Artificial Neural Nets with Interaction of Afferents

The aim is to obtain computationally more powerful, neuro physiologically founded, artificial neurons and neural nets. Artificial Neural Nets (ANN) of the Perceptron type evolved from the original proposal by McCulloch an Pitts classical paper [1]. Essentially, they keep the computing structure of a linear machine followed by a non linear operation. The McCulloch-Pitts formal neuron (which was never considered by the author’s to be models of real neurons) consists of the simplest case of a linear computation of the inputs followed by a threshold. Networks of one layer cannot compute anylogical function of the inputs, but only those which are linearly separable. Thus, the simple exclusive OR (contrast detector) function of two inputs requires two layers of formal neurons

Towards a concurrent semantics-based analysis of CC and CLP. principles and practice of constraint programming

Abstract is not available.

Multiple attractors, long chaotic transients, and failure in small-world networks of excitable neurons.

We study the dynamical states of a small-world network of recurrently coupled excitable neurons, through both numerical and analytical methods. The dynamics of this system depend mostly on both the number of long-range connections or ?shortcuts?, and the delay associated with neuronal interactions. We find that persistent activity emerges at low density of shortcuts, and that the system undergoes a transition to failure as their density reaches a critical value. The state of persistent activity below this transition consists of multiple stable periodic attractors, whose number increases at least as fast as the number of neurons in the network. At large shortcut density and for long enough delays the network dynamics exhibit exceedingly long chaotic transients, whose failure times follow a stretched exponential distribution. We show that this functional form arises for the ensemble-averaged activity if the failure time for each individual network realization is exponen- tially distributed

