Multimodal integration of functional and structural brain connectivity. An application to the characterization of Mild Cognitive Impairment

La investigación para el conocimiento del cerebro es una ciencia joven, su inicio se remonta a Santiago Ramón y Cajal en 1888. Desde esta fecha a nuestro tiempo la neurociencia ha avanzado mucho en el desarrollo de técnicas que permiten su estudio. Desde la neurociencia cognitiva hoy se explican muchos modelos que nos permiten acercar a nuestro entendimiento a capacidades cognitivas complejas. Aun así hablamos de una ciencia casi en pañales que tiene un lago recorrido por delante. Una de las claves del éxito en los estudios de la función cerebral ha sido convertirse en una disciplina que combina conocimientos de diversas áreas: de la física, de las matemáticas, de la estadística y de la psicología. Esta es la razón por la que a lo largo de este trabajo se entremezclan conceptos de diferentes campos con el objetivo de avanzar en el conocimiento de un tema tan complejo como el que nos ocupa: el entendimiento de la mente humana. Concretamente, esta tesis ha estado dirigida a la integración multimodal de la magnetoencefalografía (MEG) y la resonancia magnética ponderada en difusión (dMRI). Estas técnicas son sensibles, respectivamente, a los campos magnéticos emitidos por las corrientes neuronales, y a la microestructura de la materia blanca cerebral. A lo largo de este trabajo hemos visto que la combinación de estas técnicas permiten descubrir sinergias estructurofuncionales en el procesamiento de la información en el cerebro sano y en el curso de patologías neurológicas. Más específicamente en este trabajo se ha estudiado la relación entre la conectividad funcional y estructural y en cómo fusionarlas. Para ello, se ha cuantificado la conectividad funcional mediante el estudio de la sincronización de fase o la correlación de amplitudes entre series temporales, de esta forma se ha conseguido un índice que mide la similitud entre grupos neuronales o regiones cerebrales. Adicionalmente, la cuantificación de la conectividad estructural a partir de imágenes de resonancia magnética ponderadas en difusión, ha permitido hallar índices de la integridad de materia blanca o de la fuerza de las conexiones estructurales entre regiones. Estas medidas fueron combinadas en los capítulos 3, 4 y 5 de este trabajo siguiendo tres aproximaciones que iban desde el nivel más bajo al más alto de integración. Finalmente se utilizó la información fusionada de MEG y dMRI para la caracterización de grupos de sujetos con deterioro cognitivo leve, la detección de esta patología resulta relevante en la identificación precoz de la enfermedad de Alzheimer. Esta tesis está dividida en seis capítulos. En el capítulos 1 se establece un contexto para la introducción de la connectómica dentro de los campos de la neuroimagen y la neurociencia. Posteriormente en este capítulo se describen los objetivos de la tesis, y los objetivos específicos de cada una de las publicaciones científicas que resultaron de este trabajo. En el capítulo 2 se describen los métodos para cada técnica que fue empleada: conectividad estructural, conectividad funcional en resting state, redes cerebrales complejas y teoría de grafos y finalmente se describe la condición de deterioro cognitivo leve y el estado actual en la búsqueda de nuevos biomarcadores diagnósticos. En los capítulos 3, 4 y 5 se han incluido los artículos científicos que fueron producidos a lo largo de esta tesis. Estos han sido incluidos en el formato de la revista en que fueron publicados, estando divididos en introducción, materiales y métodos, resultados y discusión. Todos los métodos que fueron empleados en los artículos están descritos en el capítulo 2 de la tesis. Finalmente, en el capítulo 6 se concluyen los resultados generales de la tesis y se discuten de forma específica los resultados de cada artículo. ABSTRACT In this thesis I apply concepts from mathematics, physics and statistics to the neurosciences. This field benefits from the collaborative work of multidisciplinary teams where physicians, psychologists, engineers and other specialists fight for a common well: the understanding of the brain. Research on this field is still in its early years, being its birth attributed to the neuronal theory of Santiago Ramo´n y Cajal in 1888. In more than one hundred years only a very little percentage of the brain functioning has been discovered, and still much more needs to be explored. Isolated techniques aim at unraveling the system that supports our cognition, nevertheless in order to provide solid evidence in such a field multimodal techniques have arisen, with them we will be able to improve current knowledge about human cognition. Here we focus on the multimodal integration of magnetoencephalography (MEG) and diffusion weighted magnetic resonance imaging. These techniques are sensitive to the magnetic fields emitted by the neuronal currents and to the white matter microstructure, respectively. The combination of such techniques could bring up evidences about structural-functional synergies in the brain information processing and which part of this synergy fails in specific neurological pathologies. In particular, we are interested in the relationship between functional and structural connectivity, and how two integrate this information. We quantify the functional connectivity by studying the phase synchronization or the amplitude correlation between time series obtained by MEG, and so we get an index indicating similarity between neuronal entities, i.e. brain regions. In addition we quantify structural connectivity by performing diffusion tensor estimation