An evolutive approach for smile recognition in video sequences

Facial expression recognition is one of the most challenging research areas in the image recognition ¯eld and has been actively studied since the 70's. For instance, smile recognition has been studied due to the fact that it is considered an important facial expression in human communication, it is therefore likely useful for human–machine interaction. Moreover, if a smile can be detected and also its intensity estimated, it will raise the possibility of new applications in the future

Aldo Rossi, autobiografia scientifica: scrittura come progetto. Indagine critica tra scrittura e progetto di architettura

«In altri termini mi sfuggiva e ancora oggi mi sfugge gran parte del significato dell’evoluzione del tempo; come se il tempo fosse una materia che osservo dall’esterno. Questa mancanza di evoluzione è fonte di alcune mie sventure ma anche mi appartiene con gioia.» Aldo Rossi, Autobiografia scientifica. The temporal dimension underpinning the draft of Autobiografia scientifica by Aldo Rossi may be referred to what Lucien Lévy-Bruhl, the well-known French anthropologist, defines as “primitive mentality” and “prelogical” conscience : the book of life has lost its page numbers, even punctuation. For Lévy-Bruhl, but certainly for Rossi, life or its summing up becomes a continuous account of ellipses, gaps, repetitions that may be read from left to right or viceversa, from head to foot or viceversa without distinction. Rossi’s autobiographical writing seems to accept and support the confusion with which memories have been collected, recording them after the order memory gives them in the mental distillation or simply according to the chronological order in which they have happened. For Rossi, the confusion reflects the melting of memory elements into a composite image which is the result of a fusion. He is aware that the same sap pervades all memories he is going to put in order: each of them has got a common denominator. Differences have diminished, almost faded; the quick glance is prevalent over the distinction of each episode. Rossi’s writing is beyond the categories dependent on time: past and present, before and now. For Rossi, the only repetition – the repetition the text will make possible for an indefinite number of times – gives peculiarity to the event. As Gilles Deleuze knows, “things” may only last as “singleness”: more frequent the repetition is, more singular is the memory phenomenon that recurs, because only what is singular magnifies itself and happens endlessly forever. Rossi understands that “to raise the first time to nth forever”, repetition becomes glorification . It may be an autobiography that, celebrating the originality, enhances the memory event in the repetition; in fact it greatly differs from the biographical reproduction, in which each repetition is but a weaker echo, a duller copy, provided with a smaller an smaller power in comparison with the original. Paradoxically, for Deleuze the repetition asserts the originality and singularity of what is repeated. Rossi seems to share the thought expressed by Kierkegaard in the essay Repetition: «The hope is a graceful maiden slipping through your fingers; the memory of an elderly woman, indeed pretty, but never satisfactory if necessary; the repetition is a loved friend you are never tired of, as it is only the new to make you bored. The old never bores you and its presence makes you happy [...] life is but a repetition [...] here is the beauty of life» . Rossi knows well that repetition hints at the lasting stability of cosmic time. Kierkegaard goes on: «The world exists, and it exists as a repetition» . Rossi devotes himself, on purpose and in all conscience, to collect, to inventory and «to review life», his own life, according to a recovery not from the past but of the past: a search work, the «recherche du temps perdu», as Proust entitled his masterpiece on memory. If you want the past time to be not wasted, you must give it presence. «Memoria e specifico come caratteristiche per riconoscere se stesso e ciò che è estraneo mi sembravano le più chiare condizioni e spiegazioni della realtà. Non esiste uno specifico senza memoria, e una memoria che non provenga da un momento specifico; e solo questa unione permette la conoscenza della propria individualità e del contrario (self e non-self)» . Rossi wants to understand himself, his own character; it is really his own character that requires to be understood, to increase its own introspective ability and intelligence. «Può sembrare strano che Planck e Dante associno la loro ricerca scientifica e autobiografica con la morte; una morte che è in qualche modo continuazione di energia. In realtà, in ogni artista o tecnico, il principio della continuazione dell’energia si mescola con la ricerca della felicità e della morte» . The eschatological incipit of Rossi’s autobiography refers to Freud’s thought in the exact circularity of Dante’s framework and in as much exact circularity of the statement of the principle of the conservation of energy: in fact it was Freud to connect repetition to death. For Freud, the desire of repetition is an instinct rooted in biology. The primary aim of such an instinct would be to restore a previous condition, so that the repeated history represents a part of the past (even if concealed) and, relieving the removal, reduces anguish and tension. So, Freud ask himself, what is the most remote state to which the instinct, through the repetition, wants to go back? It is a pre-vital condition, inorganic of the pure entropy, a not-to-be condition in which doesn’t exist any tension; in other words, Death. Rossi, with the theme of death, introduces the theme of circularity which further on refers to the sense of continuity in transformation or, in the opposite way, the transformation in continuity. «[...] la descrizione e il rilievo delle forme antiche permettevano una continuità altrimenti irripetibile, permettevano anche una trasformazione, una volta che la vita fosse fermata in forme precise» . Rossi’s attitude seems to hint at the reflection on time and – in a broad sense – at the thought on life and things expressed by T.S. Eliot in Four Quartets: «Time present and time past / Are both perhaps present in time future, / And time future is contained in time past. / I all time is eternally present / All time is unredeemable. / What might have been is an abstraction / Remaining perpetual possibility / Only in a word of speculation. / What might have been and what has been / Point to one end, which is always present. [...]» . Aldo Rossi’s autobiographical story coincides with the description of “things” and the description of himself through the things in the exact parallel with craft or art. He seems to get all things made by man to coincide with the personal or artistic story, with the consequent immediate necessity of formulating a new interpretation: the flow of things has never met a total stop; all that exists nowadays is but a repetition or a variant of something existing some time ago and so on, without any interruption until the early dawnings of human life. Nevertheless, Rossi must operate specific subdivisions inside the continuous connection in time – of his time – even if limited by a present beginning and end of his own existence. This artist, as an “historian” of himself and his own life – as an auto-biographer – enjoys the privilege to be able to decide if and how to operate the cutting in a certain point rather than in another one, without being compelled to justify his choice. In this sense, his story is a matter very ductile and flexible: a good story-teller can choose any moment to start a certain sequence of events. Yet, Rossi is aware that, beyond the mere narration, there is the problem to identify in history - his own personal story – those flakings where a clean cut enables the separation of events of different nature. In order to do it, he has to make not only an inventory of his own “things”, but also to appeal to authority of the Divina Commedia started by Dante when he was 30. «A trent’anni si deve compiere o iniziare qualcosa di definitivo e fare i conti con la propria formazione» . For Rossi, the poet performs his authority not only in the text, but also in his will of setting out on a mystical journey and handing it down through an exact descriptive will. Rossi turns not only to the authority of poetry, but also evokes the authority of science with Max Plank and his Scientific Autobiography, published, in Italian translation, by Einaudi, 1956. Concerning Planck, Rossi resumes an element seemingly secondary in hit account where the German physicist «[...] risale alle scoperte della fisica moderna ritrovando l’impressione che gli fece l’enunciazione del principio di conservazione dell’energia; [...]» . It is again the act of describing that links Rossi to Planck, it is the description of a circularity, the one of conservation of energy, which endorses Rossi’s autobiographical speech looking for both happiness and death. Rossi seems to agree perfectly to the thought of Planck at the opening of his own autobiography: «The decision to devote myself to science was a direct consequence of a discovery which was never ceased to arouse my enthusiasm since my early youth: the laws of human thought coincide with the ones governing the sequences of the impressions we receive from the world surrounding us, so that the mere logic can enable us to penetrate into the latter one’s mechanism. It is essential that the outer world is something independent of man, something absolute. The search of the laws dealing with this absolute seems to me the highest scientific aim in life» . For Rossi the survey of his own life represents a way to change the events into experiences, to concentrate the emotion and group them in meaningful plots: «It seems, as one becomes older. / That the past has another pattern, and ceases to be a mere sequence [...]» Eliot wrote in Four Quartet, which are a meditation on time, old age and memory . And he goes on: «We had the experience but missed the meaning, / And approach to the meaning restores the experience / In a different form, beyond any meaning [...]» . Rossi restores in his autobiography – but not only in it – the most ancient sense of memory, aware that for at least 15 centuries the Latin word memoria was used to show the activity of bringing back images to mind: the psychology of memory, which starts with Aristotele (De Anima), used to consider such a faculty totally essential to mind. Keith Basso writes: «The thought materializes in the form of “images”» . Rossi knows well – as Aristotele said – that if you do not have a collection of mental images to remember – imagination – there is no thought at all. According to this psychological tradition, what today we conventionally call “memory” is but a way of imagining created by time. Rossi, entering consciously this stream of thought, passing through the Renaissance ars memoriae to reach us gives a great importance to the word and assumes it as a real place, much more than a recollection, even more than a production and an emotional elaboration of images.

