Distributed Rate Allocation in Inter-Session Network Coding

In this work, we propose a distributed rate allocation algorithm that minimizes the average decoding delay for multimedia clients in inter-session network coding systems. We consider a scenario where the users are organized in a mesh network and each user requests the content of one of the available sources. We propose a novel distributed algorithm where network users determine the coding operations and the packet rates to be requested from the parent nodes, such that the decoding delay is minimized for all clients. A rate allocation problem is solved by every user, which seeks the rates that minimize the average decoding delay for its children and for itself. Since this optimization problem is a priori non-convex, we introduce the concept of equivalent packet flows, which permits to estimate the expected number of packets that every user needs to collect for decoding. We then decompose our original rate allocation problem into a set of convex subproblems, which are eventually combined to obtain an effective approximate solution to the delay minimization problem. The results demonstrate that the proposed scheme eliminates the bottlenecks and reduces the decoding delay experienced by users with limited bandwidth resources. We validate the performance of our distributed rate allocation algorithm in different video streaming scenarios using the NS-3 network simulator. We show that our system is able to take benefit of inter-session network coding for simultaneous delivery of video sessions in networks with path diversity.

A Mathematical Model for Simplifying Representations of Objects in a Geographic Information System

The study of operations on representations of objects is well documented in the realm of spatial engineering. However, the mathematical structure and formal proof of these operational phenomena are not thoroughly explored. Other works have often focused on query-based models that seek to order classes and instances of objects in the form of semantic hierarchies or graphs. In some models, nodes of graphs represent objects and are connected by edges that represent different types of coarsening operators. This work, however, studies how the coarsening operator "simplification" can manipulate partitions of finite sets, independent from objects and their attributes. Partitions that are "simplified first have a collection of elements filtered (removed), and then the remaining partition is amalgamated (some sub-collections are unified). Simplification has many interesting mathematical properties. A finite composition of simplifications can also be accomplished with some single simplification. Also, if one partition is a simplification of the other, the simplified partition is defined to be less than the other partition according to the simp relation. This relation is shown to be a partial-order relation based on simplification. Collections of partitions can not only be proven to have a partial- order structure, but also have a lattice structure and are complete. In regard to a geographic information system (GIs), partitions related to subsets of attribute domains for objects are called views. Objects belong to different views based whether or not their attribute values lie in the underlying view domain. Given a particular view, objects with their attribute n-tuple codings contained in the view are part of the actualization set on views, and objects are labeled according to the particular subset of the view in which their coding lies. Though the scope of the work does not mainly focus on queries related directly to geographic objects, it provides verification for the existence of particular views in a system with this underlying structure. Given a finite attribute domain, one can say with mathematical certainty that different views of objects are partially ordered by simplification, and every collection of views has a greatest lower bound and least upper bound, which provides the validity for exploring queries in this regard.

