Nonlinear dynamics of the patient’s response to drug effect during general anesthesia

In today’s healthcare paradigm, optimal sedation during anesthesia plays an important role both in patient welfare and in the socio-economic context. For the closed-loop control of general anesthesia, two drugs have proven to have stable, rapid onset times: propofol and remifentanil. These drugs are related to their effect in the bispectral index, a measure of EEG signal. In this paper wavelet time–frequency analysis is used to extract useful information from the clinical signals, since they are time-varying and mark important changes in patient’s response to drug dose. Model based predictive control algorithms are employed to regulate the depth of sedation by manipulating these two drugs. The results of identification from real data and the simulation of the closed loop control performance suggest that the proposed approach can bring an improvement of 9% in overall robustness and may be suitable for clinical practice.

Nonlinear dynamics of the patient’s response to drug effect during general anesthesia

In today’s healthcare paradigm, optimal sedation during anesthesia plays an important role both in patient welfare and in the socio-economic context. For the closed-loop control of general anesthesia, two drugs have proven to have stable, rapid onset times: propofol and remifentanil. These drugs are related to their effect in the bispectral index, a measure of EEG signal. In this paper wavelet time–frequency analysis is used to extract useful information from the clinical signals, since they are time-varying and mark important changes in patient’s response to drug dose. Model based predictive control algorithms are employed to regulate the depth of sedation by manipulating these two drugs. The results of identification from real data and the simulation of the closed loop control performance suggest that the proposed approach can bring an improvement of 9% in overall robustness and may be suitable for clinical practice.

Identificação de compostos que modulam a patogénese da doença de Machado-Joseph em C.elegans: autofagia como alvo terapêutico: identification of small compounds that modulate pathogenesis of Machado-Joseph disease in a C.elegans model: targeting autophagy

A doença de Machado-Joseph (DMJ) ou ataxia espinocerebelosa do tipo 3 (SCA3), conhecida por ser a mais comum das ataxias hereditárias dominantes em todo o mundo, é uma doença neurodegenerativa autossómica dominante que leva a uma grande incapacidade motora, embora sem alterar o intelecto, culminando com a morte do doente. Atualmente não existe nenhum tratamento eficaz para esta doença. A DMJ é resultado de uma alteração genética causada pela expansão de uma sequência poliglutamínica (poliQ), na região C-terminal do gene que codifica a proteína ataxina-3 (ATXN3). Os mecanismos celulares das doenças de poliglutaminas que provocam toxicidade, bem como a função da ATXN3, não são ainda totalmente conhecidos. Neste trabalho, usamos, pela sua simplicidade e potencial genético, um pequeno animal invertebrado, o nemátode C. elegans, com o objetivo de identificar fármacos eficazes para o combate contra a patogénese da DMJ, analisando simultaneamente o seu efeito na agregação da ATXN3 mutante nas células neuronais in vivo e o seu impacto no comportamento motor dos animais. Este pequeno invertebrado proporciona grandes vantagens no estudo dos efeitos tóxicos de proteínas poliQ nos neurónios, uma vez que a transparência das suas 959 células (das quais 302 são neurónios) facilita a deteção de proteínas fluorescentes in vivo. Para além disso, esta espécie tem um ciclo de vida curto, é económica e de fácil manutenção. Neste trabalho testámos no nosso modelo transgénico da DMJ com 130Qs em C.elegans dois compostos potencialmente moduladores da agregação da ATXN3 mutante e da resultante disfunção neurológica, atuando pela via da autofagia. De modo a validar a possível importância terapêutica da ativação da autofagia os compostos candidatos escolhidos foram o Litío e o análogo da Rapamicina CCI-779, testados independentemente e em combinação. A neuroproteção conferida pelo Litío e pelo CCI-779 independentemente sugere que o uso destes fármacos possa ser considerado uma boa estratégia como terapia para a DMJ, a testar em organismos evolutivamente mais próximos do humano. A manipulação da autofagia, segundo vários autores, parece ser benéfica e pode ser a chave para o desenvolvimento de novos tratamentos para várias doenças relacionadas com a agregação proteica e o envelhecimento.

