System dynamics modelling in systems biology and applications in pharmacology

El modelado matemático de sistemas biológicos complejos es uno de los temas clave en la Biología de Sistemas y varios métodos computacionales basados ​​en la simulación computarizada han sido aplicados hasta ahora para determinar el comportamiento de los sistemas no lineales. La Dinamica de Sistemas es una metodología de modelado intuitivo basada en el razonamiento cualitativo por el cual un modelo conceptual se puede describir como un conjunto de relaciones de causa y efecto entre las variables de un sistema. A partir de esta estructura, es posible obtener un conjunto de ecuaciones dinámicas que describan cuantitativamente el comportamiento del sistema. Centrándose en los sistemas farmacológicos, el modelado compartimental a menudo se utiliza para resolver un amplio espectro de problemas relacionados con la distribución de materiales en los sistemas vivos en la investigación, el diagnóstico y la terapia en todo el cuerpo, los órganos y los niveles celulares. En este artículo presentamos la metodología de modelado de Dinámica del Sistema y su aplicación al modelado de un modelo compartimental farmacocinético-farmacodinámico del efecto de profundidad anestésica en pacientes sometidos a intervenciones quirúrgicas, derivando un modelo de simulación en el entorno de simulación orientada a objetos OpenModelica. La Dinamica de Sistemas se puede ver como una herramienta educativa poderosa y fácil de usar y en la enseñanza de Biología de Sistemas.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Superadiabatic spin-preserving control of a single-spin qubit in a double quantum dot with spin–orbit interaction

A protocol for controlling the localization of an electron with a fixed projection of spin between two quantum dots in a material with spin-orbit (SO) interaction is studied. Due to SO coupling, the manipulation of the electron shuttling between both quantum dots also leads to a mixing between spin projections near to the avoided crossing of levels. We use a transitionless quantum driving approach, neglecting SO interaction, to analytically design simple electric and magnetic pulses able to rapidly drive the electron along an adiabatic Landau–Zener manifold. We show that the same fields in the presence of SO interaction can also give a fast high-fidelity transition between the qubit states. The performance of the proposed protocol is assessed in the presence of SO interactions of typical semiconductor materials. It is shown that it provides a fast and efficient spin-conserving method for controlling the electron position in a double quantum dot.Fil: Gomez, Sergio Santiago. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y Agrimensura. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica; ArgentinaFil: Romero, Rodolfo Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y Agrimensura. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica; Argentin

Compensation between Resolved and Unresolved Wave Drag in the Stratospheric Final Warmings of the Southern Hemisphere

The role of planetary wave drag and gravity wave drag in the breakdown of the stratospheric polar vortex and its associated final warming in the Southern hemisphere is examined using MERRA reanalyses, and a middle atmosphere dynamical model. The focus of this work is on identifying the causes of the delay in the final breakdown of the stratospheric polar vortex found in current general circulation models. Sensitivity experiments were conducted by changing the launched momentum flux in the gravity wave drag parameterization. Increasing the launched momentum flux  produces a delay of the final warming date with respect to the control integration of more than 2 weeks.  The sensitivity experiments show significant interactions between planetary waves and unresolved gravity waves. The increase of gravity wave drag in the model is compensated by a strong decrease of Eliassen-Palm flux divergence, i.e. planetary wave drag. This concomitant decrease of planetary wave drag is at least partially responsible for the delay of the final warming in the model. Experiments that change the resolved planetary wave activity  entering the stratosphere through artificially changing the bottom boundary flux of the model also show an interaction mechanism. Gravity wave drag  responds via critical level filtering to planetary wave drag perturbations by partially compensating them. Therefore, there is a feedback cycle that leads to a partial compensation between gravity wave and planetary wave drag.Fil: Scheffler, Guillermo Federico. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y Agrimensura. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica; ArgentinaFil: Pulido, Manuel Arturo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y Agrimensura. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica; Argentin

Hacia el modelado 3d de tumores cerebrales mediante endoneurosonografía y redes neuronales

