Sähköisen ja optisen signaalin käyttö samalla piirilevyllä

Työssä tutkittiin sähköisen ja optisen signaalin siirtoa samalla piirilevyllä. Optisen siirtotien komponentit ja niiden toiminta esiteltiin teoriakappaleessa. Valosignaalin vaimentumisilmiö selitettiin pääasiassa johtuvan absorption ja sironnan vaikutuksesta. Sironnan ja absorption vaikutusta valokuidussa käytettävään aallonpituusalueeseen tutkittiin ja esiteltiin valon yleisin modulaatiomenetelmä WDM. Työssä esiteltiin myös dispersion aiheuttama aikahajonta. Optisen signaalin siirrossa piirilevyllä keskityttiin valokanava- ja free-space-siirtoon. Valokanavamateriaalin vaikutusta heijastuksiin optisessa tiedonsiirrossa piirilevyllä tutkittiin. Nykyisten piirilevyjen tuotantomenetelmien käytön mahdollisuutta valokanavapiirilevyn valmistuksessa tutkittiin eri materiaaleille. Moduulien sisäisten tiedonsiirtoteiden integroinnin yleistymistä tulevaisuudessa perusteltiin. Lopuksi työssä esiteltiin kolme uutta keksintöä liittyen optiseen tiedonsiirtoon. Tarkoituksena oli esittää alan moninaisuutta ja uusien sovellusten mahdollisuuksia.

Piirilevyn emissiivisyyden vakiointi lämpökamerasovelluksiin

Lämpökameroiden kehitys on mahdollistanut lämpökameroiden käytön myös erittäin pienien kohteiden tarkastelussa. Luotettava absoluuttisten lämpötilojen selvittäminen lämpökameralla vaatii, että tarkasteltavan kohteen emissiivisyys on kauttaaltaan vakio ja tunnettu. Käytännössä erilaisten materiaalipintojen emissiivisyyksissä on merkittäviä eroja, mikä aiheuttaa virheitä mittaustuloksiin. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää halpa ja käytännöllinen keino piirilevyn emissiivisyyden vakiointiin. Työssä kartoitettiin erilaisia pinnoitteita, joille tehtiin resistanssi-, impedanssi- sekä lämpökameramittaukset. Mittauksilla selvitettiin pinnoitteen soveltuvuus emissiivisyyden vakiointiin. Lisäksi tutustuttiin pintapuolisesti pinnoiteaineiden kemialliseen rakenteeseen, jotta saatiin peruskäsitys siitä, onko aineiden kemiallisella rakenteella merkitystä pinnoiteaineen emissiivisyyden vakiointikykyyn. Tutkimustulosten perusteella tutkituista pinnoitteista parhaaksi todettiin talkkijauhe. Talkkipinnoitteella saatiin luotettavia mittaustuloksia. Tällä hetkellä pinnoitemenetelmää voidaan käyttää yksittäisten piirilevyjen testauksessa laboratorio-olosuhteissa. Tulevaisuudessa menetelmää voitaisiin soveltaa myös piirilevyjen tuotantolinjalle.

Asymmetric stochastic switching driven by intrinsic molecular noise

Low-copy-number molecules are involved in many functions in cells. The intrinsic fluctuations of these numbers can enable stochastic switching between multiple steady states, inducing phenotypic variability. Herein we present a theoretical and computational study based on Master Equations and Fokker-Planck and Langevin descriptions of stochastic switching for a genetic circuit of autoactivation. We show that in this circuit the intrinsic fluctuations arising from low-copy numbers, which are inherently state-dependent, drive asymmetric switching. These theoretical results are consistent with experimental data that have been reported for the bistable system of the gallactose signaling network in yeast. Our study unravels that intrinsic fluctuations, while not required to describe bistability, are fundamental to understand stochastic switching and the dynamical relative stability of multiple states.

Brain glucose sensing in homeostatic and hedonic regulation.

