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Tesis > TEMA

Física [ 418 tesis ]

Biofísica [ 15 tesis ]

Sitt, Jacobo Diego. "Biomimética vocal" (2009) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El canto de las aves es un modelo para comportamiento vocal aprendido con gran similitud al proceso de aprendizaje y producción vocal en humanos. El canto es producido en el órgano vocal, la siringe, mediante la coordinada interacción de dos sistemas motores: los músculos que controlan la siringe y los músculos respiratorios. El canto está compuesto por elementos acústicos llamados sílabas, cada sílaba posee características propias. Mientras que algunas especies presentan únicamente sílabas tonales, otras como el Diamante Mandarín (Taeniopygia guttata) alternan sílabas tonales de alta frecuencia con sílabas de baja frecuencia que poseen gran contenido espectral. En esta tesis estudiamos los mecanismos mediante los cuales la siringe puede contribuir a esa riqueza espectral. Se muestra que en el Diamante Mandarín, el gran contenido espectral presente en las sílabas de baja frecuencia, es una indicación de la dinámica presentada por su aparato vocal. Mediante el modelado teórico, esta dinámica es capturada en un modelo matemático de baja dimensión. La variación de contenido espectral no es el resultado de un control activo central de esta caracter ística acústica, sino que emerge de la dinámica intrínseca de la siringe. A partir de los modelos teóricos desarrollados de la biomecánica de la siringe, se diseñó un dispositivo biomimético, capaz de reemplazar el órgano vocal del ave. Se desarrollo una siringe electrónica capaz de generar canto mediante la transducci ón de instrucciones fisiológicas. La salida del dispositivo respeta las características acústicas del canto natural del ave. Este dispositivo electrónico integra digitalmente las ecuaciones de la dinámica de la siringe, constituyendo una solución robusta para generar vocalizaciones con control fisiológico en tiempo real. Este trabajo ilustra la necesidad de explorar cuantitativamente la interacción entre el sistema nervioso y el sistema periférico que controla, de modo de entender el comportamiento emergente. Por otro lado, con el fin de generar dispositivos biomiméticos, se remarca la importancia de incorporar la física del problema en su desarrollo, logrando así soluciones más eficientes.

Abstract:
Birdsong is a model system for learned vocal behaviour with remarkable parallels to human vocal development and sound production mechanisms. Song is generated in the birds vocal organ by the coordinated interaction of two motor systems the syrinx muscles and the respiratory muscles. Birdsong is composed by acoustics elements called syllable, each syllable has different acoustic features. While some species exhibit only tonal sounds, other species, like the Zebra Finch, alternate high frequency tonal notes and low frecuency syllables with high spectral content. In this thesis, we study the mechanisms of how the avian sound source might contribute to spectral richness. Here we show in the zebra finch (Taeniopygia guttata), that the broad range of upper harmonic content in different low frequency song elements is the fingerprint of the dynamics displayed by its vocal apparatus. Using theoretical modelling we captured this dynamic with a low dimensional dynamical model. The varying harmonic content of birdsong is not the result of the active neural control of the acoustic characteristics but emerges of the intrinsic dynamics of the sound source. Using the developed theoretical models of biomechanics of the syrinx we also designed a biomimetical device capable of replacing the organ. We developed an electronic syrinx that generates song by transducing physiological instructions into acoustic output. The synthetic output is highly similar in acoustic features to the natural sounds. This electronic circuit digitally integrate the equations for the dynamics of the syrinx, constituting a robust solution suitable for generating synthetic song in real time. This work illustrates the need to fully explore the deep interaction between a nervous system and the peripheral system it controls in order to understand the emerging behavior. Also, in order to develop biomimetic devices, we indicate the importance of incorporating the physics of the problem to design in order to obtain efficient solutions.

Alliende González, Jorge Andrés. "Aceleración hormonal en la adquisición del canto en canarios juveniles (Serinus canaria)" (2009) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En las aves canoras, la ontogenia del canto presenta un paralelismo con la adquisición del habla en humanos. Al igual que los humanos, el desarrollo de este comportamiento requiere en primera instancia la exposición a las vocalizaciones típicas de la especie. Luego se necesita un período sensorial motor en el que se practica el canto luego de cual la vocalización se produce de manera estereotipada. Esta última requiere el domino de las instrucciones motoras que gobiernan el aparato vocal y al sistema respiratorio. En esta tesis, se analizaron los gestos de presión de los sacos aéreos involucrados en la producción de canto de canarios adultos. A pesar de que los canarios estudiados estuvieron expuestos a distintos tutores, encontramos que existen gestos de presión que son comunes a todos ellos. Esto nos permitió generar una base de gestos respiratorios cuyos elementos son utilizados por los canarios para construir el canto típico de la especie. La diversidad de estos gestos de presión puede ser generada por un sistema no lineal sencillo. En una segunda etapa se buscó un sistema dinámico que fuera capaz de generar esta diversidad y que fuera lo más sencillo posible. El sistema propuesto es en algún sentido minimal: es la forma normal de un campo vector en la vecindad de una singularidad lineal forzada. Al estar constituido por el mínimo de términos necesarios para generar esta diversidad de gestos de presión, nuestro sistema constituye una restricción para cualquier implementación neuronal que pretende emular estos gestos. Luego se propuso un modelo neuronal que tiene en cuenta las propiedades anatómicas de las neuronas que forman el núcleo RA (Robustus acropalium) constituido por poblaciones excitatorias e inhibitorias. Este segundo modelo también es capaz de generar la diversidad de los patrones de presión y es compatible con la forma normal anteriormente mencionada. La ubicuidad de algunos gestos de presión, aún en aves que no estuvieron sometidas a las mismas experiencias auditivas, nos indujo a preguntarnos por el rol del aprendizaje en la ontogénesis de los mismos. Así, se expuso a canarios juveniles, al inicio del período sensorial motor, a un tratamiento con testosterona, conocido acelerador hormonal del canto en juveniles. Este tratamiento tuvo como resultado un rápido desarrollo del canto en ellos. Luego de 20 días de tratamiento, los gestos de presión producidos por los juveniles fueron similares a los producidos por los adultos aún si la comparación involucra sutiles propiedades morfológicas. De este modo pudimos mostrar que un extenso período sensorial motor no es necesario para producir los gestos de presión típicos involucrados en la producción del canto esta especie; uno de los dos gestos motores fundamentales requeridos para el control del aparato vocal aviar.

Abstract:
In songbirds, the ontogeny of singing behaviour presents a parallel with the acquisition of human speech. Like humans, the development of this behavior requires in the first instance of the exposure to species-typical vocalizations. Afterwards, a sensory-motor period is needed to in order to practice the song, after which the vocalization is produced so in a stereotyped way. The latter requires mastering the motor instructions governing the vocal apparatus and the respiratory system. In this thesis, we analyzed the gestures of air sac pressure involved in the production of adult canary song. Although the canaries studied had been exposed to different tutors, we found the existence of pressure gestures common to them all. Thus, we were allowed to generate a basis of respiratory gestures whose elements are used by canaries to construct the typical song of the species. The diversity of these pressure gestures can be generated by a simple nonlinear system. On a second stage of this work we looked for a dynamical system capable of generating this diversity in the simplest way. The proposed system is in a minimal: the normal form of a vector field in the vicinity of a forced linear singularity. Given that it is composed by the minimum number of terms needed to generate the diversity of pressure gestures, our system is a restriction for any neuronal implementation that aims to emulate these gestures. Then we proposed a neural model that takes the anatomical properties of neurons in consideration, both excitatory and inhibitory ones that form the RA nucleus (textit Robustus acropalium). This second model is also capable of generating the diversity of pressure patterns and is compatible with the normal form mentioned before. The ubiquity of some gestures of pressure, even in birds that were not subject to the same auditory experiences led us to wonder about the role of learning in their ontogenesis of them. Thus, young canaries were exposed, at the beginning of the sensory motor period, to a testosterone treatment, known accelerator of song development in juvenile canaries. This treatment resulted in a rapid development of adult song production. After 20 days of treatment, the pressure gestures produced by juveniles were similar to those produced by adults even if the comparison involved subtle morphological properties. Thus we show that an extended period of sensory motor is not required to produce the typical pressure gestures involved in producing this kind of song, one of the two key motor instructions required to control the avian vocal apparatus

Smal, Clara. "Oligomerización de la oncoproteína E7 del papilomavirus humano y su interacción con el regulador de transcripción y replicación viral E2" (2010) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
E7 es una proteína de expresión temprana del papilomavirus humano. Es una proteína pequeña de aproximadamente 100 aa, que consta de dos dominios estructurales. El dominio C-terminal, globular y de plegamiento independiente, cuya estructura fue descrita recientemente y el dominio N-terminal, intrínsecamente desordenado. Se han descrito hasta el momento más de 40 blancos celulares que interaccionan con E7, siendo su blanco principal la proteína supresora de tumores Retinoblastoma (pRB) y hasta el momento no se ha reportado ninguna actividad enzimática. E7 se la denomina oncoproteína ya que posee la capacidad de transformar la célula que la expresa. En nuestro laboratorio se observó que esta proteína posee la capacidad de formar oligómeros de alto peso molecular, E7SOs, al desplazar el Zn que coordina el dominio C-terminal. Este oligómero comparte características con las fibras amiloides ya que posee una estructura del tipo beta repetitiva. E7SOs posee actividad chaperona tipo holdasa y se observó que este oligómero se localiza en el citosol de líneas celulares transformadas, en células transfectadas y en biopsias de tejidos cancerosos infectados con HPV. Los estudios realizados in vivo propusieron que esta partícula tiene la funcionalidad de almacenamiento de la oncoproteína. En el presente trabajo de tesis se estudió la ruta de formación de E7SOs. Se analizó la cinética de formación de los mismos monitoreando diferentes sondas que reportaron distintos arreglos estructurales en la reacción. Debido a que E7SOs posee una geometría esférica, se aplicó un modelo elaborado para estudiar el ensamblado de cápsides virales, que puede ser aplicado a la formación de oligómeros esféricos. Los resultados demostraron que E7SOs posee un ensamblado novedoso, ya que requiere de la formación previa del monómero desplegado de E7, como sucede en el ensamblado de fibras amiloides, pero no posee un oligómero de menor tamaño como núcleo de la reacción. Se definió a la ruta de formación de E7SOs como un ensamblado truncado hacía la formación de fibras amiloides. Muchos blancos celulares se han descrito para E7, no obstante en la mayoría de estas interacciones se desconoce su consecuencia biológica y poco se sabe de las características de estas interacciones, como regiones de unión, competencia por otros ligandos, etc. Por otro lado, la única interacción analizada en detalle es la que E7 realiza con su principal blanco pRB. En este trabajo de tesis se halló y se caracterizó in vitro, bajo diferentes técnicas biofísicas, la interacción de E7 con un nuevo blanco, la proteína E2. E2 es codificada por el genoma viral y es el factor de transcripción negativo de E7. En consecuencia con los resultados obtenidos de este estudio, se propuso que la interacción de estas proteínas presenta un mecanismo de ajuste en la concentración de las mismas dentro de las células. Esto propiciaría la modificación del ambiente celular dando lugar a diferentes estadios de la infección viral y su consecuencia con la proliferación celular y la cancerogénesis carcinogénesis relacionada con el virus.

