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Цель работы – создание математической модели технологического процесса энергопотребления здания, создание набора данных, создание нейросети для прогнозирования энергопотребления здания, выявление закономерностей и аномалий. Объект исследования – энергопотребление здания. Рассматриваются различные факторы, такие как работа системы кондиционирования, системы подачи воды, бытовые приборы, освещение помещения. Детально рассмотрена система кондиционирования. Построена математическая модель в итераторе OpenModelica, учитывающая факторы внешней и внутренней среды здания. Собран набор данных в формате .csv. Проведён анализ результатов, выявлены взаимодействия признаков системы, аномалии влияющие на энергопотребление здания. Написана нейросеть прогнозирующая энергопотребление здания, создан pipeline для выявления и визуализации аномалий. Результаты представлены на графиках, сделаны выводы. В ходе полученных результатов были предложены методы оптимизации работы системы, которые привели к экономическому и экологическому эффекту. / The purpose of the work is to create a mathematical model of the technological process of energy consumption of a building, create a data set, create a neural network to predict the energy consumption of a building, identify patterns and anomalies. The object of study is the energy consumption of the building. Various factors are considered, such as the operation of the air conditioning system, water supply system, household appliances, and room lighting. The air conditioning system is examined in detail. A mathematical model was built in the OpenModelica iterator, considering the factors of the external and internal environment of the building. Collected data set in .csv format. An analysis of the results was carried out, interactions of system characteristics and anomalies affecting the energy consumption of the building were identified. A neural network was written to predict the energy consumption of a building, and a pipeline was created to identify and visualize anomalies. The results are presented in graphs and conclusions are drawn. As a result of the results obtained, methods were proposed to optimize the operation of the system, which led to economic and environmental benefits.

Die Huntington''sche Krankheit (Huntington''s disease, HD) ist eine tödliche neurodegenerative Erkrankung mit einem extensiven Verlust von Neuronen im Striatum. Die Ursache für HD ist eine genetische Mutation, bei der eine CAG-Wiederholungssequenz verlängert wird. Im resultierenden Protein, das Huntingtin (htt) genannt wurde, diese Mutation führt zur Missfaltung und Aggregation von htt. Ich habe untersucht ob die Bildung von htt-Aggregaten die Transkription von Genen dass sie von HD-assoziierten Transkriptionsfaktoren kontrolliert werden, verändert. Zur Untersuchung der Transkription wurden die zu untersuchenden Gene auf cDNA-Mikroarrays aufgebracht und mit RNA, welche aus den Zellen nach der Induktion der Expression des mutierten htt gewonnen wurde, hybridisiert. Es wurden keine systematischen Veränderungen innerhalb der durch spezifische Transkriptionsfaktoren regulierten Gengruppen gefunden. Ich habe auch mehrere mathematische Modelle erstellt, welche die htt-Aggregation und den Zelltod beschreiben. Die Ergebnisse zeigten, dass eine transiente Dynamik im System und die nicht-monotone Reaktion auf Parameteränderungen zu den nicht-intuitiven Ergebnissen bei Behandlungsansätzen, welche die htt-Aggregation beeinflussen, führen könnten. Für den Fall, dass Aggregate die toxische Form von htt sind, zeigten die numerischen Simulationen dass das Einsetzen der Aggregation, welches durch ein Überschießen der Aggregatkonzentration gekennzeichnet ist, am ehesten zum Zelltod führt. Dieses Phänomen wurde "one-shot"-Modell genannt. Es gibt, auch bei HD-Patienten mit gleicher Länge der CAG-Wiederholungssequenz, eine große Varianz des Alters bei Krankheitsausbruch (age of onset, AO). Ich habe ein stochastisches Modell für den neuronalen Zelltod im Striatum entwickelt. Das Modell zeigte, dass ein signifikanter Anteil der nicht erklärbaren Varianz des AO der intrinsischen Dynamik der Neurodegeneration zugeschrieben werden kann. / Huntington''s disease (HD) is a fatal neurodegenerative disorder characterized by a progressive neuronal loss in the striatum of HD patients. HD is caused by a CAG repeat expansion which translates into a polyglutamine stretch at the N-terminus of the huntingtin protein (htt). The polyQ stretch induces misfolding, cleavage and aggregation of htt. To test the hypothesis that the sequestration of transcription factors into the htt aggregates causes transcriptional changes observed in HD models, I compiled lists of genes controlled by the transcription factors associated with HD. These genes were spotted on cDNA microarrays that were later hybridized with RNA extracted from cells expressing a mutant htt fragment. In this study, no systematic changes related to a specific transcription factors were observed. Formation and the accumulation of htt aggregates causes neurotoxicity in different HD model systems. To investigate the consequences of therapeutic strategies targeting aggregation, I derived several mathematical models describing htt aggregation and cell death. The results showed that transient dynamics and the non-monotonic response of cell survival to a change of parameter might lead to the non-intuitive outcome of a treatment that targets htt aggregation. Also, the numerical simulations show that if aggregates are toxic, the onset of aggregation, marked by the overshoot in the concentration of aggregates, is the event most likely to kill the cell. This phenomenon was termed a one-shot model. The principal cause of the variability of the age at onset (AO) is the length of the CAG repeat. Still, there is a great variance in the AO even for the same CAG repeat length. To study the variability of the AO, I developed a stochastic model for clustered neuronal death in the HD striatum. The model showed that a significant part of the unexplained variance can be attributed to the intrinsic stochastic dynamics of neurodegeneration.

