The impact of architecture on the performance of artificial neural networks

A number of researchers have investigated the impact of network architecture on the performance of artificial neural networks. Particular attention has been paid to the impact on the performance of the multi-layer perceptron of architectural issues, and the use of various strategies to attain an optimal network structure. However, there are still perceived limitations with the multi-layer perceptron and networks that employ a different architecture to the multi-layer perceptron have gained in popularity in recent years, particularly, networks that implement a more localised solution, where the solution in one area of the problem space does not impact, or has a minimal impact, on other areas of the space. In this study, we discuss the major architectural issues affecting the performance of a multi-layer perceptron, before moving on to examine in detail the performance of a new localised network, namely the bumptree. The work presented here examines the impact on the performance of artificial neural networks of employing alternative networks to the long established multi-layer perceptron. In particular, networks that impose a solution where the impact of each parameter in the final network architecture has a localised impact on the problem space being modelled are examined. The alternatives examined are the radial basis function and bumptree neural networks, and the impact of architectural issues on the performance of these networks is examined. Particular attention is paid to the bumptree, with new techniques for both developing the bumptree structure and employing this structure to classify patterns being examined.

Can surface energy measurements predict the impact of catalyst hydrophobicity upon fatty acid esterification over sulfonic acid functionalised periodic mesoporous organosilicas?

Sulfonic acid functionalised periodic mesoporous organosilicas (PrSO3 H-PMOs) with tunable hydrophobicity were synthesised via a surfactant-templating route, and characterised by porosimetry, TEM, XRD, XPS, inverse gas chromatography (IGC) and ammonia pulse chemisorption. IGC reveals that incorporation of ethyl or benzyl moieties into a mesoporous SBA-15 silica framework significantly increases the non-specific dispersive surface energy of adsorption for alkane adsorption, while decreasing the free energy of adsorption of methanol, reflecting increased surface hydrophobicity. The non-specific dispersive surface energy of adsorption of PMO-SO3H materials is strongly correlated with their activity towards palmitic acid esterification with methanol, demonstrating the power of IGC as an analytical tool for identifying promising solid acid catalysts for the esterification of free fatty acids. A new parameter [-ΔGCNP-P], defined as the per carbon difference in Gibbs free energy of adsorption between alkane and polar probe molecules, provides a simple predictor of surface hydrophobicity and corresponding catalyst activity in fatty acid esterification. © 2014 Elsevier B.V.

Reactor design and its impact on performance and products

This chapter discusses engineering design and performance of various types of biomass transformation reactors. These reactors vary in their operating principle depending on the processing capacity and the nature of the desired end product, that is, gas, chemicals or liquid bio-oil. Mass balance around a thermal conversion reactor is usually carried out to identify the degree of conversion and obtain the amount of the various components in the product. The energy balance around the reactors is essential for determining the optimum reactor temperature and the amount of heat required to complete the overall reactions. Experimental and pilot-plant testing is essential for proper reactor design. However, it is common practice to use correlation and valid parameter values in determining the realistic reactor dimensions and configurations. Despite the recent progress in thermochemical conversion technology, reactor performance and scale up potential are the subjects of continuing research.

Bulk sediment parameter of three sediment cores from permafrost lowlands, Alaska Arctic Coastal Plain

Arctic lowland landscapes have been modified by thermokarst lake processes throughout the Holocene. Thermokarst lakes form as a result of ice-rich permafrost degradation and they may expand over time through thermal and mechanical shoreline erosion. We studied proximal and distal sedimentary records from a thermokarst lake located on the Arctic Coastal Plain of northern Alaska to reconstruct the impact of catchment dynamics and morphology on the lacustrine depositional environment and to quantify carbon accumulation in thermokarst lake sediments. Short cores were collected for analysis of pollen, sedimentological and geochemical proxies. Radiocarbon and Pb/Cs dating, as well as extrapolation of measured historic lake expansion rates, were applied to estimate a minimum lake age of ~ 1,400 calendar years BP. The pollen record is in agreement with the young lake age as it does not include evidence of the "alder high" that occurred in the region ~ 4.0 cal ka BP. The lake most likely initiated from a remnant pond in a drained thermokarst lake basin (DTLB) and deepened rapidly as evidenced by accumulation of laminated sediments. Increasing oxygenation of the water column as shown by higher Fe/Ti and Fe/S ratios in the sediment indicate shifts in ice regime with increasing water depth. More recently, the sediment source changed as the thermokarst lake expanded through lateral permafrost degradation, alternating from redeposited DTLB sediments, to increased amounts of sediment from eroding, older upland deposits, followed by a more balanced combination of both DTLB and upland sources. The characterizing shifts in sediment sources and depositional regimes in expanding thermokarst lakes were therefore archived in the thermokarst lake sedimentary record. This study also highlights the potential for Arctic lakes to recycle old carbon from thawing permafrost and thermokarst processes.