Las cirugías mínimamente invasivas se han vuelto populares debido a que implican menos riesgos con respecto a las intervenciones tradicionales. En neurocirugía, las tendencias recientes sugieren el uso conjunto de la endoscopia y el ultrasonido, técnica llamada endoneurosonografía (ENS), para la virtualización 3D de las estructuras del cerebro en tiempo real. La información ENS se puede utilizar para generar modelos 3D de los tumores del cerebro durante la cirugía. En este trabajo, presentamos una metodología para el modelado 3D de tumores cerebrales con ENS y redes neuronales. Específicamente, se estudió el uso de mapas auto-organizados (SOM) y de redes neuronales tipo gas (NGN). En comparación con otras técnicas, el modelado 3D usando redes neuronales ofrece ventajas debido a que la morfología del tumor se codifica directamente sobre los pesos sinápticos de la red, no requiere ningún conocimiento a priori y la representación puede ser desarrollada en dos etapas: entrenamiento fuera de línea y adaptación en línea. Se realizan pruebas experimentales con maniquíes médicos de tumores cerebrales. Al final del documento, se presentan los resultados del modelado 3D a partir de una base de datos ENS.Minimally invasive surgeries have become popular because they reduce the typical risks of traditional interventions. In neurosurgery, recent trends suggest the combined use of endoscopy and ultrasound (endoneurosonography or ENS) for 3D virtualization of brain structures in real time. The ENS information can be used to generate 3D models of brain tumors during a surgery. This paper introduces a methodology for 3D modeling of brain tumors using ENS and unsupervised neural networks. The use of self-organizing maps (SOM) and neural gas networks (NGN) is particularly studied. Compared to other techniques, 3D modeling using neural networks offers advantages, since tumor morphology is directly encoded in synaptic weights of the network, no a priori knowledge is required, and the representation can be developed in two stages: off-line training and on-line adaptation. Experimental tests were performed using virtualized phantom brain tumors. At the end of the paper, the results of 3D modeling from an ENS database are presented

The analog data assimilation

In light of growing interest in data-driven methods for oceanic, atmospheric, and climate sciences, this work focuses on the field of data assimilation and presents the analog data assimilation (AnDA). The proposed framework produces a reconstruction of the system dynamics in a fully data-driven manner where no explicit knowledge of the dynamical model is required. Instead, a representative catalog of trajectories of the system is assumed to be available. Based on this catalog, the analog data assimilation combines the nonparametric sampling of the dynamics using analog forecasting methods with ensemble-based assimilation techniques. This study explores different analog forecasting strategies and derives both ensemble Kalman and particle filtering versions of the proposed analog data assimilation approach. Numerical experiments are examined for two chaotic dynamical systems: the Lorenz-63 and Lorenz-96 systems. The performance of the analog data assimilation is discussed with respect to classical model-driven assimilation. A Matlab toolbox and Python library of the AnDA are provided to help further research building upon the present findings.Fil: Lguensat, Redouane. Université Bretagne Loire; FranciaFil: Tandeo, Pierre. Université Bretagne Loire; FranciaFil: Ailliot, Pierre. University of Western Brittany. Laboratoire de Mathématiques de Bretagne Atlantique; FranciaFil: Pulido, Manuel Arturo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y Agrimensura. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica; ArgentinaFil: Fablet, Ronan. Université Bretagne Loire; Franci

New metric products, movies and 3D models from old stereopairs and their application to the in situ palaeontological site of Ambrona

