VHDL-based system design of a cognitive sensorimotor loop (CSL) for haptic Human-Machine Interaction (HMI)

This document is a summary of the Bachelor thesis titled “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” written by Pablo de Miguel Morales, Electronics Engineering student at the Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, Spain) during an Erasmus+ Exchange Program at the Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Germany). The tutor of this project is Dr. Prof. Hild. This project has been developed inside the Neurobotics Research Laboratory (NRL) in close collaboration with Benjamin Panreck, a member of the NRL, and another exchange student from the UPM Pablo Gabriel Lezcano. For a deeper comprehension of the content of the thesis, a deeper look in the document is needed as well as the viewing of the videos and the VHDL design. In the growing field of automation, a large amount of workforce is dedicated to improve, adapt and design motor controllers for a wide variety of applications. In the specific field of robotics or other machinery designed to interact with humans or their environment, new needs and technological solutions are often being discovered due to the existing, relatively unexplored new scenario it is. The project consisted of three main parts: Two VHDL-based systems and one short experiment on the haptic perception. Both VHDL systems are based on a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) which is a control loop designed by the NRL and mainly developed by Dr. Prof. Hild. The CSL is a control loop whose main characteristic is the fact that it does not use any external sensor to measure the speed or position of the motor but the motor itself. The motor always generates a voltage that is proportional to its angular speed so it does not need calibration. This method is energy efficient and simplifies control loops in complex systems. The first system, named CSL Stay In Touch (SIT), consists in a one DC motor system controller by a FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) whose aim is to keep contact with any external object that touches its Sensing Platform in both directions. Apart from the main behavior, three features (Search Mode, Inertia Mode and Return Mode) have been designed to enhance the haptic interaction experience. Additionally, a VGA-Screen is also controlled by the FPGA Board for the monitoring of the whole system. This system has been completely developed, tested and improved; analyzing its timing and consumption properties. The second system, named CSL Fingerlike Mechanism (FM), consists in a fingerlike mechanical system controlled by two DC motors (Each controlling one part of the finger). The behavior is similar to the first system but in a more complex structure. This system was optional and not part of the original objectives of the thesis and it could not be properly finished and tested due to the lack of time. The haptic perception experiment was an experiment conducted to have an insight into the complexity of human haptic perception in order to implement this knowledge into technological applications. The experiment consisted in testing the capability of the subjects to recognize different objects and shapes while being blindfolded and with their ears covered. Two groups were done, one had full haptic perception while the other had to explore the environment with a plastic piece attached to their finger to create a haptic handicap. The conclusion of the thesis was that a haptic system based only on a CSL-based system is not enough to retrieve valuable information from the environment and that other sensors are needed (temperature, pressure, etc.) but that a CSL-based system is very useful to control the force applied by the system to interact with haptic sensible surfaces such as skin or tactile screens. RESUMEN. Este documento es un resumen del proyecto fin de grado titulado “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” escrito por Pablo de Miguel, estudiante de Ingeniería Electrónica de Comunicaciones en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, España) durante un programa de intercambio Erasmus+ en la Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Alemania). El tutor de este proyecto ha sido Dr. Prof. Hild. Este proyecto se ha desarrollado dentro del Neurorobotics Research Laboratory (NRL) en estrecha colaboración con Benjamin Panreck (un miembro del NRL) y con Pablo Lezcano (Otro estudiante de intercambio de la UPM). Para una comprensión completa del trabajo es necesaria una lectura detenida de todo el documento y el visionado de los videos y análisis del diseño VHDL incluidos en el CD adjunto. En el creciente sector de la automatización, una gran cantidad de esfuerzo está dedicada a mejorar, adaptar y diseñar controladores de motor para un gran rango de aplicaciones. En el campo específico de la robótica u otra maquinaria diseñada para interactuar con los humanos o con su entorno, nuevas necesidades y soluciones tecnológicas se siguen desarrollado debido al relativamente inexplorado y nuevo escenario que supone. El proyecto consta de tres partes principales: Dos sistemas basados en VHDL y un pequeño experimento sobre la percepción háptica. Ambos sistemas VHDL están basados en el Cognitive Sesnorimotor Loop (CSL) que es un lazo de control creado por el NRL y cuyo desarrollador principal ha sido Dr. Prof. Hild. El CSL es un lazo de control cuya principal característica es la ausencia de sensores externos para medir la velocidad o la posición del motor, usando el propio motor como sensor. El motor siempre genera un voltaje proporcional a su velocidad angular de modo que no es necesaria calibración. Este método es eficiente en términos energéticos y simplifica los lazos de control en sistemas complejos. El primer sistema, llamado CSL Stay In Touch (SIT), consiste en un sistema formado por un motor DC controlado por una FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) cuyo objetivo es mantener contacto con cualquier objeto externo que toque su plataforma sensible en ambas direcciones. Aparte del funcionamiento básico, tres modos (Search Mode, Inertia Mode y Return Mode) han sido diseñados para mejorar la interacción. Adicionalmente, se ha diseñado el control a través de la FPGA Board de una pantalla VGA para la monitorización de todo el sistema. El sistema ha sido totalmente desarrollado, testeado y mejorado; analizando su propiedades de timing y consumo energético. El segundo sistema, llamado CSL Fingerlike Mechanism (FM), consiste en un mecanismo similar a un dedo controlado por dos motores DC (Cada uno controlando una falange). Su comportamiento es similar al del primer sistema pero con una estructura más compleja. Este sistema no formaba parte de los objetivos iniciales del proyecto y por lo tanto era opcional. No pudo ser plenamente desarrollado debido a la falta de tiempo. El experimento de percepción háptica fue diseñado para profundizar en la percepción háptica humana con el objetivo de aplicar este conocimiento en aplicaciones tecnológicas. El experimento consistía en testear la capacidad de los sujetos para reconocer diferentes objetos, formas y texturas en condiciones de privación del sentido del oído y la vista. Se crearon dos grupos, en uno los sujetos tenían plena percepción háptica mientras que en el otro debían interactuar con los objetos a través de una pieza de plástico para generar un hándicap háptico. La conclusión del proyecto fue que un sistema háptico basado solo en sistemas CSL no es suficiente para recopilar información valiosa del entorno y que debe hacer uso de otros sensores (temperatura, presión, etc.). En cambio, un sistema basado en CSL es idóneo para el control de la fuerza aplicada por el sistema durante la interacción con superficies hápticas sensibles tales como la piel o pantallas táctiles.

