A study on set variable representations in constraint programming

Il lavoro presentato in questa tesi si colloca nel contesto della programmazione con vincoli, un paradigma per modellare e risolvere problemi di ricerca combinatoria che richiedono di trovare soluzioni in presenza di vincoli. Una vasta parte di questi problemi trova naturale formulazione attraverso il linguaggio delle variabili insiemistiche. Dal momento che il dominio di tali variabili può essere esponenziale nel numero di elementi, una rappresentazione esplicita è spesso non praticabile. Recenti studi si sono quindi focalizzati nel trovare modi efficienti per rappresentare tali variabili. Pertanto si è soliti rappresentare questi domini mediante l'uso di approssimazioni definite tramite intervalli (d'ora in poi rappresentazioni), specificati da un limite inferiore e un limite superiore secondo un'appropriata relazione d'ordine. La recente evoluzione della ricerca sulla programmazione con vincoli sugli insiemi ha chiaramente indicato che la combinazione di diverse rappresentazioni permette di raggiungere prestazioni di ordini di grandezza superiori rispetto alle tradizionali tecniche di codifica. Numerose proposte sono state fatte volgendosi in questa direzione. Questi lavori si differenziano su come è mantenuta la coerenza tra le diverse rappresentazioni e su come i vincoli vengono propagati al fine di ridurre lo spazio di ricerca. Sfortunatamente non esiste alcun strumento formale per paragonare queste combinazioni. Il principale obiettivo di questo lavoro è quello di fornire tale strumento, nel quale definiamo precisamente la nozione di combinazione di rappresentazioni facendo emergere gli aspetti comuni che hanno caratterizzato i lavori precedenti. In particolare identifichiamo due tipi possibili di combinazioni, una forte ed una debole, definendo le nozioni di coerenza agli estremi sui vincoli e sincronizzazione tra rappresentazioni. Il nostro studio propone alcune interessanti intuizioni sulle combinazioni esistenti, evidenziandone i limiti e svelando alcune sorprese. Inoltre forniamo un'analisi di complessità della sincronizzazione tra minlex, una rappresentazione in grado di propagare in maniera ottimale vincoli lessicografici, e le principali rappresentazioni esistenti.

Elf magnetic field influence on ION Channels studied by Patch Clamp Technique: exposure set up and "Whole Cell" measurements on Potassium currents

The aim of this thesis was to study the effects of extremely low frequency (ELF) electromagnetic magnetic fields on potassium currents in neural cell lines ( Neuroblastoma SK-N-BE ), using the whole-cell Patch Clamp technique. Such technique is a sophisticated tool capable to investigate the electrophysiological activity at a single cell, and even at single channel level. The total potassium ion currents through the cell membrane was measured while exposing the cells to a combination of static (DC) and alternate (AC) magnetic fields according to the prediction of the so-called ‘ Ion Resonance Hypothesis ’. For this purpose we have designed and fabricated a magnetic field exposure system reaching a good compromise between magnetic field homogeneity and accessibility to the biological sample under the microscope. The magnetic field exposure system consists of three large orthogonal pairs of square coils surrounding the patch clamp set up and connected to the signal generation unit, able to generate different combinations of static and/or alternate magnetic fields. Such system was characterized in term of field distribution and uniformity through computation and direct field measurements. No statistically significant changes in the potassium ion currents through cell membrane were reveled when the cells were exposed to AC/DC magnetic field combination according to the afore mentioned ‘Ion Resonance Hypothesis’.

Die Beziehung zwischen genetischem Polymorphismus von Populationen und Umweltvariabilität: Anwendung der Fitness-Set Theorie

Die Beziehung zwischen genetischem Polymorphismus von Populationen und Umweltvariabilität: Anwendung der Fitness-Set Theorie Das Quantitative Fitness-Set Modell (QFM) ist eine Erweiterung der Fitness-Set Theorie. Das QFM kann Abstufungen zwischen grob- und feinkörnigen regelmäßigen Schwankungen zweier Umwelten darstellen. Umwelt- und artspezifische Parameter, sowie die bewirkte Körnigkeit, sind quantifizierbar. Experimentelle Daten lassen sich analysieren und das QFM erweist sich in großen Populationen als sehr genau, was durch den diskreten Parameterraum unterstützt wird. Kleine Populationen und/oder hohe genetische Diversität führen zu Schätzungsungenauigkeiten, die auch in natürlichen Populationen zu erwarten sind. Ein populationsgrößenabhängiger Unschärfewert erweitert die Punktschätzung eines Parametersatzes zur Intervallschätzung. Diese Intervalle wirken in finiten Populationen als Fitnessbänder. Daraus ergibt sich die Hypothese, dass bei Arten, die in dichten kontinuierlichen Fitnessbändern leben, Generalisten und in diskreten Fitnessbändern Spezialisten evolvieren.Asynchrone Reproduktionsstrategien führen zur Bewahrung genetischer Diversität. Aus dem Wechsel von grobkörniger zu feinkörniger Umweltvariation ergibt sich eine Bevorzugung der spezialisierten Genotypen. Aus diesem Angriffspunkt für disruptive Selektion lässt sich die Hypothese Artbildung in Übergangsszenarien von grobkörniger zu feinkörniger Umweltvariation formulieren. Im umgekehrten Fall ist Diversitätsverlust und stabilisierende Selektion zu erwarten Dies ist somit eine prozessorientierte Erklärung für den Artenreichtum der (feinkörnigen) Tropen im Vergleich zu den artenärmeren, jahreszeitlichen Schwankungen unterworfenen (grobkörnigen) temperaten Zonen.

