Neuromodulation, such as spinal cord stimulation (SCS) and deep brain stimulation (DBS), has been shown to modulate pathophysiological brain activity and provide symptomatic therapy for several neurological disorders, including Parkinson’s Disease. The effectiveness of this therapy could likely be further improved by neuromodulation that is adaptive, delivering stimulation more selectively, by monitoring a biomarker in recorded brain signals, which indicates the presence of a pathological state. In the treatment of Parkinson’s Disease, the most commonly proposed solutions for adaptive neuromodulation are relying on excessive beta-band oscillatory activity as a biomarker, which is however often highly variable between patients during movement and in conjunction with neuromodulatory treatment, such as levodopa. These limitations hinder broader use of this biomarker and prompts further research for alternative solutions. In this work, we instead present the use of a novel feature of evoked electrophysiological activity, which utilizes the inter-trial phase coherence between stimulation pulses, to classify parkinsonian brain states in 6-OHDA lesioned rats. We developed a method, which relates to the rate of decay in inter-tral phase coherence, evoked by single SCS or DBS pulses, that is able to statistically separate experimental conditions recorded from a dopaminergic depleted hemisphere from conditions a non-depleted hemisphere, while also being able to separate conditions with levodopa treatment from conditions without treatment. For animals undergoing SCS we can classify phase decay measurements from pharmacologically treated or untreated parkinsonian states, using a Bayesian model, with a high accuracy and strong classifier performance for a single channel (AUC 0.85 – 0.99) in the motor cortex and striatum. In ongoing experiments, similar implementation of adaptive DBS is being evaluated. Our results support the implementation of our feature in a protocol aimed at performing closed-loop neuromodulation in the 6-OHDA rat model of Parkinon’s Disease, that can serve as the basis for further studies. / Neuromodulering, såsom ryggmärgsstimulering (SCS) och djup hjärnstimulering (DBS), har visat sig kunna modulera patofysiologisk hjärnaktivitet och ge symtomatisk behandling av flera neurologiska sjukdomar, inklusive Parkinsons sjukdom. Effekten av denna behandling skulle sannolikt kunna förbättras ytterligare genom neuromodulering som är adaptiv och ger stimulering mer selektivt, genom övervakning av en biomarkör i registrerade hjärnsignaler, som indikerar förekomsten av ett patologiskt tillstånd. Vid behandling av Parkinsons sjukdom förlitar sig de vanligaste lösningarna för adaptiv neuromodulering på överdriven beta-bands oscillatorisk aktivitet som en biomarkör som dock ofta är mycket varierande mellan patienter, under rörelse och i samband med behandling så som levodopa. Dessa begränsningar hindrar en bredare användning av denna biomarkör och ytterligare forskning krävs för att hitta alternativa lösningar. I detta arbete presenterar vi istället en ny egenskap hos väckt elektrofysiologisk aktivitet, som utnyttjar faskoherens mellan stimuleringspulser för att klassificera parkinsonistiska hjärntillstånd hos 6-OHDA-lesionerade råttor. Vi har utvecklat en metod som relaterar till avklingningshastigheten i faskoherens, framkallad av enstaka SCS- eller DBS-pulser, som kan statistiskt särskilja de experimentella tillstånden i en dopaminergiskt utarmad hemisfär från liknande tillstånd, fast i en icke utarmad hemisfär. Den kan även statistiskt särskilja tillstånd med levodopabehandling från tillstånd utan behandling. För djur som genomgår SCS kan vi klassificera fasförfallsmätningar från farmakologiskt behandlade eller obehandlade parkinsontillstånd, med hjälp av en Bayesiansk modell, med hög noggrannhet och stark klassificeringsprestanda för en enda kanal (AUC 0,85 - 0,99) i motorcortex och striatum. I pågående experiment utvärderas en liknande implementering av adaptiv DBS. Våra resultat stöder implementeringen av vår funktion i ett protokoll som syftar till att utföra sluten neuromodulering i 6-OHDA-råttmodellen för Parkinons sjukdom, som kan tjäna som grund för ytterligare studier.