Glucose homeostasis as well as homeostatic and hedonic control of feeding is regulated by hormonal, neuronal, and nutrient-related cues. Glucose, besides its role as a source of metabolic energy, is an important signal controlling hormone secretion and neuronal activity, hence contributing to whole-body metabolic integration in coordination with feeding control. Brain glucose sensing plays a key, but insufficiently explored, role in these metabolic and behavioral controls, which when deregulated may contribute to the development of obesity and diabetes. The recent introduction of innovative transgenic, pharmacogenetic, and optogenetic techniques allows unprecedented analysis of the complexity of central glucose sensing at the molecular, cellular, and neuronal circuit levels, which will lead to a new understanding of the pathogenesis of metabolic diseases.

Rotational Doppler effect in magnetic resonance

We compute the shift in the frequency of the spin resonance in a solid that rotates in the field of a circularly polarized electromagnetic wave. Electron-spin resonance, nuclear magnetic resonance, and ferromagnetic resonance are considered. We show that contrary to the case of the rotating LC circuit, the shift in the frequency of the spin resonance has strong dependence on the symmetry of the receiver. The shift due to rotation occurs only when rotational symmetry is broken by the anisotropy of the gyromagnetic tensor, by the shape of the body or by magnetocrystalline anisotropy. General expressions for the resonance frequency and power absorption are derived and implications for experiment are discussed.

Synaptic depression and slow oscillatory activity in a biophysical network model of the cerebral cortex

Short-term synaptic depression (STD) is a form of synaptic plasticity that has a large impact on network computations. Experimental results suggest that STD is modulated by cortical activity, decreasing with activity in the network and increasing during silent states. Here, we explored different activity-modulation protocols in a biophysical network model for which the model displayed less STD when the network was active than when it was silent, in agreement with experimental results. Furthermore, we studied how trains of synaptic potentials had lesser decay during periods of activity (UP states) than during silent periods (DOWN states), providing new experimental predictions. We next tackled the inverse question of what is the impact of modifying STD parameters on the emergent activity of the network, a question difficult to answer experimentally. We found that synaptic depression of cortical connections had a critical role to determine the regime of rhythmic cortical activity. While low STD resulted in an emergent rhythmic activity with short UP states and long DOWN states, increasing STD resulted in longer and more frequent UP states interleaved with short silent periods. A still higher synaptic depression set the network into a non-oscillatory firing regime where DOWN states no longer occurred. The speed of propagation of UP states along the network was not found to be modulated by STD during the oscillatory regime; it remained relatively stable over a range of values of STD. Overall, we found that the mutual interactions between synaptic depression and ongoing network activity are critical to determine the mechanisms that modulate cortical emergent patterns.

Nicolas Collins, Analyses

Nicolas Collins est un musicien né en 1954 à New York, dont l'oeuvre compose notamment avec le feedback pour interroger en profondeur l'expérience musicale. Héritier de la culture punk et de la musique expérimentale américaine, il détourne l'usage de technologies existantes pour en réinventer les ressources sonores. Ses textes racontent l'histoire des musiciens avec lesquels il a dialogué (John Cage, Alvin Lucier, David Tudor), des oeuvres qu'il a créées et des instruments qu'il a fabriqués, incitant chacun à transformer à son tour les objets mêmes (micros, réseaux, synthétiseurs, etc.) de la transmission sonore. Avec un dvd inédit composé par Nicolas Collins, Salvaged.

