VHDL-based system design of a cognitive sensorimotor loop (CSL) for haptic Human-Machine Interaction (HMI)

This document is a summary of the Bachelor thesis titled “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” written by Pablo de Miguel Morales, Electronics Engineering student at the Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, Spain) during an Erasmus+ Exchange Program at the Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Germany). The tutor of this project is Dr. Prof. Hild. This project has been developed inside the Neurobotics Research Laboratory (NRL) in close collaboration with Benjamin Panreck, a member of the NRL, and another exchange student from the UPM Pablo Gabriel Lezcano. For a deeper comprehension of the content of the thesis, a deeper look in the document is needed as well as the viewing of the videos and the VHDL design. In the growing field of automation, a large amount of workforce is dedicated to improve, adapt and design motor controllers for a wide variety of applications. In the specific field of robotics or other machinery designed to interact with humans or their environment, new needs and technological solutions are often being discovered due to the existing, relatively unexplored new scenario it is. The project consisted of three main parts: Two VHDL-based systems and one short experiment on the haptic perception. Both VHDL systems are based on a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) which is a control loop designed by the NRL and mainly developed by Dr. Prof. Hild. The CSL is a control loop whose main characteristic is the fact that it does not use any external sensor to measure the speed or position of the motor but the motor itself. The motor always generates a voltage that is proportional to its angular speed so it does not need calibration. This method is energy efficient and simplifies control loops in complex systems. The first system, named CSL Stay In Touch (SIT), consists in a one DC motor system controller by a FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) whose aim is to keep contact with any external object that touches its Sensing Platform in both directions. Apart from the main behavior, three features (Search Mode, Inertia Mode and Return Mode) have been designed to enhance the haptic interaction experience. Additionally, a VGA-Screen is also controlled by the FPGA Board for the monitoring of the whole system. This system has been completely developed, tested and improved; analyzing its timing and consumption properties. The second system, named CSL Fingerlike Mechanism (FM), consists in a fingerlike mechanical system controlled by two DC motors (Each controlling one part of the finger). The behavior is similar to the first system but in a more complex structure. This system was optional and not part of the original objectives of the thesis and it could not be properly finished and tested due to the lack of time. The haptic perception experiment was an experiment conducted to have an insight into the complexity of human haptic perception in order to implement this knowledge into technological applications. The experiment consisted in testing the capability of the subjects to recognize different objects and shapes while being blindfolded and with their ears covered. Two groups were done, one had full haptic perception while the other had to explore the environment with a plastic piece attached to their finger to create a haptic handicap. The conclusion of the thesis was that a haptic system based only on a CSL-based system is not enough to retrieve valuable information from the environment and that other sensors are needed (temperature, pressure, etc.) but that a CSL-based system is very useful to control the force applied by the system to interact with haptic sensible surfaces such as skin or tactile screens. RESUMEN. Este documento es un resumen del proyecto fin de grado titulado “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” escrito por Pablo de Miguel, estudiante de Ingeniería Electrónica de Comunicaciones en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, España) durante un programa de intercambio Erasmus+ en la Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Alemania). El tutor de este proyecto ha sido Dr. Prof. Hild. Este proyecto se ha desarrollado dentro del Neurorobotics Research Laboratory (NRL) en estrecha colaboración con Benjamin Panreck (un miembro del NRL) y con Pablo Lezcano (Otro estudiante de intercambio de la UPM). Para una comprensión completa del trabajo es necesaria una lectura detenida de todo el documento y el visionado de los videos y análisis del diseño VHDL incluidos en el CD adjunto. En el creciente sector de la automatización, una gran cantidad de esfuerzo está dedicada a mejorar, adaptar y diseñar controladores de motor para un gran rango de aplicaciones. En el campo específico de la robótica u otra maquinaria diseñada para interactuar con los humanos o con su entorno, nuevas necesidades y soluciones tecnológicas se siguen desarrollado debido al relativamente inexplorado y nuevo escenario que supone. El proyecto consta de tres partes principales: Dos sistemas basados en VHDL y un pequeño experimento sobre la percepción háptica. Ambos sistemas VHDL están basados en el Cognitive Sesnorimotor Loop (CSL) que es un lazo de control creado por el NRL y cuyo desarrollador principal ha sido Dr. Prof. Hild. El CSL es un lazo de control cuya principal característica es la ausencia de sensores externos para medir la velocidad o la posición del motor, usando el propio motor como sensor. El motor siempre genera un voltaje proporcional a su velocidad angular de modo que no es necesaria calibración. Este método es eficiente en términos energéticos y simplifica los lazos de control en sistemas complejos. El primer sistema, llamado CSL Stay In Touch (SIT), consiste en un sistema formado por un motor DC controlado por una FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) cuyo objetivo es mantener contacto con cualquier objeto externo que toque su plataforma sensible en ambas direcciones. Aparte del funcionamiento básico, tres modos (Search Mode, Inertia Mode y Return Mode) han sido diseñados para mejorar la interacción. Adicionalmente, se ha diseñado el control a través de la FPGA Board de una pantalla VGA para la monitorización de todo el sistema. El sistema ha sido totalmente desarrollado, testeado y mejorado; analizando su propiedades de timing y consumo energético. El segundo sistema, llamado CSL Fingerlike Mechanism (FM), consiste en un mecanismo similar a un dedo controlado por dos motores DC (Cada uno controlando una falange). Su comportamiento es similar al del primer sistema pero con una estructura más compleja. Este sistema no formaba parte de los objetivos iniciales del proyecto y por lo tanto era opcional. No pudo ser plenamente desarrollado debido a la falta de tiempo. El experimento de percepción háptica fue diseñado para profundizar en la percepción háptica humana con el objetivo de aplicar este conocimiento en aplicaciones tecnológicas. El experimento consistía en testear la capacidad de los sujetos para reconocer diferentes objetos, formas y texturas en condiciones de privación del sentido del oído y la vista. Se crearon dos grupos, en uno los sujetos tenían plena percepción háptica mientras que en el otro debían interactuar con los objetos a través de una pieza de plástico para generar un hándicap háptico. La conclusión del proyecto fue que un sistema háptico basado solo en sistemas CSL no es suficiente para recopilar información valiosa del entorno y que debe hacer uso de otros sensores (temperatura, presión, etc.). En cambio, un sistema basado en CSL es idóneo para el control de la fuerza aplicada por el sistema durante la interacción con superficies hápticas sensibles tales como la piel o pantallas táctiles.

