Prior selection for panel vector autoregressions

There is a vast literature that specifies Bayesian shrinkage priors for vector autoregressions (VARs) of possibly large dimensions. In this paper I argue that many of these priors are not appropriate for multi-country settings, which motivates me to develop priors for panel VARs (PVARs). The parametric and semi-parametric priors I suggest not only perform valuable shrinkage in large dimensions, but also allow for soft clustering of variables or countries which are homogeneous. I discuss the implications of these new priors for modelling interdependencies and heterogeneities among different countries in a panel VAR setting. Monte Carlo evidence and an empirical forecasting exercise show clear and important gains of the new priors compared to existing popular priors for VARs and PVARs.

Sparse hierarchical Bayesian models for detecting relevant antigenic sites in virus evolution

Understanding how virus strains offer protection against closely related emerging strains is vital for creating effective vaccines. For many viruses, including Foot-and-Mouth Disease Virus (FMDV) and the Influenza virus where multiple serotypes often co-circulate, in vitro testing of large numbers of vaccines can be infeasible. Therefore the development of an in silico predictor of cross-protection between strains is important to help optimise vaccine choice. Vaccines will offer cross-protection against closely related strains, but not against those that are antigenically distinct. To be able to predict cross-protection we must understand the antigenic variability within a virus serotype, distinct lineages of a virus, and identify the antigenic residues and evolutionary changes that cause the variability. In this thesis we present a family of sparse hierarchical Bayesian models for detecting relevant antigenic sites in virus evolution (SABRE), as well as an extended version of the method, the extended SABRE (eSABRE) method, which better takes into account the data collection process. The SABRE methods are a family of sparse Bayesian hierarchical models that use spike and slab priors to identify sites in the viral protein which are important for the neutralisation of the virus. In this thesis we demonstrate how the SABRE methods can be used to identify antigenic residues within different serotypes and show how the SABRE method outperforms established methods, mixed-effects models based on forward variable selection or l1 regularisation, on both synthetic and viral datasets. In addition we also test a number of different versions of the SABRE method, compare conjugate and semi-conjugate prior specifications and an alternative to the spike and slab prior; the binary mask model. We also propose novel proposal mechanisms for the Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations, which improve mixing and convergence over that of the established component-wise Gibbs sampler. The SABRE method is then applied to datasets from FMDV and the Influenza virus in order to identify a number of known antigenic residue and to provide hypotheses of other potentially antigenic residues. We also demonstrate how the SABRE methods can be used to create accurate predictions of the important evolutionary changes of the FMDV serotypes. In this thesis we provide an extended version of the SABRE method, the eSABRE method, based on a latent variable model. The eSABRE method takes further into account the structure of the datasets for FMDV and the Influenza virus through the latent variable model and gives an improvement in the modelling of the error. We show how the eSABRE method outperforms the SABRE methods in simulation studies and propose a new information criterion for selecting the random effects factors that should be included in the eSABRE method; block integrated Widely Applicable Information Criterion (biWAIC). We demonstrate how biWAIC performs equally to two other methods for selecting the random effects factors and combine it with the eSABRE method to apply it to two large Influenza datasets. Inference in these large datasets is computationally infeasible with the SABRE methods, but as a result of the improved structure of the likelihood, we are able to show how the eSABRE method offers a computational improvement, leading it to be used on these datasets. The results of the eSABRE method show that we can use the method in a fully automatic manner to identify a large number of antigenic residues on a variety of the antigenic sites of two Influenza serotypes, as well as making predictions of a number of nearby sites that may also be antigenic and are worthy of further experiment investigation.

Relationship between technological properties and slab surface roughness of siliceous dimension stones

Fundacao de Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP)[06/52521-0]

Free-breathing renal magnetic resonance angiography with steady-state free-precession and slab-selective spin inversion combined with radial k-space sampling and water-selective excitation.

