Os aspectos morfológicos dos neurônios e estruturas neurais, embora potencialmente importantes, têm recebido relativamente pouca atenção na literatura em neurociência. Este trabalho consiste numa substancial parte de um projeto em desenvolvimento no Grupo de Pesquisa em Visão Cibernética voltado para o estudo da relação formal/função neural. Mais especificamente, o presente trabalho dedica particular atenção para a síntese, modelagem e simulação de estruturas neurais morfologicamente realísticas. A tese se inicia com revisões bibliográficas sobre visão biológica e neurociência, direcionadas aos assuntos a serem aqui abordados. Começamos a descrição dos desenvolvimentos com um levantamento, avaliação e proposta de medidas neuromorfométricas adequadas para exprimir as propriedades mais representativas para nosso trabalho, tais como cobertura espacial, complexidade e decaimento eletrônico. Incluímos nessa parte a metodologia utilizada para a geração de neurônios artificiais bidimensionais estatisticamente semelhantes aos naturais. Apresenta-se também a extensão desta metodologia para o caso tridimensional, validada pela análise neuroinorfométrica dos neurônios gerados. Na seqüência, descrevemos o processo de geração de estruturas neurais compostas de neurônios. Considerando modelos com uma camada neural para a codificação de especificidade de orientação, mas sem levar em conta a forma neural, vários casos são simulados, utilizando gradientes na distribuição dos pesos sinápticos e distribuições regulares ou aleatórias (uniformes) dos neurônios na estrutura. A extensão dessas simulações utilizando estruturas que consideram mais detalhadamente a forma neural, usando agora neurônios artificiais gerados pelo método descrito nesta monografia, é apresentada na seqüência. Entre outros efeitos, mostramos que a extensão da arborização dendrítica é um fator determinante da taxa de convergência e seletividade nos modelos, e que gradientes na extensão das arborizações sinápticas são essenciais para a adequada codificação de orientações em módulos cêntricos contendo somatas aleatoriamente distribuídos. / The morphological aspects of neurons and neural structures, although potentially important, have received relatively little attention in the literature in neuroscience. This work consists in a substantial part of a project in development at the Cybernetic Vision Research Group, directed to the study of the form/function relationship. More specifically, the present work dedicates particular attention to the synthesis, modeling, and simulation of morphologically realistic neural structures. The thesis begins with a bibliographic review about biological vision and neuroscience, focusing on the subjects to be here considered. We start the description of the developments with the revision; evaluation and proposal of neuromorphometric measures adequate express the properties more representative to the work, such as spatial cover, complexity and electrotonic decay. We include in this part the methodology used for the generation of bidimensional artificial neurons statistically similar to natural ones. The extension of these developments to the tridimensional case, including their respective validation (performed in terms of neuromorphometric analysis of the generated neurons) is also presented. Next, we describe the generation process of neural structures composed of neurons. Using one-layer neural models for orientation specificity encoding, but without considering the neural shape, several cases are simulated, using gradients in the distribution of the synaptic weights and regular or random (uniform) distributions of the neurons in the structures. The extension of these simulations using structures that consider the neural form in more detail, composed of artificial neurons generated by the described method in this monograph is presented in the sequence. We show that the extension of the dendritic arborization is a determinant factor on the convergence rate and selectivity in the models, and that gradients in the extension of the synaptic arborizations are essentials for the adequate codification of orientations in centric models containing distributed random somata.

