A cloud-based enhanced differential evolution algorithm for parameter estimation problems in computational systems biology

This is a post-peer-review, pre-copyedit version of an article published in Cluster Computing. The final authenticated version is available online at: https://doi.org/10.1007/s10586-017-0860-1[Abstract] Metaheuristics are gaining increasing recognition in many research areas, computational systems biology among them. Recent advances in metaheuristics can be helpful in locating the vicinity of the global solution in reasonable computation times, with Differential Evolution (DE) being one of the most popular methods. However, for most realistic applications, DE still requires excessive computation times. With the advent of Cloud Computing effortless access to large number of distributed resources has become more feasible, and new distributed frameworks, like Spark, have been developed to deal with large scale computations on commodity clusters and cloud resources. In this paper we propose a parallel implementation of an enhanced DE using Spark. The proposal drastically reduces the execution time, by means of including a selected local search and exploiting the available distributed resources. The performance of the proposal has been thoroughly assessed using challenging parameter estimation problems from the domain of computational systems biology. Two different platforms have been used for the evaluation, a local cluster and the Microsoft Azure public cloud. Additionally, it has been also compared with other parallel approaches, another cloud-based solution (a MapReduce implementation) and a traditional HPC solution (a MPI implementation)Ministerio de Economía y Competitividad; DPI2014-55276-C5-2-RMinisterio de Economía y Competitividad; TIN2013-42148-PMinisterio de Economía y Competitividad; TIN2016-75845-PXunta de Galicia ; R2016/045Xunta de Galicia; GRC2013/05

The Impact of Acute Psychosocial Stress on Magnetoencephalographic Correlates of Emotional Attention and Exogenous Visual Attention

Stress-induced acute activation of the cerebral catecholaminergic systems has often been found in rodents. However, little is known regarding the consequences of this activation on higher cognitive functions in humans. Theoretical inferences would suggest increased distractibility in the sense of increased exogenous attention and emotional attention. The present study investigated the influence of acute stress responses on magnetoencephalographic (MEG) correlates of visual attention. Healthy male subjects were presented emotional and neutral pictures in three subsequent MEG recording sessions after being exposed to a TSST-like social stressor, intended to trigger a HPA-response. The subjects anticipation of another follow-up stressor was designed to sustain the short-lived central catecholaminergic stress reactions throughout the ongoing MEG recordings. The heart rate indicates a stable level of anticipatory stress during this time span, subsequent cortisol concentrations and self-report measures of stress were increased. With regard to the MEG correlates of attentional functions, we found that the N1m amplitude remained constantly elevated during stressor anticipation. The magnetic early posterior negativity (EPNm) was present but, surprisingly, was not at all modulated during stressor anticipation. This suggests that a general increase of the influence of exogenous attention but no specific effect regarding emotional attention in this time interval. Regarding the time course of the effects, an influence of the HPA on these MEG correlates of attention seems less likely. An influence of cerebral catecholaminergic systems is plausible, but not definite

Reward associations magnify memory-based biases on perception.

Long-term spatial contextual memories are a rich source of predictions about the likely locations of relevant objects in the environment and should enable tuning of neural processing of unfolding events to optimize perception and action. Of particular importance is whether and how the reward outcome of past events can impact perception. We combined behavioral measures with recordings of brain activity with high temporal resolution to test whether the previous reward outcome associated with a memory could modulate the impact of memory-based biases on perception, and if so, the level(s) at which visual neural processing is biased by reward-associated memory-guided attention. Data showed that past rewards potentiate the effects of spatial memories upon the discrimination of target objects embedded within complex scenes starting from early perceptual stages. We show that a single reward outcome of learning impacts on how we perceive events in our complex environments

Long-term memories bias sensitivity and target selection in complex scenes.

In everyday situations, we often rely on our memories to find what we are looking for in our cluttered environment. Recently, we developed a new experimental paradigm to investigate how long-term memory (LTM) can guide attention and showed how the pre-exposure to a complex scene in which a target location had been learned facilitated the detection of the transient appearance of the target at the remembered location [Summerfield, J. J., Rao, A., Garside, N., and Nobre, A. C. Biasing perception by spatial long-term memory. The Journal of Neuroscience, 31, 14952-14960, 2011; Summerfield, J. J., Lepsien, J., Gitelman, D. R., Mesulam, M. M., and Nobre, A. C. Orienting attention based on long-term memory experience. Neuron, 49, 905-916, 2006]. This study extends these findings by investigating whether and how LTM can enhance perceptual sensitivity to identify targets occurring within their complex scene context. Behavioral measures showed superior perceptual sensitivity (d') for targets located in remembered spatial contexts. We used the N2pc ERP to test whether LTM modulated the process of selecting the target from its scene context. Surprisingly, in contrast to effects of visual spatial cues or implicit contextual cueing, LTM for target locations significantly attenuated the N2pc potential. We propose that the mechanism by which these explicitly available LTMs facilitate perceptual identification of targets may differ from mechanisms triggered by other types of top-down sources of information

