A model of the olfactory bulb and beyond

The olfactory bulb of mammals aids in the discrimination of odors. A mathematical model based on the bulbar anatomy and electrophysiology is described. Simulations of the highly non-linear model produce a 35-60 Hz modulated activity, which is coherent across the bulb. The decision states (for the odor information) in this system can be thought of as stable cycles, rather than as point stable states typical of simpler neuro-computing models. Analysis shows that a group of coupled non-linear oscillators are responsible for the oscillatory activities. The output oscillation pattern of the bulb is determined by the odor input. The model provides a framework in which to understand the transformation between odor input and bulbar output to the olfactory cortex. This model can also be extended to other brain areas such as the hippocampus, thalamus, and neocortex, which show oscillatory neural activities. There is significant correspondence between the model behavior and observed electrophysiology.

It has also been suggested that the olfactory bulb, the first processing center after the sensory cells in the olfactory pathway, plays a role in olfactory adaptation, odor sensitivity enhancement by motivation, and other olfactory psychophysical phenomena. The input from the higher olfactory centers to the inhibitory cells in the bulb are shown to be able to modulate the response, and thus the sensitivity, of the bulb to odor input. It follows that the bulb can decrease its sensitivity to a pre-existing and detected odor (adaptation) while remaining sensitive to new odors, or can increase its sensitivity to discover interesting new odors. Other olfactory psychophysical phenomena such as cross-adaptation are also discussed.

Community sense and response systems

The proliferation of smartphones and other internet-enabled, sensor-equipped consumer devices enables us to sense and act upon the physical environment in unprecedented ways. This thesis considers Community Sense-and-Response (CSR) systems, a new class of web application for acting on sensory data gathered from participants' personal smart devices. The thesis describes how rare events can be reliably detected using a decentralized anomaly detection architecture that performs client-side anomaly detection and server-side event detection. After analyzing this decentralized anomaly detection approach, the thesis describes how weak but spatially structured events can be detected, despite significant noise, when the events have a sparse representation in an alternative basis. Finally, the thesis describes how the statistical models needed for client-side anomaly detection may be learned efficiently, using limited space, via coresets.

The Caltech Community Seismic Network (CSN) is a prototypical example of a CSR system that harnesses accelerometers in volunteers' smartphones and consumer electronics. Using CSN, this thesis presents the systems and algorithmic techniques to design, build and evaluate a scalable network for real-time awareness of spatial phenomena such as dangerous earthquakes.

How resources control aggression in Drosophila

How animals use sensory information to weigh the risks vs. benefits of behavioral decisions remains poorly understood. Inter-male aggression is triggered when animals perceive both the presence of an appetitive resource, such as food or females, and of competing conspecific males. How such signals are detected and integrated to control the decision to fight is not clear. Here we use the vinegar fly, Drosophila melanogaster, to investigate the manner in which food and females promotes aggression.

In the first chapter, we explore how food controls aggression. As in many other species, food promotes aggression in flies, but it is not clear whether food increases aggression per se, or whether aggression is a secondary consequence of increased social interactions caused by aggregation of flies on food. Furthermore, nothing is known about how animals evaluate the quality and quantity of food in the context of competition. We show that food promotes aggression independently of any effect to increase the frequency of contact between males. Food increases aggression but not courtship between males, suggesting that the effect of food on aggression is specific. Next, we show that flies tune the level of aggression according to absolute amount of food rather than other parameters, such as area or concentration of food. Sucrose, a sugar molecule present in many fruits, is sufficient to promote aggression, and detection of sugar via gustatory receptor neurons is necessary for food-promoted aggression. Furthermore, we show that while food is necessary for aggression, too much food decreases aggression. Finally, we show that flies exhibit strategies consistent with a territorial strategy. These data suggest that flies use sweet-sensing gustatory information to guide their decision to fight over a limited quantity of a food resource.