The impact of radial k-space sampling and water-selective excitation on a novel navigator-gated cardiac-triggered slab-selective inversion prepared 3D steady-state free-precession (SSFP) renal MR angiography (MRA) sequence was investigated. Renal MRA was performed on a 1.5-T MR system using three inversion prepared SSFP approaches: Cartesian (TR/TE: 5.7/2.8 ms, FA: 85 degrees), radial (TR/TE: 5.5/2.7 ms, FA: 85 degrees) SSFP, and radial SSFP combined with water-selective excitation (TR/TE: 9.9/4.9 ms, FA: 85 degrees). Radial data acquisition lead to significantly reduced motion artifacts (P < 0.05). SNR and CNR were best using Cartesian SSFP (P < 0.05). Vessel sharpness and vessel length were comparable in all sequences. The addition of a water-selective excitation could not improve image quality. In conclusion, radial k-space sampling reduces motion artifacts significantly in slab-selective inversion prepared renal MRA, while SNR and CNR are decreased. The addition of water-selective excitation could not improve the lower CNR in radial scanning.

Free-breathing renal MR angiography with steady-state free-precession (SSFP) and slab-selective spin inversion: initial results.

BACKGROUND: The aim of our study was the investigation of a novel navigator-gated three-dimensional (3D) steady-state free-precession (SSFP) sequence for free-breathing renal magnetic resonance angiography (MRA) without contrast medium, and to examine the advantage of an additional inversion prepulse for improved contrast. METHODS: Eight healthy volunteers (mean age 29 years) and eight patients (mean age 53 years) were investigated on a 1.5 Tesla MR system (ACS-NT, Philips, Best, The Netherlands). Renal MRA was performed using three navigator-gated free-breathing cardiac-triggered 3D SSFP sequences [repetition time (TR) = 4.4 ms, echo time (TE) = 2.2 ms, flip angle 85 degrees, spatial resolution 1.25 x 1.25 x 4.0 mm(3), scanning time approximately 1 minute 30 seconds]. The same sequence was performed without magnetization preparation, with a non-slab selective and a slab-selective inversion prepulse. Signal-to-noise ratio (SNR), contrast-to-noise (CNR) vessel length, and subjective image quality were compared. RESULTS: Three-dimensional SSFP imaging combined with a slab-selective inversion prepulse enabled selective and high contrast visualization of the renal arteries, including the more distal branches. Standard SSFP imaging without magnetization preparation demonstrated overlay by veins and renal parenchyma. A non-slab-selective prepulse abolished vessel visualization. CNR in SSFP with slab-selective inversion was 43.6 versus 10.6 (SSFP without magnetization preparation) and 0.4 (SSFP with non-slab-selective inversion), P < 0.008. CONCLUSION: Navigator-gated free-breathing cardiac-triggered 3D SSFP imaging combined with a slab-selective inversion prepulse is a novel, fast renal MRA technique without the need for contrast media.

Three-dimensional hydrodynamic numerical modelling of fold nappe formation, basement-cover deformation and slab detachment with applications to the helvetic nappe system (W Switzerland)

