Towards high-level execution primitives for and-parallelism: preliminary results

Most implementations of parallel logic programming rely on complex low-level machinery which is arguably difflcult to implement and modify. We explore an alternative approach aimed at taming that complexity by raising core parts of the implementation to the source language level for the particular case of and-parallelism. Therefore, we handle a signiflcant portion of the parallel implementation mechanism at the Prolog level with the help of a comparatively small number of concurrency-related primitives which take care of lower-level tasks such as locking, thread management, stack set management, etc. The approach does not eliminate altogether modiflcations to the abstract machine, but it does greatly simplify them and it also facilitates experimenting with different alternatives. We show how this approach allows implementing both restricted and unrestricted (i.e., non fork-join) parallelism. Preliminary experiments show that the amount of performance sacriflced is reasonable, although granularity control is required in some cases. Also, we observe that the availability of unrestricted parallelism contributes to better observed speedups.

Vision-based active safety system for automatic stopping

ntelligent systems designed to reduce highway fatalities have been widely applied in the automotive sector in the last decade. Of all users of transport systems, pedestrians are the most vulnerable in crashes as they are unprotected. This paper deals with an autonomous intelligent emergency system designed to avoid collisions with pedestrians. The system consists of a fuzzy controller based on the time-to-collision estimate – obtained via a vision-based system – and the wheel-locking probability – obtained via the vehicle’s CAN bus – that generates a safe braking action. The system has been tested in a real car – a convertible Citroën C3 Pluriel – equipped with an automated electro-hydraulic braking system capable of working in parallel with the vehicle’s original braking circuit. The system is used as a last resort in the case that an unexpected pedestrian is in the lane and all the warnings have failed to produce a response from the driver.

Functional and effective connectivity in MEG. Application to the study of epilepsy

