Implementations Of Novel Cellular Nonlinear And Cellular Logic Networks And Their Applications

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015Bu tez, doğrusal olmayan sistemler ailesinden gevşemeli osilatörler, lojik osilatörler, zaman gecikmeli kaotik osilatörler; bu sistemlerden kurulan ağlar, bunların elektronik gerçeklemeleri ve uygulama alanlarında katkılar sunmaktadır. Tez, iki hipotezi tartışır. Tezde, doğrusal olmayan dalga yayılımı için ortam olan iki boyutlu hücresel doğrusal olmayan ağlar, iki boyutlu hareket planlama problemlerinde hedefin gelecekteki durumlarını öngörmeye yarayan öznitelikler ürettiği gösterilmiştir. Ayrıca, zaman gecikmeli sistemlerde kullanılan, ürettiği ikili sembol dizileri gerçek rastgele bit dizisi olan, en az bir tane iki seviyeli çıkış veren geribesleme fonksiyonu vardır. İki hipotezli bu doktora çalışmasında, hücresel gevşemeli osilatör ağ uygulamaları ve zaman-gecikmeli kaotik osilatör gerçeklemeleri ağırlıklı araştırma sahaları olmuştur. Elde edilen çıktıların çoğu bu iki başlık altında toplanmıştır ve iki hipotez test edilmiştir. Gevşemeli osilatörler ile ilişkili çalışmalar doktora başlangıcından sonuna kadar geçen süreye yayılmıştır. Başlangıçta hedeflenen yeni bir hücresel gevşemeli osilatör ağ modeline başarıyla ulaşılmıştır. Zaman gecikmeli kaotik sistemler ile ilişkili çalışmalar ise tez çalışmalarına sonradan dahil olmuş, sürenin orta ve son kısmında yoğun olarak yürütülmüştür. Özetin devamında, tezin yazım organizasyonuna göre ana bölümler ve alt bölümler kısaca anlatılacak ve aralarındaki ilişki sunulacaktır. Giriş bölümünü takip eden ilk bölüm olan 'Hücreler' bölümünde beş osilatör modeli sunulmaktadır. İlk osilatör (Osilatör 1) çalışmalara referans olan gevşemeli osilatördür ve modelinde bir parça parça doğrusal fonksiyon bulunmaktadır. Bu fonksiyon, iki mutlak değer fonksiyonu ile gerçekleştirilebilir. Osilatör 2, yeni bir gevşemeli osilatör modelidir ve bu doktoranın orjinal önermelerindendir. Model yalnızca bir tane işaret (signum) fonksiyonu barındırır. Osilatör 3 ise lojik osilatör olmakla birlikte, Osilatör 1 ve 2'ye ait dinamik davranışın taklidini yapmaktadır. Kısaca, gevşemeli osilatörde mevcut iki durum deği ̧skeninin birbirine yakın (tepe) değerlerde bulunduğu, biri pozitif diğeri negatif iki tepe durum, ve bunlar arasında farklı yörüngeler üzerinden gerçekle ̧sen iki geçi ̧s durumu, Osilatör 3'teki dört durum ile modellenmi ̧stir. Lojik osilatörün, gev ̧semeli osilatöre davranı ̧ssal olarak benzetilerek sentezlenmesi tezin literatüre katkılarındandır. Osilatör 4 ise yeni bir zaman gecikmeli kaotik sistemi, önerdiği iki seviyeli çıkış veren bir doğrusal olmayan fonksiyon ile sunar. Modelinde bulunan doğrusal olmayan fonksiyonun seviye sayısı sistematik şekilde arttırılarak çok sarmallı çekici üreten kaotik model elde edilmiştir. Osilatör 5 olarak anılacak olan bu modelde doğrusal olmayan fonksiyonun genelleştirilmesi verilir. Yeni önerilen doğrusal olmayan foksiyonları ile hem Osilatör 4 modeli hem de Osilatör 5 modeli tezin literatüre katkılarındandır. Üçüncü ana bölüm olan 'Ağlar'da, beş osilatörden ilk dördü kullanılmakta ve farklı iki tip ağ kurulmaktadır. Osilatör 1, 2 ve 3 ile hücresel doğrusal olmayan ağlar oluşturulmuş, Ağ 1, 2 ve 3 isimleri verilmiştir. Dördüncü osilatör (kaotik zaman gecikmeli osilatör) ile farklı bir tip ağ kurulmuştur. Ağ 1 referans modeldir ve tezde bilgilendirme amacıyla bulunur. Her üç ağ üzerinde, doğrusal olmayan dalgalardan, otodalga ve yürüyen dalganın üretilmesi ve yayılması gösterilmiştir. Ağ 2 ve Ağ 3 için otodalga ve yürüyen dalgaları üreten bağlantı kuralları ve parametreler tezde önerilen yeniliklerdendir. Üç ağda aranan