Many three-dimensional (3-D) structures in rock, which formed during the deformation of the Earth's crust and lithosphere, are controlled by a difference in mechanical strength between rock units and are often the result of a geometrical instability. Such structures are, for example, folds, pinch-and-swell structures (due to necking) or cuspate-lobate structures (mullions). These struc-tures occur from the centimeter to the kilometer scale and the related deformation processes con-trol the formation of, for example, fold-and-thrust belts and extensional sedimentary basins or the deformation of the basement-cover interface. The 2-D deformation processes causing these structures are relatively well studied, however, several processes during large-strain 3-D defor-mation are still incompletely understood. One of these 3-D processes is the lateral propagation of these structures, such as fold and cusp propagation in a direction orthogonal to the shortening direction or neck propagation in direction orthogonal to the extension direction. Especially, we are interested in fold nappes which are recumbent folds with amplitudes usually exceeding 10 km and they have been presumably formed by ductile shearing. They often exhibit a constant sense of shearing and a non-linear increase of shear strain towards their overturned limb. The fold axes of the Morcles fold nappe in western Switzerland plunges to the ENE whereas the fold axes in the more eastern Doldenhorn nappe plunges to the WSW. These opposite plunge direc-tions characterize the Rawil depression (Wildstrubel depression). The Morcles nappe is mainly the result of layer parallel contraction and shearing. During the compression the massive lime-stones were more competent than the surrounding marls and shales, which led to the buckling characteristics of the Morcles nappe, especially in the north-dipping normal limb. The Dolden-horn nappe exhibits only a minor overturned fold limb. There are still no 3-D numerical studies which investigate the fundamental dynamics of the formation of the large-scale 3-D structure including the Morcles and Doldenhorn nappes and the related Rawil depression. We study the 3-D evolution of geometrical instabilities and fold nappe formation with numerical simulations based on the finite element method (FEM). Simulating geometrical instabilities caused by sharp variations of mechanical strength between rock units requires a numerical algorithm that can accurately resolve material interfaces for large differences in material properties (e.g. between limestone and shale) and for large deformations. Therefore, our FE algorithm combines a nu-merical contour-line technique and a deformable Lagrangian mesh with re-meshing. With this combined method it is possible to accurately follow the initial material contours with the FE mesh and to accurately resolve the geometrical instabilities. The algorithm can simulate 3-D de-formation for a visco-elastic rheology. The viscous rheology is described by a power-law flow law. The code is used to study the 3-D fold nappe formation, the lateral propagation of folding and also the lateral propagation of cusps due to initial half graben geometry. Thereby, the small initial geometrical perturbations for folding and necking are exactly followed by the FE mesh, whereas the initial large perturbation describing a half graben is defined by a contour line inter-secting the finite elements. Further, the 3-D algorithm is applied to 3-D viscous nacking during slab detachment. The results from various simulations are compared with 2-D resulats and a 1-D analytical solution. -- On retrouve beaucoup de structures en 3 dimensions (3-D) dans les roches qui ont pour origines une déformation de la lithosphère terrestre. Ces structures sont par exemple des plis, des boudins (pinch-and-swell) ou des mullions (cuspate-lobate) et sont présentés de l'échelle centimétrique à kilométrique. Mécaniquement, ces structures peuvent être expliquées par une différence de résistance entre les différentes unités de roches et sont généralement le fruit d'une instabilité géométrique. Ces différences mécaniques entre les unités contrôlent non seulement les types de structures rencontrées, mais également le type de déformation (thick skin, thin skin) et le style tectonique (bassin d'avant pays, chaîne d'avant pays). Les processus de la déformation en deux dimensions (2-D) formant ces structures sont relativement bien compris. Cependant, lorsque l'on ajoute la troisiéme dimension, plusieurs processus ne sont pas complètement compris lors de la déformation à large échelle. L'un de ces processus est la propagation latérale des structures, par exemple la propagation de plis ou de mullions dans la direction perpendiculaire à l'axe de com-pression, ou la propagation des zones d'amincissement des boudins perpendiculairement à la direction d'extension. Nous sommes particulièrement intéressés les nappes de plis qui sont des nappes de charriage en forme de plis couché d'une amplitude plurikilométrique et étant formées par cisaillement ductile. La plupart du temps, elles exposent un sens de cisaillement constant et une augmentation non linéaire de la déformation vers la base du flanc inverse. Un exemple connu de nappes de plis est le domaine Helvétique dans les Alpes de l'ouest. Une de ces nap-pes est la Nappe de Morcles dont l'axe de pli plonge E-NE tandis que de l'autre côté de la dépression du Rawil (ou dépression du Wildstrubel), la nappe du Doldenhorn (équivalent de la nappe de Morcles) possède un axe de pli plongeant O-SO. La forme particulière de ces nappes est due à l'alternance de couches calcaires mécaniquement résistantes et de couches mécanique-ment faibles constituées de schistes et de marnes. Ces différences mécaniques dans les couches permettent d'expliquer les plissements internes à la nappe, particulièrement dans le flanc inver-se de la nappe de Morcles. Il faut également noter que