Automatic learning for the classification of chemical reactions and in statistical thermodynamics

This Thesis describes the application of automatic learning methods for a) the classification of organic and metabolic reactions, and b) the mapping of Potential Energy Surfaces(PES). The classification of reactions was approached with two distinct methodologies: a representation of chemical reactions based on NMR data, and a representation of chemical reactions from the reaction equation based on the physico-chemical and topological features of chemical bonds. NMR-based classification of photochemical and enzymatic reactions. Photochemical and metabolic reactions were classified by Kohonen Self-Organizing Maps (Kohonen SOMs) and Random Forests (RFs) taking as input the difference between the 1H NMR spectra of the products and the reactants. The development of such a representation can be applied in automatic analysis of changes in the 1H NMR spectrum of a mixture and their interpretation in terms of the chemical reactions taking place. Examples of possible applications are the monitoring of reaction processes, evaluation of the stability of chemicals, or even the interpretation of metabonomic data. A Kohonen SOM trained with a data set of metabolic reactions catalysed by transferases was able to correctly classify 75% of an independent test set in terms of the EC number subclass. Random Forests improved the correct predictions to 79%. With photochemical reactions classified into 7 groups, an independent test set was classified with 86-93% accuracy. The data set of photochemical reactions was also used to simulate mixtures with two reactions occurring simultaneously. Kohonen SOMs and Feed-Forward Neural Networks (FFNNs) were trained to classify the reactions occurring in a mixture based on the 1H NMR spectra of the products and reactants. Kohonen SOMs allowed the correct assignment of 53-63% of the mixtures (in a test set). Counter-Propagation Neural Networks (CPNNs) gave origin to similar results. The use of supervised learning techniques allowed an improvement in the results. They were improved to 77% of correct assignments when an ensemble of ten FFNNs were used and to 80% when Random Forests were used. This study was performed with NMR data simulated from the molecular structure by the SPINUS program. In the design of one test set, simulated data was combined with experimental data. The results support the proposal of linking databases of chemical reactions to experimental or simulated NMR data for automatic classification of reactions and mixtures of reactions. Genome-scale classification of enzymatic reactions from their reaction equation. The MOLMAP descriptor relies on a Kohonen SOM that defines types of bonds on the basis of their physico-chemical and topological properties. The MOLMAP descriptor of a molecule represents the types of bonds available in that molecule. The MOLMAP descriptor of a reaction is defined as the difference between the MOLMAPs of the products and the reactants, and numerically encodes the pattern of bonds that are broken, changed, and made during a chemical reaction. The automatic perception of chemical similarities between metabolic reactions is required for a variety of applications ranging from the computer validation of classification systems, genome-scale reconstruction (or comparison) of metabolic pathways, to the classification of enzymatic mechanisms. Catalytic functions of proteins are generally described by the EC numbers that are simultaneously employed as identifiers of reactions, enzymes, and enzyme genes, thus linking metabolic and genomic information. Different methods should be available to automatically compare metabolic reactions and for the automatic assignment of EC numbers to reactions still not officially classified. In this study, the genome-scale data set of enzymatic reactions available in the KEGG database was encoded by the MOLMAP descriptors, and was submitted to Kohonen SOMs to compare the resulting map with the official EC number classification, to explore the possibility of predicting EC numbers from the reaction equation, and to assess the internal consistency