Toward a consolidation of the CPV-specific-test procedures for inverters

The inverter in a photovoltaic system assures two essential functions. The first is to track the maximum power point of the system IV curve throughout variable environmental conditions. The second is to convert DC power delivered by the PV panels into AC power. Nowadays, in order to qualify inverters, manufacturers and certifying organisms use mainly European and/or CEC efficiency standards. The question arises if these are still representative of CPV system behaviour. We propose to use a set of CPV – specific weighted average and a representative dynamic response to have a better determination of the static and dynamic MPPT efficiencies. Four string-sized commercial inverters used in real CPV plants have been tested.

Intermittent pluri-sink model and the emergence of complex heterogeneity patterns: a simple paradigm for explaining complexity in soil chemical distributions

The spatial complexity of the distribution of organic matter, chemicals, nutrients, pollutants has been demonstrated to have multifractal nature (Kravchenco et al. [1]). This fact supports the possibility of existence of some emergent heterogeneity structure built under the evolution of the system. The aim of this note is providing a consistent explanation to the mentioned results via an extremely simple model.

System theory based hazard analysis applied to the process industry

Chemical process accidents still occur and cost billions of dollars and, what is worse, many human lives. That means that traditional hazard analysis techniques are not enough mainly owing to the increase of complexity and size of chemical plants. In the last years, a new hazard analysis technique has been developed, changing the focus from reliability to system theory and showing promising results in other industries such as aeronautical and nuclear. In this paper, we present an approach for the application of STAMP and STPA analysis developed by Leveson in 2011 to the process industry.

Face, content, and construct validity of the EndoViS training system for objective assessment of psychomotor skills of laparoscopic surgeons