le développement du flanc inverse des nappes n'est pas le même des deux côtés de la dépression de Rawil. Ainsi la nappe de Morcles possède un important flanc inverse alors que la nappe du Doldenhorn en est presque dépour-vue. A l'heure actuelle, aucune étude numérique en 3-D n'a été menée afin de comprendre la dynamique fondamentale de la formation des nappes de Morcles et du Doldenhorn ainsi que la formation de la dépression de Rawil. Ce travail propose la première analyse de l'évolution 3-D des instabilités géométriques et de la formation des nappes de plis en utilisant des simulations numériques. Notre modèle est basé sur la méthode des éléments finis (FEM) qui permet de ré-soudre avec précision les interfaces entre deux matériaux ayant des propriétés mécaniques très différentes (par exemple entre les couches calcaires et les couches marneuses). De plus nous utilisons un maillage lagrangien déformable avec une fonction de re-meshing (production d'un nouveau maillage). Grâce à cette méthode combinée il nous est possible de suivre avec précisi-on les interfaces matérielles et de résoudre avec précision les instabilités géométriques lors de la déformation de matériaux visco-élastiques décrit par une rhéologie non linéaire (n>1). Nous uti-lisons cet algorithme afin de comprendre la formation des nappes de plis, la propagation latérale du plissement ainsi que la propagation latérale des structures de type mullions causé par une va-riation latérale de la géométrie (p.ex graben). De plus l'algorithme est utilisé pour comprendre la dynamique 3-D de l'amincissement visqueux et de la rupture de la plaque descendante en zone de subduction. Les résultats obtenus sont comparés à des modèles 2-D et à la solution analytique 1-D. -- Viele drei dimensionale (3-D) Strukturen, die in Gesteinen vorkommen und durch die Verfor-mung der Erdkruste und Litosphäre entstanden sind werden von den unterschiedlichen mechani-schen Eigenschaften der Gesteinseinheiten kontrolliert und sind häufig das Resulat von geome-trischen Istabilitäten. Zu diesen strukturen zählen zum Beispiel Falten, Pich-and-swell Struktu-ren oder sogenannte Cusbate-Lobate Strukturen (auch Mullions). Diese Strukturen kommen in verschiedenen Grössenordungen vor und können Masse von einigen Zentimeter bis zu einigen Kilometer aufweisen. Die mit der Entstehung dieser Strukturen verbundenen Prozesse kontrol-lieren die Entstehung von Gerbirgen und Sediment-Becken sowie die Verformung des Kontaktes zwischen Grundgebirge und Stedimenten. Die zwei dimensionalen (2-D) Verformungs-Prozesse die zu den genannten Strukturen führen sind bereits sehr gut untersucht. Einige Prozesse wäh-rend starker 3-D Verformung sind hingegen noch unvollständig verstanden. Einer dieser 3-D Prozesse ist die seitliche Fortpflanzung der beschriebenen Strukturen, so wie die seitliche Fort-pflanzung von Falten und Cusbate-Lobate Strukturen senkrecht zur Verkürzungsrichtung und die seitliche Fortpflanzung von Pinch-and-Swell Strukturen othogonal zur Streckungsrichtung. Insbesondere interessieren wir uns für Faltendecken, liegende Falten mit Amplituden von mehr als 10 km. Faltendecken entstehen vermutlich durch duktile Verscherung. Sie zeigen oft einen konstanten Scherungssinn und eine nicht-lineare zunahme der Scherverformung am überkipp-ten Schenkel. Die Faltenachsen der Morcles Decke in der Westschweiz fallen Richtung ONO während die Faltenachsen der östicher gelegenen Doldenhorn Decke gegen WSW einfallen. Diese entgegengesetzten Einfallrichtungen charakterisieren die Rawil Depression (Wildstrubel Depression). Die Morcles Decke ist überwiegend das Resultat von Verkürzung und Scherung parallel zu den Sedimentlagen. Während der Verkürzung verhielt sich der massive Kalkstein kompetenter als der Umliegende Mergel und Schiefer, was zur Verfaltetung Morcles Decke führ-te, vorallem in gegen Norden eifallenden überkippten Schenkel. Die Doldenhorn Decke weist dagegen einen viel kleineren überkippten Schenkel und eine stärkere Lokalisierung der Verfor-mung auf. Bis heute gibt es keine 3-D numerischen Studien, die die fundamentale Dynamik der Entstehung von grossen stark verformten 3-D Strukturen wie den Morcles und Doldenhorn Decken sowie der damit verbudenen Rawil Depression untersuchen. Wir betrachten die 3-D Ent-wicklung von geometrischen Instabilitäten sowie die Entstehung fon Faltendecken mit Hilfe von numerischen Simulationen basiert auf der Finite Elemente Methode (FEM). Die Simulation von geometrischen Instabilitäten, die aufgrund von Änderungen der Materialeigenschaften zwischen verschiedenen Gesteinseinheiten entstehen, erfortert einen numerischen Algorithmus, der in der Lage ist die Materialgrenzen mit starkem Kontrast der Materialeigenschaften (zum Beispiel zwi-schen Kalksteineinheiten und Mergel) für starke Verfomung genau aufzulösen. Um dem gerecht zu werden kombiniert unser FE Algorithmus eine numerische Contour-Linien-Technik und ein deformierbares Lagranges Netz mit Re-meshing. Mit dieser kombinierten Methode ist es mög-lich den anfänglichen Materialgrenzen mit dem FE Netz genau zu folgen und die geometrischen Instabilitäten genügend aufzulösen. Der Algorithmus ist in der Lage visko-elastische 3-D Ver-formung zu rechnen, wobei die viskose Rheologie mit Hilfe eines power-law Fliessgesetzes beschrieben wird. Mit dem numerischen Algorithmus untersuchen wir die Entstehung von 3-D Faltendecken, die seitliche Fortpflanzung der Faltung sowie der Cusbate-Lobate Strukturen die sich durch die Verkürzung eines mit Sediment gefüllten Halbgraben bilden. Dabei werden die anfänglichen geometrischen Instabilitäten der Faltung exakt mit dem FE Netz aufgelöst wäh-rend die Materialgranzen des Halbgrabens die Finiten Elemente durchschneidet. Desweiteren wird der 3-D Algorithmus auf die Einschnürung während der 3-D viskosen Plattenablösung und Subduktion angewandt. Die 3-D Resultate werden mit 2-D Ergebnissen und einer 1-D analyti-schen Lösung verglichen.