Dynamic population coding in primary visual cortex

More than a century ago Ramon y Cajal pioneered the description of neural circuits. Currently, new techniques are being developed to streamline the characterization of entire neural circuits. Even if this 'connectome' approach is successful, it will represent only a static description of neural circuits. Thus, a fundamental question in neuroscience is to understand how information is dynamically represented by neural populations. In this thesis, I studied two main aspects of dynamical population codes. ^ First, I studied how the exposure or adaptation, for a fraction of a second to oriented gratings dynamically changes the population response of primary visual cortex neurons. The effects of adaptation to oriented gratings have been extensively explored in psychophysical and electrophysiological experiments. However, whether rapid adaptation might induce a change in the primary visual cortex's functional connectivity to dynamically impact the population coding accuracy is currently unknown. To address this issue, we performed multi-electrode recordings in primary visual cortex, where adaptation has been previously shown to induce changes in the selectivity and response amplitude of individual neurons. We found that adaptation improves the population coding accuracy. The improvement was more prominent for iso- and orthogonal orientation adaptation, consistent with previously reported psychophysical experiments. We propose that selective decorrelation is a metabolically inexpensive mechanism that the visual system employs to dynamically adapt the neural responses to the statistics of the input stimuli to improve coding efficiency. ^ Second, I investigated how ongoing activity modulates orientation coding in single neurons, neural populations and behavior. Cortical networks are never silent even in the absence of external stimulation. The ongoing activity can account for up to 80% of the metabolic energy consumed by the brain. Thus, a fundamental question is to understand the functional role of ongoing activity and its impact on neural computations. I studied how the orientation coding by individual neurons and cell populations in primary visual cortex depend on the spontaneous activity before stimulus presentation. We hypothesized that since the ongoing activity of nearby neurons is strongly correlated, it would influence the ability of the entire population of orientation-selective cells to process orientation depending on the prestimulus spontaneous state. Our findings demonstrate that ongoing activity dynamically filters incoming stimuli to shape the accuracy of orientation coding by individual neurons and cell populations and this interaction affects behavioral performance. In summary, this thesis is a contribution to the study of how dynamic internal states such as rapid adaptation and ongoing activity modulate the population code accuracy. ^

Post-transcriptional Regulation of Mammalian Gene Expression in Non-coding Region of Target RNA

Tumor Suppressor Candidate 2 (TUSC2) is a novel tumor suppressor gene located in the human chromosome 3p21.3 region. TUSC2 mRNA transcripts could be detected on Northern blots in both normal lung and some lung cancer cell lines, but no endogenous TUSC2 protein could be detected in a majority of lung cancer cell lines. Mechanisms regulating TUSC2 protein expression and its inactivation in primary lung cancer cells are largely unknown. We investigated the role of the 5’- and 3’-untranslated regions (UTRs) of the TUSC2 gene in the regulation of TUSC2 protein expression. We found that two small upstream open-reading frames (uORFs) in the 5’UTR of TUSC2 could markedly inhibit the translational initiation of TUSC2 protein by interfering with the “scanning” of the ribosome initiation complexes. Site-specific stem-loop array reverse transcription-polymerase chain reaction (SLA-RT-PCR) verified several micoRNAs (miRNAs) targeted at 3’UTR and directed TUSC2 cleavage and degradation. In addition, we used the established let-7-targeted high mobility group A2 (Hmga2) mRNA as a model system to study the mechanism of regulation of target mRNA by miRNAs in mammalian cells under physiological conditions. There have been no evidence of direct link between mRNA downregulation and mRNA cleavages mediated by miRNAs. Here we showed that the endonucleolytic cleavages on mRNAs were initiated by mammalian miRNA in seed pairing style. Let-7 directed cleavage activities among the eight predicted potential target sites have varied efficiency, which are influenced by the positional and the structural contexts in the UTR. The 5’ cleaved RNA fragments were mostly oligouridylated at their 3’-termini and accumulated for delayed 5’–3’ degradation. RNA fragment oligouridylation played important roles in marking RNA fragments for delayed bulk degradation and in converting RNA degradation mode from 3’–5’ to 5’–3’ with cooperative efforts from both endonucleolytic and non-catalytic miRNA-induced silencing complex (miRISC). Our findings point to a mammalian miRNA-mediated mechanism for the regulation of mRNA that miRNA can decrease target mRNA through target mRNA cleavage and uridine addition

Multi-Resolution Texture Coding for Multi-Resolution 3D Meshes

We present an innovative system to encode and transmit textured multi-resolution 3D meshes in a progressive way, with no need to send several texture images, one for each mesh LOD (Level Of Detail). All texture LODs are created from the finest one (associated to the finest mesh), but can be re- constructed progressively from the coarsest thanks to refinement images calculated in the encoding process, and transmitted only if needed. This allows us to adjust the LOD/quality of both 3D mesh and texture according to the rendering power of the device that will display them, and to the network capacity. Additionally, we achieve big savings in data transmission by avoiding altogether texture coordinates, which are generated automatically thanks to an unwrapping system agreed upon by both encoder and decoder.