Abstract:
E7 is a papillomavirus early protein. It is a small protein of approximately 100 aa consisting of two structural domains. The C-terminal domain, which structure has been recently described, is globular and with independent folding and the N-terminal domain which is intrinsically disordered. Until present more than 40 cellular targets have been described to interact with E7. The main target is the tumor supresor protein Retinoblastoma (pRB) and up to present no enzymatic activity has been reported. E7 is considered an oncoprotein because it has the ability to transform the cells where it is expressed. In our laboratory we observed that this protein is able to form high molecular weight oligomers, E7SOs, when it displaces the Zn atom that coordinates the C- terminal domain. These oligomers share characteristics with amyloid fibers because they have the beta repetitive kind of structure. E7SOs show holdase chaperone activity and it was observed that these oligomers are found in the cytosol of transformed cellular lines, in transfected cells and in biopsies of cancerous tissues infected with HPV. In vivo studies suggest that these particles have the function of storing the oncoprotein. In the present Thesis the formation pathway of E7SOs has been studied. The kinetics of formation of these oligomers was analyzed monitoring different probes which reported different structural arrangements in the reaction. Due to the fact that E7SOs have a spherical geometry, an elaborated model was applied to study the assembly of viral capsids that can also be applied to the formation of spherical oligomers. The results showed that E7SOs have a novel assembly They require the previous formation of E7 displayed monomer, as it happens in the assembly of amyloid fibers, but they lack a smaller oligomer as core of the reaction. It has been defined that the E7SOs pathway formation is a truncated assembly toward the formation of amyloid fibers. Many cellular targets have been reported for E7. However, in most of these interactions the biological consequence is unknown and very little is known about the characteristics of these interactions, like binding regions, competition for other ligands, etc. On the other hand, the only interaction analyzed in detail is that of E7 with its main target pRB. In this Thesis the interaction of E7 with a new target, the E2 protein was found and characterized in vitro, using different biophysics techniques. E2 is codified by the viral genome and is E7 negative transcription factor. In consequence with the results obtained in this study, we propose that the interaction of these two proteins shows a mechanism of adjustment of their concentrations in the cells. This might favor the modification of the cellular environment giving place to different stages in the viral infection and its consequences with the cellular proliferation and the carcinogenesis related to the virus.

Sigaut, Lorena. "Caracterización cuantitativa de señales intracelulares de calcio" (2011) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las señales de calcio son utilizadas por una enorme variedad de células para regular procesos tan distintos como la fertilización o la muerte celular, entre muchos otros. La versatilidad del ión calcio como agente señalizador se basa en la gran diversidad de comportamientos que su concentración puede desplegar dentro de las células. Desentrañar la compleja trama de mecanismos que determinan dichos comportamientos es un enorme desafío que requiere la combinación de estrategias múltiples tanto experimentales como de modelado. En particular, el amplio rango de escalas espaciales y temporales involucradas no puede ser abarcado con un unico tipo de experimentos y es entonces que la elaboración de modelos que permitan conectar observaciones dispares se vuelve indispensable. Por otro lado, para que los modelos puedan cumplir este rol es necesario contar con estimaciones confiables, idealmente obtenidas in situ, de algunas de las cantidades que caracterizan a los fenómenos físicos y químicos involucrados en las señales. El objetivo de esta Tesis ha sido avanzar en la obtención de estas estimaciones realistas realizando experimentos opticos y desarrollando el marco teórico necesario para extraer información cuantitativa de los mismos. Una de las propiedades pobremente caracterizadas es la tasa a la que el calcio se transporta dentro de las células. Existen distintas técnicas opticas para estimar coeficientes de difusión, entre las que se encuentran la espectroscopía de correlación de fluorescencia (FCS) o la recuperación de fluorescencia tras fotoblanqueo (FRAP). La aplicación de las mismas al caso del calcio no es totalmente directa, ya que este ión no sólo difunde al entrar al citosol a través de canales específicos, sino que también reacciona con distintas sustancias (“buffers”) que poseen las células. Para describir este tipo de transporte es posible definir coeficientes efectivos, que contienen información sobre la difusión y las reacciones. Estudios preliminares habrán mostrado la existencia de más de un coeficiente de este tipo. Una de las contribuciones de esta Tesis ha sido estudiar de forma detallada la información que es posible extraer a partir de experimentos de FCS en donde la sustancia observada difunde y reacciona. En particular, se demostró que las técnicas de FCS y FRAP brindan información sobre coeficientes distintos, que puede ser combinada para inferir tasas de reacción yo de difusión libre. Se realizó este estudio teórico para el caso en que la sustancia de interés está marcada fluorescentemente y cuando existen moléculas marcadas y no marcadas en el mismo sistema. Parte de los resultados fueron aplicados para explicar las diferencias observadas en experimentos de FCS y FRAP, realizados para deter minar el coeficiente de difusión del producto del gen bicoid en embriones de moscas Drosophila melanogaster, una sustancia fundamental para el establecimiento del eje dorsoventral en este organismo. La aplicación de técnicas opticas para estudiar el transporte de calcio en células presenta dificultades adicionales. En primer lugar, la observación de la distribución del calcio se hace de modo indirecto, mediante fluoróforos que reaccionan con este ión y cambian sus propiedades espectrales como por ejemplo, aumentar notablemen te la fluorescencia al ligar calcio. Es decir, la sustancia observable (indicador ligado a calcio) está permanentemente transformándose en otra. Por otro lado, para poder inferir a partir de ella la distribución de calcio libre es necesario conocer propiedades del indicador que típicamente no son provistas por quienes lo comercializan, como por ejemplo, los coeficientes de difusión. Otra de las contribuciones de esta Tesis ha sido establecer las bases para la determinación de los coeficientes de difusión y tasas de reacción del calcio y sus fluoróforos, en células. Para tal fin se hicieron, en primer lugar, experimentos de FCS en distintos tipos de soluciones conteniendo calcio e indicador. Se trabajó simultáneamente en los desarrollos teóricos necesarios para el análisis de los mismos. De su aplicación se pudieron determinar coeficientes de difusión y parámetros de reacción en solución. Entre los experimentos se realizó un subconjunto conteniendo calcio, indicador y un “buffer” adicional. A partir del estudio detallado de estos ultimos se elaboró una propuesta de cómo obtener estos coeficientes en células intactas donde las propiedades de los “buffers” presentes son desconocidas. La versatilidad de las señales intracelulares de calcio depende, entre otras cosas, de la distribución espacial y de la cinética de los canales a través de los cuales los iones ingresan al citosol. Entre estos, los receptores de inositol (1,4,5)-trifosfato (IP3 R) constituyen una de las vías más importantes para este ingreso. Estos canales se encuentran en la membrana del retículo endoplasmático organizados en cúmulos que se supone son de unos 100 nm de lado y que están, a su vez, separados por algunos milímetros entre sí. Los canales se abren cuando ligan calcio e IP3 R el que, en condiciones fisiológicas, es sintetizado a partir de elementos presentes en la membrana plasmática cuando la célula recibe una señal. La distribución inhomogénea de los canales junto con el efecto del calcio liberado sobre la probabilidad de aper- tura se combinan para dar lugar a una jerarquía de señales que van desde las muy localizadas hasta las ondas que viajan por toda la célula. Contar con información cuantitativa sobre la geometría de los cúmulos y sobre la cinética de los canales in situ es fundamental para entender la variedad de señales que pueden evocarse. Experimentalmente es posible observar las señales usando los fluoróforos antes mencionados e induciendo la apertura de los canales con IP3 , que es introducido en la célula en forma enjaulada y posteriormente fotoliberado con luz ultravioleta. Otra de las contribuciones del presente trabajo de Tesis ha sido el diseño e implementación de una adaptación relativamente barata de un microscopio confocal Olympus FV1000 para realizar este tipo de experimentos. La habilidad del sistema para fotolizar compuestos enjaulados fue comprobada en distintas situaciones experimentales. Por otro lado, la potencia que llega a la muestra y el tamaño de la zona iluminada fueron cuantificados. Finalmente, en el trabajo se ha mostrado también que con esta adaptación es posible generar un est ́mulo preciso y controlado de IP3 simultáneamente a la obtención de imágenes confocales de señales de calcio, registrando y caracterizando a las mismas en ovocitos de Xenopus Laevis.

