Estimating integrated information in bidirectional neuron-astrocyte communication

There is growing evidence that suggests the importance of astrocytes as elements for neural information processing through the modulation of synaptic transmission. A key aspect of this problem is understanding the impact of astrocytes in the information carried by compound events in neurons across time. In this paper, we investigate how the astrocytes participate in the information integrated by individual neurons in an ensemble through the measurement of “integrated information.” We propose a computational model that considers bidirectional communication between astrocytes and neurons through glutamate-induced calcium signaling. Our model highlights the role of astrocytes in information processing through dynamical coordination. Our findings suggest that the astrocytic feedback promotes synergetic influences in the neural communication, which is maximized when there is a balance between excess correlation and spontaneous spiking activity. The results were further linked with additional measures such as net synergy and mutual information. This result reinforces the idea that astrocytes have integrative properties in communication among neurons

Modelling working memory in neuron-astrocyte network

Working memory is one of the most intriguing brain function phenomena that enables storage and recognition of several information patterns simultaneously in the form of coherent activations of specific brain circuitries. These patterns can be recalled and, if physiologically (cognitively) significant, further transferred to long term storages by cortical circuits. In the paper, we show how the working memory can be effectively organized by a multiscale network model composed of spiking neurons accompanied by an astrocytic network. The latter serves as the temporal storage of information patterns that can be manipulated (relearned, retrieved, transferred) during astrocytic calcium activation. In turn, the activation of the astrocyte network is possible when coherent firing occurs in corresponding sites of the neuronal layer. We study the role of interplay of the astrocyte-induced modulation of signal transmission in neural network and the Hebbian synaptic plasticity in the working memory organization. We show that modulation of synaptic communication caused by astrocytes does not exclude but rather complements Hebbian synaptic plasticity, and they can perfectly work in parallel. We believe this model is a significant step towards confirming the importance of non-neuron species (e.g. astrocytes) in the formation and sustainability of cognitive functions of the brain

Network markers of DNA methylation in neurodegenerative diseases

One of the ways to reveal underlying complexity in high-dimensional data is a parenclitic network approach. Analysis of DNA methylation requires an understanding of interrelations between different genes that can be achieved through reconstructing unknown connectivity. In this paper, we identify network patterns that occur in DNA methylation of Down syndrome patients associated with aging and disease processes

Short-term memory in neuron-astrocyte network

In this paper, we study the role of astrocyte-induced modulation of signal transmission in network of synaptically coupled spiking neurons in the mechanisms of the short-term memory formation. We show, that due to the local spatial synchronization of signaling in the neural network induced by the astrocyte during the duration of the Ca 2+ signal, the proposed neuron-astrocyte network can operate as a temporal Hopfield network

Low energy (p,γp,\gamma) reactions in Ni and Cu nuclei using microscopic optical model

Radiative capture reactions for low energy protons have been theoretically studied for Ni and Cu isotopes using the microscopic optical model. The optical potential has been obtained in the folding model using different microscopic interactions with the nuclear densities from Relativistic Mean Field calculations. The calculated total cross sections as well as the cross sections for individually low lying levels have been compared with measurements involving stable nuclear targets. Rates for the rapid proton capture process have been evaluated for astrophysically important reactions.Comment: To appear in Physical Review

Age-related trajectories of DNA methylation network markers: a parenclitic network approach to a family-based cohort of patients with Down Syndrome

Despite the fact that the cause of Down Syndrome (DS) is well established, the underlying molecular mechanisms that contribute to the syndrome and the phenotype of accelerated aging remain largely unknown. DNA methylation profiles are largely altered in DS, but it remains unclear how different methylation regions and probes are structured into a network of interactions. We develop and generalize the Parenclitic Networks approach that enables finding correlations between distant CpG probes (which are not pronounced as stand-alone biomarkers) and quantifies hidden network changes in DNA methylation. DS and a familybased cohort (including healthy siblings and mothers of persons with DS) are used as a case study. Following this approach, we constructed parenclitic networks and obtained different signatures that indicate (i) differences between individuals with DS and healthy individuals; (ii) differences between young and old healthy individuals; (iii) differences between DS individuals and their age-matched siblings, and (iv) difference between DS and the adult population (their mothers). The Gene Ontology analysis showed that the CpG network approach is more powerful than the single CpG approach in identifying biological processes related to DS phenotype. This includes the processes occurring in the central nervous system, skeletal muscles, disorders in carbohydrate metabolism, cardiopathology, and oncogenes. Our open-source software implementation is accessible to all researchers. The software includes a complete workflow, which can be used to construct Parenclitic Networks with any machine learning algorithm as a kernel to build edges. We anticipate a broad applicability of the approach to other diseases