Depth perceptual video coding for free viewpoint video based on H.264/AVC

A novel scheme for depth sequences compression, based on a perceptual coding algorithm, is proposed. A depth sequence describes the object position in the 3D scene, and is used, in Free Viewpoint Video, for the generation of synthetic video sequences. In perceptual video coding the human visual system characteristics are exploited to improve the compression efficiency. As depth sequences are never shown, the perceptual video coding, assessed over them, is not effective. The proposed algorithm is based on a novel perceptual rate distortion optimization process, assessed over the perceptual distortion of the rendered views generated through the encoded depth sequences. The experimental results show the effectiveness of the proposed method, able to obtain a very considerable improvement of the rendered view perceptual quality.

The oculomotor system as a model for the study of neuronal interaction processes

Identified neurons that control eye movements offer an excellent experimental target for the study of Information coding and neuronal interaction processes wíthin the central nervous system. Here are presented some prelimínary results of the motoneuron behaviour during steady eye fíxation, obtained by regressíon and analysis of variance techniques. A flexible information system intended for the systematic acquisitíon and analysis of simultaneous records of neuronal activity and both eyes angular position in a great amount of cells, oriented to the defínition of mathematical models, is also briefly outlíned.

Development of an inducible pol III transcription system essentially requiring a mutated form of the TATA-binding protein

We attempted to devise a transcription system in which a particular DNA sequence of interest could be inducibly expressed under the control of a modified polymerase III (pol III) promoter. Its activation requires a mutated transcription factor not contained endogenously in human cells. We constructed such a promoter by fusing elements of the β-lactamase gene of Escherichia coli, containing a modified TATA-box and a pol III terminator, to the initiation region of the human U6 gene. This construct functionally resembles a 5′-regulated pol III gene and its transcribed segment can be exchanged for an arbitrary sequence. Its transcription in vitro by pol III requires the same factors as the U6 gene with the major exception that the modified TATA-box of this construct only interacts with a TATA-binding protein (TBP) mutant (TBP-DR2) but not with TBP wild-type (TBPwt). Its transcription therefore requires TBP-DR2 exclusively instead of TBPwt. In order to render the system inducible, we fused the gene coding for TBP-DR2 to a tetracycline control element and stably transfected this new construct into HeLa cells. Induction of such a stable and viable clone with tetracycline resulted in the expression of functional TBP-DR2. This system may conceptually be used in the future to inducibly express an arbitrary DNA sequence in  vivo under the control of the above mentioned promoter.

A new adenoviral vector: Replacement of all viral coding sequences with 28 kb of DNA independently expressing both full-length dystrophin and beta-galactosidase.

Adenoviral vector-mediated gene transfer offers significant potential for gene therapy of many human diseases. However, progress has been slowed by several limitations. First, the insert capacity of currently available adenoviral vectors is limited to 8 kb of foreign DNA. Second, the expression of viral proteins in infected cells is believed to trigger a cellular immune response that results in inflammation and in only transient expression of the transferred gene. We report the development of a new adenoviral vector that has all viral coding sequences removed. Thus, large inserts are accommodated and expression of all viral proteins is eliminated. The first application of this vector system carries a dual expression cassette comprising 28.2 kb of nonviral DNA that includes the full-length murine dystrophin cDNA under control of a large muscle-specific promoter and a lacZ reporter construct. Using this vector, we demonstrate independent expression of both genes in primary mdx (dystrophin-deficient) muscle cells.

