Functional mechanisms of stimulus-specific adaptation in neurons of the auditory thalamus and its cortical modulation

[ES] Nuestra hipótesis general de trabajo es que la detección de la novedad es un principio básico de organización funcional del sistema auditivo y que el potencial de disparidad (MMN) y las neuronas detectoras de sonidos novedosos son expresiones distintas pero, correlacionadas, de la activación de este sistema detector de la novedad. El conocimiento sobre los mecanismos neurológicos implicados en la detección de la novedad en el sistema auditivo pasa por establecer las posibles relaciones funcionales entre estas neuronas y el potencial de disparidad (MMN). Para ello, es fundamental caracterizar la naturaleza de las respuestas de estas mismas neuronas en los diferentes niveles de la vía auditiva. Puesto que desconocemos en gran medida los detalles de este tipo de adaptación en el cuerpo geniculado medial y que los estudios existentes son en gran medida discutibles (Anderson et al., 2009; Ulanovsky et al., 2003; Yu et al., 2009), pensamos que es necesario un estudio detallado de caracterización fisiológica de la adaptación específica al estímulo en este centro talámico.[EN] Our general hypothesis is that the work of novelty detection is a basic principle of functional organization of the auditory system and the potential for disparity (MMN) and the novel sound detector neurons are different expressions, but correlated, activation of this novelty detection system. Knowledge about the neural mechanisms involved in novelty detection in the auditory system involves establishing the possible functional relationships between these neurons and the potential for disparity (MLM). To do this, it is essential to characterize the nature of the responses of these same neurons at different levels of the auditory pathway. Since the largely unknown details of this type of adaptation in the medial geniculate body and that existing studies are largely debatable (Anderson et al., 2009; Ulanovsky et al., 2003, Yu et al., 2009) we think that we need a detailed study of the physiological characterization of specific adaptation thalamic stimulation in the center

A dynamic field model of ordinal and timing properties of sequential events

Recent evidence suggests that the neural mechanisms underlying memory for serial order and interval timing of sequential events are closely linked. We present a dynamic neural field model which exploits the existence and stability of multi-bump solutions with a gradient of activation to store serial order. The activation gradient is achieved by applying a state-dependent threshold accommodation process to the firing rate function. A field dynamics of lateral inhibition type is used in combination with a dynamics for the baseline activity to recall the sequence from memory. We show that depending on the time scale of the baseline dynamics the precise temporal structure of the original sequence may be retrieved or a proactive timing of events may be achievedFundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - Bolsa SFRH/BD/41179/200

