Διδακτορικές Διατριβές

Μόνιμο URI για αυτήν τη συλλογήhttps://dspace.library.tuc.gr/handle/123456789/127

Νέα

Περιηγούμαι

Τώρα δείχνει 1 - 11 από 11

Autonomous underwater robots’ cooperative behaviour
(Technical University of Crete, 2013) Piperidis Savvas; Πιπεριδης Σαββας; Tsourveloudis Nikolaos; Τσουρβελουδης Νικολαος; Kouikoglou Vasilis; Κουϊκογλου Βασιλης; Nikolos Ioannis; Νικολος Ιωαννης; Lagoudakis Michael; Λαγουδακης Μιχαηλ; Doitsidis Eleftherios; Δοϊτσιδης Ελευθεριος
A novel cooperative controller design for autonomous underwater vehicles is proposed, implemented and tested. The design procedure follows the basic principles of behaviour-based systems to create two different biomimetic roles, encapsulating the characteristics of an extremely rare cooperative underwater predator behaviour found in the wild: bottlenose dolphins group-hunting with division of labour and role specialization. The behaviour-based model is comprised of an hierarchy with different levels of competence, interaction and intercommunication between several behaviour modules. Two distinct, cooperating roles mimicking the driver and the non-driving or barrier members of a hunting bottlenose dolphins group emerged from the behaviour-based subsumption architecture controller designation. This behaviour-based cooperation exploits the driver’s individual capability, in fact a physical gift, of initializing, coordinating a hunting bout, detecting and herding the school of fish along with the contribution of non-driving dolphins ability to comprehend and follow the driver’s master plan and thus act as barriers for the fish trying to escape. Both roles are programmed to act upon sensory information regarding the robot’s environment, provided by a vision sensor module and an inertial measurement unit. The vision sensor detects colour light targets, classifies them according to the experimentation scenario and triggers behaviours’ interaction. The inertial measurement unit supports behaviours’ navigation and guidance necessities. Controller testing, under several simulated scenarios, proved the reliability and modular functionality of the cooperative behaviour-based model and its potential for supporting the autonomy of underwater robotic vessels commissioned in oceanography, environmental monitoring and exploration, serving tasks that can easily be seen as an extent of dolphins’ group hunting. Apart from the simulation, the same behaviour-based controller was tested in real world, with a prototype autonomous vessel. In this case, due to certain limitations of the experimental apparatus, the behaviour-based controller implemented an individual biomimetic role inspired by the real life routines of wandering, hunting, feeding, hiding and nesting exercised by underwater creatures. The individual role, behaviour-based controller was an effort to approach the sea creatures’ autonomy, observed macroscopically as an inevitable iteration and commutation of distinct behaviour modules, guided by the overall objective of staying alive. The prototype robot was commissioned as an experimentation platform for testing the framework of autonomous behaviour-based controllers and materialize the biomimetic metaphor between the maritime environment and a laboratory experimentation area of 1m3 .
Ενοποίηση πληροφοριακών μοντέλων στη διαδικασία ανάπτυξης του προϊόντος
(Technical University of Crete, 2015) Dermitzakis Eleftherios; Δερμιτζακης Ελευθεριος; Bilalis Nikolaos; Μπιλαλης Νικολαος; Moustakis Vasilis; Μουστακης Βασιλης; Antoniadis Aristomenis; Αντωνιαδης Αριστομενης; Marinakis Ioannis; Μαρινακης Ιωαννης
