Morfogénesis erosiva del relieve en Gran Canaria (Islas Canarias)

El relieve de un territorio volcánico está condicionado por la sucesión de fases magmáticas y erosivas. Una dilatada historia de fases que se alternan a lo largo del tiempo favorece la generación de relieves muy variados que se superponen en un espacio muy reducido y que dificultan evaluar los efectos morfogénicos que han tenido los procesos erosivos durante los periodos de relativa inactividad eruptiva. Este es el caso de Gran Canaria.

Computational methods to create and analyze a digital gene expression atlas of embryo development from microscopy images

Abstract The creation of atlases, or digital models where information from different subjects can be combined, is a field of increasing interest in biomedical imaging. When a single image does not contain enough information to appropriately describe the organism under study, it is then necessary to acquire images of several individuals, each of them containing complementary data with respect to the rest of the components in the cohort. This approach allows creating digital prototypes, ranging from anatomical atlases of human patients and organs, obtained for instance from Magnetic Resonance Imaging, to gene expression cartographies of embryo development, typically achieved from Light Microscopy. Within such context, in this PhD Thesis we propose, develop and validate new dedicated image processing methodologies that, based on image registration techniques, bring information from multiple individuals into alignment within a single digital atlas model. We also elaborate a dedicated software visualization platform to explore the resulting wealth of multi-dimensional data and novel analysis algo-rithms to automatically mine the generated resource in search of bio¬logical insights. In particular, this work focuses on gene expression data from developing zebrafish embryos imaged at the cellular resolution level with Two-Photon Laser Scanning Microscopy. Disposing of quantitative measurements relating multiple gene expressions to cell position and their evolution in time is a fundamental prerequisite to understand embryogenesis multi-scale processes. However, the number of gene expressions that can be simultaneously stained in one acquisition is limited due to optical and labeling constraints. These limitations motivate the implementation of atlasing strategies that can recreate a virtual gene expression multiplex. The developed computational tools have been tested in two different scenarios. The first one is the early zebrafish embryogenesis where the resulting atlas constitutes a link between the phenotype and the genotype at the cellular level. The second one is the late zebrafish brain where the resulting atlas allows studies relating gene expression to brain regionalization and neurogenesis. The proposed computational frameworks have been adapted to the requirements of both scenarios, such as the integration of partial views of the embryo into a whole embryo model with cellular resolution or the registration of anatom¬ical traits with deformable transformation models non-dependent on any specific labeling. The software implementation of the atlas generation tool (Match-IT) and the visualization platform (Atlas-IT) together with the gene expression atlas resources developed in this Thesis are to be made freely available to the scientific community. Lastly, a novel proof-of-concept experiment integrates for the first time 3D gene expression atlas resources with cell lineages extracted from live embryos, opening up the door to correlate genetic and cellular spatio-temporal dynamics. La creación de atlas, o modelos digitales, donde la información de distintos sujetos puede ser combinada, es un campo de creciente interés en imagen biomédica. Cuando una sola imagen no contiene suficientes datos como para describir apropiadamente el organismo objeto de estudio, se hace necesario adquirir imágenes de varios individuos, cada una de las cuales contiene información complementaria respecto al resto de componentes del grupo. De este modo, es posible crear prototipos digitales, que pueden ir desde atlas anatómicos de órganos y pacientes humanos, adquiridos por ejemplo mediante Resonancia Magnética, hasta cartografías de la expresión genética del desarrollo de embrionario, típicamente adquiridas mediante Microscopía Optica. Dentro de este contexto, en esta Tesis Doctoral se introducen, desarrollan y validan nuevos métodos de procesado de imagen que, basándose en técnicas de registro de imagen, son capaces de alinear imágenes y datos provenientes de múltiples individuos en un solo atlas digital. Además, se ha elaborado una plataforma de visualization específicamente diseñada para explorar la gran cantidad de datos, caracterizados por su multi-dimensionalidad, que resulta de estos métodos. Asimismo, se han propuesto novedosos algoritmos de análisis y minería de datos que permiten inspeccionar automáticamente los atlas generados en busca de conclusiones biológicas significativas. En particular, este trabajo se centra en datos de expresión genética del desarrollo embrionario del pez cebra, adquiridos mediante Microscopía dos fotones con resolución celular. Disponer de medidas cuantitativas que relacionen estas expresiones genéticas con las posiciones celulares y su evolución en el tiempo es un prerrequisito fundamental para comprender los procesos multi-escala característicos de la morfogénesis. Sin embargo, el número de expresiones genéticos que pueden ser simultáneamente etiquetados en una sola adquisición es reducido debido a limitaciones tanto ópticas como del etiquetado. Estas limitaciones requieren la implementación de estrategias de creación de atlas que puedan recrear un multiplexado virtual de expresiones genéticas. Las herramientas computacionales desarrolladas han sido validadas en dos escenarios distintos. El primer escenario es el desarrollo embrionario temprano del pez cebra, donde el atlas resultante permite constituir un vínculo, a nivel celular, entre el fenotipo y el genotipo de este organismo modelo. El segundo escenario corresponde a estadios tardíos del desarrollo del cerebro del pez cebra, donde el atlas resultante permite relacionar expresiones genéticas con la regionalización del cerebro y la formación de neuronas. La plataforma computacional desarrollada ha sido adaptada a los requisitos y retos planteados en ambos escenarios, como la integración, a resolución celular, de vistas parciales dentro de un modelo consistente en un embrión completo, o el alineamiento entre estructuras de referencia anatómica equivalentes, logrado mediante el uso de modelos de transformación deformables que no requieren ningún marcador específico. Está previsto poner a disposición de la comunidad científica tanto la herramienta de generación de atlas (Match-IT), como su plataforma de visualización (Atlas-IT), así como las bases de datos de expresión genética creadas a partir de estas herramientas. Por último, dentro de la presente Tesis Doctoral, se ha incluido una prueba conceptual innovadora que permite integrar los mencionados atlas de expresión genética tridimensionales dentro del linaje celular extraído de una adquisición in vivo de un embrión. Esta prueba conceptual abre la puerta a la posibilidad de correlar, por primera vez, las dinámicas espacio-temporales de genes y células.

