relationship as precursor (friedelin) and product (A-norfriedel-8en-10-one) has identified episodes with fluctuations on the thickness of the sheet of water and supply of plant material debris.

Arrecifes de corales de aguas frías como posibles indicadores de emisiones de hidrocarburos en el Golfo de Cádiz

El presente documento trata de exponer la relación existente entre los corales de aguas frías encontrados en el Golfo de Cádiz (Atlántico NE) con los procesos tectónicos y las estructuras relacionadas con la migración y la emisión de fluidos ricos en hidrocarburos (principalmente metano). Para ello, desde el año 2000 hasta la actualidad, se han llevado a cabo diversas campañas oceanográficas en las cuales se han obtenido datos y muestras relacionadas con las emisiones de hidrocarburos al fondo marino. Gracias a los datos y las muestras recogidas durante las campañas se han creado una base de datos, en la que se reúnen todos los datos significativos relacionados con las campañas oceanográficas y con el objeto de este trabajo. Para finalizar, tras la creación de la base de datos, y con las muestras proporcionadas por el IGME recogidas durante la campaña oceanográfica MVSEIS08, se han podido llevar a cabo diversos estudios de laboratorio como la racemización de aminoácidos, análisis de biomarcadores así como la datación de los esqueletos aragoníticos de los corales de aguas frías mediante la técnica de U-Th en un futuro, con el objetivo de esclarecer la relación existente entre estas emisiones de fluidos a través de diversas estructuras y los corales de aguas frías, su edad, y en última instancia determinar los cambios producidos en la composición química de la masa de agua atlántica así como la variación de las corrientes en el Golfo de Cádiz durante el último periodo glaciar. ABSTRACT This project attempts to explain the relationship between cold-water coral found in the Gulf of Cadiz (NE Atlantic) with tectonic processes and structures related to migration and hydrocarbon-rich fluids emissions (mainly methane). Since 2000 until present, have conducted various oceanographic cruises in which data were obtained and samples related to hydrocarbon emissions to the seabed. Thanks to data and samples collected during the cruises, I have created a database in which all gather meaningful data related to oceanographic and the object of this work. Finally, after the creation of the database, and the samples provided by the IGME collected during the oceanographic cruise MVSEIS08 have been able to carry out laboratory studies of racemization of aminoacids, biomarkers analysis and dating of aragonitic skeletons of cold-water corals in a future by U-Th data , in order to clarify the relationship between these fluids emissions through various structures, ages cold-water corals, and ultimately determine changes in the chemical composition of Atlantic water mass and the change of currents in the Gulf of Cadiz during the last glacial period.

Arrecifes de corales de aguas frías como posibles indicadores de emisiones de hidrocarburos en el banco de Galicia y determinación de su edad mediante racemizacion de aminoácidos

Este proyecto tiene como objetivo analizar la posible relación entre los corales de aguas frías encontrados en el Banco de Galicia con los procesos tectónicos y las estructuras relacionadas con la migración y la emisión de fluidos ricos en hidrocarburos (debido a su interés económico), así como la creación de un algoritmo que establezca una relación entre el grado de racemización sufrido por los aminoácidos de las muestras y la edad de estas. Para ello, se han recopilado datos y muestras en el área de estudio, gracias a los cuales se ha creado una base de datos que contiene una clasificación de las muestras recogidas junto a los datos más relevantes de que están relacionados con el objetivo de este trabajo. Estas muestras han sido proporcionadas por el IGME y fueron recogidas mayoritariamente en la campaña oceanográfica DIVA ARTABRIA II. Con estas muestras se han llevado a cabo análisis de laboratorio como el estudio de racemización de aminoácidos, el análisis de biomarcadores y la datación por uranio-torio de los esqueletos aragoníticos de los corales de aguas frías. Para finalizar, se han estudiado dichos datos con el objeto de comprobar la hipótesis de que los corales de aguas frías colonizan zonas con emisiones de hidrocarburos, conocer su edad y en última instancia crear un algoritmo capaz de datar dichos corales a partir del grado de racemización de sus aminoácidos. Palabras clave: corales de aguas frías, Banco de Galicia, campaña oceanográfica, DIVA ARTABRIA II, base de datos, racemización, aminoácidos, biomarcadores, datación uranio-torio, hidrocarburos, algoritmo. ABSTRACT This project studies the relationship between cold-water corals found in the Galicia Bank with tectonic processes and with the structures related to migration and hydrocarbon-rich fluids emissions. Firstly, data and samples in the study were collected, through to classify the collected samples with the most relevant characteristics to our research scope. Sampling and data collection provided by the IGME were collected in the DIVA ARTABRIA II oceanographic cruise. Secondly, the current work presents a systematic laboratory analysis that allowed the study of aminoacid racemization as well as the analysis of biomarkers and the uranium-thorium dating of aragonitic cold-water coral skeletons. Finally, this data was studied to test the hypothesis that cold-water corals colonize areas with emissions of hydrocarbons, know its age and ultimately create and algorithm capable of dating these corals from the degree of racemization in its amino acids. Keywords: cold-water corals, Galicia Bank, oceanographic cruise, DIVA ARTABRIA II, database, racemization, amino acids, biomarkers, uranium-thorium datation, hydrocarbons, algorithm.