Analysis of eruptive and seismic sequences to improve the short-and long-term eruption forecasting

Forecasting the time, location, nature, and scale of volcanic eruptions is one of the most urgent aspects of modern applied volcanology. The reliability of probabilistic forecasting procedures is strongly related to the reliability of the input information provided, implying objective criteria for interpreting the historical and monitoring data. For this reason both, detailed analysis of past data and more basic research into the processes of volcanism, are fundamental tasks of a continuous information-gain process; in this way the precursor events of eruptions can be better interpreted in terms of their physical meanings with correlated uncertainties. This should lead to better predictions of the nature of eruptive events. In this work we have studied different problems associated with the long- and short-term eruption forecasting assessment. First, we discuss different approaches for the analysis of the eruptive history of a volcano, most of them generally applied for long-term eruption forecasting purposes; furthermore, we present a model based on the characteristics of a Brownian passage-time process to describe recurrent eruptive activity, and apply it for long-term, time-dependent, eruption forecasting (Chapter 1). Conversely, in an effort to define further monitoring parameters as input data for short-term eruption forecasting in probabilistic models (as for example, the Bayesian Event Tree for eruption forecasting -BET_EF-), we analyze some characteristics of typical seismic activity recorded in active volcanoes; in particular, we use some methodologies that may be applied to analyze long-period (LP) events (Chapter 2) and volcano-tectonic (VT) seismic swarms (Chapter 3); our analysis in general are oriented toward the tracking of phenomena that can provide information about magmatic processes. Finally, we discuss some possible ways to integrate the results presented in Chapters 1 (for long-term EF), 2 and 3 (for short-term EF) in the BET_EF model (Chapter 4).

