Approximate aggregation of nonlinear dynamical systems

Esta tesis pertenece al campo de la biología matemática. Los resultados matemáticos extienden resultados previos en relación a la agregación aproximada de sistemas con dos escalas de tiempo. En la Naturaleza, muchos fenómenos resultan de la concurrencia de distintos procesos que pueden desarrollarse, o no, en diferentes escalas de tiempo. Consideramos sistemas que combinan dos procesos que evolucionan en escalas de tiempo diferentes, a los que llamaremos proceso rápido y proceso lento. Estos sistemas proporcionan modelos de la realidad muy detallados pero, en general, mucho más complicados de estudiar que aquellos modelos que incluyen un único proceso. Bajo ciertas condiciones es posible aprovechar la diferencia de escalas de tiempo para construir un sistema (llamado agregado) de menor dimensión que el sistema original. Las técnicas de agregación aproximada establecen bajo qué condiciones tiene sentido construir el sistema agregado y, en ese caso, qué información asintótica de la dinámica del sistema original es posible obtener a través del estudio del sistema agregado. El objetivo de esta tesis es extender las técnicas de agregación aproximada disponibles para sistemas no lineales con dos escalas de tiempo, tanto discretos como de ecuaciones diferenciales ordinarias no autónomas. Aplicamos estos resultados al estudio de modelos poblacionales con dos escales de tiempo. Supondremos, sin pérdida de generalidad, que el vector de variables de estado X representa los individuos de una población estructurada. El capítulo 1 trata los sistemas discretos no lineales con dos escalas de tiempo. Los resultados más generales disponibles para la agregación aproximada de este tipo de sistemas se verifican bajo condiciones que, en la práctica, son difíciles de comprobar, lo que limita su aplicabilidad. Hasta donde sabemos, en el estudio de modelos concretos, el proceso lento puede ser representado por una función general de clase 1, mientras que el proceso rápido es descrito por una matriz (constante) estocástica regular. En nuestros resultados presentamos clases de funciones, más generales que las representadas por matrices estocásticas regulares, adecuadas para describir el proceso rápido y que, en particular, pueden incluir términos no lineales. En primer lugar suponemos que el proceso rápido preserva el número total de individuos z=[[X]]. Dicha dinámica está representada por una matriz estocástica regular tal que sus entradas son función de clase 1 de la variable z que, a su vez, es función de las variables de estado. Esta hipótesis significa que la evolución de la población bajo la acción del proceso rápido depende del tamaño total de la población en ese momento. Se demuestra entonces que el correspondiente sistema con dos escalas de tiempo es susceptible de ser estudiado con las técnicas de agregación antes mencionadas. Con estos resultados para estudiar distintos modelos poblacionales que combinan un proceso demográfico y otro migratorio que discurren conforme a escalas de tiempo diferentes. Dichos modelos son analizados intercambiando el papel del proceso rápido y del lento. De entre los resultados obtenidos a partir del estudio del sistema agregado, cabe destacar nuevas interpretaciones de modelos poblacionales clásicos o situaciones en las que se produce el efecto Allé. A continuación tratamos sistemas discretos en los que las variables de estado están parcialmente acopladas bajo la acción de la dinámica rápida. Es decir; bajo la acción del proceso rápido, la evolución de una parte de la población depende del estado de la otra parte de la población. Esta idea es plasmada como sigue. Supongamos que la población está dividida en dos grupos. La evolución de los individuos de cada grupo está descrita por una matriz estocástica regular positiva, de modo que las entradas de la matriz que controla el segundo grupo de variables son función (de clase 2) del primer grupo de varibles. Se demuestra que el correspondiente sistema con dos escalas de tiempo verifica las hipótesis necesarias para poder ser analizado con las técnicas de agregación aproximada. Aplicamos estos resultados a una comunidad con hospedadores y parasitoides en un hábitat fragmentado. Consideramos que los desplazamientos de individuos entre las distintas regiones suceden con mayor frecuencia que las interacciones entre hospedadores y parasitoides a nivel local. Suponemos, además, que los hospedadores se mueven de forma aleatoria, mientras que los parasitoides tienen preferencia por aquellas zonas con mayor densidad de hospedadores. Usando las técnicas de agregación aproximada se demuestra que el sistema completo puede exhibir equilibrios asintóticamente estables cuando, en ausencia de desplazamientos, tales equilibrios no existen. En el capítulo 2 se estudia la agregación aproximada de sistemas no autónomos de ecuaciones diferenciales ordinarias con dos escalas de tiempo. La herramienta fundamental es un teorema debido a F.C. Hoppensteadt y relativo a perturbaciones singulares de sistemas con dos escalas de tiempo en intervalos no acotados. Este teorema establece condiciones que permiten estudiar ciertas propiedades dinámicas de sistemas no autónomos con dos escalas de tiempo a partir de dos problemas asociados más sencillos que el original. Este teorema requiere de una serie de hipótesis restrictivas y complicadas de verificar. Las hipótesis se refieren a la regularidad de las funciones involucradas en el sistema y a la estabilidad de las soluciones de los sistemas asociados. A grandes rasgos, probamos que las condiciones de regularidad se cumplen tanto para sistemas periódicos como para sistemas asintóticamente autónomos. Y, lo que es más importante, demostramos que en esos casos las condiciones sobre la estabilidad de las soluciones de los sistemas auxiliares pueden ser enunciadas en términos de ciertos sistemas variacionales. Esto simplifica enormemente el estudio del sistema completo a través de dichos sistemas asociados. Aplicamos estos resultados al estudio de distintos modelos de poblaciones. Consideramos sistemas periódicos que describen poblaciones espacialmente distribuidas en un hábitat heterogéneo. Supongamos que los desplazamientos de individuos entre las distintas zonas que componen el hábitat son más rápidos que las interacciones entre individuos en cada una de esas zonas. En una primera aplicación estudiamos un sistema depredador-presa de tipo Lotka-Volterra con refugio para las presas e interferencia entre los predadores. Rasgo este último que resulta especialmente relevante para adecuar modelos a conjuntos de datos reales. Obtenemos condiciones que garantizan la coexistencia o la exclusión de los depredadores en términos de ciertos parámetros ''vitales'' derivados del estudio del modelo agregado. En una segunda aplicación consideramos una población afectada por una epidemia con múltiples cepas. A partir del sistema agregado obtenemos números reproductivos y números reproductivos de invasión para el sistema no autónomo espacialmente distribuido. Dichas cantidades son coherentes con la definición habitual para modelos no espaciales. Al comparar esos números reproductivos con los obtenidos en el caso no espacialmente distribuido, se pone de manifiesto que determinadas tasas de desplazamiento en la escala rápida implican que la epidemia es erradicada (resp. persistente) en situaciones en las que, en ausencia de desplazamientos, el modelo predice lo contrario. Finalmente, estudiamos un modelo eco-epidemiológico asintóticamente autónomo. El proceso lento corresponde a un modelo depredador presa de tipo Lotka-Volterra. Los depredadores están afectados por una epidemia que sigue la ley de transmisión dependiente de la frecuencia. Aunque la epidemia no es mortal de necesidad, aumenta la mortalidad de los depredadores infectados. Se demuestra que el tamaño de la población de depredadores (resp. presas) es mayor (resp. menor) cuando la epidemia es erradicada que cuando se vuelve endémica. En este último caso, los tamaños poblacionales dependen de los valores de los parámetros que describen el proceso epidemiológico. Por tanto, la introducción de una epidemia en este tipo de comunidades se postula como un mecanismo para controlar los tamaños poblacionales