Applications of Formal Languages to Management of Manned and Unmanned Aircraft

En el futuro, la gestión del tráfico aéreo (ATM, del inglés air traffic management) requerirá un cambio de paradigma, de la gestión principalmente táctica de hoy, a las denominadas operaciones basadas en trayectoria. Un incremento en el nivel de automatización liberará al personal de ATM —controladores, tripulación, etc.— de muchas de las tareas que realizan hoy. Las personas seguirán siendo el elemento central en la gestión del tráfico aéreo del futuro, pero lo serán mediante la gestión y toma de decisiones. Se espera que estas dos mejoras traigan un incremento en la eficiencia de la gestión del tráfico aéreo que permita hacer frente al incremento previsto en la demanda de transporte aéreo. Para aplicar el concepto de operaciones basadas en trayectoria, el usuario del espacio aéreo (la aerolínea, piloto, u operador) y el proveedor del servicio de navegación aérea deben negociar las trayectorias mediante un proceso de toma de decisiones colaborativo. En esta negociación, es necesaria una forma adecuada de compartir dichas trayectorias. Compartir la trayectoria completa requeriría un gran ancho de banda, y la trayectoria compartida podría invalidarse si cambiase la predicción meteorológica. En su lugar, podría compartirse una descripción de la trayectoria independiente de las condiciones meteorológicas, de manera que la trayectoria real se pudiese calcular a partir de dicha descripción. Esta descripción de la trayectoria debería ser fácil de procesar usando un programa de ordenador —ya que parte del proceso de toma de decisiones estará automatizado—, pero también fácil de entender para un operador humano —que será el que supervise el proceso y tome las decisiones oportunas—. Esta tesis presenta una serie de lenguajes formales que pueden usarse para este propósito. Estos lenguajes proporcionan los medios para describir trayectorias de aviones durante todas las fases de vuelo, desde la maniobra de push-back (remolcado hasta la calle de rodaje), hasta la llegada a la terminal del aeropuerto de destino. También permiten describir trayectorias tanto de aeronaves tripuladas como no tripuladas, incluyendo aviones de ala fija y cuadricópteros. Algunos de estos lenguajes están estrechamente relacionados entre sí, y organizados en una jerarquía. Uno de los lenguajes fundamentales de esta jerarquía, llamado aircraft intent description language (AIDL), ya había sido desarrollado con anterioridad a esta tesis. Este lenguaje fue derivado de las ecuaciones del movimiento de los aviones de ala fija, y puede utilizarse para describir sin ambigüedad trayectorias de este tipo de aeronaves. Una variante de este lenguaje, denominada quadrotor AIDL (QR-AIDL), ha sido desarrollada en esta tesis para permitir describir trayectorias de cuadricópteros con el mismo nivel de detalle. Seguidamente, otro lenguaje, denominado intent composite description language (ICDL), se apoya en los dos lenguajes anteriores, ofreciendo más flexibilidad para describir algunas partes de la trayectoria y dejar otras sin especificar. El ICDL se usa para proporcionar descripciones genéricas de maniobras comunes, que después se particularizan y combinan para formar descripciones complejas de un vuelo. Otro lenguaje puede construirse a partir del ICDL, denominado flight intent description language (FIDL). El FIDL especifica requisitos de alto nivel sobre las trayectorias —incluyendo restricciones y objetivos—, pero puede utilizar características del ICDL para proporcionar niveles de detalle arbitrarios en las distintas partes de un vuelo. Tanto el ICDL como el FIDL han sido desarrollados en colaboración con Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). También se ha desarrollado un lenguaje para definir misiones en las que interactúan varias aeronaves, el mission intent description language (MIDL). Este lenguaje se basa en el FIDL y mantiene todo su poder expresivo, a la vez que proporciona nuevas semánticas para describir tareas, restricciones y objetivos relacionados con la misión. En ATM, los movimientos de un avión en la superficie de aeropuerto también tienen que ser monitorizados y gestionados. Otro lenguaje formal ha sido diseñado con este propósito, llamado surface movement description language (SMDL). Este lenguaje no pertenece a la jerarquía de lenguajes descrita en el párrafo anterior, y se basa en las clearances (autorizaciones del controlador) utilizadas durante las operaciones en superficie de aeropuerto. También proporciona medios para expresar incertidumbre y posibilidad de cambios en las distintas partes de la trayectoria. Finalmente, esta tesis explora las aplicaciones de estos lenguajes a la predicción de trayectorias y a la planificación de misiones. El concepto de trajectory language processing engine (TLPE) se usa en ambas aplicaciones. Un TLPE es una función de ATM cuya principal entrada y salida se expresan en cualquiera de los lenguajes incluidos en la jerarquía descrita en esta tesis. El proceso de predicción de trayectorias puede definirse como una combinación de TLPEs, cada uno de los cuales realiza una pequeña sub-tarea. Se le ha dado especial importancia a uno de estos TLPEs, que se encarga de generar el perfil horizontal, vertical y de configuración de la trayectoria. En particular, esta tesis presenta un método novedoso para la generación del perfil vertical. El proceso de planificar una misión también se puede ver como un TLPE donde la entrada se expresa en MIDL y la salida consiste en cierto número de trayectorias —una por cada aeronave disponible— descritas utilizando FIDL. Se ha formulado este problema utilizando programación entera mixta. Además, dado que encontrar caminos óptimos entre distintos puntos es un problema fundamental en la planificación de misiones, también se propone un algoritmo de búsqueda de caminos. Este algoritmo permite calcular rápidamente caminos cuasi-óptimos que esquivan todos los obstáculos en un entorno urbano. Los diferentes lenguajes formales definidos en esta tesis pueden utilizarse como una especificación estándar para la difusión de información entre distintos actores de la gestión del tráfico aéreo. En conjunto, estos lenguajes permiten describir trayectorias con el nivel de detalle necesario en cada aplicación, y se pueden utilizar para aumentar el nivel de automatización explotando esta información utilizando sistemas de soporte a la toma de decisiones. La aplicación de estos lenguajes a algunas funciones básicas de estos sistemas, como la predicción de trayectorias, han sido analizadas. ABSTRACT Future air traffic management (ATM) will require a paradigm shift from today’s mainly tactical ATM to trajectory-based operations (TBOs). An increase in the level of automation will also relieve humans —air traffic control officers (ATCOs), flight crew, etc.