Application of PZT and FBG impedance sensors for structural health monitoring of reinforced concrete beams strengthened with FRP composite materials

Esta Tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de métodos de identificación del daño que sean robustos y fiables, enfocados a sistemas estructurales experimentales, fundamentalmente a las estructuras de hormigón armado reforzadas externamente con bandas fibras de polímeros reforzados (FRP). El modo de fallo de este tipo de sistema estructural es crítico, pues generalmente es debido a un despegue repentino y frágil de la banda del refuerzo FRP originado en grietas intermedias causadas por la flexión. La detección de este despegue en su fase inicial es fundamental para prevenir fallos futuros, que pueden ser catastróficos. Inicialmente, se lleva a cabo una revisión del método de la Impedancia Electro-Mecánica (EMI), de cara a exponer sus capacidades para la detección de daño. Una vez la tecnología apropiada es seleccionada, lo que incluye un analizador de impedancias así como novedosos sensores PZT para monitorización inteligente, se ha diseñado un procedimiento automático basado en los registros de impedancias de distintas estructuras de laboratorio. Basándonos en el hecho de que las mediciones de impedancias son posibles gracias a una colocación adecuada de una red de sensores PZT, la estimación de la presencia de daño se realiza analizando los resultados de distintos indicadores de daño obtenidos de la literatura. Para que este proceso sea automático y que no sean necesarios conocimientos previos sobre el método EMI para realizar un experimento, se ha diseñado e implementado un Interfaz Gráfico de Usuario, transformando la medición de impedancias en un proceso fácil e intuitivo. Se evalúa entonces el daño a través de los correspondientes índices de daño, intentando estimar no sólo su severidad, sino también su localización aproximada. El desarrollo de estos experimentos en cualquier estructura genera grandes cantidades de datos que han de ser procesados, y algunas veces los índices de daño no son suficientes para una evaluación completa de la integridad de una estructura. En la mayoría de los casos se pueden encontrar patrones de daño en los datos, pero no se tiene información a priori del estado de la estructura. En este punto, se ha hecho una importante investigación en técnicas de reconocimiento de patrones particularmente en aprendizaje no supervisado, encontrando aplicaciones interesantes en el campo de la medicina. De ahí surge una idea creativa e innovadora: detectar y seguir la evolución del daño en distintas estructuras como si se tratase de un cáncer propagándose por el cuerpo humano. En ese sentido, las lecturas de impedancias se emplean como información intrínseca de la salud de la propia estructura, de forma que se pueden aplicar las mismas técnicas que las empleadas en la investigación del cáncer. En este caso, se ha aplicado un algoritmo de clasificación jerárquica dado que ilustra además la clasificación de los datos de forma gráfica, incluyendo información cualitativa y cuantitativa sobre el daño. Se ha investigado la efectividad de este procedimiento a través de tres estructuras de laboratorio, como son una viga de aluminio, una unión atornillada de aluminio y un bloque de hormigón reforzado con FRP. La primera ayuda a mostrar la efectividad del método en sencillos escenarios de daño simple y múltiple, de forma que las conclusiones extraídas se aplican sobre los otros dos, diseñados para simular condiciones de despegue en distintas estructuras. Demostrada la efectividad del método de clasificación jerárquica de lecturas de impedancias, se aplica el procedimiento sobre las estructuras de hormigón armado reforzadas con bandas de FRP objeto de esta tesis, detectando y clasificando cada estado de daño. Finalmente, y como alternativa al anterior procedimiento, se propone un método para la monitorización continua de la interfase FRP-Hormigón, a través de una red de sensores FBG permanentemente instalados en dicha interfase. De esta forma, se obtienen medidas de deformación de la interfase en condiciones de carga continua, para ser implementadas en un modelo de optimización multiobjetivo, cuya solución se haya por medio de una expansión multiobjetivo del método Particle Swarm Optimization (PSO). La fiabilidad de este último método de detección se investiga a través de sendos ejemplos tanto numéricos como experimentales. ABSTRACT This thesis aims to develop robust and reliable damage identification methods focused on experimental structural systems, in particular Reinforced Concrete (RC) structures externally strengthened with Fiber Reinforced Polymers (FRP) strips. The failure mode of this type of structural system is critical, since it is usually due to sudden and brittle debonding of the FRP reinforcement originating from intermediate flexural cracks. Detection of the debonding in its initial stage is essential thus to prevent future failure, which might be catastrophic. Initially, a revision of the Electro-Mechanical Impedance (EMI) method is carried out, in order to expose its capabilities for local damage detection. Once the appropriate technology is selected, which includes impedance analyzer as well as novel PZT sensors for smart monitoring, an automated procedure has been design based on the impedance signatures of several lab-scale structures. On the basis that capturing impedance measurements is possible thanks to an adequately deployed PZT sensor network, the estimation of damage presence is done by analyzing the results of different damage indices obtained from the literature. In order to make this process automatic so that it is not necessary a priori knowledge of the EMI method to carry out an experimental test, a Graphical User Interface has been designed, turning the impedance measurements into an easy and intuitive procedure. Damage is then assessed through the analysis of the corresponding damage indices, trying to estimate not only the damage severity, but also its approximate location. The development of these tests on any kind of structure generates large amounts of data to be processed, and sometimes the information provided by damage indices is not enough to achieve a complete analysis of the structural health condition. In most of the cases, some damage patterns can be found in the data, but none a priori knowledge of the health condition is given for any structure. At this point, an important research on pattern recognition techniques has been carried out, particularly on unsupervised learning techniques, finding interesting applications in the medicine field. From this investigation, a creative and innovative idea arose: to detect and track the evolution of damage in different structures, as if it were a cancer propagating through a human body. In that sense, the impedance signatures are used to give intrinsic information of the health condition of the structure, so that the same clustering algorithms applied in the cancer research can be applied to the problem addressed in this dissertation. Hierarchical clustering is then applied since it also provides a graphical display of the clustered data, including quantitative and qualitative information about damage. The performance of this approach is firstly investigated using three lab-scale structures, such as a simple aluminium beam, a bolt-jointed aluminium beam and an FRP-strengthened concrete specimen. The first one shows the performance of the method on simple single and multiple damage scenarios, so that the first conclusions can be extracted and applied to the other two experimental tests, which are designed to simulate a debonding condition on different structures. Once the performance of the impedance-based hierarchical clustering method is proven to be successful, it is then applied to the structural system studied in this dissertation, the RC structures externally strengthened with FRP strips, where the debonding failure in the interface between the FRP and the concrete is successfully detected and classified, proving thus the feasibility of this method. Finally, as an alternative to the previous approach, a continuous monitoring procedure of the FRP-Concrete interface is proposed, based on an FBGsensors Network permanently deployed within that interface. In this way, strain measurements can be obtained under controlled loading conditions, and then they are used in order to implement a multi-objective model updating method solved by a multi-objective expansion of the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The feasibility of this last proposal is investigated and successfully proven on both numerical and experimental RC beams strengthened with FRP.