Abstract:
Calcium signals are used by an enormous variety of cells to regulate processes as diverse as fertilization or cell death, among others. The versatility of calcium as a signaling agent is based on the great diversity of behaviors that its concentration can display inside cells. Unveiling the complex network of mechanisms that determine these behaviors is an enormous challenge that requires the combination of multiple strategies which include experiments and modeling. In particular, the wide range of spatial and temporal scales involved can not be covered with a single type of expe- riment, so that the development of models that can connect different observations becomes unavoidable. On the other hand, for models to fulfill this role is necessary to have reliable estimates, ideally obtained in situ, of some of the quantities that cha- racterize the physical and chemical phenomena involved in the signals. The aim of this Thesis has been to advance in obtaining these realistic estimates by performing optical experiments and developing the theoretical framework necessary to extract quantitative information from them. One poorly characterized property is the rate of calcium transport inside cells. There are several optical techniques to estimate diffusion coefficients, among them, Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) and Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP). Applying these techniques to the case of calcium is not entirely straightforward, since this ion not only diffuses, when it enters the cytosol through specific channels, but also reacts with various substances (“buffers”) inside cells. Effective coefficients can be defined to describe this type of transport, which contain information on the diffusion and reaction parameters. Preliminary studies had shown the existence of more than one of these coefficients. One contribution of this Thesis has been a detailed study of the information that can be obtained from FCS experiments in which the particles observed diffuse and react. In particular, it was proved that FCS and FRAP provide information about different coefficients which can be combined to infer reaction and free diffusion rates. A theoretical study was done for the case in which the molecule of interest is fluorescently labeled and when there are fluorescently labeled and unlabeled molecules in the same system. Part of the results were applied to explain the differences observed in FCS and FRAP experiments, performed to determine the diffusion coefficient of bicoid in Drosophila melanogaster embryos, an essential substance for the formation of the dorsoventral axis in this organism. The application of optical techniques to study calcium transport in cells offers additional difficulties. First of all, the observation of the calcium distribution is indirect, by means of fluorophores that react with this ion and change their spectral properties upon binding (e.g. increasing their fluorescence when they are bound to calcium). Thus, the observable particle (indicator bound to calcium) is permanently transforming into another. On the other hand, to infer the distribution of free cal- cium it is necessary to know indicator properties that are not usually provided by the vendor, for example, diffusion coefficients. Another contribution of this Thesis has been to establish the basis for the determination of diffusion coefficients and reaction rates of calcium and fluorophores in cells. To this aim, firstly, FCS experiments in different types of solutions containing calcium and indicator were performed. At the same time, the theoretical framework for the analysis of the results was developed. Applying this theory, diffusion coefficients and reaction parameters could be deter- mined for the experiments in solution. Among the experiments, a subset containing calcium indicator and an additional buffer was performed. From a detailed study of the latter, a proposal was made on how to obtain these coefficients and parameters in intact cells where the properties of the endogenous buffers are unknown. The versatility of intracellular calcium signals depends, among other things, on the spatial distribution and kinetics of the channels through which the ions enter the cytosol. Among them, the inositol (1,4,5)-triphosphate receptors (IP3 R) are one of the most important ways for this entry. These channels are located on the mem- brane of the endoplasmic reticulum, organized in clusters of about 100 nm in side which are separated by a few millimeters. These channels become open when they bind calcium and IP3 which, under physiological conditions, is synthesized from elements present in the plasma membrane upon the arrival of a signal. The inhomogeneous distribution of the channels together with the effect of the free calcium on the open probability are combined to give rise to a hierarchy of signals, ranging from very localized ones to waves that travel throughout the cell. Having quantitative information on the clusters geometry and channels kinetics it in situ is essential for understanding the variety of signals that can be evoked. Experimentally, it is possible to observe these signals using the fluorophores mentioned before and indu- cing the opening of IP3 receptor/channels by introducing a caged form of IP3 into the cell and then fotoreleasing it with ultraviolet light. Another contribution of this Thesis has been the design and implementation of a relatively inexpensive adapta- tion of an Olympus FV1000 confocal microscope to perform such experiments. The system’s ability to photolyze caged compounds was tested in different experimental situations. The power that reaches the sample and the size of the illuminated area were also quantified. Finally, in this work it has also been demostrated that with the modified microscope it is possible to generate a precise and controlled IP3 stimulus, simultaneously with the confocal imaging of the evoked calcium signals. This has been proved by recording and characterizing such images in Xenopus laevis oocytes.

Arneodo, Ezequiel Matías. "Modelos de baja dimensión para canto de aves y aplicación a interfaces cerebro-máquina" (2012) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El canto de aves oscinas es un comportamiento complejo aprendido que surge de la interacción entre un sistema nervioso central y una serie de dispositivos periféricos bio-mecánicos. Es una tarea intensa la de dilucidar cuánta de la complejidad es debida a la enorme dimensión de la dinámica del sistema nervioso, y cuánta a la de la respuesta mecánica de la periferia. Este último punto resulta de particular interés para la física, porque los sistemas bio-miméticos empleados por los seres vivos son abrumadoramente no lineales, y capaces de presentar comportamiento complejo aún ante instrucciones sencillas. Esta tesis se propone mostrar que modelos vocales sumamente sencillos son capaces de reproducir las sutilezas presentes en el canto de las aves oscinas, siendo la sencillez del modelo de tal magnitud que su solución es computable mediante un procesador de señales digitales (DSP). Esto permite diseñar una nueva estrategia para la bio-mimética prostética vocal: la integración en tiempo real de modelos sencillos, controlados por pocas señales fisiológicas. En esta tesis se muestra la plausibilidad de esta estrategia construyendo un prototipo de ese dispositivo.

Abstract:
The complex vocalizations composing birdsong emerge from the interaction between the nervous system and a nonlinear peripheral device, its vocal organ. It is an area of intensive work to elucidate how much of the complexity of it is due to the huge dimensionality of the dynamics of the nervous system, and how much due to the mechanical response of the periphery. This last point is of particular interest for applied physics, as bio-mechanic systems used by living things are overwhelmingly non-linear, and capable of presenting complex behaviors even as a response to simple instructions. We present a bio-prosthetic device based on a model for the zebra finch vocal organ, which is capable of producing the subtleties present in the actual song of the birds. This model is simple to the extent that its solution can be computed by digital signal processors (DSP), when fed with actual physiological motor instructions by a freely behaving subject. This allows for the design of a new strategy for biomimetic prosthesis: real-time integration of simple models, controlled by few physiological signals. In this thesis we show the plausibility of this strategy by building a prototype of such a device.

Alonso, Leandro Martín. "Oscilaciones no lineales en canto de aves" (2012) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las instrucciones motoras en aves son el emergente de la actividad de miles de neuronas. En el cerebro del ave, estas neuronas se encuentran agrupadas en núcleos de miles de unidades, y estos núcleos estan a su vez conectados formando lo que se denominan arquitecturas neuronales. Existen numerosos experimentos que determinan, en alguna medida, las funcionalidades y conexiones de estas arquitecturas. Las aves emiten vocalizaciones complejas y existe evidencia a favor de que este comportamiento es aprendido. La posibilidad de entender como un cerebro se reconfigura para lograr un objetivo determinado, como es imitar el canto del tutor, puede tener relevancia en varias áreas de la ciencia. Para emitir las vocalizaciones, el ave debe controla un delicado aparato vocal, la sirínge. Las instrucciones motoras que controlan la sirínge son el objeto de este trabajo. Actualmente contamos con una teoría bien establecida para control motor en canto de aves. En este trabajo proponemos una teoría alternativa y se expone la manera en la que llegamos a ella por caminos independientes. La primera, se sustenta en observaciones de actividad neuronal al nivel de unidades individuales. Nuestra propuesta por otro lado, se construye a partir de observaciones de carácter macroscópico, como son los gestos motores en el canto de aves. En este trabajo mostramos que la dinámica de un conjunto grande de unidades excitables puede capturarse por ecuaciones dinámicas de baja dimensión. Estas ecuaciones a su vez, tienen algunas características comunes con modelos fenomenológicos propuestos para poblaciones de neuronas y establecen de alguna manera, una conexión entre estas dos escalas. Estas ecuaciones pueden explicar la diversidad, morfología y organización temporal de los gestos motores de canarios con un buen grado de presición. Las características matemáticas de estas ecuaciones están presentes en muchos modelos compatibles con los datos fisiológicos.

Abstract:
The physiological instructions responsible of motor control in song birds are due to the collective behaviour of thousands of neurons. This neurons are spatially clustered in the bird's brain forming neural nucleous. The nucleous are interconnected in complicated ways forming circuitries called neural architectures. There are numerous experiments that determine to some extent the different functionalities of each nucleous involved in the motor pathway. Song birds elicitate complex vocalizations and there is strong evidence supporting the view that this behaviour is learned. The possibility of understanding the mechanisms by which a brain reconfigures to attain a determined objective, like imitating the tutor's song, might have relevance in several fields of science. In order to vocalize, the bird has to control a delicate vocal organ, the syrinx. The neural instructions driving the syrinx are the main objet in this study. There is a well established theory for motor control in songbirds. In this work we put forward an alternative view and we discuss the way we arrived to it by independent means. The first one is supported by single unit observations. Our proposal is built from macroscopic observations, such as the respiratory gestures used during song production. In this work we show that the dynamics of a large set of excitable units can be described by a low dimensional non linear dynamical system. This equations have several mathematical features which are common to various phenomenological models that have been proposed for the description of large populations of neurons, stablishing in this way a connection between different scales of the description. This equations allow a simple explanation of the diversity, morphology and temporal organization of motor gestures in canaries (Serinus Canaria) with good quantitative agreement. The mathematical features of this equations are present in several models that are compatible with the available physiological data.

Goldin, Matías Alejandro. "Enfriamientos de núcleos telencefálicos para testear la relación de escalas temporales en un modelo de canto de aves" (2013) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En este trabajo estudiamos los mecanismos neuronales en el cerebro de las aves involucrados en la generación de los gestos motores del canto. Exploramos este sistema utilizando herramientas de análisis experimentales, teóricas y computacionales. La naturaleza del control telencefálico sobre los circuitos premotores y motores se encuentra en debate. Las hipótesis de funcionamiento van desde la usurpación completa de circuitos a los que conecta “río abajo” (downstream en inglés) a mecanismos interactivos de control. En este trabajo, mostramos teórica y experimentalmente, que el control motor telencefálico del canto en canarios (Serinus canaria) es consistente con una estrategia interactiva. Utilizamos predicciones de un modelo teórico de control respiratorio, para mostrar que el enfriamiento leve de un núcleo del telencéfalo (HVC) conlleva al estiramiento en el canto, pero que un enfriamiento adicional causa la reestructuración progresiva del mismo. Esto es consistente con la hipótesis de que los gestos respiratorios son respuestas subarmónicas a una escala de tiempo presente a la salida de HVC. Construimos un dispositivo enfriador que nos permitió realizar un enfriamiento controlado, local y bilateral de la zona del cerebro donde se encuentra el HVC. Logramos medir simultáneamente el canto y la presión dentro de los sacos aéreos, para diferentes temperaturas de enfriamiento de este núcleo bilateral. Como resultado obtuvimos estiramientos y luego rompimientos de las estructuras silábicas del canto, lo cual sugiere la existencia de al menos una escala temporal adicional en la ruta motora, que interactúa con la que se halla en HVC. Encontramos también evidencia en los patrones de presión de canarios de la existencia de bifurcaciones que ocurren naturalmente entre transiciones de distintos tipos de sílabas. Estas pudieron ser interpretadas como modificaciones suaves de dos parámetros que describen la actividad de HVC en nuestro modelo interactivo, y una de ellas pudo ser manipulada con enfriamiento. La interacción entre una función motora vital, como la respiración, y el control motor del telencéfalo sobre el canto sugiere la existencia de mecanismos más generales de cómo la integración no lineal de estructuras cerebrales evolutivamente nuevas con los circuitos preexistentes dan lugar a comportamientos nuevos y diversos. Estos resultados ayudan a construir confianza en un punto de vista que considera la actividad motora generada por el sistema del canto como el resultado de al menos dos escalas de tiempo no lineales interactuando, y sugieren que la diversidad puede surgir de cambios suaves en instrucciones muy sencillas.

