Multidimensional epistasis and the transitory advantage of sex

Identifying and quantifying the benefits of sex and recombination is a long standing problem in evolutionary theory. In particular, contradictory claims have been made about the existence of a benefit of recombination on high dimensional fitness landscapes in the presence of sign epistasis. Here we present a comparative numerical study of sexual and asexual evolutionary dynamics of haploids on tunably rugged model landscapes under strong selection, paying special attention to the temporal development of the evolutionary advantage of recombination and the link between population diversity and the rate of adaptation. We show that the adaptive advantage of recombination on static rugged landscapes is strictly transitory. At early times, an advantage of recombination arises through the possibility to combine individually occurring beneficial mutations, but this effect is reversed at longer times by the much more efficient trapping of recombining populations at local fitness peaks. These findings are explained by means of well established results for a setup with only two loci. In accordance with the Red Queen hypothesis the transitory advantage can be prolonged indefinitely in fluctuating environments, and it is maximal when the environment fluctuates on the same time scale on which trapping at local optima typically occurs.Comment: 34 pages, 9 figures and 8 supplementary figures; revised and final versio

Magnetoviskose Effekte blutverdünnter Ferrofluide

Ein erfolgversprechender Ansatz in der biomedizinischen Forschung besteht im zielgerichteten Transport von Medikamenten und deren lokaler Anreicherung im erkrankten Bereich. Aktuelle Untersuchungen auf dem Gebiet der Krebstherapie beschäftigen sich mit dem magnetischen Drug Targeting, der Kopplung von Chemotherapeutika an magnetische Nanopartikel und der Anreicherung im erkrankten Bereich unter Verwendung externer Magnetfelder. Um derartige Verfahren perspektivisch zu beherrschen sind die Grundlagen des Strömungsverhaltens der eingesetzten sogenannten Ferrofluide, Suspensionen magnetischer Nanopartikel in geeigneten Trägermedien zu ermitteln. Während von Ferrofluiden aus dem technischen Anwendungsbereich eine starke Viskositätserhöhung durch den Einfluss externer magnetischer Felder bekannt ist, gilt es diese auch für biokompatible Ferrofluide zu untersuchen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Untersuchung der zahlreichen Einflussparameter wie dem Partikeldurchmesser, der mikroskopischen Struktur oder der magnetischen Konzentration. Weiterhin ist auch das Fließverhalten bei Verdünnung mit Blut in einer Strömungssituation möglichst nahe der medizinischen Anwendung von zentralem Interesse. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit diesen Problemstellungen. Einerseits wurden durch eine umfassende Charakterisierung wichtige Einflussparameter der Viskositätsveränderung unter dem Einfluss externer magnetischer Felder identifiziert und untersucht. Andererseits wurde ein spezielles Kapillarviskosimeter entwickelt. Dieses zeichnet sich durch die Auslegung hinsichtlich der Kapillardurchmesser sowie der Scherraten an Bereiche des menschlichen Organismus aus und es eröffnet die Möglichkeit, mit Blut verdünnte Ferrofluide unter dem Einfluss starker Magnetfelder zu untersuchen. Im Rahmen der Arbeit wurde Schafblut verwendet und es konnten Effekte gefunden werden, die eine Interaktion der Blutbestandteile mit den magnetischen Nanopartikeln vermuten lassen. Die Bildung von kettenartigen Strukturen unter dem Einfluss von Magnetfeldern, die diese Wechselwirkung verursacht, wurde mikroskopisch untersucht und ein Quantifizierungsverfahren zur Bewertung der Abhängigkeit von Magnetfeldstärke und -applikationsdauer eingeführt. Die ermittelten Resultate zeigen eine starke Beeinflussung des rheologischen und mikroskopischen Verhaltens der biokompatiblen Ferrofluide auf, welche das Potenzial besitzt die Anwendung der Flüssigkeiten zu beeinflussen und in zukünftige Forschungen, sowohl hinsichtlich der theoretischen Modellierung als auch der chemischen Synthese, einbezogen werden sollte