Estudio de la geoquímica orgánica de la Turbera de Las Conchas (Asturias) aplicado a la reconstrucción paleoambiental

ELos biomarcadores (n-alcanos y ácidos n-alcanoicos) presentes en el registro sedimentario de la turbera de Las Conchas (Llanes, Asturias) han permitido identificar períodos de condiciones ambientales húmedas y secas a lo largo de 8.000 años cal BP que pueden ser extrapolados al resto de Europa. Para ello, se analizaron 78 muestras a lo largo de un sondeo de 3,20 m, empleando un cromatógrafo de gases con detector selectivo de masas. Las variaciones en el contenido de biomarcadores se relacionaron con la predominancia de especies de Sphagnum (típicas de condiciones de mayor humedad) o con especies propias de condiciones más secas, como especies de Ericacea (brezos). Se sugiere que los cambios en la distribución de la vegetación están relacionados con las condiciones paleohidrológicas y paleoambientales y, de esta manera, se distinguen cinco períodos secos alternados con cinco períodos húmedos que no están necesariamente unidos a cambios en la temperatura. ABSTRACT Biomarkers (n-alkanes and n-alkanoic acids) present in the sedimentary record of Las Conchas peat bog (Llanes, Asturias) allowed the identification of 5 dry and humid periods in the last 8,000 years cal BP which can be extrapolated to the rest of Europe. For this purpose, 78 samples were analyzed along a core of 3.2 m deep using a gas chromatograph equipped with a selective mass detector. Variations in the biomarker content are related to the predominance of Sphagnum species (typical of humid conditions) or other species typical of dryer conditions, such as Ericacea (heather). This suggests that changes in the distribution of the vegetation were related to palaeohydrological and palaeoenvironmental conditions and, thus, we may distinguish five dry periods alternating with five humid periods which are not necessarily linked to variations in temperature.

Multimodal integration of functional and structural brain connectivity. An application to the characterization of Mild Cognitive Impairment

