Técnicas de controlo não-linear baseadas em Redes Neuronais: do algoritmo à implementação

O presente trabalho analisa soluções de controlo não-linear baseadas em Redes Neuronais e apresenta a sua aplicação a um caso prático, desde o algoritmo de treino até à implementação física em hardware. O estudo inicial do estado da arte da utilização das Redes Neuronais para o controlo leva à proposta de soluções iterativas para a definição da arquitectura das mesmas e para o estudo das técnicas de Regularização e Paragem de Treino Antecipada, através dos Algoritmos Genéticos e à proposta de uma forma de validação dos modelos obtidos. Ao longo da tese são utilizadas quatro malhas para o controlo baseado em modelos, uma das quais uma contribuição original, e é implementado um processo de identificação on-line, tendo por base o algoritmo de treino Levenberg-Marquardt e a técnica de Paragem de Treino Antecipada que permite o controlo de um sistema, sem necessidade de recorrer ao conhecimento prévio das suas características. O trabalho é finalizado com um estudo do hardware comercial disponível para a implementação de Redes Neuronais e com o desenvolvimento de uma solução de hardware utilizando uma FPGA. De referir que o trabalho prático de teste das soluções apresentadas é realizado com dados reais provenientes de um forno eléctrico de escala reduzida.

Técnicas neuronais de agrupamentos aplicadas à detecção de anomalias em mamogramas digitais

This work proposes the development of an intelligent system for analysis of digital mammograms, capable to detect and to classify masses and microcalcifications. The digital mammograms will be pre-processed through techniques of digital processing of images with the purpose of adapting the image to the detection system and automatic classification of the existent calcifications in the suckles. The model adopted for the detection and classification of the mammograms uses the neural network of Kohonen by the algorithm Self Organization Map - SOM. The algorithm of Vector quantization, Kmeans it is also used with the same purpose of the SOM. An analysis of the performance of the two algorithms in the automatic classification of digital mammograms is developed. The developed system will aid the radiologist in the diagnosis and accompaniment of the development of abnormalities

Contribuições para a análise de sinais neuronais e biomédicos

Following the new tendency of interdisciplinarity of modern science, a new field called neuroengineering has come to light in the last decades. After 2000, scientific journals and conferences all around the world have been created on this theme. The present work comprises three different subareas related to neuroengineering and electrical engineering: neural stimulation; theoretical and computational neuroscience; and neuronal signal processing; as well as biomedical engineering. The research can be divided in three parts: (i) A new method of neuronal photostimulation was developed based on the use of caged compounds. Using the inhibitory neurotransmitter GABA caged by a ruthenium complex it was possible to block neuronal population activity using a laser pulse. The obtained results were evaluated by Wavelet analysis and tested by non-parametric statistics. (ii) A mathematical method was created to identify neuronal assemblies. Neuronal assemblies were proposed as the basis of learning by Donald Hebb remain the most accepted theory for neuronal representation of external stimuli. Using the Marcenko-Pastur law of eigenvalue distribution it was possible to detect neuronal assemblies and to compute their activity with high temporal resolution. The application of the method in real electrophysiological data revealed that neurons from the neocortex and hippocampus can be part of the same assembly, and that neurons can participate in multiple assemblies. (iii) A new method of automatic classification of heart beats was developed, which does not rely on a data base for training and is not specialized in specific pathologies. The method is based on Wavelet decomposition and normality measures of random variables. Throughout, the results presented in the three fields of knowledge represent qualification in neural and biomedical engineering

Efeitos da estimulação ambiental sobre os aspectos motores, cognitivos e neuronais em um modelo farmacológico progressivo da doença de Parkinson

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

Avaliação in vitro do efeito genotóxico e neurotóxico da rotenona em populações neuronais de encéfalo de ratos

