Modeling gene expression regulatory networks with the sparse vector autoregressive model

Abstract Background To understand the molecular mechanisms underlying important biological processes, a detailed description of the gene products networks involved is required. In order to define and understand such molecular networks, some statistical methods are proposed in the literature to estimate gene regulatory networks from time-series microarray data. However, several problems still need to be overcome. Firstly, information flow need to be inferred, in addition to the correlation between genes. Secondly, we usually try to identify large networks from a large number of genes (parameters) originating from a smaller number of microarray experiments (samples). Due to this situation, which is rather frequent in Bioinformatics, it is difficult to perform statistical tests using methods that model large gene-gene networks. In addition, most of the models are based on dimension reduction using clustering techniques, therefore, the resulting network is not a gene-gene network but a module-module network. Here, we present the Sparse Vector Autoregressive model as a solution to these problems. Results We have applied the Sparse Vector Autoregressive model to estimate gene regulatory networks based on gene expression profiles obtained from time-series microarray experiments. Through extensive simulations, by applying the SVAR method to artificial regulatory networks, we show that SVAR can infer true positive edges even under conditions in which the number of samples is smaller than the number of genes. Moreover, it is possible to control for false positives, a significant advantage when compared to other methods described in the literature, which are based on ranks or score functions. By applying SVAR to actual HeLa cell cycle gene expression data, we were able to identify well known transcription factor targets. Conclusion The proposed SVAR method is able to model gene regulatory networks in frequent situations in which the number of samples is lower than the number of genes, making it possible to naturally infer partial Granger causalities without any a priori information. In addition, we present a statistical test to control the false discovery rate, which was not previously possible using other gene regulatory network models.

Horse spleen segmentation technique as large animal model of preclinical trials

The parenchymal distribution of the splenic artery was studied in order to obtain anatomical basis for partial splenectomy. Thirty two spleens were studied, 26 spleens of healthy horses weighing 320 to 450kg, aged 3 to 12 years and 6 spleens of fetus removed from slaughterhouse. The spleens were submitted to arteriography and scintigraphy in order to have their vascular pattern examined and compared to the external aspect of the organ aiming establish anatomo-surgical segments. All radiographs were photographed with a digital camera and the digital images were submitted to a measuring system for comparative analysis of areas of dorsal and ventral anatomo-surgical segments. Anatomical investigations into the angioarchitecture of the equine spleen showed a paucivascular area, which coincides with a thinner external area, allowing the organ to be divided in two anatomo-surgical segments of approximately 50% of the organ each.

Adhesion molecules of detrusor muscle cells are influenced by a hypercholesterolemic diet or bladder outlet obstruction in a wistar rat model

Abstract Background Cell adhesion molecules (CAMs) are essential for maintaining tissue integrity by regulating intercellular and cell to extracellular matrix interactions. Cadherins and catenins are CAMs that are located on the cell membrane and are important for adherens junction (AJ) function. This study aims to verify if hypercholesterolemic diet (HCD) or bladder outlet obstruction (BOO) promotes structural bladder wall modifications specific to alterations in the expression of cadherins and catenins in detrusor muscle cells. Methods Forty-five 4-week-old female Wistar rats were divided into the following three groups: group 1 was a control group that was fed a normal diet (ND); group 2 was the BOO model and was fed a ND; and group 3 was a control group that was fed a HCD (1.25% cholesterol). Initially, serum cholesterol, LDL cholesterol and body weight were determined. Four weeks later, groups 1 and 3 underwent a sham operation; whereas group 2 underwent a partial BOO procedure that included a suture tied around the urethra. Six weeks later, all rats had their bladders removed, and previous exams were repeated. The expression levels of N-, P-, and E-cadherin, cadherin-11 and alpha-, beta- and gamma-catenins were evaluated by immunohistochemistry with a semiquantitative analysis. Results Wistar rats fed a HCD (group 3) exhibited a significant increase in LDL cholesterol levels (p=0.041) and body weight (p=0.017) when compared to both groups that were fed a normal diet in a ten-week period. We found higher β- and γ-catenin expression in groups 2 and 3 when compared to group 1 (p = 0.042 and p = 0.044, respectively). We also observed Cadherin-11 overexpression in group 3 when compared to groups 1 and 2 (p = 0.002). Conclusions A HCD in Wistar rats promoted, in addition to higher body weight gain and increased serum LDL cholesterol levels, overexpression of β- and γ-catenin in the detrusor muscle cells. Similar finding was observed in the BOO group. Higher Cadherin-11 expression was observed only in the HCD-treated rats. These findings may be associated with bladder dysfunctions that occur under such situations.