La investigación para el conocimiento del cerebro es una ciencia joven, su inicio se remonta a Santiago Ramón y Cajal en 1888. Desde esta fecha a nuestro tiempo la neurociencia ha avanzado mucho en el desarrollo de técnicas que permiten su estudio. Desde la neurociencia cognitiva hoy se explican muchos modelos que nos permiten acercar a nuestro entendimiento a capacidades cognitivas complejas. Aun así hablamos de una ciencia casi en pañales que tiene un lago recorrido por delante. Una de las claves del éxito en los estudios de la función cerebral ha sido convertirse en una disciplina que combina conocimientos de diversas áreas: de la física, de las matemáticas, de la estadística y de la psicología. Esta es la razón por la que a lo largo de este trabajo se entremezclan conceptos de diferentes campos con el objetivo de avanzar en el conocimiento de un tema tan complejo como el que nos ocupa: el entendimiento de la mente humana. Concretamente, esta tesis ha estado dirigida a la integración multimodal de la magnetoencefalografía (MEG) y la resonancia magnética ponderada en difusión (dMRI). Estas técnicas son sensibles, respectivamente, a los campos magnéticos emitidos por las corrientes neuronales, y a la microestructura de la materia blanca cerebral. A lo largo de este trabajo hemos visto que la combinación de estas técnicas permiten descubrir sinergias estructurofuncionales en el procesamiento de la información en el cerebro sano y en el curso de patologías neurológicas. Más específicamente en este trabajo se ha estudiado la relación entre la conectividad funcional y estructural y en cómo fusionarlas. Para ello, se ha cuantificado la conectividad funcional mediante el estudio de la sincronización de fase o la correlación de amplitudes entre series temporales, de esta forma se ha conseguido un índice que mide la similitud entre grupos neuronales o regiones cerebrales. Adicionalmente, la cuantificación de la conectividad estructural a partir de imágenes de resonancia magnética ponderadas en difusión, ha permitido hallar índices de la integridad de materia blanca o de la fuerza de las conexiones estructurales entre regiones. Estas medidas fueron combinadas en los capítulos 3, 4 y 5 de este trabajo siguiendo tres aproximaciones que iban desde el nivel más bajo al más alto de integración. Finalmente se utilizó la información fusionada de MEG y dMRI para la caracterización de grupos de sujetos con deterioro cognitivo leve, la detección de esta patología resulta relevante en la identificación precoz de la enfermedad de Alzheimer. Esta tesis está dividida en seis capítulos. En el capítulos 1 se establece un contexto para la introducción de la connectómica dentro de los campos de la neuroimagen y la neurociencia. Posteriormente en este capítulo se describen los objetivos de la tesis, y los objetivos específicos de cada una de las publicaciones científicas que resultaron de este trabajo. En el capítulo 2 se describen los métodos para cada técnica que fue empleada: conectividad estructural, conectividad funcional en resting state, redes cerebrales complejas y teoría de grafos y finalmente se describe la condición de deterioro cognitivo leve y el estado actual en la búsqueda de nuevos biomarcadores diagnósticos. En los capítulos 3, 4 y 5 se han incluido los artículos científicos que fueron producidos a lo largo de esta tesis. Estos han sido incluidos en el formato de la revista en que fueron publicados, estando divididos en introducción, materiales y métodos, resultados y discusión. Todos los métodos que fueron empleados en los artículos están descritos en el capítulo 2 de la tesis. Finalmente, en el capítulo 6 se concluyen los resultados generales de la tesis y se discuten de forma específica los resultados de cada artículo. ABSTRACT In this thesis I apply concepts from mathematics, physics and statistics to the neurosciences. This field benefits from the collaborative work of multidisciplinary teams where physicians, psychologists, engineers and other specialists fight for a common well: the understanding of the brain. Research on this field is still in its early years, being its birth attributed to the neuronal theory of Santiago Ramo´n y Cajal in 1888. In more than one hundred years only a very little percentage of the brain functioning has been discovered, and still much more needs to be explored. Isolated techniques aim at unraveling the system that supports our cognition, nevertheless in order to provide solid evidence in such a field multimodal techniques have arisen, with them we will be able to improve current knowledge about human cognition. Here we focus on the multimodal integration of magnetoencephalography (MEG) and diffusion weighted magnetic resonance imaging. These techniques are sensitive to the magnetic fields emitted by the neuronal currents and to the white matter microstructure, respectively. The combination of such techniques could bring up evidences about structural-functional synergies in the brain information processing and which part of this synergy fails in specific neurological pathologies. In particular, we are interested in the relationship between functional and structural connectivity, and how two integrate this information. We quantify the functional connectivity by studying the phase synchronization or the amplitude correlation between time series obtained by MEG, and so we get an index indicating similarity between neuronal entities, i.e. brain regions. In addition we quantify structural connectivity by performing diffusion tensor estimation from the diffusion weighted images, thus obtaining an indicator of the integrity of the white matter or, if preferred, the strength of the structural connections between regions. These quantifications are then combined following three different approaches, from the lowest to the highest level of integration, in chapters 3, 4 and 5. We finally apply the fused information to the characterization or prediction of mild cognitive impairment, a clinical entity which is considered as an early step in the continuum pathological process of dementia. The dissertation is divided in six chapters. In chapter 1 I introduce connectomics within the fields of neuroimaging and neuroscience. Later in this chapter we describe the objectives of this thesis, and the specific objectives of each of the scientific publications that were produced as result of this work. In chapter 2 I describe the methods for each of the techniques that were employed, namely structural connectivity, resting state functional connectivity, complex brain networks and graph theory, and finally, I describe the clinical condition of mild cognitive impairment and the current state of the art in the search for early biomarkers. In chapters 3, 4 and 5 I have included the scientific publications that were generated along this work. They have been included in in their original format and they contain introduction, materials and methods, results and discussion. All methods that were employed in these papers have been described in chapter 2. Finally, in chapter 6 I summarize all the results from this thesis, both locally for each of the scientific publications and globally for the whole work.