Η διαδικασία σχεδίασης και ανάπτυξης ενός προϊόντος απαιτεί τη συνεργασία πολλών οργανωτικών μονάδων στις διάφορες δραστηριότητες που απαιτούνται ώστε το τελικό προϊόν να εισαχθεί στην αγορά. Στη διαδικασία σχεδίασης και ανάπτυξης προϊόντων με χρήση υπολογιστή, υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι και εκδόσεις λογισμικών που χρησιμοποιούνται για την υποστήριξη των δραστηριοτήτων και την εκτέλεση των διαδικασιών σχεδιασμού και παραγωγής. Διαφορετικά συστήματα συνήθως χρησιμοποιούν διαφορετικά σχήματα αναπαράστασης πληροφοριών. Αυτό δυσκολεύει την ολοκλήρωση και το καταμερισμό των πληροφοριών στην ομάδα ανάπτυξης ακόμη και μέσα σε μια ενιαία επιχείρηση. Η τεχνολογία μοντελοποίησης σε διαδικασίες σχεδιασμού προϊόντων διαδραμάτισε έναν θεμελιώδη ρόλο στην υποστήριξη της αποτελεσματικής διανομής πληροφοριών και γνώσης. Στην προτεινόμενη έρευνα θα ενοποιηθούν δύο είδη μοντέλων, τα μοντέλα του προϊόντος με τα μοντέλα ροής των εργασιών, ώστε να γίνει μια ολοκλήρωση των πρώτων πέραν των ορίων της παραγωγής και για τα δεύτερα να ανταπεξέλθουν στα προβλήματα που έχουν με την εγκυρότητα δεδομένων. Η εργασία βασίζεται στο μοντέλο CPM-Core Product Model και επικεντρώθηκε σε στην επέκταση του αρχικού εννοιολογικού μοντέλου του Μοντέλου Ανοικτής Συναρμολόγησης (OAM - Open Assembly Model). Πρώτα υλοποιήθηκε το Ενδιάμεσο Μοντέλο παρέχοντας τις δομές δεδομένων που χρειάζονται για την αποθήκευση των αντικειμένων και στη συνέχεια προχωρά στην υλοποίηση μιας αντικειμενοστραφούς πλατφόρμας ολοκληρώνοντάς το σε Μοντέλο Υλοποίησης. Για την ενοποίηση του μοντέλου ΠΔΣ-Πίνακα Δομής Σχεδίασης (Design structure Model - DSM) και του Μοντέλου Ανοικτής Συναρμολόγησης (Open Assembly Model - OAM/NIST) χρησιμοποιήθηκε ο Πίνακας Δομής Σχεδίασης Συστατικών ο οποίος με τη βοήθεια αλγορίθμων ομαδοποίησης εστιάζει στην εύρεση υποσυνόλων στοιχείων μι-ας συναρμολόγησης, ελαχιστοποιώντας προβλήματα στην αρχική σχεδίαση (επαναλήψεις και αναδράσεις). Η ενοποίηση των δύο μοντέλων επιτυγχάνεται κάνοντας χρήση της τεχνολογίας αγωγών (pipeline) που χρησιμοποιείται ευρέως στην τεχνολογία λογισμικού. Συγκεκριμένα, η πληροφορία ρέει από το μοντέλο ΟΑΜ στο μοντέλο DSM δημιουργώντας έτσι εικονικούς αγωγούς ροής πληροφορίας από τα στάδια της αρχικής σχεδίασης μέχρι τη συναρμολόγηση του προϊόντος. Η τροφοδότηση πληροφορίας από το ένα μοντέλο στο άλλο απαιτεί βέβαια μετασχηματισμούς δεδομένων που πρέπει να παρέχουν και εννοιολογική και σημασιολογική αναπαράσταση. Το μοντέλο ενοποίησης που προκύπτει (Open Αssembly Model to Design Structure Matrix - OAM2DSM) συνδέει τις δύο αυτές μεθόδους χρησιμοποιώντας το ΟΑΜ/NIST ως μοντέλο διεπαφής μεταξύ των λογισμικών σχεδίασης (Computer Aided Design systems - CAD systems) και του μοντέλου DSM. Η ενοποίηση αυτή: • Υποστηρίζει τη διαδικασία σχεδίασης από τα πρώιμα στάδια της και καθ’ όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής ενός προϊόντος. • Ισχυροποιεί την ενοποίηση συστημάτων σχεδίασης CAD με συστήματα ανάλυσης. • Δίνει μια δυνατότητα πρόβλεψης στη σχεδίαση, συμβάλλοντας έτσι στη μείωση του χρόνου σχεδίασης μιας και εντοπίζονται γρηγορότερα σχεδιαστικές αστοχίες ή λάθη. • Παρέχει ένα ισχυρό πληροφοριακό μοντέλο, ικανό να αποτυπώσει την εξέλιξη της σχεδίασης και τη ροή της πληροφορίας σε όλα της τα στάδια. • Είναι ανεξάρτητη πλατφόρμας σχεδίασης (Απαραίτητη προϋπόθεση είναι το λογισμικό σχεδίασης να υποστηρίζει το πρότυπο ISO10303 STEP). • Προσθέτει στο ΟΑΜ ένα επιπλέον χαρακτηριστικό, αυτό της τμηματικής σχεδίασης μιας και η ομαδοποίηση που προτείνεται στον ΠΔΣ αρχιτεκτονικής (συστατικών) δίνει ομάδες συναρμολογήσεων με ισχυρή αλληλεπίδραση και εξάρτηση. Αυτή η δυνατότητα ισχυροποιεί τη συνεργατική σχεδίαση).
