Emergence of oriented circuits driven by synaptic pruning associated with spike-timing-dependent plasticity (STDP)

ABSTRACT: Massive synaptic pruning following over-growth is a general feature of mammalian brain maturation. Pruning starts near time of birth and is completed by time of sexual maturation. Trigger signals able to induce synaptic pruning could be related to dynamic functions that depend on the timing of action potentials. Spike-timing-dependent synaptic plasticity (STDP) is a change in the synaptic strength based on the ordering of pre- and postsynaptic spikes. The relation between synaptic efficacy and synaptic pruning suggests that the weak synapses may be modified and removed through competitive "learning" rules. This plasticity rule might produce the strengthening of the connections among neurons that belong to cell assemblies characterized by recurrent patterns of firing. Conversely, the connections that are not recurrently activated might decrease in efficiency and eventually be eliminated. The main goal of our study is to determine whether or not, and under which conditions, such cell assemblies may emerge out of a locally connected random network of integrate-and-fire units distributed on a 2D lattice receiving background noise and content-related input organized in both temporal and spatial dimensions. The originality of our study stands on the relatively large size of the network, 10,000 units, the duration of the experiment, 10E6 time units (one time unit corresponding to the duration of a spike), and the application of an original bio-inspired STDP modification rule compatible with hardware implementation. A first batch of experiments was performed to test that the randomly generated connectivity and the STDP-driven pruning did not show any spurious bias in absence of stimulation. Among other things, a scale factor was approximated to compensate for the network size on the ac¬tivity. Networks were then stimulated with the spatiotemporal patterns. The analysis of the connections remaining at the end of the simulations, as well as the analysis of the time series resulting from the interconnected units activity, suggest that feed-forward circuits emerge from the initially randomly connected networks by pruning. RESUME: L'élagage massif des synapses après une croissance excessive est une phase normale de la ma¬turation du cerveau des mammifères. L'élagage commence peu avant la naissance et est complété avant l'âge de la maturité sexuelle. Les facteurs déclenchants capables d'induire l'élagage des synapses pourraient être liés à des processus dynamiques qui dépendent de la temporalité rela¬tive des potentiels d'actions. La plasticité synaptique à modulation temporelle relative (STDP) correspond à un changement de la force synaptique basé sur l'ordre des décharges pré- et post- synaptiques. La relation entre l'efficacité synaptique et l'élagage des synapses suggère que les synapses les plus faibles pourraient être modifiées et retirées au moyen d'une règle "d'appren¬tissage" faisant intervenir une compétition. Cette règle de plasticité pourrait produire le ren¬forcement des connexions parmi les neurones qui appartiennent à une assemblée de cellules caractérisée par des motifs de décharge récurrents. A l'inverse, les connexions qui ne sont pas activées de façon récurrente pourraient voir leur efficacité diminuée et être finalement éliminées. Le but principal de notre travail est de déterminer s'il serait possible, et dans quelles conditions, que de telles assemblées de cellules émergent d'un réseau d'unités integrate-and¬-fire connectées aléatoirement et distribuées à la surface d'une grille bidimensionnelle recevant à la fois du bruit et des entrées organisées dans les dimensions temporelle et spatiale. L'originalité de notre étude tient dans la taille relativement grande du réseau, 10'000 unités, dans la durée des simulations, 1 million d'unités de temps (une unité de temps correspondant à une milliseconde), et dans l'utilisation d'une règle STDP originale compatible avec une implémentation matérielle. Une première série d'expériences a été effectuée pour tester que la connectivité produite aléatoirement et que l'élagage dirigé par STDP ne produisaient pas de biais en absence de stimu¬lation extérieure. Entre autres choses, un facteur d'échelle a pu être approximé pour compenser l'effet de la variation de la taille du réseau sur son activité. Les réseaux ont ensuite été stimulés avec des motifs spatiotemporels. L'analyse des connexions se maintenant à la fin des simulations, ainsi que l'analyse des séries temporelles résultantes de l'activité des neurones, suggèrent que des circuits feed-forward émergent par l'élagage des réseaux initialement connectés au hasard.