of the EC classification at the class level. A general agreement with the EC classification was observed, i.e. a relationship between the similarity of MOLMAPs and the similarity of EC numbers. At the same time, MOLMAPs were able to discriminate between EC sub-subclasses. EC numbers could be assigned at the class, subclass, and sub-subclass levels with accuracies up to 92%, 80%, and 70% for independent test sets. The correspondence between chemical similarity of metabolic reactions and their MOLMAP descriptors was applied to the identification of a number of reactions mapped into the same neuron but belonging to different EC classes, which demonstrated the ability of the MOLMAP/SOM approach to verify the internal consistency of classifications in databases of metabolic reactions. RFs were also used to assign the four levels of the EC hierarchy from the reaction equation. EC numbers were correctly assigned in 95%, 90%, 85% and 86% of the cases (for independent test sets) at the class, subclass, sub-subclass and full EC number level,respectively. Experiments for the classification of reactions from the main reactants and products were performed with RFs - EC numbers were assigned at the class, subclass and sub-subclass level with accuracies of 78%, 74% and 63%, respectively. In the course of the experiments with metabolic reactions we suggested that the MOLMAP / SOM concept could be extended to the representation of other levels of metabolic information such as metabolic pathways. Following the MOLMAP idea, the pattern of neurons activated by the reactions of a metabolic pathway is a representation of the reactions involved in that pathway - a descriptor of the metabolic pathway. This reasoning enabled the comparison of different pathways, the automatic classification of pathways, and a classification of organisms based on their biochemical machinery. The three levels of classification (from bonds to metabolic pathways) allowed to map and perceive chemical similarities between metabolic pathways even for pathways of different types of metabolism and pathways that do not share similarities in terms of EC numbers. Mapping of PES by neural networks (NNs). In a first series of experiments, ensembles of Feed-Forward NNs (EnsFFNNs) and Associative Neural Networks (ASNNs) were trained to reproduce PES represented by the Lennard-Jones (LJ) analytical potential function. The accuracy of the method was assessed by comparing the results of molecular dynamics simulations (thermal, structural, and dynamic properties) obtained from the NNs-PES and from the LJ function. The results indicated that for LJ-type potentials, NNs can be trained to generate accurate PES to be used in molecular simulations. EnsFFNNs and ASNNs gave better results than single FFNNs. A remarkable ability of the NNs models to interpolate between distant curves and accurately reproduce potentials to be used in molecular simulations is shown. The purpose of the first study was to systematically analyse the accuracy of different NNs. Our main motivation, however, is reflected in the next study: the mapping of multidimensional PES by NNs to simulate, by Molecular Dynamics or Monte Carlo, the adsorption and self-assembly of solvated organic molecules on noble-metal electrodes. Indeed, for such complex and heterogeneous systems the development of suitable analytical functions that fit quantum mechanical interaction energies is a non-trivial or even impossible task. The data consisted of energy values, from Density Functional Theory (DFT) calculations, at different distances, for several molecular orientations and three electrode adsorption sites. The results indicate that NNs require a data set large enough to cover well the diversity of possible interaction sites, distances, and orientations. NNs trained with such data sets can perform equally well or even better than analytical functions. Therefore, they can be used in molecular simulations, particularly for the ethanol/Au (111) interface which is the case studied in the present Thesis. Once properly trained, the networks are able to produce, as output, any required number of energy points for accurate interpolations.