Espacios máximos con recursos mínimos : edificio Central Lechera CLESA, Alejandro de la Sota

La tesis aborda el estudio de la Central lechera CLESA, uno de los edificios industriales de Alejandro de la Sota más significativos de la década de los años cincuenta en España. Las centrales lecheras fueron abordadas por Sota en distintas ocasiones entre 1955 y 1969, siendo CLESA la única de todas ellas que llega a construirse. Se trata de uno de los exponentes más brillantes de la arquitectura moderna industrial española de la posguerra, incluido en "La arquitectura de la industria, REGISTRO DOCOMOMO IBÉRICO”1 entre la veintena de edificios seleccionados de la arquitectura madrileña de este periodo. Plantea una solución singular para alcanzar la diafanidad exigida en la implantación del proceso de producción. La estructura de las naves se realiza con hormigón pretensado, siendo uno de los pioneros en la utilización de esta técnica. La hipótesis de partida considera la realidad del proyecto construido como respuesta desde la arquitectura a un programa industrial resuelto con sencillez, que partiendo de una economía de recursos que le es inherente, consigue desde la coherencia del planteamiento, soluciones donde la complejidad espacial constituye una respuesta eficaz y del máximo interés. Los objetivos de esta tesis son contribuir a un conocimiento riguroso del edificio, que permita descubrir la particularidad de su entramado espacial y el interés de las soluciones adoptadas en su configuración final, en aras de contrastar su calidad arquitectónica. El edificio de la Central Lechera CLESA, si bien es un edificio muy conocido, lo es de una manera superficial. Aparece en numerosas publicaciones, en muchas ocasiones formando parte de un relato extenso de la obra de su autor. El libro monográfico publicado en 2007 por la Fundación Alejandro de la Sota, cuya edición está a cargo de Teresa Couceiro, es la única publicación específica sobre él. Tras una breve introducción, en la que se destaca la intensa dedicación de Sota a esta obra, reúne una colección de planos, fotografías y croquis, junto a la memoria del proyecto. Ofrece una visión fragmentada, que permite vislumbrar el interés de esta obra, pero no facilita comprenderla en su integridad. Es importante destacar la publicación de CLESA en el libro editado por Pronaos (1989), que incluye una selección, realizada por el autor, de plantas, alzados y secciones que corresponden al proyecto construido junto a fotografías de la obra terminada, además de un breve texto tan conciso como esclarecedor. Sobre Alejandro de la Sota se han escrito, tesis doctorales, numerosos artículos, varios libros así como realizado exposiciones que recogen su obra global, reflejados en este documento en las consiguientes bibliografías específicas. Cabe destacar la exposición realizada en la sede del COAM en 2014, con ocasión de su centenario, que el edificio CLESA protagoniza en cierto modo, por su riesgo de desaparición.2 La tesis se estructura en cuatro capítulos: descripción, análisis, síntesis y conclusiones. El primer capítulo contempla la descripción del edificio objeto de la tesis, con una introducción que nos sitúa en el contexto histórico, económico, cultural y social en el que se desarrolla el encargo, proyecto y obra de la central lechera. La descripción propiamente dicha del conjunto industrial, partiendo del encargo de la central lechera al autor del proyecto, pasando por el anteproyecto, el proyecto visado y llegando a la obra realizada. Se compara el proyecto visado, la obra terminada y la CLESA publicada, así como el devenir del edificio. La segunda parte corresponde al análisis, en primer lugar desde el programa como planteamiento general, estudiando las circulaciones, relaciones espaciales, geométricas, esqueléticas, geográficas -parte a parte- que integran el conjunto de la central. La estructura, introducción explicativa de las soluciones adoptadas por Alejandro de la Sota; análisis del sistema esquelético del edificio por partes, operaciones geométricas y espaciales. Construcción, análisis de la materialización de la obra, sistemas constructivos empleados en cerramientos, cubiertas, lucernarios; de lo general a lo particular, estudiando los sistemas. Finalmente a través de la pequeña escala se compendian elementos singulares que forman parte de sistemas complejos, como las múltiples escaleras, barandillas, carpinterías, miradores. Se recapitula en una síntesis que configura un todo con la suma de las partes, mediante la utilización de recursos de enlace de esa arquitectura aditiva, como es el módulo, los recorridos y los enlaces visuales. El capítulo final de Conclusiones contrasta la hipótesis de partida de la tesis en cuanto a una arquitectura de espacios máximos con recursos mínimos. Recoge también diversas reflexiones como la dialéctica entre el espacio fragmentado y el espacio único; crecimiento expansivo o inclusivo; imagen singular y representación; escala doméstica y escala industrial; renuncias estructurales o limitaciones de medios. Quizás, el mayor interés de esta tesis reside los dibujos realizados en axonométrica del complejo CLESA, que han permitido restituir y reconstruir idealmente la fábrica al inicio de su actividad. Teniendo