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Conectividade de hábitat em bacias hidrográficas : simulações com múltiplas barragens e hierarquia de segmentos para conservação

Santos, Lúcio January 2011 (has links)
A biodiversidade dos rios brasileiros encontra-se sob severa ameaça, em razão da fragmentação e perda de hábitat que os barramentos representam. Até o presente, os aproveitamentos hidrelétricos têm seu licenciamento ambiental condicionado a análises de impacto locais, sem avaliação dos impactos cumulativos de múltiplas barragens em uma bacia hidrográfica, com relação à conservação da diversidade da ictiofauna. Estudos anteriores para subsídio de licenciamento de múltiplas barragens na bacia Taquari-Antas (RS) propuseram cenários alternativos de conservação (número e posição de barragens), quando ainda não havia métricas de conectividade dendrítica desenvolvidas. Entre os problemas identificados naqueles estudos figuram a quantificação dos efeitos cumulativos das barreiras sobre a conectividade da bacia, o estabelecimento de áreas prioritárias para conservação e a influência do número e da posição das barreiras na conservação da biodiversidade aquática em uma bacia. Avaliamos a aplicação de conectividade para mensuração de impactos cumulativos de fragmentação de bacias hidrográficas através de índices de conectividade dendrítica recentemente propostos. Propomos um método genérico e replicável para analisar quantitativamente os efeitos de sucessivos barramentos em relação à conectividade dos hábitats aquáticos em processos de migração e dispersão de peixes em bacias hidrográficas. Utilizamos simulações de cenários de múltiplos barramentos para a avaliação. Propomos também uma sistematização para a simulação de múltiplos barramentos. Além disso, hierarquizamos áreas para conservação por conectividade, aplicamos as novas métricas de conectividade a estudos anteriores e demonstramos casos de cenários de alta conectividade com outras implicações na conservação. Discutimos o amadurecimento do método para aplicação em licenciamento ambiental e planejamento de conservação, bem como limitações atuais e perspectivas para trabalhos futuros. / Biodiversity of Brazilian rivers is nowadays seriously threatened due to fragmentation and habitat loss that impoundments represent. Up to now, hydroelectric power plants have their environmental licensing processes conditioned to local impact analysis, with no evaluation of cumulative impacts of multiple dams in a watershed landscape on the conservation of the integrity of ichthyofauna. Former studies for supporting environmental licensing processes of multiple hydroelectric dams in the Taquaria-Antas basin (RS, Brasil) proposed alternative conservation scenarios (number and position of barriers), in a time when there were no dendritic connectivity metrics developed. Among the problems identified at that time, we point quantification of cumulative effects of multiple barriers on the drainage connectivity, detecting prioritary areas for conservation and detecting the influence of the number and position of the barriers in the catchment for best conservation of aquatic biodiversity. We evaluated the application of connectivity for quantifying the impacts of fragmentation in hydrographic basins through recently proposed indexes. We proposed a replicable and generic method for quantifying the effects of successive impoundments in relation to aquatic habitat connectivity in ecological processes of migration and dispersal of fishes in hydrographic basins. We used multiple barriers scenarios simulation in order to perform the assessments. We also propose a way of systematizing multiple barriers simulations. Moreover, we rank areas for conservation by connectivity, apply the new connectivity metrics on former studies and demonstrate cases of high connectivity scenarios with other implications on conservation. We discuss maturing the method for application on environmental licensing and conservation planning as well as current limitations and perspectives for future studies.
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Study of human structural brain connectivity in healthy aging based on tracts / Estudo da conectividade estrutural cerebral humana no envelhecimento sadio baseado em tratos

Maíra Siqueira Pinto 14 March 2018 (has links)
The human brain changes in a complex and heterogeneous way throughout life, the normal aging process is associated to significant alterations in the axonal connections. In this study, we evaluated the age-related changes in physical parameters associated with the brain white and gray matter integrity in healthy subjects, as well as the possible correlation between them in specific tracts. Structural images (1 mm isotropic) and diffusion weighted images (2 mm isotropic, b = 1000 s /mm2) of 158 healthy individuals aged between 18 and 83 years were retrospectively collected at the Clinics Hospital of Ribeirao Preto, after their acquisition in a 3T MR scanner. From the structural images, the cortical thickness was estimated and the age effect was evaluated in several regions based on the Atlas of Destrieux. The diffusion-weighted images were processed to characterize the intravoxel diffusion using two models: diffusion tensor (DT) and constrained spherical deconvolution (CSD). Fractional anisotropy (FA) and apparent density of fiber (AFD) maps were estimated and used in statistical group analysis between the three groups separated by age. The most relevant brain tracts were segmented by three procedures: manually, automatically with a specific tool and based on automatic segmented cortical regions. Physical parameters of diffusion (anisotropy and diffusivities) were evaluated in the segmented tracts to determine the age-related changes. The connectome analysis based on two cortical parcellations was performed to evaluate the age effect on characteristic structural brain network parameters. The tract-cortical relationship was evaluated considering the anisotropy of each tract and the thickness of the cortical areas at the end of the corresponding tract. Further analysis was performed to evaluate a possible association of structural and functional connectivity in the corpus callosum (CC). There was significant cortical thinning in 88.5% of the regions during life (p <0.05, corrected for multiple comparisons); the frontal region was the most affected in the initial aging (after 40 years), and the occipital and temporal regions in the elderly (after 60 years). Similarly, the group analysis demonstrated a global pattern of reduction of FA and AFD in the white matter, with a higher rate of degradation of integrity from the sixth decade of life. The manual selection of tracts from the DT model proved to be the most reliable methodology in the precise definition of the tracts for our data. Following this