Uranium glass in museum collections

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Conservação e Restauro Área de especialização – Vidro

Segmentation of striatal brain structures from high resolution pet images

Dissertation presented at the Faculty of Science and Technology of the New University of Lisbon in fulfillment of the requirements for the Masters degree in Electrical Engineering and Computers

Visualization of clusters in geo-referenced data using three-dimensional self-organizing maps

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Estatística e Gestão de Informação

Uranium glass in museum collections

Journal of Cultural Heritage, nº 9 (2008), p. 64-68

Stochastic model of transcription initiation of closely spaced promoters in escherichia coli

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Rinometria acústica: valores de referência numa população de estudantes universitários

RESUMO: A permeabilidade nasal (nasal patency) é um conceito importante na avaliação da função nasal. Pode ser explicado como uma medida do quanto a cavidade nasal está “aberta” e é determinada por fatores dependentes da sua estrutura anatómica que se relacionam com o fluxo e a resistência nasais e a existência de um fenómeno denominado ciclo nasal. Tradicionalmente, a avaliação da permeabilidade nasal baseia-se em indicadores subjetivos, nomeadamente Escalas Visuais Analógicas ou Scores de Sintomas, embora a sensação subjetiva de obstrução nasal seja difícil de quantificar e frequentemente não se correlacione com métodos mais objetivos de avaliação. A Rinometria Acústica (RA) tem adquirido um papel cada vez mais relevante na avaliação das alterações da permeabilidade nasal, pelo seu carácter não-invasivo, rápido, de fácil execução e por ser bem tolerada pelos pacientes. Contudo, não foram ainda publicados valores de referência para a população normal. Com o presente trabalho pretendeu-se determinar áreas transversais (AT) e volumes (Vol) da cavidade nasal em adultos saudáveis através de RA, em condições basais e após a administração de um fármaco descongestionante tópico nasal, relacionando estes parâmetros com variáveis demográficas e antropométricas. MATERIAL E MÉTODOS: O estudo foi realizado em 32 adultos jovens, de ambos os sexos (18 mulheres e 14 homens), com idade igual ou superior a 18 anos, não fumadores, sem patologias crónicas ou infeção recente das vias aéreas superiores. Para a execução do exame de RA foi utilizado o equipamento SRE2000 com Software RhinoScan Interacoustics, Dinamarca). O rinograma foi analisado em condições basais e após descongestionamento até aos 5 cm de distância da narina, obtendo-se os valores médios entre cavidade nasal direita e esquerda das áreas transversais (AT) dos entalhes registados (AT1 e AT2), a sua localização e volumes nasais a diferentes distâncias (Vol.0-2; Vol.2-5 e Vol.0-5). RESULTADOS: Os indivíduos do género masculino apresentaram valores significativamente superiores aos do género feminino em todos os parâmetros estudados. A administração do fármaco descongestionante tópico nasal provocou um aumento generalizado das AT e volumes nasais, traduzindo uma diminuição da congestão da mucosa nasal, mais acentuada posteriormente ao nível dos cornetos. A comparação entre fossas nasais (direita versus esquerda) após descongestionamento, eliminando o efeito do ciclo nasal, revelou simetria significativa. De uma forma geral, os parâmetros rinométricos estudados revelaram correlação positiva significativa com a altura. CONCLUSÃO: O estudo foi pioneiro para a população portuguesa e representa uma contribuição para a obtenção de valores de referência em adultos jovens. Estudos futuros em amostras de maior dimensão e representatividade são necessários para a obtenção de valores de referência com utilidade clínica e em investigação.--------------ABSTRACT: Nasal patency is an important concept in the evaluation of nasal function. It may be explained as a measure of how open the nasal cavity is, and it depends of anatomical aspects, that relate to nasal airflow, resistance and nasal cycle. Nasal patency evaluation is based in subjective indicators like visual analogical scales or symptom scores, but subjective sensation of nasal obstruction is difficult to quantify and usually doesn’t correlate with more objective methods of evaluation. Acoustic rhinometry has gained an increasingly relevant role in assessing changes in nasal patency, because it is noninvasive, fast and easy to perform and well tolerated by patients However, reference values for the normal population have not yet been published. The aim of the present study was to determine nasal cross-sectional areas and volumes in healthy adults by acoustic rhinometry, before and after administration of a topical nasal decongestant drug, correlating these parameters with demographic and anthropometric variables. MATERIAL E METHODS: The study was performed in 32 young adults (18 females and 14 males), aged 18 years old or more, non-smokers, without chronic diseases or recent airway infection. Acoustic rhinometry evaluation was performed using SRE2000 with RhinoScan software (Interacoustics, Denmark). Nasal cavities were assessed up to 5 cm distance from the nostril, before and after administration of the topical nasal decongestant drug, and mean cross-sectional areas of the notches, their location and mean volumes at different distances from nostril were measured. RESULTS: Males presented significant higher values than females for all rhinometric parameters studied. The decongestant drug, significantly increased all the rhinometric parameters evaluated, in particular those corresponding to the more posterior regions. Comparison between nasal cavities after nasal decongestion showed no significant asymmetry. Globally,a positive correlation was found between rhinometric parameters and height . CONCLUSION: This study was pioneer in the Portuguese population and represents a contribution to acoustic rhinometry reference values in young adults . Further studies, on larger and representative samples, are necessary in order to obtain reference values, useful both to clinical and research applications of this technique.