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.

A multi-scale analysis of transforming agricultural markets in the context of globalization: implications for natural resources, food prices and rural poverty in Latin America

Vivimos una época en la que el mundo se transforma aceleradamente. La globalización está siguiendo un curso imparable, la población mundial así como la población urbana siguen creciendo, y en los países emergentes los ingresos promedios aumentan, resultando en un cambio también acelerado de las dietas y hábitos alimentarios. En conjunto esos factores están causando un aumento fundamental de la demanda de alimentos. Junto con la apertura de los mercados agrícolas, estos procesos han provocado un crecimiento del comercio internacional de alimentos durante la última década. Dado que muchos países de América Latina están dotados de abundancia de recursos naturales, estas tendencias han producido un crecimiento rápido de las exportaciones de bienes primarios desde América Latina al resto del mundo. En sólo 30 años la participación en el mercado agrícola de América Latina casi se ha duplicado, desde 10% en 1980 a 18% en 2010. Este aumento del comercio agrícola ha dado lugar a un debate sobre una serie de cuestiones cruciales relacionadas con los impactos del comercio en la seguridad alimentaria mundial, en el medio ambiente o en la reducción de la pobreza rural en países en desarrollo. Esta tesis aplica un marco integrado para analizar varios impactos relacionados con la transformación de los mercados agrícolas y los mercados rurales debidos a la globalización y, en particular, al progresivo aumento del comercio internacional. En concreto, la tesis aborda los siguientes temas: En primer lugar, la producción mundial de alimentos tendrá que aumentar considerablemente para poder satisfacer la demanda de una población mundial de 9000 millones personas en 2050, lo cual plantea grandes desafíos sobre los sistemas de la producción de alimentos. Alcanzar este logro, sin comprometer la integridad del medio ambiente en regiones exportadoras, es un reto aún mayor. En este contexto, la tesis analiza los efectos de la liberalización del comercio mundial, considerando distintas tecnologías de producción agraria, sobre unos indicadores de seguridad alimentaria en diferentes regiones del mundo y sobre distintos indicadores ambientales, teniendo en cuenta escalas diferentes en América Latina y el Caribe. La tesis utiliza el modelo “International Model for Policy Analysis of Agricultural Commodities and Trade (IMPACT)” – un modelo dinámico de equilibrio parcial del sector agrícola a escala global – para modelar la apertura de los mercados agrícolas así como diferentes escenarios de la producción hasta el año 2050. Los resultados del modelo están vinculados a modelos biofísicos para poder evaluar los cambios en la huella hídrica y la calidad del agua, así como para cuantificar los impactos del cambio en el uso del suelo sobre la biodiversidad y los stocks de carbono en 2050. Los resultados indican que la apertura de los mercados agrícolas es muy importante para mejorar la seguridad alimentaria a nivel mundial, sin embargo, produce también presiones ambientales indeseables en algunas regiones de América Latina. Contrastando dos escenarios que consideran distintas modos de producción, la expansión de la tierra agrícola frente a un escenario de la producción más intensiva, se demuestra que las mejoras de productividad son generalmente superiores a la expansión de las tierras agrícolas, desde un punto de vista económico e ambiental. En cambio, los escenarios de intensificación sostenible no sólo hacen posible una mayor producción de alimentos, sino que también generan menos impactos medioambientales que los otros escenarios futuros en todas sus dimensiones: biodiversidad, carbono, emisiones de nitratos y uso del agua. El análisis muestra que hay un “trade-off” entre el objetivo de alcanzar la sostenibilidad ambiental y el objetivo de la seguridad alimentaria, independiente del manejo agrícola en el futuro. En segundo lugar, a la luz de la reciente crisis de los precios de alimentos en los años 2007/08, la tesis analiza los impactos de la apertura de los mercados agrícolas en la transmisión de precios de los alimentos en seis países de América Latina: Argentina, Brasil, Chile, Colombia, México y el Perú. Para identificar las posibles relaciones de cointegración entre los índices de precios al consumidor de alimentos y los índices de precios de agrarios internacionales, sujetos a diferentes grados de apertura de mercados agrícolas en los seis países de América Latina, se utiliza un modelo simple de corrección de error (single equation error correction). Los resultados indican que la integración global de los mercados agrícolas ha dado lugar a diferentes tasas de transmisión de precios en los países investigados. Sobre todo en el corto plazo, las tasas de transmisión dependen del grado de apertura comercial, mientras que en el largo plazo las tasas de transmisión son elevadas, pero en gran medida independientes del régimen de comercio. Por lo tanto, durante un período de shocks de precios mundiales una mayor apertura del comercio trae consigo más inestabilidad de los precios domésticos a corto plazo y la resultante persistencia en el largo plazo. Sin embargo, estos resultados no verifican necesariamente la utilidad de las políticas comerciales, aplicadas frecuentemente por los gobiernos para amortiguar los shocks de precios. Primero, porque existe un riesgo considerable de volatilidad de los precios debido a cambios bruscos de la oferta nacional si se promueve la autosuficiencia en el país; y segundo, la política de proteccionismo asume el riesgo de excluir el país de participar en las cadenas de suministro de alto valor del sector agrícola, y por lo tanto esa política podría obstaculizar el desarrollo económico. Sin embargo, es indispensable establecer políticas efectivas para reducir la vulnerabilidad de los hogares a los aumentos repentinos de precios de alimentos, lo cual requiere una planificación gubernamental precisa con el presupuesto requerido disponible. En tercer lugar, la globalización afecta a la estructura de una economía y, por medios distintos, la distribución de los ingreso en un país. Perú sirve como ejemplo para investigar más profundamente las cuestiones relacionadas con los cambios en la distribución de los ingresos en zonas rurales. Perú, que es un país que está cada vez más integrado en los mercados mundiales, consiguió importantes descensos en la pobreza extrema en sus zonas rurales, pero a la vez adolece de alta incidencia de pobreza moderada y de desigualdad de los ingresos en zonas rural al menos durante el periodo comprendido entre 2004 y 2012. Esta parte de la tesis tiene como objetivo identificar las fuerzas impulsoras detrás de estas dinámicas en el Perú mediante el uso de un modelo de microsimulación basado en modelos de generación de ingresos aplicado a nivel los hogares rurales. Los resultados indican que la fuerza principal detrás de la reducción de la pobreza ha sido el crecimiento económico general de la economía, debido a las condiciones macroeconómicas favorables durante el periodo de estudio. Estos efectos de crecimiento beneficiaron a casi todos los sectores rurales, y dieron lugar a la disminución de la pobreza rural extrema, especialmente entre los agricultores de papas y de maíz. En parte, estos agricultores probablemente se beneficiaron de la apertura de los mercados agrícolas, que es lo que podría haber provocado un aumento de los precios al productor en tiempos de altos precios mundiales de los alimentos. Sin embargo, los resultados también sugieren que para una gran parte de la población más pobre existían barreras de entrada a la hora de poder participar en el empleo asalariado fuera de la agricultura o en la producción de cultivos de alto valor. Esto podría explicarse por la falta de acceso a unos activos importantes: por ejemplo, el nivel de educación de los pobres era apenas mejor en 2012 que en 2004; y también las dotaciones de tierra y de mano de obra, sobre todo de los productores pobres de maíz y patata, disminuyeron entre 2004 y 2012. Esto