An enteroendocrine cell-enteric glia connection revealed by 3D electron microscopy.

The enteroendocrine cell is the cornerstone of gastrointestinal chemosensation. In the intestine and colon, this cell is stimulated by nutrients, tastants that elicit the perception of flavor, and bacterial by-products; and in response, the cell secretes hormones like cholecystokinin and peptide YY--both potent regulators of appetite. The development of transgenic mice with enteroendocrine cells expressing green fluorescent protein has allowed for the elucidation of the apical nutrient sensing mechanisms of the cell. However, the basal secretory aspects of the enteroendocrine cell remain largely unexplored, particularly because a complete account of the enteroendocrine cell ultrastructure does not exist. Today, the fine ultrastructure of a specific cell can be revealed in the third dimension thanks to the invention of serial block face scanning electron microscopy (SBEM). Here, we bridged confocal microscopy with SBEM to identify the enteroendocrine cell of the mouse and study its ultrastructure in the third dimension. The results demonstrated that 73.5% of the peptide-secreting vesicles in the enteroendocrine cell are contained within an axon-like basal process. We called this process a neuropod. This neuropod contains neurofilaments, which are typical structural proteins of axons. Surprisingly, the SBEM data also demonstrated that the enteroendocrine cell neuropod is escorted by enteric glia--the cells that nurture enteric neurons. We extended these structural findings into an in vitro intestinal organoid system, in which the addition of glial derived neurotrophic factors enhanced the development of neuropods in enteroendocrine cells. These findings open a new avenue of exploration in gastrointestinal chemosensation by unveiling an unforeseen physical relationship between enteric glia and enteroendocrine cells.

Localization of Metal Electrodes in the Intact Rat Brain Using Registration of 3D Microcomputed Tomography Images to a Magnetic Resonance Histology Atlas.

Simultaneous neural recordings taken from multiple areas of the rodent brain are garnering growing interest due to the insight they can provide about spatially distributed neural circuitry. The promise of such recordings has inspired great progress in methods for surgically implanting large numbers of metal electrodes into intact rodent brains. However, methods for localizing the precise location of these electrodes have remained severely lacking. Traditional histological techniques that require slicing and staining of physical brain tissue are cumbersome, and become increasingly impractical as the number of implanted electrodes increases. Here we solve these problems by describing a method that registers 3-D computerized tomography (CT) images of intact rat brains implanted with metal electrode bundles to a Magnetic Resonance Imaging Histology (MRH) Atlas. Our method allows accurate visualization of each electrode bundle's trajectory and location without removing the electrodes from the brain or surgically implanting external markers. In addition, unlike physical brain slices, once the 3D images of the electrode bundles and the MRH atlas are registered, it is possible to verify electrode placements from many angles by "re-slicing" the images along different planes of view. Further, our method can be fully automated and easily scaled to applications with large numbers of specimens. Our digital imaging approach to efficiently localizing metal electrodes offers a substantial addition to currently available methods, which, in turn, may help accelerate the rate at which insights are gleaned from rodent network neuroscience.

Investigation and Development of a Fully 3D Tilt Capable Hybrid SPECT - CT System for Dedicated Breast Imaging

X-ray mammography has been the gold standard for breast imaging for decades, despite the significant limitations posed by the two dimensional (2D) image acquisitions. Difficulty in diagnosing lesions close to the chest wall and axilla, high amount of structural overlap and patient discomfort due to compression are only some of these limitations. To overcome these drawbacks, three dimensional (3D) breast imaging modalities have been developed including dual modality single photon emission computed tomography (SPECT) and computed tomography (CT) systems. This thesis focuses on the development and integration of the next generation of such a device for dedicated breast imaging. The goals of this dissertation work are to: [1] understand and characterize any effects of fully 3-D trajectories on reconstructed image scatter correction, absorbed dose and Hounsifeld Unit accuracy, and [2] design, develop and implement the fully flexible, third generation hybrid SPECT-CT system capable of traversing complex 3D orbits about a pendant breast volume, without interference from the other. Such a system would overcome artifacts resulting from incompletely sampled divergent cone beam imaging schemes and allow imaging closer to the chest wall, which other systems currently under research and development elsewhere cannot achieve.

The dependence of x-ray scatter radiation on object shape, size, material composition and the CT acquisition trajectory, was investigated with a well-established beam stop array (BSA) scatter correction method. While the 2D scatter to primary ratio (SPR) was the main metric used to characterize total system scatter, a new metric called ‘normalized scatter contribution’ was developed to compare the results of scatter correction on 3D reconstructed volumes. Scatter estimation studies were undertaken with a sinusoidal saddle (±15° polar tilt) orbit and a traditional circular (AZOR) orbit. Clinical studies to acquire data for scatter correction were used to evaluate the 2D SPR on a small set of patients scanned with the AZOR orbit. Clinical SPR results showed clear dependence of scatter on breast composition and glandular tissue distribution, otherwise consistent with the overall phantom-based size and density measurements. Additionally, SPR dependence was also observed on the acquisition trajectory where 2D scatter increased with an increase in the polar tilt angle of the system.