Abstract:
In this work we study the neuronal mechanisms in the brain of birds involved in the generation of the motor gestures responsible for singing. We explore this system with experimental, theoretical and computational analytical tools. The nature of telencephalic control over premotor and motor circuits is debated. Hypotheses range from complete usurping of downstream circuitry to highly interactive mechanisms of control. We show theoretically and experimentally, that telencephalic song motor control in canaries is consistent with a highly interactive strategy. Using predictions from a theoretical model of respiratory control, we show that mild cooling of a forebrain nucleus (HVC) led to song stretching, but further cooling caused progressive restructuring of song, consistent with the hypothesis that respiratory gestures are subharmonic responses to a timescale present in the output of HVC. We built a cooling device that allowed us to perform a controlled and local temperature decrease of the bilateral zone of the brain where HVC is. We measured simultaneously the song and the intra air sac pressure for different cooling temperatures of this bilateral nucleus. This allowed us to find stretching and then breaking of the syllabic structure of song, which suggests the existence of at least an additional timescale in the motor pathway, interacting with the one present in HVC. We also found evidence of naturally occurring bifurcations in the transitions between different type of syllables of the pressure patterns of canary song. These could be interpreted as smooth modifications of two parameters that describe the activity of HVC in our interactive model, and one of them could be manipulated by means of cooling. This interaction between a life-sustaining motor function (respiration) and telencephalic song motor control suggests a more general mechanism of how nonlinear integration of evolutionarily new brain structures into existing circuitry gives rise to diverse, new behavior. These results allow to build confidence on a view that considers the motor activity generated by the song system as the result of at least two nonlinearly interacting timescales, and suggests that diversity may arise from slight changes of very simple instructions.

Bavassi, Mariana Luz. "Sincronización sensomotora en humanos: modelos matemáticos y experimentos" (2013) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
La representación de la información temporal es uno de los tópicos más elusivos en la neurobiología. La percepción y la producción del tiempo en el rango que abarca cientos de milisegundos, conocido como millisecond timing, es crucial para el control motor, producción y reconocimiento del habla, música y baile, y secuenciación rápida de operaciones cognitivas como la actualización de memoria de trabajo. La sincronización sensomotora es uno de los comportamientos paradigmáticos en el millisecond timing. La sincronización de un movimiento a un ritmo, como aplaudir al ritmo de la música, parece ser una tarea sumamente sencilla que demanda poco esfuerzo cognitivo. Sin embargo, involucra maquinaria cerebral compleja de funciones distribuidas y circuitos neuronales cuyas funciones abarcan desde potenciales motores básicos hasta procesamientos temporales complejos. Una de las tareas más simples para estudiar este comportamiento es la de finger tapping, donde una persona aprieta un botón en forma sincronizada con un estímulo externo, como siguiendo el pulso de la música. Prácticamente todas las personas pueden lograr una sincronización promedio a un est ímulo externo, lo que dice que debe haber un mecanismo activo con una mínima regla determinista para la corrección del error de sincronía. En este trabajo de tesis se propuso un nuevo modelo matemático para el mecanismo de corrección del error. El modelo tiene en cuenta los tres tipos de perturbaciones de finger tapping más comunes en igualdad de condiciones, prediciendo la evolución de las asincronías después de todos los tipos y magnitudes de perturbación con un solo conjunto de parámetros y un número fijo de términos. El modelo propuesto se puso a prueba frente a un experimento puramente comportamental, donde quedó demostrada la importancia de la inclusión de términos no lineales. Más aún, el módelo sirvió como guía en la búsqueda de estructuras en dos experimentos de sincronización donde se capturaron los potenciales evocados con electroencefalograma (EEG) de alta resolución. Haciendo uso del Análisis de Componentes Principales, se pudo determinar los marcadores neurofisiológicas que codifican las asincronías (diferencias de tiempo entre las respuestas y los estímulos), así como que al menos 300ms son necesarios para la evaluación de los errores y la determinación de la respuesta futura.

Abstract:
The representation of time is one of the most elusive topics in neurobiology. Time perception and production in the range of hundreds of milliseconds, known as millisecond timing, is crucial for motor control, speech production and recognition, music and dancing, and rapid sequencing of cognitive operations such as updating working memory. The sensorimotor synchronization is a paradigmatic behavior in millisecond timing. The synchronization of a movement to a rhythm, like clapping to the music, seems to demand little cognitive effort. However, this task involves complex brain machinery of distributed functions and neuronal circuits that include classical motor potentials and complex temporal processes. Finger tapping is one of the simplest ways to study this behavior, where a subject taps in synchrony with an external stimulus, as when keeping pace with music. Almost everybody can achieve average syncronization to an external stimulus, and therefore there must be an active mechanism with a minimal deterministic rule for error correction. This thesis proposed a new mathematical model for the error correction mechanism. The model takes into account the three most common types of perturbations of finger tapping on equal terms, and predicts the evolution of the asynchronies after all perturbation types and magnitudes with a single set of parameters and a fixed number of terms. The proposed model was tested in a behavioral experiment, which demonstrated the importance of including nonlinear terms. Moreover, the model was used as guide in the search for structures in two experiments of synchronization where evoked potentials were recorded with a high-resolution electroencephalogram (EEG). Principal Component Analysis unveiled the neurophysiological markers encoding the asynchronies (differences between response occurrence and stimuli occurrence), and allowed us to determine that error evaluation and future response determination are performed during at least the first 300 ms after each stimulus.

von Bilderling, Catalina. "Detección, localización y análisis de eventos singulares de reconocimiento molecular mediante microscopías avanzadas" (2013) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Las células pueden ser concebidas como dispositivos capaces de procesar información bioquímica, cuya respuesta al entorno depende del estado funcional de proteínas organizadas espacialmente en una compleja red. Entender la función celular integrando la actividad molecular con la organización espacial representa un gran desafío para la biología moderna. Las fuerzas mecánicas tienen un papel importante en la organización, crecimiento, maduración y función de los tejidos. A nivel celular la transmisión de las fuerzas externas, a través de las adhesiones focales (FAs) y uniones adherentes, parece controlar la maduración o el ensamblado de estas adhesiones e iniciar las cascadas de señalización. En respuesta a las fuerzas aplicadas externamente, las células reacondicionan activamente la organización y la actividad contráctil del citoesqueleto y redistribuyen sus fuerzas intracelulares. Con el objetivo de estudiar la regulación dinámica de los contactos adhesivos y la arquitectura del citoesqueleto de la célula así como su influencia en la señalización celular, en este trabajo de Tesis se estudió la relación entre una fuerza (local o global) aplicada a la célula y el ensamblado, mecánica y dinámica de las adhesiones focales. El objetivo principal de este trabajo fue estudiar la respuesta dinámica de las proteínas de las FAs ante un estímulo mecánico controlado. En este contexto, se implementaron y desarrollaron técnicas de Microscopía de Fluorescencia, Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) y Espectroscopía de Fuerza (FS) aplicadas a distintos sistemas biomoleculares, desde plataformas biomiméticas hasta células vivas. Se optimizaron las mediciones de fuerza a nivel intermolecular y se investigaron la dinámica de las proteínas y las interacciones proteína-proteína en las FA de células vivas. Se implementó la FS mediante el estudio de las fuerzas de interacción entre grupos funcionales químicos y el sistema modelo ligando-receptor, biotina-estreptavidina. Se logró caracterizar la fuerza de interacción a nivel de moléculas individuales entre el sitio de unión RGD de la fibronectina y su receptor, la proteína integrina, en la membrana de células HC11 in vivo. Se obtuvo una fuerza característica de ruptura del complejo RGD-integrina de (37.6 ± 0.7) pN. Se expresaron las proteínas de las FAs zixina, vinculina, FAK, paxilina, integrina y actina unidas a proteínas fluorescentes visibles (VFPs) en células epiteliales mamarias de ratón HC11. Se diseñó y construyó un dispositivo estirador de células, para explorar la relación entre un estímulo mecánico global y los cambios en la dinámica y en las interacciones entre las proteínas. Mediante técnicas de microscopía de fluorescencia como FRAP (Recuperación de la Fluorescencia luego del Fotoblanqueo), FRET (Transferencia de Energía Resonante de Förster) y N&B (Número y Brillo), se estudió el estado mecánico general de las FAs, determinando la tasa de disociación de las proteínas a las FAs (koff) y el estado de agregación de las mismas. Se trabajó en la adaptación de un microscopio combinado AFM/ Fluorescencia desarrollado en el Laboratorio de Electrónica Cuántica (FCEN-UBA) para su utilización en condiciones fisiológicas y con células vivas. Se demostró que dicho microscopio es capaz de obtener imágenes combinadas en condiciones fisiológicas, con alta calidad óptica y con un rango vertical para AFM que permite que la visualización de células in vivo sea de rutina. Mediante la medición de las fuerzas de interacción entre el par ligando-receptor biotina-estreptavidina, se corroboró que el microscopio combinado alcanza la resolución requerida para cuantificar fuerzas de interacción entre moléculas individuales. Utilizando este nuevo microscopio combinado, se estudió mediante fluorescencia la evolución temporal de las proteínas de las FAs, zixina y vinculina, en respuesta a un estímulo mecánico local aplicado por AFM con un sensor de fuerza funcionalizado. Se observó el remodelado de las FAs maduras y el reclutamiento de la proteína vinculina para la formación de nuevas FAs en respuesta a la fuerza local aplicada. En este contexto, se presenta una estrategia novedosa que permite obtener imágenes de alta resolución y medir fuerzas al nivel de moléculas individuales en tiempo real. Nuestra estrategia combina metodologías de alta resolución para sensar y caracterizar cambios físicos/bioquímicos en células vivas. En conclusión, se implementaron técnicas de AFM y fluorescencia para estudiar algunos aspectos de la compleja maquinaria celular. De la correlación directa de estas técnicas en el nuevo microscopio combinado estaríamos en condiciones de abordar nuevos desafíos fundamentales en el entendimiento de la biofísica y la biología celular.

