The goal of many human disease-oriented studies is to detect molecular mechanisms different between healthy controls and patients. Yet, commonly used gene expression measurements from any tissues suffer from variability of cell composition. This variability hinders the detection of differentially expressed genes and is often ignored. However, this variability may actually be advantageous, as heterogeneous gene expression measurements coupled with cell counts may provide deeper insights into the gene expression differences on the cell type-specific level. Published computational methods use linear regression to estimate cell type-specific differential expression. Yet, they do not consider many artifacts hidden in high-dimensional gene expression data that may negatively affect the performance of linear regression. In this dissertation we specifically address the parameter space involved in the most rigorous use of linear regression to estimate cell type-specific differential expression and report under which conditions significant detection is probable. We define parameters affecting the sensitivity of cell type-specific differential expression estimation as follows: sample size, cell type-specific proportion variability, mean squared error (spread of observations around linear regression line), conditioning of the cell proportions predictor matrix, and the size of actual cell type-specific differential expression. Each parameter, with the exception of cell type-specific differential expression (effect size), affects the variability of cell type-specific differential expression estimates. We have developed a power-analysis approach to cell type by cell type and genomic site by site differential expression detection which relies upon Welch’s two-sample t-test and factors in differences in cell type-specific expression estimate variability and reduces false discovery. To this end we have published an R package, LRCDE, available in GitHub (http://www.github.com/ERGlass/lrcde.dev) which outputs observed statistics of cell type-specific differential expression, including two-sample t- statistic, t-statistic p-value, and power calculated from two-sample t-statistic on a genomic site- by-site basis.

A depressão metabólica em aves e mamíferos, dada a alta demanda energética destes animais, se apresenta, geralmente, como resposta às condições de escassez de alimentos e baixas temperaturas. Desta forma, este projeto busca explorar, no campo teórico, como o sistema de termorregulação poderia atuar no sentido de maximizar as reservas energéticas minimizando os gastos metabólicos (depressão metabólica). Para tanto, fazemos uso de teorias da engenharia de controle que propiciam ferramental teórico para analisar como se dariam essas minimizações, ou seja, como o sistema nervoso atuaria estabelecendo um controle (set-point hipotalâmico) que minimizasse estes gastos à medida que se desse o processo de termorregulação. Neste contexto, propomos um modelo básico de termorregulação que leva em conta temperatura corpórea, taxa metabólica e temperatura ambiente, no qual o set-point atua como um controle. Mostramos como este modelo de regulação térmica propicia, devido à sua configuração, significativa redução dos distúrbios causados por variações da temperatura ambiente. Através da teoria de controle ótimo, mostramos como o set-point hipotalâmico pode surgir como resultado da minimização de um funcional relacionado ao custo com a termorregulação. Além disso, fez-se uma análise de como a temperatura ambiente pode definir diferentes situações em termos de vantagens da depressão metabólica como mecanismo de minimização de gasto energético. Para este tipo de análise, propomos um índice de razão entre o custo metabólico constante e o obtido sob atuação do controlador durante o período em que se dá o processo. Após um período em depressão metabólica, os indivíduos devem voltar a sua condição de eutermia, e, em situações de baixa temperatura, o custo deste retorno pode suplantar as vantagens para um dado indivíduo. Assim, são analisadas as influencias da massa corpórea, onde se observa aumento do custo em decorrência da entrada em depressão metabólica por parte dos indivíduos de maior massa. Tal aumento de custo é acentuado nas situações de menor temperatura ambiente. Finalmente, uma análise relativa ao tempo para retorno à condição de eutermia é apresentada, sendo que os resultados vão ao encontro das evidencias atuais sobre a flexibilidade estratégica de muitos hibernantes. / Metabolic depression of mammals and birds, animals of high metabolic demands, normally emerges as a response to food shortage and low ambient temperature. The main goal of this research is to explore, in a theoretical perspective, how the thermoregulatory system could extend the energy reserves of these endotherms decreasing metabolic costs under those environmental conditions. To approach the problem, we propose the use of control engineering theories to analyze the way the this minimization could occur, in other words, how the nervous system would act establishing a control (hypothalamic set-point) to minimize those costs during the thermoregulatory process. In this context, we propose a basic thermoregulation model that takes into account body temperature, metabolic rate and environmental temperature, and in which the set-point acts as a control. We show how this model can significantly reduce disturbances generated by ambient temperature. Using optimal control theory, we show how the hypothalamic set-point can emerge as a result of a minimization process of a functional related to thermoregulation costs. Also, how ambient temperature can define different metabolic profiles is explored, in terms of metabolic depression and the necessary return to euthermic conditions. To quantify this analysis we propose an index, based on the ratio between a constant metabolic cost and the metabolic cost defined by the controller. After a period in metabolic depression individuals should return to their euthermic condition, and, in situations of low environmental temperature, it is shown that the cost to return can be larger than the advantages. In this way, analyzing body mass influences we observed increased metabolic depression cost in larger individuals. This cost is even higher under lower environmental temperature. Finally, the cost related to the time elapsed, until the euthermic state is reached again, is considered. These last results are in accordance with current conception about the flexibility in hibernation process.