from the diffusion weighted images, thus obtaining an indicator of the integrity of the white matter or, if preferred, the strength of the structural connections between regions. These quantifications are then combined following three different approaches, from the lowest to the highest level of integration, in chapters 3, 4 and 5. We finally apply the fused information to the characterization or prediction of mild cognitive impairment, a clinical entity which is considered as an early step in the continuum pathological process of dementia. The dissertation is divided in six chapters. In chapter 1 I introduce connectomics within the fields of neuroimaging and neuroscience. Later in this chapter we describe the objectives of this thesis, and the specific objectives of each of the scientific publications that were produced as result of this work. In chapter 2 I describe the methods for each of the techniques that were employed, namely structural connectivity, resting state functional connectivity, complex brain networks and graph theory, and finally, I describe the clinical condition of mild cognitive impairment and the current state of the art in the search for early biomarkers. In chapters 3, 4 and 5 I have included the scientific publications that were generated along this work. They have been included in in their original format and they contain introduction, materials and methods, results and discussion. All methods that were employed in these papers have been described in chapter 2. Finally, in chapter 6 I summarize all the results from this thesis, both locally for each of the scientific publications and globally for the whole work.

La identificaciónde de los daños estructurales, herramienta de la nueva atribución de responsabilidades : análisis crítico de la transición del art. 1591 cc al art. 17 LOE

RESUMEN Su objetivo esencial: Regular el proceso de la edificación, está basado en 3 grandes pilares: 1.- Completar la configuración legal de los agentes que intervienen en el mismo, fijando sus obligaciones para así establecer las responsabilidades. 2.- Fomentar la calidad de los edificios. 3.- Fijar las garantías a los usuarios frente a los posibles daños. Estos tres fundamentos están intensamente relacionados, ya que, las obligaciones y responsabilidades de los agentes son la base de la constitución de las garantías a los usuarios, definidas mediante los requisitos básicos que deben satisfacer los edificios. Partiendo del análisis cualitativo y cuantitativo del grado de cumplimiento del objetivo de la nueva Ley, elaborado a través del estudio de sus tres pilares fundamentales, proponemos medidas tendentes a la plena entrada en vigor de la misma. Para ello se deberá desarrollar el Real Decreto previsto en la Disposición Adicional 2ª, una vez conseguido el grado de madurez de los sectores de la edificación y del seguro. En todo este proceso de estudio hemos podido apreciar que la objetiva identificación de los daños y en especial los que afectan la estabilidad del edificio, constituye una herramienta fundamental para la correcta atribución de responsabilidades a los agentes, basada en la aplicación de los tres grados de responsabilidad “ex lege” por daños materiales y sus plazos de prescripción surgidos del nuevo régimen impuesto por el art. 17 LOE Para avalar esta propuesta hemos analizado: 1.- El entorno económico, general y pormenorizado al sector de la edificación, en Europa y España durante el período comprendido entre los años 1990 y 2013, años previos y posteriores a la entrada en vigor de la Ley, dada la influencia de los ciclos de actividad producidos en la regulación del sector, las responsabilidades atribuidas a los agentes, el fomento de la calidad y las garantías ofrecidas a los adquirentes. 2.- Las diversas legislaciones sobre responsabilidades y garantías de los agentes de la edificación en los países de nuestro entorno económico. 3.- La gestación de la LOE, incidiendo en la evolución de los últimos borradores y su tramitación parlamentaria. 4.- El desarrollo doctrinal de la Transición desde el régimen de responsabilidades, fijado por el art. 1591 de Código Civil, y su Jurisprudencia, hacia el nuevo régimen de responsabilidades establecido por el art. 17 LOE. En esta tarea además de apreciar la asimilación, por parte de los Jueces y Magistrados, de los principios doctrinales de la LOE, hemos observado la labor de los peritos, de cuya experta identificación de las causas de los daños depende la justa y eficaz atribución de responsabilidades. 5 -. El grado de eficacia de la LOE a la vista de la estadística siniestral, de la que ya hay datos consolidados, tras la cancelación de casi 15.000 expedientes de reclamación a Arquitectos. 6 -. También hemos estudiado el grado de cumplimiento con el usuario y propietario de las garantías previstas en el art. 19 de la Ley y en la D.A. 1ª, los efectos reales alcanzados y las tareas pendientes por delante. Analizando la atribución de responsabilidades a los agentes de la edificación, dentro del primer pilar fundamental de la LOE, hemos estudiado las actuaciones de los peritos expertos y su incidencia en este objetivo, previa selección de casos de gran interés y dificultad. Fruto de ello se han formulado propuestas tendentes a la especialización de este colectivo, evitando conductas “irregulares” que tanto daño provocan a los agentes reclamados como a los propietarios afectados. Este daño es evidente pudiendo ocasionar condenas injustas, enriquecimientos ilícitos o bien falsas expectativas de satisfacción de daños mal dictaminados y costosas e ineficaces reparaciones. De cara a la consecución del pilar de la calidad de la edificación, mediante