Topological aspects of the human protein interaction network

It is currently widely accepted that the understanding of complex cell functions depends on an integrated network theoretical approach and not on an isolated view of the different molecular agents. Aim of this thesis was the examination of topological properties that mirror known biological aspects by depicting the human protein network with methods from graph- and network theory. The presented network is a partial human interactome of 9222 proteins and 36324 interactions, consisting of single interactions reliably extracted from peer-reviewed scientific publications. In general, one can focus on intra- or intermodular characteristics, where a functional module is defined as "a discrete entity whose function is separable from those of other modules". It is found that the presented human network is also scale-free and hierarchically organised, as shown for yeast networks before. The interactome also exhibits proteins with high betweenness and low connectivity which are biologically analyzed and interpreted here as shuttling proteins between organelles (e.g. ER to Golgi, internal ER protein translocation, peroxisomal import, nuclear pores import/export) for the first time. As an optimisation for finding proteins that connect modules, a new method is developed here based on proteins located between highly clustered regions, rather than regarding highly connected regions. As a proof of principle, the Mediator complex is found in first place, the prime example for a connector complex. Focusing on intramodular aspects, the measurement of k-clique communities discriminates overlapping modules very well. Twenty of the largest identified modules are analysed in detail and annotated to known biological structures (e.g. proteasome, the NFκB-, TGF-β complex). Additionally, two large and highly interconnected modules for signal transducer and transcription factor proteins are revealed, separated by known shuttling proteins. These proteins yield also the highest number of redundant shortcuts (by calculating the skeleton), exhibit the highest numbers of interactions and might constitute highly interconnected but spatially separated rich-clubs either for signal transduction or for transcription factors. This design principle allows manifold regulatory events for signal transduction and enables a high diversity of transcription events in the nucleus by a limited set of proteins. Altogether, biological aspects are mirrored by pure topological features, leading to a new view and to new methods that assist the annotation of proteins to biological functions, structures and subcellular localisations. As the human protein network is one of the most complex networks at all, these results will be fruitful for other fields of network theory and will help understanding complex network functions in general.

Metodi di tipo level set per la segmentazione di immagini di nevi

La tesi in oggetto propone un algoritmo che viene incontro alla necessità di segmentare in modo regolare immagini di nevi. Si è fatto uso di metodi level set region-based in una formulazione variazionale. Tale metodo ha permesso di ottenere una segmentazione precisa, adattabile a immagini di nevi con caratteristiche molto diverse ed in tempi computazionali molto bassi.

Ricostruzione di un data-set ad alta risoluzione (30 secondi d'arco) di temperature massime e minime giornaliere per un'area ad orografia complessa (Trentino Alto-Adige)

Dati climatici ad alta risoluzione sono attualmente molto richiesti essendo indispensabili per la valutazione degli impatti dei cambiamenti climatici alla scala locale in svariati campi d'applicazione. Per aumentare l'offerta di tali dati per il territorio italiano viene presentata in questo studio la realizzazione di un data-set con risoluzione di trenta secondi d'arco, per le temperature massime e minime giornaliere per il Trentino Alto Adige, per il periodo che va dal 1951 al 2014. La metodologia utilizzata per proiettare i dati meteorologici di un set di stazioni su di un grigliato ad alta risoluzione si basa sull'assunzione che la struttura spazio-temporale del campo di una variabile meteorologica su una determinata area possa essere descritta dalla sovrapposizione di due campi:i valori normali relativi e un periodo standard, ovvero la climatologia,e le deviazioni da questi, ovvero le anomalie. La climatologia mensile verrà interpolata sull'intero dominio tramite una regressione lineare pesata della temperatura rispetto alla quota,stimata separatamente per ogni nodo del grigliato,con pesi legati alla topografia del territorio,in modo da attribuire di volta in volta la massima importanza alle stazioni con caratteristiche più simili a quella del punto di griglia considerato. Da questa sarà possibile tramite la sovrapposizione con le anomalie mensili ricostruite sul medesimo grigliato, ottenute mediante un'interpolazione basata su una media pesata,ottenere un grigliato a 30 secondi d'arco, di serie temporali mensili in valori assoluti. Combinando poi l'interpolazione dei rapporti delle anomalie giornaliere relative alla media mensile per un set di stazioni con i campi mensili precedentemente stimati,sarà possibile costruire il data-set a risoluzione giornaliera. Prima di quest'ultima fase sarà necessario effettuare un'operazione di sincronizzazione dei dati giornalieri per assicurarsi che non vi siano sfasamenti nelle serie utilizzate. I risultati confermano l'efficacia nell'utilizzo di tale metodo su regioni orograficamente complesse, sia nel confronto diretto con i casi di studio,nei quali si nota bene la discriminazione spaziale effettuata dal modello, che nella valutazione dell'accuratezza e della precisione dei risultati. I dati ottenuti non sono affetti da errori sistematici,mentre l'errore medio assoluto risulta pari od inferiore ai $2^{\circ}$C, in linea con precedenti studi realizzati su altre aree alpine. Il metodo e i risultati risultano soddisfacenti ma ulteriormente migliorabili, sia tramite un ulteriore ottimizzazione del modello usato, che con un aumento nella qualità dei dati sui quali è stato svolto lo studio.