A System-Level Simulation Model for a Protocol Processor

As the development of integrated circuit technology continues to follow Moore’s law the complexity of circuits increases exponentially. Traditional hardware description languages such as VHDL and Verilog are no longer powerful enough to cope with this level of complexity and do not provide facilities for hardware/software codesign. Languages such as SystemC are intended to solve these problems by combining the powerful expression of high level programming languages and hardware oriented facilities of hardware description languages. To fully replace older languages in the desing flow of digital systems SystemC should also be synthesizable. The devices required by modern high speed networks often share the same tight constraints for e.g. size, power consumption and price with embedded systems but have also very demanding real time and quality of service requirements that are difficult to satisfy with general purpose processors. Dedicated hardware blocks of an application specific instruction set processor are one way to combine fast processing speed, energy efficiency, flexibility and relatively low time-to-market. Common features can be identified in the network processing domain making it possible to develop specialized but configurable processor architectures. One such architecture is the TACO which is based on transport triggered architecture. The architecture offers a high degree of parallelism and modularity and greatly simplified instruction decoding. For this M.Sc.(Tech) thesis, a simulation environment for the TACO architecture was developed with SystemC 2.2 using an old version written with SystemC 1.0 as a starting point. The environment enables rapid design space exploration by providing facilities for hw/sw codesign and simulation and an extendable library of automatically configured reusable hardware blocks. Other topics that are covered are the differences between SystemC 1.0 and 2.2 from the viewpoint of hardware modeling, and compilation of a SystemC model into synthesizable VHDL with Celoxica Agility SystemC Compiler. A simulation model for a processor for TCP/IP packet validation was designed and tested as a test case for the environment.