Zellen benutzen Signalwege ein, um auf Änderungen in ihrer unmittelbaren Umgebung zu reagieren. Der Signalweg des transformierenden Wachstumsfaktors β (TGFβ) spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung vieler zellulärer Prozesse, einschließlich Zellproliferation, Differenzierung und Migration. Obwohl die Hauptkomponenten der TGFβ-Signalgebung in den letzten Jahrzehnten identifiziert und erforscht wurden, ist das Verständnis ihres dynamischen Verhaltens durch das Fehlen von Methoden eingeschränkt, die die Steuerung der TGFβ-Signalgebung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ermöglichen. In dieser Arbeit wurde ein optogenetisches System (das optoTGFβ-System) entwickelt, bei dem Licht dazu verwendet wird, die TGFβ-Signalgebung zeitlich und räumlich präzise zu steuern. Erstens wurde die Funktionalität des optoTGFβ-Systems durch Vergleich mit dem endogenen TGFβ-Signalsystem überprüft. Zweitens wurde durch das gleichzeitige Überwachen der subzellulären Translokation der Rezeptoren und der Smad-Proteine mittels „Live Cell Imaging“ gezeigt, dass die TGFβ-Signalgebung durch Modulation der Lichtstimulationen in einzelnen Zellen spezifisch aktiviert werden kann. Drittens wurde in Kombination mit der mathematischen Modellierung die Dynamik der TGFβ-Signalgebung im optoTGFβ-System quantitativ bestimmt. Die räumliche und zeitliche Präzision der optischen Kontrolle machen das optoTGFβ-System zu einem neuartigen und leistungsfähigen Methode für die quantitative Analyse und Manipulation von TGFβ-Signalen auf Einzelzellebene. / Cells employ signaling pathways to make decisions in response to changes in their immediate environment. Transforming Growth Factor β (TGFβ) signaling pathway plays pivotal roles in regulating many cellular processes, including cell proliferation, differentiation and migrations. Although the principal components of TGFβ signaling have been identified and explored in recent decades, understanding its dynamic behavior is limited by the lack of tools that allow the control of TGFβ signaling at high spatiotemporal resolution. In this thesis, we developed an optogenetic system (the optoTGFβ system), in which light is used to control TGFβ signaling precisely in time and space. First, we validated the functionality of the optoTGFβ system by comparing it with the endogenous TGFβ signaling system. Second, by simultaneously monitoring the subcellular translocation of the receptors and Smad proteins using live cell imaging, we showed that TGFβ signaling can be specifically activated in single cells through modulating the light stimulations. Third, in combination with mathematical modeling, we quantitatively characterized the dynamics of TGFβ signaling in the optoTGFβ system. The spatial and temporal precision of optical control makes the optoTGFβ system a novel and powerful tool for quantitative analyses and manipulation of TGFβ signaling at the single cell level.