lleva a la conclusión de que aún hay margen para aplicar políticas para facilitar el acceso a estos activos, que podría contribuir a la erradicación de la pobreza rural. La tesis concluye que el comercio agrícola puede ser un importante medio para abastecer una población mundial creciente y más rica con una cantidad suficiente de calorías. Para evitar adversos efectos ambientales e impactos negativos para los consumidores y de los productores pobres, el enfoque debe centrarse en las mejoras de la productividad agrícola, teniendo en cuenta los límites ambientales y ser socialmente inclusivo. En este sentido, será indispensable seguir desarrollando soluciones tecnológicas que garanticen prácticas de producción agrícola minimizando el uso de recursos naturales. Además, para los pequeños pobres agricultores será fundamental eliminar las barreras de entrada a los mercados de exportación que podría tener efectos indirectos favorables a través de la adopción de nuevas tecnologías alcanzables a través de mercados internacionales. ABSTRACT The world is in a state of rapid transition. Ongoing globalization, population growth, rising living standards and increasing urbanization, accompanied by changing dietary patterns throughout the world, are increasing the demand for food. Together with more open trade regimes, this has triggered growing international agricultural trade during the last decade. For many Latin American countries, which are gifted with relative natural resource abundance, these trends have fueled rapid export growth of primary goods. In just 30 years, the Latin American agricultural market share has almost doubled from 10% in 1980 to 18% in 2010. These market developments have given rise to a debate around a number of crucial issues related to the role of agricultural trade for global food security, for the environment or for poverty reduction in developing countries. This thesis uses an integrated framework to analyze a broad array of possible impacts related to transforming agricultural and rural markets in light of globalization, and in particular of increasing trade activity. Specifically, the following issues are approached: First, global food production will have to rise substantially by the year 2050 to meet effective demand of a nine billion people world population which poses major challenges to food production systems. Doing so without compromising environmental integrity in exporting regions is an even greater challenge. In this context, the thesis explores the effects of future global trade liberalization on food security indicators in different world regions and on a variety of environmental indicators at different scales in Latin America and the Caribbean, in due consideration of different future agricultural production practices. The International Model for Policy Analysis of Agricultural Commodities and Trade (IMPACT) –a global dynamic partial equilibrium model of the agricultural sector developed by the International Food Policy Research Institute (IFPRI)– is applied to run different future production scenarios, and agricultural trade regimes out to 2050. Model results are linked to biophysical models, used to assess changes in water footprints and water quality, as well as impacts on biodiversity and carbon stocks from land use change by 2050. Results indicate that further trade liberalization is crucial for improving food security globally, but that it would also lead to more environmental pressures in some regions across Latin America. Contrasting land expansion versus more intensified agriculture shows that productivity improvements are generally superior to agricultural land expansion, from an economic and environmental point of view. Most promising for achieving food security and environmental goals, in equal measure, is the sustainable intensification scenario. However, the analysis shows that there are trade-offs between environmental and food security goals for all agricultural development paths. Second, in light of the recent food price crisis of 2007/08, the thesis looks at the impacts of increasing agricultural market integration on food price transmission from global to domestic markets in six Latin American countries, namely Argentina, Brazil, Chile, Colombia, Mexico and Peru. To identify possible cointegrating relationships between the domestic food consumer price indices and world food price levels, subject to different degrees of agricultural market integration in the six Latin American countries, a single equation error correction model is used. Results suggest that global agricultural market integration has led to different levels of price path-through in the studied countries. Especially in the short-run, transmission rates depend on the degree of trade openness, while in the long-run transmission rates are high, but largely independent of the country-specific trade regime. Hence, under world price shocks more trade openness brings with it more price instability in the short-term and the resulting persistence in the long-term. However, these findings do not necessarily verify the usefulness of trade policies, often applied by governments to buffer such price shocks. First, because there is a considerable risk of price volatility due to domestic supply shocks if self-sufficiency is promoted. Second, protectionism bears the risk of excluding a country from participating in beneficial high-value agricultural supply chains, thereby hampering economic development. Nevertheless, to reduce households’ vulnerability to sudden and large increases of food prices, effective policies to buffer food price shocks should be put in place, but must be carefully planned with the required budget readily available. Third, globalization affects the structure of an economy and, by different means, the distribution of income in a country. Peru serves as an example to dive deeper into questions related to changes in the income distribution in rural areas. Peru, a country being increasingly integrated into global food markets, experienced large drops in extreme rural poverty, but persistently high rates of moderate rural poverty and rural income inequality between 2004 and 2012. The thesis aims at disentangling the driving forces behind these dynamics by using a microsimulation model based on rural household income generation models. Results provide evidence that the main force behind poverty reduction was overall economic growth of the economy due to generally favorable macroeconomic market conditions. These growth effects benefited almost all rural sectors, and led to declines in extreme rural poverty, especially among potato and maize farmers. In part, these farmers probably benefited from policy changes towards more open trade regimes and the resulting higher producer prices in times of elevated global food price levels. However, the results also suggest that entry barriers existed for the poorer part of the population to participate in well-paid wage-employment outside of agriculture or in high-value crop production. This could be explained by a lack of sufficient access to important rural assets. For example, poor people’s educational attainment was hardly better in 2012 than in 2004. Also land and labor endowments, especially of (poor) maize and potato growers, rather decreased than increased over time. This leads to the conclusion that there is still scope for policy action to facilitate access to these assets, which could contribute to the eradication of rural poverty. The thesis concludes that agricultural trade can be one important means to provide a growing and richer world population with sufficient amounts of calories. To avoid adverse environmental effects and negative impacts for poor food consumers and producers, the focus should lie on agricultural productivity improvements, considering environmental limits and be socially inclusive. In this sense, it will be crucial to further develop technological solutions that guarantee resource-sparing agricultural production practices, and to remove entry barriers for small poor farmers to export markets which might allow for technological spill-over effects from high-value global agricultural supply chains.