los requisitos básicos planteados por la LOE y desarrollados por el Código Técnico de la Edificación (Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo), hemos procesado datos de expedientes de reclamaciones por daños que afectan a edificios ejecutados bajo el nuevo régimen LOE. Con esta base se han analizado las causas generadoras de las diversas lesiones y su frecuencia para que de este análisis puedan establecerse pautas de actuación para su prevención. Finalmente, tras demostrar que las garantías obligatorias impuestas por la LOE sólo abarcan un pequeño porcentaje de los posibles daños a la edificación, insistimos en la necesidad de la plena eficacia de la Ley mediante la aprobación de todas las garantías previstas y para todo tipo de edificaciones. En suma, se ha diseñado la tesis como una matriz abierta en la que podremos continuar incorporando datos de la evolución de la doctrina, la jurisprudencia y la estadística de los daños en la edificación. ABSTRACT The approval of Law 38/1999 on November 5, 1999, (Official Gazette BOE 266/1999 of 11.6.1999, p. 38925), was the culmination of a long period of over 20 years of gestation for which deep agreements were needed between all stakeholders affected. Although several parliamentary groups denounced its incomplete approval, regarding mandatory guarantees to the purchaser, its enactment caused general satisfaction among most of the the building agents. This assessment remains after fourteen years since its partial enactment. Its essential purpose, “to regulate the building process”, is based on 3 pillars: 1.- To complete the legal configuration of the agents involved in it, setting their obligations in order to establish their responsibilities. 2.- To promote the buildings quality. 3.- To specify users´guarantees against possible buildings damage. These three issues are strongly related, since the obligations and responsibilities of the actors are the basis of the users’guarantees constitution, defined by the basic performance required by buildings. Based on the qualitative and quantitative analysis of the fulfillment of the new law’s objectives, made by monitoring the three pillars, we propose measures to the full enactment of this Directive, by the development of the Royal Decree, provided in its Second Additional Provision, once maturity in the sectors of the building and insurance is achieved. Throughout this process of study we have seen that the skill identification of damage, particularly those affecting the stability of the building, is an essential tool for the proper allocation of responsibilities of the new regime installed by the art. 17 LOE, based on the application of the three degrees of responsibility "ex lege" for property damage and limitation periods. To support this proposal, we have analyzed: 1.- The evolution of the building sector in Europe and Spain during the years before and after the enactment of the Law, due to the influence of cycles of activity produced in industry regulation, the responsibilities attributed to agents, promotion of the quality and the assurances given to acquirers. 2.- The scope of various laws on liability and building agents warranties in the countries of our economic environment. 3.- The long period of LOE generation, focusing on the developments in recent drafts and parliamentary procedure. 4.- The doctrinal development in the Transition from the regime of responsibilities, set by art. 1591 of the Civil Code, and its Jurisprudence, to the new liability regime established by art. 17 LOE. In this task, while we have noted assimilation by the Judges and Magistrates of the doctrinal principles of the LOE, we have also analyzed the work of experts, whose skilled identification of the damage causes helps the fair and efficient allocation of responsibilities. 5 - The effectiveness of the LOE based on knowledge of the siniestral statistics, which are already consolidated data, after the cancellation of nearly 15,000 claims to Architects. 6.- We have also studied the degree of compliance with the user and owner guarantees, established in art. 19 and the D.A. 1th of the LOE, exposing the real effects achieved and the pending tasks ahead. Analyzing the allocation of the building agents´ responsibilities, within the first cornerstone of the LOE, we have studied the expert witnesses actions and their impact on this duty, selecting cases of great interest and difficulty in this aim. The result of this enterprise has been to propose the specialization of this group, avoiding "irregular" behaviors that create as much damage as the agents claimed to affected owners. This damage is evident and can cause wrong convictions, illicit enrichment, false expectations and inefficient and costly damage repairs. In order to achieve the pillar of building quality through the basic requirements set by the LOE and developed by the Technical Building Code (Royal Decree 314/ 2006 of 17 March), we have analyzed records of damage claims involving buildings executed under the new regime LOE. On this basis we have analyzed the root causes of various damages and their frequency, from these data it will be easy to propose lines of action for prevention. Finally, after demonstrating that mandatory warranties imposed by LOE cover only a small percentage of the potential building damage, we emphasize the need for the full effectiveness of the Law by the obligation all the guarantees provided in the art. 19 LOE, and for all types of buildings. In conclusion, this thesis is designed as an open matrix in which we will continue including data on the evolution of the doctrine, jurisprudence and the statistics of the damage to the building.