en cuenta su posible desaparición total o parcial, esta restitución cobra relevancia como testimonio de lo que fue. ABSTRACT The thesis deals with the study of CLESA's Dairy Plant, one of the most significant industrial buildings of the Decade of the fifties in Spain, by Alejandro de la Sota. The Dairies were addressed by Sota at various occasions between 1955 and 1969, being the CLESA plant the only one that is has been built. This is one of the most brilliant exponents of Spanish industrial post-war modern architecture, included in "The architecture industry, IBERIAN DOCOMOMO RECORD"3 between the score of selected buildings of Madrid architecture of this period. It poses a singular solution to achieve the openness of the space required in the implementation of the manufacturing process. The structure of the nave is done with prestressed concrete, being one of the pioneers in the use of this technique. The initial hypothesis considers the reality of the project built from the architecture in response to an industrial program solved with simplicity, that from a resource economy that is inherent, gets from the consistency of the approach, solutions where the space complexity is an effective response of great interest. The objectives of this thesis are to contribute to a rigorous knowledge of the building, which allows to discover the particularity of its space lattice and the interest of the solutions adopted in its final configuration, in order to contrast its architectural quality. The building of the Central Lechera CLESA, despite it is a well known building, is in a superficial way. It appears in several publications, often as part of an extensive account of the work of its author. The monograph published in 2007 by the Foundation Alejandro de la Sota, whose edition is run by Teresa Couceiro, is the only specific publication about it. After a brief introduction, in which Sota's intense dedication to this work stands out, it brings together a collection of drawings, photographs and sketches, along with the project report. It offers a fragmented view, which enable to glimpse the interest of this work, but not helps to understand it in full. It is important to highlight the publication of CLESA in the book edited by Pronaos (1989), which includes a selection made by the author of plants, elevations and sections corresponding to the project built, next to photographs of the finished construction, in addition to a brief text as concise as enlightening. About Alejandro de la Sota have been written doctoral thesis, numerous articles, several books as well as held exhibitions collecting his global work, which have been reflected in this document in the resulting specific bibliographies. It should be noted the exhibition in COAM headquarters in 2014, on the occasion of its Centennial, where the building CLESA has a leading role, in a certain way, because of its risk of disappearance.4 The thesis is structured in four chapters: description, analysis, synthesis, and conclusions. The first chapter provides the description of the building object of this thesis. Includes an introduction that puts us in the historic, economic, cultural and social context in which it is developed the commission, the project and construction of the dairy building. The description itself of the industrial complex, starts with the order of the dairy to the author of the project, moves through the draft, the visa project and reaches the completion of the work. The visa project, CLESA's finished and published work, as well as the future of the building is compared. The second part corresponds to the analysis, first from the program as a general approach, studying the circulations, geometric, spatial, skeletal, geographical relations - bit by bit - comprising the manufacturing plant ("la central"). The structure, explanatory introduction of the solutions adopted by Alejandro de la Sota; analysis of the skeletal system of the building by parts, geometric and spatial operations. Construction, analysis of the realization of the work, constructive systems used in the building enclosures, roofs, skylights; from the general to the particular and studying the systems. Finally through small scale unique elements that are part of complex systems, such as multiple stairs, railings, carpentry, viewpoints are summarized. It is recapitulated in a synthesis which forms a whole with the sum of the parts, using linking resources that belongs to the additive architecture, such as the module, tours and visual links The final chapter of Conclusions contrast the hypothesis of the thesis regarding the maximum space architecture with minimal resources. It also includes various reflections as the dialectic between the fragmented space and the single space; expansive or inclusive growth; unique image and representation; domestic and industrial scale; structural abandonment or limitation of means. Perhaps the greatest interest of this thesis lies in the axonometric drawings made of the CLESA complex, which ideally have allowed to restore and rebuild the factory back to the beginning of its activity. Considering its potential full or partial disappearance, such recovery becomes relevant as a testimonial evidence of what it was.

A TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO COMO ELEMENTO DE MELHORIA DOS PROCESSOS FINANCEIROS DA PEQUENA E MÉDIA EMPRESA

A complexidade do ambiente em que vivem as organizações nos dias de hoje exige Sistemas de Informações (SIs) eficientes, que sirvam como apoio à tomada de decisão por parte dos gestores, em especial no que diz respeito às questões ligadas à Tecnologia da Informação (TI) diante dos novos paradigmas de gestão enfrentados pelas Pequenas e Médias Empresas (PMEs). Este trabalho tem como objetivo geral a avaliação da percepção dos gestores das PMEs brasileiras, quanto ao impacto do uso da TI como elemento de melhoria dos processos financeiros das organizações. Para que tal objetivo fosse alcançado, foram desenvolvidos e estudados os seguintes objetivos específicos: verificar de que forma a TI é percebida como útil nas pequenas e médias empresas, em especial na automação de rotinas financeiras de tesouraria e fluxo de caixa; verificar se a automação de rotinas financeiras com a utilização da TI subsidia os processos de tomada de decisão em tais empresas e, ainda, verificar se sua utilização é vista como uma vantagem estratégica. Em seu levantamento bibliográfico, este trabalho apresenta conceitos relacionados a Competição, Pequena e Média Empresa, Estratégia e Gestão de Competência. Esses conceitos foram encontrados na literatura e em artigos na imprensa especializada. Na pesquisa empírica realizada, este trabalho procurou, através de estudos de casos múltiplos em 5 empresas, aprofundar as questões relativas à percepção dos gestores em relação à TI utilizada nos procedimentos financeiros implantados nas organizações que dirigem. O planejamento da amostra foi feito de maneira a permitir não só a análise individual de cada respondente como também a análise das organizações onde atuavam. As conclusões a que este estudo chegou são: a) os gestores têm a percepção de que a utilização de TI nas rotinas financeiras e de fluxo de caixa é imprescindível, pois a automação é necessária para a manutenção e a agilização dos processos de relacionamento com clientes e fornecedores; b) a TI pode subsidiar processos de tomada de decisão estruturada, especificamente as decisões que tratam de rotinas financeiras. Outro aspecto que fica claro na percepção dos gestores é que a dependência da empresa aos SIs aumenta com o crescimento da empresa e, conseqüentemente, com o volume de informações com que os gestores têm de lidar; c) na percepção dos gestores, a utilização de TI nos processos financeiros das PMEs é importante, mas eles não são os determinantes da vantagem estratégica da organização. Os estudos permitiram duas outras observações importantes: d) as estruturas organizacionais das empresas estudadas eram pertinentes aos itens de TI que possuíam; e) há diferença de visão entre gestores e subordinados. A conclusão deste estudo, que responde ao objetivo geral, é que, na percepção dos gestores, a TI tem um impacto positivo como elemento de melhoria dos processos financeiros das organizações, porém não é o fator que define a vantagem estratégica das organizações: há outros aspectos que devem ser avaliados, e a construção de sistemas complexos que abrangem outras áreas da organização é necessária.(AU)

A TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO COMO ELEMENTO DE MELHORIA DOS PROCESSOS FINANCEIROS DA PEQUENA E MÉDIA EMPRESA