Deep learning of representations and its application to computer vision

L’objectif de cette thèse par articles est de présenter modestement quelques étapes du parcours qui mènera (on espère) à une solution générale du problème de l’intelligence artificielle. Cette thèse contient quatre articles qui présentent chacun une différente nouvelle méthode d’inférence perceptive en utilisant l’apprentissage machine et, plus particulièrement, les réseaux neuronaux profonds. Chacun de ces documents met en évidence l’utilité de sa méthode proposée dans le cadre d’une tâche de vision par ordinateur. Ces méthodes sont applicables dans un contexte plus général, et dans certains cas elles on tété appliquées ailleurs, mais ceci ne sera pas abordé dans le contexte de cette de thèse. Dans le premier article, nous présentons deux nouveaux algorithmes d’inférence variationelle pour le modèle génératif d’images appelé codage parcimonieux “spike- and-slab” (CPSS). Ces méthodes d’inférence plus rapides nous permettent d’utiliser des modèles CPSS de tailles beaucoup plus grandes qu’auparavant. Nous démontrons qu’elles sont meilleures pour extraire des détecteur de caractéristiques quand très peu d’exemples étiquetés sont disponibles pour l’entraînement. Partant d’un modèle CPSS, nous construisons ensuite une architecture profonde, la machine de Boltzmann profonde partiellement dirigée (MBP-PD). Ce modèle a été conçu de manière à simplifier d’entraînement des machines de Boltzmann profondes qui nécessitent normalement une phase de pré-entraînement glouton pour chaque couche. Ce problème est réglé dans une certaine mesure, mais le coût d’inférence dans le nouveau modèle est relativement trop élevé pour permettre de l’utiliser de manière pratique. Dans le deuxième article, nous revenons au problème d’entraînement joint de machines de Boltzmann profondes. Cette fois, au lieu de changer de famille de modèles, nous introduisons un nouveau critère d’entraînement qui donne naissance aux machines de Boltzmann profondes à multiples prédictions (MBP-MP). Les MBP-MP sont entraînables en une seule étape et ont un meilleur taux de succès en classification que les MBP classiques. Elles s’entraînent aussi avec des méthodes variationelles standard au lieu de nécessiter un classificateur discriminant pour obtenir un bon taux de succès en classification. Par contre, un des inconvénients de tels modèles est leur incapacité de générer deséchantillons, mais ceci n’est pas trop grave puisque la performance de classification des machines de Boltzmann profondes n’est plus une priorité étant donné les dernières avancées en apprentissage supervisé. Malgré cela, les MBP-MP demeurent intéressantes parce qu’elles sont capable d’accomplir certaines tâches que des modèles purement supervisés ne peuvent pas faire, telles que celle de classifier des données incomplètes ou encore celle de combler intelligemment l’information manquante dans ces données incomplètes. Le travail présenté dans cette thèse s’est déroulé au milieu d’une période de transformations importantes du domaine de l’apprentissage à réseaux neuronaux profonds qui a été déclenchée par la découverte de l’algorithme de “dropout” par Geoffrey Hinton. Dropout rend possible un entraînement purement supervisé d’architectures de propagation unidirectionnel sans être exposé au danger de sur- entraînement. Le troisième article présenté dans cette thèse introduit une nouvelle fonction d’activation spécialement con ̧cue pour aller avec l’algorithme de Dropout. Cette fonction d’activation, appelée maxout, permet l’utilisation de aggrégation multi-canal dans un contexte d’apprentissage purement supervisé. Nous démontrons comment plusieurs tâches de reconnaissance d’objets sont mieux accomplies par l’utilisation de maxout. Pour terminer, sont présentons un vrai cas d’utilisation dans l’industrie pour la transcription d’adresses de maisons à plusieurs chiffres. En combinant maxout avec une nouvelle sorte de couche de sortie pour des réseaux neuronaux de convolution, nous démontrons qu’il est possible d’atteindre un taux de succès comparable à celui des humains sur un ensemble de données coriace constitué de photos prises par les voitures de Google. Ce système a été déployé avec succès chez Google pour lire environ cent million d’adresses de maisons.