Background The aim of this study is to present face, content, and constructs validity of the endoscopic orthogonal video system (EndoViS) training system and determines its efficiency as a training and objective assessment tool of the surgeons’ psychomotor skills. Methods Thirty-five surgeons and medical students participated in this study: 11 medical students, 19 residents, and 5 experts. All participants performed four basic skill tasks using conventional laparoscopic instruments and EndoViS training system. Subsequently, participants filled out a questionnaire regarding the design, realism, overall functionality, and its capabilities to train hand–eye coordination and depth perception, rated on a 5-point Likert scale. Motion data of the instruments were obtained by means of two webcams built into a laparoscopic physical trainer. To identify the surgical instruments in the images, colored markers were placed in each instrument. Thirteen motion-related metrics were used to assess laparoscopic performance of the participants. Statistical analysis of performance was made between novice, intermediate, and expert groups. Internal consistency of all metrics was analyzed with Cronbach’s α test. Results Overall scores about features of the EndoViS system were positives. Participants agreed with the usefulness of tasks and the training capacities of EndoViS system (score >4). Results presented significant differences in the execution of three skill tasks performed by participants. Seven metrics showed construct validity for assessment of performance with high consistency levels. Conclusions EndoViS training system has been successfully validated. Results showed that EndoViS was able to differentiate between participants of varying laparoscopic experience. This simulator is a useful and effective tool to objectively assess laparoscopic psychomotor skills of the surgeons.

A Reliable Open-Source System Architecture for the Fast Designing and Prototyping of Autonomous Multi-UAV Systems: Simulation and Experimentation

During the process of design and development of an autonomous Multi-UAV System, two main problems appear. The first one is the difficulty of designing all the modules and behaviors of the aerial multi-robot system. The second one is the difficulty of having an autonomous prototype of the system for the developers that allows to test the performance of each module even in an early stage of the project. These two problems motivate this paper. A multipurpose system architecture for autonomous multi-UAV platforms is presented. This versatile system architecture can be used by the system designers as a template when developing their own systems. The proposed system architecture is general enough to be used in a wide range of applications, as demonstrated in the paper. This system architecture aims to be a reference for all designers. Additionally, to allow for the fast prototyping of autonomous multi-aerial systems, an Open Source framework based on the previously defined system architecture is introduced. It allows developers to have a flight proven multi-aerial system ready to use, so that they can test their algorithms even in an early stage of the project. The implementation of this framework, introduced in the paper with the name of “CVG Quadrotor Swarm”, which has also the advantages of being modular and compatible with different aerial platforms, can be found at https://​github.​com/​Vision4UAV/​cvg_​quadrotor_​swarm with a consistent catalog of available modules. The good performance of this framework is demonstrated in the paper by choosing a basic instance of it and carrying out simulation and experimental tests whose results are summarized and discussed in this paper.

Polymerase recognition of synthetic oligodeoxyribonucleotides incorporating degenerate pyrimidine and purine bases

A universal base that is capable of substituting for any of the four natural bases in DNA would be of great utility in both mutagenesis and recombinant DNA experiments. This paper describes the properties of oligonucleotides incorporating two degenerate bases, the pyrimidine base 6H,8H-3,4-dihydropyrimido[4,5-c][1,2]oxazin-7-one and the purine base N6-methoxy-2,6-diaminopurine, designated P and K, respectively. An equimolar mixture of the analogues P and K (called M) acts, in primers, as a universal base. The thermal stability of oligonucleotide duplexes were only slightly reduced when natural bases were replaced by P or K. Templates containing the modified bases were copied by Taq polymerase; P behaved as thymine in 60% of copying events and as cytosine in 40%, whereas K behaved as if it were guanine (13%) or adenine (87%). The dUTPase gene of Caenorhabditis elegans, which we have found to contain three nonidentical homologous repeats, was used as a model system to test the use of these bases in primers for DNA synthesis. A pair of oligodeoxyribonucleotides, each 20 residues long and containing an equimolar mixture of P and K at six positions, primed with high specificity both T7 DNA polymerase in sequencing reactions and Taq polymerase in PCRs; no nonspecific amplification was obtained on genomic DNA of C. elegans. Use of P and K can significantly reduce the complexity of degenerate oligonucleotide mixtures, and when used together, P and K can act as a universal base.

Experience-dependent corticofugal adjustment of midbrain frequency map in bat auditory system

Recent studies of corticofugal modulation of auditory information processing indicate that cortical neurons mediate both a highly focused positive feedback to subcortical neurons “matched” in tuning to a particular acoustic parameter and a widespread lateral inhibition to “unmatched” subcortical neurons. This cortical function for the adjustment and improvement of subcortical information processing is called egocentric selection. Egocentric selection enhances the neural representation of frequently occurring signals in the central auditory system. For our present studies performed with the big brown bat (Eptesicus fuscus), we hypothesized that egocentric selection adjusts the frequency map of the inferior colliculus (IC) according to auditory experience based on associative learning. To test this hypothesis, we delivered acoustic stimuli paired with electric leg stimulation to the bat, because such paired stimuli allowed the animal to learn that the acoustic stimulus was behaviorally important and to make behavioral and neural adjustments based on the acquired importance of the acoustic stimulus. We found that acoustic stimulation alone evokes a change in the frequency map of the IC; that this change in the IC becomes greater when the acoustic stimulation is made behaviorally relevant by pairing it with electrical stimulation; that the collicular change is mediated by the corticofugal system; and that the IC itself can sustain the change evoked by the corticofugal system for some time. Our data support the hypothesis.