The differential impact of oxytocin receptor (OXTR) genotypes on the risk of autism spectrum disorder (ASD) and resulting social communication deficits

Background: Autism spectrum disorder (ASD) is multifactorial and is likely the result of complex interactions between multiple environmental and genetic factors. Recently, it has been suggested that each symptom cluster of the disorder, such as poor social communication, may be mediated by different genetic influences. Genes in the oxytocin pathway, which mediates social behaviours in humans, have been studied with single nucleotide polymorphisms (SNPs) in the oxytocin receptor gene (OXTR) being implicated in ASD. This thesis examines the presence of different oxytocin receptor genotypes, and their associations with ASD and resulting social communication deficits. Methods: The relationship between four OXTR variants and ASD was evaluated in 607 ASD simplex (SPX) families. Cases were compared to their unaffected siblings using a conditional logistic approach. Odds ratios and associated 95 percent confidence intervals were obtained. A second sample of 235 individuals with a diagnosis of ASD was examined to evaluate whether these four OXTR variants were associated with social communication scores on the Autism Diagnostic Interview – Revised (ADI-R). Parameter estimates and associated 95 percent confidence intervals were generated using a linear regression approach. Multiple testing issues were addressed using false discovery adjustments. Results: The rs53576 AG genotype was significantly associated with a lower risk of ASD (OR = 0.707, 95% CI: 0.512-0.975). A single genotype (AG) provided by the rs2254298 marker was found to be significantly associated with higher social communication scores (Parameter estimate = 1.833, SE = 0.762, p = 0.0171). This association was also seen in a Caucasian only and mothers as the respondent samples. No association was significant following false discovery rate adjustments. Conclusion: The findings from these studies provide limited support for the role of OXTR SNPs in ASD, especially in social communication skills. The clinical significance of these associations remains unknown, however, it is likely that these associations do not play a role in the severity of symptoms associated with ASD. Rather, they may be important in the appearance of social deficits due to the rs2254298 markers association with enlarged amygdalas.

Production d'IgG sialylées en CHO et impact sur leurs fonctions effectrices

La sialylation des N-glycanes du fragment Fc des immunogobulines G (IgG) est une modification peu fréquente des IgG humaines. Pourtant, elle est l’objet de beaucoup d’attention depuis que deux articles fondateurs ont été publiés, qui montrent l’un que la sialylation des IgG diminue leur capacité à déclencher la cytotoxicité cellulaire dépendant de l’anticorps (ADCC), et l’autre que les IgG sialylées en α2,6 seraient la fraction efficace des IgG intraveineuses (IgIV) anti-inflammatoires. Les anticorps monoclonaux thérapeutiques, qui sont le plus souvent des IgG recombinantes produites en culture de cellules de mammifère, connaissent depuis la fin des années 90 un succès et une croissance phénoménaux sur le marché pharmaceutique. La maîtrise de la N-glycosylation du Fc des IgG est une clé de l’efficacité des anticorps monoclonaux. Si les IgG sialylées sont des molécules peu fréquentes in vivo, elles sont très rares en culture cellulaire. Dans cette étude, nous avons développé une méthode de production d’IgG avec une sialylation de type humain en cellules CHO. Nous avons travaillé principalement sur la mise au point d’une stratégie de production d’IgG sialylées par co-expression transitoire d’une IgG1 avec la β1,4-galactosyltransférase I (β4GTI) et la β-galactoside-α2,6-sialyltransférase I (ST6GalI). Nous avons montré que cette méthode permettait d’enrichir l’IgG1 en glycane fucosylé di-galactosylé mono-α2,6-sialylé G2FS(6)1, qui est le glycane sialylé présent sur les IgG humaines. Nous avons ensuite adapté cette méthode à la production d’IgG présentant des profils de glycosylation riches en acides sialiques, riches en galactose terminal, et/ou appauvris en fucosylation. L’analyse des profils de glycosylation obtenus par la co-expression de diverses combinaisons enzymatiques avec l’IgG1 native ou une version mutante de l’IgG1 (F243A), a permis de discuter des influences respectives de la sous-galactosylation des IgG1 en CHO et des contraintes structurales du Fc dans la limitation de la sialylation des IgG en CHO. Nous avons ensuite utilisé les IgG1 produites avec différents profils de glycosylation afin d’évaluer l’impact de la sialylation α2,6 sur l’interaction de l’IgG avec le récepteur FcγRIIIa, principal récepteur impliqué dans la réponse ADCC. Nous avons montré que la sialylation α2,6 augmentait la stabilité du complexe formé par l’IgG avec le FcγRIIIa, mais que ce bénéfice n’était pas directement traduit par une augmentation de l’efficacité ADCC de l’anticorps. Enfin, nous avons débuté le développement d’une plateforme d’expression stable d’IgG sialylées compatible avec une production à l’échelle industrielle. Nous avons obtenu une lignée capable de produire des IgG enrichies en G2FS(6)1 à hauteur de 400 mg/L. Cette étude a contribué à une meilleure compréhension de l’impact de la sialylation sur les fonctions effectrices des IgG, et a permis d’augmenter la maîtrise des techniques de modulation du profil de glycosylation des IgG en culture cellulaire.

