La matematica fuzzy nell'ingegneria dei materiali. Applicazioni alla durevolezza e alla conservazione dei materiali in opera nei siti archeologici

La ricerca presentata è un’ampia esplorazione delle possibili applicazioni di concetti, metodi e procedure della Fuzzy Logic all’Ingegneria dei Materiali. Tale nuovo approccio è giustificato dalla inadeguatezza dei risultati conseguiti con i soli metodi tradizionali riguardo alla reologia ed alla durabilità, all’utilizzo di dati di laboratorio nella progettazione e alla necessità di usare un linguaggio (informatizzabile) che consenta una valutazione congiunta degli aspetti tecnici, culturali, economici, paesaggistici della progettazione. – In particolare, la Fuzzy Logic permette di affrontare in modo razionale l’aleatorietà delle variabili e dei dati che, nel settore specifico dei materiali in opera nel costruito dei Beni Culturali, non possono essere trattati con i metodi statistici ordinari. – La scelta di concentrare l’attenzione su materiali e strutture in opera in siti archeologici discende non solo dall’interesse culturale ed economico connesso ai sempre più numerosi interventi in questo nuovo settore di pertinenza dell’Ingegneria dei Materiali, ma anche dal fatto che, in tali contesti, i termini della rappresentatività dei campionamenti, della complessità delle interazioni tra le variabili (fisiche e non), del tempo e quindi della durabilità sono evidenti ed esasperati. – Nell’ambito di questa ricerca si è anche condotto un ampio lavoro sperimentale di laboratorio per l’acquisizione dei dati utilizzati nelle procedure di modellazione fuzzy (fuzzy modeling). In tali situazioni si è operato secondo protocolli sperimentali standard: acquisizione della composizione mineralogica tramite diffrazione di raggi X (XRD), definizione della tessitura microstrutturale con osservazioni microscopiche (OM, SEM) e porosimetria tramite intrusione forzata di mercurio (MIP), determinazioni fisiche quali la velocità di propagazione degli ultrasuoni e rotoviscosimetria, misure tecnologiche di resistenza meccanica a compressione uniassiale, lavorabilità, ecc. – Nell’elaborazione dei dati e nella modellazione in termini fuzzy, la ricerca è articolata su tre livelli: a. quello dei singoli fenomeni chimico-fisici, di natura complessa, che non hanno trovato, a tutt’oggi, una trattazione soddisfacente e di generale consenso; le applicazioni riguardano la reologia delle dispersioni ad alto tenore di solido in acqua (calci, cementi, malte, calcestruzzi SCC), la correlazione della resistenza a compressione, la gelività dei materiali porosi ed alcuni aspetti della durabilità del calcestruzzo armato; b. quello della modellazione della durabilità dei materiali alla scala del sito archeologico; le applicazioni presentate riguardano i centri di cultura nuragica di Su Monte-Sorradile, GennaMaria-Villanovaforru e Is Paras-Isili; c. quello della scelta strategica costituita dalla selezione del miglior progetto di conservazione considerando gli aspetti connessi all’Ingegneria dei Materiali congiuntamente a quelli culturali, paesaggistici ed economici; le applicazioni hanno riguardato due importanti monumenti (Anfiteatro e Terme a Mare) del sito Romano di Nora-Pula.

Analisi congiunturale e strutturale delle economie regionali: un approccio "fuzzy" alla specializzazione produttiva

Nel 2009 l'Italia attraversa la più grande crisi economica del secondo dopoguerra. Lo studio di ciò che accade, attraverso uno sguardo attento alle principali variabili congiunturali prodotte nel paese, è fondamentale per capire quali sono state le cause che hanno portato a questa situazione e per dare la possibilità  ai policy maker di limitarne gli effetti in futuro. Ma l'Italia non è un territorio dalle caratteristiche monolitiche, è un aggregato di parti molto diverse fra loro. Analizzando il territorio italiano come insieme delle sue parti, osserveremo le medesime condizioni economiche ripetersi in ogni territorio del paese? L'esperienza ci suggerisce di no. La tesi vuole evidenziare come e quanto la struttura caratteristica del tessuto produttivo regionale è responsabile anche della performance economica. La tesi è quindi caratterizzata da due parti. Da un lato si è cercato di analizzare quali siano le differenze nei cicli economici regionali, dall'altro, attraverso l'utilizzo di un sistema di valutazione "fuzzy", si è cercato di ricostruire la natura strutturale delle regioni, al fine di determinare quali siano le specializzazioni che ogni territorio è in grado di mettere in campo. La tesi si conclude con un'analisi comparativa degli indici di dissimilarità  tra cicli regionali e nazionale e i livelli sintetici di specializzazione, si è verificato che esiste una relazione forte che lega le caratteristiche strutturali delle regioni alle distanze tra i loro cicli, dimostrando quindi la tesi che struttura regionale e performance economica siano strettamente interconnesse.