Approximate aggregation of nonlinear dynamical systems

Esta tesis pertenece al campo de la biología matemática. Los resultados matemáticos extienden resultados previos en relación a la agregación aproximada de sistemas con dos escalas de tiempo. En la Naturaleza, muchos fenómenos resultan de la concurrencia de distintos procesos que pueden desarrollarse, o no, en diferentes escalas de tiempo. Consideramos sistemas que combinan dos procesos que evolucionan en escalas de tiempo diferentes, a los que llamaremos proceso rápido y proceso lento. Estos sistemas proporcionan modelos de la realidad muy detallados pero, en general, mucho más complicados de estudiar que aquellos modelos que incluyen un único proceso. Bajo ciertas condiciones es posible aprovechar la diferencia de escalas de tiempo para construir un sistema (llamado agregado) de menor dimensión que el sistema original. Las técnicas de agregación aproximada establecen bajo qué condiciones tiene sentido construir el sistema agregado y, en ese caso, qué información asintótica de la dinámica del sistema original es posible obtener a través del estudio del sistema agregado. El objetivo de esta tesis es extender las técnicas de agregación aproximada disponibles para sistemas no lineales con dos escalas de tiempo, tanto discretos como de ecuaciones diferenciales ordinarias no autónomas. Aplicamos estos resultados al estudio de modelos poblacionales con dos escales de tiempo. Supondremos, sin pérdida de generalidad, que el vector de variables de estado X representa los individuos de una población estructurada. El capítulo 1 trata los sistemas discretos no lineales con dos escalas de tiempo. Los resultados más generales disponibles para la agregación aproximada de este tipo de sistemas se verifican bajo condiciones que, en la práctica, son difíciles de comprobar, lo que limita su aplicabilidad. Hasta donde sabemos, en el estudio de modelos concretos, el proceso lento puede ser representado por una función general de clase 1, mientras que el proceso rápido es descrito por una matriz (constante) estocástica regular. En nuestros resultados presentamos clases de funciones, más generales que las representadas por matrices estocásticas regulares, adecuadas para describir el proceso rápido y que, en particular, pueden incluir términos no lineales. En primer lugar suponemos que el proceso rápido preserva el número total de individuos z=[[X]]. Dicha dinámica está representada por una matriz estocástica regular tal que sus entradas son función de clase 1 de la variable z que, a su vez, es función de las variables de estado. Esta hipótesis significa que la evolución de la población bajo la acción del proceso rápido depende del tamaño total de la población en ese momento. Se demuestra entonces que el correspondiente sistema con dos escalas de tiempo es susceptible de ser estudiado con las técnicas de agregación antes mencionadas. Con estos resultados para estudiar distintos modelos poblacionales que combinan un proceso demográfico y otro migratorio que discurren conforme a escalas de tiempo diferentes. Dichos modelos son analizados intercambiando el papel del proceso rápido y del lento. De entre los resultados obtenidos a partir del estudio del sistema agregado, cabe destacar nuevas interpretaciones de modelos poblacionales clásicos o situaciones en las que se produce el efecto Allé. A continuación tratamos sistemas discretos en los que las variables de estado están parcialmente acopladas bajo la acción de la dinámica rápida. Es decir; bajo la acción del proceso rápido, la evolución de una parte de la población depende del estado de la otra parte de la población. Esta idea es plasmada como sigue. Supongamos que la población está dividida en dos grupos. La evolución de los individuos de cada grupo está descrita por una matriz estocástica regular positiva, de modo que las entradas de la matriz que controla el segundo grupo de variables son función (de clase 2) del primer grupo de varibles. Se demuestra que el correspondiente sistema con dos escalas de tiempo verifica las hipótesis necesarias para poder ser analizado con las técnicas de agregación