Nuestro cerebro contiene cerca de 1014 sinapsis neuronales. Esta enorme cantidad de conexiones proporciona un entorno ideal donde distintos grupos de neuronas se sincronizan transitoriamente para provocar la aparición de funciones cognitivas, como la percepción, el aprendizaje o el pensamiento. Comprender la organización de esta compleja red cerebral en base a datos neurofisiológicos, representa uno de los desafíos más importantes y emocionantes en el campo de la neurociencia. Se han propuesto recientemente varias medidas para evaluar cómo se comunican las diferentes partes del cerebro a diversas escalas (células individuales, columnas corticales, o áreas cerebrales). Podemos clasificarlos, según su simetría, en dos grupos: por una parte, la medidas simétricas, como la correlación, la coherencia o la sincronización de fase, que evalúan la conectividad funcional (FC); mientras que las medidas asimétricas, como la causalidad de Granger o transferencia de entropía, son capaces de detectar la dirección de la interacción, lo que denominamos conectividad efectiva (EC). En la neurociencia moderna ha aumentado el interés por el estudio de las redes funcionales cerebrales, en gran medida debido a la aparición de estos nuevos algoritmos que permiten analizar la interdependencia entre señales temporales, además de la emergente teoría de redes complejas y la introducción de técnicas novedosas, como la magnetoencefalografía (MEG), para registrar datos neurofisiológicos con gran resolución. Sin embargo, nos hallamos ante un campo novedoso que presenta aun varias cuestiones metodológicas sin resolver, algunas de las cuales trataran de abordarse en esta tesis. En primer lugar, el creciente número de aproximaciones para determinar la existencia de FC/EC entre dos o más señales temporales, junto con la complejidad matemática de las herramientas de análisis, hacen deseable organizarlas todas en un paquete software intuitivo y fácil de usar. Aquí presento HERMES (http://hermes.ctb.upm.es), una toolbox en MatlabR, diseñada precisamente con este fin. Creo que esta herramienta será de gran ayuda para todos aquellos investigadores que trabajen en el campo emergente del análisis de conectividad cerebral y supondrá un gran valor para la comunidad científica. La segunda cuestión practica que se aborda es el estudio de la sensibilidad a las fuentes cerebrales profundas a través de dos tipos de sensores MEG: gradiómetros planares y magnetómetros, esta aproximación además se combina con un enfoque metodológico, utilizando dos índices de sincronización de fase: phase locking value (PLV) y phase lag index (PLI), este ultimo menos sensible a efecto la conducción volumen. Por lo tanto, se compara su comportamiento al estudiar las redes cerebrales, obteniendo que magnetómetros y PLV presentan, respectivamente, redes más densamente conectadas que gradiómetros planares y PLI, por los valores artificiales que crea el problema de la conducción de volumen. Sin embargo, cuando se trata de caracterizar redes epilépticas, el PLV ofrece mejores resultados, debido a la gran dispersión de las redes obtenidas con PLI. El análisis de redes complejas ha proporcionado nuevos conceptos que mejoran caracterización de la interacción de sistemas dinámicos. Se considera que una red está compuesta por nodos, que simbolizan sistemas, cuyas interacciones se representan por enlaces, y su comportamiento y topología puede caracterizarse por un elevado número de medidas. Existe evidencia teórica y empírica de que muchas de ellas están fuertemente correlacionadas entre sí. Por lo tanto, se ha conseguido seleccionar un pequeño grupo que caracteriza eficazmente estas redes, y condensa la información redundante. Para el análisis de redes funcionales, la selección de un umbral adecuado para decidir si un determinado valor de conectividad de la matriz de FC es significativo y debe ser incluido para un análisis posterior, se convierte en un paso crucial. En esta tesis, se han obtenido resultados más precisos al utilizar un test de subrogadas, basado en los datos, para evaluar individualmente cada uno de los enlaces, que al establecer a priori un umbral fijo para la densidad de conexiones. Finalmente, todas estas cuestiones se han aplicado al estudio de la epilepsia, caso práctico en el que se analizan las redes funcionales MEG, en estado de reposo, de dos grupos de pacientes epilépticos (generalizada idiopática y focal frontal) en comparación con sujetos control sanos. La epilepsia es uno de los trastornos neurológicos más comunes, con más de 55 millones de afectados en el mundo. Esta enfermedad se caracteriza por la predisposición a generar ataques epilépticos de actividad neuronal anormal y excesiva o bien síncrona, y por tanto, es el escenario perfecto para este tipo de análisis al tiempo que presenta un gran interés tanto desde el punto de vista clínico como de investigación. Los resultados manifiestan alteraciones especificas en la conectividad y un cambio en la topología de las redes en cerebros epilépticos, desplazando la importancia del ‘foco’ a la ‘red’, enfoque que va adquiriendo relevancia en las investigaciones recientes sobre epilepsia. ABSTRACT There are about 1014 neuronal synapses in the human brain. This huge number of connections provides the substrate for neuronal ensembles to become transiently synchronized, producing the emergence of cognitive functions such as perception, learning or thinking. Understanding the complex brain network organization on the basis of neuroimaging data represents one of the most important and exciting challenges for systems neuroscience. Several measures have been recently proposed to evaluate at various scales (single cells, cortical columns, or brain areas) how the different parts of the brain communicate. We can classify them, according to their symmetry, into two groups: symmetric measures, such as correlation, coherence or phase synchronization indexes, evaluate functional connectivity (FC); and on the other hand, the asymmetric ones, such as Granger causality or transfer entropy, are able to detect effective connectivity (EC) revealing the direction of the interaction. In modern neurosciences, the interest in functional brain networks has increased strongly with the onset of new algorithms to study interdependence between time series, the advent of modern complex network theory and the introduction of powerful techniques to record neurophysiological data, such as magnetoencephalography (MEG). However, when analyzing neurophysiological data with this approach several questions arise. In this thesis, I intend to tackle some of the practical open problems in the field. First of all, the increase in the number of time series analysis algorithms to study brain FC/EC, along with their mathematical complexity, creates the necessity of arranging them into a single, unified toolbox that allow neuroscientists, neurophysiologists and researchers from related fields to easily access and make use of them. I developed such a toolbox for this aim, it is named HERMES (http://hermes.ctb.upm.es), and encompasses several of the most common indexes for the assessment of FC and EC running for MatlabR environment. I believe that this toolbox will be very helpful to all the researchers working in the emerging field of brain connectivity analysis and will entail a great value for the scientific community. The second important practical issue tackled in this thesis is the evaluation of the sensitivity to deep brain sources of two different MEG sensors: planar gradiometers and magnetometers, in combination with the related methodological approach, using two phase synchronization indexes: phase locking value (PLV) y phase lag index (PLI), the latter one being less sensitive to volume conduction effect. Thus, I compared their performance when studying brain networks, obtaining that magnetometer sensors and PLV presented higher artificial values as compared with planar gradiometers and PLI respectively. However, when it came to characterize epileptic networks it was the PLV which gives better results, as PLI FC networks where very sparse. Complex network analysis has provided new concepts which improved characterization of interacting dynamical systems. With this background, networks could be considered composed of nodes, symbolizing systems, whose interactions with each other are represented by edges. A growing number of network measures is been applied in network analysis. However, there is theoretical and empirical evidence that many of these indexes are strongly correlated with each other. Therefore, in this thesis I reduced them to a small set, which could more efficiently characterize networks. Within this framework, selecting an appropriate threshold to decide whether a certain connectivity value of the FC matrix is significant and should be included in the network analysis becomes a crucial step, in this thesis, I used the surrogate data tests to make an individual data-driven evaluation of each of the edges significance and confirmed more accurate results than when just setting to a fixed value the density of connections. All these methodologies were applied to the study of epilepsy, analysing resting state MEG functional networks, in two groups of epileptic patients (generalized and focal epilepsy) that were compared to matching control subjects. Epilepsy is one of the most common neurological disorders, with more than 55 million people affected worldwide, characterized by its predisposition to generate epileptic seizures of abnormal excessive or synchronous neuronal activity, and thus, this scenario and analysis, present a great interest from both the clinical and the research perspective. Results revealed specific disruptions in connectivity and network topology and evidenced that networks’ topology is changed in epileptic brains, supporting the shift from ‘focus’ to ‘networks’ which is gaining importance in modern epilepsy research.