Simulation of thermal performance of glazing in architecture using scale models = Simulación del comportamiento térmico de los acristalamientos en la arquitectura mediante modelos a escala

El propósito de esta tesis es estudiar la aproximación a los fenómenos de transporte térmico en edificación acristalada a través de sus réplicas a escala. La tarea central de esta tesis es, por lo tanto, la comparación del comportamiento térmico de modelos a escala con el correspondiente comportamiento térmico del prototipo a escala real. Los datos principales de comparación entre modelo y prototipo serán las temperaturas. En el primer capítulo del Estado del Arte de esta tesis se hará un recorrido histórico por los usos de los modelos a escala desde la antigüedad hasta nuestro días. Dentro de éste, en el Estado de la Técnica, se expondrán los beneficios que tiene su empleo y las dificultades que conllevan. A continuación, en el Estado de la Investigación de los modelos a escala, se analizarán artículos científicos y tesis. Precisamente, nos centraremos en aquellos modelos a escala que son funcionales. Los modelos a escala funcionales son modelos a escala que replican, además, una o algunas de las funciones de sus prototipos. Los modelos a escala pueden estar distorsionados o no. Los modelos a escala distorsionados son aquellos con cambios intencionados en las dimensiones o en las características constructivas para la obtención de una respuesta específica por ejemplo, replicar el comportamiento térmico. Los modelos a escala sin distorsión, o no distorsionados, son aquellos que mantienen, en la medida de lo posible, las proporciones dimensionales y características constructivas de sus prototipos de referencia. Estos modelos a escala funcionales y no distorsionados son especialmente útiles para los arquitectos ya que permiten a la vez ser empleados como elementos funcionales de análisis y como elementos de toma de decisiones en el diseño constructivo. A pesar de su versatilidad, en general, se observará que se han utilizado muy poco estos modelos a escala funcionales sin distorsión para el estudio del comportamiento térmico de la edificación. Posteriormente, se expondrán las teorías para el análisis de los datos térmicos recogidos de los modelos a escala y su aplicabilidad a los correspondientes prototipos a escala real. Se explicarán los experimentos llevados a cabo, tanto en laboratorio como a intemperie. Se han realizado experimentos con modelos sencillos cúbicos a diferentes escalas y sometidos a las mismas condiciones ambientales. De estos modelos sencillos hemos dado el salto a un modelo reducido de una edificación acristalada relativamente sencilla. Los experimentos consisten en ensayos simultáneos a intemperie del prototipo a escala real y su modelo reducido del Taller de Prototipos de la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Madrid (ETSAM). Para el análisis de los datos experimentales hemos aplicado las teorías conocidas, tanto comparaciones directas como el empleo del análisis dimensional. Finalmente, las simulaciones nos permiten comparaciones flexibles con los datos experimentales, por ese motivo, hemos utilizado tanto programas comerciales como un algoritmo de simulación desarrollado ad hoc para esta investigación. Finalmente, exponemos la discusión y las conclusiones de esta investigación. Abstract The purpose of this thesis is to study the approximation to phenomena of heat transfer in glazed buildings through their scale replicas. The central task of this thesis is, therefore, the comparison of the thermal performance of scale models without distortion with the corresponding thermal performance of their full-scale prototypes. Indoor air temperatures of the scale model and the corresponding prototype are the data to be compared. In the first chapter on the State of the Art, it will be shown a broad vision, consisting of a historic review of uses of scale models, from antiquity to our days. In the section State of the Technique, the benefits and difficulties associated with their implementation are presented. Additionally, in the section State of the Research, current scientific papers and theses on scale models are reviewed. Specifically, we focus on functional scale models. Functional scale models are scale models that replicate, additionally, one or some of the functions of their corresponding prototypes. Scale models can be distorted or not. Scale models with distortion are considered scale models with intentional changes, on one hand, in dimensions scaled unevenly and, on the other hand, in constructive characteristics or materials, in order to get a specific performance for instance, a specific thermal performance. Consequently, scale models without distortion, or undistorted scale models scaled evenly, are those replicating, to the extent possible, without distortion, the dimensional proportions and constructive configurations of their prototypes of reference. These undistorted and functional scale models are especially useful for architects because they can be used, simultaneously, as functional elements of analysis and as decision-making elements during the design. Although they are versatile, in general, it is remarkable that these types of models are used very little for the study of the thermal performance of buildings. Subsequently, the theories related to the analysis of the experimental thermal data collected from the scale models and their applicability to the corresponding full-scale prototypes, will be explained. Thereafter, the experiments in laboratory and at outdoor conditions are detailed. Firstly, experiments carried out with simple cube models at different scales are explained. The prototype larger in size and the corresponding undistorted scale model have been subjected to same environmental conditions in every experimental test. Secondly, a step forward is taken carrying out some simultaneous experimental tests of an undistorted scale model, replica of a relatively simple lightweight and glazed building construction. This experiment consists of monitoring the undistorted scale model of the prototype workshop located in the School of Architecture (ETSAM) of the Technical University of Madrid (UPM). For the analysis of experimental data, known related theories and resources are applied, such as, direct comparisons, statistical analyses, Dimensional Analysis and last, but not least important, simulations. Simulations allow us, specifically, flexible comparisons with experimental data. Here, apart the use of the simulation software EnergyPlus, a simulation algorithm is developed ad hoc for this research. Finally, the discussion and conclusions of this research are exposed.