Contribution of estrogen and GluN2B subunit to the HtraKO mouse phenotype

Htr1a is one of the most widespread serotonin receptor across the brain, strongly expressed in CAI region of hippocampus. Our laboratory studies the phenotypic alteration in 5HTla- deficient mice (Htr1aK0), characterized an abnormal anxious-like behavior. Our aim is to evaluate the regulation of this cognitive process by understanding the circuitry involved. This phenotype sets up early during development and has durable effect in adulthood. Our laboratory showed that adult Htr1aK0 male mice displaying exuberant dendritic growth of oblique dendrites in a specific layer of a CAI pyramidal neurons, the stratum radiatum. Application of drugs in organotypic cultures and by in vivo injections revealed that GluN2B, a subunit of NMDA receptor highly expressed during development, is responsible for this dendritic exuberance. Immunohistochemistry highlighted in particular a synaptic enrichment of GluN2B in stratum radiatum of Htr1aK0 CAI pyramidal neurons at puberty. Finally, original analysis of Htr1aK0 mouse behavior showed a different response to anxiety between male and female. Htr1a activation down-regulates the CaMKII activity in the CAI pyramidal neurons. CaMKII directly favors the membrane conductance and stability of GluN2B at the synapse. In the context of the Htr1aK0 mouse, GluN2B is the final common pathway of our phenotype. This subunit is well known to regulate the threshold of LTD/LTP and the dendritogenesis during development. In my thesis, I establish a link between the gender differences in the morphology and the physiology in the Htr1aK0 mice during development to understand how these characteristics shape the circuit with prominent cognitive impacts in adulthood. My study highlighted that during development, Htr1aK0 male mice show a constant increase of the dendritic growth of oblique dendrites from early ages until adulthood associated with an increased physiological impact of altered GluN2A/GluN2B ratio. Whereas during puberty, synaptic contribution of GluN2B to NMDA response is higher in Htr1aK0 compared to WT male mice, this ratio comes back to normal values towards adulthood. However, this recovery of the ratio of GluN2A/GluN2B located at the synaptic level is concomitant with the lateral diffusion of excess GluN2B subunits, leading to extrasynaptic enrichment. The main impact was a lowering of the LTP threshold characterized by strong increased potentiation of synaptic strength after 5 Hz low frequency stimulation. Moreover, the extrasynaptic GluN2B overexpression leads to a shift of the maturation phase switch explaining the exuberant morphology. However, Htr1aK0 females characterized during the 3 first weeks of development by an increase of the dendritic growth of oblique dendrites showed starting at puberty that the dendrite arborization returns progressively to WT values. The physiological impact of GluN2B was investigated and directly linked to this morphology, since Htr1aK0 female mice does not show alteration of the synaptic strength during development. These observations show a compensation occurring in Htr1aK0 female, responsible for a rescue of the phenotype morphologically, physiologically and to be tested behaviorally. We highlighted then the biological processes underlying this compensation. During development, sexual hormones such as testosterone and estrogen are responsible to induce sexual differentiation of specific brain regions. I demonstrated that estrogen, but not testosterone, was able to reduce both in vitro and in vivo the dendritic arborization early during development, through activation of GPER-1, a G-coupled protein estrogen receptor, which phenocopy the activation of Htr1a by reducing GluN2B conductance and stability. I then identified a pathway, parallel to Htr1a, able to regulate GluN2B and responsible for the morphological and physiological phenotype in Htr1aK0 female mice. The specific rise of estrogen occurring at puberty in female is responsible for the compensation observed and induces a late rescue of the Htr1aK0 phenotype by activation GPER-1. -- Htr1a est un des récepteurs à la sérotonine les plus répandus dans le cerveau, fortement exprimé dans la région CAI de l'hippocampe. Notre laboratoire étudie les altérations phénotypiques de souris déficientes pour ce récepteur (Htr1aK0), caractérisées par un comportement avec des traits anxieux. Notre objectif est d'évaluer la régulation de ces processus cognitifs en comprenant les connexions nerveuses impliquées. Ce phénotype se met en place tôt au cours du développement et présente un effet durable à l'âge adulte. Notre laboratoire a montré que les souris Htr1aK0 mâles adultes se caractérisent par une croissance exubérante des dendrites obliques dans une couche spécifique des neurones pyramidaux du CAI, le stratum radiatum. L'application de drogues sur cultures organotypiques et par injections in vivo ont révélé que GluN2B, une sous-unité du récepteur NMDA fortement exprimée au cours du développement, est responsable de cette exubérance dendritique. Des expériences d'immunohistochimie ont notamment mis en évidence un enrichissement synaptique de GluN2B durant la puberté dans le stratum radiatum des neurones de la région CAI des souris Htr1aK0. Finalement, l'analyse originale du comportement des souris Htr1aK0 a montré une différence de réponse à l'anxiété entre mâles et femelles. L'activation de Htr1a diminue l'activité de la CaMKII dans les neurones pyramidaux du CAI. La CaMKII favorise directement la conductance et la stabilité de la sous-unité GluN2B à la synapse. Dans le contexte de la souris Htr1aK0, GluN2B est le « médiateur » de notre phénotype. Cette sous-unité est particulièrement connue pour réguler le seuil de LTD-LTP ainsi que la dendritogénèse durant le développement. Dans ma thèse, j'ai établi le lien entre les différences dépendant du genre dans la morphologie et physiologie des souris Htr1aK0 au cours du développement pour comprendre comment ces caractéristiques modulent le circuit accompagnés d'impacts cognitifs visibles à l'âge adulte. Mon étude a mis en évidence que durant le développement, les souris mâles Htr1aK0 montrent une constante augmentation de la croissance des dendrites obliques entre les premières semaines et l'âge adulte associée à une augmentation de l'impact physiologique du ratio GluN2A/GluN2B altéré. Alors que durant la puberté, la contribution synaptique de GluN2B à la réponse NMDA est plus haute chez la souris mâle Htr1aK0 que le WT, ce ratio revient à des valeurs normales à l'âge adulte. Cependant, cette récupération de l'expression du récepteur au niveau synaptique est concomitante avec la diffusion des sous-unités GluN2B excédantes, amenant alors à un enrichissement extrasynaptique. Le principal impact est une diminution du seuil de la LTP caractérisée par une forte potentiation de la plasticité après une stimulation basse fréquence à 5 Hz. De plus, la surexpression des GluN2B extrasynaptiques conduit à un décalage de la bascule à la phase de maturation, expliquant la morphologie dendritique exubérante. Cependant, les femelles Htr1aK0 initialement caractérisées pendant les 3 premières semaines du développement par une augmentation de la croissance des dendrites obliques montrent à partir de la puberté que cette arborisation dendritique retourne à des valeurs WT. L'impact physiologique de GLuN2B a été investigué et mis en lien avec cette morphologie, étant donné que les femelles Htr1aK0 ne montrent pas d'altération de la plasticité durant le développement. Ces observations montrent une compensation se produisant chez la femelle Htr1aK0, responsable d'une récupération du phénotype morphologique, physiologique et peut-être comportemental. Nous avons souligné les processus biologiques sous-jacent à cette compensation. Au cours du développement, les hormones sexuelles telles que la testostérone et l'estrogène sont responsables de la différentiation sexuelle de régions du cerveau spécifiques. J'ai démontré que l'estrogène, mais pas la testostérone, était capable de réduire in vitro et in vivo l'arborisation dendritique tôt dans le développement au travers de l'activation du récepteur GPER-1, un récepteur aux estrogènes couplés à un protéine G, qui phénocopie l'activation de Htr1a en réduisant la conductance et la stabilité de GluN2B à la membrane. J'ai identifié une voie de signalisation parallèle à celle de Htr1a, capable de réguler GluN2B et responsable du phénotype morphologique et physiologique de la souris femelle Htr1aK0. La montée spécifique d'estrogène se déroulant à la puberté chez la femelle est responsable de cette compensation et implique une récupération tardive du phénotype Htr1aK0 par l'activation de GPER-1.