A doença de Parkinson (DP) é uma doença neurodegenerativa, que afeta principalmente neurônios dopaminérgicos da substância negra que projetam para o estriado. A rotenona, um composto amplamente usado como pesticida, pode estar relacionada a influências ambientais que aumentam o risco do aparecimento da DP. Estudo com análise de danos no DNA, como o ensaio em eletroforese do cometa foi introduzido neste trabalho para uma melhor compreensão de efeitos neurotóxicos da rotenona em modelo experimental da DP. O teste do cometa foi aplicado em neurônios provenientes de culturas mesencefálicas mistas de ratos expostas a diferentes concentrações em dois tempos de exposição, 24 e 48 horas. A média do índice de dano dos cometas mostrou-se, segundo análise estatística, significativamente diferente em relação ao grupo controle em todas as concentrações de rotenona testadas e nas duas durações analisadas. No entanto, na análise comparativa do índice de dano considerando o tempo de exposição para concentrações equivalentes, somente 20 e 30 nano molares demonstraram diferença significativa entre 24 e 48 horas de exposição. Este trabalho demonstrou que, nas condições empregadas, o teste do cometa detectou danos no material genético sem alteração detectável no teste de viabilidade celular pelo MTT (5 nM de rotenona por 24h), sugerindo que alterações genotóxicas podem anteceder alterações de viabilidade celular em neurônios expostos à rotenona. Entretanto, não é possível afirmar se tais alterações possuem caráter irreversível ou não.

Aplicação de redes neuronais artificiais ao tratamento e interpretação de perfis geofísicos de poço aberto

A análise dos perfis petrofísicos de poço aberto possui um papel de fundamental importância para os estudos geológicos e geofísicos, no que se refere a obtenção de um maior conhecimento da subsuperfície, bem como para a identificação e exploração de depósitos minerais e petrolíferos. Alguns tópicos importantes da interpretação geológica dos perfis como a determinação de interfaces, a identificação mineralógica e a correlação poço-a-poço são extremamente tediosos e dispendem na sua execução uma grande carga horária. A automação destes procedimentos é em princípio bastante complicada, mas necessária, pois permitirá um melhor aproveitamento do tempo de trabalho do geólogo de produção e do intérprete de perfis. As redes neuronais artificiais apresentam uma boa performance para a solução destes tipos de problema, inclusive nos casos nos quais os algoritmos sequenciais apresentam dificuldades. Mostrar-se-á nesta tese que as redes neuronais artificiais podem ser utilizadas eficientemente para a automação desses procedimentos da interpretação geológica dos perfis. Apresentamos detalhadamente as novas arquiteturas e as aplicações sobre dados sintéticos e perfis reais.

Purificação e caracterização da VDAC de mitocôndrias corticais aviares: identificação de modificações pós-traducionais nas porinas neuronais murinas e aviares

A VDAC é uma porina presente na MME cuja função é crucial no metabolismo energético, sobrevivência e morte celular. A caracterização da VDAC torna-se importante para a compreensão das inter-relações da mitocôndria com os diferentes componentes citosólicos, tais como a HK. A ligação HK-VDAC favorece a utilização do ATP intramitocondrial em células neuronais, a HK cerebral pode interagir de formas diferentes com a VDAC, o que resulta em diferentes sítios de ligação (sítios A e B). Os variados papéis metabólicos das isoformas da VDAC podem ser explicados pela presença de alterações pós-traducionais. No presente trabalho purificamos a VDAC1 mitocondrial neuronal proveniente de cérebro aviar. Paralelamente, comprovamos que a presença de múltiplas formas das VDACs 1 e 2 em cérebros murino e aviar, seja devida à presença de modificações pós-traducionais, nomeadamente a fosforilação. A proteína isolada apresentou peso molecular de 30KDa. Quando submetida à eletroforese e posteriormente à coloração para a identificação de fosfoproteínas, a mesma mostrou-se desfosforilada. O conhecimento da presença, ou ausência de fosforilação das VDACs, reside na importância de estabelecer-se as bases moleculares ligadas à existência de sítios A e B nas mitocôndrias neuronais.

Modelagem de sinais neuronais utilizando filtros lineares de tempo discreto.

A aquisição experimental de sinais neuronais é um dos principais avanços da neurociência. Por meio de observações da corrente e do potencial elétricos em uma região cerebral, é possível entender os processos fisiológicos envolvidos na geração do potencial de ação, e produzir modelos matemáticos capazes de simular o comportamento de uma célula neuronal. Uma prática comum nesse tipo de experimento é obter leituras a partir de um arranjo de eletrodos posicionado em um meio compartilhado por diversos neurônios, o que resulta em uma mistura de sinais neuronais em uma mesma série temporal. Este trabalho propõe um modelo linear de tempo discreto para o sinal produzido durante o disparo do neurônio. Os coeficientes desse modelo são calculados utilizando-se amostras reais dos sinais neuronais obtidas in vivo. O processo de modelagem concebido emprega técnicas de identificação de sistemas e processamento de sinais, e é dissociado de considerações sobre o funcionamento biofísico da célula, fornecendo uma alternativa de baixa complexidade para a modelagem do disparo neuronal. Além disso, a representação por meio de sistemas lineares permite idealizar um sistema inverso, cuja função é recuperar o sinal original de cada neurônio ativo em uma mistura extracelular. Nesse contexto, são discutidas algumas soluções baseadas em filtros adaptativos para a simulação do sistema inverso, introduzindo uma nova abordagem para o problema de separação de spikes neuronais.