methodology, analysis of anisotropy and diffusion parameters also indicated degeneration of white matter in normal aging in all studied brain tracts and corroborated to the antero-posterior gradient of degeneration in the CC. Fornix was the most affected tract bilaterally, with a 3.5% reduction and an increase of 4% per decade in these parameters, respectively; followed by CC. In the evaluation of the age effect on the connectome estimates, regardless of diffusion model and cortical atlas, there was a decrease in global efficiency, number of connections and local efficiency with aging, mainly in the prefrontal, temporal and parietal and its connections. In the tract-cortical analysis, cortical regions connected by tracts demonstrated similar thinning patterns for the majority of tracts, and a significant relation between mean cortical thinning rate and FA/MD alteration rates were found. In all evaluated tracts, age was the main effect controlling diffusion parameters alterations; there were no direct correlations with cortical thickness for the majority of tracts. Only for the fornix, the values of FA and MD showed significant correlation with the cortical thickness of the subcallosal gyrus in both hemispheres during aging (p <0.05 corrected). For the other tracts, CC, Inferior Longitudinal Fasciculus, Uncinated Fasciculus, Inferior Fronto-occipital Fasciculus, Corticospinal Tract, Cingulum and Arcuate Fasciculus, age was the main effect controlling alterations in the parameters, but there were no direct correlations between FA and MD and cortical thickness during the aging process. / O cérebro humano muda de forma complexa e heterogênea ao longo da vida, o processo de envelhecimento normal tem associado significativas alterações nas conexões axonais. Neste estudo, avaliamos as mudanças relacionadas à idade em parâmetros físicos associados à integridade das substâncias branca e cinzenta cerebral em sujeitos saudáveis, assim como a possivel correlação entre eles em tratos específicos. Imagens estruturais (1 mm isotrópica) e imagens ponderadas em difusão (2 mm isotrópica e b=1000 s/mm2) de 158 indivíduos saudáveis entre 18 a 83 anos foram coletadas retrospectivamente no Hospital das Clinícas de Ribeirão Preto, após sua aquisição em aparelho de ressonância magnética de 3 Teslas. A partir das imagens estruturais, a espessura cortical foi estimada e o efeito de idade nela foi avaliado em diversas regiões tomando com base o atlas de Destrieux. As imagens ponderadas em difusão foram processadas para caracterizar a difusão intravoxel utilizando dois modelos: tensor de difusão (DT) e deconvolução esférica restrita (CSD). Mapas de anisotropia fracionada (FA) e densidade aparente da fibra (AFD) foram estimados e usados em analise estatistica de três grupos separados por faixa etária. Os tratos cerebrais mais relevantes foram segmentados por tres procedimentos: manualmente, automaticamente com uma ferramenta especifica e com base em regiões corticais automaticante segmentadas. Parâmetros físicos de difusão (anisotropia e difusibilide) foram avaliados nos tratos segmentados para determinar as alterações relacionadas à idade. A análise de conectoma baseada em dois parcelamentos corticais foi realizada para avaliar também o efeito da idade em parâmetros caracteristicos da rede estrutural cerebral. A relação trato-cortical foi avaliada considerando a anisotropia de cada trato e as espessuras das áreas corticais nas extremidades do trato correspondente. Uma análise adicional foi realizada para avaliar uma possivel associação de onetividades estrutural e funcional no corpo caloso (CC). Houve afinamento cortical significativo em 88,5% das regiões durante a vida (p <0,05, corrigido); a região frontal foi a mais afetada no envelhecimento inicial (após 40 anos), e as regiões occipital e temporal nos idosos (após 60 anos). Similarmente, a análise de grupo demonstrou um padrão global de redução de FA e AFD na substância branca, com uma maior taxa de degradação de integridade a partir da sexta década de vida. A seleção manual de tratos baseada no modelo de DT mostrou-se a metodologia mais confiavél na precisa definição dos tratos nos nossos dados. Seguindo essa metodologia, a análise dos parâmetros de anistropia e difusão também indicou degeneração de substância branca no envelhecimento normal em todos os tratos cerebrais estudados e corroborou o gradiente ântero-posterior de degeneração no CC. O fornix foi o trato mais afetado bilatreamente com redução de 3.5% e aumento de 4% por década nesses parâmetros, respectivamente; seguido do CC. Na avaliação do efeito da idade nas estimativas do conectoma, independentemente do modelo de difusão e do atlas cortical usado, houve uma diminuição da eficiência global com o envelhececimento, do número de conexões e da eficiência local, principalmente nas regiões pré-frontal, temporal e parietal e suas conexões. Nas análises trato-corticais, as regiões corticais conectadas por tratos mostraram padrões de afinamento similares para a maioria dos tratos, e uma correlação significativa entre a taxa média de afinamento cortical e as taxas de alteração de FA e difusibilidade média (MD) foram encontradas. Em todos os tratos avaliados, a idade foi o principal efeito controlando das alterações dos parâmetros de difusão; não houve correlações diretas com espessura cortical para a maioria dos tratos. Somente para o fornix, os valores de FA e MD mostraram correlação com a espessura cortical do giro subcalosal (parcelamento de Destrieux) em ambos os hemisférios durante o envelhecimento (p <0,05 corrigido). Para os outros tratos, CC, fascículo longitudinal inferior, fascículo uncinado, fascículo occipitofrontal inferior, trato cortico-espinal, parte cingulada do cíngulo e fascículo arqueado, a idade foi o principal efeito no controle das alterações dos parâmetros, mas não houve correlações diretas entre FA e MD e espessura cortical durante o processo de envelhecimento
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Brain functional connectivity in regions that exhibit age-related cortical thinning / Estudo da conectividade funcional cerebral em regiões com redução da espessura cortical associadas ao envelhecimento sadio

Bruno Hebling Vieira 22 February 2018 (has links)