CISNE-P: a global scheduling oriented to NOW environments

In this work, we present an integral scheduling system for non-dedicated clusters, termed CISNE-P, which ensures the performance required by the local applications, while simultaneously allocating cluster resources to parallel jobs. Our approach solves the problem efficiently by using a social contract technique. This kind of technique is based on reserving computational resources, preserving a predetermined response time to local users. CISNE-P is a middleware which includes both a previously developed space-sharing job scheduler and a dynamic coscheduling system, a time sharing scheduling component. The experimentation performed in a Linux cluster shows that these two scheduler components are complementary and a good coordination improves global performance significantly. We also compare two different CISNE-P implementations: one developed inside the kernel, and the other entirely implemented in the user space.

Points to consider for prioritizing clinical genetic testing services: a European consensus process oriented at accountability for reasonableness.

Given the cost constraints of the European health-care systems, criteria are needed to decide which genetic services to fund from the public budgets, if not all can be covered. To ensure that high-priority services are available equitably within and across the European countries, a shared set of prioritization criteria would be desirable. A decision process following the accountability for reasonableness framework was undertaken, including a multidisciplinary EuroGentest/PPPC-ESHG workshop to develop shared prioritization criteria. Resources are currently too limited to fund all the beneficial genetic testing services available in the next decade. Ethically and economically reflected prioritization criteria are needed. Prioritization should be based on considerations of medical benefit, health need and costs. Medical benefit includes evidence of benefit in terms of clinical benefit, benefit of information for important life decisions, benefit for other people apart from the person tested and the patient-specific likelihood of being affected by the condition tested for. It may be subject to a finite time window. Health need includes the severity of the condition tested for and its progression at the time of testing. Further discussion and better evidence is needed before clearly defined recommendations can be made or a prioritization algorithm proposed. To our knowledge, this is the first time a clinical society has initiated a decision process about health-care prioritization on a European level, following the principles of accountability for reasonableness. We provide points to consider to stimulate this debate across the EU and to serve as a reference for improving patient management.

Sheeting efficiency improvement through production planning and control development.

Arkitus on kartongin jatkojalostusmuoto, jonka tehokkuus muodostuu monen tekijän vaikutuksesta. Tämän työn tavoitteena oli parantaa arkitustehokkuutta tutkitussa kahden folioleikkurin arkittamossa tuotannonsuunnittelun ja tuotannonohjauksen kehittämisellä. Kartonkitehtaan sisäisessä jalostusketjussa arkitus on viimeinen vaihe, mikä tekee siitä pitkälti riippuvaisen edeltävistä konevaiheista, eli kartonkikoneista ja PE-päällystyskoneista. Pelkkä arkituksen tuotannonsuunnittelun huomiointi ei siis vielä takaa hyvää lopputulosta arkitustehokkuuden kannalta. Folioarkitustoiminta on hyvin asiakassuuntautunutta. Arkkikoot määräytyvät asiakkaiden omien tarpeiden perusteella, jolloin eri arkkikokojen kokonaismäärä kasvaa huomattavan suureksi. Viime vuosien trendinä on ollut tilauseräkokojen pieneneminen. Näiden tekijöiden yhteisvaikutuksena arkituksen tuotantoprosessille on ominaista erilaisten asetusten aiheuttama katkonaisuus. Lisäksi pelkästään yhden millimetrin muutos arkin leveydessä voi usein vaikuttaa arkitustehokkuuteen hyvinkin merkittävästi. Näistä syistä arkituksen tuotannonsuunnittelun apuvälineeksi tarvitaan tarkkuuteen ja joustavuuteen kykenevää tietojärjestelmää. Tehokkaan tuotannonohjauksen tueksi tarvitaan lisäksi erilaisia leikkuri- ja kartonkilaatukohtaisia raportteja. Työn teoriaosassa käsitellään tarkemmin arkitustoiminnan ominaisuuksia ja sen tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä. Lisäksi käsitellään tuotannonsuunnittelun ja tuotannonohjauksen periaatteita ja toimintoja.