Retos y oportunidades de la investigación transdisciplinar. Reflexión sobre el papel de la mecánica de materiales en biomedicina : discurso del académico electo Excmo. Sr. D. Manuel Doblaré Castellano y contestación del académico Excmo. Sr. D. Enrique Alarcón Álvarez

En este discurso de ingreso se destacó la importancia de la Mecánica de Materiales y el Modelado Matemático en Biomedicina y, en particular, se mostraron algunas aportaciones relacionadas con el comportamiento funcional de tejidos biológicos. Más en concreto se discutió la importancia de la transdisciplinariedad en la investigación actual y el papel que en esa búsqueda de un lenguaje común entre disciplinas tienen el modelado matemático y la simulación computacional.En particular, en la nueva Biomedicina basada en la evidencia, la interacción transdisciplinar es esencial, como lo demuestran resultados tan evidentes como los dispositivos e implantes inteligentes, las nuevas técnicas de imagen médica, la aparición de órganos artificiales o las crecientemente importantes técnicas de Ingeniería Tisular y Terapias Génica y Celular. Uno de los aspectos de creciente estudio en los últimos años es la epigenética, es decir, el estudio de la influencia del entorno específico de cada individuo en su respuesta biológica. Uno de estos estímulos externos, que se está constatando como fundamental, corresponde a las deformaciones, y ello en todas las escalas: molecular, celular, tisular y orgánica, dando lugar a una nueva subdisciplina: la Mecanobiología de creciente interés. En ella se acoplan los fenómenos mecánicos (movimiento, deformaciones, tensiones,..) con los biológicos (respuesta celular, expresión génica, adaptación tisular, regeneración y morfogénesis orgánica, etc.) y, en general, con otros campos físicos como la bioquímica o la electricidad también acoplados en los procesos de señalización y expresión celular. De nuevo el modelado multiescala y multifísico de estos problemas es esencial en su comprensión última y en el diseño de nuevas estrategias quirúrgicas, terapéuticas o de diagnostico. En este discurso se mostraron los problemas y posibilidades de estas metodologías y su aplicación en problemas tales como el diseño de implantes, la remodelación reparación y morfogénesis óseas, así como en la planificación preoperatoria y cirugía virtual.