The brain ages, and with it come alterations in its micro- and macro-structure which reflect in its morphology and functioning. Changes in the brain structure and functional coupling between regions can be assessed with neuroimaging, and, more specifically, magnetic resonance imaging (MRI). Using MRI data from two stages (Pilot and Enhanced) of the Nathan Kline Institute Rockland Sample (NKI-RS), totalling 613, free of neurodegenerative diseases, and right-handed, participants aged 18 to 85 years old, we measured gray-matter parameters such as cortical volume, cortical thickness, and cortical surface area, and also volume of subcortical structures. We also measured cortico-cortical functional connectivity, defined either as the Pearson correlation coefficient and partial correlation coefficient, bivariate instantaneous Granger causality and Granger causality, and generalized partial directed coherence (GPDC). GPDC was evaluated in five frequencies between the four pairs of regions displaying the strongest evidence for linear thinning, measured by their associated t-statistic, and its alterations alongside aging were assessed using a multivariate approach based on Dirichlet Regression. We also studied spatial associations between patterns of morphometric and connectivity alterations. We reproduced generalized age-related atrophy reported in the literature in cortical volume (90% of the studied structures), surface area (68%) and thickness (90%), and volumetric atrophy of several subocortical structures. We observe a positive association in the joint distribution of the expected cortical thickness at 18 years old and the yearly percentage reduction in cortical thickness. We showed, projecting these two quantitities into their principal axes and analyzing the spatial distribution of the scores, that the first principal component correlates with neocortical granularity while the second principal component represents cortical type admixture. On functional connectivity, we gathered evidence for overall increased Pearson correlation coefficient (6% of the connections in the Pilot NKI-RS and 2% in the Enhanced NKI-RS), with proportionally smaller number of decreases (0.1% in the Pilot NKI-RS and 0.3% in the Enhanced NKI-RS). The Pearson partial correlation coefficient between 12 out of 65 homotopic region pairs shows a pattern of decline with age, suggesting inter-hemispheric disconnection. However, predictive causality, as measured by both Granger causalities, do not share the same degree of changes observed in the correlational metrics. We observe increased GPDC from several regions to themselves in many frequencies (25% out of a total of 40 self-connections), indicating a degree of disconnection to the other regions. Given seed regions, we uncovered spatially distributed significant patterns of association between the standardized effect of age on the connectivity to its targets and on their targets thicknesses. Regions with smaller evidence for age-related thinning, such as several occipital areas, tend to have fewer alterations in functional connectivity than regions with greater evidence for age-related thinning, like many frontal regions. We hypothesize that regions showing a negative association (5% of the seed regions) are part of compensatory systems, being increasingly correlated with regions displaying most atrophy. Regions showing a positive association (5%) do not have compensatory mechanisms available, and therefore are losing connectivity to atrophyc regions. Overall, we found evidence for brainwide alterations in connectivity and cortical and subcortical morphometry throughout the human adult lifespan. We also found a specifc pattern of associations between the atrophic trends and age-related alterations in connectivity in the brain / O cérebro envelhece, e com isso vêm à tona alterações em sua micro e macroestrutura que se refletem em sua morfologia e funcionamento. Mudanças na estrutura cerebral e acoplamento funcional entre suas regiões podem ser averiguadas através da neuroimagem, e, mais especificamente, imagem por ressonância magnética (IRM). Usando dados de IRM das duas etapas (Pilot and Enhanced) do Nathan Kline Institute Rockland Sample (NKI-RS), totalizando 613 participantes destros, livres de doenças neurodegenerativas, com idade entre 18 e 85 anos, medimos parâmetros de substância cinzenta como volume, espessura, e área de superfície corticais, e também volume de estruturas subcorticais. Também medimos conectividade funcional cortico-cortical, definida como o coeficiente de correlação de Pearson, coeficiente de correlação parcial de Pearson, causalidade instântanea de Granger e causalidade de Granger bivariadas, e coerência parcial direcionada generalizada (GPDC). A GPDC foi medida em cinco frequências entre quatro pares de regiões que demonstraram a mais forte evidência para diminuição da espessura cortical linearmente, medido pela estatística-t associada, e suas alterações ao longo do envelhecimento foram estudadas usando uma abordagem multivariada baseada na Regressão de Dirichlet. Também estudamos associações espaciais entre padrões de alterações morfométricas e na conectividade. Reproduzimos a atrofia generalizada devido à idade reportada na literatura no volume cortical (90% das estruturas estudadas), área de superfície (68%) e espessura (90%), e atrofia volumétrica de várias estruturas subcorticais. Observamos uma associação positiva na distribuição conjunta do valor esperado da espessura cortical aos 18 anos de idade e a redução percentual anual na espessura cortical. Mostramos, ao projetar ambos em seus eixos principais e analizar a distribuição espacial desses índices, que a primeira componente principal correlaciona-se com a granularidade neocortical enquanto que a segunda componente principal representa o tipo cortical. Sobre a conectividade funcional, colhemos evidências para um aumento geral no coeficiente de correlação de Pearson (6% das conexões no Pilot NKI-RS e 2% no Enhanced NKI-RS), com menor proporção de decréscimos (0.1% no Pilot NKI-RS e 0.3% no Enhanced NKI-RS). O coeficiente de correlação parcial de Pearson entre 12 de 65 pares de regiões homotópicas demonstra um padrão de declínio com a idade, sugerindo desconexão inter-hemisférica. No entanto, a causalidade preditiva, como medida através de ambas as métricas de causalidade de Granger, não aparenta o mesmo grau de mudanças observado nas medidas correlacionais. Observamos aumentos na GPDC de várias regiões para si próprias em muitas frequências (25% de um total de 40 auto-conexões), que indica um grau de disconexão às outras regiões. Dadas regiões semente, revelamos padrões significativos espacialmente distribuídos de associação entre efeitos padronizados da idade na conectividade para seus alvos e das espessuras dos alvos. Regiões com menor evidência para o desbastamento relacionado com a idade, como várias áreas occipitais, tendem a ter menos alterações em sua conectividade funcional que regiões com maior evidência suportando o desbastamento cortical relacionado à idade, como diversas regiões frontais. Hipotetizamos que regiões cuja associação é negativa (5% das regiões semente) são parte de sistemas compensatórios, estando correlacionadas com regiões que demonstram os maiores graus de atrofia de modo crescente. Regiões cuja associação é positiva (5%) não teriam mecanismos compensatórios à disposição, e portanto perdem conectividade para regiões atróficas. No geral, encontramos evidências para alterações na conectividade e na morfometria cortical e subcortical no cérebro todo ao longo da extensão da vida adulta humana. Também achamos um padrão específico de associações entre tendências atróficas e alterações na conectividade cerebral devido à idade