Hördiagnostik nach Behandlung mit Gentamycin/Vancomycin bei Neugeboreneninfektion

Hintergrund: In Absprache mit der Kinder- und Jugendmedizin werden seit September 2011 Säuglinge nach einer Behandlung mit Aminoglykosid/Glycopeptid-Antibiotika in der Neugeborenenperiode 6 Wochen posttherapeutisch mittels Ohrmikroskopie, DPOAE-, AABR-, und Impedanzmessung nachuntersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit war eine Evaluation der erhobenen Daten im Hinblick auf die Häufigkeit ototoxischer Reaktionen bei Kindern mit und ohne zusätzliche Risikofaktoren für die Entwicklung einer Hörstörung.Material und Methoden: Von 09/2011 bis 04/2013 wurden insgesamt 135 Patienten untersucht. Die Datenerhebung umfasste den Geburtszeitpunkt, die Behandlungsdauer, den Gentamycin-/Vancomycin-Talspiegel, das Ergebnis des primären Neugeborenen Hörscreenings und das Ergebnis der Hördiagnostik nach 6 Wochen. Des Weiteren wurden zusätzliche Risikofaktoren für die Entwicklung einer Hörstörung erfasst. Ein vollständiger Datensatz lag bei 97 Patienten vor.Ergebnisse: Von den 97 Neugeborenen bestand bei 9 eine extreme Frühgeburtlichkeit (<32.SSW), bei 23 eine Frühgeburtlichkeit (<37.SSW), 65 Säuglinge waren reifgeboren. 64 wiesen zusätzliche Risikofaktoren auf, bei 33 lag als Risikofaktor ausschließlich eine Antibiotikatherapie vor.Die Behandlungsdauer betrug 1-10 Tage, der Gentamycin/Vancomycin-Talspiegel lag zwischen 0,5 und 3,5 µg/ml bzw. 1,6 und 6,1 mg/l. Nur 1 Patient lag mit 3,5 µg/ml außerhalb des Referenzbereichs.Bei 2 Patienten wurde die Diagnose einer therapiebedürftigen peripheren Hörstörung beidseits gesichert, in beiden Fällen bestanden mehrere zusätzlich Risikofaktoren. Bei 95 Patienten konnte eine Schallempfindungsschwerhörigkeit ausgeschlossen werden.Diskussion: Es bleibt unsicher, ob die ermittelten Hörstörungen im Zusammenhang mit der Antibiotikabehandlung stehen oder eher durch die zusätzlichen Risikofaktoren bedingt sind. Um statistisch belegbare Daten zu erhalten soll die Untersuchung fortgesetzt werden

Stimmlippenlähmungen - Untersuchungen zur Häufigkeit, Ursache und Auswirkung auf die Stimmfunktion