La estética de la deformación en la era de la cultura de masas : un proyecto de Alison y Peter Smithson

Alison Margaret Gill y Peter Denham Smithson son, o eran, ambos murieron hace ya algunos años, dos arquitectos. Así dicho, esto suena a obviedad. Sin embargo no lo es, porque siempre han sido compactados en una unidad proyectual, bien bajo las siglas Alison y Peter Smithson, o bien, más puntualmente todavía, como los Smithson. Cuando Leibniz en 1696 le dice a la princesa electora Sofía que en algo tan puntual y homogéneo aparentemente como una gota de agua, vista al microscopio, resulta haber más de un millón de animales vivos, se puede empezar a vislumbrar el resultado de la Tesis. El resultado de este trabajo no se contempla un millón de partículas pero sí dos. La obra de Alison y Peter Smithson esta conformada desde su inicio probablemente por la particularidad de que en ella intervienen tanto Gill como Smithson, aunque cada uno sea en mayor o menor medida la o el responsable de un proyecto. Puesto al microscopio el proyecto del que se ocupa la Tesis, el concurso de 1953 para la ampliación de la Universidad de Sheffield, se estima que está compuesto de dos partes diferentes y que como Los Smithson o como una gota de agua, su unidad es una mera convención, una forma de designarlo y tratarlo, que falsea en algo su apreciación, aunque, como se verá, es lo que provoca el extraño efecto que como imagen ejerce. El Capítulo I descubre la duplicidad. Reyner Banham fijó en 1955, en el artículo The New Brutalism, el modo de encarar el proyecto de Sheffield cuando proyectó sobre él lo más novedoso que en el campo de la pintura ocurría en ese momento, el Art Autre. Michel Tapié ve en el informalismo presente en las obras que él engloba como un <> rasgos que puede presentar a la luz de conceptos que extrae de Riemann, matemático del s. XIX, introductor de una nueva geometría. La Tesis remonta por tanto hasta Riemann, a la búsqueda del concepto del que penden tanto Tapié como Banham. El concepto es la variedad continua; un conjunto, cuyos elementos pueden recorrer la extensión de la variedad mediante una deformación continua, como si dijéramos, diluyéndose unos en otros sin cortes entre sí. Los ejemplos del informalismo serían, por tanto, los puntos de la variedad, formas inestables o detenciones aleatorias en este transitar continuo de un mismo objeto. La visión de cuerpos en cortes aleatorios a la evolución otorga a sus formas cualesquiera la condición de extrañeza o perturbación, produciendo un impacto en la mente que lo graba instintivamente en la materia de la memoria. Así, es la memorabilidad, dada precisamente por el impacto que supone ver cuerpos en estado evolutivo, sin una forma precisa, la propiedad que gobierna a los objetos que caen bajo el Art Autre, y es la memorabilidad el rasgo distintivo de Sheffield para Banham. Este sentido evolutivo que se puede asociar a los elementos de una variedad entra en consonancia con una variedad de estados en evolución en el marco de las especies orgánicas. No sólo como individuo sino también como especie. La coincidencia no sólo es formal, también es temporal entre el descubrimiento de Riemann de la variedad continua y el de Darwin de la evolución de las especies. Ve Darwin que algunos ejemplares presentan en su cuerpo conformaciones normales de especies diferentes, que puede entenderse como una anormalidad o defecto evolutivo, lo que él llama <>. Un ejemplar monstruoso no es capaz de abrir una escisión de la variedad y en este sentido rompe su cadena evolutiva. Es un elemento, por tanto extraño a la variedad. Lo peculiar que expone Darwin, es que la monstruosidad puede ser provocada artificialmente por motivos estéticos, como ocurre en determinados animales o plantas ornamentales. Bien, esto es exactamente lo que descubre la Tesis en el proyecto de Sheffield. La unión en un solo proyecto de dos conformaciones de naturaleza diferente. El Capítulo II indaga en la naturaleza dual de Sheffield. Y la descubre en la aplicación de dos principios que tienen múltiples derivas, pero interesante en una en particular, referida al espacio. Uno es el Principio de Posición. Bajo él se contempla la situación del concurso dada en su globalidad, en una visión totalizadora que permite buscar y destacar posiciones singulares y tener un control preciso del proyecto desde el inicio. Se dice que es la opción normal en arquitectura comprender el espacio en su conjunto y que el trazado de ejes y el reparto del espacio obedecen a este principio. Son así vistos la propuesta ganadora del equipo GMW y fundamentalmente el trazado de ejes en la obra de Le Corbusier. Una parte de Sheffield es un producto típico de este modo de proceder. Hay un segundo principio que es el Principio de Transición Continua. En los términos expuestos para la variedad de Riemann, sería como si en lugar de ver cuerpos en estados concretos, por deformados que pudieran ser, nos introdujéramos dentro de la propia variedad acoplándonos al curso de la evolución misma, en un acto de unión interior con la marcha de la evolución. Para ejercer esta acción se toma como punto inicial el extremo del edificio universitario existente, el Firth Court, y se lleva cabo un estiramiento continuo. En esto radica lo que la Tesis distingue como la ampliación, el cuerpo que se enrosca paulatinamente. Para exponer este concepto, la Tesis se apoya en un ejercicio llevado a cabo por Raymond Unwin en Hampstead, el close, o estiramiento lateral del borde de un viario para hacer surgir el espacio útil residencial. A partir del concepto de close, se deriva en la urbanística americana de principios del s. XX el concepto de cluster, que pasa a ser uno de los argumentos principales de la teoría de Alison y de Peter Smithson en los años 50. El Capítulo III plantea la dificultad de mantener la dualidad