Microwave signal generation using a dual-beam optically injected 1550 nm VCSEL

We report microwave signal generation using a 1550 nm single-mode VCSEL subject to two-frequency optical injection. Double injection locking is achieved. It is found that this generation system is independent of the master lasers polarization.

Experimental implementation of a biometric laser synaptic sensor

We fabricate a biometric laser fiber synaptic sensor to transmit information from one neuron cell to the other by an optical way. The optical synapse is constructed on the base of an erbium-doped fiber laser, whose pumped diode current is driven by a pre-synaptic FitzHugh–Nagumo electronic neuron, and the laser output controls a post-synaptic FitzHugh–Nagumo electronic neuron. The implemented laser synapse displays very rich dynamics, including fixed points, periodic orbits with different frequency-locking ratios and chaos. These regimes can be beneficial for efficient biorobotics, where behavioral flexibility subserved by synaptic connectivity is a challenge.

Cognitive reserve is associated with the functional organization of brain networks in healthy aging: a MEG study

The proportion of elderly people in the population has increased rapidly in the last century and consequently "healthy aging" is expected to become a critical area of research in neuroscience. Evidence reveals how healthy aging depends on three main behavioral factors: social lifestyle, cognitive activity and physical activity. In this study, we focused on the role of cognitive activity, concentrating specifically on educational and occupational attainment factors, which were considered two of the main pillars of cognitive reserve. 21 subjects with similar rates of social lifestyle, physical and cognitive activity were selected from a sample of 55 healthy adults. These subjects were divided into two groups according to their level of cognitive reserve; one group comprised subjects with high cognitive reserve (9 members) and the other contained those with low cognitive reserve (12 members). To evaluate the cortical brain connectivity network, all participants were recorded by Magnetoencephalography (MEG) while they performed a memory task (modified version of the Sternberg¿s Task). We then applied two algorithms (Phase Locking Value & Phase-Lag Index) to study the dynamics of functional connectivity. In response to the same task, the subjects with lower cognitive reserve presented higher functional connectivity than those with higher cognitive reserve. These results may indicate that participants with low cognitive reserve needed a greater 'effort' than those with high cognitive reserve to achieve the same level of cognitive performance. Therefore, we conclude that cognitive reserve contributes to the modulation of the functional connectivity patterns of the aging brain.