Following up on the findings of the first chapter, we asked how the presence of a conspecific female resource promotes male-male aggression. In the absence of food, group-housed male flies, who normally do not fight even in the presence of food, fight in the presence of females. Unlike food, the presence of females strongly influences proximity between flies. Nevertheless, as group-housed flies do not fight even when they are in small chambers, it is unlikely that the presence of female indirectly increases aggression by first increasing proximity. Unlike food, the presence of females also leads to large increases in locomotion and in male-female courtship behaviors, suggesting that females may influence aggression as well as general arousal. Female cuticular hydrocarbons are required for this effect, as females that do not produce CH pheromones are unable to promote male-male aggression. In particular, 7,11-HD––a female-specific cuticular hydrocarbon pheromone critical for male-female courtship––is sufficient to mediate this effect when it is perfumed onto pheromone-deficient females or males. Recent studies showed that ppk23⁺ GRNs label two population of GRNs, one of which detects male cuticular hydrocarbons and another labeled by ppk23 and ppk25, which detects female cuticular hydrocarbons. I show that in particular, both of these GRNs control aggression, presumably via detection of female or male pheromones. To further investigate the ways in which these two classes of GRNs control aggression, I developed new genetic tools to independently test the male- and female-sensing GRNs. I show that ppk25-LexA and ppk25-GAL80 faithfully recapitulate the expression pattern of ppk25-GAL4 and label a subset of ppk23⁺ GRNs. These tools can be used in future studies to dissect the respective functions of male-sensing and female-sensing GRNs in male social behaviors.

Finally, in the last chapter, I discuss quantitative approaches to describe how varying quantities of food and females could control the level of aggression. Flies show an inverse-U shaped aggressive response to varying quantities of food and a flat aggressive response to varying quantities of females. I show how two simple game theoretic models, “prisoner’s dilemma” and “coordination game” could be used to describe the level of aggression we observe. These results suggest that flies may use strategic decision-making, using simple comparisons of costs and benefits.

In conclusion, male-male aggression in Drosophila is controlled by simple gustatory cues from food and females, which are detected by gustatory receptor neurons. Different quantities of resource cues lead to different levels of aggression, and flies show putative territorial behavior, suggesting that fly aggression is a highly strategic adaptive behavior. How these resource cues are integrated with male pheromone cues and give rise to this complex behavior is an interesting subject, which should keep researchers busy in the coming years.

A utilização de tecnologias digitais de geoprocessamento na identificação de unidades de paisagem na bacia hidrográfica do rio Iguaçu-Sarapuí (RJ)

A Bacia do Rio Iguaçu-Sarapuí integra a região hidrográfica da Baía de Guanabara. Sua área de drenagem, com cerca de 726 km2, corresponde a aproximadamente 20% do total da área de contribuição à Baía, da ordem de 4600 km2 . Os municípios abrangidos pela bacia do Rio Iguaçu são: Nova Iguaçu, Duque de Caxias, Belford Roxo, São João de Meriti, Nilópolis, Mesquita e uma pequena parte do município do Rio de Janeiro. O presente trabalho tem como objetivo utilizar metodologias destinadas à identificação das unidades de paisagem na Bacia Hidrográfica do Rio Iguaçu, baseado nos conceitos de Paisagem Integrada e utilizando como suporte tecnologias digitais de geoprocessamento. Para o desenvolvimento desta pesquisa foram utilizados dados de diferentes fontes e órgãos governamentais de planejamento que trate desta temática. Os dados ao qual o texto se refere são: bases cartográficas em diferentes escalas de abordagem, Imagens Sensoriais Landsat 7, relatórios e diagnóstico da área em estudo. A identificação das unidades de paisagem na bacia do Rio Iguaçu-Sarapuí é feita a partir da delimitação das unidades de relevo e informações sobre o uso do solo, aspectos geológicos e pedológicos. O trabalho foi baseado no apoio das tecnologias digitais de geoprocessamento que permite uma melhor correlação entre diferentes tipos de informações tanto dos aspectos físicos, geológicos como também das ações antrópicas, classificando-as quanto ao grau de intervenção. O resultado do trabalho nesta região foi a elaboração de um diagnóstico ambiental das limitações e susceptibilidade ao desenvolvimento de determinadas atividades distribuindo-as espacialmente na bacia. A utilização de um Sistema de Informação Geográfica, em especial o Arc Gis 9.2 teve uma importância relevante na elaboração da pesquisa. Uma vez que este sistema trabalha com grandes volumes de informações e na análise integrada de objetos complexos, além de permitir a elaboração de um banco de dados espacial no próprio projeto. O que o diferencia dos demais Sistema de Informação Geográfica, tornando-o uma ferramenta eficiente na gestão integrada dos recursos naturais.