An integrated recommender system based on multi-criteria decision analysis and data analysis methods
(Πολυτεχνείο Κρήτης, 2010) Λακιωτάκη Κλεάνθη
Μη διαθέσιμο
Freeway traffic flow modeling and control with emphasis on congested off-ramp areas
(Technical University of Crete, 2015) Spiliopoulou Anastasia; Σπηλιοπουλου Αναστασια; Papageorgiou Markos; Παπαγεωργιου Μαρκος; Delis Anargyros; Δελης Αναργυρος; Nikolos Ioannis; Νικολος Ιωαννης; Papamichail Ioannis; Παπαμιχαηλ Ιωαννης
Most metropolitan cities of developed countries have now an extensive network of urban and peri-urban freeways, which aims to provide virtually unlimited and fast mobility to road users around the metropolitan area. However, the increase of traffic demand, especially during the peak hours, and the occurrence of traffic incidents, leads to daily appearance of recurrent and non-recurrent freeway congestion which results in significant increase of travel times, increased fuel consumption, environmental pollution as well as reduced safety. The problem of freeway congestion in urban and peri-urban freeways cannot always be faced by expanding the existing infrastructure, for economic and environmental reasons; instead, efficient traffic control measures may be employed to mitigate the problem. However, the development of effective real-time traffic control measures implies the availability of suitable mathematical traffic flow models which may be used for the development and testing of the proposed control strategies. This thesis investigates the particular, but quite frequent, case of (recurrent) freeway congestion due to saturated off-ramps. This kind of congestion is difficult to deal with, and for this reason this frequent traffic flow degradation is rarely addressed in the traffic control literature. Moreover, within the traffic flow modeling literature there are, so far, no studies undertaking validation and comparison of different traffic flow models regarding the reproduction of traffic conditions in such areas. The aim of this research is to investigate traffic flow modeling and traffic control issues for congested freeway off-ramp areas. In particular, within this thesis the most popular discrete time-space macroscopic traffic flow models, namely the CTM and the METANET models, were validated and compared regarding the representation of traffic conditions at congested freeway off-ramp areas. The models were calibrated and validated using real traffic data from Attiki Odos freeway in Athens, and by employing various optimization methods. Apart from the modeling approach, various innovative real-time traffic control measures were developed for congested freeway off-ramp areas. In particular, two different cases were examined and suitable traffic control strategies were proposed for every case. In the first case, a hypothetical network was simulated, and various route diversion strategies were developed that aim to reroute the drivers through alternative routes, towards the same destination, preventing the off-ramp queue spillover and the creation of mainstream congestion. In the second case, a real traffic network was examined where recurrent freeway congestion is created due to congestion on the surface street network which propagates to the freeway mainstream through a saturated off-ramp. The network was simulated by use of microscopic simulation and a real-time merging traffic control algorithm was proposed that aims to maximize the surface street network throughput and at the same time to prevent the off-ramp queue from spilling back into the freeway mainstream. The simulation results, for both investigated cases, showed that the proposed traffic control measures can improve the prevailing traffic conditions, preventing the formation of mainstream congestion. Thus, they are both very promising for a field implementation.