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Estudo de casos de complexidade de coloraÃÃes gulosa de vÃrtices e de arestas / Case studies of complexity of greedy colorings of vertices and edges

Ana Karolinna Maia de Oliveira 07 April 2011 (has links)
Os problemas de colorac Ëao de vÂertices e de arestas, que consistem em determinar o menor nÂumero de cores necessÂarias para colorir os vÂertices e arestas de um grafo, respectivamente, de forma que vÂertices adjacentes e arestas adjacentes, respectivamente, possuem cores distintas, sËao problemas computacionalmente difÂ&#305;ceis e sËao objeto de pesquisa recorrente em teoria do grafos em virtude de inÂumeros problemas prÂaticos que eles modelam. No presente trabalho, estudamos o pior desempenho dos algoritmos gulosos de colorac Ëao de vÂertices e de arestas. O algoritmo guloso tem o seguinte princÂ&#305;pio geral: receber, um a um, os vÂertices (respect. as arestas) do grafo a ser colorido, atribuindo sempre a menor cor possÂ&#305;vel ao vÂertice (resp. aresta) a ser colorido. Observamos que colorir de forma gulosa as arestas de um grafo equivale a colorir de forma gulosa o seu grafo linha, tendo sido este o maior interesse na pesquisa em colorac Ëao gulosa de arestas. O pior desempenho dos algoritmos Âe medido pelo maior nÂumero de cores que eles podem utilizar. No caso da colorac Ëao gulosa de vÂertices, esse Âe o nÂumero de Grundy ou nÂumero cromÂatico guloso do grafo. No caso da colorac Ëao de arestas, esse Âe o Â&#305;ndice cromÂatico guloso ou Â&#305;ndice de Grundy do grafo. Sabe-se que determinar o nÂumero de Grundy de um grafo qualquer Âe NP-difÂ&#305;cil. A complexidade de determinar o Â&#305;ndice de Grundy de um grafo qualquer era entretanto um problema em aberto. Na presente dissertac Ëao, provamos dois resultados de complexidade. Provamos que o nÂumero de Grundy de um grafo (q,q&#8722;4) pode ser determinado em tempo polinomial. Essa classe contÂem estritamente a classe dos cografos e P4-esparsos para os quais o mesmo resultado havia sido estabelecido. Esse resultado generaliza portanto aqueles resultados. O algoritmo apresentado usa a decomposicÂËao primeval desses grafos, determinando o parËametro em tempo linear. No que se refere `a colorac Ëao de arestas, provamos que o problema de determinar o Â&#305;ndice de Grundy Âe NP-completo para grafos em geral e polinomial para grafos caterpillar, implicando que o nÂumero de Grundy Âe polinomial para os grafos linha desses. Mais especificamente provamos que o Â&#305;ndice de Grundy dos caterpillar Âe D ou D+1 e apresentamos um algoritmo polinomial para determinÂa-lo exatamente. / The vertices and edges colorings problems, which consists in determine the smallest number of colors needed to color the vertices and edges of a graph, respectively, so that adjacent vertices and adjacent edges, respectively, have distinct colors, are computationally hard problems and recurring subject of research in graph theory due to numerous practical problems they model. In this work, we study the worst performance of greedy algorithms for coloring vertices and edges. The greedy algorithm has the following general principle: to receive, one by one, the vertices (respect. edges) of the graph to be colored by assigning always the smallest possible color to the vertex (resp. edge) to be colored. We note that so greedy coloring the edges of a graph is equivalent to greedily coloring its line graph, this being the greatest interest in research on greedy edges coloring. The worst performance of the Algorithms is measured by the greatest number of colors they can use. In the case of greedy vertex coloring, this is the number of Grundy or greedy chromatic number of the graph. For the edge coloring, this is the greedy chromatic index or Grundy index of the graph. It is known that determining the Grundy number of any graph is NP-hard. The complexity of determining the Grundy index of any graph was however an open problem. In this dissertation, we prove two complexity results. We prove that the Grundy number of a (q,q&#8722;4)-graph can be determined in polynomial time. This class contains strictly the class of cografos P4-sparse for which the same result had been established. This result generalizes so those results. The presented algorithm uses the primeval decomposition of graphs, determining the parameter in linear time. About greedy edge coloring, we prove that the problem of determining the Grundy index is NP-complete for general graphs and polynomial for catepillar graphs, implying that the Grundy number is polynomial for graphs of line of caterpillars. More specifically, we prove that the Grundy index of a caterpillar is D or D+1 and present a polynomial algorithm to determine it exactly.
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Conectividade para um modelo de grafo aleatório não homogêneo / Connectivity to an inhomogeneous random graph model

Sartoretto, Eduardo Zorzo 08 March 2016 (has links)
A caracterização de redes e o estudo de sistemas, ambos utilizando grafos, é algo muito usado por várias áreas científicas. Uma das linhas deste estudo é denominada de grafos aleatórios, que por sua vez auxilia na criação de modelos para análise de redes reais. Consideramos um modelo de grafo aleatório não homogêneo criado por Kang, Pachón e Rodríguez (2016), cuja construção é feita a partir da realização do grafo binomial G(n; p). Para este modelo, estudamos argumentos e métodos usados para encontrar resultados sobre o limiar de conectividade, importante propriedade relacionada a existência assintótica de vértices e componentes isolados. Em seguida, constatamos algumas características positivas e negativas a respeito da utilização do grafo para modelar redes reais complexas, onde usamos de simulações computacionais e medidas topológicas. / The characterization of networks and the study of systems, both using graphs, is very used by several scientific areas. One of the lines of this study is called random graphs, which in turn assists in creating models for the analysis of real networks. We consider an inhomogeneous random graph model created by Kang, Pachón e Rodríguez (2016), where its construction is made from the realization of the binomial graph G(n; p). For this model, we studied the arguments and methods used to find results on the connectivity threshold, important property related to asymptotic existence of vertices and isolated components. Then we found some positive and negative characteristics about the use of the graph to model complex real networks, using computer simulations and topological measures.