— from many of the tasks they perform today. Humans will still be central in this future ATM, as decision-makers and managers. These two improvements (TBOs and increased automation) are expected to provide the increase in ATM performance that will allow coping with the expected increase in air transport demand. Under TBOs, trajectories are negotiated between the airspace user (an airline, pilot, or operator) and the air navigation service provider (ANSP) using a collaborative decision making (CDM) process. A suitable method for sharing aircraft trajectories is necessary for this negotiation. Sharing a whole trajectory would require a high amount of bandwidth, and the shared trajectory might become invalid if the weather forecast changed. Instead, a description of the trajectory, decoupled from the weather conditions, could be shared, so that the actual trajectory could be computed from this trajectory description. This trajectory description should be easy to process using a computing program —as some of the CDM processes will be automated— but also easy to understand for a human operator —who will be supervising the process and making decisions. This thesis presents a series of formal languages that can be used for this purpose. These languages provide the means to describe aircraft trajectories during all phases of flight, from push back to arrival at the gate. They can also describe trajectories of both manned and unmanned aircraft, including fixedwing and some rotary-wing aircraft (quadrotors). Some of these languages are tightly interrelated and organized in a language hierarchy. One of the key languages in this hierarchy, the aircraft intent description language (AIDL), had already been developed prior to this thesis. This language was derived from the equations of motion of fixed-wing aircraft, and can provide an unambiguous description of fixed-wing aircraft trajectories. A variant of this language, the quadrotor AIDL (QR-AIDL), is developed in this thesis to allow describing a quadrotor aircraft trajectory with the same level of detail. Then, the intent composite description language (ICDL) is built on top of these two languages, providing more flexibility to describe some parts of the trajectory while leaving others unspecified. The ICDL is used to provide generic descriptions of common aircraft manoeuvres, which can be particularized and combined to form complex descriptions of flight. Another language is built on top of the ICDL, the flight intent description language (FIDL). The FIDL specifies high-level requirements on trajectories —including constraints and objectives—, but can use features of the ICDL to provide arbitrary levels of detail in different parts of the flight. The ICDL and FIDL have been developed in collaboration with Boeing Research & Technology Europe (BR&TE). Also, the mission intent description language (MIDL) has been developed to allow describing missions involving multiple aircraft. This language is based on the FIDL and keeps all its expressive power, while it also provides new semantics for describing mission tasks, mission objectives, and constraints involving several aircraft. In ATM, the movement of aircraft while on the airport surface also has to be monitored and managed. Another formal language has been designed for this purpose, denoted surface movement description language (SMDL). This language does not belong to the language hierarchy described above, and it is based on the clearances used in airport surface operations. Means to express uncertainty and mutability of different parts of the trajectory are also provided. Finally, the applications of these languages to trajectory prediction and mission planning are explored in this thesis. The concept of trajectory language processing engine (TLPE) is used in these two applications. A TLPE is an ATM function whose main input and output are expressed in any of the languages in the hierarchy described in this thesis. A modular trajectory predictor is defined as a combination of multiple TLPEs, each of them performing a small subtask. Special attention is given to the TLPE that builds the horizontal, vertical, and configuration profiles of the trajectory. In particular, a novel method for the generation of the vertical profile is presented. The process of planning a mission can also be seen as a TLPE, where the main input is expressed in the MIDL and the output consists of a number of trajectory descriptions —one for each aircraft available in the mission— expressed in the FIDL. A mixed integer linear programming (MILP) formulation for the problem of assigning mission tasks to the available aircraft is provided. In addition, since finding optimal paths between locations is a key problem to mission planning, a novel path finding algorithm is presented. This algorithm can compute near-shortest paths avoiding all obstacles in an urban environment in very short times. The several formal languages described in this thesis can serve as a standard specification to share trajectory information among different actors in ATM. In combination, these languages can describe trajectories with the necessary level of detail for any application, and can be used to increase automation by exploiting this information using decision support tools (DSTs). Their applications to some basic functions of DSTs, such as trajectory prediction, have been analized.