de Sheffield a primeros de los 50, sometido el proyecto de arquitectura a la unicidad que impone el criterio hegemónico de Rudolf Wittkower desde “Los Fundamentos de la Arquitectura en la Edad del Humanismo”. Como en el Capítulo I, la obligación que se traza la Tesis es remontar los orígenes de las cosas que se tratan, y en este caso, entrar en las fuentes del principio proporcional. Se descubren así los fundamentos de la proporción aritmética y geométrica en el seno del pitagorismo, sus problemas y su evolución. La postura de los dos arquitectos frente a Wittkower es de admiración, pero también de libertad. Esta libertad suya es la que defiende la Tesis. Cotejando lo que da de sí la arquitectura basada en los principios proporcionales con otra arquitectura estancada en el paso del Renacimiento al Barroco como es la arquitectura perspectiva y proyectiva, la arquitectura oblicua, recuperada a la sazón por medio de la intervención en la Tesis de Panofsky, se dirimen aspectos colaterales pero fundamentales de una renovación de los planteamientos: hay planteamientos que se dicen esencialistas y objetivos y otros funcionales y que derivan en subjetivos y relacionales. Sobre estas dos marcos de categorías el propósito que persigue la Tesis es dar cuenta de los dos principios que rigen lo visto en el Capítulo II, el Principio de Posición y el Principio de Transición Continua, responsables ambos, al 50%, de la monstruosidad detectada en Sheffield, que no es negativa, sino, como decía Darwin, la combinación en un solo cuerpo de conformaciones normales en animales de especies diferentes, incluso con fines estéticos. En Sheffield existe, y esta dibujada, la figura de una cabeza escultural con un doble rostro. Todo el trabajo de la Tesis se encamina, en definitiva, a explicar, con toda la claridad y extensión que me ha sido posible, en qué consiste ese doble rostro. ABSTRACT Peter and Alison Smithson’s work is, is from its start, very influenced by both Alison Margaret Gill and Peter Denham Smithson. The matter of study of this Thesis, the 1953 competition for the expansion of the University of Sheffield, estimated after its exam, which is composed by two different parts, which, together produce a strange effect as an image. Reyner Banham in 1955 described the image in his article “The New Brutalism” as the key argument (most iconic) for the Sheffield’s project. The way his image powerfully influences sensitivity, by perturbation, makes this a singular and memorable image. This feature, only present in Sheffield, over any other building of the time, even from the same architects, allow Banham to associate the project to Art Autre, thought by Michel Tapié as a new artistic movement, to which Sheffield will belong, in the architecture part. Tapié sees in the informalism of works considered Art Autre some aspects that can bring concepts he extracts from Riemann, XIX Century mathematician, father of the new geometry. This Thesis discovers Riemann’s concept of continuous variety, a set whose elements are able to go through variety by a continuous deformation, diluting themselves without touching each other. Examples of informalism would be, points of that variety, unstable forms or random detentions in the continuous transit of the same object. Therefore, the condition of memorability comes precisely from the impact that seeing bodies in state of evolution creates. That evolutive sense that can be associated to elements of a variety, comes together with a variety of states of evolution in the world of organic species. Not only as an individual, but as well as a species. Coincidence between Riemann and Darwin’s discoveries is not only formal, but as well temporary. Darwin observes that some individuals of concrete species present on their bodies some features, typical of other species, which may be interpreted as evolutive failure. But the most peculiar part of what Darwin exposes is that monstrosity can indeed be artificially made for aesthetical purposes, like it happens in certain animals and plants. Well, this is what the Thesis discovers in Sheffield’s project. The union in a single project of two different nature forms, of which none on the parts is a deformation of the other, but they are both irreducible. Once both parts are collated, a new system which adapts well is discovered. It is a system created by Leibniz in the XVII Century, created to distinguish to principles that clear the difference between the equation methods and differential calculus. This principles are the Principle of Position and the Principle of Continuity. This two principles, translated to the spatial analysis field are key for the two parts of the project. On the one hand, the part developing in a lineal axis belongs to the Principle of Position. This means that that there is a global vision of space after which it is decided which operation to follow, which in this case consists of establishing an axis between two singular positions of the university area. The part which is being deformed while it goes is studied as a continuous action of stretching an existing building, the Firth Court, in which there is no previous spatial analysis. The only way to understand and to explain this action is by the Principle of Continuity. So, all in all, the Thesis changes the view of Sheffield from an Art Autre work to a “monstrosity”, without the negative meaning of it, just as a combination of two different nature formations, which, at the same time, justifies its power as iconic image. Finally, I would like to point out that in the Sheffield’s project there is (drawn and also physically) a sculptural head which has the feature of representing both, a man and a woman’s face. All the work of this Thesis leads to explaining the double nature of the project, taking this double expression head as inspiration.