El reloj del suelo

Acumula casi 13.000 dataciones y 10.000 análisis de biomarcadores; cerca de 45 publicaciones científicas se apoyan en sus resultados, y, entre otros logros, ha contribuido a poner fecha de antigüedad a los restos de los últimos neandertales de Europa, hallados en la cueva asturiana de El Sidrón, o a analizar el terreno elegido para almacenar residuos radiactivos. Es parte del imprescindible trabajo que desarrolla el Laboratorio de Estratigrafía Biomolecular, que nació hace más de veinte años a petición de Enresa y que, desde entonces, es toda una referencia en la investigación de los sedimentos

The MIS 5 palaeoenvironmental record in the SE Mediterranean coast of the Iberian Peninsula (Río Antas, Almería, Spain)

Se realiza un estudio detallado del episodio cálido MIS 5 en la zona sureste de la Península Ibérica. Se realiza la reconstrucción paleoambiental a partir del estudio polínico y biomarcadores de un sondeo perforado en la costa de Almería. La cronología se estableció a partir del método de racemizaciónd e aminoácidos.Landwards of a MIS5 bar, a borehole core (SRA) was analyzed to establish the relationship between the lagoonal record and the raised beach deposits in the surroundings of the Antas river mouth and to reconstruct the Pleistocene palaeoenvironmental evolution 5 of the southern Mediterranean coast of the Iberian Peninsula. 63 samples were recovered for amino acid racemization dating, 86 samples for sedimentological and paleontological determination, 37 samples for pollen identification and 54 for biomarker analysis. AAR revealed that the borehole record contains MIS11, MIS6 and MIS5 deposits, the latter extensively represented. During the end of MIS6 and MIS5, a sand 10 barrier developed and created a shallow lagoon with alternating terrestrial inputs this process being common in other Mediterranean realms. Litho- and biofacies allowed the identification of distinct paleoenvironments through time, with the presence of a lagoonal environment alternating with alluvial fan progradation. Biomarkers indicated constant input from terrestrial plants, together with variable development of aquatic 15 macrophytes. The palynological content allowed the reconstruction of the paleoclimatological conditions during MIS6 and 5, with evidence of seven scenarios characterized by alternating arid and relatively humid conditions