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Study of human structural brain connectivity in healthy aging based on tracts / Estudo da conectividade estrutural cerebral humana no envelhecimento sadio baseado em tratos

Pinto, Maíra Siqueira 14 March 2018 (has links)
The human brain changes in a complex and heterogeneous way throughout life, the normal aging process is associated to significant alterations in the axonal connections. In this study, we evaluated the age-related changes in physical parameters associated with the brain white and gray matter integrity in healthy subjects, as well as the possible correlation between them in specific tracts. Structural images (1 mm isotropic) and diffusion weighted images (2 mm isotropic, b = 1000 s /mm2) of 158 healthy individuals aged between 18 and 83 years were retrospectively collected at the Clinics Hospital of Ribeirao Preto, after their acquisition in a 3T MR scanner. From the structural images, the cortical thickness was estimated and the age effect was evaluated in several regions based on the Atlas of Destrieux. The diffusion-weighted images were processed to characterize the intravoxel diffusion using two models: diffusion tensor (DT) and constrained spherical deconvolution (CSD). Fractional anisotropy (FA) and apparent density of fiber (AFD) maps were estimated and used in statistical group analysis between the three groups separated by age. The most relevant brain tracts were segmented by three procedures: manually, automatically with a specific tool and based on automatic segmented cortical regions. Physical parameters of diffusion (anisotropy and diffusivities) were evaluated in the segmented tracts to determine the age-related changes. The connectome analysis based on two cortical parcellations was performed to evaluate the age effect on characteristic structural brain network parameters. The tract-cortical relationship was evaluated considering the anisotropy of each tract and the thickness of the cortical areas at the end of the corresponding tract. Further analysis was performed to evaluate a possible association of structural and functional connectivity in the corpus callosum (CC). There was significant cortical thinning in 88.5% of the regions during life (p <0.05, corrected for multiple comparisons); the frontal region was the most affected in the initial aging (after 40 years), and the occipital and temporal regions in the elderly (after 60 years). Similarly, the group analysis demonstrated a global pattern of reduction of FA and AFD in the white matter, with a higher rate of degradation of integrity from the sixth decade of life. The manual selection of tracts from the DT model proved to be the most reliable methodology in the precise definition of the tracts for our data. Following this methodology, analysis of anisotropy and diffusion parameters also indicated degeneration of white matter in normal aging in all studied brain tracts and corroborated to the antero-posterior gradient of degeneration in the CC. Fornix was the most affected tract bilaterally, with a 3.5% reduction and an increase of 4% per decade in these parameters, respectively; followed by CC. In the evaluation of the age effect on the connectome estimates, regardless of diffusion model and cortical atlas, there was a decrease in global efficiency, number of connections and local efficiency with aging, mainly in the prefrontal, temporal and parietal and its connections. In the tract-cortical analysis, cortical regions connected by tracts demonstrated similar thinning patterns for the majority of tracts, and a significant relation between mean cortical thinning rate and FA/MD alteration rates were found. In all evaluated tracts, age was the main effect controlling diffusion parameters alterations; there were no direct correlations with cortical thickness for the majority of tracts. Only for the fornix, the values of FA and MD showed significant correlation with the cortical thickness of the subcallosal gyrus in both hemispheres during aging (p <0.05 corrected). For the other tracts, CC, Inferior Longitudinal Fasciculus, Uncinated Fasciculus, Inferior Fronto-occipital Fasciculus, Corticospinal Tract, Cingulum and Arcuate Fasciculus, age was the main effect controlling alterations in the parameters, but there were no direct correlations between FA and MD and cortical thickness during the aging process. / O cérebro humano muda de forma complexa e heterogênea ao longo da vida, o processo de envelhecimento normal tem associado significativas alterações nas conexões axonais. Neste estudo, avaliamos as mudanças relacionadas à idade em parâmetros físicos associados à integridade das substâncias branca e cinzenta cerebral em sujeitos saudáveis, assim como a possivel correlação entre eles em tratos específicos. Imagens estruturais (1 mm isotrópica) e imagens ponderadas em difusão (2 mm isotrópica e b=1000 s/mm2) de 158 indivíduos saudáveis entre 18 a 83 anos foram coletadas retrospectivamente no Hospital das Clinícas de Ribeirão Preto, após sua aquisição em aparelho de ressonância magnética de 3 Teslas. A partir das imagens estruturais, a espessura cortical foi estimada e o efeito de idade nela foi avaliado em diversas regiões tomando com base o atlas de Destrieux. As imagens ponderadas em difusão foram processadas para caracterizar a difusão intravoxel utilizando dois modelos: tensor de difusão (DT) e deconvolução esférica restrita (CSD). Mapas de anisotropia fracionada (FA) e densidade aparente da fibra (AFD) foram estimados e usados em analise estatistica de três grupos separados por faixa etária. Os tratos cerebrais mais relevantes foram segmentados por tres procedimentos: manualmente, automaticamente com uma ferramenta especifica e com base em regiões corticais automaticante segmentadas. Parâmetros físicos de difusão (anisotropia e difusibilide) foram avaliados nos tratos segmentados para determinar as alterações relacionadas à idade. A análise de conectoma baseada em dois parcelamentos corticais foi realizada para avaliar também o efeito da idade em parâmetros caracteristicos da rede estrutural cerebral. A relação trato-cortical foi avaliada considerando a anisotropia de cada trato e as espessuras das áreas corticais nas extremidades do trato correspondente. Uma análise adicional foi realizada para avaliar uma possivel associação de onetividades estrutural e funcional no corpo caloso (CC). Houve afinamento cortical significativo em 88,5% das regiões durante a vida (p <0,05, corrigido); a região frontal foi a mais afetada no envelhecimento inicial (após 40 anos), e as regiões occipital e temporal nos idosos (após 60 anos). Similarmente, a análise de grupo demonstrou um padrão global de redução de FA e AFD na substância branca, com uma maior taxa de degradação de integridade a partir da sexta década de vida. A seleção manual de tratos baseada no modelo de DT mostrou-se a metodologia mais confiavél na precisa definição dos tratos nos nossos dados. Seguindo essa metodologia, a análise dos parâmetros de anistropia e difusão também indicou degeneração de substância branca no envelhecimento normal em todos os tratos cerebrais estudados e corroborou o gradiente ântero-posterior de degeneração no CC. O fornix foi o trato mais afetado bilatreamente com redução de 3.5% e aumento de 4% por década nesses parâmetros, respectivamente; seguido do CC. Na avaliação do efeito da idade nas estimativas do conectoma, independentemente do modelo de difusão e do atlas cortical usado, houve uma diminuição da eficiência global com o envelhececimento, do número de conexões e da eficiência local, principalmente nas regiões pré-frontal, temporal e parietal e suas conexões. Nas análises trato-corticais, as regiões corticais conectadas por tratos mostraram padrões de afinamento similares para a maioria dos tratos, e uma correlação significativa entre a taxa média de afinamento cortical e as taxas de alteração de FA e difusibilidade média (MD) foram encontradas. Em todos os tratos avaliados, a idade foi o principal efeito controlando das alterações dos parâmetros de difusão; não houve correlações diretas com espessura cortical para a maioria dos tratos. Somente para o fornix, os valores de FA e MD mostraram correlação com a espessura cortical do giro subcalosal (parcelamento de Destrieux) em ambos os hemisférios durante o envelhecimento (p <0,05 corrigido). Para os outros tratos, CC, fascículo longitudinal inferior, fascículo uncinado, fascículo occipitofrontal inferior, trato cortico-espinal, parte cingulada do cíngulo e fascículo arqueado, a idade foi o principal efeito no controle das alterações dos parâmetros, mas não houve correlações diretas entre FA e MD e espessura cortical durante o processo de envelhecimento