Máquinas o atmósferas: La estética de la energía en la arquitectura, 1750-2000 = From Machines to Atmospheres: The Aesthetics of Energy in Architecture, 1750-2000

La energía es ya un tema arquitectónico, pero su incorporación al proyecto ha sido hasta ahora fundamentalmente técnica, dando pie a una especie de funcionalismo ecológico cuyo destino es acaso repetir los errores de los viejos funcionalismos en su confianza de encontrar modos ‘objetivos’ de transmutar la energía en forma construida, pero sin que en tal proceso parezca haber hueco para mediaciones de tipo estético. Sin embargo, son precisamente tales mediaciones las que necesitan analizarse para que la adopción de los temas energéticos resulte fructífera en la arquitectura, y asimismo para dar cuenta de otras perspectivas complementarias —filosóficas, científicas, artísticas— que hoy forman el complejo campo semántico de la energía. Partiendo de la fecha de 1750 —que da comienzo simbólicamente al proceso de contaminaciones ‘modernas’ entre la arquitectura y otras disciplinas—, esta tesis analiza los diferentes modos con los que proyectos y edificios han expresado literal y analógicamente ciertos temas o ideales energéticos, demostrando la existencia de una ‘estética de la energía’ en la arquitectura y también de una tradición proyectual e intelectual sostenida en ella. Con este fin, se han seleccionados siete metáforas que vinculan tanto técnica como ideológicamente a la arquitectura con la energía: la metáfora de la máquina, asociada al ideal de movimiento y la autorregulación; las metáforas del arabesco, del cristal y del organismo, afines entre sí en su modo de dar cuenta del principio de la morfogénesis o energía creadora de la naturaleza; la metáfora de la actividad interna de los materiales; la metáfora del gradiente, que expresa la condición térmica y climática de la arquitectura, y, finalmente, la de la atmósfera que, recogiendo los sentidos anteriores, los actualiza en el contexto de la estética contemporánea. La selección de estas siete metáforas se ha llevado a cabo después de un barrido exhaustivo de la bibliografía precedente, y ha estructurado un relato cuyo método combina la perspectiva general —que permite cartografiar las continuidades históricas— con la cercana —que atiende a las problemas específicos de cada tema o metáfora—, complementándolas con una aproximación de sesgo iconográfico cuyo propósito es incidir en los vínculos que se dan entre lo ideológico y lo morfológico. El análisis ha puesto de manifiesto cómo detrás de cada una de estas metáforas se oculta un principio ideológico común —la justificación de la arquitectura desde planteamientos externos procedentes de la ciencia, la filosofía y el arte—, y cómo en cada uno de los casos estudiados las asimilaciones más fructíferas de la energía se han producido según mecanismos de mímesis analógica que inciden más en los procesos que en las formas que estos generan, y que en último término son de índole estética, lo cual constituye un indicio de los métodos de la arquitectura por venir. ABSTRACT Although it is already an architectural theme, the matter of incorporating energy into projects has up to now been mainly technical, giving rise to a kind of ecological functionalism which may be bound to old funcionalist mistakes in hopes of finding “objective” ways of transmuting energy into built forms without aesthetic considerations. However, it is precisely such considerations that need to be analyzed if the adoption of energy issues in architecture is to bear fruit and also to account for other complementary perspectives – philosophical, scientific, artistic – which today form the complex fabric of the energy semantic field. Beginning in 1750 – symbolic start of ‘modern’ contaminations between architecture and other disciplines –, this thesis analyzes the different ways in which projects and buildings have literally and analogically expressed certain subjects or ideals on energy, and demonstrates the existence of an “aesthetics of energy” in architecture, as well as of an intellectual and design tradition based on such aesthetics. For this purpose, seven metaphors are selected to link energy to architecture both technically and ideologically: the machine’s metaphor, associated with the ideal of mouvement and self-regulation; the arabesque, glass and the organism’s metaphors, which account for the morphogenesis principle, i.e. creative energy of nature; the metaphor linked to matter and the ideal of internal activity; the gradient’s metaphor, which expressed the thermal and climatic condition of architecture, and, finally, that of the atmosphere which, collecting the above meanings, updates them in the context of contemporary aesthetics. The selection of these seven metaphors was carried out after a thorough scan of the preceding literature, and has structured a reasoning that combines the overview method – which accounts for historical continuities – with the nearby one – which meets the specifics problems of each theme or metaphor –, both supplemented with an iconographic bias, the purpose of which is to visually express the links existing between the ideological and the morphological. So presented, the analysis shows how, behind each of these metaphors, lies a common ideological principle – the justification of architecture from scientific, philosophical and artistic “external” angles –, and how in each of the studied cases the most successful assimilation of energy were those produced by aesthetic mechanisms of analogical mimesis not focused in forms but in processes that generate them: an indication of the methods of architecture to come.

