Emergence of oriented circuits driven by synaptic pruning associated with spike-timing-dependent plasticity (STDP)

ABSTRACT: Massive synaptic pruning following over-growth is a general feature of mammalian brain maturation. Pruning starts near time of birth and is completed by time of sexual maturation. Trigger signals able to induce synaptic pruning could be related to dynamic functions that depend on the timing of action potentials. Spike-timing-dependent synaptic plasticity (STDP) is a change in the synaptic strength based on the ordering of pre- and postsynaptic spikes. The relation between synaptic efficacy and synaptic pruning suggests that the weak synapses may be modified and removed through competitive "learning" rules. This plasticity rule might produce the strengthening of the connections among neurons that belong to cell assemblies characterized by recurrent patterns of firing. Conversely, the connections that are not recurrently activated might decrease in efficiency and eventually be eliminated. The main goal of our study is to determine whether or not, and under which conditions, such cell assemblies may emerge out of a locally connected random network of integrate-and-fire units distributed on a 2D lattice receiving background noise and content-related input organized in both temporal and spatial dimensions. The originality of our study stands on the relatively large size of the network, 10,000 units, the duration of the experiment, 10E6 time units (one time unit corresponding to the duration of a spike), and the application of an original bio-inspired STDP modification rule compatible with hardware implementation. A first batch of experiments was performed to test that the randomly generated connectivity and the STDP-driven pruning did not show any spurious bias in absence of stimulation. Among other things, a scale factor was approximated to compensate for the network size on the ac¬tivity. Networks were then stimulated with the spatiotemporal patterns. The analysis of the connections remaining at the end of the simulations, as well as the analysis of the time series resulting from the interconnected units activity, suggest that feed-forward circuits emerge from the initially randomly connected networks by pruning. RESUME: L'élagage massif des synapses après une croissance excessive est une phase normale de la ma¬turation du cerveau des mammifères. L'élagage commence peu avant la naissance et est complété avant l'âge de la maturité sexuelle. Les facteurs déclenchants capables d'induire l'élagage des synapses pourraient être liés à des processus dynamiques qui dépendent de la temporalité rela¬tive des potentiels d'actions. La plasticité synaptique à modulation temporelle relative (STDP) correspond à un changement de la force synaptique basé sur l'ordre des décharges pré- et post- synaptiques. La relation entre l'efficacité synaptique et l'élagage des synapses suggère que les synapses les plus faibles pourraient être modifiées et retirées au moyen d'une règle "d'appren¬tissage" faisant intervenir une compétition. Cette règle de plasticité pourrait produire le ren¬forcement des connexions parmi les neurones qui appartiennent à une assemblée de cellules caractérisée par des motifs de décharge récurrents. A l'inverse, les connexions qui ne sont pas activées de façon récurrente pourraient voir leur efficacité diminuée et être finalement éliminées. Le but principal de notre travail est de déterminer s'il serait possible, et dans quelles conditions, que de telles assemblées de cellules émergent d'un réseau d'unités integrate-and¬-fire connectées aléatoirement et distribuées à la surface d'une grille bidimensionnelle recevant à la fois du bruit et des entrées organisées dans les dimensions temporelle et spatiale. L'originalité de notre étude tient dans la taille relativement grande du réseau, 10'000 unités, dans la durée des simulations, 1 million d'unités de temps (une unité de temps correspondant à une milliseconde), et dans l'utilisation d'une règle STDP originale compatible avec une implémentation matérielle. Une première série d'expériences a été effectuée pour tester que la connectivité produite aléatoirement et que l'élagage dirigé par STDP ne produisaient pas de biais en absence de stimu¬lation extérieure. Entre autres choses, un facteur d'échelle a pu être approximé pour compenser l'effet de la variation de la taille du réseau sur son activité. Les réseaux ont ensuite été stimulés avec des motifs spatiotemporels. L'analyse des connexions se maintenant à la fin des simulations, ainsi que l'analyse des séries temporelles résultantes de l'activité des neurones, suggèrent que des circuits feed-forward émergent par l'élagage des réseaux initialement connectés au hasard.

CISNE-P: a global scheduling oriented to NOW environments

In this work, we present an integral scheduling system for non-dedicated clusters, termed CISNE-P, which ensures the performance required by the local applications, while simultaneously allocating cluster resources to parallel jobs. Our approach solves the problem efficiently by using a social contract technique. This kind of technique is based on reserving computational resources, preserving a predetermined response time to local users. CISNE-P is a middleware which includes both a previously developed space-sharing job scheduler and a dynamic coscheduling system, a time sharing scheduling component. The experimentation performed in a Linux cluster shows that these two scheduler components are complementary and a good coordination improves global performance significantly. We also compare two different CISNE-P implementations: one developed inside the kernel, and the other entirely implemented in the user space.