A Riemann hypothesis analogue for invariant rings

AbstractA Riemann hypothesis analogue for coding theory was introduced by I.M. Duursma [A Riemann hypothesis analogue for self-dual codes, in: A. Barg, S. Litsyn (Eds.), Codes and Association Schemes (Piscataway, NJ, 1999), American Mathematical Society, Providence, RI, 2001, pp. 115–124]. In this paper, we extend zeta polynomials for linear codes to ones for invariant rings, and we investigate whether a Riemann hypothesis analogue holds for some concrete invariant rings. Also we shall show that there is some subring of an invariant ring such that the subring is not an invariant ring but extremal polynomials all satisfy the Riemann hypothesis analogue

Критерії створення багаторівневої системи діагностування, управління та захисту електрообладнання

Надійність роботи силового електрообладнання (ЕО) промислових підприємств, сільського господарства і медичних установ в значній мірі залежить від режимів роботи і якості електроенергії мережі живлення. Існуючі способи захисту ЕО, наприклад, рентгенівського комп’ютерного томографа, діють вибірково і їхні дії спрямовані на виявлення і захист електрообладнання від певного виду дефекту. У даній роботі розглянуто критерій створення єдиної системи управління, діагностики та захисту, яким є «ЕО + мережа живлення», як єдиного комплексу для управління режимами включення ЕО. Повний обсяг системи складається з п’яти рівнів видів захистів. Використання кількості рівнів визначається видом ЕО і величиною можливої шкоди. Перший рівень захисту – це діагностика стану мережі – початковий і подальший безперервний моніторинг рівня лінійних напруг і швидкості зміни фронту першої гармонійної складової напруги живлення. Другий рівень – це діагностика причин обриву струмоведучих ліній. Третій рівень захисту – це температурний захист ЕО і діагностика причин виникнення теплових перевантажень. Третій рівень – безперервний моніторинг температурних показників ЕО. Четвертий рівень – безперервний моніторинг температурних показників болтових з’єднань. П’ятий рівень – контроль величини опору ізоляції та діагностика причин її зниження; захист ізоляції від зволоження; продовження терміну її експлуатації та забезпечення надійності та безаварійної роботи Е

Microscopic calculation of proton capture reactions in mass 60-80 region and its astrophysical implications

Microscopic optical potentials obtained by folding the DDM3Y interaction with the densities from Relativistic Mean Field approach have been utilized to evaluate S-factors of low-energy $(p,\gamma)$ reactions in mass 60-80 region and to compare with experiments. The Lagrangian density FSU Gold has been employed. Astrophysical rates for important proton capture reactions have been calculated to study the behaviour of rapid proton nucleosynthesis for waiting point nuclei with mass less than A=80

ІНФОРМАЦІЙНА СИСТЕМА (ІС) ДЛЯ ОТРИМАННЯ ТА ОБРОБЛЕННЯ МІКРОСКОПІЧНИХ ЗОБРАЖЕНЬ ЦИРКУЛЮЮЧИХ ПУХЛИННИХ КЛІТИН (ЦПК)

