Validazione dell'accuratezza di diagnostica di una rete neurale artificiale nella predizione della fibrosi epatica da epatite HCV stadiata con biopsia epatica ecoguidata

Nelle epatopatie croniche l’estensione della fibrosi è il principale determinante della prognosi. Sebbene la biopsia epatica rimanga il gold standard ai fini di una stadiazione, il crescente interesse nei confronti di metodi diagnostici non invasivi di fibrosi ha portato allo sviluppo di diversi modelli predittivi basati su parametri clinicolaboratoristici quali Fibrotest, indice APRI, indice Forns. Gli scopi dello studio sono: di stabilire l’accuratezza di un’analisi con rete neurale artificiale (ANN), tecnica di cui è stata dimostrata l’efficacia predittiva in situazioni biologiche complesse nell’identificare lo stadio di fibrosi, di confrontarne i risultati con quelli ottenuti dal calcolo degli indici APRI e Forns sullo stesso gruppo di pazienti e infine di validarne l’efficacia diagnostica in gruppi esterni.

Meccanismi neurali per la rappresentazione semantica e lessicale: modello di una rete neurale per apprendere il significato di oggetti e parole

Lo studio della memoria semantica attraverso modelli teorici (qualitativi o matematici) gioca un ruolo importante nelle neuroscienze cognitive. In questa tesi viene presentato un modello della memoria semantica e lessicale. Il principio alla base del modello è che la semantica di un oggetto è descritta attraverso una collezione di proprietà, che sintetizzano la percezione dell’oggetto nelle diverse regioni corticali. Gli aspetti semantici e lessicali sono memorizzati in regioni separate del cervello, ma reciprocamente connesse sulla base dell’esperienza passata, secondo un meccanismo di apprendimento Hebbiano. L’obiettivo del lavoro è indagare i meccanismi che portano alla formazione di categorie, analizzare il ruolo delle diverse proprietà nella costruzione di un concetto e le connessioni tra queste proprietà e la parola corrispondente al nome dell’oggetto. Durante l’addestramento per ogni oggetto sono presentate alcune proprietà in input, con una data frequenza: alcune sono condivise, cioè appartengono a più di un concetto e permettono la formazione di categorie, altre sono distintive, cioè sono tipiche di un concetto e consentono la rappresentazione dei membri di una categoria. Un ulteriore aspetto riguardante le proprietà è la distinzione fra proprietà salienti, che sono spontaneamente evocate, e proprietà marginali. E’ stata utilizzata una tassonomia composta da 11 parole che identificano 11 animali. La salienza è stabilita dalla frequenza con cui si verifica ciascuna proprietà. La distinzione tra proprietà condivise e distintive, e tra proprietà salienti e non salienti, è stata ottenuta mediante l’uso della regola di Hebb con una diversa soglia presinaptica e postsinaptica, producendo patterns di sinapsi asimmetriche all’interno della rete semantica (auto-associazione) e tra la rete semantica e lessicale (etero-associazione). La rete addestrata è in grado di risolvere compiti di riconoscimento e denominazione di oggetti, mantenendo una distinzione tra le categorie e i suoi membri, e fornendo un diverso ruolo per le proprietà salienti rispetto alle proprietà marginali.

Off-axis sonar beam pattern of free-ranging finless porpoises measured by a stereo pulse event data logger

The off-axis sonar beam patterns of eight free-ranging finless porpoises were measured using attached data logger systems. The transmitted sound pressure level at each beam angle was calculated from the animal's body angle, the water surface echo level, and the swimming depth. The beam pattern of the off-axis signals between 45 and 115 (where 0 corresponds to the on-axis direction) was nearly constant. The sound pressure level of the off-axis signals reached 162 dB re 1 mPa peak-to-peak. The surface echo level received at the animal was over 140 dB, much higher than the auditory threshold level of small odontocetes. Finless porpoises are estimated to be able to receive the surface echoes of off-axis signals even at 50-m depth. Shallow water systems (less than 50-m depth) are the dominant habitat of both oceanic and freshwater populations of this species. Surface echoes may provide porpoises not only with diving depth information but also with information about surface direction and location of obstacles (including prey items) outside the on-axis sector of the sonar beam. 2005 Acoustical Society of America.

Reconstruction of gusty wind speed time series from autonomous data logger records

The collection of wind speed time series by means of digital data loggers occurs in many domains, including civil engineering, environmental sciences and wind turbine technology. Since averaging intervals are often significantly larger than typical system time scales, the information lost has to be recovered in order to reconstruct the true dynamics of the system. In the present work we present a simple algorithm capable of generating a real-time wind speed time series from data logger records containing the average, maximum, and minimum values of the wind speed in a fixed interval, as well as the standard deviation. The signal is generated from a generalized random Fourier series. The spectrum can be matched to any desired theoretical or measured frequency distribution. Extreme values are specified through a postprocessing step based on the concept of constrained simulation. Applications of the algorithm to 10-min wind speed records logged at a test site at 60 m height above the ground show that the recorded 10-min values can be reproduced by the simulated time series to a high degree of accuracy.