The dose delivered by any imaging system is of primary importance from the patient’s point of view, and therefore trajectory related differences in the dose distribution in a target volume were evaluated. Monte Carlo simulations as well as physical measurements using radiochromic film were undertaken using saddle and AZOR orbits. Results illustrated that both orbits deliver comparable dose to the target volume, and only slightly differ in distribution within the volume. Simulations and measurements showed similar results, and all measured dose values were within the standard screening mammography-specific, 6 mGy dose limit, which is used as a benchmark for dose comparisons.

Hounsfield Units (HU) are used clinically in differentiating tissue types in a reconstructed CT image, and therefore the HU accuracy of a system is very important, especially when using non-traditional trajectories. Uniform phantoms filled with various uniform density fluids were used to investigate differences in HU accuracy between saddle and AZOR orbits. Results illustrate the considerably better performance of the saddle orbit, especially close to the chest and nipple region of what would clinically be a pedant breast volume. The AZOR orbit causes shading artifacts near the nipple, due to insufficient sampling, rendering a major portion of the scanned phantom unusable, whereas the saddle orbit performs exceptionally well and provides a tighter distribution of HU values in reconstructed volumes.

Finally, the third generation, fully-suspended SPECT-CT system was designed in and developed in our lab. A novel mechanical method using a linear motor was developed for tilting the CT system. A new x-ray source and a custom made 40 x 30 cm2 detector were integrated on to this system. The SPECT system was nested, in the center of the gantry, orthogonal to the CT source-detector pair. The SPECT system tilts on a goniometer, and the newly developed CT tilting mechanism allows ±15° maximum polar tilting of the CT system. The entire gantry is mounted on a rotation stage, allowing complex arbitrary trajectories for each system, without interference from the other, while having a common field of view. This hybrid system shows potential to be used clinically as a diagnostic tool for dedicated breast imaging.

Optical-CT 3D Dosimetry Using Fresnel Lenses with Minimal Refractive-Index Matching Fluid.

Telecentric optical computed tomography (optical-CT) is a state-of-the-art method for visualizing and quantifying 3-dimensional dose distributions in radiochromic dosimeters. In this work a prototype telecentric system (DFOS-Duke Fresnel Optical-CT Scanner) is evaluated which incorporates two substantial design changes: the use of Fresnel lenses (reducing lens costs from $10-30K t0 $1-3K) and the use of a 'solid tank' (which reduces noise, and the volume of refractively matched fluid from 1 ltr to 10 cc). The efficacy of DFOS was evaluated by direct comparison against commissioned scanners in our lab. Measured dose distributions from all systems were compared against the predicted dose distributions from a commissioned treatment planning system (TPS). Three treatment plans were investigated including a simple four-field box treatment, a multiple small field delivery, and a complex IMRT treatment. Dosimeters were imaged within 2 h post irradiation, using consistent scanning techniques (360 projections acquired at 1 degree intervals, reconstruction at 2mm). DFOS efficacy was evaluated through inspection of dose line-profiles, and 2D and 3D dose and gamma maps. DFOS/TPS gamma pass rates with 3%/3mm dose difference/distance-to-agreement criteria ranged from 89.3% to 92.2%, compared to from 95.6% to 99.0% obtained with the commissioned system. The 3D gamma pass rate between the commissioned system and DFOS was 98.2%. The typical noise rates in DFOS reconstructions were up to 3%, compared to under 2% for the commissioned system. In conclusion, while the introduction of a solid tank proved advantageous with regards to cost and convenience, further work is required to improve the image quality and dose reconstruction accuracy of the new DFOS optical-CT system.

El saber técnico popular en la investigación y desarrollo de tecnologías apropiadas : el caso de los horticultores del parque Pereyra Iraola

p.89-97

La transformación de rotación en el espacio: diseño curricular e integración en el aula del ambiente de geometría dinámica Cabri 3D