Roughgarden et al. (2006) proposed a theory called social selection as a behavioral game theoretic model for sexual reproduction that incorporates both competition and cooperation in 2006. Players oscillate between playing competitively to maximize their individual fitness, leading to a Nash Competitive Equilibrium, and playing cooperatively to maximize a team fitness function, leading to a Nash Bargaining Solution. Roughgarden et al. (2006) gives rates of change for both the competitive state and the cooperative state, but does not explain her rates or how to switch between the states in sufficient detail. We test and rederive the rates, critiquing an assumption that the derivation of such a rate must make, as well as create a probabilistic model that switches between the two states. We test our model on the reproductive behaviors of Symphodus tinca, the peacock wrasse. The results follow the trajectory of the reproductive strategies for the wrasse throughout the breeding system, suggesting that cooperation could be a mechanism through which wrasse change their reproductive behaviors. However, the inputs to the model need to be analyzed more critically. Future work could include deriving rates for competitive play and cooperative play that do not rely on assumptions of being able to quantify strategy allocation proportion and refining the model and drawing generalized conclusions about it.

Locust swarms cause famine and hunger in parts of Sub-Saharan Africa as they travel across croplands and eat vegetation. Current models start with biological properties of locusts and analyze the macroscopic behavior of the system. These models exhibit the desired migratory behavior, but do so with too many parameters. To account for this, a new model, the Alignment and Intermittent Motion (AIM) model, is derived with minimal assumptions. AIM is constructed with regards to locust biology, allowing it to elicit biologically correct locust behavior: the most noteworthy being the fingering of hopper bands. A Particle-in-Cell method is used to optimize simulations, allowing for trials of up to 106 particles over reasonable timescales. We analyze the shapes of these swarms, note the similarities between simulations of large and small swarms, and propose possible methods for analyzing simulation metrics.

Inflammation in the lungs can occur for many reasons, from bacterial infections to stretch by mechanical ventilation. In this work we compare and contrast various mathematical models for lung injuries in the categories of acute infection, latent versus active infection, and particulate inhalation. We focus on systems of ordinary differential equations (ODEs), agent-based models (ABMs), and Boolean networks. Each type of model provides different insight into the immune response to damage in the lungs. This knowledge includes a better understanding of the complex dynamics of immune cells, proteins, and cytokines, recommendations for treatment with antibiotics, and a foundation for more well-informed experiments and clinical trials. In each chapter, we provide an in-depth analysis of one model and summaries of several others. In this way we gain a better understanding of the important aspects of modeling the immune response to lung injury and identify possible points for future research.