Molekulare Untersuchung des Wolf-Hirschhorn-Syndroms

Das Wolf-Hirschhorn-Syndrom (WHS) ist ein komplexes und variables Fehlbildungs- Retardierungssyndrom, das durch Deletion in der distalen Chromosomenregion 4p16.3 hervorgerufen wird und dessen Ätiologie und Pathogenese bisher weitgehend unverstanden sind. Die Zielsetzung in der vorliegenden Arbeit bestand in der Identifizierung und vorläufigen Charakterisierung neuer Gene, die an der Entstehung des Syndroms beteiligt sein könnten. Die Wolf-Hirschhorn-Syndrom-kritische Region (WHSCR) konnte zu Beginn der vorliegenden Arbeit auf einen ca. 2 Mb großen Bereich zwischen den Markern D4S43 und D4S142 eingegrenzt werden. Für die Identifizierung neuer Gene wurden zunächst drei größere genomische Cosmid-/PAC-Contigs (I-III) im Bereich der Marker D4S114 bis D4S142 erstellt und mittels Exonamplifikation auf transkribierte Bereiche (Exons) untersucht. Es konnten insgesamt 67 putative 'Exons' isoliert werden, von denen einige bereits bekannten Genen (ZNF141, PDEB, MYL5, GAK, DAGK4 und FGFR3) entsprechen. Zwei dieser Gene konnten im Rahmen dieser Arbeit erstmals (DAGK4) bzw. genauer (GAK) in die distale Region 4p16.3 kartiert werden. Die restlichen Exons können aufgrund von Homologievergleichen und/oder EST-cDNA-Homologien vermutlich neuen Genen oder auch Pseudogenen (z. B. YWEE1hu) zugeordnet werden. Durch die im Verlaufe der vorliegenden Arbeit publizierte weitere Eingrenzung der WHSCR auf einen 165 Kb-großen Bereich proximal des FGFR3-Gens konzentrierten sich weitere Untersuchungen auf die detaillierte Analyse der WHSCR zwischen dem Marker D4S43 und FGFR3. Mit Hilfe von Exonamplifikation bzw. computergestützter Auswertung vorliegender Sequenzdaten aus diesem Bereich ('GRAIL', 'GENSCAN' und Homologievergleiche in den EST-Datenbanken des NCBI) konnten mehrere neue Gene identifiziert werden. In distaler-proximaler Reihenfolge handelt es sich dabei um die Gene LETM1, 51, 43, 45, 57 und POL4P. LETM1 kodiert für ein putatives Transmembran-Protein mit einem Leucin-Zipper- und zwei EF-Hand-Motiven und könnte aufgrund seiner möglichen Beteiligung an der Ca2+-Homeostase und/oder der Signal-transduktion zu Merkmalen des WHS (Krampfanfällen, mentale Retardierung und muskuläre Hypotonie) beitragen. Das Gen 51 entspricht einem in etwa zeitgleich durch Stec et al. (1998) und Chesi et al. (1998) als WHSC1 bzw. MMSET bezeichnetem Gen und wurde daher nicht weiter charakterisiert. Es wird genauso wie das Gen 43, das zeitgleich von Wright et al. (1999b) als WHSC2 beschrieben werden konnte und eine mögliche Rolle bei der Transkriptionselongation spielt, ubiquitär exprimiert. Das in der vorliegenden Arbeit identifizierte Gen 45 zeigt demgegenüber ein ausgesprochen spezifisches Expressionsmuster (in Nervenzellen des Gehirns sowie in Spermatiden). Dies stellt zusammen mit der strukturellen Ähnlichkeit des putativen Genprodukts zu Signalmolekülen einen interessanten Zusammenhang zu Merkmalen des WHS (beispielsweise Kryptorchismus, Uterusfehlbildungen oder auch neurologische Defekte) her. Demgegenüber handelt es sich bei dem Gen 57 möglicherweise um ein trunkiertes Pseudogen des eRFS-Gens auf Chromosom 6q24 (Wallrapp et al., 1998). Das POL4P-Gen schließlich stellt allein aufgrund seiner genomischen Lokalisation sowie seiner möglichen Funktion (als DNA-Polymerase-ähnliches Gen) kein gutes Kandidatengen für spezifische Merkmale des Syndroms dar und wurde daher nicht im Detail charakterisiert. Um die Beteiligung der Gene an der Ätiologie und Pathogenese des Syndroms zu verstehen, ist die Entwicklung eines Mausmodells (über das Einfügen gezielter Deletionen in das Mausgenom) geplant. Um dies zu ermöglichen, wurde in der vorliegenden Arbeit die Charakterisierung der orthologen Region bei der Maus vorgenommen. Zunächst wurden die orthologen Gene der Maus (Letm1, Whsc1, Gen 43 (Whsc2h), Gen 45 und Pol4p) identifiziert. Durch die Erstellung sowie die genaue Kartierung eines murinen genomischen P1/PAC-Klon-Contigs konnte gezeigt werden, daß die murinen Gene Fgfr3, Letm1, Whsc1, Gen 43 (Whsc2h), Gen 45 und Pol4p sowie einige weitere der überprüften EST-cDNA-Klone der Maus in einem durchgehenden Syntänieblock zwischen Mensch (POL4P bis FGFR3) und Maus (Mmu 5.20) enthalten sind, der in seiner genomischen Ausdehnung in etwa den Verhältnissen beim Menschen (zwischen POL4P und FGFR3) entspricht.