Efeito do laser de baixa intensidade no procedimento de expansão rápida da maxila

A proposta do presente estudo foi avaliar os efeitos do laser de baixa intensidade na regeneração óssea no procedimento de expansão rápida da maxila. Utilizou-se 27 indivíduos com média de idade de 10,2 anos, divididos em dois grupos: grupo laser (n=14), no qual se realizou a expansão rápida da maxila, associada ao laser e grupo sem laser (n=13), que realizou somente a expansão rápida da maxila. O protocolo de ativação do parafuso expansor foi de 1 volta completa no primeiro dia e ½ volta diária até a sobrecorreção. O laser utilizado foi o de diodo (TWIN Laser MMOptics®, São Carlos), seguindo o protocolo de aplicação: comprimento de onda de 780nm, potência de 40mW, densidade de 10J/cm2, em 10 pontos localizados ao redor da sutura palatina mediana. Os estágios de aplicação foram: L1 (do primeiro ao quinto dia de aplicação), L2 (travamento do parafuso e 3 dias seguidos), L3, L4 e L5 (após 7, 14 e 21 dias do L2, respectivamente). Radiografias oclusais da maxila foram realizadas com auxílio de uma escala de alumínio, para referencial densitométrico, em diferentes tempos: T1 (inicial), T2 (dia de travamento do parafuso), T3 (3 a 5 dias do T2), T4 (30 dias do T3), T5 (60 dias do T4). As radiografias foram digitalizadas e submetidas a um programa de imagem (Image Tool - UTHSCSA, Texas, USA), para mensuração da densidade óptica das áreas previamente selecionadas. Para realização do teste estatístico, utilizou-se a Análise de Covariância usando como covariável o tempo para a fase avaliada. Em todos os testes foi adotado nível de significância de 5% (p<0,05).Para o Grupo Laser, os dados mostram que houve uma queda significante de densidade durante a abertura do parafuso (T2-T1), um aumento significante da mesma no período final de avaliação (T5-T4), e um aumento também da densidade no período de regeneração propriamente dito (T5-T2), ou seja, a partir do momento em que finalizou a fase de abertura do parafuso expansor. Enquanto que no Grupo Sem Laser, a densidade não mostrou diferença estatisticamente significantemente em nenhum período analisado. Os resultados mostraram que o laser propiciou consideravelmente uma melhor abertura da sutura palatina mediana, além de influenciar no processo de regeneração óssea da sutura, acelerando seus processos de reparo.(AU)

Efeito do laser de baixa intensidade no procedimento de expansão rápida da maxila

A proposta do presente estudo foi avaliar os efeitos do laser de baixa intensidade na regeneração óssea no procedimento de expansão rápida da maxila. Utilizou-se 27 indivíduos com média de idade de 10,2 anos, divididos em dois grupos: grupo laser (n=14), no qual se realizou a expansão rápida da maxila, associada ao laser e grupo sem laser (n=13), que realizou somente a expansão rápida da maxila. O protocolo de ativação do parafuso expansor foi de 1 volta completa no primeiro dia e ½ volta diária até a sobrecorreção. O laser utilizado foi o de diodo (TWIN Laser MMOptics®, São Carlos), seguindo o protocolo de aplicação: comprimento de onda de 780nm, potência de 40mW, densidade de 10J/cm2, em 10 pontos localizados ao redor da sutura palatina mediana. Os estágios de aplicação foram: L1 (do primeiro ao quinto dia de aplicação), L2 (travamento do parafuso e 3 dias seguidos), L3, L4 e L5 (após 7, 14 e 21 dias do L2, respectivamente). Radiografias oclusais da maxila foram realizadas com auxílio de uma escala de alumínio, para referencial densitométrico, em diferentes tempos: T1 (inicial), T2 (dia de travamento do parafuso), T3 (3 a 5 dias do T2), T4 (30 dias do T3), T5 (60 dias do T4). As radiografias foram digitalizadas e submetidas a um programa de imagem (Image Tool - UTHSCSA, Texas, USA), para mensuração da densidade óptica das áreas previamente selecionadas. Para realização do teste estatístico, utilizou-se a Análise de Covariância usando como covariável o tempo para a fase avaliada. Em todos os testes foi adotado nível de significância de 5% (p<0,05).Para o Grupo Laser, os dados mostram que houve uma queda significante de densidade durante a abertura do parafuso (T2-T1), um aumento significante da mesma no período final de avaliação (T5-T4), e um aumento também da densidade no período de regeneração propriamente dito (T5-T2), ou seja, a partir do momento em que finalizou a fase de abertura do parafuso expansor. Enquanto que no Grupo Sem Laser, a densidade não mostrou diferença estatisticamente significantemente em nenhum período analisado. Os resultados mostraram que o laser propiciou consideravelmente uma melhor abertura da sutura palatina mediana, além de influenciar no processo de regeneração óssea da sutura, acelerando seus processos de reparo.(AU)

Intracerebral tumor-associated hemorrhage caused by overexpression of the vascular endothelial growth factor isoforms VEGF121 and VEGF165 but not VEGF189

The vascular endothelial growth factor (VEGF) has been shown to be a significant mediator of angiogenesis during a variety of normal and pathological processes, including tumor development. Human U87MG glioblastoma cells express the three VEGF isoforms: VEGF121, VEGF165, and VEGF189. Here, we have investigated whether these three isoforms have distinct roles in glioblastoma angiogenesis. Clones that overexpressed each isoform were derived and inoculated into mouse brains. Mice that received VEGF121- and VEGF165-overexpressing cells developed intracerebral hemorrhages after 60–90 hr. In contrast, mice implanted with VEGF189-overexpressing cells had only slightly larger tumors than those caused by parental cells and little evidence of hemorrhage at these early times after implantation, whereas, after longer periods of growth, enhanced angiogenicity and tumorigenicity were apparent. There was rapid blood vessel growth and breakdown around the tumors caused by cells overexpressing VEGF121 and VEGF165, whereas there was similar vascularization but no eruption in the vicinity of those tumors caused by cells overexpressing VEGF189, and none on the border of the tumors caused by the parental cells. Thus, by introducing VEGF-overexpressing glioblastoma cells into the brain, we have established a reproducible and predictable in vivo model of tumor-associated intracerebral hemorrhage caused by the enhanced expression of single molecular species. Such a model should be useful for uncovering the role of VEGF isoforms in the mechanisms of angiogenesis and for investigating intracerebral hemorrhage due to ischemic stroke or congenital malformations.

Multiple-complete-digest restriction fragment mapping: Generating sequence-ready maps for large-scale DNA sequencing

Multiple-complete-digest mapping is a DNA mapping technique based on complete-restriction-digest fingerprints of a set of clones that provides highly redundant coverage of the mapping target. The maps assembled from these fingerprints order both the clones and the restriction fragments. Maps are coordinated across three enzymes in the examples presented. Starting with yeast artificial chromosome contigs from the 7q31.3 and 7p14 regions of the human genome, we have produced cosmid-based maps spanning more than one million base pairs. Each yeast artificial chromosome is first subcloned into cosmids at a redundancy of ×15–30. Complete-digest fragments are electrophoresed on agarose gels, poststained, and imaged on a fluorescent scanner. Aberrant clones that are not representative of the underlying genome are rejected in the map construction process. Almost every restriction fragment is ordered, allowing selection of minimal tiling paths with clone-to-clone overlaps of only a few thousand base pairs. These maps demonstrate the practicality of applying the experimental and software-based steps in multiple-complete-digest mapping to a target of significant size and complexity. We present evidence that the maps are sufficiently accurate to validate both the clones selected for sequencing and the sequence assemblies obtained once these clones have been sequenced by a “shotgun” method.