aproximada. Aplicamos estos resultados a una comunidad con hospedadores y parasitoides en un hábitat fragmentado. Consideramos que los desplazamientos de individuos entre las distintas regiones suceden con mayor frecuencia que las interacciones entre hospedadores y parasitoides a nivel local. Suponemos, además, que los hospedadores se mueven de forma aleatoria, mientras que los parasitoides tienen preferencia por aquellas zonas con mayor densidad de hospedadores. Usando las técnicas de agregación aproximada se demuestra que el sistema completo puede exhibir equilibrios asintóticamente estables cuando, en ausencia de desplazamientos, tales equilibrios no existen. En el capítulo 2 se estudia la agregación aproximada de sistemas no autónomos de ecuaciones diferenciales ordinarias con dos escalas de tiempo. La herramienta fundamental es un teorema debido a F.C. Hoppensteadt y relativo a perturbaciones singulares de sistemas con dos escalas de tiempo en intervalos no acotados. Este teorema establece condiciones que permiten estudiar ciertas propiedades dinámicas de sistemas no autónomos con dos escalas de tiempo a partir de dos problemas asociados más sencillos que el original. Este teorema requiere de una serie de hipótesis restrictivas y complicadas de verificar. Las hipótesis se refieren a la regularidad de las funciones involucradas en el sistema y a la estabilidad de las soluciones de los sistemas asociados. A grandes rasgos, probamos que las condiciones de regularidad se cumplen tanto para sistemas periódicos como para sistemas asintóticamente autónomos. Y, lo que es más importante, demostramos que en esos casos las condiciones sobre la estabilidad de las soluciones de los sistemas auxiliares pueden ser enunciadas en términos de ciertos sistemas variacionales. Esto simplifica enormemente el estudio del sistema completo a través de dichos sistemas asociados. Aplicamos estos resultados al estudio de distintos modelos de poblaciones. Consideramos sistemas periódicos que describen poblaciones espacialmente distribuidas en un hábitat heterogéneo. Supongamos que los desplazamientos de individuos entre las distintas zonas que componen el hábitat son más rápidos que las interacciones entre individuos en cada una de esas zonas. En una primera aplicación estudiamos un sistema depredador-presa de tipo Lotka-Volterra con refugio para las presas e interferencia entre los predadores. Rasgo este último que resulta especialmente relevante para adecuar modelos a conjuntos de datos reales. Obtenemos condiciones que garantizan la coexistencia o la exclusión de los depredadores en términos de ciertos parámetros ''vitales'' derivados del estudio del modelo agregado. En una segunda aplicación consideramos una población afectada por una epidemia con múltiples cepas. A partir del sistema agregado obtenemos números reproductivos y números reproductivos de invasión para el sistema no autónomo espacialmente distribuido. Dichas cantidades son coherentes con la definición habitual para modelos no espaciales. Al comparar esos números reproductivos con los obtenidos en el caso no espacialmente distribuido, se pone de manifiesto que determinadas tasas de desplazamiento en la escala rápida implican que la epidemia es erradicada (resp. persistente) en situaciones en las que, en ausencia de desplazamientos, el modelo predice lo contrario. Finalmente, estudiamos un modelo eco-epidemiológico asintóticamente autónomo. El proceso lento corresponde a un modelo depredador presa de tipo Lotka-Volterra. Los depredadores están afectados por una epidemia que sigue la ley de transmisión dependiente de la frecuencia. Aunque la epidemia no es mortal de necesidad, aumenta la mortalidad de los depredadores infectados. Se demuestra que el tamaño de la población de depredadores (resp. presas) es mayor (resp. menor) cuando la epidemia es erradicada que cuando se vuelve endémica. En este último caso, los tamaños poblacionales dependen de los valores de los parámetros que describen el proceso epidemiológico. Por tanto, la introducción de una epidemia en este tipo de comunidades se postula como un mecanismo para controlar los tamaños poblacionales