Stochastic simulation of the morphology of fluvial sand channels reservoirs

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Geológica (Georrecursos)

Gender Differences in Spatial Cognition: Wayfinding Performance and Sketch Mapping Activity of German Speakers

Dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science in Geospatial Technologies

Algorithms for information extraction and signal annotation on long-term biosignals using clustering techniques

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Insight into the multicopper oxidases stability

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Biochemistry

From the portolan chart of the mediterranean to the latitude chart of the atlantic

Thesis submitted to the Instituto Superior de Estatística e Gestão de Informação da Universidade Nova de Lisboa in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Information Management – Geographic Information Systems

A copper protein and a cytochrome bind at the same site on bacterial cytochrome c peroxidase

Biochemistry, 2004, 43 (46), pp 14566–14576 DOI: 10.1021/bi0485833

Contributo para o desenvolvimento de uma metodologia que avalia a posição da omoplata: fidedignidade intra e interobservador e validade concorrente

RESUMO: Introdução: A relação cinemática entre as articulações do CAO apresenta grande importância na função do MS, e é por isso cada vez mais investigada e descrita. O posicionamento da omoplata ganha um importante papel para compreender as DCAO. É indiscutível o importante papel da omoplata na dinâmica do MS, bem como o posicionamento escapular como parâmetro clínico de disfunção do CAO. Todos estes factores criam a necessidade de desenvolver instrumentos de avaliação da posição da articulação ET. A grande maioria dos testes de avaliação, restringem a sua avaliação às disfunções da articulação GU, não integrando uma avaliação mais dinâmica e interactiva que respeite os pressupostos teóricos inerentes ao REU. È importante também que os métodos de avaliação sejam de fácil aplicabilidade clínica e que avaliem fidedignamente e com validade os outcomes. Objectivos: Contribuir para o desenvolvimento de uma metodologia de avaliação da omoplata em diferentes amplitudes do MS, através do estudo da validade concorrente, da fidedignidade intra e inter-observador. Metodologia: A amostra foi constituída por 20 elementos seleccionados por conveniência, entre o corpo de discentes da ESS-IPS, sem história de disfunção do CAO. Foi realizada uma análise cinemática ao MS de cada sujeito, usando um aparelho de análise por varrimento electromagnético, o FOB. Em cada sujeito foram ainda medidas, as distâncias escapulares em estudo, usando a fita métrica. Cada método de medição foi constituído por dois momento (teste e reteste), em cada momento, as medidas eram recolhidas por dois investigadores distintos. Resultados e Discussão: Foram considerados como positivos os resultados que se apresentassem acima do limiar de 0,5, que classifica uma correlação como moderada a excelente. Os resultados da validade mostram que para o investigador 1 nas medidas M1e M2 apenas houve correlação com valores excelentes a moderados até aos 30º de elevação do MS. Já para M3 apenas aos 30º no plano da omoplata essa mesma correlação não tem valores próximos do cutpoint. Em M4 nenhum valor tem correlação significativa com os valores do FOB, chegando mesmo a haver correlação negativa para os 120º no plano da omoplata. Em M5 apenas os 0º mostram valores correlacionais excelentes a moderados. Para o investigador 2, em M1 e M2 á semelhança do investigador 1, só existem valores de correlação significativos até aos 30º de elevação do MS. Já para M3 todos os valores mostram excelente a moderada correlação á excepção dos 120º no plano frontal. Em M4 este investigador apresenta maus resultados. Já em M5 os valores de correlação são moderados aos 0º e aos 90º. No que diz respeitos aos resultados dos CCI intra-observador,podemos afirmar que foi em M5 que estes valores mais se aproximaram do cut point. M1 e M2 são as medidas onde se encontram resultados menos satisfatórios. É aos 60º que existem valores mais satisfatórios, seguidos pelos 0º e 30º, quando nos aproximamos de graus mais elevados, como 90º e 120º, estes valores tendem a baixar. Quanto á fidedignidade inter-observador para M1 apenas aos 90º e aos 120º houve valores de correlação abaixo do cutpoint. Em M2, só os 60º do plano sagital não teve valores acima do cutpoint, em M3 apenas os 30º plano sagital não obtiveram valores acima do cut-point, o mesmo acontece para M3 aos 30º plano da omoplata e em M5 aos 30º e 120º