Points to consider for prioritizing clinical genetic testing services: a European consensus process oriented at accountability for reasonableness.

Given the cost constraints of the European health-care systems, criteria are needed to decide which genetic services to fund from the public budgets, if not all can be covered. To ensure that high-priority services are available equitably within and across the European countries, a shared set of prioritization criteria would be desirable. A decision process following the accountability for reasonableness framework was undertaken, including a multidisciplinary EuroGentest/PPPC-ESHG workshop to develop shared prioritization criteria. Resources are currently too limited to fund all the beneficial genetic testing services available in the next decade. Ethically and economically reflected prioritization criteria are needed. Prioritization should be based on considerations of medical benefit, health need and costs. Medical benefit includes evidence of benefit in terms of clinical benefit, benefit of information for important life decisions, benefit for other people apart from the person tested and the patient-specific likelihood of being affected by the condition tested for. It may be subject to a finite time window. Health need includes the severity of the condition tested for and its progression at the time of testing. Further discussion and better evidence is needed before clearly defined recommendations can be made or a prioritization algorithm proposed. To our knowledge, this is the first time a clinical society has initiated a decision process about health-care prioritization on a European level, following the principles of accountability for reasonableness. We provide points to consider to stimulate this debate across the EU and to serve as a reference for improving patient management.

Object-oriented development of client / server application: case study of service control software

Tässä työssä on esitetty sen ohjelmiston kehittämisen prosessi, joka on tarkoitettu annettavien palveluiden valvottavaksi käyttäen prototyyppimallia. Raportti sisältää vaatimusten, kohteisiin suunnatun analyysin ja suunnittelun, realisointiprosessien kuvauksen ja prototyypin testauksen. Ohjelmiston käyttöala – antavien palveluiden valvonta. Vaatimukset sovellukselle analysoitiin ohjelmistomarkkinoiden perusteella sekä ohjelmiston engineeringin periaatteiden mukaisesti. Ohjelmiston prototyyppi on realisoitu käyttäen asiakas-/palvelinhybridimallia sekä ralaatiokantaa. Kehitetty ohjelmisto on tarkoitettu venäläisille tietokonekerhoille, jotka erikoistuvat pelipalvelinten antamiseen.

Object-Oriented Modelling of Multilayer Networks

Tämä diplomityökuuluu tietoliikenneverkkojen suunnittelun tutkimukseen ja pohjimmiltaan kohdistuu verkon mallintamiseen. Tietoliikenneverkkojen suunnittelu on monimutkainen ja vaativa ongelma, joka sisältää mutkikkaita ja aikaa vieviä tehtäviä. Tämä diplomityö esittelee ”monikerroksisen verkkomallin”, jonka tarkoitus on auttaa verkon suunnittelijoita selviytymään ongelmien monimutkaisuudesta ja vähentää verkkojen suunnitteluun kuluvaa aikaa. Monikerroksinen verkkomalli perustuu yleisille objekteille, jotka ovat yhteisiä kaikille tietoliikenneverkoille. Tämä tekee mallista soveltuvan mielivaltaisille verkoille, välittämättä verkkokohtaisista ominaisuuksista tai verkon toteutuksessa käytetyistä teknologioista. Malli määrittelee tarkan terminologian ja käyttää kolmea käsitettä: verkon jakaminen tasoihin (plane separation), kerrosten muodostaminen (layering) ja osittaminen (partitioning). Nämä käsitteet kuvataan yksityiskohtaisesti tässä työssä. Monikerroksisen verkkomallin sisäinen rakenne ja toiminnallisuus ovat määritelty käyttäen Unified Modelling Language (UML) -notaatiota. Tämä työ esittelee mallin use case- , paketti- ja luokkakaaviot. Diplomityö esittelee myös tulokset, jotka on saatu vertailemalla monikerroksista verkkomallia muihin verkkomalleihin. Tulokset osoittavat, että monikerroksisella verkkomallilla on etuja muihin malleihin verrattuna.