Derivative-free optimization and filter methods to solve nonlinear constrained problems

In real optimization problems, usually the analytical expression of the objective function is not known, nor its derivatives, or they are complex. In these cases it becomes essential to use optimization methods where the calculation of the derivatives, or the verification of their existence, is not necessary: the Direct Search Methods or Derivative-free Methods are one solution. When the problem has constraints, penalty functions are often used. Unfortunately the choice of the penalty parameters is, frequently, very difficult, because most strategies for choosing it are heuristics strategies. As an alternative to penalty function appeared the filter methods. A filter algorithm introduces a function that aggregates the constrained violations and constructs a biobjective problem. In this problem the step is accepted if it either reduces the objective function or the constrained violation. This implies that the filter methods are less parameter dependent than a penalty function. In this work, we present a new direct search method, based on simplex methods, for general constrained optimization that combines the features of the simplex method and filter methods. This method does not compute or approximate any derivatives, penalty constants or Lagrange multipliers. The basic idea of simplex filter algorithm is to construct an initial simplex and use the simplex to drive the search. We illustrate the behavior of our algorithm through some examples. The proposed methods were implemented in Java.

Derivative-free nonlinear optimization filter simplex

The filter method is a technique for solving nonlinear programming problems. The filter algorithm has two phases in each iteration. The first one reduces a measure of infeasibility, while in the second the objective function value is reduced. In real optimization problems, usually the objective function is not differentiable or its derivatives are unknown. In these cases it becomes essential to use optimization methods where the calculation of the derivatives or the verification of their existence is not necessary: direct search methods or derivative-free methods are examples of such techniques. In this work we present a new direct search method, based on simplex methods, for general constrained optimization that combines the features of simplex and filter methods. This method neither computes nor approximates derivatives, penalty constants or Lagrange multipliers.

Identification of neuronal alterations induced by Shank3 mutations using iPS cells from Phelan-McDermid Patients' Fibroblasts

A família de proteínas Shank é o principal conjunto de proteinas de suporte e está localizada na densidade pós-sináptica das sinapses excitatórias. Existem 3 genes na família Shank, Shank1, Shank2 e Shank3 e são caracterizados por múltiplos domínios repetidos de anquirina próximo ao N-terminal seguido pelos domínios Src homologo 3 e PDZ, uma região longa rica em prolina e um domínio de motivo α estéril próximo ao C-terminal. Shank proteínas conectam duas subunidades de receptors glutamatérgicos, recetores NMDA e recetores metabotrópicos de glutamato do tipo-I (mGluRs). O domínio PDZ da Shank conecta-se ao C-terminal do GKAP e este, liga-se, ao complexo recetor PSD-95-NMDA. Por outro lado, a proteína Homer interage com o domínio rico em prolina para confirmar a associação entre a proteína Shank com o mGluR tipo-I. A proteína específica em estudo, Shank3, é haploinsuficiente em pacientes com sindrome Phelan-McDermid devido à deleções no braço comprido do cromossoma 22 levando à danos intelectuais, ausência ou atraso no discurso, comportamentos semelhantes ao autismo, hipotonia e características dismórficas. Neste trabalho, investigamos o papel da Shank3 na função sináptica para compreender a relação entre alterações nesta proteína e as características neurológicas presente em Pacientes com síndrome Phelan-McDermid. Foram utilizados dois modelos diferentes, ratinhos knockout Shank3 e hiPSC de pacientes com PMS. Ratinhos geneticamente modificados são ferramentas uteis no estudo de genes e na compreensão dos mecanismos que experiências in vitro não são capazes de reproduzir, mas de maneira a compreender melhor as patologias humanas, decidimos trabalhar também com células humanas. Os fibroblastos dos pacientes com síndrome Phelan-McDermid fora reprogramados em hiPS cells, diferenciados em neurónios e comparados com os neurónios obtidos a partir de doadores saudavéis e da mesma idade. A reprogramação em iPSC foi realizada por infecção de lentivirus com quatro genes de reprogramação OCT4, c-MYC, SOX2 e KFL4 para posteriormente serem diferenciados em neurónios, com cada passo sendo positivamente confirmado através de marcadores neuronais. Através dos neurónios diferenciados, analisamos a expressão de proteínas sinápticas. Pacientes com haploinsuficiencia na proteína Shank3 apresentam níveis elevados de proteína mGluR5 e decrescidos de proteína Homer sugerindo que a haploinsuficiencia leva a desregulação do complexo mGluR5-Homer-Shank3 conduzindo também, a defeitos na maturação sináptica. Assim, a expressão da proteína mGluR5 está alterada nos pacientes com PMS podendo estar relacionada com defeitos encontrados na diferenciação neuronal e maturação sináptica observados nos neurónios de pacientes. Conclusivamente, iPS cells representam um modelo fundamental no estudo da proteína Shank3 e a sua influência no sindrome de Phelan-McDermid.