Large-scale protein structure modeling of the Saccharomyces cerevisiae genome

The function of a protein generally is determined by its three-dimensional (3D) structure. Thus, it would be useful to know the 3D structure of the thousands of protein sequences that are emerging from the many genome projects. To this end, fold assignment, comparative protein structure modeling, and model evaluation were automated completely. As an illustration, the method was applied to the proteins in the Saccharomyces cerevisiae (baker’s yeast) genome. It resulted in all-atom 3D models for substantial segments of 1,071 (17%) of the yeast proteins, only 40 of which have had their 3D structure determined experimentally. Of the 1,071 modeled yeast proteins, 236 were related clearly to a protein of known structure for the first time; 41 of these previously have not been characterized at all.

An approach to probe some neural systems interaction by functional MRI at neural time scale down to milliseconds

In this paper, we demonstrate an approach by which some evoked neuronal events can be probed by functional MRI (fMRI) signal with temporal resolution at the time scale of tens of milliseconds. The approach is based on the close relationship between neuronal electrical events and fMRI signal that is experimentally demonstrated in concurrent fMRI and electroencephalographic (EEG) studies conducted in a rat model with forepaw electrical stimulation. We observed a refractory period of neuronal origin in a two-stimuli paradigm: the first stimulation pulse suppressed the evoked activity in both EEG and fMRI signal responding to the subsequent stimulus for a period of several hundred milliseconds. When there was an apparent site–site interaction detected in the evoked EEG signal induced by two stimuli that were primarily targeted to activate two different sites in the brain, fMRI also displayed signal amplitude modulation because of the interactive event. With visual stimulation using two short pulses in the human brain, a similar refractory phenomenon was observed in activated fMRI signals in the primary visual cortex. In addition, for interstimulus intervals shorter than the known latency time of the evoked potential induced by the first stimulus (≈100 ms) in the primary visual cortex of the human brain, the suppression was not present. Thus, by controlling the temporal relation of input tasks, it is possible to study temporal evolution of certain neural events at the time scale of their evoked electrical activity by noninvasive fMRI methodology.

A large-scale overexpression screen in Saccharomyces cerevisiae identifies previously uncharacterized cell cycle genes

We have undertaken an extensive screen to identify Saccharomyces cerevisiae genes whose products are involved in cell cycle progression. We report the identification of 113 genes, including 19 hypothetical ORFs, which confer arrest or delay in specific compartments of the cell cycle when overexpressed. The collection of genes identified by this screen overlaps with those identified in loss-of-function cdc screens but also includes genes whose products have not previously been implicated in cell cycle control. Through analysis of strains lacking these hypothetical ORFs, we have identified a variety of new CDC and checkpoint genes.

Large-scale isolation of candidate virulence genes of Pseudomonas aeruginosa by in vivo selection.

Pseudomonas aeruginosa, an opportunistic human pathogen, is a major causative agent of mortality and morbidity in immunocompromised patients and those with cystic fibrosis genetic disease. To identify new virulence genes of P. aeruginosa, a selection system was developed based on the in vivo expression technology (IVET) that was first reported in Salmonella system. An adenine-requiring auxotrophic mutant strain of P. aeruginosa was isolated and found avirulent on neutropenic mice. A DNA fragment that can complement the mutant strain, containing purEK operon that is required for de novo biosynthesis of purine, was sequenced and used in the IVET vector construction. By applying the IVET selection system to a neutropenic mouse infection model, genetic loci that are specifically induced in vivo were identified. Twenty-two such loci were partially sequenced and analyzed. One of them was a well-studied virulence factor, pyochelin receptor (FptA), that is involved in iron acquisition. Fifteen showed significant homology to reported sequences in GenBank, while the remaining six did not. One locus, designated np20, encodes an open reading frame that shares amino acid sequence homology to transcriptional regulators, especially to the ferric uptake regulator (Fur) proteins of other bacteria. An insertional np20 null mutant strain of P. aeruginosa did not show a growth defect on laboratory media; however, its virulence on neutropenic mice was significantly reduced compared with that of a wild-type parent strain, demonstrating the importance of the np20 locus in the bacterial virulence. The successful isolation of genetic loci that affect bacterial virulence demonstrates the utility of the IVET system in identification of new virulence genes of P. aeruginosa.

Lesion-induced reorganization in the brainstem is not completely expressed in somatosensory cortex.

Electrophysiological and neuroanatomical methods were used to determine the extent to which neonatal forelimb removal altered the organization of the cuneate nucleus and representations of the fore- and hindlimbs in the primary somatosensory cortex of adult rats. Neonatal forelimb removal resulted in invasion of the cuneate nucleus by sciatic nerve primary afferents and development of cuneothalamic projection neurons with split receptive fields that included both the hindlimb and forelimb stump. Mapping in the primary somatosensory cortex of the neonatally manipulated adult rats demonstrated abnormalities, but the major change observed in the cuneate nucleus was demonstrable at only a few (5%) cortical recording sites in the remaining stump representation and there were none at all in the hindlimb representation. These results suggest that lesion-induced brainstem reorganization may be functionally suppressed at either the thalamic or cortical level.

Kink stability, propagation, and length-scale competition in the periodically modulated sine-gordon equation

We have examined the dynamical behavior of the kink solutions of the one-dimensional sine-Gordon equation in the presence of a spatially periodic parametric perturbation. Our study clarifies and extends the currently available knowledge on this and related nonlinear problems in four directions. First, we present the results of a numerical simulation program that are not compatible with the existence of a radiative threshold predicted by earlier calculations. Second, we carry out a perturbative calculation that helps interpret those previous predictions, enabling us to understand in depth our numerical results. Third, we apply the collective coordinate formalism to this system and demonstrate numerically that it reproduces accurately the observed kink dynamics. Fourth, we report on the occurrence of length-scale competition in this system and show how it can be understood by means of linear stability analysis. Finally, we conclude by summarizing the general physical framework that arises from our study.