3-D geometry reconstruction using a color image stereo pair and partial differential equations

[EN] In this work, we present a new model for a dense disparity estimation and the 3-D geometry reconstruction using a color image stereo pair. First, we present a brief introduction to the 3-D Geometry of a camera system. Next, we propose a new model for the disparity estimation based on an energy functional. We look for the local minima of the energy using the associate Euler-Langrage partial differential equations. This model is a generalization to color image of the model developed in, with some changes in the strategy to avoid the irrelevant local minima. We present some numerical experiences of 3-D reconstruction, using this method some real stereo pairs.

Il passato nell’epoca della sua (ri)producibilità digitale. Torino 1943 - 45. Metodologia della ricerca con tecnologie informatiche. Sistema storico-territoriale di informazione multimediale

Se il lavoro dello storico è capire il passato come è stato compreso dalla gente che lo ha vissuto, allora forse non è azzardato pensare che sia anche necessario comunicare i risultati delle ricerche con strumenti propri che appartengono a un'epoca e che influenzano la mentalità di chi in quell'epoca vive. Emergenti tecnologie, specialmente nell’area della multimedialità come la realtà virtuale, permettono agli storici di comunicare l’esperienza del passato in più sensi. In che modo la storia collabora con le tecnologie informatiche soffermandosi sulla possibilità di fare ricostruzioni storiche virtuali, con relativi esempi e recensioni? Quello che maggiormente preoccupa gli storici è se una ricostruzione di un fatto passato vissuto attraverso la sua ricreazione in pixels sia un metodo di conoscenza della storia che possa essere considerato valido. Ovvero l'emozione che la navigazione in una realtà 3D può suscitare, è un mezzo in grado di trasmettere conoscenza? O forse l'idea che abbiamo del passato e del suo studio viene sottilmente cambiato nel momento in cui lo si divulga attraverso la grafica 3D? Da tempo però la disciplina ha cominciato a fare i conti con questa situazione, costretta soprattutto dall'invasività di questo tipo di media, dalla spettacolarizzazione del passato e da una divulgazione del passato parziale e antiscientifica. In un mondo post letterario bisogna cominciare a pensare che la cultura visuale nella quale siamo immersi sta cambiando il nostro rapporto con il passato: non per questo le conoscenze maturate fino ad oggi sono false, ma è necessario riconoscere che esiste più di una verità storica, a volte scritta a volte visuale. Il computer è diventato una piattaforma onnipresente per la rappresentazione e diffusione dell’informazione. I metodi di interazione e rappresentazione stanno evolvendo di continuo. Ed è su questi due binari che è si muove l’offerta delle tecnologie informatiche al servizio della storia. Lo scopo di questa tesi è proprio quello di esplorare, attraverso l’utilizzo e la sperimentazione di diversi strumenti e tecnologie informatiche, come si può raccontare efficacemente il passato attraverso oggetti tridimensionali e gli ambienti virtuali, e come, nel loro essere elementi caratterizzanti di comunicazione, in che modo possono collaborare, in questo caso particolare, con la disciplina storica. La presente ricerca ricostruisce alcune linee di storia delle principali fabbriche attive a Torino durante la seconda guerra mondiale, ricordando stretta relazione che esiste tra strutture ed individui e in questa città in particolare tra fabbrica e movimento operaio, è inevitabile addentrarsi nelle vicende del movimento operaio torinese che nel periodo della lotta di Liberazione in città fu un soggetto politico e sociale di primo rilievo. Nella città, intesa come entità biologica coinvolta nella guerra, la fabbrica (o le fabbriche) diventa il nucleo concettuale attraverso il quale leggere la città: sono le fabbriche gli obiettivi principali dei bombardamenti ed è nelle fabbriche che si combatte una guerra di liberazione tra classe operaia e autorità, di fabbrica e cittadine. La fabbrica diventa il luogo di "usurpazione del potere" di cui parla Weber, il palcoscenico in cui si tengono i diversi episodi della guerra: scioperi, deportazioni, occupazioni .... Il modello della città qui rappresentata non è una semplice visualizzazione ma un sistema informativo dove la realtà modellata è rappresentata da oggetti, che fanno da teatro allo svolgimento di avvenimenti con una precisa collocazione cronologica, al cui interno è possibile effettuare operazioni di selezione di render statici (immagini), di filmati precalcolati (animazioni) e di scenari navigabili interattivamente oltre ad attività di ricerca di fonti bibliografiche e commenti di studiosi segnatamente legati all'evento in oggetto. Obiettivo di questo lavoro è far interagire, attraverso diversi progetti, le discipline storiche e l’informatica, nelle diverse opportunità tecnologiche che questa presenta. Le possibilità di ricostruzione offerte dal 3D vengono così messe a servizio della ricerca, offrendo una visione integrale in