ilerleme, ardı ardına ve lokasyonu değişen kaynak ile üretilen yürüyen dalgaların, 2 boyutlu uzayda iç içe geçmiş ve Doppler Etkisini ortaya çıkarmış dalga çeperleri oluşturmasıdır. Çalışmalarda üç ağda da Doppler Etkisinin gözlenmesi başarılmıştır. Ağların hücreleri otonom osilasyon yapan dinamikte iken otodalga yayılmakta, tezde açıklanan kurallar ile çift kararlı (bistable) dinamiğe sahip kılındıklarında ise yürüyen dalga yayılabilmektedir. Ağ 1, 2 ve 3, beş farklı metrik ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma esnasında hücreler çift kararlı davranışa ayarlanmış, yürüyen dalga yayılmıştır. Metrik 1, dalga çeperi geçiş periyodu olan d büyüklüğünün çözünürlüğüdür. Ağ 3 neredeyse 2 değere nicelenmiş d üretebilir, Ağ 2 dört farklı değerde, Ağ 1 çok daha fazla değerde d üretebilir. Tez, Doppler Etkisinin sonucu olarak kaynak hareketi ile ilişkilenen d değişkeninin analizini uygulama kısmında kullanır. Dolayısıyla, d'nin niceleme seviyesindeki fazlalık, analiz işleminde sonuçların keskinliğini etkiler. Metrik 2 elektronik gerçekleme karmaşıklığıdır. Ağ 3'ün lojik devre olması sebebiyle, modele uygun gerçekleme az sayıda transistor ile mümkündür. Ağ 1 ve 2 ise sürekli zamanlı modellere sahip olduğundan analog devre olarak gerçeklenebilir. Modele uygun, yüksek doğrulukta çalışacak, gerçeklemenin karşılaştırıcı, toplayıcı, integre edici, kuvvetlendirici, çoklayıcı gibi bileşenleri çok sayıda transistor gerektirir. Ağ 1 gerçeklemesi, daha karmaşık olan doğrusal olmayan fonksiyonu sebebi ile Ağ 2 gerçeklemesinden karmaşık olacaktır. Metrik 3 uzaysal-zamansal çalışma bölgesinde ağ üzerinde yayılan dalga çeperlerinin yayılma hızıdır. Sürekli zaman modelli Ağ 1 ve Ağ 2'de hız saniye birim zamanda değerlendirilirken, ayrık zamanlı Ağ 3'te hız iterasyon adımına göre değerlendirilmektedir. Ancak, modellerin sayısal yöntemler ile çözümü, her üçünü de ayrık zamanlı ve karşılaştırılabilir hale getirir. Buna göre Ağ 3 en hızlı dalga yayılan ağdır. Ağ 2'de de Ağ 1'e göre daha hızlı dalga yayılır. Metrik 4, ağdaki hücrelerin (1 ve 2'de) eyer noktaları arasındaki hareketlerinde geçen süre ve (3'te) tepe durumlar arasındaki hareketlerinde geçen süredir. Metrik 3'teki gibi, yeni durumuna en hızlı yerleşen hücreler Ağ 3'tekiler, daha yavaş yerleşenler Ağ 2'dekiler, ve en yavaş yerleşenler Ağ 1'dekilerdir. Yerleşme hızı, giriş işareti ile yeni dalga yaratma sıklığını üstten sınırlandıran bir büyüklük olarak değerlendirilmelidir. Yayılan dalga çeperlerinin eğriliği Metrik 5'tir. Ağ 3'te yayılan yürüyen dalga ve otodalga çeperleri dörtgen şeklindedir. Ağ 2'te otodalgalar dörtgen şekilde yayılırken, yürüyen dalga için parametre araştırmasında, uygulanan bir ofset ile sistem dinamiği sekizgen dalga çeperi üretecek hale getirilmiştir. Ağ 1 çember şekle sahip dalga formları yayabilmesi sayesinde diğer ikisine göre uygulamalarda avantajlı konuma gelmektedir. Ağlar ana bölümünün içerdiği son ağ bir boyutlu, tek yönlü bağlantıya sahip zaman gecikmeli hücrelerden kurulu ağdır. Bu ağ, kaotik osilatörler arasında sezgisel (anticipating) senkronizasyonun kurulabildiğini göstermektedir. Takip eden ana bölümde Hücreler ve Ağlar bölümünden modellerin bir kısmının gerçeklemesi için yapılan çalışmalar sunulmaktadır. Ağ 1'in ileri Euler metodu ile ayrıklaştırılmış hali sayısal sistem olarak tasarlanmış ve seçilen Sahada Programlanabilir Kapı Dizisi (Field Programmable Gate Array, FPGA) üzerinde gerçeklenmiştir. Yapılan gerçeklemede, 2008'de gerçeklenen kayan nokta sayı formatıyla çalışan aritmetik devreler yerine sabit nokta aritmetiği kullanılmıştır. Devrenin çalışma performansı ve FPGA üzerinde kapladığı alan açısından referans tasarım ile karşılaştırması sunulmuştur. Ayrıca, Grafik