Pleasant sweeping grooming touch in rhesus monkey: effects on autonomic nervous system and its codification in posterior insular and secondary somatosensory cortex

Il tatto assume un'importanza fondamentale nella vita quotidiana, in quanto ci permette di discriminare le caratteristiche fisiche di un oggetto specifico, di identificarlo e di eventualmente integrare le suddette informazioni tattili con informazioni provenienti da altri canali sensoriali. Questa è la componente sensoriale-discriminativa del tatto. Tuttavia quotidianamente il tatto assume un ruolo fondamentale durante le diverse interazioni sociali, positive, come quando abbracciamo o accarezziamo una persona con cui abbiamo un rapporto affettivo e negative, per esempio quando allontaniamo una persona estranea dal nostro spazio peri-personale. Questa componente è la cosiddetta dimensione affettiva-motivazionale, la quale determina la codifica della valenza emotiva che l'interazione assume. Questa componente ci permette di creare, mantenere o distruggere i legami sociali in relazione al significato che il tocco assume durante l'interazione. Se per esempio riceviamo una carezza da un familiare, questa verrà percepita come piacevole e assumerà un significato affiliativo. Questo tipo di tocco è comunente definito come Tocco Sociale (Social Touch). Gli aspetti discriminativi del tatto sono stati ben caratterizzati, in quanto storicamente, il ruolo del tatto è stato considerato quello di discriminare le caratteristiche di ciò che viene toccato, mentre gli aspetti affettivi sono stati solo recentemente indagati considerando la loro importanza nelle interazioni sociali. Il tocco statico responsabile dell'aspetto discriminante attiva a livello della pelle le grandi fibre mieliniche (Aβ), modulando a livello del sistema nervoso centrale le cortecce sensoriali, sia primarie che secondarie. Questo permette la codifica a livello del sistema nervoso centrale delle caratteristiche fisiche oggettive degli oggetti toccati. Studi riguardanti le caratteristiche del tocco affiliativo sociale hanno messo in evidenza che suddetta stimolazione tattile 1) è un particolare tocco dinamico che avviene sul lato peloso delle pelle con una velocità di 1-10 cm/sec; 2) attiva le fibre amieliniche (fibre CT o C-LTMRs); 3) induce positivi effetti autonomici, ad esempio la diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca; e 4) determina la modulazione di regioni cerebrali coinvolte nella codifica del significato affiliativo dello stimolo sensoriale periferico, in particolare la corteccia insulare. Il senso del tatto, con le sue due dimensioni discriminativa e affiliativa, è quotidianamente usato non solo negli esseri umani, ma anche tra i primati non umani. Infatti, tutti i primati non umani utilizzano la componente discriminativa del tatto per identificare gli oggetti e il cibo e l'aspetto emotivo durante le interazioni sociali, sia negative come durante un combattimento, che positive, come durante i comportamenti affiliativi tra cui il grooming. I meccanismi di codifica della componente discriminativa dei primati non umani sono simili a quelli umani. Tuttavia, si conosce ben poco dei meccanismi alla base della codifica del tocco piacevole affiliativo. Pur essendo ben noto che i meccanorecettori amilienici C-LTMRs sono presenti anche sul lato peloso della pelle dei primati non umani, attualmente non ci sono studi riguardanti la correlazione tra il tocco piacevole e la loro modulazione, come invece è stato ampiamente dimostrato nell'uomo. Recentemente è stato ipotizzato (Dunbar, 2010) il ruolo delle fibre C-LTMRs durante il grooming, in particolare durante il cosiddetto swepping. Il grooming è costituito da due azioni motorie, lo sweeping e il picking che vengono eseguite in modo ritmico. Durante lo sweeping la scimmia agente muove il pelo della scimmia ricevente con un movimento a mano aperta, per poter vedere il preciso punto della pelle dove eseguire il picking, ovvero dove prendere la pelle a livello della radice del pelo con le unghie dell'indice e del pollice e tirare per rimuovere parassiti o uova di parassiti e ciò che è rimasto incastrato nel pelo. Oltre il noto ruolo igenico, il grooming sembra avere anche una importante funzione sociale affiliativa. Come la carezza nella