Leis de potência em sistemas naturais e artificiais

A Lei de Potência é uma particularidade de um sistema não linear, revelando um sistema complexo próximo da auto-organização. Algumas características de sistemas naturais e artificiais, tais como dimensão populacional das cidades, valor dos rendimentos pessoais, frequência de ocorrência de palavras em textos e magnitude de sismos, seguem distribuições do tipo Lei de Potência. Estas distribuições indicam que pequenas ocorrências são muito comuns e grandes ocorrências são raras, podendo porém verificar-se com razoável probabilidade. A finalidade deste trabalho visa a identificação de fenómenos associados às Leis de Potência. Mostra-se o comportamento típico destes fenómenos, com os dados retirados dos vários casos de estudo e com a ajuda de uma meta-análise. As Leis de Potência em sistemas naturais e artificiais apresentam uma proximidade a um padrão, quando os valores são normalizados (frequências relativas) para dar origem a um meta-gráfico.

Contribution of hospital effluents to the load of pharmaceuticals in urban wastewaters: Identification of ecologically relevant pharmaceuticals

The impact of effluent wastewaters from four different hospitals: a university (1456 beds), a general (350 beds), a pediatric (110 beds) and a maternity hospital (96 beds), which are conveyed to the same wastewater treatment plant (WWTP), was evaluated in the receiving urban wastewaters. The occurrence of 78 pharmaceuticals belonging to several therapeutic classes was assessed in hospital effluents and WWTP wastewaters (influent and effluent) as well as the contribution of each hospital in WWTP influent in terms of pharmaceutical load. Results indicate that pharmaceuticals are widespread pollutants in both hospital and urban wastewaters. The contribution of hospitals to the input of pharmaceuticals in urban wastewaters widely varies, according to their dimension. The estimated total mass loadings were 306 g d− 1 for the university hospital, 155 g d− 1 for the general one, 14 g d− 1 for the pediatric hospital and 1.5 g d− 1 for the maternity hospital, showing that the biggest hospitals have a greater contribution to the total mass load of pharmaceuticals. Furthermore, analysis of individual contributions of each therapeutic group showed that NSAIDs, analgesics and antibiotics are among the groups with the highest inputs. Removal efficiency can go from over 90% for pharmaceuticals like acetaminophen and ibuprofen to not removal for β-blockers and salbutamol. Total mass load of pharmaceuticals into receiving surface waters was estimated between 5 and 14 g/d/1000 inhabitants. Finally, the environmental risk posed by pharmaceuticals detected in hospital and WWTP effluents was assessed by means of hazard quotients toward different trophic levels (algae, daphnids and fish). Several pharmaceuticals present in the different matrices were identified as potentially hazardous to aquatic organisms, showing that especial attention should be paid to antibiotics such as ciprofloxacin, ofloxacin, sulfamethoxazole, azithromycin and clarithromycin, since their hazard quotients in WWTP effluent revealed that they could pose an ecotoxicological risk to algae.

Brewer's spent grain from different types of malt: Evaluation of the antioxidant activity and identification of the major phenolic compounds

The antioxidant activity and phenolic composition of brewer's spent grain (BSG) extracts obtained by microwave-assisted extraction from twomalt types (light and darkmalts) were investigated. The total phenolic content (TPC) and antioxidant activity among the light BSG extracts (pilsen, melano, melano 80 and carared)were significantly different (p b 0.05) compared to dark extracts (chocolate and black types), with the pilsen BSG showing higher TPC (20 ± 1 mgGAE/g dry BSG). In addition, the antioxidant activity assessed by 2,2-diphenyl- 1-picrylhydrazyl, 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) and deoxyribose assays decreased as a result of increasing kilning temperatures in the following order: pilsen N melano N melano 80 N carared N chocolate N black. HPLC-DAD/ESI-MS/MS analysis indicated the presence of phenolic acids, such as ferulic, p-coumaric and syringic acids, as well as several isomeric ferulate dehydrodimers and one dehydrotrimer. Chocolate and black extracts, obtained frommalts submitted to the highest kilning temperatures, showed the lowest levels of ferulic and p-coumaric acids. These results suggested that BSG extracts from pilsen malt might be used as an inexpensive and good natural source of antioxidants with potential interest for the food, pharmaceutical and/or cosmetic industries after purification.