Se busca generar una discusión sobre el proceso de diseño y sistematización de una experiencia de aula en la cual se integra el Ambiente de Geometría Dinámica (AGD) Cabri 3D en el aprendizaje de la transformación de rotación en el espacio. En nuestra propuesta, encontramos investigaciones importantes en didáctica de las matemáticas que han puesto en evidencia las dificultades que los estudiantes presentan comúnmente en la exploración de propiedades de los objetos geométricos en el espacio, e incluso la representación de los mismos en él. Por lo cual, la comunicación se apoya en una aproximación instrumental que busca dar cuenta del papel mediador de Cabri 3D como un instrumento construido por el sujeto en el contexto de aprendizaje de la geometría. La propuesta se basa en el diseño de una situación didáctica en la que se integra el AGD Cabri 3D; hemos introducido una categoría que caracteriza el objeto matemático a movilizar en la secuencia de situaciones didácticas, esta categoría es la transformación de rotación en el espacio. La primera caracterización debe darse desde el reconocimiento de la Geometría transformacional como una alternativa para que los estudiantes construyan conocimiento del espacio a partir de la exploración y actuación sobre el mismo, así en la propuesta de la secuencia didáctica se tomara en consideración que la transformación de rotación posibilita la exploración de aspectos complejos tales como el sentido, la magnitud angular y la invarianza de propiedades. Esta última (la invarianza de propiedades) es uno de los aspectos más importante que se deberán distinguir en el diseño de la secuencia didáctica; en la composición de rotaciones por ejemplo, se reconoce como importante que los estudiantes tengan la capacidad de poder determinar cuáles objetos geométricos, puestos en juego en la transformación, conservan sus propiedades, así como poder determinar dentro de la rotación qué se conserva invariante. La segunda caracterización es el reconocimiento de la visualización como medio para que el estudiante interprete la información gráfica de conceptos matemáticos que se le presentan, con el fin de resolver un problema y realizar conjeturas acerca de la noción matemática que está trabajando. La pregunta central para animar la discusión en torno a nuestra comunicación es la siguiente: ¿Cómo influye el uso de Cabri 3D en el estudio del espacio y la exploración de la noción de transformación de rotación en el espacio?, ¿En la organización de la clase y los dispositivos que se deben implementar en la misma?

Simulación de un problema en Cabrí Geometre en el estudio de las funciones lineal y cuadrática: subgrupo de tecnologías, edumat-uis escuela de matemáticas

En este trabajo se reportan los resultados obtenidos con 39 estudiantes del Instituto Santa María Goretti de Bucaramanga, institución que viene participando en el proyecto “Incorporación de Nuevas Tecnologías en el Currículo de Matemáticas de la Educación Básica y Media de Colombia” desde el año 2002, quienes dieron solución a un problema de una carrera de fórmula 1, donde Juan Pablo Montoya sale de pits con una aceleración de 4 m/seg2 y en ese mismo instante pasa Michael Schumacher con una velocidad constante de 252 Km/hora. Este problema fue simulado en Cabrí Geometry en una pista circular, para el estudio de las funciones lineal y cuadrática. El trabajo con la simulación permitió que las estudiantes identificaran con mayor precisión las variables y no variables y que a través de la toma de datos y análisis de ellos llegaran a obtener diferentes representaciones (numérica, grafica, tabular, algebraica) de las funciones lineal y cuadrática. Además de relacionar los conceptos aprendidos en el estudio del movimiento uniforme y uniformemente acelerado.

Las ciencias naturales como contexto para el aprendizaje de las matemáticas mediadas por Cabri y otras tecnologías computacionales: experiencias de aula

La propuesta que hoy presentamos, es el resultado de varios años de implementación del proyecto liderado por el Ministerio de Educación, las Universidades y algunas Secretarías de Educación, conocido como Incorporación de Nuevas Tecnologías al Currículo de las Matemáticas de la Educación Básica y Media de Colombia con la mediación de los Software Interactivos como Cabri y los accesorios externos como sensores para toma de datos. Al definir el objeto de las matemáticas, encontramos que su aprendizaje no sólo se basa en formar el espíritu lógico, sino también proporcionar herramientas para la solución de problemas reales. Por lo tanto, se debe combinar el rigor lógico con la funcionalidad, puesto que además de la lógica formal las matemáticas proporcionan también un poderoso conjunto de herramientas que posibilitan describir, explicar, predecir y modelar situaciones no sólo del mundo científico, sino también de la vida cotidiana (significación). Es por esto, que juega un papel importante implementar en su didáctica, el referirla al mundo de la naturaleza, de las otras ciencias (interdisciplinariedad), y de la cotidianidad del hombre. Es fácil ver los nexos que tienen las Ciencias Naturales con el mundo extraescolar, lo que permite construir el conocimiento a partir de proyectos en donde se manipule en forma directa el mundo real. Las temáticas que se trabajan en esta propuesta además de permitir lo anterior, proporcionan el estudio formal de las matemáticas y el desarrollo de sus diferentes pensamientos. Los ejes temáticos trabajados son: Cinemática, Luz, Electricidad, Calor y Energía y propiedades químicas de las sustancias, entre otras.