Multi-bump solutions in dynamic neural fields: analysis and applications

Tese de doutoramento em Ciências (ramo de conhecimento em Matemática)The work described here has the goal of providing new mathematical results about the formation of spatio-temporal patterns in dynamic neural fields (DNFs) that can be applied and tested in the domains of cognitive modelling and cognitive robotics. Specifically, the conditions for the existence and stability of multiple localized excitations in one-dimensional fields with external input were analysed. These multi-bump solutions represent the core of an original dynamic field model of fast sequence learning that was developed and subsequently tested in a real-world robotics experiment. While the existence and the stability of different types of patterns in DNFs have been addressed in many theoretical studies in the past, little attention has been paid thus far on the initial and input conditions that guarantee the evolution of these patterns. Following Laing et al. (2002), we apply a connectivity function with oscillatory rather than monotonic decay to study analytically and numerically the formation of multiple regions of excitation when several localized inputs are applied simultaneously or sequentially to the field. For the existence and stability proofs, we extend the ideas of Amari’s original work on pattern formation in fields with connectivity functions of lateral inhibition type. Based on the mathematical results, a novel model of multi-item memory of sequential events is proposed that exploits the processing mechanism of self-sustained activity in recurrently connected neural populations modelled by DNFs. A threshold accommodation dynamics is applied to establish a stable multi-bump solution with a gradient of excitation that represents in its relative activation strengths the temporal order and the relative timing of sequence elements. In line with findings in neurophysiological studies with monkeys, this memory representation pre-activates to varying degrees corresponding neural populations in a decision field. The competitive dynamics of this field allows recalling all sequence elements in the correct order and with the correct timing. The working memory model was extended to integrate also the sequence learning part in the modelling. Neural populations in a perceptual field represent in their selfsustained activation patterns the sensory cue (e.g., colour) that defines the sequence. The challenge for many modelling approaches to represent repeated elements is autonomously solved by the field dynamics since repeated sensory cues automatically activate different neuronal subpopulations. The memory of previous sequence demonstrations also preshapes the perceptual field. This preshaping mechanisms affects the time course of suprathreshold population activity and is thus fundamental to adjust the relative activation strengths of the memory gradient in successive sequence demonstrations. The numerical simulation show that the purely activation based learning principles implemented in the model are able to acquire and represent the order and timing of a sequence in just very few demonstration-executing cycle. To directly test the assumptions about the time course of population activity in the various interconnected field layers and to verify the model predictions, we conducted a robotics experiment. The learning model was integrated in the dynamic field based control architecture of the humanoid robot ARoS. In the experiment, ARoS had to learn a short musical sequence from human demonstrations to subsequently execute the piece of music on a keyboard. The successful results of the real-time robotics implementation are discussed in relation to theoretical ideas and experimental findings about sequencing and timing in humans and other animals.O objetivo deste trabalho é fornecer novos resultados matemáticos sobre a formação de padrões espaço-temporais em campos dinâmicos neuronais (DNFs) que podem ser aplicados e testados nos domínios da modelação cognitiva e robótica cognitiva. Em particular, foram analisadas as condições para a existência e a estabilidade de múltiplas regiões localmente excitadas num campo unidimensional com uma entrada externa. Estas múltiplas regiões representam o base de um modelo de campos dinâmicos que foi desenvolvido para aprendizagem de sequências e posteriormente analisado numa experiência robótica em ambiente real. Embora haja vários estudos sobre a existência e a estabilidade dos diferentes tipos de padrôes em DNFs, pouca atenção tem sido dada sobre as condições iniciais e de entrada que garantem a evolução desses padrões. Tendo por base Laing et al. (2002), aplicou-se uma função de conectividade com decaimento oscilatório em vez de um decaimento monótono permitindo o estudo analítico e numérico da formação de múltiplas regiões de excitação quando várias entradas localizadas são aplicadas num campo dinâmico simultaneamente ou sequencialmente. Nas demonstrações da existência e estabilidade, foram estendidas as ideias do trabalho original de Amari em formação de padrões em campos dinâmicos com funções de conectividade do tipo inibição lateral. Tendo por base os resultados matemáticos, foi elaborado um novo modelo de memória de sequências de eventos que explora o mecanismo de processamento da atividade auto-sustentada em populações neuronais com ligações recorrentes modeladas por DNFs. Uma solução multi-picos estável com um gradiente de excitação é obtida a partir de uma dinâmica de adaptação do limiar de ativação do campo. Este gradiente representa, na sua força de ativação, a ordem temporal e o tempo relativo entre os elementos de sequência. De acordo com resultados obtidos em estudos neurofisiológicos com macacos, esta representação de memória pré-ativa, em níveis diferentes, as populações neuronais correspondentes no campo de decisão. A dinâmica competitiva deste campo permite recordar todos os elementos da sequência na ordem correta e com os intervalos de tempo corretos. O modelo de memória de trabalho foi estendido para integrar também a parte de aprendizagem da sequência na modelagem. Os padrões de ativação auto-sustentadas das populações neuronais no campo percetual representam o estímulo sensorial (por exemplo, cor) que define a sequência. O desafio para muitas abordagens de modelização de representar elementos repetidos é autonomamente resolvido pela dinâmica do campo que, de forma automática, representa elementos repetidos em diferentes subpopulações neuronais. A memória da sequência posteriormente demonstrada também pré-ativa o campo percetual. Este mecanismo de pré ativação afeta o tempo que a população demora a ficar ativa e é, portanto, essencial para ajustar as forças de ativação relativas do gradiente de memória em demonstrações sucessivas da sequência. As simulações numéricas mostram que os princípios de aprendizagem baseados puramente em ativação que foram implementados no modelo são capazes de adquirir e representar a ordem e o tempo de uma sequência ao fim de poucas demonstrações. Para testar diretamente os pressupostos sobre as evoluções temporais de atividade da população nos diferentes campos interligados e verificar as previsões do modelo, foi realizada uma experiência robótica. O modelo de aprendizagem foi integrado numa arquitetura dinâmica no robô humanoide ARoS. Na experiência o ARoS teve de aprender uma curta sequência musical, a partir de demonstrações executadas por um humano e, posteriormente, reproduzi-la num teclado. A experiência de implementação robótica em tempo real foi bem sucedida. Os respetivos resultados são discutidos em comparação com as ideias teóricas e resultados experimentais obtidos em experiências sobre sequências e tempo em seres humanos e outros animais.FCT Grant SFRH/BD/42375/2007, financed by POPH-QREN-Type 4.1-Advanced Training, co-funded by the European Social Fund and national funds from MEC