Untersuchung magnetischer Nanostrukturen mittels Rastertunnelspektroskopie und Kerr-Magnetometrie am Beispiel von Fe, Co, Co-Fe und Fe-Mn Nanostrukturen

Nach einer kurzen Einführung in die Entwicklung der magnetischen Anwendungen, werden in Kapitel 2 und 3 die physikalischen Grundlagen der Messmethoden, insbesondere die Rastertunnelspektroskopie und Kerr-Magnetometrie, sowie der experimentelle Aufbau erläutert. Kapitel 4 beschäftigt sich mit den magnetischen Eigenschaften von quasi ein-dimensionalen ferromagnetischen Nanostreifen und Monolagen, die durch Selbstorganisation auf einem Wolfram(110)-Einkristall mit vizinaler und glatter Oberfläche präpariert werden. Hierbei wird die Temperaturabhängigkeit der magnetischen Größen, wie Remanenz, Sättigungsmagnetisierung und Suszeptibilität, sowie die Auswirkung einer Abdeckung des Systems auf die Domänenwandenergie und Anisotropie untersucht. Zusätzlich wird die Kopplung von parallelen Nanostreifen in Abhängigkeit des Streifenabstandes betrachtet. In Kapitel 5 werden das Wachstum und die Morphologie von Co-Monolagen auf W(110) untersucht. Der Übergang von pseudomorphem zu dicht gepacktem Wachstum in der Monolage wird mit Hilfe der Rastertunnelspektroskopie sichtbar gemacht, ebenso wie unterschiedliche Stapelfolgen in Tripellagen Co-Systemen. Atomar aufgelöste Rastertunnelmikroskopie erlaubt die genauen Atompositionen der Oberfläche zu bestimmen und mit theoretischen Wachstumsmodellen zu vergleichen. Auf die Untersuchung zwei-dimensionaler binärer Co-Fe und Fe-Mn Legierungen auf W(110) wird in Kapitel 6 eingegangen. Mit einer Präparationstemperatur von T=520 K ist es möglich, atomar geordnete Co-Fe Legierungsmonolagen wachsen zu lassen. Ein direkter Zusammenhang zwischen der Magnetisierung und der lokalen Zustandsdichte in Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung wird gezeigt.

Exact Algorithms for Different Classes of Vehicle Routing Problems

We deal with five problems arising in the field of logistics: the Asymmetric TSP (ATSP), the TSP with Time Windows (TSPTW), the VRP with Time Windows (VRPTW), the Multi-Trip VRP (MTVRP), and the Two-Echelon Capacitated VRP (2E-CVRP). The ATSP requires finding a lest-cost Hamiltonian tour in a digraph. We survey models and classical relaxations, and describe the most effective exact algorithms from the literature. A survey and analysis of the polynomial formulations is provided. The considered algorithms and formulations are experimentally compared on benchmark instances. The TSPTW requires finding, in a weighted digraph, a least-cost Hamiltonian tour visiting each vertex within a given time window. We propose a new exact method, based on new tour relaxations and dynamic programming. Computational results on benchmark instances show that the proposed algorithm outperforms the state-of-the-art exact methods. In the VRPTW, a fleet of identical capacitated vehicles located at a depot must be optimally routed to supply customers with known demands and time window constraints. Different column generation bounding procedures and an exact algorithm are developed. The new exact method closed four of the five open Solomon instances. The MTVRP is the problem of optimally routing capacitated vehicles located at a depot to supply customers without exceeding maximum driving time constraints. Two set-partitioning-like formulations of the problem are introduced. Lower bounds are derived and embedded into an exact solution method, that can solve benchmark instances with up to 120 customers. The 2E-CVRP requires designing the optimal routing plan to deliver goods from a depot to customers by using intermediate depots. The objective is to minimize the sum of routing and handling costs. A new mathematical formulation is introduced. Valid lower bounds and an exact method are derived. Computational results on benchmark instances show that the new exact algorithm outperforms the state-of-the-art exact methods.

Exact computation of the adjacency graph of an arrangement of quadrics

Präsentiert wird ein vollständiger, exakter und effizienter Algorithmus zur Berechnung des Nachbarschaftsgraphen eines Arrangements von Quadriken (Algebraische Flächen vom Grad 2). Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Berechnung des vollen 3D Arrangements. Dabei greifen wir auf eine bereits existierende Implementierung zur Berechnung der exakten Parametrisierung der Schnittkurve von zwei Quadriken zurück. Somit ist es möglich, die exakten Parameterwerte der Schnittpunkte zu bestimmen, diese entlang der Kurven zu sortieren und den Nachbarschaftsgraphen zu berechnen. Wir bezeichnen unsere Implementierung als vollständig, da sie auch die Behandlung aller Sonderfälle wie singulärer oder tangentialer Schnittpunkte einschließt. Sie ist exakt, da immer das mathematisch korrekte Ergebnis berechnet wird. Und schließlich bezeichnen wir unsere Implementierung als effizient, da sie im Vergleich mit dem einzigen bisher implementierten Ansatz gut abschneidet. Implementiert wurde unser Ansatz im Rahmen des Projektes EXACUS. Das zentrale Ziel von EXACUS ist es, einen Prototypen eines zuverlässigen und leistungsfähigen CAD Geometriekerns zu entwickeln. Obwohl wir das Design unserer Bibliothek als prototypisch bezeichnen, legen wir dennoch größten Wert auf Vollständigkeit, Exaktheit, Effizienz, Dokumentation und Wiederverwendbarkeit. Über den eigentlich Beitrag zu EXACUS hinaus, hatte der hier vorgestellte Ansatz durch seine besonderen Anforderungen auch wesentlichen Einfluss auf grundlegende Teile von EXACUS. Im Besonderen hat diese Arbeit zur generischen Unterstützung der Zahlentypen und der Verwendung modularer Methoden innerhalb von EXACUS beigetragen. Im Rahmen der derzeitigen Integration von EXACUS in CGAL wurden diese Teile bereits erfolgreich in ausgereifte CGAL Pakete weiterentwickelt.