Jännitteen reunan hallinta taajuusmuuttajissa

Diplomityössä perehdyttiin taajuusmuuttajien toimintaan ja ohjaukseen. Lisäksi työssä tarkasteltiin vaihtosuuntaajan nopeiden transienttitilojen aiheuttamaa moottorin ylijännitettä. Moottorikaapelin heijastuksia käsiteltiin vertaamalla moottorikaapelia siirtolinjaan ja todennettiin ylijännitteen syyt. Ylijännitteen vähentämiseksi on kehitetty useita suodatusmenetelmiä. Työssä vertailtiin näitä menetelmiä ja kartoitettiin kaupallisia vaihtoehtoja. Taajuusmuuttajan ohjaus on tähän päivään asti tehty yleensä käyttäen mikroprosessoria sekä logiikkapiiriä. Tulevaisuudessa ohjaukseen käytetään todennäköisesti uudelleenohjelmoitavia FPGA-piirejä (Field Programmable Gate Array). FPGA-piirin etuihin kuuluu uudelleenohjelmoitavuus sekä ohjauksen keskittäminen yhdelle piirille.

Microstructure of the superior longitudinal fasciculus predicts stimulation-induced interference with on-line motor control.

A cortical visuomotor network, comprising the medial intraparietal sulcus (mIPS) and the dorsal premotor area (PMd), encodes the sensorimotor transformations required for the on-line control of reaching movements. How information is transmitted between these two regions and which pathways are involved, are less clear. Here, we use a multimodal approach combining repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) and diffusion tensor imaging (DTI) to investigate whether structural connectivity in the 'reaching' circuit is associated to variations in the ability to control and update a movement. We induced a transient disruption of the neural processes underlying on-line motor adjustments by applying 1Hz rTMS over the mIPS. After the stimulation protocol, participants globally showed a reduction of the number of corrective trajectories during a reaching task that included unexpected visual perturbations. A voxel-based analysis revealed that participants exhibiting higher fractional anisotropy (FA) in the second branch of the superior longitudinal fasciculus (SLF II) suffered less rTMS-induced behavioral impact. These results indicate that the microstructural features of the white matter bundles within the parieto-frontal 'reaching' circuit play a prominent role when action reprogramming is interfered. Moreover, our study suggests that the structural alignment and cohesion of the white matter tracts might be used as a predictor to characterize the extent of motor impairments.

Automaatiojärjestelmän kenttäväyläratkaisun modernisointi

Diplomityössä suunniteltiin menetelmä automaatiojärjestelmän kenttäväylän modernisoimiseksi. Kenttäväylä on Honeywellin arkkitehtuuria ja uuden ratkaisun tulee olla yhteensopiva vanhan kanssa. Uudessa suunnitelmassa kenttäväylän sanomaliikenne toteutetaan FPGA-piiriin sulautettavalla sarjaliikenne-IP-lohkolla aikaisemman diskreetin sarjaliikennepiirin sijaan. Työssä määritettiin kenttäväyläarkkitehtuurille uudet rajapinnat ja osakokonaisuudet, jotka tulevat käyttöön uudessa kenttäväylässä. Työssä osoitettiin että kenttäväylän toiminnot voidaan suorittaa kaupallisella sarjaliikenne-IP-lohkolla ja että se voidaan sulauttaa osaksi kenttäväylälaitetta.