Product information management system design framework for production oriented company

Diplomityössä luodaan viitekehys tuotetiedonhallintajärjestelmän esisuunnittelua varten. Siinä on kolme ulottuvuutta: lisäarvontuotto-, toiminnallisuus- ja ohjelmistoulottuvuus. Viitekehys auttaa- tunnistamaan lisäarvontuottokomponentit, joihin voidaan vaikuttaa tiettyjen ohjelmistoluokkien tarjoamilla tuotetiedonhallintatoiminnallisuuksilla. Viitekehyksen järjestelmäsuunnittelullista näkökulmaa hyödynnetään tutkittavissa yritystapauksissa perustuen laskentamatriisin muotoon mallinnettuihin ulottuvuuksien välisiin suhteisiin. Matriisiin syötetään lisäarvontuotto- ja toiminnallisuuskomponenttien saamat tärkeydet kohdeyrityksessä suoritetussa haastattelututkimuksessa. Matriisin tuotos on tietyn ohjelmiston soveltuvuus kyseisen yrityksen tapauksessa. Soveltuvuus on joukko tunnuslukuja, jotka analysoidaan tulostenkäsittelyvaiheessa. Soveltuvuustulokset avustavat kohdeyritystä sen valitessa lähestymistapaansa tuotetiedonhallintaan - ja kuvaavat esisuunnitellun tuotetiedonhallintajärjestelmän. Viitekehyksen rakentaminen vaatii perinpohjaisen lähestymistavan merkityksellisten lisäarvontuotto- ja toiminnallisuuskomponenttien sekä ohjelmistoluokkien määrittämiseen. Määritystyö perustuu työssä yksityiskohtaisesti laadittujen menetelmien ja komponenttiryhmitysten hyödyntämiselle. Kunkin alueen analysointi mahdollistaa viitekehyksen ja laskentamatriisin rakentamisen yhdenmukaisten määritysten perusteella. Viitekehykselle on ominaista sen muunneltavuus. Nykymuodossaan se soveltuu elektroniikka- ja high-tech yrityksille. Viitekehystä voidaan hyödyntää myös muilla toimialoilla muokkaamalla lisäarvontuottokomponentteja kunkin toimialan intressien mukaisesti. Vastaavasti analysoitava ohjelmisto voidaan valita tapauskohtaisesti. Laskentamatriisi on kuitenkin ensin päivitettävä valitun ohjelmiston kyvykkyyksillä, minkä jälkeen viitekehys voi tuottaa soveltuvuustuloksia kyseiseen yritystapaukseen perustuen

Spontaneous Speech and Emotional Response modeling based on One-class classifier oriented to Alzheimer Disease diagnosis

The purpose of our project is to contribute to earlier diagnosis of AD and better estimates of its severity by using automatic analysis performed through new biomarkers extracted from non-invasive intelligent methods. The methods selected in this case are speech biomarkers oriented to Sponta-neous Speech and Emotional Response Analysis. Thus the main goal of the present work is feature search in Spontaneous Speech oriented to pre-clinical evaluation for the definition of test for AD diagnosis by One-class classifier. One-class classifi-cation problem differs from multi-class classifier in one essen-tial aspect. In one-class classification it is assumed that only information of one of the classes, the target class, is available. In this work we explore the problem of imbalanced datasets that is particularly crucial in applications where the goal is to maximize recognition of the minority class as in medical diag-nosis. The use of information about outlier and Fractal Dimen-sion features improves the system performance.

Benefits and Limitations of Service Oriented Architecture

In this thesis I examine Service Oriented Architecture (SOA) considering both its positive and negative qualities for business organizations and IT. In SOA, services are loosely coupled and invoked through standard interfaces to enable business process independence from the underlying technology. As an architecture, SOA brings the key benefit of service reuse that may mean anything from simple application reuse to taking advantage of entire business processes across enterprises. SOA also promises interoperability especially by the Web services standards that enable platform independency. Cost efficiency is mainly a result of the savings in IT maintenance and reduced development costs. The most severe limitations of SOA are performance implications and security issues, but the applicability of SOA is also limited. Additional disadvantages of a service oriented approach include problems in data management and complexity questions, and the lack of agreement about SOA and its twofold nature as a business as well as technology approach leads to problematic interpretation of the available information. In this thesis I find the benefits and limitations of SOA for the purpose described above and propose that companies need to consider the decision to implement SOA carefully to determine whether the benefits will outdo the costs in the individual case.