Aufgrund des wachsenden Interesses an der Systembiologie werden zunehmend mathematische Modelle in Kombination mit Experimenten für die Analyse von Stoffwechselnetzwerken, Genregulationsnetzwerken und zellulären Signalweiterleitungswegen verwendet. Diese Dissertationsschrift benutzt die mathematische Modellierung und kinetische Untersuchungsmethoden zum Studium von zelluären Signalwegen, insbesondere des Netzwerkes zur Festlegung der Rezeptorlokalisation und des Tumorwachstumsfaktor-beta-Signalweges. Ergänzend wurde ein Computerwerkzeug (SBML-PET) entwickelt, das die Modellentwicklung unterstützt und der Parameterschätzung dient. Mit diesem Werkzeug kann man Modelle bearbeiten, die in der Systems Biology Markup Language (SBML) formuliert sind. In dieser Arbeit wird ein quantitatives mathematisches Modell benutzt, um die Signalantwort in unterschiedlichen Rezeptorlokalisationsnetzwerken in Abhängigkeit von der Ligandenanzahl und der Zelldichte zu untersuchen. Die rechnergestützte Analyse des Modells hat ergeben, dass der Zustand eines Rezeptorlokalisationsnetzwerkes potenziell eine sigmoide Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen Ligandenanzahl und Oberflächenrezeptoranzahl pro Zelle zeigen. Dieses Verhältnis ist die entscheidende Kontrollgröße der Signalantwort in Rezeptorlokalisationsnetzwerken. Mit Hilfe des SBML-PET Software-Paketes haben wir eine Modellierungsmethode mit Randbedingungen vorgeschlagen, um ein umfangreiches mathematisches Modell für den Smad-abh?ngigen TGF-beta Signalweg zu erstellen und dessen Parameter aus experimentellen Daten unter Berücksichtigung qualitativer Nebenbedingungen zu fitten. Die Ergebnisse der kinetischen Untersuchung dieses Modells legen nahe, dass die Signalantwort auf einen TGF-beta-Reiz durch die Balance zwischen clathrin-abhängier Endozytose und clathrin-unabhängiger Endozytose reguliert wird. / With growing interests in systems biology, mathematical models, paired with experiments, have been widely used for the studies on metabolic networks, gene regulatory networks and cellular signaling pathways. This dissertation employs the mathematical modeling and kinetic analysis method to study cellular signaling pathways, in particular, the receptor trafficking network and TGF-beta signaling pathway. On the other hand, a systems biology markup language (SBML) based parameter estimation tool (SBML-PET), was developed for facilitating the modeling process. A quantitative mathematical model is employed to investigate signal responses in different receptor trafficking networks by simultaneous perturbations of the ligand concentration and cell density. The computational analysis of the model revealed that receptor trafficking networks have potentially sigmoid responses to the ratio between ligand number and surface receptor number per cell, which is a key factor to control the signaling responses in receptor trafficking networks. Using the SBML-PET software package, we proposed a constraint-based modeling method to build a comprehensive mathematical model for the Smad dependent TGF-beta signaling pathway by fitting the experimental data and incorporating the qualitative constraints from the experimental analysis. Kinetic analysis results indicate that the signal response to TGF-beta is regulated by the balance between clathrin dependent endocytosis and non-clathrin mediated endocytosis.

Die Signalwege des transformierenden Wachstumsfaktors β (TGF-β) spielen eine entscheidende Rolle bei der Zellproliferation, -migration und -apoptose durch die Aktivierung von Smad-Proteinen. Untersuchungen haben gezeigt, dass die biologischen Wirkungen des TGF-β-Signalwegs stark vom Zellkontext abhängen. In dieser Arbeit ging es darum zu verstehen, wie TGF-β-Signale Zielgene unterschiedlich regulieren können, wie unterschiedliche Dynamiken der Genexpression durch TGF-β-Signale induziert werden und auf welche Weise Smad-Proteine zu unterschiedlichen Expressionsmustern von TGF- β-Zielgenen beitragen. Der Fokus dieser Studie liegt auf den transkriptionsregulatorischen Effekten des Nodal / Activin-Liganden, der zur TGF-β-Superfamilie gehört und ein wichtiger Faktor in der frühen embryonalen Entwicklung ist. Um diese Effekte zu analysieren, habe ich kinetische Modelle entwickelt und mit den Zeitverlaufsdaten von RNA-Polymerase II (Pol II) und Smad2-Chromatin-Bindungsprofilen für die Zielgene kalibriert. Unter Verwendung des Akaike-Informationskriteriums (AIC) zur Bewertung verschiedener kinetischer Modelle stellten wir fest, dass der Nodal / Activin-Signalweg Zielgene über verschiedene Mechanismen reguliert. Im Nodal / Activin-Smad2-Signalweg spielt Smad2 für verschiedene Zielgene unterschiedliche regulatorische Rollen. Wir zeigen, wie Smad2 daran beteiligt ist, die Transkriptions- oder Abbaurate jedes Zielgens separat zu regulieren. Darüber hinaus werden eine Reihe von Merkmalen, die die Transkriptionsdynamik von Zielgenen vorhersagen können, durch logistische Regression ausgewählt. Der hier vorgestellte Ansatz liefert quantitative Beziehungen zwischen der Dynamik des Transkriptionsfaktors