Antipodal random sequences with prescribed second-order statistics: application to Compressive Sensing and UWB system based on DS-CDMA

It is usual to hear a strange short sentence: «Random is better than...». Why is randomness a good solution to a certain engineering problem? There are many possible answers, and all of them are related to the considered topic. In this thesis I will discuss about two crucial topics that take advantage by randomizing some waveforms involved in signals manipulations. In particular, advantages are guaranteed by shaping the second order statistic of antipodal sequences involved in an intermediate signal processing stages. The first topic is in the area of analog-to-digital conversion, and it is named Compressive Sensing (CS). CS is a novel paradigm in signal processing that tries to merge signal acquisition and compression at the same time. Consequently it allows to direct acquire a signal in a compressed form. In this thesis, after an ample description of the CS methodology and its related architectures, I will present a new approach that tries to achieve high compression by design the second order statistics of a set of additional waveforms involved in the signal acquisition/compression stage. The second topic addressed in this thesis is in the area of communication system, in particular I focused the attention on ultra-wideband (UWB) systems. An option to produce and decode UWB signals is direct-sequence spreading with multiple access based on code division (DS-CDMA). Focusing on this methodology, I will address the coexistence of a DS-CDMA system with a narrowband interferer. To do so, I minimize the joint effect of both multiple access (MAI) and narrowband (NBI) interference on a simple matched filter receiver. I will show that, when spreading sequence statistical properties are suitably designed, performance improvements are possible with respect to a system exploiting chaos-based sequences minimizing MAI only.

Low Correlated Sequences & Architectures and Algorithms for Analog-to-Information Converters: Theory, Design, Implementation and Applications.

Most electronic systems can be described in a very simplified way as an assemblage of analog and digital components put all together in order to perform a certain function. Nowadays, there is an increasing tendency to reduce the analog components, and to replace them by operations performed in the digital domain. This tendency has led to the emergence of new electronic systems that are more flexible, cheaper and robust. However, no matter the amount of digital process implemented, there will be always an analog part to be sorted out and thus, the step of converting digital signals into analog signals and vice versa cannot be avoided. This conversion can be more or less complex depending on the characteristics of the signals. Thus, even if it is desirable to replace functions carried out by analog components by digital processes, it is equally important to do so in a way that simplifies the conversion from digital to analog signals and vice versa. In the present thesis, we have study strategies based on increasing the amount of processing in the digital domain in such a way that the implementation of analog hardware stages can be simplified. To this aim, we have proposed the use of very low quantized signals, i.e. 1-bit, for the acquisition and for the generation of particular classes of signals.

Seismic sequences analysis for estimation of earthquake source parameters: corner frequency, stress drop, and seismic moment observations

The present study has been carried out with the following objectives: i) To investigate the attributes of source parameters of local and regional earthquakes; ii) To estimate, as accurately as possible, M0, fc, Δσ and their standard errors to infer their relationship with source size; iii) To quantify high-frequency earthquake ground motion and to study the source scaling. This work is based on observational data of micro, small and moderate -earthquakes for three selected seismic sequences, namely Parkfield (CA, USA), Maule (Chile) and Ferrara (Italy). For the Parkfield seismic sequence (CA), a data set of 757 (42 clusters) repeating micro-earthquakes (0 ≤ MW ≤ 2), collected using borehole High Resolution Seismic Network (HRSN), have been analyzed and interpreted. We used the coda methodology to compute spectral ratios to obtain accurate values of fc , Δσ, and M0 for three target clusters (San Francisco, Los Angeles, and Hawaii) of our data. We also performed a general regression on peak ground velocities to obtain reliable seismic spectra of all earthquakes. For the Maule seismic sequence, a data set of 172 aftershocks of the 2010 MW 8.8 earthquake (3.7 ≤ MW ≤ 6.2), recorded by more than 100 temporary broadband stations, have been analyzed and interpreted to quantify high-frequency earthquake ground motion in this subduction zone. We completely calibrated the excitation and attenuation of the ground motion in Central Chile. For the Ferrara sequence, we calculated moment tensor solutions for 20 events from MW 5.63 (the largest main event occurred on May 20 2012), down to MW 3.2 by a 1-D velocity model for the crust beneath the Pianura Padana, using all the geophysical and geological information available for the area. The PADANIA model allowed a numerical study on the characteristics of the ground motion in the thick sediments of the flood plain.