Sistemas radiolarios: geometrías y arquitecturas derivadas

Uno de los temas más importantes dentro del debate contemporáneo, es el que se refiere a la sostenibilidad a largo plazo de la sociedad tal y como la entendemos hoy. El ser humano está recuperando la sensibilidad perdida que le concebía como una pieza más dentro del ciclo natural de la vida. Por fin hemos entendido que no podemos ser auto suficientes e independientes del entorno natural que nos rodea. Más allá del respeto y del cuidado, está abierta la puerta del conocimiento infinito que nos brinda la naturaleza a todos los niveles y a todas las escalas. Dentro de la disciplina arquitectónica han existido ejemplos como Antoni Gaudí o Frei Otto que han referenciado su obra en el mundo Natural, encontrando en él las estrategias y bases para el diseño arquitectónico. Sin embargo han sido una minoría dentro del enorme elenco de arquitectos defensores del ángulo recto. En las últimas décadas, la tendencia está cambiando. No nos referimos tanto a la sensibilidad creciente por conseguir una mayor eficiencia energética que ha llevado a una puesta en valor de la arquitectura vernácula, trasladando su sabiduría a las estrategias bioclimáticas. Nos referimos a un caso específico dentro del amplio abanico de formas arquitectónicas que han aparecido gracias a la incorporación de las herramientas computacionales en el diseño y la producción. Las arquitecturas que nos interesan son las que aprovechan estas técnicas para analizar e interpretar las estrategias complejas y altamente eficientes que encontramos en la naturaleza, y trasladarlas a la disciplina arquitectónica. Esta tendencia que se enmarca dentro de la Biomímesis o Biomimética es conocida con el nombre de Bioarquitectura. La presente tesis trata de morfología y sobre todo de morfogénesis. El término morfología se refiere al estudio de una forma concreta que nos permite entender un caso específico, nuestro foco de atención se centra sin embargo en la morfogénesis, es decir, en el estudio de los procesos de generación de esas formas, para poder reproducir patrones y generar abanicos de casos adaptables y reconfigurables. El hecho de estudiar la forma no quiere decir que ésta sea una tesis “formalista” con la connotación peyorativa y gestual que se le suele atribuir a este término. La investigación concibe el concepto de forma como lo hace el mundo natural: forma como síntesis de eficiencia. No hay ninguna forma natural gratuita, que no cumpla una función determinada y que no se desarrolle con el mínimo material y gaste la mínima energía posible. Este afán por encontrar la “forma eficaz” es lo que nos hace traspasar la frontera de la arquitectura formalista. El camino de investigación morfológica se traza, como el título de la tesis indica, siguiendo el hilo conductor concreto de los radiolarios. Estos microorganismos unicelulares poseen unos esqueletos tan complejos que para poder entender su morfología es necesario establecer un amplio recorrido que abarca más de 4.000 años de conocimiento humano. Desde el descubrimiento de los sólidos platónicos, poliedros que configuran muchas de las formas globales de estos esqueletos; hasta la aplicación de los algoritmos generativos, que permiten entender y reproducir los patrones de comportamiento que existen detrás de los sistemas de compactación y teselación irregular de los esqueletos radiolarios. La tesis no pretende plantear el problema desde un punto de vista biológico, ni paleontológico, aunque inevitablemente en el primer capítulo se realiza un análisis referenciado del estado del conocimiento científico actual. Sí se analizan en mayor profundidad cuestiones morfológicas y se tratan los diferentes posicionamientos desde los cuales estos microorganismos han servido de referencia en la disciplina arquitectónica. Además encontramos necesario analizar otros patrones naturales que comparten estrategias generativas con los esqueletos radiolarios. Como ya hemos apuntado, en el segundo capítulo se aborda un recorrido desde las geometrías más básicas a las más complejas, que tienen relación con las estrategias de generación de las formas detectadas en los microorganismos. A su vez, el análisis de estas geometrías se intercala con ejemplos de aplicaciones dentro de la arquitectura, el diseño y el arte. Finalizando con un cronograma que sintetiza y relaciona las tres vías de investigación abordadas: natural, geométrica y arquitectónica. Tras los dos capítulos centrales, el capítulo final recapitula las estrategias analizadas y aplica el conocimiento adquirido en la tesis, mediante la realización de diferentes prototipos que abarcan desde el dibujo analítico tradicional, a