und den Transkriptionsantworten. Diese Arbeit bietet auch einen allgemeinen mathematischen Rahmen für die Untersuchung der Transkriptionsregulation anderer Signalwege. / Transforming growth factor-β (TGF-β) signaling pathways play a crucial role in cell proliferation, migration, and apoptosis through the activation of Smad proteins. Research has shown that the biological effects of TGF-β signaling pathway are highly cellular-context-dependent. In this thesis work, I aimed at understanding how TGF-β signaling can regulate target genes differently, how different dynamics of gene expressions are induced by TGF-β signal, and what is the role of Smad proteins in differing the profiles of target gene expression. In this study, I focused on the transcriptional responses to the Nodal/Activin ligand, which is a member of the TGF-β superfamily and a key regulator of early embryonic development. Kinetic models were developed and calibrated with the time course data of RNA polymerase II (Pol II) and Smad2 chromatin binding profiles for the target genes. Using the Akaike information criterion (AIC) to evaluate different kinetic models, we discovered that Nodal/Activin signaling regulates target genes via different mechanisms. In the Nodal/Activin-Smad2 signaling pathway, Smad2 plays different regulatory roles on different target genes. We show how Smad2 participates in regulating the transcription or degradation rate of each target gene separately. Moreover, a series of features that can predict the transcription dynamics of target genes are selected by logistic regression. The approach we present here provides quantitative relationships between transcription factor dynamics and transcriptional responses. This work also provides a general computational framework for studying the transcription regulations of other signaling pathways.

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: In recent years the demand for bandwidth has dramatically increased because of new applications for data and multimedia, and wireless technology has prevailed as a prominent technology for data connectivity, especially for home, office and last mile services. As wireless communications are dependant upon spectrum availability, which is communal, this scarce commodity in communication has to be used as efficiently as possible. Some aspects of this requirement are addressed in this project. We chose the IEEE 802.11b standard for this particular investigation because of its widespread use, the vast amount of applicable literature, the variety of software simulation tools and the ease with which equipment can be obtained. The IEEE 802.11 standard specified the Point Coordination Function as the de- terministic protocol. Recently research into this aspect has stagnated, and it was the purpose of this project to investigate how existing infrastructure networks could be improved by optimising some modes of the 802.11 protocol. The investigation also hoped to determine when to change between Distributed Coordination Function (DCF) and Point Coordination Function (PCF), and to provide an adaptive protocol to do so. This thesis presents mathematical models for the operation of DCF and PCF modes, which is compared with results from a network simulator (ns2), for theoretical veri- fication. A protocol is also proposed to dynamically switch between DCF and PCF, to harness the advantages they present. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die afgelope paar jaar het die aanvraag na bandwydte dramaties verhoog as gevolg van nuwe toepassings vir data en multimedia, en draadlose tegnologie het voorgekom as ’n dominante tegnologie vir data konnektiwiteit, veral vir die huis, kantoor en laaste myl dienste. Omdat draadlose kommunikasie afhanklik is van spektrum beskikbaarheid, wat gemeenskaplik is, moet hierdie skaars kommoditeit in kommunikasie so effektief moontlik gebruik word. Sekere aspekte van die vereiste sal in die tesis ondersoek word. Dit is besluit om die IEEE 802.11b standard vir die spesifieke ondersoek te gebruik as gevolg van die wye toepassing, die groot hoeveelheid beskikbare literatuur, die verskeidenheid simulasie sagteware en die gemak waarmee die toerusting bekom kan word. Die IEEE 802.11 standaard spesifiseer the Punt Koordinasie Funksie (PCF) as die deterministiese protokol vir die betrokke standaard. Onlangs het navorsing oor hierdie aspek gestagneer, en dit is die doel van die projek om te ondersoek hoe bestaande infrastruktuur netwerke moontlik verbeter kan word deur optimering van sekere modusse van die 802.11 protokol. Die ondersoek hoop ook om te bepaal wanneer die oorgang van die Distrubusie Koordinasie Funksie (DCF) en Punt Ko- ordinasie Funksie sal plaasvind, en om ’n dienooreenstemmende protokol te on- twikkel. Die tesis verskaf wiskundige modelle vir die werking van die DCF en PCF modusse, wat vergelyk word met resultate uit ’n netwerk simulator (ns2), vir teoretiese ver- ifikasie. ’n Protokol word ook voorgestel om dinamies te wissel tussen DCF and PCF, om die voordele wat die protokolle verskaf te gebruik.