A complexidade do ambiente em que vivem as organizações nos dias de hoje exige Sistemas de Informações (SIs) eficientes, que sirvam como apoio à tomada de decisão por parte dos gestores, em especial no que diz respeito às questões ligadas à Tecnologia da Informação (TI) diante dos novos paradigmas de gestão enfrentados pelas Pequenas e Médias Empresas (PMEs). Este trabalho tem como objetivo geral a avaliação da percepção dos gestores das PMEs brasileiras, quanto ao impacto do uso da TI como elemento de melhoria dos processos financeiros das organizações. Para que tal objetivo fosse alcançado, foram desenvolvidos e estudados os seguintes objetivos específicos: verificar de que forma a TI é percebida como útil nas pequenas e médias empresas, em especial na automação de rotinas financeiras de tesouraria e fluxo de caixa; verificar se a automação de rotinas financeiras com a utilização da TI subsidia os processos de tomada de decisão em tais empresas e, ainda, verificar se sua utilização é vista como uma vantagem estratégica. Em seu levantamento bibliográfico, este trabalho apresenta conceitos relacionados a Competição, Pequena e Média Empresa, Estratégia e Gestão de Competência. Esses conceitos foram encontrados na literatura e em artigos na imprensa especializada. Na pesquisa empírica realizada, este trabalho procurou, através de estudos de casos múltiplos em 5 empresas, aprofundar as questões relativas à percepção dos gestores em relação à TI utilizada nos procedimentos financeiros implantados nas organizações que dirigem. O planejamento da amostra foi feito de maneira a permitir não só a análise individual de cada respondente como também a análise das organizações onde atuavam. As conclusões a que este estudo chegou são: a) os gestores têm a percepção de que a utilização de TI nas rotinas financeiras e de fluxo de caixa é imprescindível, pois a automação é necessária para a manutenção e a agilização dos processos de relacionamento com clientes e fornecedores; b) a TI pode subsidiar processos de tomada de decisão estruturada, especificamente as decisões que tratam de rotinas financeiras. Outro aspecto que fica claro na percepção dos gestores é que a dependência da empresa aos SIs aumenta com o crescimento da empresa e, conseqüentemente, com o volume de informações com que os gestores têm de lidar; c) na percepção dos gestores, a utilização de TI nos processos financeiros das PMEs é importante, mas eles não são os determinantes da vantagem estratégica da organização. Os estudos permitiram duas outras observações importantes: d) as estruturas organizacionais das empresas estudadas eram pertinentes aos itens de TI que possuíam; e) há diferença de visão entre gestores e subordinados. A conclusão deste estudo, que responde ao objetivo geral, é que, na percepção dos gestores, a TI tem um impacto positivo como elemento de melhoria dos processos financeiros das organizações, porém não é o fator que define a vantagem estratégica das organizações: há outros aspectos que devem ser avaliados, e a construção de sistemas complexos que abrangem outras áreas da organização é necessária.(AU)

Horizontal gene transfer among genomes: The complexity hypothesis

Increasingly, studies of genes and genomes are indicating that considerable horizontal transfer has occurred between prokaryotes. Extensive horizontal transfer has occurred for operational genes (those involved in housekeeping), whereas informational genes (those involved in transcription, translation, and related processes) are seldomly horizontally transferred. Through phylogenetic analysis of six complete prokaryotic genomes and the identification of 312 sets of orthologous genes present in all six genomes, we tested two theories describing the temporal flow of horizontal transfer. We show that operational genes have been horizontally transferred continuously since the divergence of the prokaryotes, rather than having been exchanged in one, or a few, massive events that occurred early in the evolution of prokaryotes. In agreement with earlier studies, we found that differences in rates of evolution between operational and informational genes are minimal, suggesting that factors other than rate of evolution are responsible for the observed differences in horizontal transfer. We propose that a major factor in the more frequent horizontal transfer of operational genes is that informational genes are typically members of large, complex systems, whereas operational genes are not, thereby making horizontal transfer of informational gene products less probable (the complexity hypothesis).

Revival of oscillation from mean-field-induced death : Theory and experiment

Submitted ACKNOWLEDGMENTS T. B. acknowledges the financial support from SERB, Department of Science and Technology (DST), India [Project Grant No.: SB/FTP/PS-005/2013]. D. G. acknowledges DST, India, for providing support through the INSPIRE fellowship. J. K. acknowledges Government of the Russian Federation (Agreement No. 14.Z50.31.0033 with Institute of Applied Physics RAS).

Approximate solution for frequency synchronization in a finite-size Kuramoto model

Peer reviewed

Do the recent severe droughts in the Amazonia have the same period of length?

5 figures Acknowledgments This work was partially supported by the NNSFC (Grant Nos. 11305062, 11135001), the DFG/FAPESP (Grant No. IRTG 1740/TRP 2011/50151-0), and Government of the Russian Federation (Agreement No. 14.Z50.31.0033 with Institute of Applied Physics RAS). All data for this paper is properly cited and referred to in the reference list.

