Role of the monkey ventrolateral prefrontal cortex in the integration of contextual information for the selection and understanding of goal-directed actions

Action selection and organization are very complex processes that need to exploit contextual information and the retrieval of previously memorized information, as well as the integration of these different types of data. On the basis of anatomical connection with premotor and parietal areas involved in action goal coding, and on the data about the literature it seems appropriate to suppose that one of the most candidate involved in the selection of neuronal pools for the selection and organization of intentional actions is the prefrontal cortex. We recorded single ventrolateral prefrontal (VLPF) neurons activity while monkeys performed simple and complex manipulative actions aimed at distinct final goals, by employing a modified and more strictly controlled version of the grasp-to-eat(a food pellet)/grasp-to-place(an object) paradigm used in previous studies on parietal (Fogassi et al., 2005) and premotor neurons (Bonini et al., 2010). With this task we have been able both to evaluate the processing and integration of distinct (visual and auditory) contextual sequentially presented information in order to select the forthcoming action to perform and to examine the possible presence of goal-related activity in this portion of cortex. Moreover, we performed an observation task to clarify the possible contribution of VLPF neurons to the understanding of others’ goal-directed actions. Simple Visuo Motor Task (sVMT). We found four main types of neurons: unimodal sensory-driven, motor-related, unimodal sensory-and-motor, and multisensory neurons. We found a substantial number of VLPF neurons showing both a motor-related discharge and a visual presentation response (sensory-and-motor neurons), with remarkable visuo-motor congruence for the preferred target. Interestingly the discharge of multisensory neurons reflected a behavioural decision independently from the sensory modality of the stimulus allowing the monkey to make it: some encoded a decision to act/refraining from acting (the majority), while others specified one among the four behavioural alternatives. Complex Visuo Motor Task (cVMT). The cVMT was similar to the sVMT, but included a further grasping motor act (grasping a lid in order to remove it, before grasping the target) and was run in two modalities: randomized and in blocks. Substantially, motor-related and sensory-and-motor neurons tested in the cVMTrandomized were activated already during the first grasping motor act, but the selectivity for one of the two graspable targets emerged only during the execution of the second grasping. In contrast, when the cVMT was run in block, almost all these neurons not only discharged during the first grasping motor act, but also displayed the same target selectivity showed in correspondence of the hand contact with the target. Observation Task (OT). A great part of the neurons active during the OT showed a firing rate modulation in correspondence with the action performed by the experimenter. Among them, we found neurons significantly activated during the observation of the experimenter’s action (action observation-related neurons) and neurons responding not only to the action observation, but also to the presented cue stimuli (sensory-and-action observation-related neurons. Among the neurons of the first set, almost the half displayed a target selectivity, with a not clear difference between the two presented targets; Concerning to the second neuronal set, sensory-and-action related neurons, we found a low target selectivity and a not strictly congruence between the selectivity exhibited in the visual response and in the action observation.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.