Ce doctorat trouve son origine dans la compréhension des prises de décision et des comportements collectifs des animaux. Comment ces derniers parviennent-ils à effectuer des choix collectivement ? Comment les membres d’un groupe procèdent-ils pour synchroniser leurs comportements spatialement et temporellement ? Mon principal objectif a été de dégager, lors des déplacements collectifs et du fur rubbing chez le capucin moine, les évènements décisionnels dépendants de processus anonymes de ceux dépendants de processus liés à l’identité des individus et à leur réseau de relations sociales au sein du groupe. Dans les prises de décision collective relatives aux déplacements, les membres du groupe sont influencés dans leurs choix par leur identité sociale mais aussi par des mécanismes anonymes, de type mimétique. Le fur rubbing est également un comportement collectif dont les mécanismes sous-jacents incluent une dépendance interindividuelle de type mimétique. Des mécanismes similaires mettant en jeu des interactions entre individus basées sur des règles comportementales simples se retrouvent dans chacun des phénomènes collectifs étudiés. Ces résultats sont les premiers à démontrer l’émergence de prises de décision collective à partir de telles interactions anonymes dans un groupe de primates non humains. Ils permettent de faire le lien entre choix individuels et comportement collectif et de mieux concevoir comment un groupe de primates peut se coordonner, maintenir sa cohésion spatiale et synchroniser ses activités./How do animals reach collective consensus? How do group members spatially and temporally synchronise their behaviour? My main purpose was to demonstrate the respective roles of anonymous processes (contagion, mimetism) and individual-dependent processes (hierarchical rank, age, sex, kin, social relationships) in collective decision-making. During decision-making relating to collective movements, group members’ decisions depend on their social identity (individual-dependent mechanism) as well as anonymous processes. Fur rubbing is also a collective behaviour involving interindividual dependence with mimetic underlying mechanisms. We found similar mechanisms, involving interindividual interactions according to simple behavioural rules, in both collective phenomenon studied. These results are the first to demonstrate the emergence of collective decision-making based on anonymous interactions in a group of non human primates. They help to understand the link between individual choices and collective behaviour and to appreciate how a social group of primates maintain its spatial cohesion and synchronize its activities.

This thesis presents several problems based on papers written jointly by the author and Dr. Christian-Oliver Ewald. Firstly, the author extends the model presented by Fershtman and Nitzan (1991), which studies a deterministic differential public good game. Two types of volatility are considered. In the first case the volatility of the diffusion term is dependent on the current level of public good, while in the second case the volatility is dependent on the current rate of public good provision by the agents. The result in the latter case is qualitatively different from the first one. These results are discussed in detail, along with numerical examples. Secondly, two existing lines of research in game theoretic studies of fisheries are combined and extended. The first line of research is the inclusion of the aspect of predation and the consideration of multi-species fisheries within classical game theoretic fishery models. The second line of research includes continuous time and uncertainty. This thesis considers a two species fishery game and compares the results of this with several cases. Thirdly, a model of a fishery is developed in which the dynamic of the unharvested fish population is given by the stochastic logistic growth equation and it is assumed that the fishery harvests the fish population following a constant effort strategy. Explicit formulas for optimal fishing effort are derived in problems considered and the effects of uncertainty, risk aversion and mean reversion speed on fishing efforts are investigated. Fourthly, a Dixit and Pindyck type irreversible investment problem in continuous time is solved, using the assumption that the project value follows a Cox-Ingersoll- Ross process. This solution differs from the two classical cases of geometric Brownian motion and geometric mean reversion and these differences are examined. The aim is to find the optimal stopping time, which can be applied to the problem of extracting resources.