no plano frontal. Conclusão: Os resultados deste estudo indicam que a metodologia em causa apresenta elevado grau de fidedignidade inter-observador, já no que toca é fidedignidade intra-observador o grau de semelhança não é tão elevado. Também o erro associado á medida não ultrapassou 1,5cm, sendo considerado baixo. Na validade concorrente concluímos que é aos 0º que a metodologia se torna uma opção válida na aferição das distâncias medidas com uma boa a excelente concordância com o FOB. As medidas consideradas como opções válidas, nas diferentes amplitudes, podem funcionar como parâmetros clínicos de caracterização do posicionamento da omoplata, podendo vir a contribuir ainda para a caracterização da orientação da mesma.-------------------- ABSTRACT:Introduction: The kinematic relationship between the joints of the CAO has great importance in the function of MS, which is why more and more investigated and described. The positioning of the blade gets an important role in understanding the DCAO. There is no doubt the important role of the scapula in the dynamics of MS as well as the positioning of scapular dysfunction as a clinical parameter of the CAO. All these factors create the need to develop tools for evaluating the place of articulation ET. Most assessment tests, restrict its assessment to GU joint disorders, not incorporating a more dynamic and interactive way that respects the theoretical assumptions inherent in the REU. It is also important that the methods are easy to apply clinical and reliably to assess the validity and outcomes. Objectives: To contribute to the development of a methodology for evaluating the scapula in different ranges of MS, through the study of concurrent validity, reliability of intra-and inter-observer. Methodology: The sample consisted of 20 selected elements for convenience, between the body of students of IPS-ESS with no history of dysfunction of the CAO. We performed a kinematic analysis of each subject to MS, using a scanning device for electromagnetic analysis, the FOB. In each subject were also measured, the scapular distances under study, using tape measure. Each method of measuring the time consisted of two (test and retest), in each moment, the measures were collected by two different investigators. Results and Discussion: We considered as positive results that were above the threshold of 0.5, which ranks as a moderate to excellent correlation. The results show that the validity for the researcher in an action M1e M2 was only correlated with moderate to excellent values up to 30º of elevation of the MS. As for M3 only to 30º in the plane of the scapula has the same correlation values near the cutpoint. M4 has no value in correlation with the values of the FOB, and even negative correlation to 120 ° in the plane of the scapula. In M5 show only the values 0 ° correlational excellent to moderate. For investigator 2 in M1 and M2 will be like an investigator, there are only significant correlation values up to 30º of elevation of the MS. As for M3 all the values show excellent correlation to moderate with the exception of 120 ° in the frontal plane. In this researcher M4 has bad results. M5 already in the correlation values are moderate to 0º and 90 º. Regarding the results of ICC intra-observer, we can say that M5 was that these values come closest to the cut point. M1 and M2 are measures which are less than satisfactory results. At 60 ° there are more satisfactory values, followed by 0º and 30º, when we approached the highest levels, such as 90 ° and 120 °, these values tend to decrease. The inter-observer reliability for M1 only to 90 º and 120 ºcorrelation values were below the cutpoint. In M2, only 60 of the sagital plane did not have values above the cutpoint in M3 only 30º sagital plane did not obtain values above the cut-point, the same goes for M3 at 30 ° plane of the scapula and M5 at 30 º and 120 º in frontal plane. Conclusion: The results of this study indicate that the methodology in question has a high degree of inter-observer reliability, as far as intra-observer reliability is the degree of similarity is not as high. Also the error of measure did not exceed 1.5 cm, and is considered low. In concurrent validity conclude that it is at 0 ° the methodology becomes a valid option for the measurement of distances measured with a good to excellent agreement with the FOB. The measures considered as valid options in different amplitudes, can function as clinical parameters to characterize the positioning of the shoulder blade and could further contribute to the characterization of the orientation of the same.