PAH air pollution at a Portuguese urban area: carcinogenic risks and sources identification

This study aimed to characterize air pollution and the associated carcinogenic risks of polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs) at an urban site, to identify possible emission sources of PAHs using several statistical methodologies, and to analyze the influence of other air pollutants and meteorological variables on PAH concentrations.The air quality and meteorological data were collected in Oporto, the second largest city of Portugal. Eighteen PAHs (the 16 PAHs considered by United States Environment Protection Agency (USEPA) as priority pollutants, dibenzo[a,l]pyrene, and benzo[j]fluoranthene) were collected daily for 24 h in air (gas phase and in particles) during 40 consecutive days in November and December 2008 by constant low-flow samplers and using polytetrafluoroethylene (PTFE) membrane filters for particulate (PM10 and PM2.5 bound) PAHs and pre-cleaned polyurethane foam plugs for gaseous compounds. The other monitored air pollutants were SO2, PM10, NO2, CO, and O3; the meteorological variables were temperature, relative humidity, wind speed, total precipitation, and solar radiation. Benzo[a]pyrene reached a mean concentration of 2.02 ngm−3, surpassing the EU annual limit value. The target carcinogenic risks were equal than the health-based guideline level set by USEPA (10−6) at the studied site, with the cancer risks of eight PAHs reaching senior levels of 9.98×10−7 in PM10 and 1.06×10−6 in air. The applied statistical methods, correlation matrix, cluster analysis, and principal component analysis, were in agreement in the grouping of the PAHs. The groups were formed according to their chemical structure (number of rings), phase distribution, and emission sources. PAH diagnostic ratios were also calculated to evaluate the main emission sources. Diesel vehicular emissions were the major source of PAHs at the studied site. Besides that source, emissions from residential heating and oil refinery were identified to contribute to PAH levels at the respective area. Additionally, principal component regression indicated that SO2, NO2, PM10, CO, and solar radiation had positive correlation with PAHs concentrations, while O3, temperature, relative humidity, and wind speed were negatively correlated.

Observability of nonlinear fractional dynamical systems

We study the observability of linear and nonlinear fractional differential systems of order 0 < α < 1 by using the Mittag-Leffler matrix function and the application of Banach’s contraction mapping theorem. Several examples illustrate the concepts.

Combined mutation differential evolution to solve systems of nonlinear equations

This paper presents a differential evolution heuristic to compute a solution of a system of nonlinear equations through the global optimization of an appropriate merit function. Three different mutation strategies are combined to generate mutant points. Preliminary numerical results show the effectiveness of the presented heuristic.

Demo: automatic personal identification system for security in critical services: a case study

The demonstration proposal moves from the capabilities of a wireless biometric badge [4], which integrates a localization and tracking service along with an automatic personal identification mechanism, to show how a full system architecture is devised to enable the control of physical accesses to restricted areas. The system leverages on the availability of a novel IEEE 802.15.4/Zigbee Cluster Tree network model, on enhanced security levels and on the respect of all the users' privacy issues.

Memória de longo prazo nos retornos acionistas dos índices de referência da euronext, implicações para a hipótese de mercados eficientes e contributo fractal para aperfeiçoamento do capital asset pricing model