Marketing experiencial aplicado a los establecimientos comerciales: Shopping experience

El presente trabajo expone el marco en el que cabe el desarrollo de las decisiones de Marketing en el comercio detallista actualmente, considerando los cambios en el comportamiento y hábitos de compra del cliente, condicionados por los avances tecnológicos y la crisis económica, entre otros. Se analizan algunos de los diferentes factores que deben ser gestionados para la creación de experiencias, y donde el marketing sensorial será protagonista, así como la necesidad de orientar las políticas hacia un comprador que aun siendo sensible al precio, cada vez valora más el factor emocional. Se profundiza en la gestión de la experiencia de compra, y en los factores que han de tenerse en cuenta para realizarla de forma eficiente. Finalmente, se estudia un caso exitoso de marketing experiencial donde puede observarse el uso de las variables analizadas previamente.

Connectivity and Function of the Primate Insula

The insula is a mammalian cortical structure that has been implicated in a wide range of low- and high-level functions governing one’s sensory, emotional, and cognitive experiences. One particular role of this region is considered to be processing of olfactory stimuli. The ability to detect and evaluate odors has significant effects on an organism’s eating behavior and survival and, in case of humans, on complex decision making. Despite such importance of this function, the mechanism in which olfactory information is processed in the insula has not been thoroughly studied. Moreover, due to the structure’s close spatial relationship with the neighboring claustrum, it is not entirely clear whether the connectivity and olfactory functions attributed to the insula are truly those of the insula, rather than of the claustrum. My graduate work, consisting of two studies, seeks to help fill these gaps. In the first, the structural connectivity patterns of the insula and the claustrum in a non-human primate brain is assayed using an ultra-high-quality diffusion magnetic resonance image, and the results suggest dissociation of connectivity — and hence function — between the two structures. In the second study, a functional neuroimaging experiment investigates the insular activity during odor evaluation tasks in humans, and uncovers a potential spatial organization within the anterior portion of the insula for processing different aspects of odor characteristics.

Localization of sources of human evoked responses

The evoked response, a signal present in the electro-encephalogram when specific sense modalities are stimulated with brief sensory inputs, has not yet revealed as much about brain function as it apparently promised when first recorded in the late 1940's. One of the problems has been to record the responses at a large number of points on the surface of the head; thus in order to achieve greater spatial resolution than previously attained, a 50-channel recording system was designed to monitor experiments with human visually evoked responses.

Conventional voltage versus time plots of the responses were found inadequate as a means of making qualitative studies of such a large data space. This problem was solved by creating a graphical display of the responses in the form of equipotential maps of the activity at successive instants during the complete response. In order to ascertain the necessary complexity of any models of the responses, factor analytic procedures were used to show that models characterized by only five or six independent parameters could adequately represent the variability in all recording channels.

One type of equivalent source for the responses which meets these specifications is the electrostatic dipole. Two different dipole models were studied: the dipole in a homogeneous sphere and the dipole in a sphere comprised of two spherical shells (of different conductivities) concentric with and enclosing a homogeneous sphere of a third conductivity. These models were used to determine nonlinear least squares fits of dipole parameters to a given potential distribution on the surface of a spherical approximation to the head. Numerous tests of the procedures were conducted with problems having known solutions. After these theoretical studies demonstrated the applicability of the technique, the models were used to determine inverse solutions for the evoked response potentials at various times throughout the responses. It was found that reliable estimates of the location and strength of cortical activity were obtained, and that the two models differed only slightly in their inverse solutions. These techniques enabled information flow in the brain, as indicated by locations and strengths of active sites, to be followed throughout the evoked response.