Colocalization of α-actinin and Synaptopodin in the Pyramidal Cell Axon Initial Segment

The cisternal organelle that resides in the axon initial segment (AIS) of neocortical and hippocampal pyramidal cells is thought to be involved in regulating the Ca(2+) available to maintain AIS scaffolding proteins, thereby preserving normal AIS structure and function. Through immunocytochemistry and correlative light and electron microscopy, we show here that the actin-binding protein ?-actinin is present in the typical cistenal organelle of rodent pyramidal neurons as well as in a large structure in the AIS of a subpopulation of layer V pyramidal cells that we have called the "giant saccular organelle." Indeed, this localization of ?-actinin in the AIS is dependent on the integrity of the actin cytoskeleton. Moreover, in the cisternal organelle of cultured hippocampal neurons, ?-actinin colocalizes extensively with synaptopodin, a protein that interacts with both actin and ?-actinin, and they appear concomitantly during the development of these neurons. Together, these results indicate that ?-actinin and the actin cytoskeleton are important components of the cisternal organelle that are probably required to stabilize the AIS.

On the Degree of Team Cooperation in CD Grammar Systems.

In this paper, we introduce a dynamical complexity measure, namely the degree of team cooperation, in the aim of investigating "how much" the components of a grammar system cooperate when forming a team in the process of generating terminal words. We present several results which strongly suggest that this measure is trivial in the sense that the degree of team cooperation of any language is bounded by a constant. Finally, we prove that the degree of team cooperation of a given cooperating/distributed grammar system cannot be algorithmically computed and discuss a decision problem.

Policy processes and collective action in water reforms: the cases of Nicaragua and Suriname