Todennäköisyyspohjaisen kaapelipaloriskianalyysimenetelmän kehittäminen ydinvoimalaitokselle

Ydinenergian tuottamisessa turvallisuus on tärkeää. Todennäköisyyspohjaisella riskianalyysillä voidaan arvioida turvallisuusvaatimusten täyttymistä eri tilanteissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan todennäköisyyspohjaisen riskianalyysin käyttöä ydinvoimalaitoksen kaapelipalojen vaikutusten arvioinnissa. Työn tarkoituksena on omalta osaltaan edistää ydinvoimalaitosten kaapelipaloturvallisuuden parantamista. Työssä esitellään todennäköisyyspohjaisen riskianalyysin ja todennäköisyyspohjaisen paloanalyysin periaatteet sekä nykyiset kaapelipaloanalyysimenetelmät. Olemassa olevien menetelmien pohjalta kehitettiin menetelmä Olkiluoto 1 ja 2 laitosyksiköiden kaapelipaloturvallisuuden arviointiin. Työssä tarkastellaan myös maailmalla sattuneita kaapelipaloja sekä ydinvoimalaitosten palosimulointiin kehitettyä ohjelmistoa. Työssä kehitetty kaapelipaloanalyysi jakautuu kahteen päävaiheeseen: virtapiirien vika-analyysiin ja virtapiirivikojen todennäköisyysanalyysiin. Virtapiirien vika-analyysi käsittää kaapeleiden vikamoodien, virtapiirien vikaantumisluokkien sekä vikaantumisten vaikutuksien määrittämisen. Virtapiirivikojen todennäköisyysanalyysissä määritetään puolestaan vikaantumistodennäköisyydet kaapelipalokokeiden tulosten pohjalta. Kehitettyä analyysimenetelmää sovellettiin esimerkinomaisesti Olkiluoto 1 ja 2 laitosyksiköiden kahdelle eri huonetilalle. Tuloksena saatiin turvallisuudelle tärkeiden järjestelmien virtapiirien vikaantumismallit sekä niiden todennäköisyydet. Tulosten perusteella voidaan todeta, että työssä kehitetty kaapelipaloanalyysimenetelmä toimi hyvin. Tulevaisuudessa menetelmää on tarkoitus hyödyntää Olkiluoto 1 ja 2 -laitosyksiköiden kaapelipaloturvallisuuden arvioinnissa.

Active Damping and Energy Recovery in a Hydraulic Boom Controlled by an Electric Drive

The aim of the study is to obtain a mathematical description for an alternative variant of controlling a hydraulic circuit with an electrical drive. The electrical and hydraulic systems are described by basic mathematical equations. The flexibilities of the load and boom is modeled with assumed mode method. The model is achieved and proven with simulations. The controller is constructed and proven to decrease oscillations and improve the dynamic response of the system.

Developing of the Variable Speed Drive -control in simulated parallel pumping systems

This thesis presents briefly the basic operation and use of centrifugal pumps and parallel pumping applications. The characteristics of parallel pumping applications are compared to circuitry, in order to search analogy between these technical fields. The purpose of studying circuitry is to find out if common software tools for solving circuit performance could be used to observe parallel pumping applications. The empirical part of the thesis introduces a simulation environment for parallel pumping systems, which is based on circuit components of Matlab Simulink —software. The created simulation environment ensures the observation of variable speed controlled parallel pumping systems in case of different controlling methods. The introduced simulation environment was evaluated by building a simulation model for actual parallel pumping system at Lappeenranta University of Technology. The simulated performance of the parallel pumps was compared to measured values of the actual system. The gathered information shows, that if the initial data of the system and pump perfonnance is adequate, the circuitry based simulation environment can be exploited to observe parallel pumping systems. The introduced simulation environment can represent the actual operation of parallel pumps in reasonably accuracy. There by the circuitry based simulation can be used as a researching tool to develop new controlling ways for parallel pumps.