In recent years, advanced machine learning (ML) models have revolutionized industries ranging from the healthcare sector to retail and E-commerce. However, these models have become increasingly complex, making it difficult for even domain experts to understand and retrace the model's decision-making process. To address this challenge, several frameworks for explainable AI have been proposed and developed. This thesis focuses on counterfactual explanations (CFEs), which provide actionable insights by informing users how to modify inputs to achieve desired outputs. However, computing CFEs for a general black-box ML model is computationally expensive since it hinges on solving a challenging optimization problem. To efficiently solve this optimization problem, we propose using Bayesian optimization (BO), and introduce the novel algorithm Separated Bayesian Optimization (SBO). SBO exploits the formulation of the counterfactual function as a composite function. Additionally, we propose warm-starting SBO, which addresses the computational challenges associated with computing multiple CFEs. By decoupling the generation of a surrogate model for the black-box model and the computation of specific CFEs, warm-starting SBO allows us to reuse previous data and computations, resulting in computational discounts and improved efficiency for large-scale applications. Through numerical experiments, we demonstrate that BO is a viable optimization scheme for computing CFEs for black-box ML models. BO achieves computational efficiency while maintaining good accuracy. SBO improves upon this by requiring fewer evaluations while achieving accuracies comparable to the best conventional optimizer tested. Both BO and SBO exhibit improved capabilities in handling various classes of ML decision models compared to the tested baseline optimizers. Finally, Warm-starting SBO significantly enhances the performance of SBO, reducing function evaluations and errors when computing multiple sequential CFEs. The results indicate a strong potential for large-scale industry applications. / Avancerade maskininlärningsmodeller (ML-modeller) har på senaste åren haft stora framgångar inom flera delar av näringslivet, med allt ifrån hälso- och sjukvårdssektorn till detaljhandel och e-handel. I jämn takt med denna utveckling har det dock även kommit en ökad komplexitet av dessa ML-modeller vilket nu lett till att även domänexperter har svårigheter med att förstå och tolka modellernas beslutsprocesser. För att bemöta detta problem har flertalet förklarbar AI ramverk utvecklats. Denna avhandling fokuserar på kontrafaktuella förklaringar (CFEs). Detta är en förklaringstyp som anger för användaren hur denne bör modifiera sin indata för att uppnå ett visst modellbeslut. För en generell svarta-låda ML-modell är dock beräkningsmässigt kostsamt att beräkna CFEs då det krävs att man löser ett utmanande optimeringsproblem. För att lösa optimeringsproblemet föreslår vi användningen av Bayesiansk Optimering (BO), samt presenterar den nya algoritmen Separated Bayesian Optimization (SBO). SBO utnyttjar kompositionsformuleringen av den kontrafaktuella funktionen. Vidare, utforskar vi beräkningen av flera sekventiella CFEs för vilket vi presenterar varm-startad SBO. Varm-startad SBO lyckas återanvända data samt beräkningar från tidigare CFEs tack vare en separation av surrogat-modellen för svarta-låda ML-modellen och beräkningen av enskilda CFEs. Denna egenskap leder till en minskad beräkningskostnad samt ökad effektivitet för storskaliga tillämpningar.  I de genomförda experimenten visar vi att BO är en lämplig optimeringsmetod för att beräkna CFEs för svarta-låda ML-modeller tack vare en god beräknings effektivitet kombinerat med hög noggrannhet. SBO presterade ännu bättre med i snitt färre funktionsutvärderingar och med fel nivåer jämförbara med den bästa testade konventionella optimeringsmetoden. Både BO och SBO visade på bättre kapacitet att hantera olika klasser av ML-modeller än de andra testade metoderna. Slutligen observerade vi att varm-startad SBO gav ytterligare prestandaökningar med både minskade funktionsutvärderingar och fel när flera CFEs beräknades. Dessa resultat pekar på stor potential för storskaliga tillämpningar inom näringslivet.

Apache Spark is a popular open-source distributed processing framework that enables efficient processing of large amounts of data. Apache Spark has a large number of configuration parameters that are strongly related to performance. Selecting an optimal configuration for Apache Spark application deployed in a cloud environment is a complex task. Making a poor choice may not only result in poor performance but also increases costs. Manually adjusting the Apache Spark configuration parameters can take a lot of time and may not lead to the best outcomes, particularly in a cloud environment where computing resources are allocated dynamically, and workloads can fluctuate significantly. The focus of this thesis project is the development of an auto-tuning approach for Apache Spark configuration parameters. Four machine learning models are formulated and evaluated to predict Apache Spark’s performance. Additionally, two models for Apache Spark configuration parameter search are created and evaluated to identify the most suitable parameters, resulting in the shortest execution time. The obtained results demonstrates that with the developed auto-tuning approach and adjusting Apache Spark configuration parameters, Apache Spark applications can achieve a shorter execution time than when using the default parameters. The developed auto-tuning approach gives an improved cluster utilization and shorter job execution time, with an average performance improvement of 49.98%, 53.84%, and 64.16% for the three different types of Apache Spark applications benchmarked. / Apache Spark är en populär öppen källkodslösning för distribuerad databehandling som möjliggör effektiv bearbetning av stora mängder data. Apache Spark har ett stort antal konfigurationsparametrar som starkt påverkar prestandan. Att välja en optimal konfiguration för en Apache Spark-applikation som distribueras i en molnmiljö är en komplex uppgift. Ett dåligt val kan inte bara leda till dålig prestanda utan också ökade kostnader. Manuell anpassning av Apache Spark-konfigurationsparametrar kan ta mycket tid och leda till suboptimala resultat, särskilt i en molnmiljö där beräkningsresurser tilldelas dynamiskt och arbetsbelastningen kan variera avsevärt. Fokus för detta examensprojekt är att utveckla en automatisk optimeringsmetod för konfigurationsparametrarna i Apache Spark. Fyra maskininlärningsmodeller formuleras och utvärderas för att förutsäga Apache Sparks prestanda. Dessutom skapas och utvärderas två modeller för att söka efter de mest lämpliga konfigurationsparametrarna för Apache Spark, vilket resulterar i kortast möjliga exekveringstid. De erhållna resultaten visar att den utvecklade automatiska optimeringsmetoden, med anpassning av Apache Sparks konfigurationsparameterar, bidrar till att Apache Spark-applikationer kan uppnå kortare exekveringstider än vid användning av standard-parametrar. Den utvecklade metoden för automatisk optimering bidrar till en förbättrad användning av klustret och kortare exekveringstider, med en genomsnittlig prestandaförbättring på 49,98%, 53,84% och 64,16% för de tre olika typerna av Apache Spark-applikationer som testades.