Separation of Synchronous Sources

This thesis studies the Separation of Synchronous Sources (SSS) problem, which deals with the separation of signals resulting from a linear mixing of sources whose phases are synchronous. While this study is made in a form independent of the application, a motivation from a neuroscience perspective is presented. Traditional methods for Blind Source Separation, such as Independent Component Analysis (ICA), cannot address this problem because synchronous sources are highly dependent. We provide sufficient conditions for SSS to be an identifiable problem, and quantify the effect of prewhitening on the difficulty of SSS. We also present two algorithms to solve SSS. Extensive studies on simulated data illustrate that these algorithms yield substantially better results when compared with ICA methods. We conclude that these algorithms can successfully perform SSS in varying configurations (number of sources, number of sensors, level of additive noise, phase lag between sources, among others). Theoretical properties of one of these algorithms are also presented. Future work is discussed extensively, showing that this area of study is far from resolved and still presents interesting challenges

Spectra: Robust Estimation of Distribution Functions in Networks

Distributed aggregation allows the derivation of a given global aggregate property from many individual local values in nodes of an interconnected network system. Simple aggregates such as minima/maxima, counts, sums and averages have been thoroughly studied in the past and are important tools for distributed algorithms and network coordination. Nonetheless, this kind of aggregates may not be comprehensive enough to characterize biased data distributions or when in presence of outliers, making the case for richer estimates of the values on the network. This work presents Spectra, a distributed algorithm for the estimation of distribution functions over large scale networks. The estimate is available at all nodes and the technique depicts important properties, namely: robust when exposed to high levels of message loss, fast convergence speed and fine precision in the estimate. It can also dynamically cope with changes of the sampled local property, not requiring algorithm restarts, and is highly resilient to node churn. The proposed approach is experimentally evaluated and contrasted to a competing state of the art distribution aggregation technique.Comment: Full version of the paper published at 12th IFIP International Conference on Distributed Applications and Interoperable Systems (DAIS), Stockholm (Sweden), June 201

A Framework for Fast Image Deconvolution with Incomplete Observations

In image deconvolution problems, the diagonalization of the underlying operators by means of the FFT usually yields very large speedups. When there are incomplete observations (e.g., in the case of unknown boundaries), standard deconvolution techniques normally involve non-diagonalizable operators, resulting in rather slow methods, or, otherwise, use inexact convolution models, resulting in the occurrence of artifacts in the enhanced images. In this paper, we propose a new deconvolution framework for images with incomplete observations that allows us to work with diagonalized convolution operators, and therefore is very fast. We iteratively alternate the estimation of the unknown pixels and of the deconvolved image, using, e.g., an FFT-based deconvolution method. This framework is an efficient, high-quality alternative to existing methods of dealing with the image boundaries, such as edge tapering. It can be used with any fast deconvolution method. We give an example in which a state-of-the-art method that assumes periodic boundary conditions is extended, through the use of this framework, to unknown boundary conditions. Furthermore, we propose a specific implementation of this framework, based on the alternating direction method of multipliers (ADMM). We provide a proof of convergence for the resulting algorithm, which can be seen as a "partial" ADMM, in which not all variables are dualized. We report experimental comparisons with other primal-dual methods, where the proposed one performed at the level of the state of the art. Four different kinds of applications were tested in the experiments: deconvolution, deconvolution with inpainting, superresolution, and demosaicing, all with unknown boundaries.Comment: IEEE Trans. Image Process., to be published. 15 pages, 11 figures. MATLAB code available at https://github.com/alfaiate/DeconvolutionIncompleteOb

A convex formulation for hyperspectral image superresolution via subspace-based regularization

Hyperspectral remote sensing images (HSIs) usually have high spectral resolution and low spatial resolution. Conversely, multispectral images (MSIs) usually have low spectral and high spatial resolutions. The problem of inferring images which combine the high spectral and high spatial resolutions of HSIs and MSIs, respectively, is a data fusion problem that has been the focus of recent active research due to the increasing availability of HSIs and MSIs retrieved from the same geographical area. We formulate this problem as the minimization of a convex objective function containing two quadratic data-fitting terms and an edge-preserving regularizer. The data-fitting terms account for blur, different resolutions, and additive noise. The regularizer, a form of vector Total Variation, promotes piecewise-smooth solutions with discontinuities aligned across the hyperspectral bands. The downsampling operator accounting for the different spatial resolutions, the non-quadratic and non-smooth nature of the regularizer, and the very large size of the HSI to be estimated lead to a hard optimization problem. We deal with these difficulties by exploiting the fact that HSIs generally "live" in a low-dimensional subspace and by tailoring the Split Augmented Lagrangian Shrinkage Algorithm (SALSA), which is an instance of the Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM), to this optimization problem, by means of a convenient variable splitting. The spatial blur and the spectral linear operators linked, respectively, with the HSI and MSI acquisition processes are also estimated, and we obtain an effective algorithm that outperforms the state-of-the-art, as illustrated in a series of experiments with simulated and real-life data.Comment: IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., to be publishe