Object-oriented development of client / server application: case study of service control software

Tässä työssä on esitetty sen ohjelmiston kehittämisen prosessi, joka on tarkoitettu annettavien palveluiden valvottavaksi käyttäen prototyyppimallia. Raportti sisältää vaatimusten, kohteisiin suunnatun analyysin ja suunnittelun, realisointiprosessien kuvauksen ja prototyypin testauksen. Ohjelmiston käyttöala – antavien palveluiden valvonta. Vaatimukset sovellukselle analysoitiin ohjelmistomarkkinoiden perusteella sekä ohjelmiston engineeringin periaatteiden mukaisesti. Ohjelmiston prototyyppi on realisoitu käyttäen asiakas-/palvelinhybridimallia sekä ralaatiokantaa. Kehitetty ohjelmisto on tarkoitettu venäläisille tietokonekerhoille, jotka erikoistuvat pelipalvelinten antamiseen.

Liquid Packaging Board Market in China

Tämän diplomityön tavoitteena on määrittää liiketoimintailmapiiri ja markkinapotentiaali Kiinan nestepakkauskartonkimarkkinoilla. Tutkimus tukee nestepakkauskartonkivalmistajan vientitoimintoja. Pääosin käytännön tiedoista koostuva tutkimus suoritettiin keräämällä sekundaääritietoa ja haastattelemalla alan erikoisasiantuntijoita. Suuri ja kasvava väestö sekä nopeasti kehittyvä talous tukee nestepakkauskartonkimarkkinoiden kasvua Kiinassa. Viimeaikainen globalisaatio haittapuolineen saattaa kuitenkin horjuttaa poliittista ja sosiaalista tasapainoa ja tätä kautta ylellisyys hyödykkeiden kuten kartonkipakattujen tuotteiden kysyntää Kiinassa. Tuontirajoitukset Kiinaan ovat laskemassa valtion tämän hetkisen kansainvälistymispolitiikan seurauksena. Kartonki vahvistaa asemaansa kilpailevien pakkausmateriaalien joukossa. Kiinan kokonaisnestepakkauskartonkimarkkinat kasvavat vuosittain 10,7 % ja ovat vuonna 2001 noin 100 000 tonnia.

Object-Oriented Modelling of Multilayer Networks

Tämä diplomityökuuluu tietoliikenneverkkojen suunnittelun tutkimukseen ja pohjimmiltaan kohdistuu verkon mallintamiseen. Tietoliikenneverkkojen suunnittelu on monimutkainen ja vaativa ongelma, joka sisältää mutkikkaita ja aikaa vieviä tehtäviä. Tämä diplomityö esittelee ”monikerroksisen verkkomallin”, jonka tarkoitus on auttaa verkon suunnittelijoita selviytymään ongelmien monimutkaisuudesta ja vähentää verkkojen suunnitteluun kuluvaa aikaa. Monikerroksinen verkkomalli perustuu yleisille objekteille, jotka ovat yhteisiä kaikille tietoliikenneverkoille. Tämä tekee mallista soveltuvan mielivaltaisille verkoille, välittämättä verkkokohtaisista ominaisuuksista tai verkon toteutuksessa käytetyistä teknologioista. Malli määrittelee tarkan terminologian ja käyttää kolmea käsitettä: verkon jakaminen tasoihin (plane separation), kerrosten muodostaminen (layering) ja osittaminen (partitioning). Nämä käsitteet kuvataan yksityiskohtaisesti tässä työssä. Monikerroksisen verkkomallin sisäinen rakenne ja toiminnallisuus ovat määritelty käyttäen Unified Modelling Language (UML) -notaatiota. Tämä työ esittelee mallin use case- , paketti- ja luokkakaaviot. Diplomityö esittelee myös tulokset, jotka on saatu vertailemalla monikerroksista verkkomallia muihin verkkomalleihin. Tulokset osoittavat, että monikerroksisella verkkomallilla on etuja muihin malleihin verrattuna.

Key Account Management in Paper and Board Industry- Identification of Key Accounts for Stora Enso Graphical Boards

