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.

Measurement of Distributed Antenna Systems at 2.4 GHz in a Realistic Subway Tunnel Environment.

Accurate characterization of the radio channel in tunnels is of great importance for new signaling and train control communications systems. To model this environment, measurements have been taken at 2.4 GHz in a real environment in Madrid subway. The measurements were carried out with four base station transmitters installed in a 2-km tunnel and using a mobile receiver installed on a standard train. First, with an optimum antenna configuration, all the propagation characteristics of a complex subway environment, including near shadowing, path loss,shadow fading, fast fading, level crossing rate (LCR), and average fade duration (AFD), have been measured and computed. Thereafter, comparisons of propagation characteristics in a double-track tunnel (9.8-m width) and a single-track tunnel (4.8-m width) have been made. Finally, all the measurement results have been shown in a complete table for accurate statistical modeling.

User-centric need-driven affect modeling for spoken conversational agents: design and evaluation

It is easy to get frustrated at spoken conversational agents (SCAs), perhaps because they seem to be callous. By and large, the quality of human-computer interaction is affected due to the inability of the SCAs to recognise and adapt to user emotional state. Now with the mass appeal of artificially-mediated communication, there has been an increasing need for SCAs to be socially and emotionally intelligent, that is, to infer and adapt to their human interlocutors’ emotions on the fly, in order to ascertain an affective, empathetic and naturalistic interaction. An enhanced quality of interaction would reduce users’ frustrations and consequently increase their satisfactions. These reasons have motivated the development of SCAs towards including socio-emotional elements, turning them into affective and socially-sensitive interfaces. One barrier to the creation of such interfaces has been the lack of methods for modelling emotions in a task-independent environment. Most emotion models for spoken dialog systems are task-dependent and thus cannot be used “as-is” in different applications. This Thesis focuses on improving this, in which it concerns computational modeling of emotion, personality and their interrelationship for task-independent autonomous SCAs. The generation of emotion is driven by needs, inspired by human’s motivational systems. The work in this Thesis is organised in three stages, each one with its own contribution. The first stage involved defining, integrating and quantifying the psychological-based motivational and emotional models sourced from. Later these were transformed into a computational model by implementing them into software entities. The computational model was then incorporated and put to test with an existing SCA host, a HiFi-control agent. The second stage concerned automatic prediction of affect, which has been the main challenge towards the greater aim of infusing social intelligence into the HiFi agent. In recent years, studies on affect detection from voice have moved on to using realistic, non-acted data, which is subtler. However, it is more challenging to perceive subtler emotions and this is demonstrated in tasks such as labelling and machine prediction. In this stage, we attempted to address part of this challenge by considering the roles of user satisfaction ratings and conversational/dialog features as the respective target and predictors in discriminating contentment and frustration, two types of emotions that are known to be prevalent within spoken human-computer interaction. The final stage concerned the evaluation of the emotional model through the HiFi agent. A series of user studies with 70 subjects were conducted in a real-time environment, each in a different phase and with its own conditions. All the studies involved the comparisons between the baseline non-modified and the modified agent. The findings have gone some way towards enhancing our understanding of the utility of emotion in spoken dialog systems in several ways; first, an SCA should not express its emotions blindly, albeit positive. Rather, it should adapt its emotions to user states. Second, low performance in an SCA may be compensated by the exploitation of emotion. Third, the expression of emotion through the exploitation of prosody could better improve users’ perceptions of an SCA compared to exploiting emotions through just lexical contents. Taken together, these findings not only support the success of the emotional model, but also provide substantial evidences with respect to the benefits of adding emotion in an SCA, especially in mitigating users’ frustrations and ultimately improving their satisfactions. Resumen Es relativamente fácil experimentar cierta frustración al interaccionar con agentes conversacionales (Spoken Conversational Agents, SCA), a menudo porque parecen ser un poco insensibles. En general, la calidad de la interacción persona-agente se ve en cierto modo afectada por la incapacidad de los SCAs para identificar y adaptarse al estado emocional de sus usuarios. Actualmente, y debido al creciente atractivo e interés de dichos agentes, surge la necesidad de hacer de los SCAs unos seres cada vez más sociales y emocionalmente inteligentes, es decir, con capacidad para inferir y adaptarse a las emociones de sus interlocutores humanos sobre la marcha, de modo que la interacción resulte más afectiva, empática y, en definitiva, natural. Una interacción mejorada en este sentido permitiría reducir la posible frustración de los usuarios y, en consecuencia, mejorar el nivel de satisfacción alcanzado por los mismos. Estos argumentos justifican y motivan el desarrollo de nuevos SCAs con capacidades socio-emocionales, dotados de interfaces afectivas y socialmente sensibles. Una de las barreras para la creación de tales interfaces ha sido la falta de métodos de modelado de emociones en entornos independientes de tarea. La mayoría de los modelos emocionales empleados por los sistemas de diálogo hablado actuales son dependientes de tarea y, por tanto, no pueden utilizarse "tal cual" en diferentes dominios o aplicaciones. Esta tesis se centra precisamente en la mejora de este aspecto, la definición de modelos computacionales de las emociones, la personalidad y su interrelación para SCAs autónomos e independientes de tarea. Inspirada en los sistemas motivacionales humanos en el ámbito de la psicología, la tesis propone un modelo de generación/producción de la emoción basado en necesidades. El trabajo realizado en la presente tesis está organizado en tres etapas diferenciadas, cada una con su propia contribución. La primera etapa incluyó la definición, integración y cuantificación de los modelos motivacionales de partida y de los modelos emocionales derivados a partir de éstos. Posteriormente, dichos modelos emocionales fueron plasmados en un modelo computacional mediante su implementación software. Este modelo computacional fue incorporado y probado en un SCA anfitrión ya existente, un agente con capacidad para controlar un equipo HiFi, de alta fidelidad. La segunda etapa se orientó hacia el reconocimiento automático de la emoción, aspecto que ha constituido el principal desafío en relación al objetivo mayor de infundir inteligencia social en el agente HiFi. En los últimos años, los estudios sobre reconocimiento de emociones a partir de la voz han pasado de emplear datos actuados a usar datos reales en los que la presencia u observación de emociones se produce de una manera mucho más sutil. El reconocimiento de emociones bajo estas condiciones resulta mucho más complicado y esta dificultad se pone de manifiesto en tareas tales como el etiquetado y el aprendizaje automático. En esta etapa, se abordó el problema del reconocimiento de las emociones del usuario a partir de características o métricas derivadas del propio diálogo usuario-agente. Gracias a dichas métricas, empleadas como predictores o indicadores del grado o nivel de satisfacción alcanzado por el usuario, fue posible discriminar entre satisfacción y frustración, las dos emociones prevalentes durante la interacción usuario-agente. La etapa final corresponde fundamentalmente a la evaluación del modelo emocional por medio del agente Hifi. Con ese propósito se llevó a cabo una serie de estudios con usuarios reales, 70 sujetos, interaccionando con diferentes versiones del agente Hifi en tiempo real, cada uno en una fase diferente y con sus propias características o capacidades emocionales. En particular, todos los estudios realizados han profundizado en la comparación entre una versión de referencia del agente no dotada de ningún comportamiento o característica emocional, y una versión del agente modificada convenientemente con el modelo emocional propuesto. Los resultados obtenidos nos han permitido comprender y valorar mejor la utilidad de las emociones en los sistemas de diálogo hablado. Dicha utilidad depende de varios aspectos. En primer lugar, un SCA no debe expresar sus emociones a ciegas o arbitrariamente, incluso aunque éstas sean positivas. Más bien, debe adaptar sus emociones a los diferentes estados de los usuarios. En segundo lugar, un funcionamiento relativamente pobre por parte de un SCA podría compensarse, en cierto modo, dotando al SCA de comportamiento y capacidades emocionales. En tercer lugar, aprovechar la prosodia como vehículo para expresar las emociones, de manera complementaria al empleo de mensajes con un contenido emocional específico tanto desde el punto de vista léxico como semántico, ayuda a mejorar la percepción por parte de los usuarios de un SCA. Tomados en conjunto, los resultados alcanzados no sólo confirman el éxito del modelo emocional, sino xv que constituyen además una evidencia decisiva con respecto a los beneficios de incorporar emociones en un SCA, especialmente en cuanto a reducir el nivel de frustración de los usuarios y, en última instancia, mejorar su satisfacción.