Agricultural product design methodology: the case of olive oil
(Πολυτεχνείο Κρήτης, 1994) Baourakis Georgios; Μπαουράκης Γεώργιος; Pouliezos Anastasios; Πουλιεζος Αναστασιος; Skiadas Christos; Σκιαδας Χρηστος; Zopounidis Konstantinos; Ζοπουνιδης Κωνσταντινος
Μεθοδολογία κατάρτισης στρατηγικού - επιχειρησιακού σχεδιασμού και ελέγχου στη βιομηχανία
(Πολυτεχνείο Κρήτης, 2013) Aggelakis Konstantinos; Αγγελάκης Κωνσταντίνος; Moustakis Vasilis; Μουστακης Βασιλης; Bilalis Nikolaos; Μπιλαλης Νικολαος; Antoniadis Aristomenis; Αντωνιαδης Αριστομενης; Zervakis Michalis; Ζερβακης Μιχαλης; Kontogiannis Thomas; Κοντογιαννης Θωμας
An agent-based workflow management system for marketing decision support
(Πολυτεχνείο Κρήτης, 2009) Δελιάς Παύλος
Μη διαθέσιμο
An integrated marketing system for the optimal product line design problem, in a competitive reaction context, based on the qualitative consumer behavior analysis
(Πολυτεχνείο Κρήτης, 2010) Τσαφαράκης Στέλιος
Μη διαθέσιμο
On the numerical solution of compressible fluid flow and radiative heat transfer problems
(Technical University of Crete, 2015) Lygidakis Georgios; Λυγιδακης Γεωργιος; Nikolos Ioannis; Νικολος Ιωαννης; Delis Anargyros; Δελης Αναργυρος; Rovas Dimitrios; Ροβας Δημητριος; Karatzas Giorgos; Καρατζας Γιωργος
Διαχείριση πόρων και διαδικασιών νοσοκομειακών οργανισμών με τη χρήση προσομοίωσης και μεθόδων πολυκριτήριας ανάλυσης
(Πολυτεχνείο Κρήτης, 2015) Manolitzas Panagiotis; Μανωλιτζας Παναγιωτης; Matsatsinis Nikolaos; Ματσατσινης Νικολαος; Zopounidis Konstantinos; Ζοπουνιδης Κωνσταντινος; Grigoroudis Evangelos; Γρηγορουδης Ευαγγελος
Η οικονομική κρίση έχει ως αποτέλεσμα την περικοπή των δαπανών υγείας αλλά και την αύξηση των ασθενών που επισκέπτονται τα νοσοκομεία για λήψη υπηρεσιών υγείας. Λαμβάνοντας υπόψη τον περιορισμένο αριθμό πόρων οι επιχειρησιακοί ερευνητές προσπαθούν να αναπτύξουν μεθοδολογίες για την αποτελεσματικότερη διαχείριση των πόρων και διαδικασιών των νοσηλευτικών μονάδων. Η αύξηση των εισαγωγών στα Τμήματα Επειγόντων Περιστατικών (ΤΕΠ) από ασθενείς οι οποίοι ανήκουν στις ευπαθείς οικονομικά ομάδες αποτελεί παγκόσμιο πρόβλημα με αποτέλεσμα να εμφανίζεται το φαινόμενο του συνωστισμού. Αποτέλεσμα του φαινομένου του συνωστισμού αποτελούν φαινόμενα όπως οι ασθενείς που εγκαταλείπουν το ΤΕΠ χωρίς να εξετασθούν, η διακομιδή των ασθενοφόρων μεταξύ των νοσοκομείων, η αύξηση της θνησιμότητας καθώς και η καθυστέρηση στην παροχή υγειονομικής φροντίδας. Για την αντιμετώπιση του φαινομένου του συνωστισμού καθώς και για την αποτελεσματικότερη διαχείριση πόρων και διαδικασιών του ΤΕΠ στη συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε η μεθοδολογία MEDUTA. Στόχος της συγκεκριμένης μεθοδολογίας είναι μέσω της προσομοίωσης να εντοπίσει τις εναλλακτικές λύσεις προκειμένου το τμήμα να λειτουργεί αποδοτικότερα αλλά και να υποστηρίξει τον αποφασίζοντα στη λήψη αποφάσεων με τη χρήση της αναλυτικής συνθετικής προσέγγισης. Η συγκεκριμένη μεθοδολογία σε σύγκριση με τις άλλες μεθοδολογίες πού έχουν δημοσιευθεί δίνει ιδιαίτερη βαρύτητα στα εμπλεκόμενα μέρη (γιατροί, νοσηλευτές, ασθενείς) για την ανάπτυξη των υποθετικών λύσεων. Προκειμένου να αναπτυχθούν οι υποθετικές λύσεις η MEDUTA λαμβάνει υπόψη τις απόψεις των γιατρών και των νοσηλευτών ενώ για τους ασθενείς χρησιμοποιεί την πολυκριτήρια μεθοδολογία αξιολόγησης της ικανοποίησης MUSA. Η μεθοδολογία έχει σχεδιασθεί να λειτουργεί και σε τμήματα στα οποία δεν υπάρχουν πληροφοριακά συστήματα για τη συλλογή δεδομένων, παρέχοντας στο χρήστη τα βήματα που πρέπει να ακολουθήσει για τη συλλογή των δεδομένων. Εκτός από την χρήση της προσομοίωσης για τον ανασχεδιασμό των επιχειρησιακών λειτουργιών του τμήματος η MEDUTA συμβάλει στην υποστήριξη των αποφάσεων του αποφασίζοντα. Πιο αναλυτικά ενώ οι μεθοδολογίες που έχουν δημοσιευθεί χρησιμοποιούν την Αναλυτική Ιεραρχική Προσέγγιση, η συγκεκριμένη μεθοδολογία χρησιμοποιεί τη στοχαστική uta, η οποία αποτελεί μέλος της αναλυτικής συνθετικής προσέγγισης. Η συγκεκριμένη μέθοδος αποκαλύπτει σε συντομότερο χρονικό διάστημα το σύστημα αξιών που χρησιμοποιεί ο αποφασίζοντας ενώ μέσω των αποτελεσμάτων που παρέχει στο χρήστη αποκαλύπτει αναλυτικά τον τρόπο σκέψης του αποφασίζοντα προκειμένου να λάβει αποφάσεις, οι οποίες σχετίζονται με τη διαχείριση πόρων και διαδικασιών του τμήματος. Προκειμένου να εφαρμοστεί πρακτικά η μεθοδολογία αναπτύχθηκε συνεργασία με το ΤΕΠ του Γενικού Νοσοκομείου Χανίων. Τέλος θα πρέπει να σημειωθεί ότι με τη συγκεκριμένη μεθοδολογία παρέχεται η δυνατότητα στους ερευνητές να ενσωματώσουν και άλλες σύγχρονες προσεγγίσεις του μάνατζμεντ αλλά και της πληροφορικής όπως την κάρτα ισορροπημένης στοχοθεσίας καθώς και τεχνικές εξόρυξης διαδικασιών προκειμένου από τη μία πλευρά να αξιολογήσουν τη στρατηγική του οργανισμού βάσει υποθετικών λύσεων ενώ από την άλλη να αναπτύσσουν το μοντέλο προσομοίωσης σε συντομότερο χρονικό διάστημα.
Computational methods for knowledge discovery from heterogeneous data sources: methodology and implementation on biological and molecular sources
(Πολυτεχνείο Κρήτης, 2014) Koumakis Eleftherios; Κουμακης Ελευθεριος; Moustakis Vasilis; Μουστακης Βασιλης; Bilalis Nikolaos; Μπιλαλης Νικολαος; Zervakis Michalis; Ζερβακης Μιχαλης
Οι σύγχρονες κατευθύνσεις στον τομέα της υγείας και της ιατρικής θέτουν τη πρόληψη, και την εξατομικευμένη ιατρική ως κύριες προτεραιότητες. Ωστόσο αποτελεί κοινή διαπίστωση το γεγονός ότι για να κινηθούμε προς αυτή τη κατεύθυνση πρέπει να ενσωματώσουμε τη γενετική πληροφορία στη καθημερινή πρακτική των επιστημών υγείας. Καθώς εισερχόμαστε στη μεταγονιδωματική εποχή όπου η ακολουθία του ανθρώπινου γονιδιώματος έχει αποκωδικοποιηθεί εξολοκλήρου, η βιολογία διαθέτει πλέον μεθόδους όχι μόνο για την λεπτομερειακή απεικόνιση των αλληλεπιδράσεων των γονιδίων αλλά και την δυνατότητα να επεμβαίνει ώστε να μεταβάλει και να καθορίζει, σε τεχνικό επίπεδο, τη φυσιολογία του ανθρώπινου οργανισμού μέσω των κυττάρων και συνεπώς των ιστών. Για να μπορέσουμε να εκμεταλλευτούμε στο μέγιστο αυτές τις επαναστατικές τεχνολογικές εξελίξεις πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε και να αποτυπώσουμε τους χαοτικούς δρόμους που