Quality assessment of spherical microphone array auralizations

The thesis documents a scientific study on quality assessment and quality prediction in Virtual Acoustic Environments (VAEs) based on spherical microphone array data, using binaural synthesis for reproduction. In the experiments, predictive modeling is applied to estimate the influence of the array on the reproduction quality by relating the data derived in perceptual experiments to the output of an auditory model. The experiments adress various aspects of the array considered relevant in auralization applications: the influence of system errors as well as the influence of the array configuration employed. The system errors comprise spatial aliasing, measurement noise, and microphone positioning errors while the array configuration is represented by the sound field order in terms of spherical harmonics, defining the spatial resolution of the array. Based on array simulations, the experimental data comprise free-field sound fields and two shoe-box shaped rooms, one with weak and another with strong reverberation. Ten audio signals served as test material, e.g., orchestral/pop music, male/female singing voice or single instruments such as castanets. In the perceptual experiments, quantitative methods are used to evaluate the impact of system errors while a descriptive analysis assesses the array configuration using two quality factors for attribution: Apparent Source Width (ASW) and Listener Envelopment (LEV). Both are quality measures commonly used in concert hall acoustics to describe the spaciousness of a room. The results from the perceptual experiments are subsequently related to the technical data derived from the auditory model in order to build, train, and evaluate a variety of predictive models. Based on classification and regression approaches, these models are applied and investigated for automated quality assessment in order to identify and categorize system errors as well as to estimate their perceptual strength. Moreover, the models allow to predict the array’s influence on ASW and LEV perception and enable the classification of further sound field characteristics, like the reflection properties of the simulated room or the sound field order used. The applied prediction models comprise simple linear regression and decision trees, or more complex models such as support vector machines or artificial neural networks. The results show that the developed prediction models perform well in their classification and regression tasks. Although their functionality is limited to the conditions underlying the conducted experiments, they can still provide a useful tool to assess basic quality-related aspects which are important when developing spherical microphone arrays for auralization applications.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Qualitätsbewertung und -vorhersage in virtuellen akustischen Umgebungen, insbesondere in Raumsimulationen basierend auf Kugelarraydaten, die mithilfe binauraler Synthese auralisiert werden. Dabei werden verschiedene Prädiktionsverfahren angewandt, um den Einfluss des Arrays auf die Wiedergabequalität automatisiert vorherzusagen, indem die Daten von Hörexperimenten mit denen eines auditorischen Modells in Bezug gesetzt werden. Im Fokus der Experimente stehen unterschiedliche, praxisrelevante Aspekte des Messsystems, die einen Einfluss auf die Wiedergabequalität haben. Konkret sind dies Messfehler, wie räumliches Aliasing, Rauschen oder Mikrofonpositionierungsfehler, oder die Konfiguration des Arrays. Diese definiert das räumliche Auflösungsvermögen und entspricht der gewählten Ordnung der Sphärischen Harmonischen Zerlegung. Die Experimente basieren auf Kugelarray-Simulationen unter Freifeldbedingungen und in einfachen simulierten Rechteckräumen mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften, wobei ein Raum trocken, der andere dagegen stark reflektierend ist. Dabei dienen zehn Testsignale als Audiomaterial, die in praktischen Anwendungen relevant erscheinen, wie z. B. Orchester- oder Popmusik, männlicher und weiblicher Gesang oder Kastagnetten. In Wahrnehmungsexperimenten wird der Einfluss von Messfehlern in einer quantitativen Analyse bewertet und die Qualität der Synthese deskriptiv mit den Attributen Apparent Source Width (ASW) und Listener Envelopment (LEV) bewertet. Die resultierenden Daten bilden die Basis für die Qualitätsvorhersage, wobei die Hörtestergebnisse als Observationen und die Ausgangsdaten des auditorischen Modells als Prädiktoren dienen. Mit den Daten werden unterschiedliche Prädiktionsmodelle trainiert und deren Vorhersagegenauigkeit anschließend bewertet. Die entwickelten Modelle ermöglichen es, sowohl Messfehler zu identifizieren und zu klassifizieren als auch deren Ausprägung zu schätzen. Darüber hinaus erlauben sie es, den Einfluss der Arraykonfiguration auf die Wahrnehmung von ASW und LEV vorherzusagen und die verwendete Ordnung der Schallfeldzerlegung zu identifizieren, ebenso wie die Reflexionseigenschaften des simulierten Raumes. Es kommen sowohl einfache Regressionsmodelle und Entscheidungsbäume zur Anwendung als auch komplexere Modelle, wie Support Vector Machines oder neuronale Netze. Die entwickelten Modelle zeigen in der Regel eine hohe Genauigkeit bei der Qualitätsvorhersage und erlauben so die Analyse von grundlegenden Array-Eigenschaften, ohne aufwendige Hörexperimente durchführen zu müssen. Obwohl die Anwendbarkeit der Modelle auf die hier untersuchten Fälle beschränkt ist, können sie sich als hilfreiche Werkzeuge bei der Entwicklung von Kugelarrays für Auralisationsanwendungen erweisen