İşleme Birimi (Graphics Processing Unit, GPU) üzerinde yine Ağ 1 modeline ilişkin benzetim sonuçları elde edilmiştir ve gerek Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit, CPU) üzerinde çalışan benzetimlerden, gerek FPGA gerçeklemelerinden daha yüksek performans elde edilmiştir. Ağ 3'ün gerçeklemesi FPGA'larda var olan ve günümüzde hala geliştirilmekte olan bir özelliğin ağ gerçeklemesine katkısı incelenerek yapılmıştır. Dinamik Kısmi Yeniden Yapılandırma (Dynamic Partial Reconfiguration, DPR) adlı bu özellik, ile sayısal devrenin bir kısmı çalışırken diğer bir kısmı değiştirilebilir. Bu özellik, Ağ 3'ün bazı hücrelerinin çalışma esnasında değiştirilmesi sağlanacak şekilde kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, FPGA alanından tasarruf sağlanmış fakat öte yandan yalnızca özelliğin aktif tutulmasını sağlayan ek alan tüketimi sorunu da tespit edilmiştir. Bu doktora çalışmasındaki elektronik gerçeklemelerin çoğunluğu zaman gecikmeli sistemler (Osilatör 4, 5) ve ağları (Ağ 4) için yapılmıştır. İki seviyeli doğrusal olmayan fonksiyonla önerilen yeni modelin en büyük avantajı gecikme hattının gerçeklenmesinde görülür. Sayısal devre elemanlarından DEĞİL kapısı (evirici tampon, inverting buffer) ve tutucular, özellikle D tipi tutucu (flip-flop) ile ikili işaretler geciktirilebilir. Senkron tutucular ile yapılan gerçeklemede örneklemeli (sampled-data) sistem modeli kullanılması uygun olur. Bu ana başlık altında anlatılan gerçeklemenin ilki hem DEĞİL kapısı gibi asenkron cevap verebilen (saat işaretsiz) hem de tutucu dizisi kadar uzun gecikme süresi sağlayabilen bir gecikme hattı yapı taşıdır. Tezde, Asenkron Gecikme Çiftleyici (Asynchronous Delay Doubler, ADD) adı verilen bu yeni devre ile iç içe kullanım sayesinde üstel artan gecikme süreleri elde edilebilmiş, bu sayede zaman sabiti büyük olan ayrık analog integrator devrenin ihtiyaç duyduğu uzun gecikme sağlanabilmiştir. Osilatör 4'ün analog integrator, D tipi tutucu gecikme hattı gerçeklemesi; analog integrator, ADD gecikme hattı gerçeklemesi; sayısal integrator, DEĞİL kapısı gecikme hattı gerçeklemesi aynı ana bölümde alt bölümler olarak sunulmaktadır. Bunları Osilatör 5'in analog integrator, D tipi tutucu gecikme hattı gerçeklemesi; Ağ 4'ün analog integrator, D tipi tutucu gecikme hattı geçeklemesi ve yine Ağ 4'ün sayısal integrator, D tipi tutucu gecikme hattı gerçeklemesi takip eder. Sonuçlardan önceki son bölüm olan 'Uygulamalar' ana bölümü, iki bölümden oluşur. İlkinde Ağ 1, kestirim yapılmaksızın geribeslemeli hareket planlama algoritmasında kullanılır. Ardından Doopler Etkisini ve onunla üretilen yeni özniteliği kullanan öngörülü geribeslemeli hareket planlama algoritması sunulmaktadır. Öngörülü planlama tezin içerdiği yeniliklerdendir. Geribeslemeli hareket planı, ayrıklaştırılmış uzayda uzayın her ayrık parçası için bir hareket vektörünün hesaplanmış olduğu plandır. Uzayın, ayrıklaştırılmış olması sebebiyle hücresel doğrusal olmayan ağlarla modellenmesi mümkün olur. Bu ağlar üzerinde dalga hedef noktadan doğar. Dalga yayıldıkça, çeperin ulaştığı hücreler geliş açısını tespit ve kayıt ederek geribeslemeli hareket planı oluşturur. Bu yöntemde geribesleme ifadesinden kasıt, planlama için yayılan dalganın tüm ağa dağılması dolayısıyla modellenen fiziksel dünyanın tüm noktaları için çözümün bulunmuş olması, bu sayede hedefe giden yolların tek seferde, tüm hücreler için aynı anda tespit edilmesidir. Üretilen sonucu kullanan sistem rota üzerinde hata yapsa da elde edilen çözüm sayesinde yeniden hesaplamaya gerek kalmaksızın hedefe doğru ilerlemesi mümkün olmaktadır. 