Abstract:
The cell can be conceived as a biochemical information-processing device whose response to the environment depends on the state of spatially organized networks of protein activities. Understanding cell function by integrating molecular activities with spatial organization is an important challenge for modern biology. Mechanical forces play an important role in the organization, growth, maturation, and function of living tissues. At the cellular level, many of the biological responses to external forces originate at two types of specialized structures: focal adhesions and adherent junctions. In order to explore the dynamic regulation of adhesive contacts and of the cytoskeleton architecture of cells, as well as its resultant influence on cellular activities, we are focused on the relationship between local force applied to the cell and the assembly, mechanics and dynamics of focal adhesions (FA). The goal of our work is to study the dynamic response of FA proteins when a precise and punctual force is applied. In this context, we have applied Fluorescence Microscopy (FM), Atomic Force Microscopy (FM) and Force Spectroscopy (FS) techniques on different biomolecular systems -from biomimetic platforms to living cells- in order to optimize force measurements at the intermolecular level and investigate protein dynamics and protein-protein interactions on FA of living cells. We have implemented FS measurements by studying the interaction forces between chemical functional groups and the well known ligand-receptor pair, biotinstreptavidin. We were able to characterize the fibronectin binding site RGD-integrin interaction at the single molecule level by measuring rupture forces between RGD functionalized probe-tips and the integrin receptors in the membrane of living HC11 cells. We found a characteristic interaction force of (37.6 ± 0.7) pN for the single RGDintegrin complex. We have expressed in HC11 epithelial mammalian living cells the FA component proteins zyxin, vinculin, FAK, paxilin, integrin and actin tagged with visible fluorescent proteins (VFPs), and also designed and constructed a cell stretching device to explore the relationship between a global mechanical stimulus and changes in protein dynamics and interactions. By fluorescence techniques such as fluorescence recovery after photobleaching (FRAP), Förster Resonance Energy Transfer (FRET) and Number and Brightness (N&B), we studied the mechanical state of the FAs, determining the dissociation rate constant parameter (kOFF) and the aggregation state of different FAs proteins. We worked on the adaptation of a combined AFM/Fluorescence microscope, designed and assembled at the Quantum Electronics Lab (FCEyN-UBA) for working under physiological conditions in liquid environments. The combined microscope was tested and validated by successfully imaging of living cells. We also validated the possibility of measuring interaction forces based on molecular recognition of the pair biotin-streptavidin. With this novel combined microscope we studied by fluorescence the temporal evolution of the FAs proteins, vinculin and zyxin, in response to a mechanical local and functional stimulus applied with an AFM force-probe. We were able to observe the remodeling of mature FAs and the recruitment of vinculin to form nascent FAs in response to the locally applied force. In this context, we present a new approach that can be employed for real-time, high-resolution imaging and measurements of forces at the single molecule level. Our strategy combines very highly sensitive technologies for probing and detection of biochemical/physical changes within living cells. In summary, we implemented both AFM and fluorescence techniques to study some aspects of the complex molecular machinery of the cell. From the direct correlation of these techniques in the new combined microscope we may now afford a new level of insight into cell biology and biophysics.

Assaneo, María Florencia. "Modelado del sistema vocal humano y su aplicación a estudios de percepción y producción de habla" (2014-09-09) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Desde el punto de vista biológico el proceso del habla puede separarse en dos etapas moduladas entre sí: la producción y la percepción. En este trabajo nos ocupamos de ambas, concentrándonos especialmente en la primera. El sistema vocal humano está formado por dos grandes bloques: las cuerdas vocales y el tracto vocal. Las cuerdas vocales constituyen la fuente acústica, determinando la entonación del discurso, mientras que el contenido fonético (los sonidos propios de la lengua) es definido por la dinámica del tracto vocal. En esta tesis presentamos un modelo completo de producción vocal, incluyendo el estudio dinámico de un modelo detallado de cuerdas vocales y su adaptación a un modelo de baja dimensión del tracto vocal. Para evaluar la calidad de la voz sintetizada con el modelo, utilizamos una combinación de test perceptuales y de resonancia magnética funcional, cuyos resultados muestran que la voz sintética es indistinguible de segmentos de voz real. Los sintetizadores basados en la física de la producción de voz permiten además el estudio de la percepción de voz controlando parámetros biológicos. En particular, en este trabajo mostramos que la identidad de la voz está codificada en términos de las dimensiones relativas entre las cuerdas vocales y el tracto vocal. Usamos este modelo de voz verificado experimentalmente para responder preguntas de la biolingüística y la biomimética. En primer lugar, investigamos el rol de la física del aparato vocal en la formación de las onomatopeyas. A pesar de considerarse palabras vinculadas directamente con la imitación, es difícil establecer qué se preserva acústicamente entre los sonidos y sus onomatopeyas. Utilizamos el modelo vocal para mostrar que las configuraciones del tracto vocal que producen los sonidos más parecidos a los originales corresponden a consonantes co-articuladas. Estos pares vocal-consonante se corresponden, además, con las sílabas más estables de las onomatopeyas en distintos idiomas, sugiriendo un mecanismo por el cual la imitación vocal permite asociar sonidos simples a estructuras de habla más complejas. Por otra parte, nos preguntamos cuál es la dimensionalidad del espacio motor que gobierna la producción de habla. Para abordar este problema diseñamos un dispositivo experimental que permite monitorear tres puntos de la cavidad oral durante el discurso. Con esta herramienta, logramos una descripción discreta para las coordenadas motoras de las vocales y consonantes oclusivas del español, mostrando además la viabilidad de controlar el modelo de producción vocal con variables anatómicas para la síntesis de voz en tiempo real a partir de los gestos anatómicos producidos durante el habla.

Abstract:
From a biological point of view the ability of speaking can be split in two intermodulated processes: production and perception. In this work we investigated both of them from a physical perspective, focusing on the first one. The physical process associated with the production of voice rely on the vocal anatomy, composed of two main blocks: the vocal folds and the vocal tract. The folds are the acoustic source that specify the intonation of the speech, while the phonetic content is determined by the vocal tract dynamics. In this thesis we developed a complete model of voice production, we studied the different dynamic regimes of a detailed mathematical model of the folds, and adjusted it to a low dimensional model of the tract. This model allows to synthesize voice by controlling physical parameters of the vocal system. In order to evaluate the quality of the synthetic voices, we carried out a combination of perceptual and fMRI tests, showing that synthetic voices are indistinguishable from real ones. Such an articulatory synthesizer, based on the physics processes involved in the voice production, allows to study the perceptual effects of precise variations in the anatomical parameters. We used it to show that the voice identity is encoded in the relative dimensions of the tract and the folds. Using this validated model, we addressed two specific questions. First, we investigated the role of imitation within the generation of onomatopoeias. Despite it is widely know that onomatopoeias are based on imitation, it remains unclear which are the acoustic features shared between the sounds and their onomatopoeias. Using our vocal model we show that co-articulated consonants are the sounds that best fit the original noises. This pairs of vowel-consonant also are the more stable syllables within the onomatopoeias across languages, suggesting a mechanism through which vocal imitation associates simple sounds with more complex speech structures. We also inquire about the dimension of the vocal motor space controlling the production of speech, in order to study this problem we designed an experimental device that allows monitoring 3 points of the upper vocal tract while speaking. Making use of this novel tool, we reach a discrete description for the motor coordinates of Spanish vowels and occlusive consonants. This results show the plausibility to control the vocal model with direct anatomical measures, synthesizing speech in real time from simple motor gestures produced during the vocalization.

Sanz Perl Hernández, Yonatan. "Empleo de coordenadas motoras para decodificar el sistema motor en el canto de aves" (2014-12-15) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El trabajo que relata esta tesis se basa en la implementación de herramientas de análisis provenientes de la física en áreas vinculadas a las neurociencias. En particular esta tesis se encarga de mostrar la validez de estas herramientas y su capacidad de ser incorporadas como nuevas técnicas de analisis para abordar problemáticas típicas en neurociencias con otro punto de vista. Las aves canoras, modelo animal empleado en esta tesis, tienen la capacidad de aprender y generar un comportamiento complejo que es el canto. Para ello cuentan con un sofisticado órgano fonador, llamado Siringe, que es controlado mediante instrucciones provenientes del sistema nervioso. Durante la última década el Laboratorio de Sistemas Dinámicos ha realizado numerosos trabajos sobre el funcionamiento la Siringe, buscando comprender cuánto de la complejidad del canto se debe a la complejidad propia del organo fonador y cuánto se debe a complejidad en las instrucciones. Para ello se han realizado modelos matemáticos de baja dimensión, operacionales y predictivos capaces de generar sonidos sintéticos muy similares a los del ave, permitiendo asimismo comprender cuáles son las instrucciones necesarias para la obtención de dichos sonidos. Esta tesis se encarga en primera instacia de mostrar la pertinencia de dichos modelados para el caso del Diamante mandarín en términos de 3 observables distintos, para luego ir tras la pregunta de cómo están organizadas las instrucciones en el sistema nervioso. En términos de características acústicas se comprobó los sonidos generados con el modelo presentan la misma relación entre frecuencia fundamental y contenido espectral que los sonidos reales del ave, sonidos de baja frecuencia fundamental presentan alto contenido espectral y viceversa. Por otro lado, en términos de los gestos motores se comprobó que los gestos de presión y tensión que emplea el ave durante su canto para controlar la siringe, están fuertemente correlacionados con los parámetros del modelo que dan cuenta de la presión y la tensión. Finalmente, se confirmo la pertinencia del modelo en términos de respuesta neuronal en neuronas selectivas al canto propio en núcleos vinculados al aprendizaje y generación del canto. Para ello se realizaron experimentos de electro fisiología tanto en aves despiertas como dormidas mostrando que la respuesta neuronal presentada ante el estímulo de su propio canto grabado era muy similar a la presentada ante el estímulo del canto sintético. Vale aclarar que para lograr ese resultado fue necesario realizar una serie de mejoras al modelo, como la inclusión de un tracto vocal superior que actuara como filtro dinámico del sonido permitiendo incorporar mejoras tímbricas canto sintético. Finalmente con el modelado validado se abordo la pregunta de cómo codifica el cerebro la generación del canto. Para ello, se propuso realizar un cambio de coordenadas, de las acústicas (donde se venía estudiando el problema desde años) a las motoras. En estas coordenadas, se pudo observar una fuerte relación entre los disparos neuronales en el HVc (núcleo vinculado al aprendizaje y generación del canto) y los extremos de los gestos motores que se obtienen a partir del modelado del canto. Este resultado abrió un debate en el área, ya que hasta entonces el paradigma establecido afirmaba que los disparos en HVc eran cómo un "reloj" que dispara equidistante sin relación con la generación del canto. Este resultado, asimismo se suma a otros resultados que aparecen en la literatura de los últimos años que muestran observaciones contradictorias con el paradigma del "reloj". En esta tesis se plantea el debate como algo abierto aún y a la espera de la existencia de un modelo de sistema motor en el canto de ave que integre todas estas observaciones recientes.