Komparative Analyse der humanen Chromosomenregion 11p15.3 um die Gene LMO1,TUB und der orthologen Region in der Maus

Ziel der vorliegenden Arbeit war die vergleichende Sequenzierung und nachfolgende Analyse des syntänen chromosomalen Abschnitts auf dem kurzen Arm des humanen Chromosoms 11 in der Region 11p15.3 mit den Genen LMO1, TUB und dem orthologen Genomabschnitt der Maus auf Chromosom 7 F2. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Kartierung dieser beiden chromosomalen Bereiche ermöglichte die Komplettierung einer genomischen Karte auf insgesamt über eine Megabase, die im Kooperationssequenzierprojekt der Universitäts-Kinderklinik und dem Institut für Molekulargenetik in Mainz erstellt wurde. Mit Hilfe von 28 PAC- und Cosmid-Klonen konnten in dieser Arbeit 383 kb an genomischer DNA des Menschen und mit sechs BAC- und PAC-Klonen 412 kb an genomischer DNA der Maus dargestellt werden. Dies ermöglichte erstmals die exakte Festlegung der Reihenfolge der in diesem chromosomalen Abschnitt enthaltenen Gene und die genaue Kartierung von acht STS-Markern des Menschen, bzw. vier STS-Sonden der Maus. Es zeigte sich dabei, dass die chromosomale Orientierung telomer-/centromerwärts des orthologen Bereichs in der Maus im Vergleich zum Menschen in invertierter Ausrichtung vorliegt. Die Sequenzierung von drei humanen Klonen ermöglichte die Bestimmung von 319.119 bp an zusammenhängender genomischer DNA. Dadurch konnte die genaue Lokalisation und Strukturaufklärung der Gene LMO1, ein putatives Tumorsuppressorgen, das mit der Entstehung von Leukämien assoziiert ist, und TUB, ein Transkriptionsmodulator, der in die Fettstoffwechselregulation involviert ist, vorgenommen werden. Für das murine Genom wurden 412.827 bp an neuer DNA-Sequenz durch Sequenzierung von ebenfalls drei Klonen generiert. Der im Vergleich zum Menschen ca. 100 kb größere Genombereich beinhaltete zudem die neuen Gene Stk33 und Eif3. Es handelte sich dabei um zwei Gene, die erst im Rahmen dieser Arbeit entdeckt und charakterisiert wurden. Die parallele Bearbeitung beider Genombereiche ermöglichte eine umfassende komparative Analyse nach kodierenden, funktionellen und strukturgebenden Sequenzabschnitten in beiden Spezies. Es konnten dabei für beide Organismen die Exon-Intron-Strukturen der Gene LMO1/Lmo1 und TUB/Tub geklärt. Zudem konnten vier neue Exons und zwei neue speziesspezifischer Spleißvarianten für TUB/Tub beschrieben werden. Die Identifizierung dieser neuen Spleißvarianten offenbart neue Möglichkeiten für alternative Regulation und Funktion, oder für eine veränderte Proteinstruktur, die weitere Erklärungsansätze für die Entstehung der mit diesen Genen assoziierten Erkrankungen zulässt. In der sequenzierten, größeren Genomsequenz der Maus konnte in den flankierenden, nicht mit der sequenzierten Humansequenz überlappenden Bereich das neue Gen Eif3 in seiner Exon-Intron-Struktur und die beiden letzten Exons 11 und 12 des Gens Stk33 kartiert und charakterisiert werden. Die umfangreiche Sequenzanalyse beider sequenzierter Genombereiche ergab für den Abschnitt des Menschen insgesamt 229 potentielle Exonsequenzen und für den Bereich der Maus 527 mögliche Exonbereiche. Davon konnten beim Menschen explizit 21 Exons und bei der Maus 31 Exons als exprimierte Bereiche identifiziert und experimentell mittels RT-PCR, bzw. durch cDNA-Sequenzierung verifiziert werden. Diese Abschnitte beschrieben nicht nur die Exonbereiche der oben genannten vier Gene, sondern konnten auch neuen nicht weiter definierten EST-Sequenzen zugeordnet werden. Mittels des Interspeziesvergleiches war darüber hinaus auch die Analyse der nichtkodierenden Intergen-Bereiche möglich. So konnten beispielsweise im ersten Intron des LMO1/Lmo1 sieben Sequenzbereiche mit Konservierungen von ca. 90% bestimmt werden. Auch die Charakterisierung von Promotor- und putativ regulatorischen Sequenzabschnitten konnte mit Hilfe unterschiedlicher bioinformatischer Analyse-Tools durchgeführt werden. Die konservierten Sequenzbereiche der DNA zeigen im Durchschnitt eine Homologie von mehr als 65% auf. Auch die Betrachtung der Genomorganisation zeigte Gemeinsamkeiten, die sich meist nur in ihrer graduellen Ausprägung unterschieden. So weist ein knapp 80 kb großer Bereich proximal zum humanen TUB-Gen einen deutlich erhöhten AT-Gehalt auf, der ebenso im murinen Genom nur in verkürzter Version und schwächer ausgeprägt in Erscheinung tritt. Die zusätzliche Vergleichsanalyse mit einer weiteren Spezies, den orthologen Genomabschnitten von Fugu, zeigte, dass es sich bei den untersuchten Genen LMO1 und TUB um sehr konservierte und evolutiv alte Gene handelt, deren genomisches Organisationsmuster sich auch bei den paralogen Genfamilienmitglieder innerhalb derselben Spezies wiederfindet. Insgesamt konnte durch die Kartierung, Sequenzierung und Analyse eine umfassende Datenbasis für die betrachtete Genomregion und die beschriebenen Gene generiert werden, die für zukünftige Untersuchungen und Fragestellungen wertvolle Informationen bereithält.