società umana, cosi il grooming tra i primati non umani è considerato un comportamento. Secondo l'ipotesi di Dunbar l'attivazione delle C-LTMRs avverrebbe durante lo sweeping e questo porta a supporre che lo sweeping, come la carezza umana, costituisca una componente affiliativa del grooming, determinando quindi a contribuire alla sua codifica come comportamento sociale. Fino ad ora non vi è però alcuna prova diretta a sostegno di questa ipotesi. In particolare, 1) la velocità cui viene eseguito lo sweeping è compatibile con la velocità di attivazione delle fibre CT nell'uomo e quindi con la velocità tipica della carezza piacevole di carattere sociale affiliativo (1-10 cm/sec)?; 2) lo sweeping induce la stessa modulazione del sistema nervoso autonomo in direzione della modulazione del sistema vagale, come il tocco piacevole nell'uomo, attraverso l'attivazione delle fibre CT?; 3) lo sweeping modula la corteccia insulare, cosi come il tocco piacevole viene codificato come affiliativo nell'uomo mediante le proiezioni delle fibre CT a livello dell'insula posteriore? Lo scopo del presente lavoro è quella di testare l'ipotesi di Dunbar sopra citata, cercando quindi di rispondere alle suddette domande. Le risposte potrebbero consentire di ipotizzare la somiglianza tra lo sweeping, caratteristico del comportamento affiliativo di grooming tra i primati non umani e la carezza. In particolare, abbiamo eseguito 4 studi pilota. Nello Studio 1 abbiamo valutato la velocità con cui viene eseguito lo sweeping tra scimmie Rhesus, mediante una analisi cinematica di video registrati tra un gruppo di scimmie Rhesus. Negli Studi 2 e 3 abbiamo valutato gli effetti sul sistema nervoso autonomo dello sweeping eseguito dallo sperimentatore su una scimmia Rhesus di sesso maschile in una tipica situazione sperimentale. La stimolazione tattile è stata eseguita a diverse velocità, in accordo con i risultati dello Studio 1 e degli studi umani che hanno dimostrato la velocità ottimale e non ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs. In particolare, nello Studio 2 abbiamo misurato la frequenza cardiaca e la variabilità di questa, come indice della modulatione vagale, mentre nello Studio 3 abbiamo valutato gli effetti dello sweeping sul sistema nervoso autonomo in termini di variazioni di temperatura del corpo, nello specifico a livello del muso della scimmia. Infine, nello Studio 4 abbiamo studiato il ruolo della corteccia somatosensoriale secondaria e insulare nella codifica dello sweeping. A questo scopo abbiamo eseguito registrazioni di singoli neuroni mentre la medesima scimmia soggetto sperimentale dello Studio 2 e 3, riceveva lo sweeping a due velocità, una ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs secondo gli studi umani e i risultati dei tre studi sopra citati, ed una non ottimale. I dati preliminari ottenuti, dimostrano che 1) (Studio 1) lo sweeping tra scimmie Rhesus viene eseguito con una velocità media di 9.31 cm/sec, all'interno dell'intervallo di attivazione delle fibre CT nell'uomo; 2) (Studio 2) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina una diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca se eseguito alla velocità di 5 e 10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 1 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina l'aumento della frequenza cardiaca e la diminuzione della variabilità di questa, quindi il decremento dell'attivazione del sistema nervoso parasimpatico; 3) (Studio 3) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina l'aumento della temperatura corporea a livello del muso della scimmia se eseguito alla velocità di 5-10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 5 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina la diminuzione della temperatura del muso; 4) (Studio 4) la corteccia somatosensoriale secondaria e la corteccia insulare posteriore presentano neuroni selettivamente modulati durante lo sweeping eseguito ad una velocità di 5-13 cm/sec ma non neuroni selettivi per la codifica della velocità dello sweeping minore di 5 cm/sec. Questi risultati supportano l'ipotesi di Dunbar relativa al coinvolgimento delle fibre CT durante lo sweeping. Infatti i dati mettono in luce che lo sweeping viene eseguito con una velocità (9.31 