grado di avvicinarci alla realtà dell’epoca presa in considerazione e convogliando in un’unica piattaforma espositiva tutti i risultati. Divulgazione Progetto Mappa Informativa Multimediale Torino 1945 Sul piano pratico il progetto prevede una interfaccia navigabile (tecnologia Flash) che rappresenti la pianta della città dell’epoca, attraverso la quale sia possibile avere una visione dei luoghi e dei tempi in cui la Liberazione prese forma, sia a livello concettuale, sia a livello pratico. Questo intreccio di coordinate nello spazio e nel tempo non solo migliora la comprensione dei fenomeni, ma crea un maggiore interesse sull’argomento attraverso l’utilizzo di strumenti divulgativi di grande efficacia (e appeal) senza perdere di vista la necessità di valicare le tesi storiche proponendosi come piattaforma didattica. Un tale contesto richiede uno studio approfondito degli eventi storici al fine di ricostruire con chiarezza una mappa della città che sia precisa sia topograficamente sia a livello di navigazione multimediale. La preparazione della cartina deve seguire gli standard del momento, perciò le soluzioni informatiche utilizzate sono quelle fornite da Adobe Illustrator per la realizzazione della topografia, e da Macromedia Flash per la creazione di un’interfaccia di navigazione. La base dei dati descrittivi è ovviamente consultabile essendo contenuta nel supporto media e totalmente annotata nella bibliografia. È il continuo evolvere delle tecnologie d'informazione e la massiccia diffusione dell’uso dei computer che ci porta a un cambiamento sostanziale nello studio e nell’apprendimento storico; le strutture accademiche e gli operatori economici hanno fatto propria la richiesta che giunge dall'utenza (insegnanti, studenti, operatori dei Beni Culturali) di una maggiore diffusione della conoscenza storica attraverso la sua rappresentazione informatizzata. Sul fronte didattico la ricostruzione di una realtà storica attraverso strumenti informatici consente anche ai non-storici di toccare con mano quelle che sono le problematiche della ricerca quali fonti mancanti, buchi della cronologia e valutazione della veridicità dei fatti attraverso prove. Le tecnologie informatiche permettono una visione completa, unitaria ed esauriente del passato, convogliando tutte le informazioni su un'unica piattaforma, permettendo anche a chi non è specializzato di comprendere immediatamente di cosa si parla. Il miglior libro di storia, per sua natura, non può farlo in quanto divide e organizza le notizie in modo diverso. In questo modo agli studenti viene data l'opportunità di apprendere tramite una rappresentazione diversa rispetto a quelle a cui sono abituati. La premessa centrale del progetto è che i risultati nell'apprendimento degli studenti possono essere migliorati se un concetto o un contenuto viene comunicato attraverso più canali di espressione, nel nostro caso attraverso un testo, immagini e un oggetto multimediale. Didattica La Conceria Fiorio è uno dei luoghi-simbolo della Resistenza torinese. Il progetto è una ricostruzione in realtà virtuale della Conceria Fiorio di Torino. La ricostruzione serve a arricchire la cultura storica sia a chi la produce, attraverso una ricerca accurata delle fonti, sia a chi può poi usufruirne, soprattutto i giovani, che, attratti dall’aspetto ludico della ricostruzione, apprendono con più facilità. La costruzione di un manufatto in 3D fornisce agli studenti le basi per riconoscere ed esprimere la giusta relazione fra il modello e l’oggetto storico. Le fasi di lavoro attraverso cui si è giunti alla ricostruzione in 3D della Conceria: . una ricerca storica approfondita, basata sulle fonti, che possono essere documenti degli archivi o scavi archeologici, fonti iconografiche, cartografiche, ecc.; . La modellazione degli edifici sulla base delle ricerche storiche, per fornire la struttura geometrica poligonale che permetta la navigazione tridimensionale; . La realizzazione, attraverso gli strumenti della computer graphic della navigazione in 3D. Unreal Technology è il nome dato al motore grafico utilizzato in numerosi videogiochi commerciali. Una delle caratteristiche fondamentali di tale prodotto è quella di avere uno strumento chiamato Unreal editor con cui è possibile costruire mondi virtuali, e che è quello utilizzato per questo progetto. UnrealEd (Ued) è il software per creare livelli per Unreal e i giochi basati sul motore di Unreal. E’ stata utilizzata la versione gratuita dell’editor. Il risultato finale del progetto è un ambiente virtuale navigabile raffigurante una ricostruzione accurata della Conceria Fiorio ai tempi della Resistenza. L’utente può visitare l’edificio e visualizzare informazioni specifiche su alcuni punti di interesse. La navigazione viene effettuata in prima persona, un processo di “spettacolarizzazione” degli ambienti visitati attraverso un arredamento consono permette all'utente una maggiore immersività rendendo l’ambiente più credibile e immediatamente codificabile. L’architettura Unreal Technology ha permesso di ottenere un buon risultato in un tempo brevissimo, senza che fossero necessari interventi