Las reformas de agua en países en desarrollo suelen llevarse a cabo junto con cambios institucionales más profundos o, incluso, acompañadas de cambios constitucionales o de régimen político. Por lo tanto, los marcos institucionales adaptados a países gobernados sujetos al estado de derecho pueden no ser apropiados para contextos gobernados fundamentalmente, al menos en sus inicios, por instituciones informales o poco maduras. Esta tesis toma las reformas de agua como punto de partida y pretende contribuir a la literatura mediante una serie de análisis empíricos tanto del ámbito general como del plano individual o sujeto personal de la política del agua. En el ámbito general, el foco se pone en los factores que explican el fallo de la acción colectiva en dos contextos diferentes: 1) en la implementación de la nueva Ley de Aguas de Nicaragua y 2) en el mantenimiento y revitalización de las instituciones de riego en Surinam. En el plano del individuo, la investigación se centra en las decisiones de los usuarios de los recursos y analiza el papel crítico de las variables sociales para la gestión de los recursos comunes. Para ello, el método de investigación utilizado es mixto, combinando el análisis de entrevistas, encuestas y experimentos. En el ámbito general, los resultados muestran que las principales barreras para la implementación de la nueva Ley de Aguas de Nicaragua podrían tener su reflejo en el lenguaje de la Ley y, por tanto, en la forma en la que se definen y configuran las instituciones incluidas en dicha Ley. Así, la investigación demuestra que la implementación de políticas no puede ser estudiada o entendida sin tener en cuenta tanto el diseño de la propia política como el marco socio-ecológico en el que se enmarca. El contexto específico de Nicaragua remarca la importancia de considerar tanto las instituciones formales como informales en los procesos de transición política. A pesar de que las reformas de agua requieren plazos largos para su implementación, el hecho de que exista una diferencia entre las reglas tal cual se definen formalmente y las reglas que operan en la realidad merece una mayor consideración en el diseño de políticas basadas fundamentalmente en instituciones formales. En el ámbito de la conducta individual, el análisis de la acción colectiva ofrece una serie de observaciones empíricas interesantes. En el caso de Nicaragua, los resultados indican que la intensidad de las relaciones sociales, el tipo de agentes dispuestos a proporcionar apoyo social y el nivel de confianza en la comunidad son factores que explican de manera significativa la participación en la comunidad. Sin embargo, el hecho de que la gestión colectiva de riego se produzca, en la mayoría de casos, en torno a lazos familiares sugiere que las variables de capital social críticas se definen en gran medida en la esfera familiar, siendo difícil que se extiendan fuera de estos nexos. El análisis experimental de los resultados de un juego de uso de recurso común y contribución al bien público muestra que las preferencias pro-sociales de los individuos y la heterogeneidad del grupo en términos de composición por sexo son factores que explican significativamente los resultados y las decisiones de apropiación a lo largo del juego. En términos del diseño de las políticas, es fundamental tener en cuenta las dinámicas de participación y uso de los recursos comunes de manera que los niveles de cooperación puedan mantenerse en el largo plazo, lo cual, como se observa en el caso de Surinam, no es siempre posible. Finalmente, el caso de Surinam es un ejemplo ilustrativo de los procesos de acción colectiva en economías en transición. El análisis del fallo de la acción colectiva en Surinam muestra que los procesos políticos vinculados al período colonial y de independencia explican en gran medida la falta de claridad en las reglas operacionales y colectivas que gobiernan la gestión de los sistemas de riego y drenaje. Los resultados empíricos sugieren que a pesar de que la acción colectiva para la provisión de los servicios de riego y drenaje estaba bien establecida bajo el régimen colonial, la auto-organización no prosperó en un contexto dependiente del apoyo externo y regido fundamentalmente por reglas diseñadas al nivel competencial del gobierno central. El sistema socio-ecológico que se desarrolló durante la transición post-colonial favoreció, así, la emergencia de comportamientos oportunistas, y posteriormente la inoperancia de los Water Boards (WBs) creados en la época colonial. En este sentido, cualquier intento por revitalizar los WBs y fomentar el desarrollo de la auto-organización de los usuarios necesitará abordar los problemas relacionados con los patrones demográficos, incluyendo la distribución de la tierra, el diseño de instituciones y la falta de confianza en el gobierno, además de las inversiones típicas en infraestructura y sistemas de información hidrológicos. El liderazgo del gobierno, aportando empuje de arriba-abajo, es, además, otro elemento imprescindible en Surinam. ABSTRACT Water reforms in developing countries take place along deeper institutional and even constitutional. Therefore, institutional frameworks that might result in positive outcomes in countries governed by the rule of law might not fit in contexts governed mainly by informal or immature institutions. This thesis takes water reforms as the starting point and aims to contribute to the literature by presenting several conceptual and empirical analyses at both general and individual levels. At the general national level, the focus is on the factors explaining failure of collective action in two different settings: 1) in the implementation of the new Nicaraguan Water Law and 2) in sustaining and revitalizing irrigation institutions in Suriname. At the individual level, the research focuses on the actions of resource users and analyzes the critical role of social variables for common pool resources management. For this purpose, the research presented in this thesis makes use of a mixed-method approach, combining interviews, surveys and experimental methods. Overall, the results show that major barriers for the implementation of the new Nicaraguan Water Law have its reflection on the language of the Law and, therefore, on the way institutions are defined and configured. In this sense, our study shows that implementation cannot fruitfully be studied and understood without taking into account both the policy design and the social-ecological context in which it is framed. The specific setting of Nicaragua highlights the relevance of considering both formal and informal institutions when promoting policy transitions. Despite the unquestionable fact that water reforms implementation needs long periods of time, there is still a gap between the rules on paper and the rules on the ground that deserves further attention when proposing policy changes on the basis of formal institutions. At the level of the individual agent, the analysis of collective action provides a number of interesting empirical insights. In the case of Nicaragua, I found that the intensity of social networks, the type of agents willing to provide social support and the level of trust in the community are all significant factors in explaining collective action at community level. However, the fact that most collective irrigation relies on family ties suggests that critical social capital variables might be defined within the family sphere and making it difficult to go beyond it. Experimental research combining a common pool resource and a public good game in Nicaragua shows that individuals’ pro-social traits and group heterogeneity in terms of sex composition are significant variables in explaining efficiency outcomes and effort decisions along the game. Thus, with regard to policy design, it is fundamental to consider carefully the dynamics of agents' participation and use of common pool resources, for sustaining cooperation in the long term, which, as seen in the case and Surinam, is not always possible. The case of Suriname provides a rich setting for the analysis of collective action in transition economies. The analysis of decay of collective irrigation in Suriname shows that the lack of clear operational and collective choice rules appear to be rooted in deeper political processes that date back to the colonial period. The empirical findings suggest that despite collective action for the provision of irrigation and drainage services was well established during the colonial period, self-organization did not flourish in a context governed by colonial state-crafted rules and mostly dependent on external support. The social-ecological system developed during the post-colonial transition process favored the emergence of opportunistic behavior. In this respect, any attempt to revitalize WBs and support self-organization will need to tackle the problems derived from demographic patterns, including land allocation, institutions design and government distrust, in addition to the typical investments in both physical infrastructure and hydrological information systems. The leadership role of the government, acting as a top-down trigger, is another essential element in Suriname.