Optimization conditions for some fractional problems

The purpose of this study is to present necessary conditions for calculus of variations problems, where the Lagrange function involves a Caputo fractional derivative with nonconstant order. The fractional operator depends on another function, and for particular choices of that function, we obtain some well-known fractional derivatives. Several necessary conditions of optimality are proven, namely the Euler–Lagrange equationpublishe

O esperma sagrado. Algunas ambiguidades da homoparentalidade em contextos euro-americanos contemporâneos

A história da patenidade no Ocidente está marcada por uma tensâo entre paternidade biológica, paternidade social e paternidade legal. Esta tensâo é comun a hetero e homossexuais em situaçôes ou projectos familiares, mas é alguma forma dramatizada nas situaçôes, na sua maior parte homossexuais, em que nâo exista provisâo legal, por parte do Estado, da legalidade das situaçôes homoparentais. Igualmete, quanto menos provisâo legal exista, menos parece haver una cultura de como fazer e proceder em situaçoes de disputa de paternidade entre gays e lésbicas, assistindo-se ao recurso ou à normativade legal, ou à normatividade moral (e necessariamente heteronormativa, androcêntrica e patrilinear) a ela associada

Cited2 in cardiac development: an inside and outside job

Despite the remarkable knowledge acquired in the formation of the heart during embryonic development and the molecular mechanisms involved in heart function and physiology, there is no efficient way to prevent adult heart disease and congenital heart disease (CHD). The transcriptional modulator Cited2 is required for normal embryogenesis of mice and humans, particularly for heart development. Indeed, mouse lacking Cited2 alleles die in utero displaying many cardiovascular defects, and mutations in human CITED2 have long been associated with CHD. However, the exact role and the molecular mechanisms involving Cited2 during these processes are largely unknown. Using mouse Embryonic Stem Cells (ESC) as a model system, we have established that the depletion of Cited2 at the onset of differentiation resulted in a decline of ESC ability to generate cardiac cells. These cardiogenic defects in Cited2-depleted cells were rescued by treatment with a recombinant CITED2 protein. To further investigate the mechanisms caused by the loss of Cited2 in pluripotency and differentiation, we compared the gene expression profiles of control cells and Cited2-depleted cells upon differentiation. We determined that loss of Cited2 expression delays the expression of early mesoderm transcription factors and cardiopoietic factors. We found that the secretome of Cited2 overexpressing ESC is enough to restore the emergence of beating colonies in Cited2 depleted cells, upon differentiation. We identified WNT5a and WNT11 as two of the proteins enriched in the Conditioned Medium and crucial for rescuing cardiomyocyte differentiation defects caused by Cited2 depletion. Our results point that Cited2 is a co-transcriptional activator of Wnt5a and Wnt11 and that both proteins can restore cardiogenesis in Cited2-depleted cells. Additionally, using zebrafish as a model system, we demonstrated that WNT5a and WNT11 also rescued the development defects caused by Cited2 depletion in vivo. Collectively, our results show that WNT5a and WNT11 rescue cardiogenic defects caused by Cited2 depletion both in vitro, as well as in vivo.Apesar do notável conhecimento adquirido sobre o desenvolvimento cardíaco, as doenças cardiovasculares e as doenças congénitas cardíacas (CHD), continuam a ser a principal causa de morte no mundo tanto nos adultos como em recém-nascidos. Estima-se que cerca de 1% da população mundial seja portadora de uma forma de CHD e, espera-se que este número aumente substancialmente nas próximas décadas. Um ponto crucial do desenvolvimento cardíaco é a expressão primorosamente controlada de fatores de transcrição e vias de sinalização cardíacas. Pequenos desvios na estrita expressão de fatores de transcrição e das vias de sinalização cardíacas, podem resultar num mau desenvolvimento do coração e no aparecimento de CHD, ou em casos mais extremos à morte do embrião ainda no útero. Dentro dos fatores de transcrição importantes para a formação do coração destacam-se inicialmente os genes importantes para a regulação da pluripotência OCT4, SOX2 e NANOG. Após a gastrulação, as células da mesoderme começam inicialmente a expressar BRACHYURY, MIXL1 e EOMES, e mais tarde o gene da mesoderme cardiaca MESP1. Por último, os progenitores cardíacos começam a expressar os fatores de transcrição cardíacos GATA4, NKX2.5, HAND2, TBX5, MEF2C e ISL1. As principais vias de sinalização cardíacas são a ACTIVIN/NODAL e as BMP, ambas pertencentes à via TGFβ, a via canónica e não canónica da WNT e por último, a via FGF. Um ótimo modelo, in vitro, para se estudar os mecanismos moleculares, responsáveis pela formação do coração, são as células estaminais embrionárias (ESC). Algumas das características que tornam as