Tutkimuksen tarkoituksena oli tunnistaa nykyiset sekä potentiaaliset avainasiakkaat case yritykselle. Avainasiakkaat tunnistettiin Chevertonin tunnistamis- ja valintamatriisin avulla, jossa asiakkaan sijoittumista matriisiin arvioidaan asiakkaan houkuttelevuuden sekä toimittajan suhteellisten vahvuuksien avulla. Kriteereiksi avainasiakkaiden tunnistamiseen valittiin asiakkaan vuotuinen ostovolyymi, asiakkaan business-potentiaali sekä case-yrityksen toimittajaosuus. Asiakkaat luokiteltiin avainasiakkaisiin, kehitettäviin avainasiakkaisiin, ylläpidettäviin asiakkaisiin sekä satunnaisiin asiakkaisiin. Tutkimus tarjosi lähtökohdan case-yrityksen uusille avainasiakaspäälliköille sekä osoitti suunnan tulevaisuuden tutkimustarpeille. Aktiivisen tiedonvaihdannan kautta eri myyntikonttoreiden johtohenkilöstön sekä myös yrityksen eri funktionaalisten divisioonien välillä voidaan saavuttaa kilpailuetua kun lähestytään asiakasta toimintojaan järkiperäisesti koordinoineena toimittajana samalla kun asiakkaat keskittävät ostojaan. Jotta yrityksen tavoitteet, markkinamahdollisuudet sekä resurssit olisivat hyvin tasapainossa, tulisi myös asiakaskannattavuutta sekä asiakkaiden strategista merkittävyyttä arvioida ja mitata säännöllisesti tässä tutkimuksessa käytettyjen tunnistuskriteereiden lisäksi.

The Value System of Consumer Board Packaging

Olemassa olevien teollisuuden rakenteiden ja arvoketjujen muutos on usein onnistuneiden liiketoimintainnovaatioiden takana. Yritysten tulisikin olla tietoisia rakenteista, jotka määrittelevät arvon jakaantumista niiden arvoketjuissa. Tämän työn tavoitteena oli tutkia ja arvioida kartongin pakkausketjujen rakenteita kartongintuottajalta aina kauppiaalle asti. Työn kuluessa yritysketjujen arviointia varten oli kehitettävä uudenlainen analysointityökalu. Työssä käsitellyt kartonkipakkausketjut olivat nestekartonkipakkaaminen, elintarvikepakkaaminen, lääkepakkaaminen sekä graafisten kartonkien ketju. Jokaista edellä mainituista ketjuista arvioitiin käyttämällä kehitettyä analysointityökalua. Työn merkittävin tulos on kehitetty työkalu, jolla pakkausketjuja sekä myös muita yritysketjuja on mahdollista analysoida. Kehitettyä työkalua käyttämällä oli mahdollista tehdä johtopäätöksiä vertikaalin integraation mahdollisuudesta sekä pakkausketjujen suotuisuudesta uusille bisnesmalleille. Sekä analysointityökalua että saatuja johtopäätöksiä voidaan käyttää hyväksi, kun kartongintuottaja suunnittelee tulevaisuuden toimenpiteitä.

The Control of the Edge Shrinkage in Board

Tämän diplomityön tavoitteena oli löytää prosessiparametrejä nestepakkauskartongin reuna-alueiden kuivatuskutistuman hallintaan ja saada tuotteen reuna-alueiden sileystaso paremmaksi. Tarkoituksena oli parantaa reuna-alueiden painettavuusominaisuuksia sekä saada koneen poikkisuunnassa laadultaan parempi tuote. Työn kirjallisuusosassa on tarkasteltu työn kannalta nestepakkauskartongin kriittisimpiä ominaisuuksia, sileyttä ja jäykkyyttä. Lisäksi kirjallisuusosassa on tarkasteltu kuitujen ominaisuuksia, sylinterikuivatusta ja kuivatuskutistumaa. Kokeellisessa osassa on etsitty esitutkimuksella prosessiparametrejä, jotka ovat aiheuttaneet poikkisuunnan sileyserojen kasvun kartonkikoneen investoinnin jälkeen. Suoria korrelaatioita prosessiparametrien ja kuivatuskutistuman välille ei löydetty. Kokeellisen osan tehdasmittakaavaisissa koeajoissa tutkittiin kahdeksan eri parametrin vaikutusta kuivatuskutistumaan, jotka perustuivat kirjallisuuteen. Tutkituista parametreistä huulisuihkun iskukulman muutoksella sekä konesuuntaisella kuivatusprofiililla ei ollut vaikutusta kuivatuskutistumaan. Runkokerroksen mäntysellun korvaaminen koivusellulla vähensi kuivatuskutistumaa ja lisäsi sileyttä, mutta tuotteen palstautumislujuus ei tällöin ollut riittävä. Retentiokemikaalien reseptimuutoksilla pinta- ja taustakerroksen välillä, kuivatusosan nollatason laskulla ja perälaatikkosakeuksien pienentämisellä oli vähän vaikutusta kuivatuskutistumaan. Vaikutus reuna-alueiden sileyteen oli kuitenkin vähemmän kuin 10 %. Diplomityön perusteella kuivatusosan nopeuseroilla ja kuivatusviirojen kireyksillä oli suurin vaikutusta kuivatuskutistumaan ja reuna-alueiden sileystasoon. Lisäämällä nopeuseroja ja kiristämällä kuivatusviiroja reuna-alueiden sileyttä pystyttiin parantamaan yli 20 %.