Este trabalho apresenta uma proposta para a identificação biométrica de indivíduos através da análise da íris, utilizando uma abordagem baseada em Morfologia Matemática. Algoritmos baseados em operadores morfológicos são utilizados nas diversas etapas de processamento, para segmentação, realçamento de padrões, extração e representação de características. Para avaliar os algoritmos, testes foram realizados utilizando imagens do Banco de Dados de Imagens de Íris da Universidade de Bath - UBIID, da base de dados do Instituto de Automação da Academia Chinesa de Ciências - CASIA, além de imagens adquiridas para compor o Banco de Dados Brasileiro de Pesquisa de Íris - BIRD. A fim de avaliar o desempenho de classificação, o método proposto foi comparado ao método de Daugman (referência). Os resultados obtidos indicam a viabilidade da abordagem proposta para o reconhecimento de íris. Para imagens do UBIID, o desempenho do método proposto foi superior ao do método de referência, alcançando 99,35% de acerto no ponto de erro igual (EER - Equal Error Rate), onde as taxas de falsa aceitação (FAR) e de falsa rejeição (FRR) são iguais. / This paper presents a proposal for biometric identification of individuals by analyzing the iris, using an approach based on Mathematical Morphology. Algorithms based on morphological operators are used in several stages of processing, segmentation, enhancement of patterns, extraction and representation of features. To evaluate the algorithms, tests were performed using images of the University of Bath Iris Image Database - UBIID, of the Chinese Academy of Sciences Institute of Automation - CASIA, and acquired images to compose the Brazilian Iris Research Database - BIRD. In order to assess the performance of classification, the proposed method was compared to Daugman’s method (reference). The results indicate the viability of the proposed approach for iris recognition. For UBIID images, the performance of the proposed method was superior to the reference method, achieving 99.35% accuracy at the point of equal error (EER - Equal Error Rate), where the false acceptance rate (FAR) and false rejection rate (FRR) are equal.

Made available in DSpace on 2015-03-26T13:45:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 526815 bytes, checksum: 1cb769c119746d92b303e0dbe7594ab2 (MD5) Previous issue date: 2011-02-21 / This paper proposes a system of differential equations composed of five ordinary nonlinear equations engaged in a structure based on the SIR model of Kermack and McKendrick 1927, which aims to describe the dynamics of varicella-zoster virus in human populations. Analysis of its equilibrium points we find the emergence of a Hopf bifurcation. Mirrored in article Bifurcation analysis of model for the biological control of Sotomayor et al., through the Hopf analysis of the conditions of non-degeneracy and transversality, we guarantee the appearance of a periodic orbit. / Este trabalho propõe um sistema de equações diferenciais ordinárias composto por cinco equações não lineares acopladas, numa estrutura baseada no modelo SIR de Kermack e Mckendrick 1927, que visa descrever a dinâmica do vírus varicela-zoster na população de humanos. Da análise de seus pontos de equilíbrio verificamos o surgimento de uma bifurcação de Hopf. Espelhados no artigo Bifurcation analysis of a model for biological control de Sotomayor et al., por meio da análise das condições de Hopf, de não degenerescência e de transversalidade, garantimos o aparecimento de uma órbita periódica.