Conditioned responses in the reticular formation

Unit activity was recorded from the midbrain and pons of 40 freely moving rats in an appetitive classical conditioning situation. Responses to auditory stimuli were observed from 100 units before and during a conditioning procedure in which presentation of food occurred 1 sec after the onset of the auditory stimulus. Conditioned unit responses (i.e., spike rate accelerations or decelerations) were considered to be positive when 1) no similar responses appeared prior to conditioning, and 2) latencies were equal to or less than those of sensory responses derived from the inferior colliculus. Such short latency conditioned unit responses were recorded from 11 probes located in the mid-lateral pert of the ventral region of the brain stem. This region was differentiated from paramedian, far lateral and dorsal parts of the brain stem reticular formation. Conditioned unit responses of considerably longer latencies were recorded from 76 probe located in these other regions. Among the longer latency responses interesting differences appeared in experiments conducted after the first conditioning series was completed. With additional training, units in the "reticular activating system" of midbrain and pons tended to yield stabilized responses in the early portion of the CS-US interval closely related in time to the orientation responses evoked by the CS. In contrast, the responses of units in the limbic midbrain tended to stabilize in the later part of the CS-US interval closely related in time to preparatory responses tied to the US. During extinction when the auditory stimulus was no longer followed by presentation of food, many of the responses were reduced to their pre-conditioning levels. However, there was a tendency for units which had displayed short latency responses on the first conditioning day to be more resistant to extinction than units which had displayed longer latency conditioned responses. The data were interpreted as indicating a local correlate of learning in the reticular formation of midbrain end pons and a separation of the midbrain system into at least two areas: 1) the classical "reticular activating system" related to orienting reactions, and 2) the limbic midbrain areas related to drives and rewards. Because the ventral and mid-lateral area with very short latency conditioned responses was not clearly tied to either of these; it was considered as possibly representing a third division.

Transbordamentos: elementos para uma cartografia dos campos cegos nos jogos da arte

O trabalho explora a dinâmica dos jogos plásticos nas artes e das operações de suas obras enquanto máquinas de visão, dispositivos através dos quais determinados aprendizados se desenvolvem enquanto promovem certos processos de invisibilização. Entre negociações dos modos de ver se instaura a instituição do estatuto coletivo do visível. Fatores sociais, tecnológicos, econômicos e políticos se imbricam nessas negociações, implicando na expansão dos processos de produção e reprodução de imagens que culminam na constituição dos campos cegos na cultura visual, áreas abarrotadas de visibilidades ofuscantes. A arte, ciente de ser elemento ativo na constituição dos limites da visão, responde a esse panorama com ações de transbordamento e alargamento desses limites. Adota os campos cegos e suas dinâmicas internas como base para práticas reflexivas. Direciona-se para a identificação de um estatuto do invisível como parte da constituição do próprio estatuto do visível na proposição de experiências sensíveis a partir de diálogos com a invisibilidade. Algumas dessas experiências são analisadas nesta dissertação que reconhece nelas elementos para um mapear dos campos cegos e para uma discussão ampliada da visão

O comportamento clínico e neurofisiológico da neuropatia durante os episódios reacionais da hanseníase