The effects of cocaine self-administration on dendritic spine density in the rat hippocampus are dependent on genetic background

Chronic exposure to cocaine induces modifications to neurons in the brain regions involved in addiction. Hence, we evaluated cocaine-induced changes in the hippocampal CA1 field in Fischer 344 (F344) and Lewis (LEW) rats, 2 strains that have been widely used to study genetic predisposition to drug addiction, by combining intracellular Lucifer yellow injection with confocal microscopy reconstruction of labeled neurons. Specifically, we examined the effects of cocaine self-administration on the structure, size, and branching complexity of the apical dendrites of CA1 pyramidal neurons. In addition, we quantified spine density in the collaterals of the apical dendritic arbors of these neurons. We found differences between these strains in several morphological parameters. For example, CA1 apical dendrites were more branched and complex in LEW than in F344 rats, while the spine density in the collateral dendrites of the apical dendritic arbors was greater in F344 rats. Interestingly, cocaine self-administration in LEW rats augmented the spine density, an effect that was not observed in the F344 strain. These results reveal significant structural differences in CA1 pyramidal cells between these strains and indicate that cocaine self-administration has a distinct effect on neuron morphology in the hippocampus of rats with different genetic backgrounds.

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.

Review of experimental results related to the operation of intermediate band solar cells

The intermediate band solar cell (IBSC) has drawn the attention of the scientific community as a means to achieve high-efficiency solar cells. Complete IBSC devices have been manufactured using quantum dots, highly mismatched alloys, or bulk materials with deep-level impurities. Characterization of these devices has led, among other experimental results, to the demonstration of the two operating principles of an IBSC: the production of the photocurrent from the absorption of two below bandgap energy photons and the preservation of the output voltage of the solar cell. This study offers a thorough compilation of the most relevant reported results for the variety of technologies investigated and provides the reader with an updated record of IBSC experimental achievements. A table condensing the reported experimental results is presented, which provides information at a glance about achievements, as well as pending results, for every studied technology.

Feo, inútil, inestable: pensamiento crítico contemporáneo y procesos proyectivos en arquitectura = Ugly, useless, unstable: contemporary critical thought and projective processes in architecture