Sviluppo di un approccio congiunto fuzzy-Bayesiano per l'analisi e la modellizzazione degli ecosistemi: applicazione ad ecosistemi marini costieri.

Nell’attuale contesto di aumento degli impatti antropici e di “Global Climate Change” emerge la necessità di comprenderne i possibili effetti di questi sugli ecosistemi inquadrati come fruitori di servizi e funzioni imprescindibili sui quali si basano intere tessiture economiche e sociali. Lo studio previsionale degli ecosistemi si scontra con l’elevata complessità di questi ultimi in luogo di una altrettanto elevata scarsità di osservazioni integrate. L’approccio modellistico appare il più adatto all’analisi delle dinamiche complesse degli ecosistemi ed alla contestualizzazione complessa di risultati sperimentali ed osservazioni empiriche. L’approccio riduzionista-deterministico solitamente utilizzato nell’implementazione di modelli non si è però sin qui dimostrato in grado di raggiungere i livelli di complessità più elevati all’interno della struttura eco sistemica. La componente che meglio descrive la complessità ecosistemica è quella biotica in virtù dell’elevata dipendenza dalle altre componenti e dalle loro interazioni. In questo lavoro di tesi viene proposto un approccio modellistico stocastico basato sull’utilizzo di un compilatore naive Bayes operante in ambiente fuzzy. L’utilizzo congiunto di logica fuzzy e approccio naive Bayes è utile al processa mento del livello di complessità e conseguentemente incertezza insito negli ecosistemi. I modelli generativi ottenuti, chiamati Fuzzy Bayesian Ecological Model(FBEM) appaiono in grado di modellizare gli stati eco sistemici in funzione dell’ elevato numero di interazioni che entrano in gioco nella determinazione degli stati degli ecosistemi. Modelli FBEM sono stati utilizzati per comprendere il rischio ambientale per habitat intertidale di spiagge sabbiose in caso di eventi di flooding costiero previsti nell’arco di tempo 2010-2100. L’applicazione è stata effettuata all’interno del progetto EU “Theseus” per il quale i modelli FBEM sono stati utilizzati anche per una simulazione a lungo termine e per il calcolo dei tipping point specifici dell’habitat secondo eventi di flooding di diversa intensità.

Quantificazione del rischio occupazionale: Indicatori, indici e metodologia fuzzy

La tesi affronta il concetto di esposizione al rischio occupazionale e il suo scopo è quello di indagare l’ambiente di lavoro e il comportamento dei lavoratori, con l'obiettivo di ridurre il tasso di incidenza degli infortuni sul lavoro ed eseguire la riduzione dei rischi. In primo luogo, è proposta una nuova metodologia denominata MIMOSA (Methodology for the Implementation and Monitoring of Occupational SAfety), che quantifica il livello di "salute e sicurezza" di una qualsiasi impresa. Al fine di raggiungere l’obiettivo si è reso necessario un approccio multidisciplinare in cui concetti d’ingegneria e di psicologia sono stati combinati per sviluppare una metodologia di previsione degli incidenti e di miglioramento della sicurezza sul lavoro. I risultati della sperimentazione di MIMOSA hanno spinto all'uso della Logica Fuzzy nel settore della sicurezza occupazionale per migliorare la metodologia stessa e per superare i problemi riscontrati nell’incertezza della raccolta dei dati. La letteratura mostra che i fattori umani, la percezione del rischio e il comportamento dei lavoratori in relazione al rischio percepito, hanno un ruolo molto importante nella comparsa degli incidenti. Questa considerazione ha portato ad un nuovo approccio e ad una seconda metodologia che consiste nella prevenzione di incidenti, non solo sulla base dell'analisi delle loro dinamiche passate. Infatti la metodologia considera la valutazione di un indice basato sui comportamenti proattivi dei lavoratori e sui danni potenziali degli eventi incidentali evitati. L'innovazione consiste nell'applicazione della Logica Fuzzy per tener conto dell’"indeterminatezza" del comportamento umano e del suo linguaggio naturale. In particolare l’applicazione è incentrata sulla proattività dei lavoratori e si prefigge di impedire l'evento "infortunio", grazie alla generazione di una sorta d’indicatore di anticipo. Questa procedura è stata testata su un’azienda petrolchimica italiana.