di programmazione. Questo motore è, quindi, particolarmente adatto alla realizzazione rapida di prototipi di una discreta qualità, La presenza di un certo numero di bug lo rende, però, in parte inaffidabile. Utilizzare un editor da videogame per questa ricostruzione auspica la possibilità di un suo impiego nella didattica, quello che le simulazioni in 3D permettono nel caso specifico è di permettere agli studenti di sperimentare il lavoro della ricostruzione storica, con tutti i problemi che lo storico deve affrontare nel ricreare il passato. Questo lavoro vuole essere per gli storici una esperienza nella direzione della creazione di un repertorio espressivo più ampio, che includa gli ambienti tridimensionali. Il rischio di impiegare del tempo per imparare come funziona questa tecnologia per generare spazi virtuali rende scettici quanti si impegnano nell'insegnamento, ma le esperienze di progetti sviluppati, soprattutto all’estero, servono a capire che sono un buon investimento. Il fatto che una software house, che crea un videogame di grande successo di pubblico, includa nel suo prodotto, una serie di strumenti che consentano all'utente la creazione di mondi propri in cui giocare, è sintomatico che l'alfabetizzazione informatica degli utenti medi sta crescendo sempre più rapidamente e che l'utilizzo di un editor come Unreal Engine sarà in futuro una attività alla portata di un pubblico sempre più vasto. Questo ci mette nelle condizioni di progettare moduli di insegnamento più immersivi, in cui l'esperienza della ricerca e della ricostruzione del passato si intreccino con lo studio più tradizionale degli avvenimenti di una certa epoca. I mondi virtuali interattivi vengono spesso definiti come la forma culturale chiave del XXI secolo, come il cinema lo è stato per il XX. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di suggerire che vi sono grosse opportunità per gli storici impiegando gli oggetti e le ambientazioni in 3D, e che essi devono coglierle. Si consideri il fatto che l’estetica abbia un effetto sull’epistemologia. O almeno sulla forma che i risultati delle ricerche storiche assumono nel momento in cui devono essere diffuse. Un’analisi storica fatta in maniera superficiale o con presupposti errati può comunque essere diffusa e avere credito in numerosi ambienti se diffusa con mezzi accattivanti e moderni. Ecco perchè non conviene seppellire un buon lavoro in qualche biblioteca, in attesa che qualcuno lo scopra. Ecco perchè gli storici non devono ignorare il 3D. La nostra capacità, come studiosi e studenti, di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio che il 3D porta con sè, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Una ricostruzione storica può essere molto utile dal punto di vista educativo non sono da chi la visita ma, anche da chi la realizza. La fase di ricerca necessaria per la ricostruzione non può fare altro che aumentare il background culturale dello sviluppatore. Conclusioni La cosa più importante è stata la possibilità di fare esperienze nell’uso di mezzi di comunicazione di questo genere per raccontare e far conoscere il passato. Rovesciando il paradigma conoscitivo che avevo appreso negli studi umanistici, ho cercato di desumere quelle che potremo chiamare “leggi universali” dai dati oggettivi emersi da questi esperimenti. Da punto di vista epistemologico l’informatica, con la sua capacità di gestire masse impressionanti di dati, dà agli studiosi la possibilità di formulare delle ipotesi e poi accertarle o smentirle tramite ricostruzioni e simulazioni. Il mio lavoro è andato in questa direzione, cercando conoscere e usare strumenti attuali che nel futuro avranno sempre maggiore presenza nella comunicazione (anche scientifica) e che sono i mezzi di comunicazione d’eccellenza per determinate fasce d’età (adolescenti). Volendo spingere all’estremo i termini possiamo dire che la sfida che oggi la cultura visuale pone ai metodi tradizionali del fare storia è la stessa che Erodoto e Tucidide contrapposero ai narratori di miti e leggende. Prima di Erodoto esisteva il mito, che era un mezzo perfettamente adeguato per raccontare e dare significato al passato di una tribù o di una città. In un mondo post letterario la nostra conoscenza del passato sta sottilmente mutando nel momento in cui lo vediamo rappresentato da pixel o quando le informazioni scaturiscono non da sole, ma grazie all’interattività con il mezzo. La nostra capacità come studiosi e studenti di percepire idee ed orientamenti importanti dipende spesso dai metodi che impieghiamo per rappresentare i dati e l’evidenza. Perché gli storici possano ottenere il beneficio sottinteso al 3D, tuttavia, devono sviluppare un’agenda di ricerca volta ad accertarsi che il 3D sostenga i loro obiettivi di ricercatori e insegnanti. Le esperienze raccolte nelle pagine precedenti ci portano a pensare che in un futuro non troppo lontano uno strumento come il computer sarà l’unico mezzo attraverso cui trasmettere conoscenze, e dal punto di vista didattico la sua interattività consente coinvolgimento negli studenti come nessun altro mezzo di comunicazione moderno.