Portable MP3 player as low-cost data logger

Non-audio signals have been recorded in the flash ROM memory of a portable MP3 player, in WAV format file, to examine the possibility of using these cheap and small instruments as general-purpose portable data loggers. A 1200-Hz FM carrier modulated by the non-audio signal has replaced the microphone signal, while using the REC operating mode of the MP3 player, which triggers the voice recording function. The signal recovery was carried out by a PLL-based FM demodulator whose input is the FM signal captured in the coil leads of the MP3 player's earphone. Sinusoidal and electrocardiogram signals have been used in the system evaluation. Although the quality of low frequency signals needs improvement, overall the results indicate the viability of the proposal. Suggestions are made for improvements and extensions of the work.

Evaluation of measurement errors of temperature and relative humidity from HOBO data logger under different conditions of exposure to solar radiation

This study aimed to assess measurements of temperature and relative humidity obtained with HOBO a data logger, under various conditions of exposure to solar radiation, comparing them with those obtained through the use of a temperature/relative humidity probe and a copper-constantan thermocouple psychrometer, which are considered the standards for obtaining such measurements. Data were collected over a 6-day period (from 25 March to 1 April, 2010), during which the equipment was monitored continuously and simultaneously. We employed the following combinations of equipment and conditions: a HOBO data logger in full sunlight; a HOBO data logger shielded within a white plastic cup with windows for air circulation; a HOBO data logger shielded within a gill-type shelter (multi-plate prototype plastic); a copper-constantan thermocouple psychrometer exposed to natural ventilation and protected from sunlight; and a temperature/relative humidity probe under a commercial, multi-plate radiation shield. Comparisons between the measurements obtained with the various devices were made on the basis of statistical indicators: linear regression, with coefficient of determination; index of agreement; maximum absolute error; and mean absolute error. The prototype multi-plate shelter (gill-type) used in order to protect the HOBO data logger was found to provide the best protection against the effects of solar radiation on measurements of temperature and relative humidity. The precision and accuracy of a device that measures temperature and relative humidity depend on an efficient shelter that minimizes the interference caused by solar radiation, thereby avoiding erroneous analysis of the data obtained.

Modello di rete neurale per lo studio di fenomeni di integrazione visuoacustica in soggetti sani e patologici

L’integrazione multisensoriale è la capacità del sistema nervoso di utilizzare molteplici sorgenti sensoriali. Una tra le più studiate forme di integrazione è quella tra informazioni visive ed acustiche. La capacità di localizzare uno stimolo acustico nello spazio è un processo meno accurato ed affidabile della localizzazione visiva, di conseguenza, un segnale visivo è spesso in grado di “catturare” (ventriloquismo) o di incrementare (enhancement multisensoriale) la performance di localizzazione acustica. Numerose evidenze sperimentali hanno contribuito ad individuare i processi neurali e le aree cerebrali alla base dei fenomeni integrativi; in particolare, un importante contributo viene dallo studio su soggetti con lesioni cerebrali. Tuttavia molti aspetti sui possibili meccanismi coinvolti restano ancora da chiarire. Obiettivo di questa tesi è stato lo sviluppo di un modello matematico di rete neurale per fare luce sui meccanismi alla base dell’interazione visuo-acustica e dei suoi fenomeni di plasticità. In particolare, il modello sviluppato è in grado di riprodurre condizioni che si verificano in-vivo, replicando i fenomeni di ventriloquismo ed enhancement in diversi stati fisiopatologici e interpretandoli in termini di risposte neurali e reciproche interazione tra i neuroni. Oltre ad essere utile a migliorare la comprensione dei meccanismi e dei circuiti neurali coinvolti nell’integrazione multisensoriale, il modello può anche essere utile per simulare scenari nuovi, con la possibilità di effettuare predizioni da testare in successivi esperimenti.

Fenomeni di interazione audio-visiva in soggetti sani e in soggetti autistici: analisi mediante rete neurale

Negli ultimi anni, studi scientifici hanno evidenziato come il nostro sistema nervoso abbia la capacità di combinare e integrare informazioni di diversa natura sensoriale. Una interazione ampiamente studiata è quella audiovisiva. Oggetto principale di questa tesi è un esempio di interazione audiovisiva, ovvero un fenomeno illusorio visivo indotto dal suono che prende il nome “sound-induced flash illusion”: quando una coppia flash+beep è preceduta o seguita - ad una distanza temporale detta Stimulus Onset Asynchorny (SOA) - da un secondo beep, i soggetti spesso riportano la percezione di aver visto due flash. Il fenomeno illusorio tende a svanire al crescere dell’SOA, e si definisce “finestra temporale d’integrazione” l’intervallo di valori di SOA all’interno del quale si verifica l’illusione. Il fenomeno illusorio è presente anche nei soggetti autistici; questi, rispetto ai soggetti sani, presentano una maggiore propensione nel riportare l’illusione e una finestra temporale d’integrazione di durata maggiore. Obiettivo di questo lavoro è stato approfondire questi fenomeni di interazione mediante l’utilizzo di un modello di rete neurale precedentemente sviluppato dal gruppo di Bioingegneria dell’Università di Bologna. Tale modello era in grado di simulare il fenomeno illusorio, ma presentava il limite di non considerare l’intera finestra temporale in cui tale fenomeno si verifica. Un’analisi di sensitività del modello ha individuato quali variazioni dei parametri potessero spiegare l’illusione in un ampio intervallo temporale e interpretare le differenze tra soggetti sani e soggetti autistici. I risultati delle simulazioni hanno evidenziato un soddisfacente accordo con i dati di letteratura. Le analisi svolte possono contribuire a chiarire i meccanismi alla base del fenomeno illusorio e della finestra temporale in cui esso ha luogo e a fare luce sulle possibili alterazioni nelle singole aree cerebrali e nella interazione tra esse che possono interpretare le differenze osservate nei soggetti autistici rispetto ai sani.