Multi-bump solutions in a neural field model with external inputs

"Available online 3 March 2016"We study the conditions for the formation of multiple regions of high activity or “bumps” in a one-dimensional, homogeneous neural field with localized inputs. Stable multi-bump solutions of the integro-differential equation have been proposed as a model of a neural population representation of remembered external stimuli. We apply a class of oscillatory coupling functions and first derive criteria to the input width and distance, which relate to the synaptic couplings that guarantee the existence and stability of one and two regions of high activity. These input-induced patterns are attracted by the corresponding stable one-bump and two-bump solutions when the input is removed. We then extend our analytical and numerical investigation to NN-bump solutions showing that the constraints on the input shape derived for the two-bump case can be exploited to generate a memory of N>2N>2 localized inputs. We discuss the pattern formation process when either the conditions on the input shape are violated or when the spatial ranges of the excitatory and inhibitory connections are changed. An important aspect for applications is that the theoretical findings allow us to determine for a given coupling function the maximum number of localized inputs that can be stored in a given finite interval.The work received financial support from FCT through a PhD grant (SFRH/BD/41179/2007) and from the EU-FP7 ITN project NETT: Neural Engineering Transformative Technologies (nr. 289146)

Mountain wild spaces in Portuguese northwest

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

Os incêndios florestais no inverno de 2011-2012 no distrito de Braga – resultado da evolução natural ou de mudanças climáticas?

O Inverno de 2011-2012 foi marcado por uma seca prolongada a que se associou uma vaga de incêndios. Usando o distrito de Braga como caso de estudo, analisamos o período de 1 de janeiro a 15 de março de 2012 em termos de incêndios florestais, relacionando-os com eventuais mudanças climáticas em curso.Forest fires in 2011-2012 winter in the district of Braga – natural evolution or climate change? The winter of 2011-2012 was marked by a prolonged drought and a wave of forest fires. Using Braga district as a case study, we analyzed the period from 1 January to 15 March 2012 in terms of forest fires, relating them to possible climate changes underway

Forest fires in the Portuguese northwest

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

Adolpho Mello – de seu manual: “Pequena arte da expressão do violino” e considerações sobre a música de salão em Desterro e São José

Este trabalho tem como foco a obra teórico-técnica intitulada “Pequena Arte da Expressão do Violino ou Nuanças que fazem a Beleza da Execução”, de Adolpho Ferreira de Mello, compositor, intérprete e maestro natural de São José (SC) que atuou naquela cidade e em Desterro* (atual Florianópolis), nos fins do século XIX e início do XX. Traçaremos um breve perfil histórico das duas cidades vizinhas, situando o contexto musical local frente ao cenário nacional da Música de Salão e, através de artigos em revistas e jornais da época, resgataremos informações sobre a atuação musical de Adolpho Mello, a fim de lançar um olhar mais amplo sobre sua figura histórica. A seguir, faremos uma análise de seu anual de violino, analisando os conceitos ali apresentados à luz da literatura pedagógica do violino. Verificaremos assim, a relação entre a obra pesquisada e o referencial teórico–tecnico violinístico encontrado em Galamian e Flesch