A partial dependence factorial analysis to deal with selection bias in observational studis

This thesis presents a creative and practical approach to dealing with the problem of selection bias. Selection bias may be the most important vexing problem in program evaluation or in any line of research that attempts to assert causality. Some of the greatest minds in economics and statistics have scrutinized the problem of selection bias, with the resulting approaches – Rubin’s Potential Outcome Approach(Rosenbaum and Rubin,1983; Rubin, 1991,2001,2004) or Heckman’s Selection model (Heckman, 1979) – being widely accepted and used as the best fixes. These solutions to the bias that arises in particular from self selection are imperfect, and many researchers, when feasible, reserve their strongest causal inference for data from experimental rather than observational studies. The innovative aspect of this thesis is to propose a data transformation that allows measuring and testing in an automatic and multivariate way the presence of selection bias. The approach involves the construction of a multi-dimensional conditional space of the X matrix in which the bias associated with the treatment assignment has been eliminated. Specifically, we propose the use of a partial dependence analysis of the X-space as a tool for investigating the dependence relationship between a set of observable pre-treatment categorical covariates X and a treatment indicator variable T, in order to obtain a measure of bias according to their dependence structure. The measure of selection bias is then expressed in terms of inertia due to the dependence between X and T that has been eliminated. Given the measure of selection bias, we propose a multivariate test of imbalance in order to check if the detected bias is significant, by using the asymptotical distribution of inertia due to T (Estadella et al. 2005) , and by preserving the multivariate nature of data. Further, we propose the use of a clustering procedure as a tool to find groups of comparable units on which estimate local causal effects, and the use of the multivariate test of imbalance as a stopping rule in choosing the best cluster solution set. The method is non parametric, it does not call for modeling the data, based on some underlying theory or assumption about the selection process, but instead it calls for using the existing variability within the data and letting the data to speak. The idea of proposing this multivariate approach to measure selection bias and test balance comes from the consideration that in applied research all aspects of multivariate balance, not represented in the univariate variable- by-variable summaries, are ignored. The first part contains an introduction to evaluation methods as part of public and private decision process and a review of the literature of evaluation methods. The attention is focused on Rubin Potential Outcome Approach, matching methods, and briefly on Heckman’s Selection Model. The second part focuses on some resulting limitations of conventional methods, with particular attention to the problem of how testing in the correct way balancing. The third part contains the original contribution proposed , a simulation study that allows to check the performance of the method for a given dependence setting and an application to a real data set. Finally, we discuss, conclude and explain our future perspectives.

A model for diffusive and displacive phase transitions in steels

Heat treatment of steels is a process of fundamental importance in tailoring the properties of a material to the desired application; developing a model able to describe such process would allow to predict the microstructure obtained from the treatment and the consequent mechanical properties of the material. A steel, during a heat treatment, can undergo two different kinds of phase transitions [p.t.]: diffusive (second order p.t.) and displacive (first order p.t.); in this thesis, an attempt to describe both in a thermodynamically consistent framework is made; a phase field, diffuse interface model accounting for the coupling between thermal, chemical and mechanical effects is developed, and a way to overcome the difficulties arising from the treatment of the non-local effects (gradient terms) is proposed. The governing equations are the balance of linear momentum equation, the Cahn-Hilliard equation and the balance of internal energy equation. The model is completed with a suitable description of the free energy, from which constitutive relations are drawn. The equations are then cast in a variational form and different numerical techniques are used to deal with the principal features of the model: time-dependency, non-linearity and presence of high order spatial derivatives. Simulations are performed using DOLFIN, a C++ library for the automated solution of partial differential equations by means of the finite element method; results are shown for different test-cases. The analysis is reduced to a two dimensional setting, which is simpler than a three dimensional one, but still meaningful.