'Uygulamalar'daki bir diğer alt bölümde de zaman gecikmeli Osilatör 4'ün rasgele bit dizisi üretiminde kullanımı konusunda elde edilen araştırma sonuçları verilmiştir. Önerilen kaotik sistemlerin gecikme hattından çıkan bit dizisi rasgele sayı olarak kabul edilir ve NIST'in istatistiksel test ortamıyla dizi sınanır. Uygun düşük hızda yapılan örnekleme sonucunda testi başarıyla geçen bit dizileri elde edilebilektedir. Ayrıca sezgisel senkronizasyon sağlayan ağ ile Osilatör 4 tabanlı rastgele bit üreticisinin gelecekte üretteceği değerlerin önceden tespit edilebildiği gösterilmiştir. Tez boyunca yürütülen çalışmalarda, yeni modeller, yenilikçi gerçeklemeler ve yeni uygulamalara ulaşılmıştır. Her ne kadar tez organizasyonu, hücreler, ağlar, gerçeklemeler ve uygulamalar bölümleriyle yapılmış olsa da içeriği oluşturan çalışmalar, farklı alt bölümlerin bir arada ele alındığı şekilde yürütülmüştür. Bu sebeple, tez çalışması boyunca yayınlanmış olan veya hakem değerlendirmesinde bulunan bildiri ve makaleler farklı alt bölümlerden parçalar ihtiva etmektedir. Çalışma süresince 8 uluslararası konferans bildirisi sunulmuş, 5 dergi makalesi ve 1 kitap bölümü yayınlanmıştır. Ayrıca henüz hakemlik süreci tamamlanmayan 1 dergi makalesi mevcuttur.This thesis is a consistent and coherent reorganization of studies on two topics of nonlinear systems. First topic includes Relaxation Oscillators and logic oscillators with similar behavior which are locally coupled and the resulting Cellular Nonlinear Networks (CNN) are utilized for a predictive motion planning algorithm. Nonlinear waves, especially autowave and traveling wave, have been studied and their system model, coupling schemes, parameters, and inputs generating both types of nonlinear waves are explained. The research covers two implementations of selected CNN and compares their digital circuit (FPGA prototyping), CPU simulation and GPU simulation performances. The research is focused on the Doppler Effect occurrence of the propagated nonlinear waves. A novel nonlinear wave propagation based feedback motion planning algorithm which utilizes the Doppler Effect and generates a prediction for the future state of target object has been proposed. The comparisons which reveals the effect of Doppler Effect are reported. The results prove that a tracker even slower than the target may catch it using the proposed algorithm. This new method of motion planning needs two layers of oscillator based CNNs. Two types of relaxation oscillators (one of them is a new model) and the logic oscillator have been tested for the algorithm. Novel models of chaotic time-delay systems are introduced in the thesis as the second topic. The proposed binary output nonlinearity makes the oscillator generate a mono-scroll chaotic attractor. This thesis also proposes a generalization of the binary output nonlinear function, which is a quantized output nonlinearity. The generalized nonlinearity yields a multi-scroll attractor. Both systems are modelled as sampled-data models, because the binary delay lines are constructed by digital components (D-type flip-flops). The research on implementations of these oscillators has been expanded with binary inverting buffers (NOT gates) and asynchronous digital state machines. These systems successfully generate true random bit sequences without the need for post-processing. Up-to-date NIST's statistical test suite is used for the tests of bit sequences and successful throughput rates are reported. The jitter on the NOT gate based delay line is utilized as physical noise and all-digital implementation supported by the jitter also passed the statistical tests. The thesis merges research parts and reorganize the outputs under four titles: cells, networks, implementations and applications.DoktoraPh