A depressão metabólica em aves e mamíferos, dada a alta demanda energética destes animais, se apresenta, geralmente, como resposta às condições de escassez de alimentos e baixas temperaturas. Desta forma, este projeto busca explorar, no campo teórico, como o sistema de termorregulação poderia atuar no sentido de maximizar as reservas energéticas minimizando os gastos metabólicos (depressão metabólica). Para tanto, fazemos uso de teorias da engenharia de controle que propiciam ferramental teórico para analisar como se dariam essas minimizações, ou seja, como o sistema nervoso atuaria estabelecendo um controle (set-point hipotalâmico) que minimizasse estes gastos à medida que se desse o processo de termorregulação. Neste contexto, propomos um modelo básico de termorregulação que leva em conta temperatura corpórea, taxa metabólica e temperatura ambiente, no qual o set-point atua como um controle. Mostramos como este modelo de regulação térmica propicia, devido à sua configuração, significativa redução dos distúrbios causados por variações da temperatura ambiente. Através da teoria de controle ótimo, mostramos como o set-point hipotalâmico pode surgir como resultado da minimização de um funcional relacionado ao custo com a termorregulação. Além disso, fez-se uma análise de como a temperatura ambiente pode definir diferentes situações em termos de vantagens da depressão metabólica como mecanismo de minimização de gasto energético. Para este tipo de análise, propomos um índice de razão entre o custo metabólico constante e o obtido sob atuação do controlador durante o período em que se dá o processo. Após um período em depressão metabólica, os indivíduos devem voltar a sua condição de eutermia, e, em situações de baixa temperatura, o custo deste retorno pode suplantar as vantagens para um dado indivíduo. Assim, são analisadas as influencias da massa corpórea, onde se observa aumento do custo em decorrência da entrada em depressão metabólica por parte dos indivíduos de maior massa. Tal aumento de custo é acentuado nas situações de menor temperatura ambiente. Finalmente, uma análise relativa ao tempo para retorno à condição de eutermia é apresentada, sendo que os resultados vão ao encontro das evidencias atuais sobre a flexibilidade estratégica de muitos hibernantes. / Metabolic depression of mammals and birds, animals of high metabolic demands, normally emerges as a response to food shortage and low ambient temperature. The main goal of this research is to explore, in a theoretical perspective, how the thermoregulatory system could extend the energy reserves of these endotherms decreasing metabolic costs under those environmental conditions. To approach the problem, we propose the use of control engineering theories to analyze the way the this minimization could occur, in other words, how the nervous system would act establishing a control (hypothalamic set-point) to minimize those costs during the thermoregulatory process. In this context, we propose a basic thermoregulation model that takes into account body temperature, metabolic rate and environmental temperature, and in which the set-point acts as a control. We show how this model can significantly reduce disturbances generated by ambient temperature. Using optimal control theory, we show how the hypothalamic set-point can emerge as a result of a minimization process of a functional related to thermoregulation costs. Also, how ambient temperature can define different metabolic profiles is explored, in terms of metabolic depression and the necessary return to euthermic conditions. To quantify this analysis we propose an index, based on the ratio between a constant metabolic cost and the metabolic cost defined by the controller. After a period in metabolic depression individuals should return to their euthermic condition, and, in situations of low environmental temperature, it is shown that the cost to return can be larger than the advantages. In this way, analyzing body mass influences we observed increased metabolic depression cost in larger individuals. This cost is even higher under lower environmental temperature. Finally, the cost related to the time elapsed, until the euthermic state is reached again, is considered. These last results are in accordance with current conception about the flexibility in hibernation process.

Orientador: Hyun Mo Yang / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-09T23:30:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Thome_RobertoCarlosAntunes_D.pdf: 2015666 bytes, checksum: 4f6cfba30cb89c24d0530c3bf19d0ecb (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: O ciclo de mosquitos é dividido em dois estágios: fase aquática (ovos, larvas e pupas) e fase alada (mosquitos adultos). Apresentamos um modelo de controle ótimo de mosquitos que consiste na introdução de mosquitos machos estéreis obtidos pela técnica de irradiação. Nosso modelo é baseado em equações diferenciais ordinárias que descrevem a dinâmica dos mosquitos na fase aquática, dos mosquitos fêmeas imaturas (antes de acasalar), dos mosquitos fêmeas fertilizadas (depois de acasalar), dos mosquitos fêmeas não-fertilizadas (depois de acasalar), dos mosquitos machos (macho natural) e dos mosquitos machos estéreis (irradiados). O problema é colocado no formato de um problema de controle ótimo no qual minimizamos o custo com inseticida, o custo com a produção de mosquitos irradiados e o custo social (número de mosquitos fêmeas fertilizadas) / Abstract: The life cycle of mosquito Aedes aegypti is comprised by two phases: aquatic (egg, larvae and pupae) and winged form (adult mosquitoes). We present a model to describe the dynamics of mosquito population in which sterile male mosquitoes (prodeced by irradiation) are introduced as a form of biological control, besides the traditional application of insecticide. Our model is formulated taking into account a system of ordinary differential equations which describes the dynamics of the mosquitoes in the aquatic phase, of the immature female mosquitoes (before mating), of the fertilized female mosquitoes (after mating), of the unfertilized female mosquitoes (after mating), of the natural male mosquitoes (wild) and of the sterile male mosquitoes (irradiated). In order to analyze the minimal effort to reduce the fertile female mosquitoes, we search for the optimal control considering the cost of insecticide application, the cost of the production of irradiated mosquitoes and their delivery and the social cost (number of fertilized female mosquitoes, potential transmissor of dengue). The optimal control is obtained by applying the Pontryagin's Maximum Principle / Doutorado / Matematica Aplicada / Doutor em Matemática Aplicada