Set up of a procedure for correlation analysis between current discharge and dose delivery in a pulsed power plasma device for medical application

This thesis work aims to find a procedure for isolating specific features of the current signal from a plasma focus for medical applications. The structure of the current signal inside a plasma focus is exclusive of this class of machines and a specific analysis procedure has to be developed. The hope is to find one or more features that shows a correlation with the dose erogated. The study of the correlation between the current discharge signal and the dose delivered by a plasma focus could be of some importance not only for the practical application of dose prediction but also for expanding the knowledge anbout the plasma focus physics. Vatious classes of time-frequency analysis tecniques are implemented in order to solve the problem.

Realizzazione di un data-set ad alta risoluzione (30 secondi d'arco) di precipitazioni mensili su un'area ad orografia complessa (Trentino Alto-Adige)

In questa tesi si presenta la realizzazione di un data-set ad alta risoluzione (30 secondi d'arco) di precipitazioni mensili (per il periodo 1921-2014), per la regione del Trentino-Alto Adige. Esso è basato su una densa rete di stazioni con osservazioni di lunga durata, sottoposte ai necessari controlli di qualità. La tecnica di interpolazione si basa sull'assunzione che la configurazione spazio-temporale del campo di una variabile meteorologica su una certa area possa essere descritta con la sovrapposizione di due campi: i valori normali relativi a un periodo standard (1961-1990), ossia le climatologie, e le deviazioni da questi, ossia le anomalie. Le due componenti possono venire ricostruite tramite metodologie diverse e si possono basare su data-set indipendenti. Per le climatologie bisogna avere un elevato numero di stazioni (anche se disponibili per un lasso temporale limitato); per le anomalie viceversa la densità spaziale ha un rilievo minore a causa della buona coerenza spaziale della variabilità temporale, mentre è importante la qualità dei dati e la loro estensione temporale. L'approccio utilizzato per le climatologie mensili è la regressione lineare pesata locale. Per ciascuna cella della griglia si stima una regressione lineare pesata della precipitazione in funzione dell'altitudine; si pesano di più le stazioni aventi caratteristiche simili a quelle della cella stessa. Invece le anomalie mensili si ricavano, per ogni cella di griglia, grazie a una media pesata delle anomalie delle vicine stazioni. Infine la sovrapposizione delle componenti spaziale (climatologie) e temporale (anomalie) consente di ottenere per ogni nodo del grigliato una serie temporale di precipitazioni mensili in valori assoluti. La bontà dei risultati viene poi valutata con gli errori quadratici medi (RMSE) e i coefficienti di correlazione di Pearson delle singole componenti ricostruite. Per mostrare le potenziali applicazioni del prodotto si esaminano alcuni casi studio.

Experimental set up and characterization of a prototype for breast microwave imaging