Physical model of PD behavior and relevant damage growth from micro-cavities in polyethylene-based material under AC voltage

In the framework of developing defect-based life models, in which breakdown is explicitly associated with partial discharge (PD)-induced damage growth from a defect, ageing tests and PD measurements were carried out in the lab on polyethylene (PE) layered specimens containing artificial cavities. PD activity was monitored continuously during aging. A quasi-deterministic series of stages can be observed in the behavior of the main PD parameters (i.e. discharge repetition rate and amplitude). Phase-resolved PD patterns at various ageing stages were reproduced by numerical simulation which is based on a physical discharge model devoid of adaptive parameters. The evolution of the simulation parameters provides insight into the physical-chemical changes taking place at the dielectric/cavity interface during the aging process. PD activity shows similar time behavior under constant cavity gas volume and constant cavity gas pressure conditions, suggesting that the variation of PD parameters may not be attributed to the variation of the gas pressure. Brownish PD byproducts, consisting of oxygen containing moieties, and degradation pits were found at the dielectric/cavity interface. It is speculated that the change of PD activity is related to the composition of the cavity gas, as well as to the properties of dielectric/cavity interface.

Partial reconstruction of the trajectories of a discretely observed branching diffusion with immigration and an application to inference

In this treatise we consider finite systems of branching particles where the particles move independently of each other according to d-dimensional diffusions. Particles are killed at a position dependent rate, leaving at their death position a random number of descendants according to a position dependent reproduction law. In addition particles immigrate at constant rate (one immigrant per immigration time). A process with above properties is called a branching diffusion withimmigration (BDI). In the first part we present the model in detail and discuss the properties of the BDI under our basic assumptions. In the second part we consider the problem of reconstruction of the trajectory of a BDI from discrete observations. We observe positions of the particles at discrete times; in particular we assume that we have no information about the pedigree of the particles. A natural question arises if we want to apply statistical procedures on the discrete observations: How can we find couples of particle positions which belong to the same particle? We give an easy to implement 'reconstruction scheme' which allows us to redraw or 'reconstruct' parts of the trajectory of the BDI with high accuracy. Moreover asymptotically the whole path can be reconstructed. Further we present simulations which show that our partial reconstruction rule is tractable in practice. In the third part we study how the partial reconstruction rule fits into statistical applications. As an extensive example we present a nonparametric estimator for the diffusion coefficient of a BDI where the particles move according to one-dimensional diffusions. This estimator is based on the Nadaraya-Watson estimator for the diffusion coefficient of one-dimensional diffusions and it uses the partial reconstruction rule developed in the second part above. We are able to prove a rate of convergence of this estimator and finally we present simulations which show that the estimator works well even if we leave our set of assumptions.

Sonic Hedgehog pathway impairment in Neural Precursor Cells of the Ts65Dn mouse, an animal model of Down syndrome

Mental retardation in Down syndrome (DS) has been imputed to the decreased brain volume, which is evident starting from the early phases of development. Recent studies in a widely used mouse model of DS, the Ts65Dn mouse, have shown that neurogenesis is severely impaired during the early phases of brain development, suggesting that this defect may be a major determinant of brain hypotrophy and mental retardation in individuals with DS. Recently, it has been found that in the cerebellum of Ts65Dn mice there is a defective responsiveness to Sonic Hedgehog (Shh), a potent mitogen that controls cell division during brain development, suggesting that failure of Shh signaling may underlie the reduced proliferation potency in DS. Based on these premises, we sought to identify the molecular mechanisms underlying derangement of the Shh pathway in neural precursor cells (NPCs) from Ts65Dn mice. We found that the expression levels of the Shh receptor Patched1 (Ptch1) were increased compared to controls both at the RNA and protein level. Partial silencing of Ptch1 expression in trisomic NPCs restored cell proliferation, indicating that proliferation impairment was due to Ptch1 overexpression. We further found that the overexpression of Ptch1 in trisomic NPCs is related to increased levels of AICD, a transcription-promoting fragment of amyloid precursor protein (APP). Increased AICD binding to the Ptch1 promoter favored its acetylated status, thus enhancing Ptch1 expression. Taken together, these data provide novel evidence that Ptch1 over expression underlies derangement of the Shh pathway in trisomic NPCs, with consequent proliferation impairment. The demonstration that Ptch1 over expression in trisomic NPCs is due to an APP fragment provides a link between this trisomic gene and the defective neuronal production that characterizes the DS brain.