Qualidade e satisfação do sistema de seguimento à distância de cardioversores-desfibrilhadores implantáveis

RESUMO - Com o aumento da esperança de vida e das doenças crónicas, cada vez se tem implantado mais cardioversores-desfibrilhadores (CDI) para prevenção de morte súbita. O aumento exponencial no número de implantes aumenta o número de seguimentos dos dispositivos, sobrecarregando os profissionais de saúde e comprometendo a qualidade dos serviços prestados. Segundo as recomendações internacionais, um CDI deverá ser vigiado a cada 3 meses, o que perfaz 4 consultas por ano/doente no mínimo, se não existirem episódios de “choques” ou “descompensações” clínicas, e mensalmente quando é atingido o indicador de substituição electiva do gerador. A evolução da tecnologia, de algoritmos, visualização de episódios e terapias requer recursos técnicos e humanos diferenciados e um gasto de tempo considerável no seguimento. Em países como os Estados Unidos da América, em que os doentes têm de percorrer distâncias muito grandes para aceder aos cuidados de saúde, tornou-se preemente a necessidade de um sistema de vigilância alternativo. Nesse sentido, e usando o conceito da telemedicina, foi criado o seguimento/monitorização à distância de dispositivos cardíacos. Este reduz os custos em consultas, deslocações e recursos humanos, uma vez que contempla apenas uma consulta presencial por ano. Por outro lado, aumenta a segurança do doente com a monitorização periódica e a criação de alarmes, permitindo uma assistência de qualidade e intervenção adequada imediata. Aproveitando as vantagens que este tipo de sistema de transmissão remota oferece, procedeu-se no meu serviço, à distribuição inicial de 62 comunicadores a doentes portadores de CDI´s ou com Ressincronizadores Cardíacos (TRC´s1). Apesar de ser considerada uma melhoria na qualidade dos serviços prestados, é também uma mudança importante na metodologia da consulta feita até aqui. Segundo vários autores, a avaliação da qualidade dos cuidados em saúde está intrinsecamente ligada ao grau de satisfação dos doentes com esses serviços, ou seja, à relação entre as suas expectativas e os resultados percebidos por eles, sendo considerado um importante indicador de qualidade dos serviços. Com este trabalho, pretende-se avaliar a percepção dos doentes face ao novo seguimento em termos de aceitação, satisfação, validade, segurança e confiança no novo sistema. Se este mantém os mesmos padrões de qualidade que o seguimento presencial. Trata-se de um estudo transversal com uma componente retrospectiva de avaliação da nova metodologia de consulta à distância. Para tal, foi elaborado um questionário, que foi aplicado a 40 doentes (17,5% do género feminino e 82,5% do género masculino; média de idades de 65 anos) que constituíram a amostra do estudo. Verificou-se uma média de 5 anos de tempo de implante do CDI. Dos dados obtidos, é de realçar que 70% dos inquiridos estão satisfeitos e 30% estão muito satisfeitos com esta nova metodologia de consulta e cerca 67,4% prefere a consulta à distância. Quando solicitados para comparar a qualidade do serviço prestado entre as duas consultas, 65% respondeu igual e 27,5% melhor. Todos os inquiridos responderam ter confiança e segurança com o sistema de consulta à distância. Cerca de 87,5% dos inquiridos vê-se mesmo a continuar com este tipo de consulta. Os resultados obtidos são bastante satisfatórios no que diz respeito à transição do modo como a consulta de CDI´s é feita. Reflectem também que a tecnologia não é necessariamente uma barreira no acesso aos profissionais de saúde, desde que suportada por algum contacto directo (telefone e através de uma consulta presencial por ano). 1 TRC – Terapia de Ressincronização Cardíaca