Applicazione della logica fuzzy al docking tra dirigibili

Progetto e analisi delle performance di un controllore realizzato con la metodologia fuzzy per una manovra di docking fra due dirigibili. Propedeutica a questo, è stata la campagna, presso la galleria del vento messa a disposizione dalla Clarkson University, di raccolta di dati sperimentali, che sono stati poi utilizzati per realizzare un simulatore con cui testare il controllore. Nel primo capitolo, si è presentato la tecnologia dei dirigibili, le varie tipologie ed una descrizione dei moderni concepts. Successivamente, sono state presentate le applicazioni nelle quali i moderni dirigibili possono essere impiegati. L’ultima parte tratta di due esempi di docking fra mezzi aerei: il rifornimento in volo e i “parasite aircrafts”. Il secondo capitolo, tratta della logica utilizzata dal controllore: la logica fuzzy. Le basi della teoria insiemistica classica sono state il punto di partenza per mostrare come, introducendo le funzioni di appartenenza, sia possibile commutare tra la teoria classica e fuzzy. La seconda parte del capitolo affronta le nozioni della teoria fuzzy, esponendo la metodologia con la quale è possibile inserire un controllore di questo tipo in un sistema “tradizionale”. Il terzo capitolo presenta il modello di volo dei dirigibili. Partendo dalla legge di Newton, introdotto il concetto di inerzia e massa aggiunte, si arriva alle equazioni del moto non lineari. L’ultima parte è stata dedicata alla linearizzazione delle equazioni e alla condizione di trim. Il quarto capitolo riguarda la campagna sperimentale di test in galleria del vento, con la realizzazione dei modelli in scala e la calibrazione della bilancia; successivamente, nel capitolo si commentano i dati sperimentali raccolti. Il quinto capitolo, mostra la metodologia con cui è possibile progettare un controllore fuzzy per il controllo della manovra di docking fra dirigibili. La seconda parte mostra le performance ottenute con questo tipo di sistema.

Oligodendroglial exosomes in glia to neuron signaling

In the CNS, myelinating oligodendrocytes and axons form a functional unit based on intimate cell-cell interactions. In addition to axonal insulation serving to increase the conduction velocity of electrical impulses, oligodendrocytes provide trophic support to neurons essential for the long-term functional integrity of axons. The glial signals maintaining axonal functions are just at the beginning to become uncovered. Yet, their determination is highly relevant for all types of demyelinating diseases, where lack of glial support significantly contributes to pathology. rnThe present PhD thesis uncovers exosomes as a novel signaling entity in the CNS by which cargo can be transferred from oligodendrocytes to neurons. Exosomes are small membranous vesicles of endocytic origin, which are released by almost every cell type and have been implicated in intercellular communication. Oligodendrocytes secrete exosomes containing a distinct set of proteins as well as mRNA and microRNA. Intriguingly, oligodendroglial exosome release is stimulated by the neurotransmitter glutamate indicating that neuronal electrical activity controls glial exosome release. In this study, the role of exosomes in neuron-glia communication and their implications on glial support was examined. Cortical neurons internalized and accumulated oligodendroglial exosomes in the neuronal cell soma in a time-dependent manner. Moreover, uptake occurred likewise at the somatodendritic and axonal compartment of the neurons via dynamin and clathrin dependent endocytosis. Intriguingly, neuronal internalization of exosomes resulted in functional retrieval of exosomal cargo in vitro and in vivo upon stereotactic injection of Cre recombinase bearing exosomes. Functional recovery of Cre recombinase from transferred exosomes was indicated by acquired reporter recombination in the target cell. Electrophysiological analysis showed an increased firing rate in neurons exposed to oligodendroglial exosomes. Moreover, microarray analysis revealed differentially expressed genes after exosome treatment, indicating functional implications on neuronal gene expression and activity. rnTaken together, the results of this PhD thesis represent a proof of principle for exosome transmission from oligodendrocytes to neurons suggesting a new route of horizontal transfer in the CNS.rn

Impact of treatment characteristics on response of different breast cancer phenotypes: pooled analysis of the German neo-adjuvant chemotherapy trials