Model predictive control in thermal management of multiprocessor systems-on-chip

MultiProcessor Systems-on-Chip (MPSoC) are the core of nowadays and next generation computing platforms. Their relevance in the global market continuously increase, occupying an important role both in everydaylife products (e.g. smartphones, tablets, laptops, cars) and in strategical market sectors as aviation, defense, robotics, medicine. Despite of the incredible performance improvements in the recent years processors manufacturers have had to deal with issues, commonly called “Walls”, that have hindered the processors development. After the famous “Power Wall”, that limited the maximum frequency of a single core and marked the birth of the modern multiprocessors system-on-chip, the “Thermal Wall” and the “Utilization Wall” are the actual key limiter for performance improvements. The former concerns the damaging effects of the high temperature on the chip caused by the large power densities dissipation, whereas the second refers to the impossibility of fully exploiting the computing power of the processor due to the limitations on power and temperature budgets. In this thesis we faced these challenges by developing efficient and reliable solutions able to maximize performance while limiting the maximum temperature below a fixed critical threshold and saving energy. This has been possible by exploiting the Model Predictive Controller (MPC) paradigm that solves an optimization problem subject to constraints in order to find the optimal control decisions for the future interval. A fully-distributedMPC-based thermal controller with a far lower complexity respect to a centralized one has been developed. The control feasibility and interesting properties for the simplification of the control design has been proved by studying a partial differential equation thermal model. Finally, the controller has been efficiently included in more complex control schemes able to minimize energy consumption and deal with mixed-criticalities tasks

The characterization of the Atxn2-CAG42-knock-in mouse as a model for Spinocerebellar Ataxia Type 2

Die Ursache der neurodegenerativen Erkrankung Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine expandierte Polyglutamin-Domäne im humanen ATXN2-Gen von normalerweise 22 auf über 31 CAGs. Von der Degeneration sind vorwiegend die zerebellären Purkinje Neuronen betroffen, in denen zunehmend zytoplasmatische Aggregate sichtbar werden. Auch wenn die genaue Funktion von ATXN2 und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen noch immer ungeklärt sind, werden ein toxischer Funktionsgewinn sowie der Verlust der normalen Proteinfunktion als mögliche Ursachen diskutiert.rnUm ein wirklichkeitsgetreues Tiermodell für die SCA2 zu haben, wurde eine knock-in Maus generiert, deren einzelnes CAG im Atxn2-Gen durch 42 CAGs ersetzt wurde. Dieses Mausmodell ist durch eine stabile Vererbung der Expansion charakterisiert. Weiterhin zeigt sie ein verringertes Körpergewicht sowie eine spät beginnende motorische Inkoordination, was dem Krankheitsbild von SCA2 entspricht. rnIm Weiteren konnte gezeigt werden, dass, obwohl die Atxn2 mRNA-Spiegel in Großhirn und Kleinhirn erhöht waren, die Menge an löslichem ATXN2 im Laufe der Zeit abnahm und dies mit einem Auftreten an unlöslichem ATXN2 korrelierte. Dieser im Kleinhirn progressive Prozess resultierte schließlich in zytoplasmatischen Aggregaten innerhalb der Purkinje Neuronen alter Mäuse. Der Verlust an löslichem ATXN2 könnte Effekte erklären, die auf einen partiellen Funktionsverlust von ATXN2 zurückzuführen sind, wobei die Aggregatbildung einen toxischen Funktionsgewinn wiederspiegeln könnte. Neben ATXN2 wurde auch sein Interaktor PABPC1 zunehmend unlöslich. Während dies im Großhirn eine Erhöhung der PABPC1 mRNA- und löslichen Proteinspiegel zur Folge hatte, konnte keine kompensatorische Veränderung seiner mRNA und zudem eine Verminderung an löslichem PABPC1 im Kleinhirn beobachtet werden. Auch PABPC1 wurde in Aggregate sequestriert. Diese Unterschiede zwischen Großhirn und Kleinhirn könnten zu der spezifischen Vulnerabilität des Kleinhirns beitragen.rnUm die Folgen auf mRNA-Prozessierung zu untersuchen, wurde ein Transkriptomprofil im mittleren sowie fortgeschrittenen Alter der Mäuse erstellt. Hierbei war eine erhöhte Expression von Fbxw8 im Kleinhirn alter Mäuse auffällig. Als Komponente eines Ubiquitin-E3-Ligase-Komplexes, hilft FBXW8 in der Degradierung von Zielproteinen und könnte somit die Toxizität des expandieren ATXN2 verringern. rnZur näheren Beschreibung der physiologischen Funktion von ATXN2, konnte in ATXN2-knock-out Mäusen gezeigt werden, dass das Fehlen von ATXN2 zu einer reduzierten globalen Proteinsyntheserate führte und somit eine Rolle als Translationsaktivator möglich erscheint. Kompensatorisch wurde eine erhöhte S6-Phosphorylierung gemessen.