Nella presente tesi è stato sviluppato un sistema di acquisizione automatico finalizzato allo studio del breast microwave imaging. Le misure sono state eseguite in configurazione monostatica, in cui viene acquisito un segnale da diverse posizioni lungo il perimetro dell’area di indagine. A questo scopo, è stato installato un motore ad alta precisione che permette la rotazione del fantoccio e l’esecuzione automatica delle misure da un numero di posizioni fissato. Per automatizzare il processo di acquisizione, è stato inoltre sviluppato appositamente un software in ambiente LabView. Successivamente, è stata eseguita una intensa sessione di misure finalizzate alla caratterizzazione del sistema sviluppato al variare delle condizioni di misura. Abbiamo quindi utilizzato dei fantocci di tumore di diverse dimensioni e permittività elettrica per studiare la sensibilità della strumentazione in condizione di mezzo omogeneo. Dall’analisi delle ricostruzioni multifrequenza effettuate tramite diversi algoritmi di tipo TR-MUSIC sul range di frequenze selezionato, abbiamo notato che il tumore è ricostruito correttamente in tutti gli scenari testati. Inoltre, abbiamo creato un ulteriore fantoccio per simulare la presenza di una disomogeneità nel dominio di imaging. In questo caso, abbiamo studiato le performances del sistema di acquisizione al variare della posizione del tumore, le cui caratteristiche sono state fissate, e della permittività associata al fantoccio. Dall’analisi dei risultati appare che le performances di ricostruzione sono condizionate dalla presenza della disomogeneità, in modo particolare se il tumore è posizionato all’interno di essa. Infine, abbiamo studiato delle performance di due algoritmi di ricostruzione 3D: uno di essi è basato sulla sovrappo- sizione tomografica e sfrutta metodi di interpolazione, l’altro si basa sull’utilizzo di un propagatore 3D per il dipolo Hertziano in approssimazione scalare.

Phylogenetic approach reveals that virus genotype largely determines HIV set-point viral load

HIV virulence, i.e. the time of progression to AIDS, varies greatly among patients. As for other rapidly evolving pathogens of humans, it is difficult to know if this variance is controlled by the genotype of the host or that of the virus because the transmission chain is usually unknown. We apply the phylogenetic comparative approach (PCA) to estimate the heritability of a trait from one infection to the next, which indicates the control of the virus genotype over this trait. The idea is to use viral RNA sequences obtained from patients infected by HIV-1 subtype B to build a phylogeny, which approximately reflects the transmission chain. Heritability is measured statistically as the propensity for patients close in the phylogeny to exhibit similar infection trait values. The approach reveals that up to half of the variance in set-point viral load, a trait associated with virulence, can be heritable. Our estimate is significant and robust to noise in the phylogeny. We also check for the consistency of our approach by showing that a trait related to drug resistance is almost entirely heritable. Finally, we show the importance of taking into account the transmission chain when estimating correlations between infection traits. The fact that HIV virulence is, at least partially, heritable from one infection to the next has clinical and epidemiological implications. The difference between earlier studies and ours comes from the quality of our dataset and from the power of the PCA, which can be applied to large datasets and accounts for within-host evolution. The PCA opens new perspectives for approaches linking clinical data and evolutionary biology because it can be extended to study other traits or other infectious diseases.

Kernel density correlation based non-rigid point set matching for statistical model-based 2D/3D reconstruction

This paper presents a kernel density correlation based nonrigid point set matching method and shows its application in statistical model based 2D/3D reconstruction of a scaled, patient-specific model from an un-calibrated x-ray radiograph. In this method, both the reference point set and the floating point set are first represented using kernel density estimates. A correlation measure between these two kernel density estimates is then optimized to find a displacement field such that the floating point set is moved to the reference point set. Regularizations based on the overall deformation energy and the motion smoothness energy are used to constraint the displacement field for a robust point set matching. Incorporating this non-rigid point set matching method into a statistical model based 2D/3D reconstruction framework, we can reconstruct a scaled, patient-specific model from noisy edge points that are extracted directly from the x-ray radiograph by an edge detector. Our experiment conducted on datasets of two patients and six cadavers demonstrates a mean reconstruction error of 1.9 mm

Thermodynamics of Forming Water Clusters at Various Temperatures and Pressures by Gaussian-2, Gaussian-3, Complete Basis Set-QB3, and Complete Basis Set-APNO Model Chemistries; Implications for Atmospheric Chemistry

The Gaussian-2, Gaussian-3, complete basis set- (CBS-) QB3, and CBS-APNO methods have been used to calculate ΔH° and ΔG° values for neutral clusters of water, (H2O)n, where n = 2−6. The structures are similar to those determined from experiment and from previous high-level calculations. The thermodynamic calculations by the G2, G3, and CBS-APNO methods compare well against the estimated MP2(CBS) limit. The cyclic pentamer and hexamer structures release the most heat per hydrogen bond formed of any of the clusters. While the cage and prism forms of the hexamer are the lowest energy structures at very low temperatures, as temperature is increased the cyclic structure is favored. The free energies of cluster formation at different temperatures reveal interesting insights, the most striking being that the cyclic trimer, cyclic tetramer, and cyclic pentamer, like the dimer, should be detectable in the lower troposphere. We predict water dimer concentrations of 9 × 1014 molecules/cm3, water trimer concentrations of 2.6 × 1012 molecules/cm3, tetramer concentrations of approximately 5.8 × 1011 molecules/cm3, and pentamer concentrations of approximately 3.5 × 1010 molecules/cm3 in saturated air at 298 K. These results have important implications for understanding the gas-phase chemistry of the lower troposphere.