Advanced morphometric techniques applied to the study of human brain anatomy

El desarrollo de las técnicas de imágenes por resonancia magnética han permitido el estudio y cuantificación, in vivo, de los cambios que ocurren en la morfología cerebral ligados a procesos tales como el neurodesarrollo, el envejecimiento, el aprendizaje o la enfermedad. Un gran número de métodos de morfometría han sido desarrollados con el fin de extraer la información contenida en estas imágenes y traducirla en indicadores de forma o tamaño, tales como el volumen o el grosor cortical; marcadores que son posteriormente empleados para encontrar diferencias estadísticas entre poblaciones de sujetos o realizar correlaciones entre la morfología cerebral y, por ejemplo, la edad o la severidad de determinada enfermedad. A pesar de la amplia variedad de biomarcadores y metodologías de morfometría, muchos estudios sesgan sus hipótesis, y con ello los resultados experimentales, al empleo de un número reducido de biomarcadores o a al uso de una única metodología de procesamiento. Con el presente trabajo se pretende demostrar la importancia del empleo de diversos métodos de morfometría para lograr una mejor caracterización del proceso que se desea estudiar. En el mismo se emplea el análisis de forma para detectar diferencias, tanto globales como locales, en la morfología del tálamo entre pacientes adolescentes con episodios tempranos de psicosis y adolescentes sanos. Los resultados obtenidos demuestran que la diferencia de volumen talámico entre ambas poblaciones de sujetos, previamente descrita en la literatura, se debe a una reducción del volumen de la región anterior-mediodorsal y del núcleo pulvinar del tálamo de los pacientes respecto a los sujetos sanos. Además, se describe el desarrollo de un estudio longitudinal, en sujetos sanos, que emplea simultáneamente distintos biomarcadores para la caracterización y cuantificación de los cambios que ocurren en la morfología de la corteza cerebral durante la adolescencia. A través de este estudio se revela que el proceso de “alisado” que experimenta la corteza cerebral durante la adolescencia es consecuencia de una disminución de la profundidad, ligada a un incremento en el ancho, de los surcos corticales. Finalmente, esta metodología es aplicada, en un diseño transversal, para el estudio de las causas que provocan el decrecimiento tanto del grosor cortical como del índice de girificación en adolescentes con episodios tempranos de psicosis. ABSTRACT The ever evolving sophistication of magnetic resonance image techniques continue to provide new tools to characterize and quantify, in vivo, brain morphologic changes related to neurodevelopment, senescence, learning or disease. The majority of morphometric methods extract shape or size descriptors such as volume, surface area, and cortical thickness from the MRI image. These morphological measurements are commonly entered in statistical analytic approaches for testing between-group differences or for correlations between the morphological measurement and other variables such as age, sex, or disease severity. A wide variety of morphological biomarkers are reported in the literature. Despite this wide range of potentially useful biomarkers and available morphometric methods, the hypotheses and findings of the grand majority of morphological studies are biased because reports assess only one morphometric feature and usually use only one image processing method. Throughout this dissertation biomarkers and image processing strategies are combined to provide innovative and useful morphometric tools for examining brain changes during neurodevelopment. Specifically, a shape analysis technique allowing for a fine-grained assessment of regional thalamic volume in early-onset psychosis patients and healthy comparison subjects is implemented. Results show that disease-related reductions in global thalamic volume, as previously described by other authors, could be particularly driven by a deficit in the anterior-mediodorsal and pulvinar thalamic regions in patients relative to healthy subjects. Furthermore, in healthy adolescents different cortical features are extracted and combined and their interdependency is assessed over time. This study attempts to extend current knowledge of normal brain development, specifically the largely unexplored relationship between changes of distinct cortical morphological measurements during adolescence. This study demonstrates that cortical flattening, present during adolescence, is produced by a combination of age-related increase in sulcal width and decrease in sulcal depth. Finally, this methodology is applied to a cross-sectional study, investigating the mechanisms underlying the decrease in cortical thickness and gyrification observed in psychotic patients with a disease onset during adolescence.

Pulmonary Artery-Vein Segmentation in Real and Synthetic CT Images = Segmentación Arteria-Vena Pulmonares en Imágenes de CT Reales y Sintéticas