Orientador: Laercio Luis Vendite / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Ciencia da Computação / Made available in DSpace on 2018-08-09T23:40:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Alonso_AnaCamilaRodrigues_M.pdf: 1099108 bytes, checksum: f7bd5d3bc8e683d7332a70d7a75c8405 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: O câncer de ovário é a neoplasia mais letal do aparelho genital feminino. É necessário fazer um estabelecimento precoce de seu diagnóstico e uma correta abordagem terapêutica para interferir na sua história natural. Com a intenção de melhorar a metodologia para distinguir benignidade de malignidade dos tumores de ovário foram estudadas associações de métodos. Jacobs et al. foram os primeiros autores a idealizar um índice de risco de malignidade (IRM) para tumores de ovário, incorporando estado menopausal, achados ultra-sonográficos e o nível sérico do CA 125. Neste trabalho, um modelo matemático é elaborado para auxiliar no diagnóstico diferencial de benignidade e malignidade dos tumores ovarianos clinicamente restritos aos ovários. A ferramenta utilizada para desenvolver o modelo é a teoria dos conjuntos, por sua capacidade em lidar com incertezas. Inicialmente, as variáveis de entrada - Estado Menopausal, Achados ultrasonográficos e Nível de CA 125 - e a variável de saída do sistema - Tipo de Tumor ¿ foram consideradas como variáveis lingüísticas e seus valores como conjuntos fuzzy. O modelo construído é mais abrangente que o índice de risco de malignidade proposto por Torres et al., pois no modelo temos que o estado menopausal e os achados ultra-sonográficos são considerados como variáveis contínuas. A saída dos sistema, também contínua, propicia uma transição gradual entre tumor benigno e maligno, o que é mais coerente com a realidade / Abstract: The ovarian cancer is the most lethal neoplasy of the femine genital system. It is necessary to do a precocious establishment of its diagnosis and a correct therapeutical approach to intervene in the natural history. With the intention to improve the methodology to distinguish benignancy from malignancy of the ovarian tumors methods¿s associations had been studied. Jacobs et al. were the first authors to idealize the risk of malignance index for ovarian tumors, incorporating menopausal status, ultrasound findings and the serum level CA 125. In this work, a mathematical model is elaborated to auxiliary in the diferential diagnosis of the benignancy clinically restricted to the ovaries. The tool used to developed the model is the fuzzy sets theory for capacity in dealing with uncertainties. Inicially, input variables - menopausal status, ultrasound findings and CA 125 level ¿ and the system output variables - tumor¿s type - they had been considered with linguistics variables and its values with fuzzy sets. The constructed model is more comprehensive than risk of malignancy index propose to Torres et al., therefore the menopausal status and the ultrasound findings are considered as a continuous variable. The system output, also continuous, give a gradual transition between benign and malignant tumor, what is more coherent with the reality / Mestrado / Biomatematica / Mestre em Matemática Aplicada