Hintergrund: Zu den organisch bedingten Ursachen einer Glottisschlussinsuffizienz gehören u. a. Schleimhautveränderungen der Stimmlippen, Operationsfolgen auf glottaler Ebene und auch Schädigungen im Verlauf des Nervus Vagus. Stimmlippenlähmungen beeinträchtigen die Stimmfunktion in besonderer Weise, da sie fast immer mit einer geringen Stimmlautstärke, einer Sprechanstrengung und einer schnellen Stimmermüdung verbunden sind.Material und Methoden: Patientendaten des Zeitraumes 01.01.2000 bis 01.01.2010 mit der Diagnose "Stimmlippenlähmung" wurden hinsichtlich der Seite und der Position der Lähmung, der Ursache, dem Alter und Geschlecht ausgewertet. Zusätzlich erfolgte die Bewertungen der Schwingungsanalyse und der stimmlichen Parametern aus dem Göttinger Heiserkeitsdiagramm und aus dem Stimmfeld (Software Lingwaves). Auch die subjektive Beschwerdesymptomatik wurde erfasst und zusätzlich der Voice handicap index (VHI12) eingesetzt. Die statistische Berechnung erfolgte mit dem IBM SPSS Statistics 18.0.Ergebnisse: 140 Patienten (80 Frauen, 60 Männer) einer einseitigen Stimmlippenparese und kompletten Datensätzen wurden in die Untersuchung eingeschlossen. Die Strumektomie war mit 40% die häufigste Ursache. In 64% ergab sich eine Lähmung der linken Stimmlippe und die meisten Patienten wiesen eine paramediane Stellung der gelähmten Stimmlippe auf. 70% aller Patienten hatten in der Stroboskopie keinen Stimmlippenschluss, 80% aller Lähmungen wiesen eine Phasenasymmetrie auf. Die Hälfte der Patienten schätzte mittels VI 12 die Stimme als mittelgradig gestört ein, 26% haben die Stimme als hochgradig gestört empfunden.Diskussion: Stimmlippenlähmungen führen zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Stimmfunktion und werden als eine Leistungseinschränkung empfunden. Zur Einleitung einer adäquaten Therapie und der Erfassung der stimmlichen Leistungsparameter wird eine phoniatrische Diagnostik bei allen Stimmlippenlähmungen angeraten. Wünschenswert wäre eine regelmäßige Einbindung nach Operationen wie Strumektomien, HWS-Operationen von ventral oder Carotis Thrombendarteriektomie um den Zeitpunkt der Erstvorstellung zu verbessern

Punishment-related memory-guided attention: Neural dynamics of perceptual modulation

Remembering the outcomes of past experiences allows us to generate future expectations and shape selection in the long-term. A growing number of studies has shown that learned positive reward values impact spatial memory-based attentional biases on perception. However, whether memory-driven attentional biases extend to punishment-related values has received comparatively less attention. Here, we manipulated whether recent spatial contextual memories became associated with successful avoidance of punishment (potential monetary loss). Behavioral and electrophysiological measures were collected from 27 participants during a subsequent memory-based attention task, in which we tested for the effect of punishment avoidance associations. Punishment avoidance significantly amplified effects of spatial contextual memories on visual search processes within natural scenes. Compared to non-associated scenes, contextual memories paired with punishment avoidance lead to faster responses to targets presented at remembered locations. Event-related potentials elicited by target stimuli revealed that acquired motivational value of specific spatial locations, by virtue of their association with past avoidance of punishment, dynamically affected neural signatures of early visual processing (indexed by larger P1 and earlier N1 potentials) and target selection (as indicated by reduced N2pc potentials). The present results extend our understanding of how memory, attention, and punishment-related mechanisms interact to optimize perceptual decision in real world environments

Punishment-related memory-guided attention: Neural dynamics of perceptual modulation

Remembering the outcomes of past experiences allows us to generate future expectations and shape selection in the long-term. A growing number of studies has shown that learned positive reward values impact spatial memory-based attentional biases on perception. However, whether memory-driven attentional biases extend to punishment-related values has received comparatively less attention. Here, we manipulated whether recent spatial contextual memories became associated with successful avoidance of punishment (potential monetary loss). Behavioral and electrophysiological measures were collected from 27 participants during a subsequent memory-based attention task, in which we tested for the effect of punishment avoidance associations. Punishment avoidance significantly amplified effects of spatial contextual memories on visual search processes within natural scenes. Compared to non-associated scenes, contextual memories paired with punishment avoidance lead to faster responses to targets presented at remembered locations. Event-related potentials elicited by target stimuli revealed that acquired motivational value of specific spatial locations, by virtue of their association with past avoidance of punishment, dynamically affected neural signatures of early visual processing (indexed by larger P1 and earlier N1 potentials) and target selection (as indicated by reduced N2pc potentials). The present results extend our understanding of how memory, attention, and punishment-related mechanisms interact to optimize perceptual decision in real world environments

Einfluss der Störschalldarbietung im Oldenburger Satztest (OLSA)