Combining Generic Programming and Service-Oriented Architectures for the Effective and Timely Development of Complex e-Learning Systems

Peer-reviewed

The use of future-oriented knowledge in regional innovation processes: Research on knowledge generation, transfer and conversion

The importance of the regional level in research has risen in the last few decades and a vast literature in the fields of, for instance, evolutionary and institutional economics, network theories, innovations and learning systems, as well as sociology, has focused on regional level questions. Recently the policy makers and regional actors have also began to pay increasing attention to the knowledge economy and its needs, in general, and the connectivity and support structures of regional clusters in particular. Nowadays knowledge is generally considered as the most important source of competitive advantage, but even the most specialised forms of knowledge are becoming a short-lived resource for example due to the accelerating pace of technological change. This emphasizes the need of foresight activities in national, regional and organizational levels and the integration of foresight and innovation activities. In regional setting this development sets great challenges especially in those regions having no university and thus usually very limited resources for research activities. Also the research problem of this dissertation is related to the need to better incorporate the information produced by foresight process to facilitate and to be used in regional practice-based innovation processes. This dissertation is a constructive case study the case being Lahti region and a network facilitating innovation policy adopted in that region. Dissertation consists of a summary and five articles and during the research process a construct or a conceptual model for solving this real life problem has been developed. It is also being implemented as part of the network facilitating innovation policy in the Lahti region.

Developing a Service-Oriented Software Platform

Tehokkaasti toimiva sähköinen tiedonvälitys yrityksen omien sovellusten välillä sekä sen liikekumppaneiden kanssa on kasvanut merkittäväksi yrityksen kilpailukykyä lisääväksi tekijäksi. Yritysten erilaiset tietojärjestelmät asettavat haasteita tehokkaalle tiedonvälitykselle näiden järjestelmien välillä. Perinteiset EDI teknologioihin perustuvat sähköisen tiedonvälityksen ratkaisut eivät pysty mukautumaan nykyisin nopeasti muuttuviin markkinatilanteisiin. Palvelukeskeiseen arkkitehtuuriin ja Web-palveluihin perustuvat teknologiat mahdollistavat mukautumisen erilaisiin muutoksiin liiketoiminnassa nopeammin ja helpommin. Lisäksi ne nopeuttavat tiedon integrointia erilaisten tietojärjestelmien välillä, koska tiedonvälityksessä käytetään yleisesti hyväksyttyihin standardeihin perustuvia tiedonsiirtoprotokollia sekä tietoformaatteja. Diplomityössä esitellään keskeiset teknologiat ja menetelmät sähköisen tiedonvälityksen toteuttamiseen. Lisäksi työssä vertaillaan erilaisia vaihtoehtoja, joilla sähköinen tiedonvälitys voidaan toteuttaa. Vaihtoehtoina työssä ovat tiedonvälityspalveluiden ostaminen toiselta yritykseltä, olemassa olevan valmiin ohjelmiston hyödyntäminen, tai kokonaan uuden sovellusalustan kehittäminen. Työssä kuvaillaan palvelukeskeisen sovellusalustan toteutus, joka mahdollistaa tehokkaan sekä joustavan tiedonvälityksen sovellusten välillä. Alustan tarjoamien palveluiden päälle voidaan rakentaa erilaisia liiketoimintaa tukevia palveluita, jotka voivat hyödyntää sovellusalustan tarjoamia toiminnallisuuksia. Alustan toteutusta arvioidaan kolmen liiketoimintaskenaarion toteutuksesta saatujen kokemusten perusteella.

Cobalt electrodeposition onto highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) electrode from ammonium sulfate solutions

It was carried out an electrochemical study of the cobalt electrodeposition onto HOPG electrode from an aqueous solution containing 10-2 M of CoSO4 + 1M (NH4)2SO4. Nucleation parameters such as nucleation rate, density of active nucleation sites, saturation nucleus and the rate constant of the proton reduction reaction (kPR) were determined from potentiostatic studies. An increase in kPR values with the decrease in the applied potential suggested a competition between H+ and Co2+ by the active sites on the surface. The ΔG energy calculated for the formation of stable nucleus was 8.21x10-21 J/nuclei. The AFM study indicated the formation of small clusters of 50-400 nm in diameter and 2-120 nm in height.

Copper electrodeposition on glassy carbon and highly oriented pyrolytic graphite substrates from perchlorate solutions

In present work, we analyzed the copper electrodeposition onto GCE (System I) and HOPGE (System II) from perchlorate solutions. The current density transients obtained from system I and II were well described through a kinetic mechanism that involves four different contributions: (a) a Langmuir type adsorption process, b) an electron transfer from Cu2+→Cu+, (c) a 3D nucleation limited by a mass transfer reaction and (d) a proton reduction process. It was observed that the values of the nucleation rate, the number of active nucleation sites were increased with the overpotential and they are bigger onto GCE in comparison with HOPGE.