Os aspectos morfológicos dos neurônios e estruturas neurais, embora potencialmente importantes, têm recebido relativamente pouca atenção na literatura em neurociência. Este trabalho consiste numa substancial parte de um projeto em desenvolvimento no Grupo de Pesquisa em Visão Cibernética voltado para o estudo da relação formal/função neural. Mais especificamente, o presente trabalho dedica particular atenção para a síntese, modelagem e simulação de estruturas neurais morfologicamente realísticas. A tese se inicia com revisões bibliográficas sobre visão biológica e neurociência, direcionadas aos assuntos a serem aqui abordados. Começamos a descrição dos desenvolvimentos com um levantamento, avaliação e proposta de medidas neuromorfométricas adequadas para exprimir as propriedades mais representativas para nosso trabalho, tais como cobertura espacial, complexidade e decaimento eletrônico. Incluímos nessa parte a metodologia utilizada para a geração de neurônios artificiais bidimensionais estatisticamente semelhantes aos naturais. Apresenta-se também a extensão desta metodologia para o caso tridimensional, validada pela análise neuroinorfométrica dos neurônios gerados. Na seqüência, descrevemos o processo de geração de estruturas neurais compostas de neurônios. Considerando modelos com uma camada neural para a codificação de especificidade de orientação, mas sem levar em conta a forma neural, vários casos são simulados, utilizando gradientes na distribuição dos pesos sinápticos e distribuições regulares ou aleatórias (uniformes) dos neurônios na estrutura. A extensão dessas simulações utilizando estruturas que consideram mais detalhadamente a forma neural, usando agora neurônios artificiais gerados pelo método descrito nesta monografia, é apresentada na seqüência. Entre outros efeitos, mostramos que a extensão da arborização dendrítica é um fator determinante da taxa de convergência e seletividade nos modelos, e que gradientes na extensão das arborizações sinápticas são essenciais para a adequada codificação de orientações em módulos cêntricos contendo somatas aleatoriamente distribuídos. / The morphological aspects of neurons and neural structures, although potentially important, have received relatively little attention in the literature in neuroscience. This work consists in a substantial part of a project in development at the Cybernetic Vision Research Group, directed to the study of the form/function relationship. More specifically, the present work dedicates particular attention to the synthesis, modeling, and simulation of morphologically realistic neural structures. The thesis begins with a bibliographic review about biological vision and neuroscience, focusing on the subjects to be here considered. We start the description of the developments with the revision; evaluation and proposal of neuromorphometric measures adequate express the properties more representative to the work, such as spatial cover, complexity and electrotonic decay. We include in this part the methodology used for the generation of bidimensional artificial neurons statistically similar to natural ones. The extension of these developments to the tridimensional case, including their respective validation (performed in terms of neuromorphometric analysis of the generated neurons) is also presented. Next, we describe the generation process of neural structures composed of neurons. Using one-layer neural models for orientation specificity encoding, but without considering the neural shape, several cases are simulated, using gradients in the distribution of the synaptic weights and regular or random (uniform) distributions of the neurons in the structures. The extension of these simulations using structures that consider the neural form in more detail, composed of artificial neurons generated by the described method in this monograph is presented in the sequence. We show that the extension of the dendritic arborization is a determinant factor on the convergence rate and selectivity in the models, and that gradients in the extension of the synaptic arborizations are essentials for the adequate codification of orientations in centric models containing distributed random somata.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:54:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ElderECO_TESE_Capa_ate_pag86.pdf: 3877192 bytes, checksum: d9b068e5eaa76a69d5a1fa1f245dbc5d (MD5) Previous issue date: 2011-09-02 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The search for ever smaller device and without loss of performance has been increasingly investigated by researchers involving applied electromagnetics. Antennas using ceramics materials with a high dielectric constant, whether acting as a substract element of patch radiating or as the radiant element are in evidence in current research, that due to the numerous advantages offered, such as: low profile, ability to reduce the its dimensions when compared to other devices, high efficiency of ratiation, suitability the microwave range and/or millimeter wave, low temperature coefficient and low cost. The reason for this high efficiency is that the dielectric losses of ceramics are very low when compared to commercially materials sold used in printed circuit boards, such as fiberglass and phenolite. These characteristics make ceramic devices suitable for