Abstract:
This thesis is based on the implementation of analysis tools from physics in areas related to neuroscience. In particular, this thesis seeks to show the validity of these tools and their ability to be incorporated as new analytical techniques to approach typical problems in neuroscience from a different point of view. Songbirds, animal model used in this thesis, have the ability to learn and generate a complex behavior which is singing. In order to sing, they have a sophisticated vocal organ called Syrinx, which is controlled by instructions from the nervous system. During the last decade the Dynamical Systems Lab has performed extensively on the Syrinx operation, seeking to understand how much of song complexity is due to the complexity of the vocal organ and how much is due to complexity in the instructions. This has been done, operational and predictive low dimensional mathematical models capable of generating very similar to those of synthetic bird sounds, allowing also understand what the instructions for obtaining these sounds are. This thesis is responsible in the first instance to show the relevance of those modeled for the case in terms Zebra finch 3 different observables, then go after the question of how instructions are organized in the nervous system. In terms of acoustic characteristics of sounds generated was found to have the same pattern relationship between the fundamental frequency and the actual spectral content of the bird sounds, sounds of low fundamental frequency and vice versa at high spectral content. On the other hand, in terms of motor gestures it was found that the pressure and tension gestures employing the bird for its song to control the syrinx, are strongly correlated with the model parameters that account for the pressure and tension. Finally, the relevance of the model was confirmed in terms of selective neuronal response to own singing in nuclei related to song learning and generation of neurons. This electrophysiology experiments were conducted in both awake and asleep birds showing that the neural response to the stimulus presented their own recorded song was very similar to that presented to the stimulus of synthetic singing. It is clear that to achieve this result it was necessary to make a number of improvements to the model, the inclusion of an upper vocal tract act as dynamic filter allowing incorporate timbral sound improvements synthetic singing. Finally modeling validated with the question of how encoding celebrated singing generation board. To do this, it was proposed to make a change of coordinates, acoustic (where the problem had been studying for years) to the motor. In these coordinates, we observed a strong relationship between neuronal firing in HVC (nucleus linked to learning and singing generation) and the ends of the motor gestures obtained from the modeling of singing. This result opened a debate in the area, because until then the established paradigm claimed that the shots were HVc how a " clock 'equidistant firing unrelated to the generation of singing. This result also adds to other results reported in the literature in recent years that show contradictory observations with the paradigm of " clock '. In this thesis the discussion as open still and waiting for the existence of a power model in the singing bird that integrates all these recent observations system arises.

Berenstein, Ariel José. "Análisis de redes complejas en sistemas biomoleculares" (2014-12-22) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Dentro de una célula coexisten diferentes tipos de biomoléculas que participan en intrincadas redes de interacciones físicas y bioquímicas. Las mismas facilitan la supervivencia de la célula y hacen de ella un sistema extremadamente complejo. La descripción de estas interacciones bajo la perspectiva de redes complejas ofrece la posibilidad de estudiar propiedades colectivas emergentes, detectar patrones de organización y proveer una visión global de la célula como sistema. Estas redes presentan estructura modular no trivial. Numerosos trabajos han puesto esfuerzos en correlacionar esta estructura modular con grupos de biomoléculas que llevan a cabo funciones biológicas específicas. No obstante, un problema de ese enfoque es el hecho de que la estructura modular observada en una red depende de la escala adoptada así como de los algoritmos de agrupamiento utilizados. Esta tesis hace especial énfasis en comprender cómo distintos algoritmos de agrupamiento y sus niveles de resolución implícitos pueden afectar a los análisis biológicos subsecuentes. Se consideró una red de interacción de proteínas, y distintos conjuntos de proteínas involucradas en procesos de envejecimiento celular y vías de se˜nalización. Se emplearon dos algoritmos de agrupamiento ampliamente reconocidos, uno basado en teoría de información y otro en optimización de la modularidad de la red. Mientras que el primer tipo es capaz de detectar estructuras topológicas libres de escala característica, el segundo tiene límite de resolución bien definido. Los resultados obtenidos sugieren que si bien ambos algoritmos obtienen particiones de similar modularidad, las mismas difieren significativamente en el nivel de congruencia biológica, el grado de granularidad de las descripciones modulares y en la capacidad para detectar asociaciones estadísticamente significativas entre los conjuntos de proteínas considerados y los respectivos roles cartográficos de la red. Por otro lado se abordó el problema de reposicionamiento de fármacos en el contexto de enfermedades tropicales desatendidas. Para ello, se construyó y caracterizó una red multicapa compuesta por fármacos, proteínas de múltiples especies y diversos tipos de relaciones estructurales, químicas, metabólicas y de bioactividad. Empleando técnicas de priorización en redes complejas se abordaron dos problemas biológicos de interés. Por un lado la priorización de potenciales blancos de droga en un organismo patógeno de interés. Por otro lado la búsqueda de blancos de drogas con actividad probada sobre un organismo, pero cuyos mecanismos y blancos de acción permanecen desconocidos. Los resultados fueron validados computacionalmente y discutidos desde un punto de vista biológico en base a bibliografía reciente. En suma los resultados indican que el enfoque adoptado resulta de gran utilidad para guiar experimentos que busquen entender los mecanismos de acción de drogas que aún permanecen desconocidos.

Abstract:
Inside a cell different types of biomolecules coexist, which are involved in intricate networks of physical and biochemical interactions. They facilitate the cell survival and make it an extremely complex system. The description of these interactions from complex network perspective allows to study emerging collective properties, to detect organization patterns and provides an overview of the cell as a system. These networks have nontrivial modular structure. Several works have concentrated on correlating this modular structure with groups of biomolecules that carry out specific biological functions. However, a concerning issue of this approach is that observed modular structure in a network depends on the adopted scale as well as the clustering algorithms used. This thesis is focused on understanding how different clustering algorithms and their implicit resolution levels may affect subsequent biological analysis. To this end, a protein-protein interaction network was considered and examined several protein sets related to cell aging and signaling pathways. Two clustering algorithms widely recognized were considered, one based on information theory and other based on network modularity optimization. While the first one is capable of scale-free recognition of topological structure, the second one has a well-defined resolution limit. The results suggest that although both algorithms result in partitions of similar modularity, they differ significantly on its biological congruence, the granularity of modular descriptions and its ability to detect statistically significant associations between considered protein sets and network cartographic roles. On the other hand the problem of drug repositioning is addressed in context of neglected tropical diseases. To achieve this, a multilayer network consisting of chemical compounds, proteins from multiple species and several classes of structural, chemical, and metabolic relationships as well as bioactivities between them was constructed and characterized. Taking advantage of prioritization techniques in complex networks, two interesting biological issues were addressed. Firstly, the prioritization of putative drugtargets in a given pathogenic species was tackled. Secondly, protein targets were looked for on tested active compounds whose mechanisms of action and targets remained unknown. The results were validated computationally and discussed from a biological point of view taking into account recent literature. In summary, the results suggest that the approach is useful for guiding experiments that seek to understand drugs mechanisms of action that are still unknown.

Caldarola, Martín. "Diseño y aplicación de microscopías avanzadas para el estudio de problemas de mecanotransducción celular y nanoplasmónica" (2015-03-30) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
El estudio de problemas que requieren resolución espacial y especificidad química, en condiciones físico-químicas o biológicas altamente controladas, demanda el desarrollo de herramientas específicas, novedosas, versátiles y de plataforma abierta que permitan la libre elección y control de los parámetros relevantes al problema en cuestión. En esta Tesis se han encarado problemas en campos diversos como son la biofísica y la nanofotónica, pero que utilizan una misma plataforma de microscopía avanzada, adaptada especialmente para cada aplicación. En el campo de la biofísica, se estudió la dinámica de formación y remodelado de adhesiones focales (FA). Las FAs son complejos multiproteicos que sirven a la célula como puntos de anclaje en la matriz extracelular. Su proceso de formación consta de distintas etapas y escalas temporales que dependen sustancialmente de las fuerzas aplicadas a la célula. Para poder estudiar y entender este complejo proceso, altamente dinámico, es necesario realizar mediciones precisas de las fuerzas involucradas y poder correlacionarlas con la respuesta bioquímica de la célula. Se presenta una técnica que permite obtener información cuantitativa de la respuesta de células vivas a estímulos mecánicos locales y con especificidad molecular, basada en la combinación de un microscopio de fuerza atómica (AFM), con un microscopio óptico de fluorescencia. Con esta técnica se estudiaron proteínas citosólicas presentes en las adhesiones focales, tales como vinculina, FAK y zixina. Se observó la formación de una adhesión focal naciente en el caso de la vinculina, se cuantificó el tiempo de reclutamiento para la FAK y se estudió la distribución espacial de la zixina en adhesiones focales maduras. Estos resultados muestran la utilidad de este desarrollo para el estudio de procesos biofísicos complejos involucrados en la mecanotransducción celular. En el campo de la nanofotónica y en particular de la nanoplasmónica, las llamadas nanoantenas metálicas han sido ampliamente utilizadas en los últimos años para intensificar y confinar la luz en volúmenes muy pequeños. Sus diversas aplicaciones van desde el sensado molecular hasta las microscopías de alta resolución. La intensificación local del campo electromagnético se debe a la excitación resonante de los llamados plasmones superficiales en los metales nanoestructurados. Sin embargo, uno de los problemas fundamentales de este esquema consiste en la altísima generación de calor en la nanoesacala, producida por la excitación resonante. La plataforma multifunción desarrollada en esta Tesis admite ser utilizada en la configuración de microscopio confocal de doble haz, que permite el control independiente de la generación de calor en la nanoantena, producido por uno de esos haces. La mencionada configuración fue utilizada en dos problemas de nanoplasmónica relacionados: A) el desarrollo y prueba de principios de un nuevo esquema de sensado molecular, que utiliza como mecanismo de sensado el calentamiento plasmónico de nanocilindros de oro y la consecuente dependencia de la intensidad de fluorescencia con la temperatura. B) El desarrollo de un método de mapeo térmico de alta resolución basado en la disminución de la intensidad de fluorescencia de un film polimérico dopado con moléculas fluorescentes y depositado sobre la muestra a estudiar. Con este método se estudió y comparó el desempeño de nanoantenas plasmónicas metálicas y semiconductoras, arrojando como resultado que las semiconductoras alcanzan menores temperaturas que las metálicas. Esto demuestra que las nanoantenas semiconductoras podrían utilizarse en esquemas de sensado ultrasensible, como ser SERS, sin afectar la muestra por calentamiento. Finalmente, se construyó y caracterizó una fuente de luz solitónica sintonizable por potencia, basada en una fibra óptica de cristal fotónico (PCF), que sirve como fuente de luz alternativa para el microscopio confocal. Se mostró que el ancho de pulso de los solitones se mantiene constante para todo el rango de sintonizabilidad (860-1200 nm) en un valor de 45 fs. También se muestra la robustez de esta fuente de luz ante variaciones del chirp del pulso de entrada. Las particulares características de esta fuente de luz, principalmente su amplia y rápida sintonizabilidad, abre diversas alternativas para el estudio de propiedades físico-químicas de materiales así como propiedades bioquímicas en sistemas biológicos. Palabras clave: Microscopías ópticas de fluorescencia. Microscopía de Fuerza Atómica. Mecanotransducción celular. Nano-antenas. Solitones en fibras ópticas de cristal fotónico.

