The effects of hypocalcemia on spatial alternans and ventricular fibrillation studied with the optical mapping technique

The heart is a wonderful but complex organ: it uses electrochemical mechanisms in order to produce mechanical energy to pump the blood throughout the body and allow the life of humans and animals. This organ can be subject to several diseases and sudden cardiac death (SCD) is the most catastrophic manifestation of these diseases, responsible for the death of a large number of people throughout the world. It is estimated that 325000 Americans annually die for SCD. SCD most commonly occurs as a result of reentrant tachyarrhythmias (ventricular tachycardia (VT) and ventricular fibrillation (VF)) and the identification of those patients at higher risk for the development of SCD has been a difficult clinical challenge. Nowadays, a particular electrocardiogram (ECG) abnormality, “T-wave alternans” (TWA), is considered a precursor of lethal cardiac arrhythmias and sudden death, a sensitive indicator of risk for SCD. TWA is defined as a beat-to-beat alternation in the shape, amplitude, or timing of the T-wave on the ECG, indicative of the underlying repolarization of cardiac cells [5]. In other words TWA is the macroscopic effect of subcellular and celluar mechanisms involving ionic kinetics and the consequent depolarization and repolarization of the myocytes. Experimental activities have shown that TWA on the ECG is a manifestation of an underlying alternation of long and short action potential durations (APDs), the so called APD-alternans, of cardiac myocytes in the myocardium. Understanding the mechanism of APDs-alternans is the first step for preventing them to occur. In order to investigate these mechanisms it’s very important to understand that the biological systems are complex systems and their macroscopic properties arise from the nonlinear interactions among the parts. The whole is greater than the sum of the parts, and it cannot be understood only by studying the single parts. In this sense the heart is a complex nonlinear system and its way of working follows nonlinear dynamics; alternans also, they are a manifestation of a phenomenon typical in nonlinear dynamical systems, called “period-dubling bifurcation”. Over the past decade, it has been demonstrated that electrical alternans in cardiac tissue is an important marker for the development of ventricular fibrillation and a significant predictor for mortality. It has been observed that acute exposure to low concentration of calcium does not decrease the magnitude of alternans and sustained ventricular Fibrillation (VF) is still easily induced under these condition. However with prolonged exposure to low concentration of calcium, alternans disappears, but VF is still inducible. This work is based on this observation and tries to make it clearer. The aim of this thesis is investigate the effect of hypocalcemia spatial alternans and VF doing experiments with canine hearts and perfusing them with a solution with physiological ionic concentration and with a solution with low calcium concentration (hypocalcemia); in order to investigate the so called memory effect, the experimental activity was modified during the way. The experiments were performed with the optical mapping technique, using voltage-sensitive dye, and a custom made Java code was used in post-processing. Finding the Nolasco and Dahlen’s criterion [8] inadequate for the prediction of alternans, and takin into account the experimental results, another criterion, which consider the memory effect, has been implemented. The implementation of this criterion could be the first step in the creation of a method, AP-based, discriminating who is at risk if developing VF. This work is divided into four chapters: the first is a brief presentation of the physiology of the heart; the second is a review of the major theories and discovers in the study of cardiac dynamics; the third chapter presents an overview on the experimental activity and the optical mapping technique; the forth chapter contains the presentation of the results and the conclusions.

BabelNet e il problema della Word Sense Disambiguation

La Word Sense Disambiguation è un problema informatico appartenente al campo di studi del Natural Language Processing, che consiste nel determinare il senso di una parola a seconda del contesto in cui essa viene utilizzata. Se un processo del genere può apparire banale per un essere umano, può risultare d'altra parte straordinariamente complicato se si cerca di codificarlo in una serie di istruzioni esguibili da una macchina. Il primo e principale problema necessario da affrontare per farlo è quello della conoscenza: per operare una disambiguazione sui termini di un testo, un computer deve poter attingere da un lessico che sia il più possibile coerente con quello di un essere umano. Sebbene esistano altri modi di agire in questo caso, quello di creare una fonte di conoscenza machine-readable è certamente il metodo che permette di affrontare il problema in maniera più diretta. Nel corso di questa tesi si cercherà, come prima cosa, di spiegare in cosa consiste la Word Sense Disambiguation, tramite una descrizione breve ma il più possibile dettagliata del problema. Nel capitolo 1 esso viene presentato partendo da alcuni cenni storici, per poi passare alla descrizione dei componenti fondamentali da tenere in considerazione durante il lavoro. Verranno illustrati concetti ripresi in seguito, che spaziano dalla normalizzazione del testo in input fino al riassunto dei metodi di classificazione comunemente usati in questo campo. Il capitolo 2 è invece dedicato alla descrizione di BabelNet, una risorsa lessico-semantica multilingua di recente costruzione nata all'Università La Sapienza di Roma. Verranno innanzitutto descritte le due fonti da cui BabelNet attinge la propria conoscenza, WordNet e Wikipedia. In seguito saranno illustrati i passi della sua creazione, dal mapping tra le due risorse base fino alla definizione di tutte le relazioni che legano gli insiemi di termini all'interno del lessico. Infine viene proposta una serie di esperimenti che mira a mettere BabelNet su un banco di prova, prima per verificare la consistenza del suo metodo di costruzione, poi per confrontarla, in termini di prestazioni, con altri sistemi allo stato dell'arte sottoponendola a diversi task estrapolati dai SemEval, eventi internazionali dedicati alla valutazione dei problemi WSD, che definiscono di fatto gli standard di questo campo. Nel capitolo finale vengono sviluppate alcune considerazioni sulla disambiguazione, introdotte da un elenco dei principali campi applicativi del problema. Vengono in questa sede delineati i possibili sviluppi futuri della ricerca, ma anche i problemi noti e le strade recentemente intraprese per cercare di portare le prestazioni della Word Sense Disambiguation oltre i limiti finora definiti.