Agent-augmented process automation system in a panel board factory

Kiristyvä kansainvälinen kilpailu pakottaa automaatiojärjestelmien valmistajat ottamaan käyttöön uusia menetelmiä, joiden avulla järjestelmien suorituskykyä ja joustavuutta saadaan parannettua. Agenttiteknologiaa on esitetty käytettäväksi olemassa olevien automaatiojärjestelmien kanssa vastaamaan automaatiolle asetettaviin uusiin haasteisiin. Agentit ovat itsenäisiä yhteisöllisiä toimijoita, jotka suorittavat niille ennalta määrättyjä tehtäviä. Ne tarjoavat yhtenäisen kehyksen kehittyneiden toimintojen toteutukselle. Agenttiteknologian avulla automaatiojärjestelmä saadaan toimimaan joustavasti ja vikasietoisesti. Tässä työssä selostetaan agenttiteknologian ajatuksia ja käsitteitä. Lisäksi selvitetään sen soveltuvuutta monimutkaisten ohjausjärjestelmien kehittämiseen ja etsitään käyttökohteita sen soveltamiselle levytehtaassa. Työssä käsitellään myös aatteita, jotka ovat johtaneet agenttiteknologian käyttöön automaatiojärjestelmissä, sekä selostetaan agenttiavusteisen esimerkkisovelluksen rakenne ja testitulokset. Tutkimuksen tuloksena löydettiin useita kohteita agenttiteknologian käytölle levytehtaassa. Esimerkkisovellus osoittaa sen sopivan hyvin kehittyneiden toimintojen toteutukseen automaatiojärjestelmissä.

Production Control Principles in Printed Wiring Board Fabrication

Työn tavoitteena oli kuvata piirilevyvalmistaja Aspocomp Oy:n Espoon tehtaan tämän hetkinen tuotannonohjausperiaate ja tunnistaa siinä esiintyvät puutteet sekä kehittää vaihtoehtoinen tuotannonohjausperiaate piirilevyvalmistukseen. Vaihtoehtoisen ohjausperiaatteen lähtökohtana oli tuotannonohjauksen sopeuttaminen vaativaan ja jatkuvasti muuttuvaan liiketoimintaympäristöön. Työn teoreettinen osa keskittyi tuotannonohjauksen eri lähestymistapoihin. Kirjallisuuskatsauksessa esitetään eri tuotannonohjausperiaatteiden keskeiset sisällöt, jotka muodostavat rungon toimivalle tuotannonohjauskäytännölle. Työn kokeellinen osa keskittyi Espoon piirilevytehtaan tuotannonohjausperiaatteen selvittämiseen. Espoon piirilevytehtaan nykyisessä tuotannonohjausperiaatteessa havaittujen ongelmakohtien ja liiketoimintaympäristön vaatimusten perusteella kehitettiin vaihtoehtoinen tuotannonohjaustapa. Vaihtoehtoisen tuotannonohjaustavan päämääränä oli läpimenoajan lyhentäminen sekä tuotannon parempi hallittavuus. Vaihtoehtoinen toimintamalli tavoitteiden saavuttamiseksi perustuu pullonkaulateoriaan, jossa keskeisin muutos nykyiseen toimintamalliin oli puolivalmisteiden varastointi toimitusajan lyhentämiseksi sekä tuotantovolyymin heilahdusten vaikutusten vähentämiseksi. Työn kokeellisessa osassa ilmeni, että kysynnän muutokset ja kapasiteetin suunnittelun puute aiheuttivat ongelmia piirilevytehtaan tuotannonohjauksessa.