Hintergrund: Ein Defizit bei der auditiven Wahrnehmungs- und Verarbeitungsstörung (AVWS) kann das Herausfiltern von Sprache unter Störschallbedingungen sein. Diese Fähigkeit kann z.B. über den OLSA (Oldenburger Satztest) überprüft werden. Ziel war ein Vergleich des Störschall-/ Nutzschall-Abstandes (Signal-Noise-Ratio; SNR) unter unterschiedlichen Bedingungen sowie ein Ergebnisvergleich in unterschiedlichen Altersgruppen.Material und Methoden: In den Untersuchungsjahren 2006-2012 wurde bei Patienten im Alter zwischen 5 und 16 Jahren, die mit der Fragestellung eines Vorliegens einer AVWS vorgestellt wurden, der OLSA alternativ über Störschall (SS) von frontal oder von diffus durchgeführt. Eine entsprechende SNR wurde ermittelt. Es erfolgte eine Unterteilung in 4 unterschiedliche Altersgruppen (5-6 J., 7-8 J., 9-10 J., 11-12 J., 13-16 J.).Ergebnisse: SNR bei SS diffus: Altersgruppe 5-6 Jahre (n=69): -4,74 dBnHL (Standardabweichung: 1,93); 7-8 J. (n=263): -5,34 dBnHL (2,61); 9-10 J. (n=215): -6,45 dBnHL (2,37); 11-12 J. (n=82): -7,08 dBnHL (2,93); 13-16 J. (n=32): -7,69 dBnHL (2,48); Gesamt (5-16 J.; n=661): -5,97 dBnHL (2,64)SNR bei SS frontal: Altersgruppe 5-6 Jahre (n=20) : -1,85 dBnHL (Standardabweichung: 2,18); 7-8 J. (n=108 ): -2,49 dBnHL (2,16); 9-10 J. (n=62 ): -3,75 dBnHL (1,29); 11-12 J. (n=29): -4,02 dBnHL (1,10); 13-16 J. (n=12): -4,63 dBnHL (1,27); Gesamt (5-16 Jahre; n=231): -3,07 dBnHL (1,98)Diskussion: Bei Angebot des SS von diffus war jeweils eine deutlich günstigere SNR zu ermitteln. Eine Angabe über die Richtung der Störschalldarbietung ist daher erforderlich, um ein entsprechendes Ergebnis einordnen zu können.Eine Verbesserung des SNR bei zunehmendem Alter konnte im Vergleich der Altersgruppen sowohl bei SS von diffus als auch von frontal aufgezeigt werden. Die Fähigkeit des Herausfilterns unter Störschallbedingungen entwickelt sich während des Grundschulalters deutlich

Der besondere Fall: Dysphonie bei Tuberkulose

Hintergrund: Tuberkulose gehört weltweit betrachtet zu einer weiterhin häufigen Erkrankung (ca. 1/3 der erwachsenen Weltbevölkerung mit TBC-Bakterien infiziert). Wie auch bei anderen respiratorischen Infekten kann es neben dem Symptom Husten und Auswurf auch zu einer Dysphonie kommen.Material und Methoden: Fallvorstellung: Vorstellung der Patientin (aus Afrika stammend) wegen seit ca. 2 Monaten rezidivierender Heiserkeit. Auf Nachfrage auch Angabe von teils produktivem Husten und Fieberschüben. Unsererseits erfolgte eine stroboskopische Untersuchung, im weiteren Verlauf eine bildgebende Diagnostik mit CT Hals/Thorax und eine Magensaftuntersuchung.Ergebnisse: In der stroboskopischen Untersuchung zeigten sich gerötete, verdickte Stimmlippen mit Gefäßinjektionen und Schleim bis in den supraglottischen Bereich. Subglottisch war eine destruierende, tumorös wirkende Raumforderung erkennbar. In der weiteren Diagnostik im CT zirkuläre Wandverdickung der Trachea, teilweise irregulär und mit fokal vermehrter Kontrastmittelaufnahme, azinäre Fleckschatten, teilweise konfluierend sowie bronchiolitische Veränderungen mit Tree-in-Bud Sign im linken Oberlappen sowie S6 links dringend verdächtig auf eine pulmonale Tuberkulose. In der Magensaftuntersuchung Nachweis von Tuberkel-Bakterien.Diskussion: In Zusammenschau der Ergebnisse ist die zunächst tumorös imponierende Raumforderung als Manifestation der Tuberkulose-Erkrankung zu werten. Trotz der in Deutschland relativ selten auftretenden offenen Tuberkulose (laut RKI 42/100.000 erfasste Neuerkrankungen 2010) sollte insbesondere bei Patienten aus anderen Herkunftsländern (z.B. aus Afrika, Osteuropa, Thailand) bei rezidivierend auftretendem, teils produktivem Husten differenzialdiagnostisch eine Tuberkulose bedacht werden