Abstract:
The study of problems that require both spatial resolution and chemical specificity demands the development of specific and adaptable tools for the relevant variables of each problem. In this thesis we have studied two problems from different fields such as biophysics and nanophotonics, using the same platform of advanced microscopy. In the biophysics field, we studied the dynamics of formation and remodeling of Focal Adhesions (FA). FAs are multiprotein complex the cell creates to anchor to the extra cellular matrix. This adhesion process is a highly dynamic force-dependent process that evolves at several temporal scales. An understanding of this process requires precise measurements of forces and its correlation with the biochemical responses in living cells. We present a method that allows to access quantitatively information about live cell responses when a controlled, local and specific mechanical stimulus is applied to live cells. This approach combines atomic force microscopy (AFM) with fluorescence imaging. Using this combined technique, we studied the recruitment of adhesion proteins such as vinculin, FAK and zyxin triggered by applying forces in the nN regime. We observed the development of a nascent adhesion site, which was evident from the accumulation of vinculin at the position where the force was applied. In addition, we quantified the recruitment time for FAK in the formation of a new adhesion site, and analyzed the zyxin spatial distribution remodeling in mature focal adhesion as a function of the applied force. We have demonstrated that this method is a useful tool for the study of a variety of complex biological processes involved in cellular mechanotransduction. In nanophotonics and particularly in nanoplasmonics field, we studied metallic nanoantennas, which have recently been widely used to enhance and confine light in nanometric volumes. Nanoantennas have been proved to be useful in a variety of applications that range from molecular sensing to high resolution microscopies. The local field enhancement is due to so called plasmonic resonances, produced by the collective oscillation of the conducting electrons in metals. However, there is a fundamental problem with this scheme: metallic structures suffer from ohmic losses, leading heating of the structure and its local environment. The multipropose platform developed in this thesis includes a dual beam confocal microscope, which allows the use of one laser to control the heat generation independently from the fluorescence excitation. This configuration was used in two related nanopalsmonic problems: A) the development and proof of principles of a new molecular sensing scheme, based in the plasmonic heating of gold nanorods and its consequent decrease in the fluorescence intensity. B) The development of a method of thermal mapping based in the decrease of fluorescence intensity with increasing temperature, using a polimeric thin film with fluorophores embedded deposited on the samples. We compared the temperature increase in gold and silicon nanoantennas when they are illuminated by a near infrared laser and we show lower temperature increase in the semiconductor structures. This fact demonstrates that semiconductor nanoantennas, unlike the metallic, can be used in ultra-sensitive schemes such as SERS without heating the sample. In addition, we built and characterized a high-speed wavelength tunable photonic crystal fiber-based source, capable of generating tunable femtosecond solitons in the infrared region. This unique light source can be used as an alternative excitation source for the confocal configuration. Through measurements and numerical simulation, we show that both the pulsewidth and the spectral width of the output pulses remain nearly constant over the entire tuning range (860 to 1200 nm). We also show that this source is insensitive to chip variations in the pump pulse, even in the case of heavily chirped pulses. All these remarkable properties open up diverse alternatives to study physical and chemical properties of materials as well as biochemical properties in biological systems. Key words: Optical fluorescence Microscopy. Atomic Force Microscopy. Cellular mechanotransduction. Nanoantennas. Solitons in pohtonic crystal fibers.

Pérez Ipiña, Emiliano. "Análisis y modelado de experimentos de fluorescencia. Aplicación a señales de calcio" (2015-10-22) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
En este trabajo se estudian, desde un punto de vista teórico, distintas técnicas ópticas que permiten observar in vivo procesos que ocurren en células y embriones. Todas ellas involucran la obtención de registros o imágenes de fluorescencia. Uno de los objetivos del trabajo es determinar cómo analizar los datos experimentales para extraer información cuantitativa sobre parámetros biofísicos relevantes para los fenómenos observados. En particular, se analiza cómo hacerlo cuando las moléculas observadas difunden e interactúan (reaccionan) con otras especies. En los distintos casos analizados las fluctuaciones de los registros o imágenes cumplen un rol fundamental ya que se usan para extraer información. En base al conocimiento construido a partir del estudio de las fluctuaciones en experimentos de fluorescencia, en el presente trabajo se avanza también sobre otro aspecto relevante para los procesos de señalización biológica como es el tiempo que le lleva a un mecanismo celular endógeno “sensar” la concentración de un ligando con un dado nivel de error. En la primera parte de la Tesis se hace foco en el estudio de la técnica conocida como Espectroscopía por Correlación de Fluorescencia (FCS, por su nombre en inglés). En los experimentos de FCS se obtienen registros de fluorescencia en un pequeño volumen a partir de los cuales se calcula la función de autocorrelación (ACF) de las fluctuaciones de la fluorescencia. Ajustando la ACF es posible extraer los tiempos de correlación que la caracterizan y los pesos con que entran dichos tiempos. Usando un modelo dinámico de los procesos que subyacen a las observaciones es posible pasar de los parámetros de ajuste a parámetros biofísicos. En particular, a partir de los tiempos de correlación pueden estimarse las tasas de transporte de las moléculas marcadas y, a partir de los pesos, puede obtenerse información sobre la concentración de las moléculas observadas. En el Capítulo 2 se estudia de qué modo, para un sistema de moléculas marcadas que reaccionan y difunden, los tiempos de correlación dependen de los parámetros del sistema y de los del experimento. Se muestra, en particular, cómo variando el volumen de observación los tiempos característicos pasan de estar determinados exclusivamente por los coeficientes de difusión libre de las especies involucradas a depender de coeficientes efectivos que son función de las tasas de reacción. En el Capítulo 3 se estudia la variación de la ACF dependiendo de si las moléculas marcadas interactúan con sitios móviles o inmóviles. Se observa que en el caso de sitios inmóviles hay un tiempo de correlación cuyo peso se anula lo que tiene implicancias directas sobre la estimación de concentraciones a partir de los experimentos. En este Capítulo se estudia también con qué precisión es posible estimar concentraciones dependiendo de la longitud de los registros analizados. En el Capítulo 4 se estudia la precisión de los mecanismos de “lectura” endógenos que involucran la ligadura de moléculas “efectoras” a sitios en la célula y la posterior generación de una respuesta que depende de la concentración “leída”. Se presentan, en particular, expresiones que permiten estimar el error en la concentración sensada como función del tiempo de observación y los tiempos característicos del sistema. Uno de los mayores aportes de esta parte del trabajo radica en que, a diferencia de estudios anteriores, las expresiones describen el decaimiento del error para todo el rango de tiempos de observación, no sólo en el límite asintótico. Por otro lado, incorpora una correción que tiene en cuenta la no linealidad del sistema que es relevante para tiempos tempranos cuando se estudia el comportamiento de sitios de ligadura únicos. En el trabajo se muestra cómo esta corrección “no lineal” permite interpretar la reducción en las fluctuaciones observada en experimentos realizados en embriones de la mosca Drosophila melanogaster cuando se comparan las asociadas a la producción instantánea de mRNA con las de la proteína correspondiente acumulada a lo largo del tiempo. A partir de la descripción de las fluctuaciones tempranas se presenta también en este Capítulo una estimación de la distribución de tiempos de espera entre eventos de ligadura consecutivos. La distribución obtenida permite interpretar observaciones experimentales de la actividad de enzimas a nivel de molécula única sin recurrir a modelos que suponen que la molécula fluctúa entre un sinnúmero de estados conformacionales distintos. La observación de fenómenos in vivo mediante microscopía de fluorescencia es en gran parte factible debido a que pueden manipularse los organismos en estudio para que expresen algunas proteínas de interés con una cola fluorescente. Esto permite, por ejemplo, estudiar las propiedades espacio-temporales de gradientes de proteínas involucrados en morfogénesis. Un caso analizado con gran detalle es el del desarrollo embrionaria temprano de la mosca de la fruta, Drosophila melanogaster, en particular, el del gradiente de la proteína Bicoid (Bcd) a lo largo del eje antero-posterior. En muchos trabajos se interpretan las observaciones experimentales en el marco de un modelo (SDD) en el que el Bcd es sintetizado en un extremo del embrión desde donde difunde a lo largo de éste a la vez que se degrada. El modelo SDD no logra explicar cuantitativamente las características observadas del gradiente. En el Capítulo 5 se analiza de qué modo varía la información que puede extraerse de las imágenes al tener en cuenta que Bcd no sólo difunde sino que también se liga a sitios internos y que la fluorescencia observada no distingue entre Bcd libre y Bcd ligado. Se introduce para tal fin una extensión del modelo SDD al que llamamos SDID ya que incluye la interacción con sitios de ligadura con el que se estudia tanto la dinámica espacio-temporal de la concentración de Bcd como su habilidad para actuar como factor de transcripción. El modelo logra reproducir las observaciones experimentales con parámetros biofísicos razonables y abre la puerta a una reinterpretación de la relación existente entre Bcd y la proteína Hunchback para cuya producción el Bcd es factor de transcripción. Finalmente, en el Capítulo 6 se analiza la validez y limitaciones de un modelo que describe las fluctuaciones de fluorescencia en imágenes donde se observa la distribución de Ca2+ intracelular utilizando fluoróforos que cambian su intensidad al ligar a este ión (single-wavelength Ca2+ dyes). El modelo es la base de un método que permite comparar cuantitativamente entre sí experimentos de señales de Ca2+ realizados en distintas condiciones experimentales y que ayuda, por otro lado, a identificar parámetros experimentales óptimos para cada “set-up”. El análisis detallado presentado en este Capítulo muestra que el modelo reproduce correctamente las fluctuaciones observadas aunque no siempre para un conjunto unívoco de parámetros. Palabras claves: Modelado de técnicas ópticas, análisis fluctuaciones, sistemas de reacción-difusión, fluorescencia, correlación