CCD image sensor induced error in PIV applications

The readout procedure of charge-coupled device (CCD) cameras is known to generate some image degradation in different scientific imaging fields, especially in astrophysics. In the particular field of particle image velocimetry (PIV), widely extended in the scientific community, the readout procedure of the interline CCD sensor induces a bias in the registered position of particle images. This work proposes simple procedures to predict the magnitude of the associated measurement error. Generally, there are differences in the position bias for the different images of a certain particle at each PIV frame. This leads to a substantial bias error in the PIV velocity measurement (~0.1 pixels). This is the order of magnitude that other typical PIV errors such as peak-locking may reach. Based on modern CCD technology and architecture, this work offers a description of the readout phenomenon and proposes a modeling for the CCD readout bias error magnitude. This bias, in turn, generates a velocity measurement bias error when there is an illumination difference between two successive PIV exposures. The model predictions match the experiments performed with two 12-bit-depth interline CCD cameras (MegaPlus ES 4.0/E incorporating the Kodak KAI-4000M CCD sensor with 4 megapixels). For different cameras, only two constant values are needed to fit the proposed calibration model and predict the error from the readout procedure. Tests by different researchers using different cameras would allow verification of the model, that can be used to optimize acquisition setups. Simple procedures to obtain these two calibration values are also described.

AVALIAÇÃO POR MEIO DE MODELOS DE GESSO DAS ALTERAÇÕES DENTOESQUELÉTICAS, PROMOVIDAS PELA EXPANSÃO RÁPIDA DA MAXILA ASSISTIDA CIRURGICAMENTE (ERMAC)

Este estudo avaliou as alterações produzidas nos arcos dentais superiores de pacientes submetidos à Expansão Rápida da Maxila Assistida Cirurgicamente (ERMAC). A amostra utilizada foi composta de 50 modelos de gesso superiores de 18 pacientes, sendo seis do sexo masculino e 12 do sexo feminino, com média de idade de 23,3 anos. Para cada paciente foram preparados três modelos de gesso obtidos em diferentes fases: Inicial, antes do procedimento operatório (T1); três meses pós-expansão (travamento do expansor) e momento da remoção do aparelho expansor tipo Hyrax e colocação da placa removível de acrílico para contenção (T2); seis meses pós-expansão e momento de remoção da placa de acrílico (T3). O dispositivo expansor utilizado foi o disjuntor tipo Hyrax. O procedimento cirúrgico adotado foi a osteotomia lateral da maxila sem o envolvimento da lâmina pterigóide, osteotomia da espinha nasal à linha média dental (incisivos centrais superiores), separação da sutura palatina mediana por meio de cinzel e separação do septo nasal. O início da ativação ocorreu no terceiro dia pós-operatório, sendo ¼ de volta pela manhã e ¼ à noite, sendo que as ativações seguiram critérios clínicos para o controle da expansão. As medidas foram realizadas por meio da máquina de medição tridimensional (SAC), baseando-se nas alterações nos três planos (vertical, sagital e transversal) que ocorreram nos modelos de gesso. Concluiu-se que: 1. Houve um aumento estatisticamente significante nas distâncias transversais em todos os grupos de dentes (de incisivos centrais até segundos molares) de T1 para T2, demonstrando a efetividade do tratamento. De T2 para T3 não houve diferença estatisticamente significante para nenhuma variável, indicando, assim, estabilidade após seis meses do término da ERMAC; 2. Houve um aumento estatisticamente significante nas inclinações dos primeiros e segundos molares dos lados direito e esquerdo e dos segundos pré-molares apenas do lado esquerdo, sugerindo um comportamento assimétrico dos dentes avaliados; 3. Houve um aumento na largura palatina nos intervalos analisados, com diferenças estatisticamente significantes entre T1 x T2 e T1 x T3; 4. Não foram observadas diferenças estatisticamente significantes na profundidade palatina nos intervalos analisados.(AU)