ESC um bom modelo para estudar o desenvolvimento cardíaco são, o fato de se dividirem indefinidamente e de se diferenciarem em todas as células do adulto, após o correto estímulo, incluindo cardiomiócitos com a capacidade de produzirem focos de contração. O fator de transcrição Cited2, é importante para o desenvolvimento cardíaco, uma vez que a remoção de ambos os alelos de Cited2 no ratinho é letal ainda no útero, enquanto que mutações pontuais na proteína CITED2 foram previamente associadas com o aparecimento de CHD. No entanto, a função de CITED2 no desenvolvimento cardíaco e no aparecimento das CHD é ainda bastante desconhecida. Como tal, o objetivo deste trabalho foi estudar o papel de Cited2 durante o processo de diferenciação cardíaco de ESC. Para estudar o efeito de depleção de Cited2, durante a diferenciação cardíaca, utilizamos no laboratório uma linha de ESC com “Knock-out” condicional de Cited2, que quando suplementado com 4-hydroxytamoxifen, no meio de cultura, resulta na excisão e depleção de Cited2. Começamos por ver que Cited2 é expresso ao longo do processo de diferenciação cardíaca, sendo a sua expressão mínima no dia 2 de diferenciação. De seguida, vimos que a depleção de Cited2, no início da diferenciação, reduz a capacidade das ESC de se diferenciarem em cardiomiócitos. Para demonstrar que os defeitos cardíacos eram causados pela falta de Cited2, tratámos as ESC com uma proteína recombinante CITED2. Os resultados obtidos indicam que esta proteína reverte os defeitos cardíacos quando adicionado no segundo dia de diferenciação. Para perceber melhor os mecanismos subjacentes à perda de função de CITED2, comparámos o perfil genético de células controlo (com Cited2) e células sem Cited2 no início da diferenciação. Neste sentido, realizámos uma análise de “microarrays”, e observámos que as células sem Cited2 têm vários genes, importantes para a diferenciação em endoderme e mesoderme desregulados. Comprovámos que a depleção de Cited2 atrasa a expressão de fatores de transcrição da mesoderme (Brachyury, Mixl1) e da mesoderme cardíaca (Mesp1 e Eomes). Observámos também, que a depleção de Cited2 inibe a expressão de várias vias de sinalização cardíacas, o que nos fez colocar a hipótese de que a deficiência cardíaca, causada pela falta de Cited2, resultaria da desregulação da expressão de proteínas extracelulares. Para o estudo de proteínas extracelulares considerámos o uso de Meio Condicionado (CM), ou seja, recorremos ao meio de cultura que contém, entre vários componentes, proteínas secretadas pelas células (secretoma). Portanto, através do secretoma de ESC, que sobre expressam Cited2, observámos que este é suficiente para recuperar os defeitos cardíacos causados pela falta de Cited2. Vimos também que o CM é crítico para a correta expressão do fator de transcrição Brachyury. Ao imunoprecipitarmos o CM contra WNT5a e WNT11, seguido de um Western Blot, identificámos que as proteínas WNT5a e WNT11 se encontravam enriquecidas no CM proveniente das células que sobre expressavam Cited2. Vimos também que estas duas proteínas eram críticas no CM, uma vez que quando as depletavámos, víamos que o CM perdia a sua capacidade de recuperar os defeitos cardiovasculares das células sem Cited2. A WNT5a e a WNT11 são duas proteínas pertencentes à via não canónica da WNT e que cooperam para promover o desenvolvimento cardíaco, mais propriamente, para promover a formação do campo secundário cardíaco. Os nossos resultados, in vitro, apontam para que Cited2 seja um co-ativador transcricional do Wnt5a e do Wnt11. Mostrámos, que existe uma sinergia entre a WNT5a e WNT11 para corrigir os defeitos cardíacos causados pela falta de Cited2 in vitro, não só em termos de diferenciação celular e surgimento de focos de contração, mas também para a correta expressão de fatores de transcrição da mesoderme e da mesoderme cardiaca. Adicionalmente, para estudar a perda de função de Cited2 in vivo, estabelecemos um sistema de “Knockdown” de Cited2 no peixe zebra (Danio renio). Cited2, é um gene conservado entre os vertebrados e, portanto, tal como acontece nos mamíferos, Cited2 é necessário para o correto desenvolvimento do peixe zebra. Através das experiências realizadas, vimos que a falta de Cited2 atrasa o desenvolvimento dos embriões às 24 horas pós fertilização (hpf), reduz o número de batimentos médio por minuto às 48 hpf e, causa letalidade e o surgimento de defeitos cardíacos em embriões de peixe zebra às 72hpf. Demonstrámos que estes defeitos eram específicos de Cited2, uma vez que conseguimos recuperar a maioria dos defeitos causados pela falta de Cited2, quando usámos a proteína recombinante CITED2. Por último, como acontece in vitro, a combinação da WNT5a e da WNT11 é capaz de compensar a falta de Cited2, também, in vivo. Em suma, os nossos resultados indicam que a WNT5a e a WNT11 corrigem, in vitro e in vivo, os defeitos cardíacos causados pela perda de Cited2, sendo o nosso objetivo, no futuro, desenvolver uma nova opção terapêutica para reduzir o número de pacientes com CHD.ProRegeM PhD Programme (PD/00117/2012)