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF FOLDED PLATE GIRDERS AND SLAB JOINTS USED IN MODULAR CONSTRUCTION

The folded plate girder, a newly proposed bridge girder, is investigated through this thesis. The folded plate girder is cold bent out of a single sheet of steel. The cold bending eliminates the costly and inconsistent shop welds found in traditional girders. The folded plate girder is meant for application in short span bridges. The girder was subjected to an equivalent 75 year lifetime loading to investigate the fatigue performance. The rebar detail used in the closure region between adjacent slabs has been investigated in the past by the NCHRP 12-68 project. This thesis will proposes a hooked rebar detail as a cost effective alternative to the previously recommended headed rebar detail. The proposed hooked rebar detail looks to improve upon the headed bar detail by increasing the clear cover, and reducing the cost of fabrication and shipment of the rebar. Six specimens containing closure regions are subjected to both positive and negative moment loading in order to investigate their behavior and failure modes under ultimate load.

An analytical investigation into shear wall and slab interconnections between reinforced concrete modules for high -rise buildings utilising modular construction under extreme seismic and wind loading

This research investigates a new structural system utilising modular construction. Five-sided boxes are cast on-site and stacked together to form a building. An analytical model was created of a typical building in each of two different analysis programs utilising the finite element method (Robot Millennium and ETABS). The pros and cons of both Robot Millennium and ETABS are listed at several key stages in the development of an analytical model utilising this structural system. Robot Millennium was initially utilised but created an analytical model too large to be successfully run. The computation requirements were too large for conventional computers. Therefore Robot Millennium was abandoned in favour of ETABS, whose more simplistic algorithms and assumptions permitted running this large computation model. Tips are provided as well as pitfalls signalled throughout the process of modelling such complex buildings of this type. ^ The building under high seismic loading required a new horizontal shear mechanism. This dissertation has proposed to create a secondary floor that ties to the modular box through the use of gunwales, and roughened surfaces with epoxy coatings. In addition, vertical connections necessitated a new type of shear wall. These shear walls consisted of waffled external walls tied through both reinforcement and a secondary concrete pour. ^ This structural system has generated a new building which was found to be very rigid compared to a conventional structure. The proposed modular building exhibited a period of 1.27 seconds, which is about one-fifth of a conventional building. The maximum lateral drift occurs under seismic loading with a magnitude of 6.14 inches which is one-quarter of a conventional building's drift. The deflected shape and pattern of the interstorey drifts are consistent with those of a coupled shear wall building. In conclusion, the computer analysis indicate that this new structure exceeds current code requirements for both hurricane winds and high seismic loads, and concomitantly provides a shortened construction time with reduced funding. ^

Tractographie de la matière blanche orientée par a priori anatomiques et microstructurels = White matter tractography guided by anatomical and microstructural priors