El estudio de los parámetros por medio de tecnologías híbridas

Los estudiantes de enseñanza media se enfrentan al uso e interpretación de los parámetros en funciones polinomiales, lugares geométricos y expresiones algebraicas. Este hecho conduce a la necesidad de diferenciar los parámetros de otro tipo de literales como variables o incógnitas. Esta investigación indaga sobre la influencia que pueden tener dos entornos tecnológicos sobre la comprensión de la polisemia de las literales, bajo el telón de fondo de los Modelos Teóricos Locales y de la Aproximación Instrumental.

Aceptación y/o rechazo al uso de las tecnologías en el aula. Caso: profesor de matemáticas

El objetivo principal de este trabajo surge por la inquietud de estudiantes y profesores de Institutos de Educación Universitaria en Venezuela (Universidad Simón Bolívar, Universidad Nacional Abierta, Universidad Nacional Experimental de las Fuerzas Armadas, Universidad Pedagógica, entre otras); así como también los comentarios de algunos colegas de Universidades en Costa Rica y República Dominicana, donde se observa con gran preocupación el rechazo que presentan y plantean muchos profesores en el área de las matemáticas al uso e implementación de las tecnologías en sus programas y contenidos programáticos. Luego de realizar los estudios y corroborar el grado de analfabetismo tecnológico existente en los profesores de matemática, se consideraron elaborar cursos, diplomados y talleres para involucrar a nuestros docentes en el uso de las tecnologías.

Las relaciones pedagógicas entre profesores y alumnos al incorporar el uso de las tecnologías computacionales en el ámbito escolar

El presente trabajo muestra algunas de las experiencias obtenidas en la puesta en práctica del proceso didáctico que propone el programa EMAT –Hidalgo con un grupo de docentes que imparten la asignatura de matemáticas en el nivel de educación secundaria modalidad técnica. La investigación permitió identificar el tipo de relaciones entre profesores y estudiantes al incorporar el uso de las tecnologías computacionales en el ámbito escolar. Para ello, se hicieron entrevistas, encuestas y observaciones en los tres grados de educación secundaria.

La programación lineal con la hoja de cálculo de Excel: una apuesta por las nuevas tecnologías

La programación lineal es un tema muy importante dentro del bloque de álgebra de las matemáticas aplicadas a las ciencias sociales y es conveniente dar una idea clara y concisa en el aula de cuál es su campo de aplicación, ya que es posible que el alumnado se enfrente a ella en sus estudios superiores de la aplique en su trabajo futuro.

Las nuevas tecnologías y la enseñanza de las matemáticas

A partir del innegable hecho de la influencia de las nuevas tecnologías en la sociedad actual, se presenta aquí una reflexión sobre su influencia en la enseñanza de las matemáticas: desde los cambios metodológicos que su uso implica y los problemas que causa en la organización de los centros educativos, pasando por su presencia en el currículo de matemáticas y las sugerencias que se hacen para propiciar tal uso, hasta la presentación de algunos programas informáticos, contenidos y forma de utilización, así como los distintos bloques de contenidos del currículo de matemáticas a los que se ajustan.

Busbar sizing modeling tools: comparing an ANSYS® based 3D model with the versatile 1D model part of MHD-Valdis

The main goal of a cell stability MHD model like MHD-Valdis is to help locate the busbars around the cell in a way which leads to the generation of a magnetic field inside the cell that itself leads to a stable cell operation. Yet as far as the cell stability is concerned, the uniformity of the current density in the metal pad is also extremely important and can only be achieved with a correct busbar network sizing. This work compares the usage of a detailed ANSYS based 3D thermo-electric model with the one of the versatile 1D part of MHD-Valdis to help design a well balanced busbar network.

Modelling and prototyping the conceptual design of 3D CMM micro-probe

This paper details the prototyping of a novel three axial micro probe based on utilisation of piezoelectric sensors and actuators for true three dimensional metrology and measurements at micro- and nanometre scale. Computational mechanics is used first to model and simulate the performance of the conceptual design of the micro-probe. Piezoelectric analysis is conducted to understand performance of three different materials - silicon, glassy carbon, and nickel - and the effect of load parameters (amplitude, frequency, phase angle) on the magnitude of vibrations. Simulations are also used to compare several design options for layout of the lead zirconium titanate (PZT) sensors and to identify the most feasible from fabrication point of view design. The material options for the realisation of the device have been also tested. Direct laser machining was selected as the primary means of production. It is found that a Yb MOPA based fiber laser was capable of providing the necessary precision on glassy carbon (GC), although machining trials on Si and Ni were less successful due to residual thermal effects.To provide the active and sensing elements on the flexures of the probe, PZT thick films are developed and deposited at low temperatures (Lt720 degC) allowing a high quality functional ceramic to be directly integrated with selected materials. Characterisation of the materials has shown that the film has a homogenous and small pore microstructure.