Research on wide-bandgap intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization

El trabajo que ha dado lugar a esta Tesis Doctoral se enmarca en la invesitagación en células solares de banda intermedia (IBSCs, por sus siglas en inglés). Se trata de un nuevo concepto de célula solar que ofrece la posibilidad de alcanzar altas eficiencias de conversión fotovoltaica. Hasta ahora, se han demostrado de manera experimental los fundamentos de operación de las IBSCs; sin embargo, esto tan sólo has sido posible en condicines de baja temperatura. El concepto de banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) exige que haya desacoplamiento térmico entre la IB y las bandas de valencia y conducción (VB and CB, respectivamente, por sus siglas en inglés). Los materiales de IB actuales presentan un acoplamiento térmico demasiado fuerte entre la IB y una de las otras dos bandas, lo cual impide el correcto funcionamiento de las IBSCs a temperatura ambiente. En el caso particular de las IBSCs fabricadas con puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés) de InAs/GaAs - a día de hoy, la tecnología de IBSC más estudiada - , se produce un rápido intercambio de portadores entre la IB y la CB, por dos motivos: (1) una banda prohibida estrecha (< 0.2 eV) entre la IB y la CB, E^, y (2) la existencia de niveles electrónicos entre ellas. El motivo (1) implica, a su vez, que la máxima eficiencia alcanzable en estos dispositivos es inferior al límite teórico de la IBSC ideal, en la cual E^ = 0.71 eV. En este contexto, nuestro trabajo se centra en el estudio de IBSCs de alto gap (o banda prohibida) fabricadsas con QDs, o lo que es lo mismo, QD-IBSCs de alto gap. Hemos fabricado e investigado experimentalmente los primeros prototipos de QD-IBSC en los que se utiliza AlGaAs o InGaP para albergar QDs de InAs. En ellos demostramos une distribución de gaps mejorada con respecto al caso de InAs/GaAs. En concreto, hemos medido valores de E^ mayores que 0.4 eV. En los prototipos de InAs/AlGaAs, este incremento de E^ viene acompaado de un incremento, en más de 100 meV, de la energía de activación del escape térmico. Además, nuestros dispositivos de InAs/AlGaAs demuestran conversión a la alza de tensión; es decir, la producción de una tensión de circuito abierto mayor que la energía de los fotones (dividida por la carga del electrón) de un haz monocromático incidente, así como la preservación del voltaje a temperaura ambiente bajo iluminación de luz blanca concentrada. Asimismo, analizamos el potencial para detección infrarroja de los materiales de IB. Presentamos un nuevo concepto de fotodetector de infrarrojos, basado en la IB, que hemos llamado: fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro novedoso dispositivo se basa en un nuevo pricipio físico que permite que la detección de luz infrarroja sea conmutable (ON y OFF) mediante iluminación externa. Hemos fabricado un OTIP basado en QDs de InAs/AlGaAs con el que demostramos fotodetección, bajo incidencia normal, en el rango 2-6/xm, activada ópticamente por un diodoe emisor de luz de 590 nm. El estudio teórico del mecanismo de detección asistido por la IB en el OTIP nos lleva a poner en cuestión la asunción de quasi-niveles de Fermi planos en la zona de carga del espacio de una célula solar. Apoyados por simuaciones a nivel de dispositivo, demostramos y explicamos por qué esta asunción no es válida en condiciones de corto-circuito e iluminación. También llevamos a cabo estudios experimentales en QD-IBSCs de InAs/AlGaAs con la finalidad de ampliar el conocimiento sobre algunos aspectos de estos dispositivos que no han sido tratados aun. En particular, analizamos el impacto que tiene el uso de capas de disminución de campo (FDLs, por sus siglas en inglés), demostrando su eficiencia para evitar el escape por túnel de portadores desde el QD al material anfitrión. Analizamos la relación existente entre el escape por túnel y la preservación del voltaje, y proponemos las medidas de eficiencia cuántica en función de la tensión como una herramienta útil para evaluar la limitación del voltaje relacionada con el túnel en QD-IBSCs. Además, realizamos medidas de luminiscencia en función de la temperatura en muestras de InAs/GaAs y verificamos que los resltados obtenidos están en coherencia con la separación de los quasi-niveles de Fermi de la IB y la CB a baja temperatura. Con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM), hemos participado en