Pathological complete response (pCR) to neoadjuvant treatment correlates with outcome in breast cancer. We determined whether characteristics of neoadjuvant therapy are associated with pCR. We used multi-level models, which accounted for heterogeneity in pCR across trials and trial arms, to analyze individual patient data from 3332 women included in 7 German neoadjuvant trials with uniform protocols. PCR was associated with an increase in number of chemotherapy cycles (odds ratio [OR] 1.2 for every two additional cycles; P = 0.009), with higher cumulative anthracycline doses (OR 1.6; P = 0.002), higher cumulative taxane doses (OR 1.6; P = 0.009), and with capecitabine containing regimens (OR 1.62; P = 0.022). Association of pCR with increase in number of cycles appeared more pronounced in hormone receptor (HR)-positive tumors (OR 1.35) than in HR-negative tumors (OR 1.04; P for interaction = 0.046). Effect of anthracycline dose was particularly pronounced in HER2-negative tumors (OR 1.61), compared to HER2-positive tumors (OR 0.83; P for interaction = 0.14). Simultaneous trastuzumab treatment in HER2-positive tumors increased odds of pCR 3.2-fold (P < 0.001). No association of pCR and number of trastuzumab cycles was found (OR 1.20, P = 0.39). Dosing characteristics appear important for successful treatment of breast cancer. Longer treatment, higher cumulative doses of anthracyclines and taxanes, and the addition of capecitabine and trastuzumab are associated with better response. Tailoring according to breast cancer phenotype might be possible: longer treatment in HR-positive tumors, higher cumulative anthracycline doses for HER2-negative tumors, shorter treatment at higher cumulative doses for triple-negative tumors, and limited number of preoperative trastuzumab cycles in HER2-positive tumors.

THE RESONATE-AND-FIRE NEURON: TIME DEPENDENT AND FREQUENCY SELECTIVE NEURONS IN NEURAL NETWORKS

The means through which the nervous system perceives its environment is one of the most fascinating questions in contemporary science. Our endeavors to comprehend the principles of neural science provide an instance of how biological processes may inspire novel methods in mathematical modeling and engineering. The application ofmathematical models towards understanding neural signals and systems represents a vibrant field of research that has spanned over half a century. During this period, multiple approaches to neuronal modeling have been adopted, and each approach is adept at elucidating a specific aspect of nervous system function. Thus while bio-physical models have strived to comprehend the dynamics of actual physical processes occurring within a nerve cell, the phenomenological approach has conceived models that relate the ionic properties of nerve cells to transitions in neural activity. Further-more, the field of neural networks has endeavored to explore how distributed parallel processing systems may become capable of storing memory. Through this project, we strive to explore how some of the insights gained from biophysical neuronal modeling may be incorporated within the field of neural net-works. We specifically study the capabilities of a simple neural model, the Resonate-and-Fire (RAF) neuron, whose derivation is inspired by biophysical neural modeling. While reflecting further biological plausibility, the RAF neuron is also analytically tractable, and thus may be implemented within neural networks. In the following thesis, we provide a brief overview of the different approaches that have been adopted towards comprehending the properties of nerve cells, along with the framework under which our specific neuron model relates to the field of neuronal modeling. Subsequently, we explore some of the time-dependent neurocomputational capabilities of the RAF neuron, and we utilize the model to classify logic gates, and solve the classic XOR problem. Finally we explore how the resonate-and-fire neuron may be implemented within neural networks, and how such a network could be adapted through the temporal backpropagation algorithm.

Improved neo-endothelialization of small diameter ePTFEgrafts with titanium coating

BACKGROUND: Patency of small synthetic bypass grafts is inferior compared to autologous grafts for revascularization procedures. Titanium coating of foreign surfaces has shown to decrease thrombogenicity, enhance biocompatibility and promote adhesion of endothelial cells. The aim of this study was to test the effect of titanium coating of small diameter ePTFE grafts on short term patency, neo-endothelialization and neointimal proliferation. METHODS: Bilateral carotid graft interposition was performed in 5 pigs with uncoated (n=5) and titanium-coated (n=5) ePTFE grafts (internal diameter=4 mm, length=5 cm), thus each pig served as its own control. At the end of the study (30 +/- 3 days), patency and stenosis severity was assessed by carotid angiography. Animals were sacrificed and grafts were excised for histology and scanning electron microscopy. Morphometry of histologic sections was carried out to determine neointimal proliferation and percentage of neo-endothelial coverage. RESULTS: Patency rate was 80% for uncoated and titanium-coated grafts. Quantitative angiography did not show any significant difference in lumen size between two groups. Morphometry revealed a significantly higher cellular coverage with CD31 positive endothelial cells for titanium-coated (84 +/- 19%) than uncoated grafts (48 +/- 26%, p<0.001). There was a non significant trend (p=0.112) towards increased neointimal proliferation in titanium-coated (94 +/- 61 micron2/micron) compared to uncoated grafts (60 +/- 57 micron2/micron). CONCLUSIONS: Patency rate in uncoated and titanium-coated ePTFE grafts is similar at one month. However, titanium coated grafts show a significant improvement in neo-endothelialization compared to uncoated grafts.