Signals and signs in the nervous system: The dynamic anatomy of electrical activity is probably information-rich

The dichotomy between two groups of workers on neuroelectrical activity is retarding progress. To study the interrelations between neuronal unit spike activity and compound field potentials of cell populations is both unfashionable and technically challenging. Neither of the mutual disparagements is justified: that spikes are to higher functions as the alphabet is to Shakespeare and that slow field potentials are irrelevant epiphenomena. Spikes are not the basis of the neural code but of multiple codes that coexist with nonspike codes. Field potentials are mainly information-rich signs of underlying processes, but sometimes they are also signals for neighboring cells, that is, they exert influence. This paper concerns opportunities for new research with many channels of wide-band (spike and slow wave) recording. A wealth of structure in time and three-dimensional space is different at each scale—micro-, meso-, and macroactivity. The depth of our ignorance is emphasized to underline the opportunities for uncovering new principles. We cannot currently estimate the relative importance of spikes and synaptic communication vs. extrasynaptic graded signals. In spite of a preponderance of literature on the former, we must consider the latter as probably important. We are in a primitive stage of looking at the time series of wide-band voltages in the compound, local field, potentials and of choosing descriptors that discriminate appropriately among brain loci, states (functions), stages (ontogeny, senescence), and taxa (evolution). This is not surprising, since the brains in higher species are surely the most complex systems known. They must be the greatest reservoir of new discoveries in nature. The complexity should not deter us, but a dose of humility can stimulate the flow of imaginative juices.

Functional testicular tissue does not masculinize development of the zebra finch song system.

Current theories of sexual differentiation maintain that ovarian estrogen prevents masculine development of the copulatory system in birds, whereas estrogen derived from testicular androgens promotes masculine sexual differentiation of neuroanatomy and sexual behavior in mammals. Paradoxically, some data suggest that the neural song system in zebra finches follows the mammalian pattern with estrogenic metabolites of testicular secretions causing masculine development. To test whether the removal of estrogen from males during early development would prevent the development of masculine song systems, zebra finches were treated embryonically with an inhibitor of estrogen synthesis. In addition, this treatment in genetic female zebra finches induced both functional ovarian and testicular tissue to develop, thus allowing the assessment of the direct effects of testicular secretions on song system development. In males, the inhibition of estrogen synthesis before hatching had a small but significant effect in demasculinizing one aspect of the neural song system. In treated females, the song systems remained morphologically feminine. These results suggest that masculinization of the song system is not determined solely by testicular androgens or their estrogenic metabolites.

A complexity measure for selective matching of signals by the brain.

We have previously derived a theoretical measure of neural complexity (CN) in an attempt to characterize functional connectivity in the brain. CN measures the amount and heterogeneity of statistical correlations within a neural system in terms of the mutual information between subsets of its units. CN was initially used to characterize the functional connectivity of a neural system isolated from the environment. In the present paper, we introduce a related statistical measure, matching complexity (CM), which reflects the change in CN that occurs after a neural system receives signals from the environment. CM measures how well the ensemble of intrinsic correlations within a neural system fits the statistical structure of the sensory input. We show that CM is low when the intrinsic connectivity of a simulated cortical area is randomly organized. Conversely, CM is high when the intrinsic connectivity is modified so as to differentially amplify those intrinsic correlations that happen to be enhanced by sensory input. When the input is represented by an individual stimulus, a positive value of CM indicates that the limited mutual information between sensory sheets sampling the stimulus and the rest of the brain triggers a large increase in the mutual information between many functionally specialized subsets within the brain. In this way, a complex brain can deal with context and go "beyond the information given."

A large-capacity memory system that recognizes the calls and songs of individual birds.