Não existe uma definição única de processo de memória de longo prazo. Esse processo é geralmente definido como uma série que possui um correlograma decaindo lentamente ou um espectro infinito de frequência zero. Também se refere que uma série com tal propriedade é caracterizada pela dependência a longo prazo e por não periódicos ciclos longos, ou que essa característica descreve a estrutura de correlação de uma série de longos desfasamentos ou que é convencionalmente expressa em termos do declínio da lei-potência da função auto-covariância. O interesse crescente da investigação internacional no aprofundamento do tema é justificado pela procura de um melhor entendimento da natureza dinâmica das séries temporais dos preços dos ativos financeiros. Em primeiro lugar, a falta de consistência entre os resultados reclama novos estudos e a utilização de várias metodologias complementares. Em segundo lugar, a confirmação de processos de memória longa tem implicações relevantes ao nível da (1) modelação teórica e econométrica (i.e., dos modelos martingale de preços e das regras técnicas de negociação), (2) dos testes estatísticos aos modelos de equilíbrio e avaliação, (3) das decisões ótimas de consumo / poupança e de portefólio e (4) da medição de eficiência e racionalidade. Em terceiro lugar, ainda permanecem questões científicas empíricas sobre a identificação do modelo geral teórico de mercado mais adequado para modelar a difusão das séries. Em quarto lugar, aos reguladores e gestores de risco importa saber se existem mercados persistentes e, por isso, ineficientes, que, portanto, possam produzir retornos anormais. O objetivo do trabalho de investigação da dissertação é duplo. Por um lado, pretende proporcionar conhecimento adicional para o debate da memória de longo prazo, debruçando-se sobre o comportamento das séries diárias de retornos dos principais índices acionistas da EURONEXT. Por outro lado, pretende contribuir para o aperfeiçoamento do capital asset pricing model CAPM, considerando uma medida de risco alternativa capaz de ultrapassar os constrangimentos da hipótese de mercado eficiente EMH na presença de séries financeiras com processos sem incrementos independentes e identicamente distribuídos (i.i.d.). O estudo empírico indica a possibilidade de utilização alternativa das obrigações do tesouro (OT’s) com maturidade de longo prazo no cálculo dos retornos do mercado, dado que o seu comportamento nos mercados de dívida soberana reflete a confiança dos investidores nas condições financeiras dos Estados e mede a forma como avaliam as respetiva economias com base no desempenho da generalidade dos seus ativos. Embora o modelo de difusão de preços definido pelo movimento Browniano geométrico gBm alegue proporcionar um bom ajustamento das séries temporais financeiras, os seus pressupostos de normalidade, estacionariedade e independência das inovações residuais são adulterados pelos dados empíricos analisados. Por isso, na procura de evidências sobre a propriedade de memória longa nos mercados recorre-se à rescaled-range analysis R/S e à detrended fluctuation analysis DFA, sob abordagem do movimento Browniano fracionário fBm, para estimar o expoente Hurst H em relação às séries de dados completas e para calcular o expoente Hurst “local” H t em janelas móveis. Complementarmente, são realizados testes estatísticos de hipóteses através do rescaled-range tests R/S , do modified rescaled-range test M - R/S e do fractional differencing test GPH. Em termos de uma conclusão única a partir de todos os métodos sobre a natureza da dependência para o mercado acionista em geral, os resultados empíricos são inconclusivos. Isso quer dizer que o grau de memória de longo prazo e, assim, qualquer classificação, depende de cada mercado particular. No entanto, os resultados gerais maioritariamente positivos suportam a presença de memória longa, sob a forma de persistência, nos retornos acionistas da Bélgica, Holanda e Portugal. Isto sugere que estes mercados estão mais sujeitos a maior previsibilidade (“efeito José”), mas também a tendências que podem ser inesperadamente interrompidas por descontinuidades (“efeito Noé”), e, por isso, tendem a ser mais arriscados para negociar. Apesar da evidência de dinâmica fractal ter suporte estatístico fraco, em sintonia com a maior parte dos estudos internacionais, refuta a hipótese de passeio aleatório com incrementos i.i.d., que é a base da EMH na sua forma fraca. Atendendo a isso, propõem-se contributos para aperfeiçoamento do CAPM, através da proposta de uma nova fractal capital market line FCML e de uma nova fractal security market line FSML. A nova proposta sugere que o elemento de risco (para o mercado e para um ativo) seja dado pelo expoente H de Hurst para desfasamentos de longo prazo dos retornos acionistas. O expoente H mede o grau de memória de longo prazo nos índices acionistas, quer quando as séries de retornos seguem um processo i.i.d. não correlacionado, descrito pelo gBm(em que H = 0,5 , confirmando- se a EMH e adequando-se o CAPM), quer quando seguem um processo com dependência estatística, descrito pelo fBm(em que H é diferente de 0,5, rejeitando-se a EMH e desadequando-se o CAPM). A vantagem da FCML e da FSML é que a medida de memória de longo prazo, definida por H, é a referência adequada para traduzir o risco em modelos que possam ser aplicados a séries de dados que sigam processos i.i.d. e processos com dependência não linear. Então, estas formulações contemplam a EMH como um caso particular possível.

A Java expression evaluator for nonlinear programming

Finding the optimal value for a problem is usual in many areas of knowledge where in many cases it is needed to solve Nonlinear Optimization Problems. For some of those problems it is not possible to determine the expression for its objective function and/or its constraints, they are the result of experimental procedures, might be non-smooth, among other reasons. To solve such problems it was implemented an API contained methods to solve both constrained and unconstrained problems. This API was developed to be used either locally on the computer where the application is being executed or remotely on a server. To obtain the maximum flexibility both from the programmers’ and users’ points of view, problems can be defined as a Java class (because this API was developed in Java) or as a simple text input that is sent to the API. For this last one to be possible it was also implemented on the API an expression evaluator. One of the drawbacks of this expression evaluator is that it is slower than the Java native code. In this paper it is presented a solution that combines both options: the problem can be expressed at run-time as a string of chars that are converted to Java code, compiled and loaded dynamically. To wide the target audience of the API, this new expression evaluator is also compatible with the AMPL format.