Desenvolvimento de bases concentradas de origem vegetal

O relatório de estágio insere-se no plano de estágio curricular do 2º ano do Mestrado em Biotecnologia e Inovação da Escola Superior de Biotecnologia, da Universidade Católica Portuguesa. Realizou-se na Frulact, na Unidade da OATVITA, no período de 21 de novembro de 2022 a 21 de abril de 2023. O estágio teve como principal foco o desenvolvimento de bases concentradas plant based, com a finalidade de encontrar aplicações mais adequadas ao perfil organolético e nutricional de cada base. Este relatório está estruturado em cinco capítulos, iniciando por uma contextualização do que é um alimento plant based, passando pelo desenvolvimento de uma base e terminando nas aplicações que são possíveis alcançar através das mesmas. No decorrer do estágio foram desenvolvidas as seguintes bases: base de castanha, ervilha, milho, tremoço, grão-de-bico e amaranto, estas com duas características de açúcar distintas - Low e High Sugar. Posteriormente, as bases foram caracterizadas a nível físico-químico, pH, ºBrix, %TST e glucose e a nível organolético, sabor, textura e odor. O desenvolvimento das bases foi realizado com sucesso, contudo, a base concentrada de grão-de-bico apresentou muitas dificuldades no processo e a de tremoço apresentou um rendimento muito baixo. Para ultrapassar esta situação, foi desenvolvida uma base de aveia e grão-de-bico e de aveia e tremoço. Estas foram as únicas bases que necessitaram de ser misturadas com outro tipo de farinha. O passo seguinte foi encontrar aplicações que se enquadrassem melhor em cada base vegetal, tendo em conta as características intrínsecas das mesmas. Forram desenvolvidas bebidas, análogos de queijos, tipo-iogurtes, tipo- gelados, tipo-pudins, molhos e produtos de panificação. Para concluir são apresentados os parâmetros de determinadas aplicações que eram possíveis ser medidos e, também, uma descrição geral sobre cada uma das aplicações, bem como as tentativas e obstáculos que apareceram e as medidas tomadas para contornar estas situações.This internship report is part of the curricular internship plan for the 2nd year of the master’s degree in biotechnology and Innovation at the School of Biotechnology of the Portuguese Catholic University. It took place at Frulact, in the OATVITA Unit, from November 21, 2022, to April 21, 2023. The focus of the internship was the development of concentrated plant-based bases, with the aim of finding applications best suited to the organoleptic and nutritional profile of each base. This report is structured into five chapters, starting with a contextualization of what a plant-based food is, moving on to the development of a base and ending with the applications that can be achieved through them. During the internship, the following bases were developed: chestnut, pea, corn, lupin, chickpea, and amaranth bases, these with two different sugar characteristics - Low and High Sugar. Subsequently, the bases were characterized at the physicochemical level, pH, ºBrix, %TST and glucose, and at the organoleptic level, taste, texture, and smell. The bases were developed successfully, but the concentrated chickpea base presented many difficulties in the process and the lupin base had a very low yield. To overcome this, an oat and chickpea base and an oat and lupin base were developed. These were the only bases that needed to be mixed with another type of flour. The next step was to find applications that best suited each vegetable base, taking into account their intrinsic characteristics. Beverages, cheese analogues, yoghurts, ice creams, puddings, sauces and baked goods were developed. In conclusion, the parameters of certain applications that could be measured are presented, as well as a general description of each of the applications, as well as the attempts and obstacles that arose and the measures taken to overcome these situations