cm/sec), simile a quella di attivazione delle fibre CT nell'uomo (1-10 cm/sec), determina gli stessi effetti fisiologici positivi in termini di frequenza cardiaca (diminuzione) e variabilità della frequenza cardiaca (incremento) e la modulazione delle medesime aree a livello del sistema nervoso centrale (in particolare la corteccia insulare). Inoltre, abbiamo dimostrato per la prima volta che suddetta stimolazione tattile determina l'aumento della temperatura del muso della scimmia. Il presente studio rappresenta la prima prova indiretta dell'ipotesi relativa alla modulazione del sistema delle fibre C-LTMRs durante lo sweeping e quindi della codifica della stimolazione tattile piacevole affiliativa a livello del sistema nervoso centrale ed autonomo, nei primati non umani. I dati preliminari qui presentati evidenziano la somiglianza tra il sistema delle fibre CT dell'uomo e del sistema C-LTMRs nei primati non umano, riguardanti il Social Touch. Nonostante ciò abbiamo riscontrato alcune discrepanze tra i risultati da noi ottenuti e quelli invece ottenuti dagli studi umani. La velocità media dello sweeping è di 9.31 cm / sec, rasente il limite superiore dell’intervallo di velocità che attiva le fibre CT nell'uomo. Inoltre, gli effetti autonomici positivi, in termini di battito cardiaco, variabilità della frequenza cardiaca e temperatura a livello del muso, sono stati evidenziati durante lo sweeping eseguito con una velocità di 5 e 10 cm/sec, quindi al limite superiore dell’intervallo ottimale che attiva le fibre CT nell’uomo. Al contrario, lo sweeping eseguito con una velocità inferiore a 5 cm/sec e superiore a 10 cm/sec determina effetti fisiologici negativo. Infine, la corteccia insula sembra essere selettivamente modulata dallo stimolazione eseguita alla velocità di 5-13 cm/sec, ma non 1-5 cm/sec. Quindi, gli studi sul sistema delle fibre CT nell’uomo hanno dimostrato che la velocità ottimale è 1-10 cm/sec, mentre dai nostri risultati la velocità ottimale sembra essere 5-13 cm / sec. Quindi, nonostante l'omologia tra il sistema delle fibre CT nell'umano deputato alla codifica del tocco piacevole affiliativo ed il sistema delle fibre C-LTMRs nei primati non umani, ulteriori studi saranno necessari per definire con maggiore precisione la velocità ottimale di attivazione delle fibre C-LTMR e per dimostrare direttamente la loro attivazione durante lo sweeping, mediante la misurazione diretta della loro modulazione. Studi in questa direzione potranno confermare l'omologia tra lo sweeping in qualità di tocco affiliativo piacevole tra i primati non umani e la carezza tra gli uomini. Infine, il presente studio potrebbe essere un importante punto di partenza per esplorare il meccanismo evolutivo dietro la trasformazione dello sweeping tra primati non umani, azione utilitaria eseguita durante il grooming, a carezza, gesto puramente affiliativo tra gli uomini.

Introduction to Coding Theory for Flow Equations of Complex Systems Models

The modeling of complex dynamic systems depends on the solution of a differential equations system. Some problems appear because we do not know the mathematical expressions of the said equations. Enough numerical data of the system variables are known. The authors, think that it is very important to establish a code between the different languages to let them codify and decodify information. Coding permits us to reduce the study of some objects to others. Mathematical expressions are used to model certain variables of the system are complex, so it is convenient to define an alphabet code determining the correspondence between these equations and words in the alphabet. In this paper the authors begin with the introduction to the coding and decoding of complex structural systems modeling.

Special training in injury coding. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

Training program for accident investigation and coding in the National Crash Severity Study. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.

The crash outcome data evaluation system (CODES).

National Highway Traffic Safety Administration, Office of Research and Development, Washington, D.C.

Fatal Accident Reporting System (FARS) data enhancement. Final report.

National Highway Traffic Safety Administration, Washington, D.C.