Uma investigação das sequências de fase Hebbianas descritas como grafos de assembleias neuronais

Hebb proposed that synapses between neurons that fire synchronously are strengthened, forming cell assemblies and phase sequences. The former, on a shorter scale, are ensembles of synchronized cells that function transiently as a closed processing system; the latter, on a larger scale, correspond to the sequential activation of cell assemblies able to represent percepts and behaviors. Nowadays, the recording of large neuronal populations allows for the detection of multiple cell assemblies. Within Hebb’s theory, the next logical step is the analysis of phase sequences. Here we detected phase sequences as consecutive assembly activation patterns, and then analyzed their graph attributes in relation to behavior. We investigated action potentials recorded from the adult rat hippocampus and neocortex before, during and after novel object exploration (experimental periods). Within assembly graphs, each assembly corresponded to a node, and each edge corresponded to the temporal sequence of consecutive node activations. The sum of all assembly activations was proportional to firing rates, but the activity of individual assemblies was not. Assembly repertoire was stable across experimental periods, suggesting that novel experience does not create new assemblies in the adult rat. Assembly graph attributes, on the other hand, varied significantly across behavioral states and experimental periods, and were separable enough to correctly classify experimental periods (Naïve Bayes classifier; maximum AUROCs ranging from 0.55 to 0.99) and behavioral states (waking, slow wave sleep, and rapid eye movement sleep; maximum AUROCs ranging from 0.64 to 0.98). Our findings agree with Hebb’s view that neuronal assemblies correspond to primitive building blocks of representation, nearly unchanged in 10 the adult, while phase sequences are labile across behavioral states and change after novel experience. The results are compatible with a role for phase sequences in behavior and cognition

O uso de redes neuronais artificiais na estimação do preço das habitações na ilha do sal, em Cabo Verde

Esta dissertação tem como objetivo desenvolver um modelo de redes neuronais artificiais para aferir as caraterísticas das habitações que mais influenciam o preço na Ilha do Sal, em Cabo Verde. Foram consideradas caraterísticas como: área, número de quartos, existência de varandas, existência de terraços, número de casas de banho, localização do imóvel, número de andares e proximidade com instituições públicas. A amostra utilizada considerou 1092 habitações no período de 2009 a 2014. Para além da análise baseada no desenvolvimento do modelo de redes neuronais, efetuou-se a análise pela estimação do modelo dos preços hedónicos. Os resultados do modelo de redes neuronais artificiais permitiram verificar que o preço das habitações é fortemente influenciado pela área, e em seguida pela localização. A existência de caraterísticas, tais como a proximidade com a câmara municipal e finanças e existência de varandas, são as variáveis que menos influenciam o preço das habitações na Ilha do Sal. Os resultados da estimação com o modelo dos preços hedónicos indicam que o preço das habitações é fortemente influenciado por algumas variáveis representativas de características estruturais, localização e de vizinhança. Algumas dessas variáveis têm efeito estatisticamente significativo positivo no preço tais como, a localização do imóvel em Algodoeiro- Santa Maria, o número de quartos e a área. Outras variáveis têm efeito estatisticamente significativo negativo no preço, tais como a localização do imóvel no Bairro Novo e a proximidade com o hospital. Os resultados mostram que comparativamente com o modelo de preços hedónicos, o modelo de redes neuronais artificiais representa uma melhor alternativa para a previsão dos preços das habitações na Ilha do Sal, isto considerando a comparação dos erros estimados entre os modelos e as medidas de desempenho comumente utilizadas.