Suitability of artificial neural networks for designing LoC circuits

he simulation of complex LoC (Lab-on-a-Chip) devices is a process that requires solving computationally expensive partial differential equations. An interesting alternative uses artificial neural networks for creating computationally feasible models based on MOR techniques. This paper proposes an approach that uses artificial neural networks for designing LoC components considering the artificial neural network topology as an isomorphism of the LoC device topology. The parameters of the trained neural networks are based on equations for modeling microfluidic circuits, analogous to electronic circuits. The neural networks have been trained to behave like AND, OR, Inverter gates. The parameters of the trained neural networks represent the features of LoC devices that behave as the aforementioned gates. This would mean that LoC devices universally compute.

Neural Processing Unit based on the Optical Bistable Properties of Semiconductor Laser Amplifiers

This paper analyzes the behavior of a neural processing unit based on the optical bistable properties of semiconductor laser amplifiers. A similar unit to the reported here was previously employed in the simulation of the mammalian retina. The main advantages of the present cell are its larger fan-out and the possibility of different responses according to the light wavelength impinging onto the cell. These properties allow to work with larger structures as well as to obtain different behaviors according to the light characteristics. This new approach gives a possible modeling closer to the real biological configurations. Moreover, a more detailed analysis of the basic cell internal behavior is reported

Modeling the shape hierarchy for visually guided grasping

The monkey anterior intraparietal area (AIP) encodes visual information about three-dimensional object shape that is used to shape the hand for grasping. We modeled shape tuning in visual AIP neurons and its relationship with curvature and gradient information from the caudal intraparietal area (CIP). The main goal was to gain insight into the kinds of shape parameterizations that can account for AIP tuning and that are consistent with both the inputs to AIP and the role of AIP in grasping. We first experimented with superquadric shape parameters. We considered superquadrics because they occupy a role in robotics that is similar to AIP , in that superquadric fits are derived from visual input and used for grasp planning. We also experimented with an alternative shape parameterization that was based on an Isomap dimension reduction of spatial derivatives of depth (i.e., distance from the observer to the object surface). We considered an Isomap-based model because its parameters lacked discontinuities between similar shapes. When we matched the dimension of the Isomap to the number of superquadric parameters, the superquadric model fit the AIP data somewhat more closely. However, higher-dimensional Isomaps provided excellent fits. Also, we found that the Isomap parameters could be approximated much more accurately than superquadric parameters by feedforward neural networks with CIP-like inputs. We conclude that Isomaps, or perhaps alternative dimension reductions of visual inputs to AIP, provide a promising model of AIP electrophysiology data. Further work is needed to test whether such shape parameterizations actually provide an effective basis for grasp control.