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Conectividade do grafo aleatório de Erdös-Rényi, e de uma variante com conexões locais / Connectivity for the Erdös-Rényi random graph, and a variant with local connections

Bedia, Elizbeth Chipa 24 March 2016 (has links)
Dizemos que um grafo e conectado se existe um caminho de arestas entre quaisquer par de vértices. O grafo aleatório de Erdös-Rényi com n vértices e obtido conectando cada par de vértice com probabilidade pn &isin; (0, 1), independentemente dos outros. Neste trabalho, estudamos em detalhe o limiar da conectividade na probabilidade de conexão pn para grafos aleatórios Erdös-Rényi quando o número de vértices n diverge. Para este estudo, revisamos algumas ferramentas probabilísticas básicas (convergência de variáveis aleatórias e Métodos do primeiro e segundo momento), que também irão auxiliar ao melhor entendimento de resultados mais complexos. Além disto, aplicamos os conceitos anteriores para um modelo com uma topologia simples, mais especificamente estudamos o comportamento assintótico da probabilidade de não existência de vértices isolados, e discutimos a conectividade ou não do grafo. Por m mostramos a convergência em distrubuição do número de vértices isolados para uma Distribuição Poisson do modelo estudado. / We say that a graph is connected if there is a path edges between any pair of vertices. Random graph Erdös-Rényi with n vertices is obtained by connecting each pair of vertex with probability pn &isin; (0, 1) independently of the others. In this work, we studied in detail the connectivity threshold in the connection probability pn for random graphs Erdös-Rényi when the number of vertices n diverges. For this study, we review some basic probabilistic tools (convergence of random variables and methods of the first and second moment), which will lead to a better understanding of more complex results. In addition, we apply the above concepts for a model with a simple topology, specifically studied the asymptotic behavior of the probability of non-existence of isolated vertices, and we discussed the connectivity or not of the graph. Finally we show the convergence in distribution of the number of isolated vertices for a Poisson distribution of the studied model.
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Brain functional connectivity in regions that exhibit age-related cortical thinning / Estudo da conectividade funcional cerebral em regiões com redução da espessura cortical associadas ao envelhecimento sadio

Vieira, Bruno Hebling 22 February 2018 (has links)
The brain ages, and with it come alterations in its micro- and macro-structure which reflect in its morphology and functioning. Changes in the brain structure and functional coupling between regions can be assessed with neuroimaging, and, more specifically, magnetic resonance imaging (MRI). Using MRI data from two stages (Pilot and Enhanced) of the Nathan Kline Institute Rockland Sample (NKI-RS), totalling 613, free of neurodegenerative diseases, and right-handed, participants aged 18 to 85 years old, we measured gray-matter parameters such as cortical volume, cortical thickness, and cortical surface area, and also volume of subcortical structures. We also measured cortico-cortical functional connectivity, defined either as the Pearson correlation coefficient and partial correlation coefficient, bivariate instantaneous Granger causality and Granger causality, and generalized partial directed coherence (GPDC). GPDC was evaluated in five frequencies between the four pairs of regions displaying the strongest evidence for linear thinning, measured by their associated t-statistic, and its alterations alongside aging were assessed using a multivariate approach based on Dirichlet Regression. We also studied spatial associations between patterns of morphometric and connectivity alterations. We reproduced generalized age-related atrophy reported in the literature in cortical volume (90% of the studied structures), surface area (68%) and thickness (90%), and volumetric atrophy of several subocortical structures. We observe a positive association in the joint distribution of the expected cortical thickness at 18 years old and the yearly percentage reduction in cortical thickness. We showed, projecting these two quantitities into their principal axes and analyzing the spatial distribution of the scores, that the first principal component correlates with neocortical granularity while the second principal component represents cortical type admixture. On functional connectivity, we gathered evidence for overall increased Pearson correlation coefficient (6% of the connections in the Pilot NKI-RS and 2% in the Enhanced NKI-RS), with proportionally smaller number of decreases (0.1% in the Pilot NKI-RS and 0.3% in the Enhanced NKI-RS). The Pearson partial correlation coefficient between 12 out of 65 homotopic region pairs shows a pattern of decline with age, suggesting inter-hemispheric disconnection. However, predictive causality, as measured by both Granger causalities, do not share the same degree of changes observed in the correlational metrics. We observe increased GPDC from several regions to themselves in many frequencies (25% out of a total of 40 self-connections), indicating a degree of disconnection to the other regions. Given seed regions, we uncovered spatially distributed significant patterns of association between the standardized effect of age on the connectivity to its targets and on their targets thicknesses. Regions with smaller evidence for age-related thinning, such as several occipital areas, tend to have fewer alterations in functional connectivity than regions with greater evidence for age-related thinning, like many frontal regions. We hypothesize that regions showing a negative association (5% of the seed regions) are part of compensatory systems, being increasingly correlated with regions displaying most atrophy. Regions showing a positive association (5%) do not have compensatory mechanisms available, and therefore are losing connectivity to atrophyc regions. Overall, we found evidence for brainwide alterations in connectivity and cortical and subcortical morphometry throughout the human adult lifespan. We also found a specifc pattern of associations between the atrophic trends and age-related alterations in connectivity in the brain / O cérebro envelhece, e com isso vêm à tona alterações em sua micro e macroestrutura que se refletem em sua morfologia e funcionamento. Mudanças na estrutura cerebral e acoplamento funcional entre suas regiões podem ser averiguadas através da neuroimagem, e, mais especificamente, imagem por ressonância magnética (IRM). Usando dados de IRM das duas etapas (Pilot and Enhanced) do Nathan Kline Institute Rockland Sample (NKI-RS), totalizando 613 participantes destros, livres de doenças neurodegenerativas, com idade entre 18 e 85 anos, medimos parâmetros de substância cinzenta como volume, espessura, e área de superfície corticais, e também volume de estruturas subcorticais. Também medimos conectividade funcional cortico-cortical, definida como o coeficiente de correlação de Pearson, coeficiente de correlação parcial de Pearson, causalidade instântanea de Granger e causalidade de Granger bivariadas, e coerência parcial direcionada generalizada (GPDC). A GPDC foi medida em cinco frequências entre quatro pares de regiões que demonstraram a mais forte evidência para diminuição da espessura cortical linearmente, medido pela estatística-t associada, e