ακολουθεί η γονιδιακή έκφραση, καθώς μια απλή γονιδιακή μετάλλαξη, ή ένας φαινομενικά ασήμαντος περιβαλλοντικός παράγοντας μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές παθολογικές καταστάσεις. Η ευέλικτη, λοιπόν, και αποτελεσματική διαχείριση και επεξεργασία της γονιδιωματικής πληροφορίας με σκοπό την εξατομικευμένη ιατρική είναι η νέα πρόκληση που καλούμαστε να αντιμετωπίσουμε. Τα παραπάνω μαζί με την πρόοδο στον γενικότερο συστημικό και υπολογιστικό τρόπο που διαχειρίζονται οι ερευνητές όλα τα στοιχεία της μοριακής βιολογίας (όπως γονίδια, πρωτεΐνες, ένζυμα, μεταγραφικούς παράγοντες, μεταβολικά και κανονιστικά δίκτυα) έχουν δημιουργήσει μία νέα περιοχή έρευνας, την βιοπληροφορική. Η βιοπληροφορική είναι ο τομέας της θετικής επιστήμης ο οποίος μελετάει τη συμπεριφορά βασικών μονάδων της βιολογικής λειτουργίας μέσω υπολογιστικών μεθόδων. Σκοπός της είναι η εύρεση πρωτότυπων και η εφαρμογή ήδη υπαρχόντων αποδοτικών και ευέλικτων αλγορίθμων επεξεργασίας γενομικών δεδομένων ώστε να εξαχθεί η γνώση που ‘ελλοχεύει’ σε αυτά. Η πρόοδος της βιοπληροφορικής διευρύνθηκε με την πλήρη χαρτογράφηση του ανθρώπινου γονιδιώματος και την εφεύρεση των μικροσυστοιχίων (microarrays). Οι μικροσυστοιχίες είναι συσκευές οι οποίες επιτρέπουν την ταυτόχρονη μέτρηση της έκφρασης δεκάδων χιλιάδων γονιδίων. Μέσω αυτών μπορούμε να μετρήσουμε τη ποσοτική συμμέτοχη ενός μεγάλου μέρους του γονιδιώματος ενός οργανισμού σε κάποιο συγκεκριμένο ιστό. Ο ιστός αυτός μπορεί να είναι υγιείς, καρκινικός, υπό θεραπεία, υπό την επίδραση κάποιου φαρμάκου ή τα κύτταρά του να υποβάλλονται σε κάποια βιολογική διεργασία όπως διαίρεση ή απόπτωση. Σε πειράματα που μετέχουν διαφορετικοί τύποι ιστών μπορούμε να εντοπίσουμε και να μετρήσουμε τη διαφορική έκφραση των γονιδίων. Από την ανακάλυψη των μικροσυστοιχιών (1996) μέχρι σήμερα έχει γίνει μία τεράστια ερευνητική προσπάθεια για την βελτίωση της ακρίβειας τους, την εφαρμογή τους σε περισσότερους ιστούς κάτω από ποικίλες συνθήκες αλλά και για την ολοκλήρωση της γνώσης που παράγεται με άλλα βιολογικά ευρήματα. Αρχικά η προσδοκία ήταν ότι οι μικροσυστοιχίες θα αποκάλυπταν μοναδικά μοτίβα γονίδιων (γονιδιακές υπογραφές) για διάφορους φαινοτύπους, όμως η επαλήθευση των γονιδιακών υπογραφών είναι περιορισμένη, κυρίως λόγω της πολυπλοκότητας και των ετερογένειών που εμφανίζονται σε αυτές. Λόγω των διαφορετικών πλατφορμών που χρησιμοποιούνται στα διάφορα πειραματικά πρωτόκολλα και κυρίως σε πειράματα με μικρά μεγέθη δειγμάτων, η υψηλή διαφορική έκφραση ενός γονιδίου δεν απηχεί κατ’ ανάγκη σε μια μεγαλύτερη πιθανότητα το γονίδιο να σχετίζεται με τη νόσο και, ως εκ τούτου, εστιάζοντας μόνο στα υποψήφια γονίδια με υψηλές διαφορικές εκφράσεις μπορεί να μην είναι η βέλτιστη διαδικασία για τον διαχωρισμό ή την πρόβλεψη ετερογενών φαινοτύπων.