la instalación y puesta en marcha de un reactor de epitaxia de haz molecular (MBE, por sus siglas en inglés) y el desarrollo de un equipo de caracterización de foto y electroluminiscencia. Utilizando dicho reactor MBE, hemos crecido, y posteriormente caracterizado, la primera QD-IBSC enteramente fabricada en el IES-UPM. ABSTRACT The constituent work of this Thesis is framed in the research on intermediate band solar cells (IBSCs). This concept offers the possibility of achieving devices with high photovoltaic-conversion efficiency. Up to now, the fundamentals of operation of IBSCs have been demonstrated experimentally; however, this has only been possible at low temperatures. The intermediate band (IB) concept demands thermal decoupling between the IB and the valence and conduction bands. Stateof- the-art IB materials exhibit a too strong thermal coupling between the IB and one of the other two bands, which prevents the proper operation of IBSCs at room temperature. In the particular case of InAs/GaAs quantum-dot (QD) IBSCs - as of today, the most widely studied IBSC technology - , there exist fast thermal carrier exchange between the IB and the conduction band (CB), for two reasons: (1) a narrow (< 0.2 eV) energy gap between the IB and the CB, EL, and (2) the existence of multiple electronic levels between them. Reason (1) also implies that maximum achievable efficiency is below the theoretical limit for the ideal IBSC, in which EL = 0.71 eV. In this context, our work focuses on the study of wide-bandgap QD-IBSCs. We have fabricated and experimentally investigated the first QD-IBSC prototypes in which AlGaAs or InGaP is the host material for the InAs QDs. We demonstrate an improved bandgap distribution, compared to the InAs/GaAs case, in our wide-bandgap devices. In particular, we have measured values of EL higher than 0.4 eV. In the case of the AlGaAs prototypes, the increase in EL comes with an increase of more than 100 meV of the activation energy of the thermal carrier escape. In addition, in our InAs/AlGaAs devices, we demonstrate voltage up-conversion; i. e., the production of an open-circuit voltage larger than the photon energy (divided by the electron charge) of the incident monochromatic beam, and the achievement of voltage preservation at room temperature under concentrated white-light illumination. We also analyze the potential of an IB material for infrared detection. We present a IB-based new concept of infrared photodetector that we have called the optically triggered infrared photodetector (OTIP). Our novel device is based on a new physical principle that allows the detection of infrared light to be switched ON and OFF by means of an external light. We have fabricated an OTIP based on InAs/AlGaAs QDs with which we demonstrate normal incidence photodetection in the 2-6 /xm range optically triggered by a 590 nm light-emitting diode. The theoretical study of the IB-assisted detection mechanism in the OTIP leads us to questioning the assumption of flat quasi-Fermi levels in the space-charge region of a solar cell. Based on device simulations, we prove and explain why this assumption is not valid under short-circuit and illumination conditions. We perform new experimental studies on InAs/GaAs QD-IBSC prototypes in order to gain knowledge on yet unexplored aspects of the performance of these devices. Specifically, we analyze the impact of the use of field-damping layers, and demonstrate this technique to be efficient for avoiding tunnel carrier escape from the QDs to the host material. We analyze the relationship between tunnel escape and voltage preservation, and propose voltage-dependent quantum efficiency measurements as an useful technique for assessing the tunneling-related limitation to the voltage preservation of QD-IBSC prototypes. Moreover, we perform temperature-dependent luminescence studies on InAs/GaAs samples and verify that the results are consistent with a split of the quasi-Fermi levels for the CB and the IB at low temperature. In order to contribute to the fabrication and characterization capabilities of the Solar Energy Institute of the Universidad Polite´cnica de Madrid (IES-UPM), we have participated in the installation and start-up of an molecular beam epitaxy (MBE) reactor and the development of a photo and electroluminescence characterization set-up. Using the MBE reactor, we have manufactured and characterized the first QD-IBSC fully fabricated at the IES-UPM.