IST Austria Technical Report

In this work we present a flexible tool for tumor progression, which simulates the evolutionary dynamics of cancer. Tumor progression implements a multi-type branching process where the key parameters are the fitness landscape, the mutation rate, and the average time of cell division. The fitness of a cancer cell depends on the mutations it has accumulated. The input to our tool could be any fitness landscape, mutation rate, and cell division time, and the tool produces the growth dynamics and all relevant statistics

Reversible magnetomechanical collapse: virtual touching and detachment of rigid inclusions in a soft elastic matrix

Soft elastic composite materials containing particulate rigid inclusions in a soft elastic matrix are candidates for developing soft actuators or tunable damping devices. The possibility to reversibly drive the rigid inclusions within such a composite together to a close-to-touching state by an external stimulus would offer important benefits. Then, a significant tuning of the mechanical properties could be achieved due to the resulting mechanical hardening. For a long time, it has been argued whether a virtual touching of the embedded magnetic particles with subsequent detachment can actually be observed in real materials, and if so, whether the process is reversible. Here, we present experimental results that demonstrate this phenomenon in reality. Our system consists of two paramagnetic nickel particles embedded at finite initial distance in a soft elastic polymeric gel matrix. Magnetization in an external magnetic field tunes the magnetic attraction between the particles and drives the process. We quantify the scenario by different theoretical tools, i.e., explicit analytical calculations in the framework of linear elasticity theory, a projection onto simplified dipole-spring models, as well as detailed finite-element simulations. From these different approaches, we conclude that in our case the cycle of virtual touching and detachment shows hysteretic behavior due to the mutual magnetization between the paramagnetic particles. Our results are important for the design and construction of reversibly tunable mechanical damping devices. Moreover, our projection on dipole-spring models allows the formal connection of our description to various related systems, e.g., magnetosome filaments in magnetotactic bacteria.Comment: 14 pages, 7 figure

The effect of one additional driver mutation on tumor progression

Tumor growth is caused by the acquisition of driver mutations, which enhance the net reproductive rate of cells. Driver mutations may increase cell division, reduce cell death, or allow cells to overcome density-limiting effects. We study the dynamics of tumor growth as one additional driver mutation is acquired. Our models are based on two-type branching processes that terminate in either tumor disappearance or tumor detection. In our first model, both cell types grow exponentially, with a faster rate for cells carrying the additional driver. We find that the additional driver mutation does not affect the survival probability of the lesion, but can substantially reduce the time to reach the detectable size if the lesion is slow growing. In our second model, cells lacking the additional driver cannot exceed a fixed carrying capacity, due to density limitations. In this case, the time to detection depends strongly on this carrying capacity. Our model provides a quantitative framework for studying tumor dynamics during different stages of progression. We observe that early, small lesions need additional drivers, while late stage metastases are only marginally affected by them. These results help to explain why additional driver mutations are typically not detected in fast-growing metastases

Forgiver Triumphs in Alternating Prisoner's Dilemma

Cooperative behavior, where one individual incurs a cost to help another, is a wide spread phenomenon. Here we study direct reciprocity in the context of the alternating Prisoner's Dilemma. We consider all strategies that can be implemented by one and two-state automata. We calculate the payoff matrix of all pairwise encounters in the presence of noise. We explore deterministic selection dynamics with and without mutation. Using different error rates and payoff values, we observe convergence to a small number of distinct equilibria. Two of them are uncooperative strict Nash equilibria representing always-defect (ALLD) and Grim. The third equilibrium is mixed and represents a cooperative alliance of several strategies, dominated by a strategy which we call Forgiver. Forgiver cooperates whenever the opponent has cooperated; it defects once when the opponent has defected, but subsequently Forgiver attempts to re-establish cooperation even if the opponent has defected again. Forgiver is not an evolutionarily stable strategy, but the alliance, which it rules, is asymptotically stable. For a wide range of parameter values the most commonly observed outcome is convergence to the mixed equilibrium, dominated by Forgiver. Our results show that although forgiving might incur a short-term loss it can lead to a long-term gain. Forgiveness facilitates stable cooperation in the presence of exploitation and noise