Dynamics meets Morphology: towards Dymorph Computation

In this dissertation, approaches are presented for both technically using and investigating biological principles with oscillators in the context of electrical engineering, in particular neuromorphic engineering. Thereby, dynamics as well as morphology as important neuronal principles were explicitly selected, which shape the information processing in the human brain and distinguish it from other technical systems. The aspects and principles selected here are adaptation during the encoding of stimuli, the comparatively low signal transmission speed, the continuous formation and elimination of connections, and highly complex, partly chaotic, dynamics. The selection of these phenomena and properties has led to the development of a sensory unit that is capable of encoding mechanical stress into a series of voltage pulses by the use of a MOSFET augmented by AlScN. The circuit is based on a leaky integrate and fire neuron model and features an adaptation of the pulse frequency. Furthermore, the slow signal transmission speed of biological systems was the motivation for the investigation of a temporal delay in the feedback of the output pulses of a relaxation oscillator. In this system stable pulse patterns which form due to so-called jittering bifurcations could be observed. In particular, switching between different stable pulse patterns was possible to induce. In the further course of the work, the first steps towards time-varying coupling of dynamic systems are investigated. It was shown that in a system consisting of dimethyl sulfoxid and zinc acetate, oscillators can be used to force the formation of filaments. The resulting filaments then lead to a change in the dynamics of the oscillators. Finally, it is shown that in a system with chaotic dynamics, the extension of it with a memristive device can lead to a transient stabilisation of the dynamics, a behaviour that can be identified as a repeated pass of Hopf bifurcations

18th IEEE Workshop on Nonlinear Dynamics of Electronic Systems: Proceedings

Proceedings of the 18th IEEE Workshop on Nonlinear Dynamics of Electronic Systems, which took place in Dresden, Germany, 26 – 28 May 2010.:Welcome Address ........................ Page I Table of Contents ........................ Page III Symposium Committees .............. Page IV Special Thanks ............................. Page V Conference program (incl. page numbers of papers) ................... Page VI Conference papers Invited talks ................................ Page 1 Regular Papers ........................... Page 14 Wednesday, May 26th, 2010 ......... Page 15 Thursday, May 27th, 2010 .......... Page 110 Friday, May 28th, 2010 ............... Page 210 Author index ............................... Page XII