La presente tesis doctoral persigue dos objetivos simultáneos: Determinar el alcance de los criterios clásicos para la evaluación de arquitectura y poner en crisis la prevalencia de esos mismos criterios dentro del marco crítico y productivo actual. En concreto, esta tesis se interroga sobre la posible contribución de determinadas corrientes del pensamiento post-estructuralista y neo-materialista a las tareas de expansión y transformación de los criterios clásicos antes mencionados. Asimismo, se plantea la oportunidad de formalizar estas incorporaciones conceptuales como metodologías para el proyectar arquitectónico. La tesis emplea un análisis pormenorizado de las cualidades implícitas en la triada Firmitas, Utilitas, Venustas elaborada por Vitruvio como vehículo para calibrar la influencia de los paradigmas de pensamiento clásico en nuestras posiciones críticas contemporáneas. Como reacción al carácter dominante de dichos paradigmas, y con la ayuda de una compilación selectiva de ejemplos procedentes de los campos artístico y arquitectónico, la presente tesis procede a examinar y clasificar diversas estrategias arquitectónicas basadas en la no conformidad con los criterios clásicos de evaluación de la disciplina. A la hora de realizar esta tarea, y con el objetivo de superar el dualismo trascendental que caracteriza la gran mayoría de dichos criterios clásicos, se propone un modelo analítico y multidimensional que formula las instancias arquitectónicas como posibles posiciones dentro de un extenso continuo combinatorio de cualidades formales, estructurales y organizativas. Este modelo conceptual permite replantear el aparente antagonismo entre los principios de Vitruvio y sus opuestos, estableciendo en su lugar un dominio operativo continuo de producción arquitectónica. Esta operación abre una ventana de oportunidad para expandir los límites del marco crítico actual más allá de las fronteras establecidas por nuestra herencia clásica. En consecuencia con esta voluntad, la presente tesis pretende habilitar un ámbito para el análisis crítico de las estrategias que caracterizan ciertas corrientes del proyectar contemporáneo, pero también contribuir a informar nuevas aproximaciones metodológicas al proceso de proyecto, desplazando progresivamente su foco desde lo descriptivo hacia lo proyectivo. ABSTRACT This doctoral thesis attempts to simultaneously determine the scope of the classical criteria for the evaluation of architecture and challenge their prevalence within the current framework of architectural production and criticism. It examines how specific strands of post-structuralism and neo-materialism may contribute to both the expansion and the transformation of these criteria and, in doing so, sets itself the goal of mobilising these conceptual incorporations as explicit design methodologies. A detailed analysis of the formal, structural and organisational qualities implicit in Vitruvius’ triad Firmitas, Utilitas, Venustas is used as a starting point to determine the influence of classical paradigms in our current critical positions. As a reaction to this critical pervasiveness, and supported by a curated collection of artistic and architectural works, diverse approaches to non-compliance with the classical criteria of assessment are examined and classified. In order to facilitate this endeavour -and to overcome the transcendental dualism of most classical critical approaches in architecture- this thesis puts forward an analytical, multidimensional model that formulates architectural instances as possible positions within a larger combinatory continuum of formal, structural and organisational qualities. Using this conceptual model, the apparent antagonism between Vitruvius’ principles and its non-compliant opposites is reframed as a continuous operative domain of architectural production, which in turn opens up a window of opportunity to expand the limits of our critical framework beyond the boundaries of classical paradigms. In doing so, this thesis attempts not only to foster a better understanding of some of the strategic approaches that characterise contemporary systems of architectural production, but also to inform future methodological approaches to architectural design, hence situating itself beyond the domain of the descriptive and moving towards the projective.

Haptically assisted connection procedure for the reconstruction of dendritic spines

Dendritic spines are thin protrusions that cover the dendritic surface of numerous neurons in the brain and whose function seems to play a key role in neural circuits. The correct segmentation of those structures is difficult due to their small size and the resulting spines can appear incomplete. This paper presents a four-step procedure for the complete reconstruction of dendritic spines. The haptically driven procedure is intended to work as an image processing stage before the automatic segmentation step giving the final representation of the dendritic spines. The procedure is designed to allow both the navigation and the volume image editing to be carried out using a haptic device. A use case employing our procedure together with a commercial software package for the segmentation stage is illustrated. Finally, the haptic editing is evaluated in two experiments; the first experiment concerns the benefits of the force feedback and the second checks the suitability of the use of a haptic device as input. In both cases, the results shows that the procedure improves the editing accuracy.

La estética de la deformación en la era de la cultura de masas : un proyecto de Alison y Peter Smithson