Studio dell'integrazione multisensoriale nella corteccia attraverso rete neurale

L'argomento di questa tesi è la multisensorialità sensoriale. L'obbiettivo che abbiamo perseguito è stato quello di utilizzare un modello sviluppato in precedenza per effettuare un'analisi di sensitività e capire il ruolo che hanno i vari fattori per lo sviluppo della rete neurale. Inoltre abbiamo cercato di mostrare come effettivamente tale modello, come da letteratura, effettui una stima bayesiana. Al termine di questo lavoro si è evidenziata la forte influenza degli stimoli cross-modali nell'adattamento automatico della rete verso stimoli più precisi e del ventriloquismo necessario a ponderare gli stimoli a seconda del loro grado di affidabilità. Inoltre è stato dimostrato che attraverso l'utilizzo di una regola di apprendimento realistica, la rete neurale può imparare la funzione di verosimiglianza. Uno stimatore bayesiano di questo tipo riesce a rappresentare realisticamente l'integrazione multisensoriale che il nostro cervello deve intraprendere quando si trova davanti a più stimoli di natura sensoriale diversa. Molto interessanti anche gli sviluppi possibili di questo progetto che verranno accennati nelle ultime parti di questa tesi.

Analisi del ventriloquismo temporale mediante rete neurale.

La percezione coerente del mondo esterno è basata sull'integrazione della grande varietà di input provenienti dalle differenti modalità sensoriali. Il processo di elaborazione delle diverse informazioni recepite, fin dalle prime fasi, è caratterizzato da meccanismi ancora in fase di studio, che, però, possono essere rilevati tramite l’utilizzo di modelli computazionali basati su una rete neurale specifica. In questa Tesi si è preso in considerazione il modello neurale elaborato per simulare gli aspetti spaziali e temporali di illusioni audiovisive, quali l’effetto ventriloquismo e la fission illusion, in modo da poter svolgere un’analisi computazionale del ventriloquismo temporale. Il principale effetto di questo fenomeno consiste nello spostamento dell’istante di occorrenza di uno stimolo visivo verso quello di un segnale acustico presentato in prossimità temporale. Il modello, basato principalmente sul fatto che i neuroni visivi e uditivi comunicano tramite sinapsi eccitatorie e che i campi recettivi spazio-temporali sono differenti per le due modalità sensoriali, è in grado di riprodurre i principali effetti dell’integrazione temporale tra gli stimoli, dando luogo all'effetto illusorio. Si è adattato il modello in modo da rilevare, quantificare e misurare l’estensione del ventriloquismo temporale per diverse disposizioni spaziali e temporali di presentazione degli stimoli. L’analisi è stata ripetuta variando i principali parametri, in modo da rilevare la sensibilità del modello e, quindi, fare valutazioni sui fattori particolarmente influenzanti il fenomeno, confrontando poi i risultati con i dati in letteratura.

MONTBLEX tower observations: Instrumentation, data acquisition and data quality

Tower platforms, with instrumentation at six levels above the surface to a height of 30 m, were used to record various atmospheric parameters in the surface layer. Sensors for measuring both mean and fluctuating quantities were used, with the majority of them indigenously built. Soil temperature sensors up to a depth of 30 cm from the surface were among the variables connected to the mean data logger. A PC-based data acquisition system built at the Centre for Atmospheric Sciences, IISc, was used to acquire the data from fast response sensors. This paper reports the various components of a typical MONTBLEX tower observatory and describes the actual experiments carried out in the surface layer at four sites over the monsoon trough region as a part of the MONTBLEX programme. It also describes and discusses several checks made on randomly selected tower data-sets acquired during the experiment. Checks made include visual inspection of time traces from various sensors, comparative plots of sensors measuring the same variable, wind and temperature profile plots calculation of roughness lengths, statistical and stability parameters, diurnal variation of stability parameters, and plots of probability density and energy spectrum for the different sensors. Results from these checks are found to be very encouraging and reveal the potential for further detailed analysis to understand more about surface layer characteristics.