Algoritmos construtivos para treino de redes neuronais b-spline

Dissertação de mest. em Engenharia de Sistemas e Computação - Área de Sistemas de Controlo, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Univ.do Algarve, 2001

Cathepsin D Deficiency - Molecular and Cellular Mechanisms of Neurodegeneration

Cathepsin D (CTSD) is a lysosomal protease, the deficiency of which is fatal and associated with neurodegeneration. CTSD knock-out mice, which die at the age of four weeks, show intestinal necrosis, loss of lymphoid cells and moderate pathological changes in the brain. An active-site mutation in the CTSD gene underlies a neurodegenerative disease in newborn sheep, characterized by brain atrophy without any changes to visceral tissues. The CTSD deficiences belong to the group of neuronal ceroid-lipofuscinoses (NCLs), severe neurodegenerative lysosomal storage disorders. The aim of this thesis was to examine the molecular and cellular mechanisms behind neurodegeneration in CTSD deficiency. We found the developmental expression pattern of CTSD to resemble that of synaptophysin and the increasing expression of CTSD to coincide with the active period of myelination in the rat brain, suggesting a role for CTSD in early rat brain development. An active-site mutation underlying the congenital ovine NCL not only affected enzymatic activity, but also changed the stability, processing and transport of the mutant protein, possibly contributing to the disease pathogenesis. We also provide CTSD deficiency as a first molecular explanation for human congenital NCL, a lysosomal storage disorder, characterized by neuronal loss and demyelination in the central nervous system. Finally, we show the first evidence for synaptic abnormalities and thalamocortical changes in CTSD-deficient mice at the molecular and ultrastructural levels. Keywords: cathepsin D, congenital, cortex, lysosomal storage disorder, lysosome, mutation, neurodegeneration, neuronal ceroid-lipofuscinosis, overexpression, synapse, thalamus

Identification of two novel human neuronal ceroid lipofuscinosis genes

The neuronal ceroid lipofuscinoses (NCLs) are a group of mostly autosomal recessively inherited neurodegenerative disorders. The aim of this thesis was to characterize the molecular genetic bases of these, previously genetically undetermined, NCL forms. Congenital NCL is the most aggressive form of NCLs. Previously, a mutation in the cathepsin D (CTSD) gene was shown to cause congenital NCL in sheep. Based on the close resemblance of the phenotypes between congenital NCLs in sheep and human, CTSD was considered as a potential candidate gene in humans as well. When screened for mutations by sequencing, a homozygous nucleotide duplication creating a premature stop codon was identified in CTSD in one family with congenital NCL. While in vitro the overexpressed truncated mutant protein was stable although inactive, the absence of CTSD staining in brain tissue samples of patients indicated degradation of the mutant CTSD in vivo. A lack of CTSD staining was detected also in another, unrelated family with congenital NCL. These results imply that CTSD deficiency underlies congenital NCL. While initially Turkish vLINCL was considered a distinct genetic entity (CLN7), mutations in the CLN8 gene were later reported to account for the disease in a subset of Turkish patients with vLINCL. To further dissect the genetic basis of the disease, all known NCL genes were screened for homozygosity by haplotype analysis of microsatellite markers and/or sequenced in 13 mainly consanguineous, Turkish vLINCL families. Two novel, family-specific homozygous mutations were identified in the CLN6 gene. In the remaining families, all known NCL loci were excluded. To identify novel gene(s) underlying vLINCL, a genomewide single nucleotide polymorphism scan, homozygosity mapping, and positional candidate gene sequencing were performed in ten of these families. On chromosome 4q28.1-q28.2, a novel major facilitator superfamily domain containing 8 (MFSD8) gene with six family-specific homozygous mutations in vLINCL patients was identified. MFSD8 transcript was shown to be ubiquitously expressed with a complex pattern of alternative splicing. Our results suggest that MFSD8 is a novel lysosomal integral membrane protein which, as a member of the major facilitator superfamily, is predicted to function as a transporter. Identification of MFSD8 emphasizes the genetic heterogeneity of Turkish vLINCL. In families where no MFSD8 mutations were detected, additional NCL-causing genes remain to be identified. The identification of CTSD and MFSD8 increases the number of known human NCL-causing genes to eight, and is an important step towards the complete understanding of the genetic spectrum underlying NCLs. In addition, it is a starting point for dissecting the molecular mechanisms behind the associated NCLs and contributes to the challenging task of understanding the molecular pathology underlying the group of NCL disorders.