Parameter Identification in a Tuberculosis Model for Cameroon

A deterministic model of tuberculosis in Cameroon is designed and analyzed with respect to its transmission dynamics. The model includes lack of access to treatment and weak diagnosis capacity as well as both frequency-and density-dependent transmissions. It is shown that the model is mathematically well-posed and epidemiologically reasonable. Solutions are non-negative and bounded whenever the initial values are non-negative. A sensitivity analysis of model parameters is performed and the most sensitive ones are identified by means of a state-of-the-art Gauss-Newton method. In particular, parameters representing the proportion of individuals having access to medical facilities are seen to have a large impact on the dynamics of the disease. The model predicts that a gradual increase of these parameters could significantly reduce the disease burden on the population within the next 15 years.

An experiment on the parameter uncertainty of hydrological models with different levels of complexity in a climate change context

La possibilité d’estimer l’impact du changement climatique en cours sur le comportement hydrologique des hydro-systèmes est une nécessité pour anticiper les adaptations inévitables et nécessaires que doivent envisager nos sociétés. Dans ce contexte, ce projet doctoral présente une étude sur l’évaluation de la sensibilité des projections hydrologiques futures à : (i) La non-robustesse de l’identification des paramètres des modèles hydrologiques, (ii) l’utilisation de plusieurs jeux de paramètres équifinaux et (iii) l’utilisation de différentes structures de modèles hydrologiques. Pour quantifier l’impact de la première source d’incertitude sur les sorties des modèles, quatre sous-périodes climatiquement contrastées sont tout d’abord identifiées au sein des chroniques observées. Les modèles sont calés sur chacune de ces quatre périodes et les sorties engendrées sont analysées en calage et en validation en suivant les quatre configurations du Different Splitsample Tests (Klemeš, 1986;Wilby, 2005; Seiller et al. (2012);Refsgaard et al. (2014)). Afin d’étudier la seconde source d’incertitude liée à la structure du modèle, l’équifinalité des jeux de paramètres est ensuite prise en compte en considérant pour chaque type de calage les sorties associées à des jeux de paramètres équifinaux. Enfin, pour évaluer la troisième source d’incertitude, cinq modèles hydrologiques de différents niveaux de complexité sont appliqués (GR4J, MORDOR, HSAMI, SWAT et HYDROTEL) sur le bassin versant québécois de la rivière Au Saumon. Les trois sources d’incertitude sont évaluées à la fois dans conditions climatiques observées passées et dans les conditions climatiques futures. Les résultats montrent que, en tenant compte de la méthode d’évaluation suivie dans ce doctorat, l’utilisation de différents niveaux de complexité des modèles hydrologiques est la principale source de variabilité dans les projections de débits dans des conditions climatiques futures. Ceci est suivi par le manque de robustesse de l’identification des paramètres. Les projections hydrologiques générées par un ensemble de jeux de paramètres équifinaux sont proches de celles associées au jeu de paramètres optimal. Par conséquent, plus d’efforts devraient être investis dans l’amélioration de la robustesse des modèles pour les études d’impact sur le changement climatique, notamment en développant les structures des modèles plus appropriés et en proposant des procédures de calage qui augmentent leur robustesse. Ces travaux permettent d’apporter une réponse détaillée sur notre capacité à réaliser un diagnostic des impacts des changements climatiques sur les ressources hydriques du bassin Au Saumon et de proposer une démarche méthodologique originale d’analyse pouvant être directement appliquée ou adaptée à d’autres contextes hydro-climatiques.