Quantitative proteomics of heat-treated human cells show an across-the-board mild depletion of housekeeping proteins to massively accumulate few HSPs.

Classic semiquantitative proteomic methods have shown that all organisms respond to a mild heat shock by an apparent massive accumulation of a small set of proteins, named heat-shock proteins (HSPs) and a concomitant slowing down in the synthesis of the other proteins. Yet unexplained, the increased levels of HSP messenger RNAs (mRNAs) may exceed 100 times the ensuing relative levels of HSP proteins. We used here high-throughput quantitative proteomics and targeted mRNA quantification to estimate in human cell cultures the mass and copy numbers of the most abundant proteins that become significantly accumulated, depleted, or unchanged during and following 4 h at 41 °C, which we define as mild heat shock. This treatment caused a minor across-the-board mass loss in many housekeeping proteins, which was matched by a mass gain in a few HSPs, predominantly cytosolic HSPCs (HSP90s) and HSPA8 (HSC70). As the mRNAs of the heat-depleted proteins were not significantly degraded and less ribosomes were recruited by excess new HSP mRNAs, the mild depletion of the many housekeeping proteins during heat shock was attributed to their slower replenishment. This differential protein expression pattern was reproduced by isothermal treatments with Hsp90 inhibitors. Unexpectedly, heat-treated cells accumulated 55 times more new molecules of HSPA8 (HSC70) than of the acknowledged heat-inducible isoform HSPA1A (HSP70), implying that when expressed as net copy number differences, rather than as mere "fold change" ratios, new biologically relevant information can be extracted from quantitative proteomic data. Raw data are available via ProteomeXchange with identifier PXD001666.

Product information management system design framework for production oriented company

Diplomityössä luodaan viitekehys tuotetiedonhallintajärjestelmän esisuunnittelua varten. Siinä on kolme ulottuvuutta: lisäarvontuotto-, toiminnallisuus- ja ohjelmistoulottuvuus. Viitekehys auttaa- tunnistamaan lisäarvontuottokomponentit, joihin voidaan vaikuttaa tiettyjen ohjelmistoluokkien tarjoamilla tuotetiedonhallintatoiminnallisuuksilla. Viitekehyksen järjestelmäsuunnittelullista näkökulmaa hyödynnetään tutkittavissa yritystapauksissa perustuen laskentamatriisin muotoon mallinnettuihin ulottuvuuksien välisiin suhteisiin. Matriisiin syötetään lisäarvontuotto- ja toiminnallisuuskomponenttien saamat tärkeydet kohdeyrityksessä suoritetussa haastattelututkimuksessa. Matriisin tuotos on tietyn ohjelmiston soveltuvuus kyseisen yrityksen tapauksessa. Soveltuvuus on joukko tunnuslukuja, jotka analysoidaan tulostenkäsittelyvaiheessa. Soveltuvuustulokset avustavat kohdeyritystä sen valitessa lähestymistapaansa tuotetiedonhallintaan - ja kuvaavat esisuunnitellun tuotetiedonhallintajärjestelmän. Viitekehyksen rakentaminen vaatii perinpohjaisen lähestymistavan merkityksellisten lisäarvontuotto- ja toiminnallisuuskomponenttien sekä ohjelmistoluokkien määrittämiseen. Määritystyö perustuu työssä yksityiskohtaisesti laadittujen menetelmien ja komponenttiryhmitysten hyödyntämiselle. Kunkin alueen analysointi mahdollistaa viitekehyksen ja laskentamatriisin rakentamisen yhdenmukaisten määritysten perusteella. Viitekehykselle on ominaista sen muunneltavuus. Nykymuodossaan se soveltuu elektroniikka- ja high-tech yrityksille. Viitekehystä voidaan hyödyntää myös muilla toimialoilla muokkaamalla lisäarvontuottokomponentteja kunkin toimialan intressien mukaisesti. Vastaavasti analysoitava ohjelmisto voidaan valita tapauskohtaisesti. Laskentamatriisi on kuitenkin ensin päivitettävä valitun ohjelmiston kyvykkyyksillä, minkä jälkeen viitekehys voi tuottaa soveltuvuustuloksia kyseiseen yritystapaukseen perustuen