suas alterações ao longo do envelhecimento foram estudadas usando uma abordagem multivariada baseada na Regressão de Dirichlet. Também estudamos associações espaciais entre padrões de alterações morfométricas e na conectividade. Reproduzimos a atrofia generalizada devido à idade reportada na literatura no volume cortical (90% das estruturas estudadas), área de superfície (68%) e espessura (90%), e atrofia volumétrica de várias estruturas subcorticais. Observamos uma associação positiva na distribuição conjunta do valor esperado da espessura cortical aos 18 anos de idade e a redução percentual anual na espessura cortical. Mostramos, ao projetar ambos em seus eixos principais e analizar a distribuição espacial desses índices, que a primeira componente principal correlaciona-se com a granularidade neocortical enquanto que a segunda componente principal representa o tipo cortical. Sobre a conectividade funcional, colhemos evidências para um aumento geral no coeficiente de correlação de Pearson (6% das conexões no Pilot NKI-RS e 2% no Enhanced NKI-RS), com menor proporção de decréscimos (0.1% no Pilot NKI-RS e 0.3% no Enhanced NKI-RS). O coeficiente de correlação parcial de Pearson entre 12 de 65 pares de regiões homotópicas demonstra um padrão de declínio com a idade, sugerindo desconexão inter-hemisférica. No entanto, a causalidade preditiva, como medida através de ambas as métricas de causalidade de Granger, não aparenta o mesmo grau de mudanças observado nas medidas correlacionais. Observamos aumentos na GPDC de várias regiões para si próprias em muitas frequências (25% de um total de 40 auto-conexões), que indica um grau de disconexão às outras regiões. Dadas regiões semente, revelamos padrões significativos espacialmente distribuídos de associação entre efeitos padronizados da idade na conectividade para seus alvos e das espessuras dos alvos. Regiões com menor evidência para o desbastamento relacionado com a idade, como várias áreas occipitais, tendem a ter menos alterações em sua conectividade funcional que regiões com maior evidência suportando o desbastamento cortical relacionado à idade, como diversas regiões frontais. Hipotetizamos que regiões cuja associação é negativa (5% das regiões semente) são parte de sistemas compensatórios, estando correlacionadas com regiões que demonstram os maiores graus de atrofia de modo crescente. Regiões cuja associação é positiva (5%) não teriam mecanismos compensatórios à disposição, e portanto perdem conectividade para regiões atróficas. No geral, encontramos evidências para alterações na conectividade e na morfometria cortical e subcortical no cérebro todo ao longo da extensão da vida adulta humana. Também achamos um padrão específico de associações entre tendências atróficas e alterações na conectividade cerebral devido à idade
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Monitoramento ambiental de vinhedos utilizando uma rede de sensores sem fio que coleta dados com um intervalo de amostragem variável. / Environmental monitoring of vineyards using a wireless sensor network that collect data with a variable sampling interval.

Congona Benavente, Juan Carlos 24 November 2010 (has links)
Neste trabalho foi realizado um estudo de aspectos relacionados ao uso de uma Rede de Sensores sem Fio, como uma tecnologia de apoio para o monitoramento ambiental em vinhedos. Com o intuito de estender o tempo de duração das baterias dos nos sensores dessa rede, procurou-se evitar coletas desnecessárias de dados. O programa aplicativo dos nos foi redefinido para possibilitar a escolha de um intervalo de amostragem próximo das necessidades, sendo essa escolha feita pelos próprios nos, a partir de condições predefinidas no aplicativo. A área de aplicação escolhida foi a viticultura, devido a grande influencia das condições ambientais no desenvolvimento fisiológico das videiras, influenciando no rendimento e na qualidade das uvas produzidas, justificando a adoção de um sistema de monitoramento. Uma das características dessas redes que motiva a sua aplicação na área agrícola e a possibilidade de coleta de dados com a resolução espaço-temporal adequada, permitindo aplicar eficientemente os conceitos da Agricultura de Precisão. Realizaram-se experimentos em um parreiral cultivado sob cobertura plástica, localizado em Bento Gonçalves, RS. Os aspectos da rede estudados compreenderam: o alcance de conectividade e qualidade do enlace entre os nos e a estação base; o desempenho da rede com os nos posicionados em diferentes alturas; a exatidão dos dados coletados, em comparação com um equipamento de maior precisão; e a avaliação da variabilidade microclimática dentro do parreiral. A validação da proposta envolveu a implementação de um protótipo funcional, testado em laboratório. O modelo proposto permitiu estimar o tempo de vida dos nos, considerando-se parâmetros como o tipo de bateria, o intervalo de amostragem e o tamanho do pacote de dados enviados pelos nos. Os resultados obtidos evidenciaram a existência de variabilidade microclimática tanto em diferentes alturas da videira, como espacialmente, dentro do parreiral. A interferência dos vegetais devido a água que contém foi avaliada a partir de dois parâmetros: o indicador de intensidade de sinal recebido e de qualidade de enlace, que indicaram maior interferência na altura do dossel das videiras. A correlação entre esses parâmetros levou a constatação que o melhor desempenho e o maior alcance de conectividade ocorrem com os nos posicionados na altura do cacho das videiras se comparados com as medições realizadas no dossel. A amostragem variável permitiu uma economia no numero de pacotes enviados, com menor consumo de energia, o que foi comprovado com o modelo proposto para tal finalidade. / A study of issues related to using a Wireless Sensor Network was carried out, as an enabling technology for environmental monitoring in vineyards. In order to extend the duration of sensor nodes batteries of the network, collecting unnecessary data was avoided. The nodes application program was redefined to allow the choice of a sampling interval close to the needs, and the choice made by the nodes themselves, based on predefined conditions in their application. The application area chosen was the viticulture because of the large influence of environmental conditions on the physiological development of the vines, influencing the yield and quality of produced grapes, justifying the adoption of a monitoring system. One of the characteristics of such networks that motivates its application in agriculture is the possibility of collecting data with the appropriate spatial and temporal resolution, allowing to efficiently apply the concepts of Precision Agriculture. Experiments were conducted in a vineyard cultivated under plastic overhead cover, situated in Bento Gonçalves, RS. The network aspects studied involved: connectivity range and link quality between nodes and gateway; network performance with nodes positioned at different heights; collected data accuracy, compared with a higher precision equipment; and microclimatic variability evaluation within the vineyard. The proposal validation involved the implementation of a functional prototype, tested in the laboratory. The model allowed estimating the nodes lifetime, considering parameters such as battery type, sampling interval and data packet size sent by sensor nodes. Results showed the existence of microclimatic variability both at different heights of the vine, and spatially within the vineyard. Vegetables interference due to the water contained in them was evaluated from two parameters: Received Signal Strength Indicator and Link Quality Indicator, which indicated greater interference in the height of the vines canopy. The correlation between these parameters led to the conclusion that the best performance and increased connectivity range occur with nodes positioned at the height of the bunch of grapes as compared with measurements made in the canopy. The variable sampling allowed savings in the number of sent packets, with lower power consumption, which agrees with the proposed model for this purpose.