A minimal model coupling communicable and non-communicable diseases

This work presents a model combining the simplest communicable and non-communicable disease models. The latter is, by far, the leading cause of sickness and death in the World, and introduces basal heterogeneity in populations where communicable diseases evolve. The model can be interpreted as a risk-structured model, another way of accounting for population heterogeneity. Our results show that considering the non-communicable disease (in the end, a dynamic heterogeneous population) allows the communicable disease to become endemic even if the basic reproduction number is less than 1. This feature is known as subcritical bifurcation. Furthermore, ignoring the non-communicable disease dynamics results in overestimating the basic reproduction number and, thus, giving wrong information about the actual number of infected individuals. We calculate sensitivity indices and derive interesting epidemic-control information.Agencia Estatal de InvestigaciónMinisterio de Economía y Competitivida

Role of hyperpolarization activated currents in the resonance behavior of superficial dorsal horn neurons

FENS Forum 2022, International Neuroscience Conference, 9-13 julio 2022, Paríis, France, , 09/07/2022-13/07/2022, París, FranciaThe spinal dorsal horn receives and integrates a wide variety of somatosensory inputs. The excitability of dorsal horn neurons and their responses to synaptic inputs are controlled by their specific arrays of ionic conductances. Rhythmic activity is essential for nervous system function. The ability of individual neurons to integrate and encode information from inputs in defined frequency bands depends on their intrinsic resonant properties1 . Resonance behavior and oscillatory activity may enable a selective communication between specific subset of neurons contributing to the integration2 . Here we examine the subthreshold resonance in superficial dorsal horn neurons (sDHN) and its relation to hyperpolarization activated currents (IH ).Universidad de Alcal

Modelling tree growth in monospecific forests from forest inventory data

The prediction of tree growth is key to further understand the carbon sink role of forests and the short-term forest capacity on climate change mitigation. In this work, we used large-scale data available from three consecutive forest inventories in a Euro-Mediterranean region and the Bertalanffy?Chapman?Richards equation to model up to a decade?s tree size variation in monospecific forests in the growing stages. We showed that a tree-level fitting with ordinary differential equations can be used to forecast tree diameter growth across time and space as function of environmental characteristics and initial size. This modelling approximation was applied at different aggregation levels to monospecific regions with forest inventories to predict trends in aboveground tree biomass stocks. Furthermore, we showed that this model accurately forecasts tree growth temporal dynamics as a function of size and environmental conditions. Further research to provide longer term prediction forest stock dynamics in a wide variety of forests should model regeneration and mortality processes and biotic interactions