Reservoir Computing: computation with dynamical systems

In het onderzoeksgebied Machine Learning worden systemen onderzocht die kunnen leren op basis van voorbeelden. Binnen dit onderzoeksgebied zijn de recurrente neurale netwerken een belangrijke deelgroep. Deze netwerken zijn abstracte modellen van de werking van delen van de hersenen. Zij zijn in staat om zeer complexe temporele problemen op te lossen maar zijn over het algemeen zeer moeilijk om te trainen. Recentelijk zijn een aantal gelijkaardige methodes voorgesteld die dit trainingsprobleem elimineren. Deze methodes worden aangeduid met de naam Reservoir Computing. Reservoir Computing combineert de indrukwekkende rekenkracht van recurrente neurale netwerken met een eenvoudige trainingsmethode. Bovendien blijkt dat deze trainingsmethoden niet beperkt zijn tot neurale netwerken, maar kunnen toegepast worden op generieke dynamische systemen. Waarom deze systemen goed werken en welke eigenschappen bepalend zijn voor de prestatie is evenwel nog niet duidelijk. Voor dit proefschrift is onderzoek gedaan naar de dynamische eigenschappen van generieke Reservoir Computing systemen. Zo is experimenteel aangetoond dat de idee van Reservoir Computing ook toepasbaar is op niet-neurale netwerken van dynamische knopen. Verder is een maat voorgesteld die gebruikt kan worden om het dynamisch regime van een reservoir te meten. Tenslotte is een adaptatieregel geïntroduceerd die voor een breed scala reservoirtypes de dynamica van het reservoir kan afregelen tot het gewenste dynamisch regime. De technieken beschreven in dit proefschrift zijn gedemonstreerd op verschillende academische en ingenieurstoepassingen

Modelling human choices: MADeM and decision‑making

Research supported by FAPESP 2015/50122-0 and DFG-GRTK 1740/2. RP and AR are also part of the Research, Innovation and Dissemination Center for Neuromathematics FAPESP grant (2013/07699-0). RP is supported by a FAPESP scholarship (2013/25667-8). ACR is partially supported by a CNPq fellowship (grant 306251/2014-0)

A neural network-based trajectory planner for redundant systems using direct inverse modeling

Redundant (i.e., under-determined) systems can not be trained effectively using direct inverse modeling with supervised learning, for reasons well out-lined by Michael Jordan at MIT. There is a loop-hole , however, in Jordan\u27s preconditions, which seems to allow just such an architecture. A robot path planner implementing a cerebellar inspired habituation paradigm with such an architecture will be introduced. The system, called ARTFORMS, for Adaptive Redundant Trajectory Formation System uses on-line training of multiple CMACS. CMACs are locally generalizing networks, and have an a priori deterministic geometric input space mapping. These properties together with on-line learning and rapid convergence satisfy the loop-hole conditions. Issues of stability/plasticity, presentation order and generalization, computational complexity, and subsumptive fusion of multiple networks are discussed. Two implementations are described. The first is shown not to be goal directed enough for ultimate success. The second, which is highly successful, is made more goal directed by the addition of secondary training, which reduces the dimensionality of the problem by using a set of constraint equations. Running open loop with respect to posture (the system metric which reduces dimensionality) is seen to be the root cause of the first system\u27s failure, not the use of the direct inverse method. In fact, several nice properties of direct inverse modeling contribute to the system\u27s convergence speed, robustness and compliance. The central problem used to demonstrate this method is the control of trajectory formation for a planar kinematic chain with a variable number of joints. Finally, this method is extended to implement adaptive obstacle avoidance

Directing stem cell differentiation towards a neuronal fate using nicotinamide

Neuronal cell loss and damage in the central nervous system are characteristics of debilitating brain related-degenerative disorders such as Parkinson’s disease. The last four decades of research have focused on the promise of cell replacement therapy to replace lost cells, repair the damage and provide functional recovery in affected neural circuits. A thorough understanding of the signals implicated in the development of neurons will greatly facilitate the use of cell replacement therapy. This project aimed to investigate the possibility of using nicotinamide, the amide form of vitamin B3, to promote the development of mature neuronal subtypes from mouse embryonic stem cells, and whether these could form a dopaminergic phenotype, to progress research in stem cell-derived therapies for Parkinson’s disease. Treatment of mouse embryonic stem cell monolayer cultures (46C Sox1GFP reporter cell line) with nicotinamide at the early onset of development not only increased the efficiency of neuronal generation but also enriched the ratio of purified neurons to non-neuronal cells. Nicotinamide acted at the initial stages of differentiation to promote accelerated neural lineage entry by embryonic stem cells in adherent monolayer cultures. The pluripotent stem cell and neural progenitor cell populations could be reduced by treating cells with nicotinamide, which also facilitated accelerated neuronal differentiation. Nicotinamide selectively enhanced the production of catecholaminergic, serotonergic and GABAergic neurons and, moreover, accelerated neuronal maturation. A reduction in the proportion of proliferating cells in nicotinamide-treated cultures was demonstrated– that is, nicotinamide enhanced cell-cycle exit, thereby promoting neuronal differentiation. The potential of nicotinamide was introduced to a novel, small-molecule-based strategy using pluripotent stem cell sources. Nicotinamide was shown to function synergistically with signalling molecules known to enhance a dopaminergic phenotype, to direct differentiating cells to adopt a dopaminergic cell fate. Thus, novel findings suggest that nicotinamide is a key signalling factor in brain development, and is required in a definable dosage range and times for the normal formation of dopamine neurons. This study supports previous evidence that vitamins and their metabolites play a fundamental role in neuronal development