A hanseníase, uma doença conhecida por suas lesões de pele anestésicas, é a principal causa de neuropatia periférica nos países endêmicos. Os episódios reacionais são classicamente conhecidos por promover piora da função nervosa através das chamadas neurites que variam de quadros exuberantes a assintomáticos. Estas características da neuropatia tornam o diagnóstico precoce excepcionalmente desafiador assim como a necessidade de se intervir para se prevenir lesões permanentes nos nervos. Este estudo clínico, prospectivo, foi realizado selecionando-se pacientes com hanseníase, independente da forma clínica, no Ambulatório Souza Araujo, Fiocruz, Rio de Janeiro, que apresentavam episódios reacionais. O objetivo foi estudar o perfil neurológico clínico, eletroneurofisiológico e por imagem do nervo antes e após o tratamento das reações. Foram avaliados vinte e cinco pacientes levando-se em conta: exame neurológico, avaliação fisioterápica, estudo de condução nervosa, avaliação de espessura e ecogenicidade nervosa pelo método ultrassonográfico, fluxometria por laser Doppler e teste quantitativo da sensibilidade durante e um ano após o tratamento da reação. Estes pacientes foram divididos em três grupos: oito pacientes com neurite aguda, nove pacientes com neurite silenciosa e oito pacientes com reação cutânea sem neurite. Nos pacientes com episódios reacionais, observou-se predomínio do sexo masculino (60%), do grupo multibacilar (80%) e da forma clínica borderline-lepromatosa (36%). A neurite isolada foi o tipo de reação mais frequente, seguida de neurite associada à reação do tipo1, seguida da neurite associada à reação do tipo 2. O nervo motor mais acometido por neurite foi o fibular seguido pelo ulnar, enquanto o nervo sensitivo mais acometido foi o sural. O padrão eletroneuromiográfico característico dos episódios reacionais foi a mononeurite múltipla. A ultrassonografia, a fluxometria por laser Doppler e o teste quantitativo de sensibilidade, associados à clínica e ao estudo da condução nervosa, foram tidos como exames úteis para avaliação inicial e para acompanhar o tratamento dos episódios reacionais. Após o tratamento, foi constatada melhora nos parâmetros referentes à função motora, mas o mesmo não ocorreu para sensibilidade. Com esse estudo, observa-se a necessidade de acompanhamento multidiciplinar com exames especializados para os pacientes com hanseníase a fim de diagnóstico de reação e tratamento precoce evitando sequelas neurológicas.

Hemisferectomia unilateral na vida adulta como modelo para o estudo das assimetrias motoras em camundongos

Em humanos, uma série de estudos vem sugerindo que o hemisfério esquerdo é particularmente importante no controle e execução de movimentos. De modo geral, lesões no hemisfério esquerdo promovem déficits motores mais pronunciados que lesões semelhantes no hemisfério direito. Neste trabalho utilizamos a hemisferectomia unilateral para avaliar a contribuição de cada hemisfério na função motora em camundongos. Camundongos Suíços adultos foram submetidos a hemisferectomia unilateral direita (HD) ou esquerda (HE) ou aos procedimentos de controle. Quinze dias após cirurgia, a coordenação motora de cada animal foi avaliada no teste da locomoção forçada em cilindro giratório (Rotarod). A latência para a queda do grupo controle foi significativamente maior que a do grupo HD e não diferiu da do grupo HE. Para auxiliar a interpretação dos resultados obtidos no ROTAROD, uma parte dos animais foi submetida a uma bateria adicional de testes comportamentais na seguinte seqüência: teste de campo aberto, avaliação qualitativa da assimetria sensório-motora, teste da grade elevada e teste de suspensão pela cauda. De modo interessante, no teste da grade elevada, enquanto o grupo HD apresentou o desempenho da pata traseira esquerda (contralateral à lesão) significativamente pior que o da direita, os grupos Controle e HE não apresentaram diferenças entre as duas patas traseiras. De modo análogo ao observado em humanos, nossos resultados sugerem uma ação assimétrica dos hemisférios cerebrais no controle da função motora em camundongos.