Charakterisierung einer pflanzlichen Variante des Cytoskelettproteins gamma-Tubulin durch Strukturmodellierung, Überexpression und Analyse der Interaktionspartner

Wie alle Eukaryoten besitzen auch höhere Pflanzen ein mikrotubuläres Cytoskelett. Einige Funktionen dieses Cytoskeletts sind relativ stark konserviert, andere dagegen scheinen sehr pflanzenspezifisch zu sein. Dies betrifft insbesondere charakteristische mikrotubuläre Netzwerke, die bei der Neubildung und der Verstärkung der Zellwände wichtige Rollen übernehmen. Wie der Aufbau dieser Netzwerke kontrolliert wird, ist bisher relativ unklar. Typische Mikrotubuli organisierende Zentren (MTOC), insbesondere Centrosomen oder Spindelpolkörper, sind bei höheren Pflanzen nicht beobachtet worden. Von pilzlichen und tierischen Organismen weiß man, dass gamma-Tubulin (gTUB) mit seinen assoziierten Proteinen in den MTOC bei der Nukleation von Mikrotubuli eine Schlüsselfunktion hat. Dieses Mitglied der Tubulin-Superfamilie wird aber auch in Pflanzen gefunden, dessen genaue Funktion bisher unbekannt ist. Zu Beginn der Arbeit wurden mittels in silico Berechnungen Strukturmodelle des pflanzlichen gTUBs aus Nicotiana tabacum erarbeitet, da die Struktur, die zu einem Verständnis der pflanzlichen Wachstumsregulation beitragen könnte, bisher unbekannt ist. Auf Grundlage der bioinformatischen Daten konnte für weitere Studien eine notwendige gTUB-Deletionsmutante entwickelt werden. Für Röntgendiffraktionsstudien und gTUB-Interaktionspartneranalysen war die Verfügbarkeit verhältnismäßig großer Proteinmengen notwendig. Die Expression der gTUB-Volllängensequenz in gelöster und aktiver Form stellte einen immanent wichtigen Zwischenschritt dar. Das Escherichia coli T7/lacO-Expressionssystem lieferte, trotz vielversprechender Erfolge in der Vergangenheit, kein gelöstes rekombinantes gTUB. So wurden zwar verhältnismäßig hohe Expressionsraten erzielt, aber das rekombinante gTUB lag quantitativ als Inclusion bodies vor. Eine Variationen der Expressionsparameter sowie umfangreiche Versuche mittels verschiedenster Konstrukte sowie potentiell die Löslichkeit erhöhenden Tags gTUB in gelöster Form in E. coli zu exprimieren blieben erfolglos. Eine Denaturierung der Inclusion bodies und Rückfaltung wurde aufgrund der wohl bei der Tubulinfaltung notwendigen komplexeren Chaperone sowie thermodynamischer Überlegungen ausgeschlossen. Die höher evolvierte Chaperonausstattung war ein Hauptgrund für die Verwendung der eukaryotischen Hefe-Expressionssysteme K. lactis und des S. cerevisiae-Stammes FGY217 zur gTUB-Expression. So konnten nach der Selektion nur transgene Hefe-Zellen dokumentiert werden, die die gTUB-Expressionskassette nachweislich an der vorgesehenen Zielposition in ihrem Genom integrierten, aber keine dokumentierbare Expression zeigten. Die wahrscheinlichste Begründung hierfür ist, dass ein erhöhter intrazellulärer gTUB-Titer mit dem Zellwachstum und der Zellteilung dieser eukaryotischen Organismen interferierte und durch Rückkopplungen die rekombinante gTUB-CDS aus N. tabacum ausgeschaltet wurde. Der Versuch einer transienten gTUB-Überexpression in differenzierten Blattgeweben höherer Pflanzen war eine logische Konsequenz aus den vorherigen Ergebnissen und lieferte, wenn auch nicht die für eine Proteinkristallisation notwendigen Mengen, gelöstes gTUB. Bestrebungen einer stabilen Transfektion von A. thaliana oder BY-2-Zellkulturen mit einer gTUB-CDS lieferten keine transgenen Organismen, was starke Interferenzen der rekombinanten gTUB-CDS in den Zellen vermuten lies. Transfektionsversuche mit nur GFP tragenden Konstrukten ergaben hingegen eine hohe Anzahl an transgenen Organismen, die auch verhältnismäßig starke Expressionsraten zeigten. Die erzielten Proteinmengen bei der transienten gTUB-Überexpression in N. benthamiana Blattgeweben, in Co-Expression mit dem Posttransriptional Gene Silencing-Suppressorprotein p19, waren für einen Pull-Down sowie eine massenspektroskopische Analyse der Interaktionspartner ausreichend und ergaben Befunde. Eine abschließende Auswertung des erarbeiteten massenspektroskopischen Datensatzes wird jedoch erst dann möglich sein, wenn das Tabak-Proteom vollständig sequenziert ist. Die Erweiterung der bestehenden pflanzlichen Vergleichsdatenbanken um das bisher bekannte Tabak-Proteom vervielfachte die Anzahl der in dieser Studie identifizierten gTUB-Interaktionspartner. Interaktionen mit dem TCP1-Chaperon untermauern die Hypothese der zur Faltung pflanzlichen gTUBs notwendigen Chaperone. Beobachtete gTUB-Degradationsmuster in Verbindung mit Interaktionen des 26S-Proteasoms deuten auf eine Gegenregulationen bei erhöhtem gTUB-Titer auf Proteinebene hin. Da Blattgewebe selbst nur noch über eine sehr geringe und inhomogene Teilungsaktivität verfügen ist diese Regulation hoch spannend. Auch konnte durch Co-Expression des PTGS-Suppressorproteins p19 gezeigt werden, dass bei der gTUB-Expression eine Regulation auf RNA-Ebene erfolgt.