Auditory responses in the caudomedial neostriatum (NCM) of the zebra finch (Taeniopygia guttata) forebrain habituate to repeated presentations of a novel conspecific song. This habituation is long lasting and specific to individual stimuli. We here test the acoustic and ethological basis of this stimulus-specific habituation by recording extracellular multiunit activity in the NCM of awake male and female zebra finches presented with a variety of conspecific and heterospecific vocalizations, white noise, and tones. Initial responses to conspecific song and calls and to human speech were higher than responses to the other stimuli. Immediate habituation rates were high for all novel stimuli except tones, which habituated at a lower rate. Habituation to conspecific calls and songs outlasted habituation to other stimuli. The extent of immediate habituation induced by a particular novel song was not diminished when other conspecific songs were presented in alternation. In addition, the persistence of habituation was not diminished by exposure to other songs before testing, nor was it influenced by gender or laterality. Our results suggest that the NCM is specialized for remembering the calls and songs of many individual conspecifics.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Ajuste e ensaio de sistemas de proteção de geradores síncronos.

Os sistemas de proteção dos elementos da rede elétrica desempenham um papel de fundamental importância na segurança e confiabilidade dos sistemas de potência. A não atuação ou a atuação incorreta dos relés de proteção durante uma falta localizada em um componente da rede pode transformar-se em um evento sistêmico de grandes proporções (blecaute). Esses eventos trazem riscos e elevados prejuízos econômicos à sociedade. A proteção dos geradores síncronos, apesar do alto custo e complexidade deste tipo de equipamento, não recebe a mesma atenção na literatura que a dedicada à proteção de outros elementos da rede, como, por exemplo, a das linhas de transmissão. Isso decorre do menor número de geradores existentes na rede e também da ideia que as faltas neste tipo de equipamento são menos frequentes. Este trabalho aborda os principais aspectos envolvidos com o projeto de um sistema de proteção para geradores síncronos de grande porte. Incialmente, discutese os principais conceitos associados com os geradores, de interesse para a tarefa de proteção. Particular atenção é dedicada às formas de aterramento e aos critérios adotados para projeto do resistor de aterramento utilizado nesse equipamento. Em seguida, apresentam-se as principais funções de proteção aplicáveis aos geradores, particularmente aquelas voltadas para a detecção de faltas nos enrolamentos do estator. Discute-se também os critérios de ajustes dos parâmetros dessas funções. Descreve-se o uso de uma plataforma laboratorial, baseada em simulador de tempo real (RTDS), para ensaio e análise do sistema de proteção visando validar seu correto desempenho frente às possíveis condições operativas que podem ser encontradas em campo. Finalmente, utilizando os conceitos desenvolvidos ao longo do trabalho, desenvolve-se um estudo de caso, onde é realizado o projeto e implementação do sistema de proteção dos geradores de uma usina hidrelétrica hipotética. Para avaliar e analisar o desempenho do sistema de proteção dessa rede exemplo, parametrizou-se o IED G60 (GE) e realizou-se inúmeras simulações na plataforma de testes proposta.

Acute Synaptic Activity Causes Differential miRNA Expression in The Drosophila melanogaster Larval Central Nervous System

The primary goal of this thesis was to determine if spaced synaptic stimulation induced the differential expression of microRNAs (miRNAs) in the Drosophila melanogaster central nervous system (CNS). Prior to attaining this goal, we needed to identify and validate a spaced stimulation paradigm that could induce the formation of new synaptic growth at a model synapse, the larval neuromuscular junction (NMJ). Both Channelrhodopsin- and high potassium-based stimulation paradigms adapted from (Ataman, et al. 2008) were tested. Once validation of these paradigms was complete, we sought to characterize the miRNA expression profile of the larval CNS by miRNA array. Following attainment of these data, we used quantitative real-time PCR (RT-qPCR) to determine if acute synaptic stimulation caused the differential expression of neuronal miRNAs. We found that upon high potassium spaced training in a wild type (Canton S) genotype, 5 miRNAs showed significant differential expression when normalized to a validated reference gene, the U1 snRNA. Moreover, absolute quantification of our RT-qPCR study implicated one miRNA: miR-958 as being significantly regulated by activity. Investigation into potential targets for miR-958 revealed it to be a potential regular of Dlar, a protein tyrosine phosphatase implicated in synapse development. This investigation provides the foundation to directly test our underlying hypothesis that, following spaced training, differential expression of miRNAs alters the translation of proteins required to induce and maintain these structural changes at the synapse.