Alison Margaret Gill y Peter Denham Smithson son, o eran, ambos murieron hace ya algunos años, dos arquitectos. Así dicho, esto suena a obviedad. Sin embargo no lo es, porque siempre han sido compactados en una unidad proyectual, bien bajo las siglas Alison y Peter Smithson, o bien, más puntualmente todavía, como los Smithson. Cuando Leibniz en 1696 le dice a la princesa electora Sofía que en algo tan puntual y homogéneo aparentemente como una gota de agua, vista al microscopio, resulta haber más de un millón de animales vivos, se puede empezar a vislumbrar el resultado de la Tesis. El resultado de este trabajo no se contempla un millón de partículas pero sí dos. La obra de Alison y Peter Smithson esta conformada desde su inicio probablemente por la particularidad de que en ella intervienen tanto Gill como Smithson, aunque cada uno sea en mayor o menor medida la o el responsable de un proyecto. Puesto al microscopio el proyecto del que se ocupa la Tesis, el concurso de 1953 para la ampliación de la Universidad de Sheffield, se estima que está compuesto de dos partes diferentes y que como Los Smithson o como una gota de agua, su unidad es una mera convención, una forma de designarlo y tratarlo, que falsea en algo su apreciación, aunque, como se verá, es lo que provoca el extraño efecto que como imagen ejerce. El Capítulo I descubre la duplicidad. Reyner Banham fijó en 1955, en el artículo The New Brutalism, el modo de encarar el proyecto de Sheffield cuando proyectó sobre él lo más novedoso que en el campo de la pintura ocurría en ese momento, el Art Autre. Michel Tapié ve en el informalismo presente en las obras que él engloba como un <> rasgos que puede presentar a la luz de conceptos que extrae de Riemann, matemático del s. XIX, introductor de una nueva geometría. La Tesis remonta por tanto hasta Riemann, a la búsqueda del concepto del que penden tanto Tapié como Banham. El concepto es la variedad continua; un conjunto, cuyos elementos pueden recorrer la extensión de la variedad mediante una deformación continua, como si dijéramos, diluyéndose unos en otros sin cortes entre sí. Los ejemplos del informalismo serían, por tanto, los puntos de la variedad, formas inestables o detenciones aleatorias en este transitar continuo de un mismo objeto. La visión de cuerpos en cortes aleatorios a la evolución otorga a sus formas cualesquiera la condición de extrañeza o perturbación, produciendo un impacto en la mente que lo graba instintivamente en la materia de la memoria. Así, es la memorabilidad, dada precisamente por el impacto que supone ver cuerpos en estado evolutivo, sin una forma precisa, la propiedad que gobierna a los objetos que caen bajo el Art Autre, y es la memorabilidad el rasgo distintivo de Sheffield para Banham. Este sentido evolutivo que se puede asociar a los elementos de una variedad entra en consonancia con una variedad de estados en evolución en el marco de las especies orgánicas. No sólo como individuo sino también como especie. La coincidencia no sólo es formal, también es temporal entre el descubrimiento de Riemann de la variedad continua y el de Darwin de la evolución de las especies. Ve Darwin que algunos ejemplares presentan en su cuerpo conformaciones normales de especies diferentes, que puede entenderse como una anormalidad o defecto evolutivo, lo que él llama <>. Un ejemplar monstruoso no es capaz de abrir una escisión de la variedad y en este sentido rompe su cadena evolutiva. Es un elemento, por tanto extraño a la variedad. Lo peculiar que expone Darwin, es que la monstruosidad puede ser provocada artificialmente por motivos estéticos, como ocurre en determinados animales o plantas ornamentales. Bien, esto es exactamente lo que descubre la Tesis en el proyecto de Sheffield. La unión en un solo proyecto de dos conformaciones de naturaleza diferente. El Capítulo II indaga en la naturaleza dual de Sheffield. Y la descubre en la aplicación de dos principios que tienen múltiples derivas, pero interesante en una en particular, referida al espacio. Uno es el Principio de Posición. Bajo él se contempla la situación del concurso dada en su globalidad, en una visión totalizadora que permite buscar y destacar posiciones singulares y tener un control preciso del proyecto desde el inicio. Se dice que es la opción normal en arquitectura comprender el espacio en su conjunto y que el trazado de ejes y el reparto del espacio obedecen a este principio. Son así vistos la propuesta ganadora del equipo GMW y fundamentalmente el trazado de ejes en la obra de Le Corbusier. Una parte de Sheffield es un producto típico de este modo de proceder. Hay un segundo principio que es el Principio de Transición Continua. En los términos expuestos para la variedad de Riemann, sería como si en lugar de ver cuerpos en estados concretos, por deformados que pudieran ser, nos introdujéramos dentro de la propia variedad acoplándonos al curso de la evolución misma, en un acto de unión interior con la marcha de la evolución. Para ejercer esta acción se toma como punto inicial el extremo del edificio universitario existente, el Firth Court, y se lleva cabo un estiramiento continuo. En esto radica lo que la Tesis distingue como la ampliación, el cuerpo que se enrosca paulatinamente. Para exponer este concepto, la Tesis se apoya en un ejercicio llevado a cabo por Raymond Unwin en Hampstead, el close, o estiramiento lateral del borde de un viario para hacer surgir el espacio útil residencial. A partir del concepto de close, se deriva en la urbanística americana de principios del s. XX el concepto de cluster, que pasa a ser uno de los argumentos principales de la teoría de Alison y de Peter Smithson en los años 50. El Capítulo III plantea la dificultad de mantener la dualidad de Sheffield a primeros de los 50, sometido el proyecto de arquitectura a la unicidad que impone el criterio hegemónico de Rudolf Wittkower desde “Los Fundamentos de la Arquitectura en la Edad del Humanismo”. Como en el Capítulo I, la obligación que se traza la Tesis es remontar los orígenes de las cosas que se tratan, y en este caso, entrar en las fuentes del principio proporcional. Se descubren así los fundamentos de la proporción aritmética y geométrica en el seno del pitagorismo, sus problemas y su evolución. La postura de los dos arquitectos frente a Wittkower es de admiración, pero también de libertad. Esta libertad suya es la que defiende la Tesis. Cotejando lo que da de sí la arquitectura basada en los principios proporcionales con otra arquitectura estancada en el paso del Renacimiento al Barroco como es la arquitectura perspectiva y proyectiva, la arquitectura oblicua, recuperada a la sazón por medio de la intervención en la Tesis de Panofsky, se dirimen aspectos colaterales pero fundamentales de una renovación de los planteamientos: hay planteamientos que se dicen esencialistas y objetivos y otros funcionales y que derivan en subjetivos y relacionales. Sobre estas dos marcos de categorías el propósito que persigue la Tesis es dar cuenta de los dos principios que rigen lo visto en el Capítulo II, el Principio de Posición y el Principio de Transición Continua, responsables ambos, al 50%, de la monstruosidad detectada en Sheffield, que no es negativa, sino, como decía Darwin, la combinación en un solo cuerpo de conformaciones normales en animales de especies diferentes, incluso con fines estéticos. En Sheffield existe, y esta dibujada, la figura de una cabeza escultural con un doble rostro. Todo el trabajo de la Tesis se encamina, en definitiva, a explicar, con toda la claridad y extensión que me ha sido posible, en qué consiste ese doble rostro. ABSTRACT Peter and Alison Smithson’s work is, is from its start, very influenced by both Alison Margaret Gill and Peter Denham Smithson. The matter of study of this Thesis, the 1953 competition for the expansion of the University of Sheffield, estimated after its exam, which is composed by two different parts, which, together produce a strange effect as an image. Reyner Banham in 1955 described the image in his article “The New Brutalism” as the key argument (most iconic) for the Sheffield’s project. The way his image powerfully influences sensitivity, by perturbation, makes this a singular and memorable image. This feature, only present in Sheffield, over any other building of the time, even from the same architects, allow Banham to associate the project to Art Autre, thought by Michel Tapié as a new artistic movement, to which Sheffield will belong, in the architecture part. Tapié sees in the informalism of works considered Art Autre some aspects that can bring concepts he extracts from Riemann, XIX Century mathematician, father of the new geometry. This Thesis discovers Riemann’s concept of continuous variety, a set whose elements are able to go through variety by a continuous deformation, diluting themselves without touching each other. Examples of informalism would be, points of that variety, unstable forms or random detentions in the continuous transit of the same object. Therefore, the condition of memorability comes precisely from the impact that seeing bodies in state of evolution creates. That evolutive sense that can be associated to elements of a variety, comes together with a variety of states of evolution in the world of organic species. Not only as an individual, but as well as a species. Coincidence between Riemann and Darwin’s discoveries is not only formal, but as well temporary. Darwin observes that some individuals of concrete species present on their bodies some features, typical of other species, which may be interpreted as evolutive failure. But the most peculiar part of what Darwin exposes is that monstrosity can indeed be artificially made for aesthetical purposes, like it happens in certain animals and plants. Well, this is what the Thesis discovers in Sheffield’s project. The union in a single project of two different nature forms, of which none on the parts is a deformation of the other, but they are both irreducible. Once both parts are collated, a new system which adapts well is discovered. It is a system created by Leibniz in the XVII Century, created to distinguish to principles that clear the difference between the equation methods and differential calculus. This principles are the Principle of Position and the Principle of Continuity. This two principles, translated to the spatial analysis field are key for the two parts of the project. On the one hand, the part developing in a lineal axis belongs to the Principle of Position. This means that that there is a global vision of space after which it is decided which operation to follow, which in this case consists of establishing an axis between two singular positions of the university area. The part which is being deformed while it goes is studied as a continuous action of stretching an existing building, the Firth Court, in which there is no previous spatial analysis. The only way to understand and to explain this action is by the Principle of Continuity. So, all in all, the Thesis changes the view of Sheffield from an Art Autre work to a “monstrosity”, without the negative meaning of it, just as a combination of two different nature formations, which, at the same time, justifies its power as iconic image. Finally, I would like to point out that in the Sheffield’s project there is (drawn and also physically) a sculptural head which has the feature of representing both, a man and a woman’s face. All the work of this Thesis leads to explaining the double nature of the project, taking this double expression head as inspiration.