AVALIAÇÃO POR MEIO DE MODELOS DE GESSO DAS ALTERAÇÕES DENTOESQUELÉTICAS, PROMOVIDAS PELA EXPANSÃO RÁPIDA DA MAXILA ASSISTIDA CIRURGICAMENTE (ERMAC)

Este estudo avaliou as alterações produzidas nos arcos dentais superiores de pacientes submetidos à Expansão Rápida da Maxila Assistida Cirurgicamente (ERMAC). A amostra utilizada foi composta de 50 modelos de gesso superiores de 18 pacientes, sendo seis do sexo masculino e 12 do sexo feminino, com média de idade de 23,3 anos. Para cada paciente foram preparados três modelos de gesso obtidos em diferentes fases: Inicial, antes do procedimento operatório (T1); três meses pós-expansão (travamento do expansor) e momento da remoção do aparelho expansor tipo Hyrax e colocação da placa removível de acrílico para contenção (T2); seis meses pós-expansão e momento de remoção da placa de acrílico (T3). O dispositivo expansor utilizado foi o disjuntor tipo Hyrax. O procedimento cirúrgico adotado foi a osteotomia lateral da maxila sem o envolvimento da lâmina pterigóide, osteotomia da espinha nasal à linha média dental (incisivos centrais superiores), separação da sutura palatina mediana por meio de cinzel e separação do septo nasal. O início da ativação ocorreu no terceiro dia pós-operatório, sendo ¼ de volta pela manhã e ¼ à noite, sendo que as ativações seguiram critérios clínicos para o controle da expansão. As medidas foram realizadas por meio da máquina de medição tridimensional (SAC), baseando-se nas alterações nos três planos (vertical, sagital e transversal) que ocorreram nos modelos de gesso. Concluiu-se que: 1. Houve um aumento estatisticamente significante nas distâncias transversais em todos os grupos de dentes (de incisivos centrais até segundos molares) de T1 para T2, demonstrando a efetividade do tratamento. De T2 para T3 não houve diferença estatisticamente significante para nenhuma variável, indicando, assim, estabilidade após seis meses do término da ERMAC; 2. Houve um aumento estatisticamente significante nas inclinações dos primeiros e segundos molares dos lados direito e esquerdo e dos segundos pré-molares apenas do lado esquerdo, sugerindo um comportamento assimétrico dos dentes avaliados; 3. Houve um aumento na largura palatina nos intervalos analisados, com diferenças estatisticamente significantes entre T1 x T2 e T1 x T3; 4. Não foram observadas diferenças estatisticamente significantes na profundidade palatina nos intervalos analisados.(AU)

Efeito do laser de baixa intensidade no procedimento de expansão rápida da maxila