La tomografía axial computerizada (TAC) es la modalidad de imagen médica preferente para el estudio de enfermedades pulmonares y el análisis de su vasculatura. La segmentación general de vasos en pulmón ha sido abordada en profundidad a lo largo de los últimos años por la comunidad científica que trabaja en el campo de procesamiento de imagen; sin embargo, la diferenciación entre irrigaciones arterial y venosa es aún un problema abierto. De hecho, la separación automática de arterias y venas está considerado como uno de los grandes retos futuros del procesamiento de imágenes biomédicas. La segmentación arteria-vena (AV) permitiría el estudio de ambas irrigaciones por separado, lo cual tendría importantes consecuencias en diferentes escenarios médicos y múltiples enfermedades pulmonares o estados patológicos. Características como la densidad, geometría, topología y tamaño de los vasos sanguíneos podrían ser analizados en enfermedades que conllevan remodelación de la vasculatura pulmonar, haciendo incluso posible el descubrimiento de nuevos biomarcadores específicos que aún hoy en dípermanecen ocultos. Esta diferenciación entre arterias y venas también podría ayudar a la mejora y el desarrollo de métodos de procesamiento de las distintas estructuras pulmonares. Sin embargo, el estudio del efecto de las enfermedades en los árboles arterial y venoso ha sido inviable hasta ahora a pesar de su indudable utilidad. La extrema complejidad de los árboles vasculares del pulmón hace inabordable una separación manual de ambas estructuras en un tiempo realista, fomentando aún más la necesidad de diseñar herramientas automáticas o semiautomáticas para tal objetivo. Pero la ausencia de casos correctamente segmentados y etiquetados conlleva múltiples limitaciones en el desarrollo de sistemas de separación AV, en los cuales son necesarias imágenes de referencia tanto para entrenar como para validar los algoritmos. Por ello, el diseño de imágenes sintéticas de TAC pulmonar podría superar estas dificultades ofreciendo la posibilidad de acceso a una base de datos de casos pseudoreales bajo un entorno restringido y controlado donde cada parte de la imagen (incluyendo arterias y venas) está unívocamente diferenciada. En esta Tesis Doctoral abordamos ambos problemas, los cuales están fuertemente interrelacionados. Primero se describe el diseño de una estrategia para generar, automáticamente, fantomas computacionales de TAC de pulmón en humanos. Partiendo de conocimientos a priori, tanto biológicos como de características de imagen de CT, acerca de la topología y relación entre las distintas estructuras pulmonares, el sistema desarrollado es capaz de generar vías aéreas, arterias y venas pulmonares sintéticas usando métodos de crecimiento iterativo, que posteriormente se unen para formar un pulmón simulado con características realistas. Estos casos sintéticos, junto a imágenes reales de TAC sin contraste, han sido usados en el desarrollo de un método completamente automático de segmentación/separación AV. La estrategia comprende una primera extracción genérica de vasos pulmonares usando partículas espacio-escala, y una posterior clasificación AV de tales partículas mediante el uso de Graph-Cuts (GC) basados en la similitud con arteria o vena (obtenida con algoritmos de aprendizaje automático) y la inclusión de información de conectividad entre partículas. La validación de los fantomas pulmonares se ha llevado a cabo mediante inspección visual y medidas cuantitativas relacionadas con las distribuciones de intensidad, dispersión de estructuras y relación entre arterias y vías aéreas, los cuales muestran una buena correspondencia entre los pulmones reales y los generados sintéticamente. La evaluación del algoritmo de segmentación AV está basada en distintas estrategias de comprobación de la exactitud en la clasificación de vasos, las cuales revelan una adecuada diferenciación entre arterias y venas tanto en los casos reales como en los sintéticos, abriendo así un amplio abanico de posibilidades en el estudio clínico de enfermedades cardiopulmonares y en el desarrollo de metodologías y nuevos algoritmos para el análisis de imágenes pulmonares. ABSTRACT Computed tomography (CT) is the reference image modality for the study of lung diseases and pulmonary vasculature. Lung vessel segmentation has been widely explored by the biomedical image processing community, however, differentiation of arterial from venous irrigations is still an open problem. Indeed, automatic separation of arterial and venous trees has been considered during last years as one of the main future challenges in the field. Artery-Vein (AV) segmentation would be useful in different medical scenarios and multiple pulmonary diseases or pathological states, allowing the study of arterial and venous irrigations separately. Features such as density, geometry, topology and size of vessels could be analyzed in diseases that imply vasculature remodeling, making even possible the discovery of new specific biomarkers that remain hidden nowadays. Differentiation between arteries and veins could also enhance or improve methods processing pulmonary structures. Nevertheless, AV segmentation has been unfeasible until now in clinical routine despite its objective usefulness. The huge complexity of pulmonary vascular trees makes a manual segmentation of both structures unfeasible in realistic time, encouraging the design of automatic or semiautomatic tools to perform the task. However, this lack of proper labeled cases seriously limits in the development of AV segmentation systems, where reference standards are necessary in both algorithm training and validation stages. For that reason, the design of synthetic CT images of the lung could overcome these difficulties by providing a database of pseudorealistic cases in a constrained and controlled scenario where each part of the image (including arteries and veins) is differentiated unequivocally. In this Ph.D. Thesis we address both interrelated problems. First, the design of a complete framework to automatically generate computational CT phantoms of the human lung is described. Starting from biological and imagebased knowledge about the topology and relationships between structures, the system is able to generate synthetic pulmonary arteries, veins, and airways using iterative growth methods that can be merged into a final simulated lung with realistic features. These synthetic cases, together with labeled real CT datasets, have been used as reference for the development of a fully automatic pulmonary AV segmentation/separation method. The approach comprises a vessel extraction stage using scale-space particles and their posterior artery-vein classification using Graph-Cuts (GC) based on arterial/venous similarity scores obtained with a Machine Learning (ML) pre-classification step and particle connectivity information. Validation of pulmonary phantoms from visual examination and quantitative measurements of intensity distributions, dispersion of structures and relationships between pulmonary air and blood flow systems, show good correspondence between real and synthetic lungs. The evaluation of the Artery-Vein (AV) segmentation algorithm, based on different strategies to assess the accuracy of vessel particles classification, reveal accurate differentiation between arteries and vein in both real and synthetic cases that open a huge range of possibilities in the clinical study of cardiopulmonary diseases and the development of methodological approaches for the analysis of pulmonary images.