Statistical methods for the analysis of DNA sequences: application to dinucleotide distribution in the human genome

Questa tesi si inserisce nell'ambito delle analisi statistiche e dei metodi stocastici applicati all'analisi delle sequenze di DNA. Nello specifico il nostro lavoro è incentrato sullo studio del dinucleotide CG (CpG) all'interno del genoma umano, che si trova raggruppato in zone specifiche denominate CpG islands. Queste sono legate alla metilazione del DNA, un processo che riveste un ruolo fondamentale nella regolazione genica. La prima parte dello studio è dedicata a una caratterizzazione globale del contenuto e della distribuzione dei 16 diversi dinucleotidi all'interno del genoma umano: in particolare viene studiata la distribuzione delle distanze tra occorrenze successive dello stesso dinucleotide lungo la sequenza. I risultati vengono confrontati con diversi modelli nulli: sequenze random generate con catene di Markov di ordine zero (basate sulle frequenze relative dei nucleotidi) e uno (basate sulle probabilità di transizione tra diversi nucleotidi) e la distribuzione geometrica per le distanze. Da questa analisi le proprietà caratteristiche del dinucleotide CpG emergono chiaramente, sia dal confronto con gli altri dinucleotidi che con i modelli random. A seguito di questa prima parte abbiamo scelto di concentrare le successive analisi in zone di interesse biologico, studiando l’abbondanza e la distribuzione di CpG al loro interno (CpG islands, promotori e Lamina Associated Domains). Nei primi due casi si osserva un forte arricchimento nel contenuto di CpG, e la distribuzione delle distanze è spostata verso valori inferiori, indicando che questo dinucleotide è clusterizzato. All’interno delle LADs si trovano mediamente meno CpG e questi presentano distanze maggiori. Infine abbiamo adottato una rappresentazione a random walk del DNA, costruita in base al posizionamento dei dinucleotidi: il walk ottenuto presenta caratteristiche drasticamente diverse all’interno e all’esterno di zone annotate come CpG island. Riteniamo pertanto che metodi basati su questo approccio potrebbero essere sfruttati per migliorare l’individuazione di queste aree di interesse nel genoma umano e di altri organismi.

Extraktion und nanoanalytische Charakterisierung refraktärer Nanometallpartikel frühester solarer Materie und Synthese metallischer Nanopartikel aus dotierten Ca-Mg-Al-Si-Schmelzen

Primitive kohlige Chondrite sind Meteorite, die seit ihrer Entstehung im frühen Sonnensystem kaum verändert wurden und dadurch einen Einblick in Prozesse geben, die zur Bildung und Veränderung der ersten festen Materie führten. Solche Prozesse können anhand von Bruchstücken dieser Meteorite detailliert im Labor studiert werden, sodass Rückschlüsse auf die Entwicklung unseres Sonnensystems im frühen Stadium getroffen werden können. Ca-, Al-reiche Einschlüsse (CAIs) aus chondritischen Meteoriten sind die ersten Festkörper des Sonnensystems und enthalten viele refraktäre Metallnuggets (RMNs), welche hauptsächlich aus den Elementen Os, Ir, Ru, Mo und Pt bestehen. Nach weit verbreiteter Ansicht sind diese Nuggets wahrscheinlich im Gleichgewicht mit dem solaren Nebel kondensiert, bereits früher oder gleichzeitig mit Oxiden und Silikaten. Die exakten Mechanismen, die zu ihren heute beobachteten Eigenschaften führten, sind allerdings unklar. Um frühere Arbeiten fortzuführen, wurde eine hohe Anzahl RMNs in vier unterschiedlichen Typen von Meteoriten detailliert studiert, darunter solche aus dem nahezu unveränderten Acfer 094, Allende (CV3ox), Leoville (CV3red) und Murchison (CM2). Die RMNs wurden in-situ, assoziiert mit ihren Wirtsmineralen und auch in Säurerückständen gefunden, deren Präparationsprozedur in dieser Arbeit speziell für RMNs durch eine zusätzliche Dichtetrennung verbessert wurde.rnDie Ergebnisse decken eine Reihe von Ungereimtheiten zwischen den beobachteten RMN-Eigenschaften und einer Kondensationsherkunft auf, sowohl für Kondensation in solarer Umgebung, als auch für Kondensation aus Material von Supernovae oder roten Riesen, für die die Kondensationssequenzen refraktärer Metalle speziell für diesen Vergleich berechnet wurden. Stattdessen wurden in dieser Arbeit neue Einblicke in die RMN-Entstehung und die Entwicklung der ersten Festkörper (CAIs) durch eine Kombination aus experimentellen, isotopischen, strukturellen und petrologischen Studien an RMNs gewonnen. Viele der beobachteten Eigenschaften sind mit Ausfällung der RMN aus einer CAI-Schmelze vereinbar. Ein solches Szenario wird durch entsprechende Untersuchungen an synthetisch hergestellten, mit refraktären Metallen im Gleichgewicht stehenden CAI-Schmelzen bestätigt. Es folgt aus den Ergebnissen, dass die Mehrzahl der RMNs isotopisch solar ist und alle untersuchten RMNs innerhalb von CAIs bei rascher Abkühlung (um bis zu 1000 °C/40 sek.) einer CAI-Schmelze gebildet wurden. rn