A proposta do presente estudo foi avaliar os efeitos do laser de baixa intensidade na regeneração óssea no procedimento de expansão rápida da maxila. Utilizou-se 27 indivíduos com média de idade de 10,2 anos, divididos em dois grupos: grupo laser (n=14), no qual se realizou a expansão rápida da maxila, associada ao laser e grupo sem laser (n=13), que realizou somente a expansão rápida da maxila. O protocolo de ativação do parafuso expansor foi de 1 volta completa no primeiro dia e ½ volta diária até a sobrecorreção. O laser utilizado foi o de diodo (TWIN Laser MMOptics®, São Carlos), seguindo o protocolo de aplicação: comprimento de onda de 780nm, potência de 40mW, densidade de 10J/cm2, em 10 pontos localizados ao redor da sutura palatina mediana. Os estágios de aplicação foram: L1 (do primeiro ao quinto dia de aplicação), L2 (travamento do parafuso e 3 dias seguidos), L3, L4 e L5 (após 7, 14 e 21 dias do L2, respectivamente). Radiografias oclusais da maxila foram realizadas com auxílio de uma escala de alumínio, para referencial densitométrico, em diferentes tempos: T1 (inicial), T2 (dia de travamento do parafuso), T3 (3 a 5 dias do T2), T4 (30 dias do T3), T5 (60 dias do T4). As radiografias foram digitalizadas e submetidas a um programa de imagem (Image Tool - UTHSCSA, Texas, USA), para mensuração da densidade óptica das áreas previamente selecionadas. Para realização do teste estatístico, utilizou-se a Análise de Covariância usando como covariável o tempo para a fase avaliada. Em todos os testes foi adotado nível de significância de 5% (p<0,05).Para o Grupo Laser, os dados mostram que houve uma queda significante de densidade durante a abertura do parafuso (T2-T1), um aumento significante da mesma no período final de avaliação (T5-T4), e um aumento também da densidade no período de regeneração propriamente dito (T5-T2), ou seja, a partir do momento em que finalizou a fase de abertura do parafuso expansor. Enquanto que no Grupo Sem Laser, a densidade não mostrou diferença estatisticamente significantemente em nenhum período analisado. Os resultados mostraram que o laser propiciou consideravelmente uma melhor abertura da sutura palatina mediana, além de influenciar no processo de regeneração óssea da sutura, acelerando seus processos de reparo.(AU)

Efeito do laser de baixa intensidade no procedimento de expansão rápida da maxila

A proposta do presente estudo foi avaliar os efeitos do laser de baixa intensidade na regeneração óssea no procedimento de expansão rápida da maxila. Utilizou-se 27 indivíduos com média de idade de 10,2 anos, divididos em dois grupos: grupo laser (n=14), no qual se realizou a expansão rápida da maxila, associada ao laser e grupo sem laser (n=13), que realizou somente a expansão rápida da maxila. O protocolo de ativação do parafuso expansor foi de 1 volta completa no primeiro dia e ½ volta diária até a sobrecorreção. O laser utilizado foi o de diodo (TWIN Laser MMOptics®, São Carlos), seguindo o protocolo de aplicação: comprimento de onda de 780nm, potência de 40mW, densidade de 10J/cm2, em 10 pontos localizados ao redor da sutura palatina mediana. Os estágios de aplicação foram: L1 (do primeiro ao quinto dia de aplicação), L2 (travamento do parafuso e 3 dias seguidos), L3, L4 e L5 (após 7, 14 e 21 dias do L2, respectivamente). Radiografias oclusais da maxila foram realizadas com auxílio de uma escala de alumínio, para referencial densitométrico, em diferentes tempos: T1 (inicial), T2 (dia de travamento do parafuso), T3 (3 a 5 dias do T2), T4 (30 dias do T3), T5 (60 dias do T4). As radiografias foram digitalizadas e submetidas a um programa de imagem (Image Tool - UTHSCSA, Texas, USA), para mensuração da densidade óptica das áreas previamente selecionadas. Para realização do teste estatístico, utilizou-se a Análise de Covariância usando como covariável o tempo para a fase avaliada. Em todos os testes foi adotado nível de significância de 5% (p<0,05).Para o Grupo Laser, os dados mostram que houve uma queda significante de densidade durante a abertura do parafuso (T2-T1), um aumento significante da mesma no período final de avaliação (T5-T4), e um aumento também da densidade no período de regeneração propriamente dito (T5-T2), ou seja, a partir do momento em que finalizou a fase de abertura do parafuso expansor. Enquanto que no Grupo Sem Laser, a densidade não mostrou diferença estatisticamente significantemente em nenhum período analisado. Os resultados mostraram que o laser propiciou consideravelmente uma melhor abertura da sutura palatina mediana, além de influenciar no processo de regeneração óssea da sutura, acelerando seus processos de reparo.(AU)