Smart chemical sensing microsystem : towards a nose-on-a-chip

The electronic nose is a rudimentary replica of the human olfactory system. However there has been considerable commercial interest in the use of electronic nose systems in application areas such as environmental, medical, security and food industry. In many ways the existing electronic nose systems are considerable inferior when compared to their biological counterparts, lacking in terms of discrimination capability, processing time and environmental adaptation. Here, the aim is to extract biological principles from the mammalian olfactory systems to create a new architecture in order to aid the implementation of a nose-on-a-chip system. The primary feature identified in this study was the nasal chromatography phenomena which may provide significant improvement by producing discriminatory spatio-temporal signals for electronic nose systems. In this project, two different but complimentary groups of systems have been designed and fabricated to investigate the feasibility of generating spatio-temporal signals. The first group of systems include the fast-nose (channel 10 cm x 500 μm2), proto-nose I (channel 1.2 m x 500 μm2) and II (channel 2.4 m x 500 μm2) systems that were build using discrete components. The fast-nose system was used to characterise the discrete sensors prior to use. The proto-nose systems, in many ways, resembles gas chromatography systems. Each proto-nose system consists of two microchannels (with and without coating) and 40 polymer-composite sensors of 10 different materials placed along it. The second group of systems include the hybrid-nose and the aVLSI-nose microsensor arrays assembled with microchannel packages of various lengths (5 cm, 32 cm, 7lcm, 240 cm) to form nose-on-a-chip systems. The hybrid-nose sensor array consists of 80 microsensors built on a 10 mm x 10 mm silicon substrate while the aVLSI-nose sensor array consists of 70 microsensors built on a 10 mm x 5 mm silicon substrate using standard CMOS process with smart integrated circuitries. The microchannel packages were fabricated using the Perfactory microstereolithography system. The most advanced microchannel package contains a 2.4 m x 500 J.lm2 microchannel with an external size of only 36 mm x 27 mm x 7 mm. The nose-on-a-chip system achieved miniaturisation and eliminates the need for any external processing circuitries while achieving the same capability of producing spatio-temporal signals. Using a custom-designed vapour test station and data acquisition electronics, these systems were evaluated with simple analytes and complex odours. The experimental results were in-line with the simulation results. On the coated proto-nose II system, a 25 s temporal delay was observed on the toluene vapour pulse compared to ethanol vapour pulse; this is significant compared to the uncoated system where no delay difference was obtained. Further testing with 8 analyte mixtures substantiated that spatio-temporal signals can be extracted from both the coated proto-nose and nose-on-a-chip (hybrid-nose sensor array with 2.4 m long microchannel) systems. This clearly demonstrates that these systems were capable of imitating certain characteristics of the biological olfactory system. Using only the temporal data, classification was performed with principal components analysis. The results reinforced that these additional temporal signals were useful to improve discrimination analysis which is not possible with any existing sensor-based electronic nose system. In addition, fast responding polymer-composite sensors were achieved exhibiting response times of less than 100 ms. Other biological characteristics relating to stereolfaction (two nostrils sniffing at different rates), sniffing rate (flow velocity) and duration (pulse width) were also investigated. The results converge with the biological observations that stereolfaction and sniffing at higher rate and duration improve discrimination. Last but not least, the characterisation of the smart circuitries on the aVLSI-nose show that it is possible to achieve better performance through the use of smart processing circuitries incorporating a novel DC-offset cancellation technique to amplify small sensor response with large baseline voltage. The results and theories presented in this study should provide useful contribution for designing a higher-performance electronic nose incorporating biological principles