Production d'IgG sialylées en CHO et impact sur leurs fonctions effectrices

La sialylation des N-glycanes du fragment Fc des immunogobulines G (IgG) est une modification peu fréquente des IgG humaines. Pourtant, elle est l’objet de beaucoup d’attention depuis que deux articles fondateurs ont été publiés, qui montrent l’un que la sialylation des IgG diminue leur capacité à déclencher la cytotoxicité cellulaire dépendant de l’anticorps (ADCC), et l’autre que les IgG sialylées en α2,6 seraient la fraction efficace des IgG intraveineuses (IgIV) anti-inflammatoires. Les anticorps monoclonaux thérapeutiques, qui sont le plus souvent des IgG recombinantes produites en culture de cellules de mammifère, connaissent depuis la fin des années 90 un succès et une croissance phénoménaux sur le marché pharmaceutique. La maîtrise de la N-glycosylation du Fc des IgG est une clé de l’efficacité des anticorps monoclonaux. Si les IgG sialylées sont des molécules peu fréquentes in vivo, elles sont très rares en culture cellulaire. Dans cette étude, nous avons développé une méthode de production d’IgG avec une sialylation de type humain en cellules CHO. Nous avons travaillé principalement sur la mise au point d’une stratégie de production d’IgG sialylées par co-expression transitoire d’une IgG1 avec la β1,4-galactosyltransférase I (β4GTI) et la β-galactoside-α2,6-sialyltransférase I (ST6GalI). Nous avons montré que cette méthode permettait d’enrichir l’IgG1 en glycane fucosylé di-galactosylé mono-α2,6-sialylé G2FS(6)1, qui est le glycane sialylé présent sur les IgG humaines. Nous avons ensuite adapté cette méthode à la production d’IgG présentant des profils de glycosylation riches en acides sialiques, riches en galactose terminal, et/ou appauvris en fucosylation. L’analyse des profils de glycosylation obtenus par la co-expression de diverses combinaisons enzymatiques avec l’IgG1 native ou une version mutante de l’IgG1 (F243A), a permis de discuter des influences respectives de la sous-galactosylation des IgG1 en CHO et des contraintes structurales du Fc dans la limitation de la sialylation des IgG en CHO. Nous avons ensuite utilisé les IgG1 produites avec différents profils de glycosylation afin d’évaluer l’impact de la sialylation α2,6 sur l’interaction de l’IgG avec le récepteur FcγRIIIa, principal récepteur impliqué dans la réponse ADCC. Nous avons montré que la sialylation α2,6 augmentait la stabilité du complexe formé par l’IgG avec le FcγRIIIa, mais que ce bénéfice n’était pas directement traduit par une augmentation de l’efficacité ADCC de l’anticorps. Enfin, nous avons débuté le développement d’une plateforme d’expression stable d’IgG sialylées compatible avec une production à l’échelle industrielle. Nous avons obtenu une lignée capable de produire des IgG enrichies en G2FS(6)1 à hauteur de 400 mg/L. Cette étude a contribué à une meilleure compréhension de l’impact de la sialylation sur les fonctions effectrices des IgG, et a permis d’augmenter la maîtrise des techniques de modulation du profil de glycosylation des IgG en culture cellulaire.

The impact of occupant behaviour on residential greenhouse gas emissions reduction

In 2011-12, greenhouse gas emissions from the Australian residential sector were 101.6 Mt and are expected to grow by 38% by 2050. In order to reduce these emissions, much emphasis has been placed on increasing the energy efficiency of buildings and appliances. Occupant behaviour, however, is probably the single most significant factor which determines energy use and emissions. This paper describes research undertaken to rank the most common occupant behaviours, based upon their impact on greenhouse gas emissions associated with residential energy use, in an architect-designed house in Australia. The occupant behaviours investigated were changing: the heating and cooling temperature set points, window openings, external blind use and lighting use. Simulations were carried out using Primero and EnergyPlus software. Based on the simulation results of greenhouse gas emissions, the following ranking of overall influence (from most influential to the least) has been determined: external blind use was one of the most effective measures to reduce emissions. Cooling set point temperature was similarly important with the magnitude of impact depending on the set point e.g. a 2°C increase had an impact comparable to the use of external blinds. The impact of the heating set point temperature was also dependent on the set point and overall slightly lower compared to the cooling set point temperature. Lighting use was the least influential parameter in the context of this study.