Mutations in the DnaK chaperone affecting interaction with the DnaJ cochaperone

Hsp70 chaperones assist protein folding by ATP-controlled cycles of substrate binding and release. ATP hydrolysis is the rate-limiting step of the ATPase cycle that causes locking in of substrates into the substrate-binding cavity of Hsp70. This key step is strongly stimulated by DnaJ cochaperones. We show for the Escherichia coli Hsp70 homolog, DnaK, that stimulation by DnaJ requires the linked ATPase and substrate-binding domains of DnaK. Functional interaction with DnaJ is affected by mutations in an exposed channel located in the ATPase domain of DnaK. It is proposed that binding to this channel, possibly involving the J-domain, allows DnaJ to couple substrate binding with ATP hydrolysis by DnaK. Evolutionary conservation of the channel and the J-domain suggests conservation of the mechanism of action of DnaJ proteins.

An isolated, surface-expressed I domain of the integrin αLβ2 is sufficient for strong adhesive function when locked in the open conformation with a disulfide bond

We introduced disulfide bonds to lock the integrin αLβ2 I domain in predicted open, ligand binding or closed, nonbinding conformations. Transfectants expressing αLβ2 heterodimers containing locked-open but not locked-closed or wild-type I domains constitutively adhered to intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) substrates. Locking the I domain closed abolished constitutive and activatable adhesion. The isolated locked-open I domain bound as well as the activated αLβ2 heterodimer, and binding was abolished by reduction of the disulfide. Lovastatin, which binds under the conformationally mobile C-terminal α-helix of the I domain, inhibited binding to ICAM-1 by αLβ2 with wild-type, but not locked-open I domains. These data establish the importance of conformational change in the αL I domain for adhesive function and show that this domain is sufficient for full adhesive activity.

Diffractive optics-based heterodyne-detected four-wave mixing signals of protein motion: From “protein quakes” to ligand escape for myoglobin

Ligand transport through myoglobin (Mb) has been observed by using optically heterodyne-detected transient grating spectroscopy. Experimental implementation using diffractive optics has provided unprecedented sensitivity for the study of protein motions by enabling the passive phase locking of the four beams that constitute the experiment, and an unambiguous separation of the Real and Imaginary parts of the signal. Ligand photodissociation of carboxymyoglobin (MbCO) induces a sequence of events involving the relaxation of the protein structure to accommodate ligand escape. These motions show up in the Real part of the signal. The ligand (CO) transport process involves an initial, small amplitude, change in volume, reflecting the transit time of the ligand through the protein, followed by a significantly larger volume change with ligand escape to the surrounding water. The latter process is well described by a single exponential process of 725 ± 15 ns at room temperature. The overall dynamics provide a distinctive signature that can be understood in the context of segmental protein fluctuations that aid ligand escape via a few specific cavities, and they suggest the existence of discrete escape pathways.

Geometric incompatibility in a fault system.

Interdependence between geometry of a fault system, its kinematics, and seismicity is investigated. Quantitative measure is introduced for inconsistency between a fixed configuration of faults and the slip rates on each fault. This measure, named geometric incompatibility (G), depicts summarily the instability near the fault junctions: their divergence or convergence ("unlocking" or "locking up") and accumulation of stress and deformations. Accordingly, the changes in G are connected with dynamics of seismicity. Apart from geometric incompatibility, we consider deviation K from well-known Saint Venant condition of kinematic compatibility. This deviation depicts summarily unaccounted stress and strain accumulation in the region and/or internal inconsistencies in a reconstruction of block- and fault system (its geometry and movements). The estimates of G and K provide a useful tool for bringing together the data on different types of movement in a fault system. An analog of Stokes formula is found that allows determination of the total values of G and K in a region from the data on its boundary. The phenomenon of geometric incompatibility implies that nucleation of strong earthquakes is to large extent controlled by processes near fault junctions. The junctions that have been locked up may act as transient asperities, and unlocked junctions may act as transient weakest links. Tentative estimates of K and G are made for each end of the Big Bend of the San Andreas fault system in Southern California. Recent strong earthquakes Landers (1992, M = 7.3) and Northridge (1994, M = 6.7) both reduced K but had opposite impact on G: Landers unlocked the area, whereas Northridge locked it up again.