Evaluation of selected recurrence measures in discriminating pre-ictal and inter-ictal periods from epileptic EEG data

7 pages, 4 figures Acknowledgement We are grateful to M. Riedl and G. Ansmann for fruitful discussions and critical comments on earlier versions of the manuscript. This work was supported by the Volkswagen Foundation (Grant Nos. 88461, 88462, 88463, 85390, 85391 and 85392).

Unified underpinning of human mobility in the real world and cyberspace

Acknowledgments This work is supported by National Science Foundation of China (Grant No. 61573064, 61074116 and 11547188), the Youth Scholars Program of Beijing Normal University (grant No. 2014NT38), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities Beijing Nova Programme, China. XYY acknowledges the support from the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61304177) and the Fundamental Research Funds of BJTU (Grant No. 2015RC042).

Multistability, chaos, and random signal generation in semiconductor superlattices

Peer reviewed

The spatial sign covariance matrix and its application for robust correlation estimation

8 pages, 2 figures, to be published in the conference proceedings of 11th international conference "Computer Data Analysis & Modeling 2016"

A link density clustering algorithm based on automatically selecting density peaks for overlapping community detection

Peer reviewed

Signals and signs in the nervous system: The dynamic anatomy of electrical activity is probably information-rich

The dichotomy between two groups of workers on neuroelectrical activity is retarding progress. To study the interrelations between neuronal unit spike activity and compound field potentials of cell populations is both unfashionable and technically challenging. Neither of the mutual disparagements is justified: that spikes are to higher functions as the alphabet is to Shakespeare and that slow field potentials are irrelevant epiphenomena. Spikes are not the basis of the neural code but of multiple codes that coexist with nonspike codes. Field potentials are mainly information-rich signs of underlying processes, but sometimes they are also signals for neighboring cells, that is, they exert influence. This paper concerns opportunities for new research with many channels of wide-band (spike and slow wave) recording. A wealth of structure in time and three-dimensional space is different at each scale—micro-, meso-, and macroactivity. The depth of our ignorance is emphasized to underline the opportunities for uncovering new principles. We cannot currently estimate the relative importance of spikes and synaptic communication vs. extrasynaptic graded signals. In spite of a preponderance of literature on the former, we must consider the latter as probably important. We are in a primitive stage of looking at the time series of wide-band voltages in the compound, local field, potentials and of choosing descriptors that discriminate appropriately among brain loci, states (functions), stages (ontogeny, senescence), and taxa (evolution). This is not surprising, since the brains in higher species are surely the most complex systems known. They must be the greatest reservoir of new discoveries in nature. The complexity should not deter us, but a dose of humility can stimulate the flow of imaginative juices.

Magnetic resonance microscopy and spectroscopy reveal kinetics of cryoprotectant permeation in a multicompartmental biological system.

Successful cryopreservation of most multicompartmental biological systems has not been achieved. One prerequisite for success is quantitative information on cryoprotectant permeation into and amongst the compartments. This report describes direct measurements of cryoprotectant permeation into a multicompartmental system using chemical shift selective magnetic resonance (MR) microscopy and MR spectroscopy. We used the developing zebrafish embryo as a model for studying these complex systems because these embryos are composed of two membrane-limited compartments: (i) a large yolk (surrounded by the yolk syncytial layer) and (ii) differentiating blastoderm cells (each surrounded by a plasma membrane). MR images of the spatial distribution of three cryoprotectants (dimethyl sulfoxide, propylene glycol, and methanol) demonstrated that methanol permeated the entire embryo within 15 min. In contrast, the other cryoprotectants exhibited little or no permeation over 2.5 h. MR spectroscopy and microinjections of cryoprotectants into the yolk inferred that the yolk syncytial layer plays a critical role in limiting the permeation of some cryoprotectants throughout the embryo. This study demonstrates the power of MR technology combined with micromanipulation for elucidating key physiological factors in cryobiology.