Claudin-3 Loss of Expression Is a Prognostic Marker in Castration-Resistant Prostate Cancer

Castration-resistant prostate cancer (CRPC) development is the foremost concern after treatment of patients with high risk with locally advanced or metastatic prostate cancer. Androgen receptor (AR) is the main driver of CRPC development, through its interaction with epigenetic modifier genes, placing epigenetics modifications in the forefront of CRPC development. Comparing the DNA methylation and expression profile of androgen-sensitive and -refractory prostate cancer cells, we describe the epigenetic silencing of claudin-3 (CLDN3) in AR positive cells resistant to androgen deprivation (LNCaP-abl). CLDN3 silencing was associated with DNA methylation, loss of histone acetylation and H3K27 methylation, and was re-expressed by the combined treatment with the epigenetic modulators Aza and SAHA. From a functional point of view, CLDN3 loss was associated with increased cellular invasion. Immunohistochemical analysis showed decreased CLDN3 expression in samples from CRPC patients. Interestingly, CLDN3 expression was significantly decreased in samples from patients with high total Gleason score (>= 8) and locally advanced tumors. Finally, CLDN3 loss of expression was associated with worse disease-free survival and time to clinical progression. In conclusion, our findings strongly indicate that epigenetic silencing of CLDN3 is a common event in CRPC that could be useful as a molecular marker for the prognosis of prostate cancer patients and to discriminate aggressive from indolent prostate tumors

Realizar encuestas docentes es fácil si usted sabe cómo

En el contexto del Espacio Europeo de Educación Superior, con un proceso de enseñanza-aprendizaje centrado en el alumno, es indispensable disponer de herramientas sencillas, flexibles y eficaces para recoger información que permita evaluar la calidad del proceso, tanto externa como internamente. En general, la principal herramienta para la evaluación de la práctica docente es la encuesta docente, que las universidades realizan de manera habitual cuando el periodo de docencia de la asignatura está próximo a finalizar. Esta herramienta ofrece al profesor algunos datos, más o menos valiosos, sobre la opinión de sus alumnos por lo que puede utilizarse también para la evaluación interna. Sin embargo, presenta algunas carencias para la consecución de este objetivo. Por un lado, el que estas encuestas se realicen al final del periodo de docencia impide aprovechar sus resultados en ese mismo periodo. Además, está diseñada principalmente para la evaluación externa y no admite modificaciones, por lo que no siempre aporta toda la información deseada. Este trabajo muestra y compara la utilidad de diversas herramientas con las que el profesor puede realizar encuestas dentro de la evaluación interna del proceso de enseñanza-aprendizaje y en cualquier momento del mismo. Una herramienta ideal debería permitir que las encuestas fueran fáciles de elaborar, responder e interpretar. Desde esta premisa, se proporciona una comparación entre tres recursos para la realización de encuestas docentes; dos de ellos basados en plataformas de aprendizaje electrónico (Blackboard Learning System y Moodle) y un tercero en la herramienta Google Docs, accesible a cualquier usuario de Internet. Esta comparación permite deducir, o así lo esperamos, cuál de ellas resulta más apropiada, según las necesidades e intenciones del profesorado.SIN FINANCIACIÓNNo data 200

Modeling interference on interference competition models

XXV Mathematical Modelling in Engineering & Human Behaviour 2023 Conference, 11/07/2023-14/07/2023, Valencia, España.Paradoxically, prior interference competition models did not account for the effect of both intra- and inter-species interference. We do so by adapting the works of Beddington and DeAngelis on predator-prey models to the classical Gause interference competition model. The established theory estates that global species coexistence (i.e., regardless of the initial amount of individuals) is only possible, roughly, when the ratio of the inter-species effects over the intra-species effects is less than 1. This feature was intended to support the Gause's Competitive Exclusion Principle (two species competing for the same resource can not -hardly- coexist) and the Coexistence Paradox (this hypothesis is at odds with Nature). We have found that taking into account intra-species interference in competition allows competing species to global coexistence even if the above mentioned ratio is larger than 1. This feature was not allowed in previous works on interference competition that introduced herd-type behavior, the time spent in competition or group defense. We have also found multi-stability scenarios not allowed by the classical model [8] but found in the above mentioned references which, in turn, here are feasible in a wider range of the parameters space due exclusively to intra-species interference when competing heterospecifics. Therefore, accounting for interference contributes to unveil the Paradox of coexistence.Universidad de Alcal