Animal model and molecular interactions of Cln5

Neuronal ceroid lipofuscinoses (NCLs) are a family of inherited pediatric neurodegenerative disorders, leading to retinal degeneration, death of selective neuronal populations and accumulation of autofluorscent ceroid-lipopigments. The clinical manifestations are generally similar in all forms. The Finnish variant late infantile neuronal ceroid lipofuscinosis (vLINCLFin) is a form of NCL, especially enriched in the Finnish population. The aim of this thesis was to analyse the brain pathology of vLINCLFin utilising the novel Cln5-/- mouse model. Gene expression profiling of the brains of already symptomatic Cln5-/- mice revealed that inflammation, neurodegeneration and defects in myelinization are the major characteristics of the later stages of the disease. Histological characterization of the brain pathology confirmed that the thalamocortical system is affected in Cln5-/- mice, similarly to the other NCL mouse models. However, whereas the brain pathology in all other analyzed NCL mice initiate in the thalamus and spread only months later to the cortex, we observed that the sequence of events is uniquely reversed in Cln5-/- mice; beginning in the cortex and spreading to the thalamus only months later. We could also show that even though neurodegeneration is inititated in the cortex, reactive gliosis and loss of myelin are evident in specific nuclei of the thalamus already in the 1 month old brain. To obtain a deeper insight into the disturbed metabolic pathways, we performed gene expression profiling of presymptomatic mouse brains. We validated these findings with immunohistological analyses, and could show that cytoskeleton and myelin were affected in Cln5-/- mice. Comparison of gene expression profiling results of Cln5-/- and Cln1-/- mice, further highlighted that these two NCL models share a common defective pathway, leading to disturbances in the neuronal growth cone and cytoskeleton. Encouraged by the evidence of this defected pathway, we analyzed the molecular interactions of NCL-proteins and observed that Cln5 and Cln1/Ppt1 proteins interact with each other. Furthermore, we demonstrated that Cln5 and Cln1/Ppt1 share an interaction partner, the F1-ATP synthase, potentially linking both vLINCLFIN and INCL diseases to disturbed lipid metabolism. In addition, Cln5 was shown to interact with other NCL proteins; Cln2, Cln3, Cln6 and Cln8, implicating a central role for Cln5 in the NCL pathophysiology. This study is the first to describe the brain pathology and gene expression changes in the Cln5-/- mouse. Together the findings presented in this thesis represent novel information of the disease processes and the molecular mechanisms behind vLINCLFin and have highlighted that vLINCLFin forms a very important model to analyze the pathophysiology of NCL diseases.

Unravelling Molecular and Cellular Disease Mechanisms in Infantile Neuronal Ceroid Lipofuscinosis (INCL)

Studying neurodegeneration provides an opportunity to gain insights into normal cell physiology, and not just pathophysiology. In this thesis work the focus is on Infantile Neuronal Ceroid Lipofuscinosis (INCL). It is a recessively inherited lysosomal storage disorder. The disease belongs to the neuronal ceroid lipofuscinoses (NCLs), a group of common progressive neurodegenerative diseases of the childhood. Characteristic accumulation of autofluorescent storage material is seen in most tissues but only neurons of the central nervous system are damaged and eventually lost during the course of the disease leaving most other cell types unaffected. The disease is caused by mutations in the CLN1 gene, but the physiological function of the corresponding protein the palmitoyl protein thioesterase (PPT1) has remained elusive. The aim of this thesis work was to shed light on the molecular and cell biological mechanisms behind INCL. This study pinpointed the localization of PPT1 in axonal presynapses of neurons. It also established the role of PPT1 in early neuronal maturation as well as importance in mature neuronal synapses. This study revealed an endocytic defect in INCL patient cells manifesting itself as delayed trafficking of receptor and non-receptor mediated endocytic markers. Furthermore, this study was the first to connect the INCL storage proteins the sphingolipid activator proteins (SAPs) A and D to pathological events on the cellular level. Abnormal endocytic processing and intracellular re-localization was demonstrated in patient cells and disease model knock-out mouse neurons. To identify early affected cellular and metabolic pathways in INCL, knock-out mouse neurons were studied by global transcript profiling and functional analysis. The gene expression analysis revealed changes in neuronal maturation and cell communication strongly associated with the regulated secretory system. Furthermore, cholesterol metabolic pathways were found to be affected. Functional studies with the knock-out mouse model revealed abnormalities in neuronal maturation as well as key neuronal functions including abnormalities in intracellular calcium homeostasis and cholesterol metabolism. Together the findings, introduced in this thesis work, support the essential role of PPT1 in developing neurons as well as synaptic sites of mature neurons. Results of this thesis also elucidate early events in INCL pathogenesis revealing defective pathways ultimately leading to the neurodegenerative process. These results contribute to the understanding of the vital physiological function of PPT1 and broader knowledge of common cellular mechanisms behind neurodegeneration. These results add to the knowledge of these severe diseases offering basis for new approaches in treatment strategies.