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Uma abordagem ciente de contexto e embasada por feedbacks para o gerenciamento de handovers em ambientes NGN / A context-aware and feedback-based approach for handover management in NGN

Roberto Rigolin Ferreira Lopes 20 June 2012 (has links)
A evolução da computação móvel melhora a capacidade de comunicação e colaboração das pessoas. Os principais pilares desta transformação são: o desenvolvimento e produção de dispositivos móveis com capacidade multimídia e equipados com duas ou mais interfaces de rede, a disponibilidade de conectividade sem fio ubíqua e a popularização de aplicações sociais online. As redes sociais online merecem destaque pelas funcionalidades que permitem a criação e compartilhamento de conteúdo digital dentro de círculos sociais, também chamado de mídia social. Serviços na web anexam a localização geográfica do dispositivo ao conteúdo digital, criando as chamadas mídias sociais baseadas em localização. Equipadas com seus telefones e tablets, as pessoas estão criando e consumindo mídias sociais em qualquer lugar. Entretanto, é um desafio manter tais dispositivos móveis conectados nos ambientes de rede sem fio atuais e de próxima geração e.g., múltiplos provedores de acesso e múltiplas tecnologias de comunicação. Pesquisas recentes propõem componentes para o gerenciamento de conectividade sem fio que fazem uso simultâneo do contexto de conectividade atual e de um conjunto destes dados coletados no passado. Tais componentes são preditores de mobilidade, mecanismos de handover ou gerenciadores de mobilidade que utilizam dados de contexto de conectividade de forma particular para atingir seus propósitos. Na presente investigação, propomos uma metodologia que orquestra os principais componentes de gerenciamento de conectividade em um laço retro alimentado. Argumentamos que a coleta de dados de contexto de conectividade pode ser projetada como um sistema de sensoreamento, cujo sensores são as interfaces de rede sem fio. Como parte deste sistema de sensoriamento, os círculos sociais podem assistir o gerenciamento de conectividade compartilhando dados de contexto de conectividade. A ideia central é utilizar serviços baseados em localização para compartilhar dados de contexto de conectividade dentro dos círculos sociais. Desta forma, as redes sociais online adicionam escala para o sistema e permite colaboração em volta de dados de contexto recentes, locais, personalizados e sociais. O objetivo é melhorar experiências de conectividade sem fio e.g., métricas de QoS (Quality of Service) como: vazão, latência e qualidade do sinal. Relatamos como os dados de contexto de conectividade são manipulados com um modelo baseado em grafos e métricas como: intensidade do vértice e grau centralidade. Com isso, identificamos áreas com alta densidade de handovers, definimos a reputação dos usuários e revelamos a cobertura das redes. Resultados de experimentos mostram que a colaboração pode melhorar métricas de QoS de ~18 a ~30% se comparado ao uso de um preditor de mobilidade ou um sistema operacional moderno, respectivamente. Esta discussão se desdobra com foco na viabilidade da solução em termos de sobrecarga de armazenamento e consumo de energia. Os promissores resultados experimentais indicam que nossa solução pode melhorar experiências de conectividade sem fio de usuários móveis / The evolution of mobile computing improves communication and collaboration among people. The main pillars of this transformation are: the development and production of mobile devices with multimedia capabilities and equipped with two or more network interfaces, the availability of ubiquitous wireless connectivity and the popularity of online social applications. Online social networks noteworthy features that allow for the creation and sharing of digital content within social circles, also called textit Social Media. Web Services attach the geographic location of the device to the digital content, creating the so-called textit location-based social media. Equipped with their phones and tablets, people are creating and consuming social media anywhere. However, it is a challenge to keep such mobile devices connected in current and next generation wireless network environments textit e.g., multiple ISPs (Internet Service Provider) and multiple communication technologies. Recent researches proposes components for managing wireless connectivity that make simultaneous use of the current and past connectivity context data. Such components are mobility predictors, handovers mechanisms or mobility managers that use connectivity context data in a particular way to achieve its purposes. In this research, we propose feasiable a methodology that orchestrates the main components of the connectivity management in a feedback loop. We argue that the process of gathering connectivity context data can be designed as a sensing system, whose sensors are wireless network interfaces. As part of this sensing system, the social circles may assist the management of connectivity by sharing connectivity context data. The main idea is to use location-based services to share connectivity context data within social circles. Thus, online social networks add scale to the system and enables collaboration around recent, local, and social context data. The goal is to enhance wireless connectivity experiences in terms of QoS ( textit Quality of Service) metrics textit e.g., throughput, latency and signal quality. We report how this data is handled using complex networks metrics e.g., vertexs strength and centrality degree, to identify high density handover areas, define the mobile users reputation and to reveal the networks coverage. Real experiments showed that collaboration can improve QoS metrics from ~18 to ~30% if compared to just use a mobility predictor or a modern operational system, respectively. The discussion unfolds with focus on the collaborations efficiency as function of time, number of users, discovered area size and mobility patterns. The promising experimental results indicate that our solution can enhance mobile users wireless connectivity experiences

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