[ES] Este artículo está basado en la información del siguiente proyecto:● LDGP_mem_006-1: "[S_Ambrona_Insitu] Levantamiento fotogramétrico del yacimiento paleontológico “Museo in situ” de Ambrona (Soria)", http://hdl.handle.net/10810/7353● LDGP_mem_006-1: "[S_Ambrona_Insitu] Levantamiento fotogramétrico del yacimiento paleontológico “Museo in situ” de Ambrona (Soria)", http://hdl.handle.net/10810/7353[EN] This paper is based on the information gathered in the following project:[EN] 3D modelling tools from photographic pictures have experienced significant improvements in the last years. One of the most outstanding changes is the spread of the photogrammetric systems based on algorithms referred to as Structure from Motion (SfM) in contrast with the traditional stereoscopic pairs. Nevertheless, the availability of important collections of stereoscopic registers collected during past decades invites us to explore the possibilities for re-using these photographs in order to generate new multimedia products, especially due to the fact that many of the documented elements have been largely altered or even disappeared. This article analyses an example of application to the re-use of a collection of photographs from the palaeontological site of Ambrona (Soria, Spain). More specifically, different pieces of software based on Structure from Motion (SfM) algorithms for the generation of 3D models with photographic textures are tested and some derived products such as orthoimages, video or applications of Augmented Reality (AR) are presented.[ES] Las herramientas de modelado 3D a partir de imágenes fotográficas han experimentado avances muy significativos en los últimos años. Uno de los más destacados corresponde a la generalización de los sistemas fotogramétricos basados en los algoritmos denominados Structure from Motion (SfM) sobre los proyectos de documentación tradicional basados en pares estereoscópicos. La existencia de importantes colecciones de registros estereoscópicos realizados durante las décadas anteriores invita a explorar las posibilidades de reutilización de estos registros para la obtención de productos multimedia actuales, máxime cuando algunos de los elementos documentados han sufrido grandes modificaciones o incluso desaparecido. En el presente artículo se analiza la reutilización de colecciones fotográficas de yacimientos paleontológicos mediante un ejemplo centrado en el yacimiento de Ambrona (Soria, España). En concreto, se contrastan varios programas basados en los algoritmos denominados Structure from Motion (SfM) para la generación del modelo 3D con textura y otros productos derivados como ortoimágenes, vídeos o aplicaciones de Realidad Aumentada (RA)

Estimation of gravity wave parameters to alleviate the delay in the Antarctic vortex breakup in general circulation models

The impact of optimal parameters in a non-orographic gravity wave drag parameterization on the middle atmosphere circulation of the Southern hemisphere is examined. Optimal parameters are estimated using a data assimilation technique.  The proposed technique aims to reduce the delay in the winter vortex breakdown of the Southern Hemisphere found in general circulation models, which may be associated with a poor representation of gravity wave activity.  We introduce two different implementations of the parameter estimation method: an emph{offline} estimation method and a emph{sequential} estimation method. The delay in the zonal-mean zonal-wind transition  is largely alleviated by the optimal gravity wave parameters. The sequential method diminishes the model biases during winter vortex evolution, through gravity wave drag alone. On the other hand, the offline method accounts better for the unresolved-resolved wave interactions and the zonal-wind transition. We show that the final warmings in the lower mesosphere are mainly driven by planetary wave breaking. These are affected by changes in the gravity wave drag which are responsible for the stratospheric preconditioning. Parameter estimation during the vortex breakdown is a challenging task that requires the use of sophisticated estimation techniques, because there are strong interactions  between unresolved gravity wave drag and planetary waves.Fil: Scheffler, Guillermo Federico. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y Agrimensura. Departamento de Matemática; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Pulido, Manuel Arturo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y Agrimensura. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica; Argentin

Problemas inversos: los casi olvidados de la matemática educativa

Este trabajo comienza por analizar y clasificar los problemas inversos en la matemática y en otras disciplinas. En las aplicaciones y el modelado matemático es posiblemente donde mejor se pueden explotar los problemas inversos. Cuando problemas inversos y modelado se combinan, surgen naturalmente los problemas de modelado inverso, de los cuales en esta conferencia se analizan algunos ejemplos relativamente sencillos, fáciles de plantear y particularmente ricos para un proceso de enseñanza-aprendizaje basado más en la exploración que en la repetición de procedimientos. Para concluir, se presentan algunos resultados de las experiencias realizadas con alumnos de grado y postgrado en los últimos 14 años. También se comentan algunas experiencias recientes en cursos de actualización y perfeccionamiento para profesores

Few-electron semiconductor quantum dots with Gaussian confinement

We have performed Hartree-Fock calculations of the electronic structure of N ≤ 10 electrons in a quantum dot modeled with a confining Gaussian potential well. We discuss the conditions for the stability of N bound electrons in the system. We show that the most relevant parameter determining the number of bound electrons is V 0 R 2. Such a feature arises from widely valid scaling properties of the confining potential. Gaussian Quantum dots having N = 2, 5, and 8 electrons are particularly stable in agreement with the Hund rule. The shell structure becomes less and less noticeable as the well radius increases.Fil: Gomez, Sergio Santiago. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y Agrimensura. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica; ArgentinaFil: Romero, Rodolfo Horacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Nordeste. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica. Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas Naturales y Agrimensura. Instituto de Modelado e Innovación Tecnológica; Argentin