Ouvir na pele o terceiro som: ficções experimentadas e transformações sensoriais

A pesquisa surgiu a partir de investigações e experiências próprias com a escuta, a produção de sonoridades, a criação de ambientes e a realização de derivas intersensoriais. A articulação se dá segundo uma perspectiva transdisciplinar e em relação a alguns trabalhos artísticos e textuais especialmente significativos. A construção do sensorial e das subjetividades e suas possibilidades de transformação e emancipação, através de uma arte vinculada à vida, são questões centrais. Os conceitos de fabulação, linhas, cartografias e desterritorializações desenvolvidos por Deleuze, a ecosofia de Félix Guattari e a noção de corpos vibráteis em Suely Rolnik são fundamentais, assim como as observações de Lygia Clark e Hélio Oiticica a respeito de suas próprias experiências. Estudos históricos e culturais dos sentidos, como os de Constance Classen e David Howes, além de observações de teóricos distintos como Karl Marx, Walter Benjamin, Michel Serres e Jacques Ranciére auxiliam a traçar um panorama inicial do constructo sensorial no Ocidente moderno e contemporâneo. Questões relativas a som, silêncio e ruído levaram à utilização de conceitos como escuta e ressonância em um sentido ampliado, que não se restringe a fenômenos sonoros ou físicos. A articulação entre escuta, intersensorialidade, imaginação e memória contribuiu para o desenvolvimento inicial do conceito de terceiro som aqui presente. A percepção do texto como ativador de sensações e devaneios, as relações entre conceito e concreto e o relato não-realista de acontecimentos levaram às ficções experimentadas. O ato da deriva relaciona-se ao desregramento de todos sentidos e implica a vivência de margens, desvios e extremos, fronteiras em dissolução, diásporas nos interstícios. Poéticas e políticas da alteridade, da diferença e do estranhamento fazem-se presentes em experiências de um ambiente-vivo, paisagem-corpo-outro. Tais questões atravessam meus trabalhos, que são realizados de diferentes maneiras, em cartografias e rituais que podem incluir sons, textos, desenhos, objetos, fotografia, vídeos, vestimentas, ações, situações, etc. A abordagem das questões presentes se dá através de algumas passagens por escritores como Rimbaud, Borges e Italo Calvino; teóricos de diferentes áreas, como Guy Brett, Douglas Kahn, De Certeau, Michel Onfray, James J.Gibson e Donna Haraway; e trabalhos e textos de diversos artistas fundamentais, como Marcel Duchamp, John Cage, Allan Kaprow, George Maciunas e o Fluxus, Yoko Ono, Laurie Anderson, Gordon-Matta-Clark, Robert Smithson, Bill Viola, Cildo Meireles e Lygia Pape, entre outros

Complexity and Uniqueness of the Aromatic Profile of Smoked and Unsmoked Herreno Cheese

In this work, the volatile fraction of unsmoked and smoked Herreno cheese, a type of soft cheese from the Canary Islands, has been characterized for the first time. In order to evaluate if the position in the smokehouse could influence the volatile profile of the smoked variety, cheeses smoked at two different heights were studied. The volatile components were extracted by Solid Phase Microextraction using a divinylbenzene/carboxen/polydimethylsiloxane fiber, followed by Gas Chromatography/Mass Spectrometry. In total, 228 components were detected. The most numerous groups of components in the unsmoked Herreno cheese were hydrocarbons, followed by terpenes and sesquiterpenes, whereas acids and ketones were the most abundant. It is worth noticing the high number of aldehydes and ketones, and the low number of alcohols and esters in this cheese in relation to others, as well as the presence of some specific unsaturated hydrocarbons, terpenes, sesquiterpenes and nitrogenated derivatives. The smoking process enriches the volatile profile of Herreno cheese with ketones and diketones, methyl esters, aliphatic and aromatic aldehydes, hydrocarbons, terpenes, nitrogenated compounds, and especially with ethers and phenolic derivatives. Among these, methylindanones or certain terpenes like a-terpinolene, have not been detected previously in other types of smoked cheese. Lastly, the results obtained suggest a slightly higher smoking degree in the cheeses smoked at a greater height.

Programa de intervención de actividades acuáticas con personas con parálisis cerebral en aspace de Vitoria -Gasteiz : caso real

[ES] El objetivo del presente trabajo de investigación es la elaboración de un programa de intervención de actividades acuáticas dirigido a personas con parálisis cerebral en ASPACE de Vitoria-Gasteiz (Álava). Se han diseñado, aplicado y evaluado las actividades en función de los objetivos pretendidos en el programa. Consideramos que su puesta en práctica servirá para favorecer la convivencia entre nuestros participantes del programa. Este programa pretende ser un modelo de acción que puede ser aplicado tanto en el ámbito del ocio y del tiempo libre como en el ámbito educativo, considerados estos estos como elementos favorecedores de su desarrollo