The article presents the structure and implementation of an information system for obtaining and processing microscopic images of the CPC. It is determined that identification of CPC is a complex task, which is practically inaccessible to clinical doctors due to the absence of relevant medical protocols and technological standards for the detection of CPC. The methods of isolation of the CPC are given, and the seven: the technology of separation by morphological features, the method of dividing by density gradient, using centrifugation and subsequent allocation by the OncoQuick technology of the CPC, immune-magnetic methods in which tumor cells interact with antibodies against the markers of CPP with conjugated magnetic particles, after which the cancer cells can be obtained by means of a magnetic field, and their disadvantages. The information system for obtaining and analyzing microscopic images of the CPK, which consists of 4 subsystems: venous blood filtration is developed. Receiving and preprocessing images of the CPC; the formation of images of the CPC and the "intellectual" image processing of the CPC, which, together with the patient's venous blood filtration subsystem, is the basic structural element of information technology for the determination of circulating tumor cells in human blood. The peculiarity of the developed system is the introduction into its structure of the subsystem of "intellectual" image processing of the CPC, which serves as a subsystem of maintaining decision-making and provides almost 100% conformity of the diagnosis to the actual situation, eliminating ambiguity in its interpretation. The problem solving was found, namely, the application of the information system proposed by the authors for the receipt and processing of microscopic images of the MIC for early diagnosis of oncology diseases.В статье приведена структура и реализацию информационной системы для получения и обработки микроскопических изображений ЦОК. Определено, что идентификация ЦОК является сложной задачей, которая практически недоступна клиническим врачам за причины отсутствия соответствующих медицинских протоколов и технологических стандартов выявления ЦОК. Приведены методы выделения ЦОК, а семе: технологии разделения по морфологическим признакам, метод разделения по градиенту плотности с использованием центрифугирования и последующего выделения технологии OncoQuick ЦОК, имуномагнитные методы, в которых опухолевые клетки взаимодействуют с антителами против маркеров ЦОК с конъюгированными магнитными частицами, после чего раковые клетки можно получить с помощью магнитного поля, и их недостатки. Разработана информационная система для получения и анализа микроскопических изображений ЦОК, состоит из 4-х подсистем: фильтрации венозной крови получения и предварительной обработки изображений ЦОК; формирования изображений ЦОК и «интеллектуальной» обработки изображений ЦОК, вместе с подсистемой фильтрации венозной крови пациента представляет собой базовый структурный элемент информационной технологии для определения циркулирующих опухолевых клеток в крови человека. Особенностью разработанной системы является введение в ее структуру подсистемы «интеллектуальной» обработки изображений ЦОК, выполняет функции подсистемы поддержания принятия решений и обеспечивает практически 100% соответствие поставленного диагноза реальной ситуации, исключив неоднозначность в его интерпретации. Найдено решение проблемы, а именно применение предложенной авторами информационной системы для получения и обработки микроскопических изображений ЦОК для ранней диагностики онкологических заболеваний.У статті наведено структуру та реалізацію інформаційної системи для отримання та оброблення мікроскопічних зображень ЦПК. Визначено, що ідентифікація ЦПК є складною задачею, яка практично недоступна клінічним лікарям за причини відсутності відповідних медичних протоколів і технологічних стандартів виявлення ЦПК. Наведено методи виділення ЦПК, а семе: технології поділу за морфологічними ознаками, метод поділу за градієнтом щільності, з використанням центрифугування і подальшого виділення технологією OncoQuick ЦПК, імуномагнітні методи, в яких пухлинні клітини взаємодіють з антитілами проти маркерів ЦПК з кон'югованими магнітними частинками, після чого ракові клітини можна отримати за допомогою магнітного поля, та їх недоліки. Розроблено інформаційну систему для отримання та аналізу мікроскопічних зображень ЦПК, яка складається з 4-х підсистем: фільтрації венозної крові; отримання і попередньої обробки зображень ЦПК; формування зображень ЦПК та «інтелектуальної» обробки зображень ЦПК, яка разом з підсистемою фільтрації венозної крові пацієнта представляє собою базовий структурний елемент інформаційної технології для визначення циркулюючих пухлинних клітин в крові людини. Особливістю розробленої системи є введення до її структури підсистеми «інтелектуальної» обробки зображень ЦПК, яка виконує функції підсистеми підтримання прийняття рішень і забезпечує практично 100% відповідність поставленого діагнозу реальній ситуації, виключивши неоднозначність в його інтерпретації. Знайдено вирішення проблеми, а саме застосування запропонованої авторами інформаційної системи для отримання та оброблення мікроскопічних зображень ЦПК для ранньої діагностики онкологічних захворювань