Résumé : L'imagerie par résonance magnétique pondérée en diffusion est une modalité unique sensible aux mouvements microscopiques des molécules d'eau dans les tissus biologiques. Il est possible d'utiliser les caractéristiques de ce mouvement pour inférer la structure macroscopique des faisceaux de la matière blanche du cerveau. La technique, appelée tractographie, est devenue l'outil de choix pour étudier cette structure de façon non invasive. Par exemple, la tractographie est utilisée en planification neurochirurgicale et pour le suivi du développement de maladies neurodégénératives. Dans cette thèse, nous exposons certains des biais introduits lors de reconstructions par tractographie, et des méthodes sont proposées pour les réduire. D'abord, nous utilisons des connaissances anatomiques a priori pour orienter la reconstruction. Ainsi, nous montrons que l'information anatomique sur la nature des tissus permet d'estimer des faisceaux anatomiquement plausibles et de réduire les biais dans l'estimation de structures complexes de la matière blanche. Ensuite, nous utilisons des connaissances microstructurelles a priori dans la reconstruction, afin de permettre à la tractographie de suivre le mouvement des molécules d'eau non seulement le long des faisceaux, mais aussi dans des milieux microstructurels spécifiques. La tractographie peut ainsi distinguer différents faisceaux, réduire les erreurs de reconstruction et permettre l'étude de la microstructure le long de la matière blanche. Somme toute, nous montrons que l'utilisation de connaissances anatomiques et microstructurelles a priori, en tractographie, augmente l'exactitude des reconstructions de la matière blanche du cerveau.

Feasibility Study of Dynamic Overload and Ultimate Load Tests of Full-Scale Highway Bridges, HR-160, 1973

As a result of the construction of the Saylorville Dam and Reservoir on the Des Moines River, six highway bridges are scheduled for removal. Five of these are old high-truss single-lane bridges, each bridge having several simple spans. The other bridge is a fairly modern (1955) double 4-span continuous beam-and-slab composite highway bridge. The availability of these bridges affords an unusual opportunity for study of the behavior of full-scale bridges. Because of the magnitude of the potential testing program, a feasibility study was initiated and the results are presented in this two-part final report. Part I summarizes the findings and Part II presents the supporting detailed information.

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.

Asynchronous flowering and within-plant flowering diversity in wheat and the implications for crop resilience to heat

Self-pollination dominates in wheat , with a small level of out-crossing due to flowering asynchrony and male sterility. However, the timing and synchrony of male and female flowering in wheat is a crucial determinant of seed set and may be an important factor affecting gene flow and resilience to climate change. Here, a methodology is presented for assessing the timing and synchrony of flowering in wheat. From the onset of flowering until the end of anthesis, the anther and stigma activity of each floret was assessed on the first five developing ears in potted plants grown under ambient conditions and originating from cv Paragon or cvs Spark-Rialto backgrounds. At harvest maturity, seed presence, size and weight was recorded for each floret scored. The synchrony between pollen dehiscence and stigma collapse within a flower was dependent on its relative position in a spike and within a floret. Determined on the basis of synchrony within each flower, the level of pollination by pollen originating from other flowers reached approximately 30% and did not change throughout the duration of flowering. A modelling exercise parameterised by flowering observations indicated that the temporal and spatial variability of anther activity within and between spikes may influence the relative resilience of wheat to sudden, extreme climatic events which has direct relevance to predicted future climate scenarios in the UK.

Static simulation of bulk and selected surfaces of anatase TiO2

A theoretical investigation has been carried out to characterize bulk and selected surfaces of anatase TiO2. The calculations are performed using a B3LYP hybrid functional and 6-31G basis set within the periodic density functional approximation. Optimization procedures have been employed to determine the equilibrium geometry of the crystal and slab surface models. The compressibility, band structure, and the bulk and surface charge distributions are reported. The surface relative energies are identified to follow the sequence: (001) < (101) < (100) much less than (110) < < < (111), from the most stable surface to the least stable one. Relaxation of (001) and (101) surfaces are moderate, with no displacements exceeding; approximate to0.19 Angstrom. The theoretical results are compared with previous theoretical studies and available experimental data. (C) 2001 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.