Stochastic local volatility model for fx markets

Questa tesi verte sullo studio di un modello a volatilità stocastica e locale, utilizzato per valutare opzioni esotiche nei mercati dei cambio. La difficoltà nell'implementare un modello di tal tipo risiede nella calibrazione della leverage surface e uno degli scopi principali di questo lavoro è quello di mostrarne la procedura.

Spatio-temporal credit assignment in population learning

Learning by reinforcement is important in shaping animal behavior, and in particular in behavioral decision making. Such decision making is likely to involve the integration of many synaptic events in space and time. However, using a single reinforcement signal to modulate synaptic plasticity, as suggested in classical reinforcement learning algorithms, a twofold problem arises. Different synapses will have contributed differently to the behavioral decision, and even for one and the same synapse, releases at different times may have had different effects. Here we present a plasticity rule which solves this spatio-temporal credit assignment problem in a population of spiking neurons. The learning rule is spike-time dependent and maximizes the expected reward by following its stochastic gradient. Synaptic plasticity is modulated not only by the reward, but also by a population feedback signal. While this additional signal solves the spatial component of the problem, the temporal one is solved by means of synaptic eligibility traces. In contrast to temporal difference (TD) based approaches to reinforcement learning, our rule is explicit with regard to the assumed biophysical mechanisms. Neurotransmitter concentrations determine plasticity and learning occurs fully online. Further, it works even if the task to be learned is non-Markovian, i.e. when reinforcement is not determined by the current state of the system but may also depend on past events. The performance of the model is assessed by studying three non-Markovian tasks. In the first task, the reward is delayed beyond the last action with non-related stimuli and actions appearing in between. The second task involves an action sequence which is itself extended in time and reward is only delivered at the last action, as it is the case in any type of board-game. The third task is the inspection game that has been studied in neuroeconomics, where an inspector tries to prevent a worker from shirking. Applying our algorithm to this game yields a learning behavior which is consistent with behavioral data from humans and monkeys, revealing themselves properties of a mixed Nash equilibrium. The examples show that our neuronal implementation of reward based learning copes with delayed and stochastic reward delivery, and also with the learning of mixed strategies in two-opponent games.

Spatio-temporal credit assignment in population learning

Learning by reinforcement is important in shaping animal behavior. But behavioral decision making is likely to involve the integration of many synaptic events in space and time. So in using a single reinforcement signal to modulate synaptic plasticity a twofold problem arises. Different synapses will have contributed differently to the behavioral decision and, even for one and the same synapse, releases at different times may have had different effects. Here we present a plasticity rule which solves this spatio-temporal credit assignment problem in a population of spiking neurons. The learning rule is spike time dependent and maximizes the expected reward by following its stochastic gradient. Synaptic plasticity is modulated not only by the reward but by a population feedback signal as well. While this additional signal solves the spatial component of the problem, the temporal one is solved by means of synaptic eligibility traces. In contrast to temporal difference based approaches to reinforcement learning, our rule is explicit with regard to the assumed biophysical mechanisms. Neurotransmitter concentrations determine plasticity and learning occurs fully online. Further, it works even if the task to be learned is non-Markovian, i.e. when reinforcement is not determined by the current state of the system but may also depend on past events. The performance of the model is assessed by studying three non-Markovian tasks. In the first task the reward is delayed beyond the last action with non-related stimuli and actions appearing in between. The second one involves an action sequence which is itself extended in time and reward is only delivered at the last action, as is the case in any type of board-game. The third is the inspection game that has been studied in neuroeconomics. It only has a mixed Nash equilibrium and exemplifies that the model also copes with stochastic reward delivery and the learning of mixed strategies.