Abstract:
In this Thesis we study, from a theoretical point of view, different optical techniques that allow the observation in vivo of processes that occur in cells and embryos. In all the techniques that we explore, fluorescence records or images are obtained. One of the aims of the work is to determine how to analyze the experimental data so as to extract quantitative information about biophysical parameters that are relevant for the observed processes. In particular, we analyze how to do it when the observed molecules diffuse and interact (react) with other species. In the various cases that we analyze, fluctuations play a key role since they are used to extract information. Based on the knowledge obtained through the study of fluctuations in fluorescence microscopy experiments in this Thesis we also advance on another aspect that is relevant within the realm of biological signaling such as the time it takes for a cellular endogenous mechanism to “sense” the concentration of a ligand with a certain accuracy level. In the first part of the Thesis we focus on the study of the technique known as Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS). In FCS experiments one obtains records of the fluorescence coming from a small volume from which one computes the autocorrelation function (AFC) of the fluorescence fluctuations. Fitting the ACF it is possible to determine the correlation times and the weights with which they enter the ACF. Using a dynamical model of the processes that underlie the observations it is possible to go from the fitting to biophysical parameters. In particular, the transport rate of the marked molecules can be determined from the correlation times and their concentrations from the weights. In Chapter 2 we study how the correlation times depend on the parameters of the system and of the experiment in a case in which the marked molecules diffuse and react. In particular, we show that the correlation times change from being determined exclusively by the free diffusion coefficients of the species involved to depend on the reaction rates. In Chapter 3 we study how the ACF varies depending on whether the marked molecules interact with mobile or immobile sites. We find that, when the sites are immobile, there is one correlation time whose weight becomes exactly equal to zero. This finite change has implications on how to estimate concentrations from the ACF. In this Chapter we also study what is the accuracy with which concentrations can derived from the experiments depending on the length of the analyzed records. In Chapter 4 we study the precision of the endogenous “reading” mechanisms that involve the binding of effectors to sites on the cell that subsequently induce an end response that depends on the “read” concentration. We present, more specifically, expressions that allow us to estimate the error in the sensed concentration as a function of the observation and characteristic times of the system. One the main contributions of this part of the work is that, differently from previous studies, our expressions describe the decay of the error for all observation times, not just the asymptotic behavior. On the other hand, we incorporate a correction that takes into account the nonlinearity of the system which is relevant for the early behavior of single binding sites. We show in the Thesis how this “nonlinear” correction allows us to interpret the reduction in the fluctuation size observed in experiments performed in the fly Drosophila melanogaster when comparing those associated to the instantaneous production of mRNA with those of the accumulated corresponding protein. Having an expression that describes the behavior of the early fluctuations allows us to obtain an approximation of the waiting time distribution between consecutive bindings of a single binding site. This approximated distribution allows us to interpret experimental observations on the activity of enzymes at the single molecule level without the need of assuming that the molecule fluctuates among innumerous different conformers. The observation of processes in vivo by means of fluorescence microscopy is doable to a great extent because it is possible to manipulate organisms and cells so that the proteins of interest are expressed with a fluorescent tag. This allows the direct study of the spatio-temporal properties of gradients of proteins involved in morphogenesis. A case that has been analyzed with great detail is that of the early embryonic development of the fruit fly, Drosophila melanogaster, particularly, of the gradient of the Bicoid (Bcd) protein along the antero-posterior axis. In several studies the experimental observations of this gradient is interpreted within the SDD model in which Bcd is synthesized at one end of the embryo from which it diffuses while it is degraded. The SDD model cannot explain quantitatively all the observed characteristics of the gradient. In Chapter 5 we analyze in which ways the information that can be extracted from the images changes if we take into account that Bcd not only diffuses but binds to sites on its way as well. To this end we introduce an extension of the SDD model which we call SDID because it includes the interaction with binding sites with which we study the spatio-temporal dynamics of the concentration of Bcd as well as its ability to act as transcription factor. The model reproduces the observations with realistic parameter values and opens up the possibility of re-interpreting the relationship between Bcd and the protein, Hunchback, for which production Bcd is a transcription factor. Finally, in Chapter 6 we analyze the validity and limitations of a model that describes the fluorescence fluctuations of Ca2+ images obtained using dyes that change their intensity of emission upon Ca2+ binding (single-wavelength Ca2+ dyes). The model is the basis of a method that allows the quantitative comparison of Ca2+ imaging experiments performed under different conditions and which helps with the choice of experimental parameters for each set-up. The detailed analysis presented en this Chapter shows that the model reproduces correctly the observed fluctuations albeit not always for a unique set of parameter values. keywords: Modeling of Optical Techniques, Fluctuation Analysis, Reaction-diffusion Systems, fluorescence, correlation

Haimovici, Ariel. "Hacia una mecánica estadística de los estados cerebrales macroscópicos" (2017-03-31) Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires

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Resumen:
Esta tesis estudia la naturaleza de las fluctuaciones espontáneas de la actividad cerebral humana, medida a gran escala. Dichas fluctuaciones se organizan en un repertorio de patrones espacio temporales que se repiten en diversas condiciones, tanto en la ejecución de tareas como en reposo y tanto en el sueño como en la vigilia. La relación entre los "estados físicos", definidos por las interacciones neuronales que forman estos patrones, y los "estados mentales" asociados a cambios en la consciencia, el procesamiento de información y los diferentes procesos cognitivos que realiza el cerebro, es una pregunta abierta y fundamental en la neurociencia. Desde un punto de vista físico, el problema consiste en entender los mecanismos dinámicos responsables de la emergencia de dichos patrones. En este trabajo, usamos herramientas de la mecánica estadística para describir y modelar la actividad cerebral espontánea, en experimentos de resonancia magnética funcional en estado de reposo. Nuestra hipótesis principal es que la complejidad observada se puede entender por analogía a los fenómenos críticos observados en sistemas físicos que presentan una transición de fase de segundo orden. En el caso particular del cerebro, con sus cientos de miles de millones de neuronas interactuando, resulta importante determinar qué relación existe entre la complejísima estructura de conexiones y la dinámica colectiva que de ellas emerge. Aquí abordamos este problema mediante la construcción de un modelo híbrido basado en conexiones axonales empíricas y una dinámica de masas neuronales. Desde el punto de vista de la neurociencia, la pregunta más interesante está relacionada con la naturaleza funcional de los patrones espacio temporales observados. Es decir, tratar de entender la relación entre los estados físicos y los estados mentales mencionados previamente. En este trabajo presentamos una conexión entre ambos niveles de descripción al estudiar los cambios en la dinámica cerebral de sujetos al quedarse dormidos. De esta manera exploramos la hipótesis de que el origen neurobiológico de las uctuaciones espontáneas de la actividad esté relacionado con cambios en el estado de vigilia de los sujetos. Tanto en la neurociencia como en cualquier disciplina que estudie sistemas complejos, el problema de modelado tiene una dificultad inherente y es que, dada la alta dimensionalidad del sistema, los datos experimentales se encuentran inevitablemente subsampleados. Por este motivo, resulta necesario definir representaciones reducidas del sistema que al mismo tiempo resulten informativas. En esta tesis incluimos una discusión teórica sobre este problema general, usando elementos de la teoría de la información para cuantificar la relevancia de distintas representaciones de los datos experimentales y su relación con la hipótesis de criticalidad.

Abstract:
In this thesis we study the nature of spontaneous large scale fluctuations of human brain activity. These fluctuations are organised into a set of spatiotemporal patterns that emerge in different conditions, such as during a task or at rest, and during wakefulness and sleep. The relationship between the "physical states" of the brain, dfined by the interacting neurons forming these patterns, and the 'mental states' associated with changes in consciousness, information processing and cognitive processes, is a fundamental open question in neuroscience. From a physicist point of view, the problem lies in understanding the dynamical mechanisms responsible for the emergence of the aforementioned patterns. We approach this problem using tools from statistical mechanics to describe and model the spontaneous fluctuations of brain activity, measured with functional magnetic resonance imaging (fMRI) in resting state experiments. Our main hypothesis is that the observed complexity can be explained by analogy with critical phenomena, known in physical systems undergoing a second order phase transition. In the particular case of the brain, with its hundred billion neurons interacting, it is important to determine the relationship between the complex structure of connections and the collective dynamics that emerge from them. Here we study this using a hybrid model based on an empirical structure of axonal connections and neural mass dynamics. From the point of view of neuroscience, the most interesting question is related to the functional nature of the observed spatiotemporal patterns. That means understanding the relation between the aforementioned physical and mental states. In this work we present a connection between both levels of description by studying the changes in the brain dynamics when subjects fall asleep. In this way we explored the hypothesis that the neurobiological origin of spontaneous activity fluctuations is related with changes in the state of sleep or wakefulness of the subjects. In neuroscience as in any other complex system science, the problem of building models from the data has a fundamental difficulty which comes from the fact that complex systems are extremely high dimensional and therefore the relevant variables for their description are usually strongly under sampled in the experiments. Thus, in order to get a meaningful model one has to find reduced representations while keeping relevant information about the system. We discuss a general framework to choose between different representations of the limited data, using information theoretical measures to quantify their relevance, and analyse how this affects the hypothesis of criticality.

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