Search strategies and the automated control of plant diseases

We propose the use of the "infotaxis" search strategy as the navigation system of a robotic platform, able to search and localize infectious foci by detecting the changes in the profile of volatile organic compounds emitted by and infected plant. We builded a simple and cost effective robot platform that substitutes odour sensors in favour of light sensors and study their robustness and performance under non ideal conditions such as the exitence of obstacles due to land topology or weeds.

Microtermometría, direcciones de flujo hidrotermal y metalogenia del yacimiento de tungsteno de Pasto Bueno (Ancash, Perú)

El yacimiento de Pasto Bueno se localiza en el extremo nordeste del Batolito de la Cordillera Blanca, comprende diversas vetas, generalmente subverticales, asociadas al stock cuarzomonzonitico de Consuzo, datado como Terciario Superior, que intruye a las pizarras de la fm. Chicama y cuarcitas de la fm. Chimu. Las principales vetas discurren con direccion N-S cortando al stock, aunque tambien existen sistemas NE-SW asi como NW-SE encajados sobre las rocas metamorficas. La mineralogia de mena reconocida comprende wolframita (hubnerita), tetraedrita/tenantita, esfalerita y galena, en una ganga de cuarzo, fluorita, sericita, pirita y carbonatos, ademas de molibdenita, calcopirita, bornita, arsenopirita, enargita (luzonita), stolzita, scheelita, zinnwaldita, topacio, tungstita y arsenico nativo. Estudios previos han caracterizado Pasto Bueno como un yacimiento con una gran componente de greisen, con una evolucion de las vetas desde un episodio temprano esteril de 400 oC, depositando la mineralizacion economica en torno a los 220-250 oC y con un evento postumo de 175-220 oC rico en CO2. La precipitacion de la wolframita se produjo a partir de un fluido netamente hidrotermal, sin embargo, dicha precipitacion estuvo controlada por el aporte al sistema de aguas externas meteoricas y/o metamorficas. El trabajo llevado a cabo ha consistido en la realizacion de un estudio microtermometrico de las 3 principales estructuras del distrito: Consuelo, Alonso-Fenix y Chabuca, para caracterizar la evolucion del fluido mineralizador desde el stock (veta Consuelo) hacia las rocas metasedimentarias de las fm. Chicama y Chimu (manto Alonso-Fenix y veta Chabuca). Para ello se realizo un muestreo sobre el evento principal de mineralizacion. Dichas muestras se sometieron a un estudio petrografico de lamina gruesa para seleccionar las muestras optimas para el posterior estudio microtermometrico. Previamente a la obtencion de las medidas de temperatura de fusion del hielo (criotermometria) y de homogenizacion del fluido; se realizo un estudio de petrografia de inclusiones fluidas para caracterizarlas y seleccionar las representativas. La interpretacion de los resultados ha permitido confirmar la existencia de un episodio previo de alta temperatura, superior a 282 oC y un evento mineralizador con temperaturas en torno a los 200-240 oC. Sin embargo, las salinidades obtenidas son mucho menores que las previamente publicadas, en torno al 5 % peso eq. NaCl, frente a 11-17 % peso eq. NaCl. Tambien se ha observado un fluido postumo rico en CO2, pero de temperatura superior, en torno a los 270 oC. Los gradientes isotermicos muestran dos focos para dichos fluidos hidrotermales: el primero asociado al stock en la veta Consuelo, y el segundo en la veta Chabuca, asociado a la zona de cabalgamiento de las pizarras de la fm. Chicama sobre las cuarcitas de la fm. Chimu. Este segundo foco puede corresponder con los aportes externos de aguas metamorficas. Para finalizar, se dan una serie de pautas para guiar las futuras exploraciones en el yacimiento. ABSTRACT The Pasto Bueno deposit is located at the northeastern end of the Cordillera Blanca Batholith. It comprises several veins, generally subvertical, associated with the quartz-monzonite stock of Consuzo, dated as Tertiary, which intrudes the Chicama fm. slates and the Chimu fm. quartzites. The main veins trend N-S cutting the stock, although there are also NE-SW and NWSE systems, hosted by the metamorphic rocks. The ore mineralogy comprises wolframite (hubnerite), tetrahedrite/tennantite, sphalerite and galena in a gangue of quartz, fluorite, sericite, pyrite and carbonates, and minor molybdenite, chalcopyrite, bornite, arsenopyrite, enargite (luzonite), stolzite, scheelite, zinnwaldite, topaz, tungstite and native arsenic. Previous studies have characterized Pasto Bueno as a deposit with a large component of greisen, with an evolution of the veins from an early barren 400 oC event , followed by economic mineralization of about 220-250 °C and a late event of 175 -220 oC rich in CO2. Wolframite precipitation occurred from a purely hydrothermal fluid; however, this precipitation was controlled by an external flux of meteoric and/or metamorphic waters. Microthermometric studies of the 3 main structures of the district (Consuelo, Alonso-Fenix and Chabuca veins) have been carried out to depict the evolution of the mineralizing fluid coming from the stock (Consuelo vein) into the metasedimentary rocks of the Chimu and Chicama fm. (Alonso-Fenix and Chabuca veins). The sampling was performed over the main event of mineralization. These samples were subject to a quick plate petrography study in order to select the optimal samples for further microthermometry studies. Before the freezing/heating measures, a fluid inclusion petrography study was done to characterize and select the representative F.I. Interpretation of results has confirmed the existence of a previous episode of higher temperature, over 282 °C, and a mineralizing event with temperatures of about 200-240 °C. However, obtained salinities, about 5 wt% NaCl equivalents, are much lower than those previously reported, about 11-17 wt% NaCl equivalents. A last fluid, rich in CO2, but of higher temperature, about 270 oC, has been characterized. Isothermal gradients show two foci for the hydrothermal fluids: the first one associated to the Consuzo stock as shown in the Consuelo vein, and the second one related to the thrust fault which places the Chicama fm. slates over the Chimu fm. quartzites in the Chabuca vein area. This second focus may correspond to an external input of metamorphic waters. Finally, some guidelines have been given to guide future explorations.

Sparse spectral analysis of atrial fibrillation electrograms

Atrial fibrillation (AF) is a common heart disorder. One of the most prominent hypothesis about its initiation and maintenance considers multiple uncoordinated activation foci inside the atrium. However, the implicit assumption behind all the signal processing techniques used for AF, such as dominant frequency and organization analysis, is the existence of a single regular component in the observed signals. In this paper we take into account the existence of multiple foci, performing a spectral analysis to detect their number and frequencies. In order to obtain a cleaner signal on which the spectral analysis can be performed, we introduce sparsity-aware learning techniques to infer the spike trains corresponding to the activations. The good performance of the proposed algorithm is demonstrated both on synthetic and real data. RESUMEN. Algoritmo basado en técnicas de regresión dispersa para la extracción de las señales cardiacas en pacientes con fibrilación atrial (AF).

The elliptic model for communication fluxes

In this paper, a model (called the elliptic model) is proposed to estimate the number of social ties between two locations using population data in a similar manner to how transportation research deals with trips. To overcome the asymmetry of transportation models, the new model considers that the number of relationships between two locations is inversely proportional to the population in the ellipse whose foci are in these two locations. The elliptic model is evaluated by considering the anonymous communications patterns of 25 million users from three different countries, where a location has been assigned to each user based on their most used phone tower or billing zip code. With this information, spatial social networks are built at three levels of resolution: tower, city and region for each of the three countries. The elliptic model achieves a similar performance when predicting communication fluxes as transportation models do when predicting trips. This shows that human relationships are influenced at least as much by geography as is human mobility.

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.