operation in the microwave band. Combining the design of patch antennas and/or dielectric resonator antenna (DRA) to certain materials and the method of synthesis of these powders in the manufacture of devices, it s possible choose a material with a dielectric constant appropriate for the design of an antenna with the desired size. The main aim of this work is the design of patch antennas and DRA antennas on synthesis of ceramic powders (synthesis by combustion and polymeric precursors - Pe- chini method) nanostructured with applications in the microwave band. The conventional method of mix oxides was also used to obtain nanometric powders for the preparation of tablets and dielectric resonators. The devices manufactured and studied on high dielectric constant materials make them good candidates to have their small size compared to other devices operating at the same frequency band. The structures analyzed are excited by three different techniques: i) microstrip line, ii) aperture coupling and iii) inductive coupling. The efficiency of these techniques have been investigated experimentally and compared with simulations by Ansoft HFSS, used in the accurate analysis of the electromagnetic behavior of antennas over the finite element method (FEM). In this thesis a literature study on the theory of microstrip antennas and DRA antenna is performed. The same study is performed about the materials and methods of synthesis of ceramic powders, which are used in the manufacture of tablets and dielectric cylinders that make up the devices investigated. The dielectric media which were used to support the analysis of the DRA and/or patch antennas are analyzed using accurate simulations using the finite difference time domain (FDTD) based on the relative electrical permittivity (er) and loss tangent of these means (tand). This work also presents a study on artificial neural networks, showing the network architecture used and their characteristics, as well as the training algorithms that were used in training and modeling some parameters associated with the devices investigated / A busca por dispositivos cada vez menores e sem perda de desempenho vem sendo cada dia mais investigada pelos pesquisadores da ?rea envolvendo eletromagnetismo apli- cado. Antenas utilizando materiais cer?micos com uma alta constante diel?trica, sejam elas atuando como substrato do elemento patch radiante ou como sendo o pr?prio ele- mento radiante est?o em evid?ncia nas pesquisas atuais, isso devido ?s in?meras vantagens que apresentam, tais como: baixo perfil, capacidade de redu??o de suas dimens?es (quando comparado a outros dispositivos), alta efici?ncia de radia??o, adequabilidade a faixa de micro-ondas e/ou ondas milim?tricas, baixo coeficiente de temperatura e baixo custo. A raz?o para essa alta efici?ncia ? que as perdas diel?tricas das cer?micas s?o muito baixas, quando comparadas ?s dos materiais comercialmente usados em placas de circuito impresso, tais como: fibra de vidro e fenolite. Essas caracter?sticas tornam os dispositivos cer?micos adequados para operar na faixa de micro-ondas. Aliando o projeto de antenas patch e/ou antenas ressoadoras diel?tricas (DRA) ao uso de certos materiais e ao m?todo de s?ntese desses p?s na fabrica??o dos dispositivos, ? poss?vel escolher um material com uma determinada constante diel?trica para o projeto de uma antena com o tamanho desejado. O objetivo principal deste trabalho consiste no projeto de antenas patches e antenas DRA sob s?ntese de p?s cer?micos (s?ntese por combust?o e por precursores polim?ricos - m?todo Pechini) nanoestruturados para aplica??es na faixa de micro-ondas. O m?todo convencional de mistura de ?xidos tamb?m foi utilizado na obten??o de p?s nanom?tricos para a confec??o das pastilhas e ressoadores diel?tricos. Os dispositivos fabricados e estudados sobre materiais de alta constante diel?trica os tornam bons candidatos ? fabrica??o de dispositivos e circuitos de dimens?es reduzidas quando comparado aos outros dispositivos tradicionais operando na mesma faixa de frequ?ncia. As estruturas analisadas s?o excitadas por tr?s diferentes t?cnicas: i) linha de microfita, ii) acoplamento por abertura e iii) acoplamento indutivo. A efici?ncia dessas t?cnicas de alimenta??o s?o investigadas experimentalmente e comparada com simula??es realizadas pelo Ansoft HFSS, utilizado na an?lise precisa do comportamento eletromagn?tico das antenas atrav?s do m?todo dos elementos finitos (FEM). Nesta tese um estudo bibliogr?fico sobre teoria de antenas de microfita e antenas DRA ? realizado. O mesmo estudo ? realizado a respeito dos materiais e dos m?todos de s?ntese dos p?s cer?micos que s?o utilizados na fabri- ca??o das pastilhas e dos cil?ndros diel?tricos que compor?o os dispositivos investigados. Os meios diel?tricos os quais serviram de suporte na an?lise das antenas patch e/ou DRA s?o analisados atrav?s de simula??es precisas utilizando o m?todo das diferen?as finitas no dom?nio do tempo (FDTD) com base na permissividade el?trica relativa (er) e tangente de perda desses meios (tand). Este trabalho ainda apresenta um estudo em redes neurais artificiais, evidenciando a arquitetura de rede utilizada e suas caracter?sticas, bem como os algoritmos de treinamento que foram usados no treinamento e na modelagem de alguns par?metros associados aos dispositivos investigados