la fabricación digital y el diseño paramétrico, pasando por modelos analógicos de escayola, barras metálicas, resina, silicona, látex, etc. ABSTRACT One of the most important issues in the contemporary debate, is the one concerning the long-term sustainability of society as we understand it today. The human being is recovering the lost sensitivity that conceived us as part of the natural cycle of life. We have finally understood that we cannot be self-sufficient and independent of the natural environment which surrounds us. Beyond respect and care, we’ll find that the gateway to the infinite knowledge that nature provides us at all levels and at all scales is open. Within the architectural discipline, there have been remarkable examples such as Antoni Gaudí or Frei Otto who have inspired their work in the natural world. Both, found in nature the strategies and basis of their architectural designs. However, they have been a minority within the huge cast of architects defenders of the right angle. In recent decades, the trend is changing. We are not referring to the growing sensitivity in trying to achieve energy efficiency that has led to an enhancement of vernacular architecture, transferring its wisdom to bioclimatic strategies. We refer to a specific case within the wide range of architectural forms that have appeared thanks to the integration of computer tools in both design and production processes. We are interested in architectures that exploit these techniques to analyse and interpret the complex and highly efficient strategies found in nature, and shift them to the discipline of architecture. This trend, which is being implemented in the framework of the Biomimicry or biomimetics, is called Bioarchitecture. This thesis deals with morphology and more specifically with morphogenesis. Morphology is the study of a concrete form that allows us to understand a specific case. However, our focus is centered in morphogenesis or, in other words, the study of the processes of generation of these forms, in order to replicate patterns and generate a range of adaptable and reconfigurable cases. The fact of studying shapes does not mean that this is a “formalistic” thesis with the pejorative connotation that is often attributed to this term. This study conceives the concept of shape as Nature does: as a synthesis of efficiency. There is no meaningless form in nature. Furthermore, forms and shapes in nature play a particular role and are developed with minimum energetic consumption. This quest to find the efficient shape is what makes us go beyond formalistic architecture. The road of morphological investigation is traced, as the title of the thesis suggests, following the thread of radiolaria. These single-cell microorganisms possess very complex skeletons, so to be able to understand their morphology we must establish a wide spectrum which spans throughout more than 4.000 years of human knowledge. From the discovery of the platonic solids, polyhedrons which configure a huge range of global shapes of these skeletons, through the application of generative algorithms which allow us to understand and recreate the behavioral patterns behind the systems of compression and irregular tessellation of the radiolarian skeletons. The thesis does not pretend to lay out the problem from a biological, paleontological standpoint, although inevitably the first chapter is developed through an analysis in reference to the current state of the science. A deeper analysis of morphological aspects and different positionings is taken into account where these microorganisms have served as reference in the architectonic discipline. In addition we find necessary to analyse other natural patterns which share generative strategies with radiolarian skeletons. Aforementioned, in the second chapter an itinerary of the most basic geometries to the more complex ones is addressed. These are related, in this chapter, to the generative strategies of the shapes found in microorganisms. At the same time, the analysis of these geometries is placed among examples of applications inside the fields of architecture, design and the arts. To come to an end, a time chart synthesizes and relates the three investigation paths addressed: natural, geometrical and architectonic. After the two central chapters, the final chapter summarises the strategies analysed and applies the knowledge acquired throughout the thesis. This final chapter is shaped by the realization of different prototypes which range from traditional analytical drawings, to digital fabrication and parametric design, going through plaster analogical models, metal bars, resin, silicone, latex, etc.