Reconstrucción paleoclimática de la zona norte de la Península Ibérica durante los últimos 600 años a partir del estudio del registro de Villaviciosa (Asturias)

Se han reconstruido las condiciones ambientales de la ría de Villaviciosa desde 1400 hasta nuestros días a partir del estudio del registro sedimentario. Para ello se perforó un sondeo de 1.90 m, cuya cronología se estableció mediante el método de racemización de aminoácidos en ostrácodos de la especie Cyprideis torosa. Asimismo, se recogieron 93 muestras (cada 2 cm), de las que se extrajeron y cuantificaron los biomarcadores (alcanos y ácidos alcanoicos), pudiendo identificar 3 períodos con condiciones distintas: 1) 1400-1550, con predominio de aporte de vegetación terrestre 2) 1550-1720, con mayor abundancia de macrofitas acuáticas, coincidiendo con la Pequeña Edad del Hielo 3) 1720-2015, alternancia de aportes terrestres y de macrofitas acuáticas, posiblemente ligados a la acción antrópica.

Palaeoenvironmental reconstruction of Las Conchas Mire (Asturias, N. Spain) from the ketone and fatty acid record= reconstrucción paleoambiental de la Turbera de las Conchas (Asturias, N. España)a partir del registro de cetonas y ácidos grasos

Se han estudiado los biomarcadores, principalmente cetonas y ácidos, preservados en el registro de 3.2 m de la Turbera de Las Conchas. Las cetonas reflejan cierta actividad bacteriana desde 94 cm hasta la base del registro, Los ácidos grasos reflejan una buena preservación de la materia orgánica, salvo en los 20 cm superiores en los que hay indicios de oxidación microbiana de alcanos .The biomarkers, mainly ketones and fally aclds, preserved In 3.2 m deep Las Conchas Mire have been studied, Kelones reflect certain bacterial activity from 94 cm to the bottom of the record. Falty aclds indlcate a good preservation of the organlc matter, wlth the exception of the uppermost 20 cm In whlch mlcroblal oxldation of alkanes are likely to occur

Biomarkers of physical activity and exercise.

Tradicionalmente, los biomarcadores han sido de interés en las ciencias del deporte para medir el rendimiento, el progreso en el entrenamiento y para identificar el sobreentrenamiento. Durante los últimos años, cada vez hay mayor interés en evaluar los efectos relacionados con la salud que se producen en el organismo debidos a una actividad física regular y al deporte. El valor o la concentración de un biomarcador depende de muchos factores, como el grado de entrenamiento, el grado de fatiga y del tipo, la intensidad y la duración del ejercicio, aparte de la edad y del sexo. La mayor parte de los biomarcadores se miden en sangre, orina y saliva. Una de las principales limitaciones que presentan los biomarcadores bioquímicos es la falta de valores de referencia adaptados específicamente para deportistas y personas físicamente activas. Las concentraciones pueden variar considerablemente de los valores de referencia normales. Por lo tanto, es importante adaptar los valores de referencia siempre y cuando sea posible y controlar a cada sujeto regularmente, con el fin de establecer su propia escala de referencia. Otros biomarcadores útiles son la composición corporal (específicamente masa muscular, masa grasa, peso), la condición física (capacidad cardiorrespiratoria, fuerza, agilidad, flexibilidad), frecuencia cardíaca y presión arterial. Dependiendo de la finalidad, será conveniente analizar uno o varios biomarcadores. Para esta revisión, profundizaremos en los biomarcadores que se emplean para evaluar condición física, fatiga crónica, sobreentrenamiento, riesgo cardiovascular, estrés oxidativo e inflamación.