Στις μέρες μας η βιοπληροφορική επικεντρώνεται σε πιο ανεπτυγμένες μεθόδους για την επιλογή γονιδίων από μικροσυστοιχίες κυρίως με την προσθήκη και την επεξεργασία γνώσης από άλλες πηγές, όπως τα γονιδιακά ρυθμιστικά δίκτυα (ΓΡΔ) (Gene Regulatory Networks), τα οποία μοντελοποιούν τις αλληλεπιδράσεις των γονιδίων κατά τη διάρκεια βιολογικών διεργασιών. Στο κύτταρο εκατοντάδες ή χιλιάδες γονίδια εκφράζονται και συνεργάζονται από κοινού για να εξασφαλιστεί η λειτουργία και η επιβίωση του. Οι σχέσεις των γονιδίων έχουν χαρτογραφηθεί σε ΓΡΔ τα οποία μπορούν να προσφέρουν γνώση σχετικά με τους μηχανισμούς της γονιδιακής έκφρασης σε επίπεδο συστήματος. Αυτά τα δίκτυα μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την κατανόηση της ροής των πληροφοριών σε ένα βιολογικό σύστημα, για τον εντοπισμό μονοπατιών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συγκεκριμένο σκοπό, και να μοντελοποιήσουν αλλαγές στην έκφραση γονιδίων κάτω από διαφορετικές συνθήκες. Η μελέτη της λειτουργίας, της δομής και της εξέλιξης των ΓΡΔ σε συνδυασμό με το προφίλ γονιδιακής έκφρασης από μικροσυστοιχίες έχει γίνει απαραίτητη για τη σύγχρονη βιολογική έρευνα.Οι περισσότερες προσπάθειες για την ολοκλήρωση της γνώσης που εμπεριέχουν οι παραπάνω πηγές (μικροσυστοιχίες και ΓΡΔ) αντιμετωπίζουν τα δίκτυα σαν μονοδιάστατες πηγές πληροφορίας όπου οι συσχετίσεις των γονιδίων, όπως αυτά μοντελοποιούνται, δεν εμπερικλείονται και συνεπώς δεν αξιοποιούνται. Πρόσφατα, όλο και περισσότερες μέθοδοι επωφελούνται από την τοπολογία των δικτύων χρησιμοποιώντας μεθόδους της θεωρίας γράφων, αλλά μόνο ένας περιορισμένος αριθμός των επί του παρόντος διαθέσιμων μεθοδολογιών, μπορεί να αξιοποιήσει τις πληροφορίες ρύθμισης εντός των ΓΡΔ όπως η αλληλεπίδραση μεταξύ γονιδίων. Η αλληλεπίδραση αυτή μπορεί να χωριστεί σε πολλές κατηγορίες, με δύο από αυτές να θεωρούνται οι πιο σημαντικές. Η πρώτη είναι η ενεργοποίηση/έκφραση (activation), όπου ένα γονίδιο ενεργοποιεί κάποιο άλλο, και η δεύτερη η αναστολή (inhibition), όπου ένα γονίδιο σταματάει την ενεργοποίηση κάποιου άλλου. Είναι χαρακτηριστικό ότι υπάρχουν γονίδια των οποίων η πρωτεΐνη που κωδικοποιούν δεν έχει κάποιο βιολογικό ρόλο πέρα από την ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση άλλων γονιδίων. Τα γονίδια αυτά ονομάζονται μεταγραφικοί παράγοντες (transcription factors).Η παρούσα εργασία στόχο έχει στο να συμβάλει στους σχετικά πρόσφατους τομείς της υπολογιστικής βιολογίας και της βιοπληροφορικής με την υλοποίηση μεθόδων για μοντελοποιήση της συμπεριφοράς των ΓΡΔ και εισαγωγή τρόπων εξόρυξης γνώσης από αυτά. Ο κύριος θεματικός τομέας της διατριβής είναι η υπολογιστική μοντελοποίηση των δυναμικών και συστημικών ιδιοτήτων των ΓΡΔ καθώς και η δυνατότητα εκμετάλλευσης της πληροφορίας που εμπεριέχουν σε συνδυασμό με άλλες σύγχρονες έννοιες της μοριακής βιολογίας όπως είναι η γενετική έκφραση. Ποιο συγκεκριμένα: τα μονοπάτια που εκφράζονται ή υπο-εκφράζονται σε έναν ιστό όπως αυτό αποτυπώνεται από πειράματα με μικροσυστοιχίες θα εντοπιστούν μέσω μεθόδων ανίχνευσης διαφορικής έκφρασης. Χρησιμοποιώντας σύγχρονες τεχνικές βελτιστοποίησης δικτύων για ανίχνευση διαφορικών μονοπατιών από ΓΡΔ αναμένουμε να απαντήσουμε σε ένα σύνολο από βιολογικά ερωτήματα όπως:Ποια δίκτυα ή μονοπάτια «λειτουργούν» και ποια όχι μεταξύ διαφορετικών τύπων ιστών/φαινοτύπων.Ποιες διαδρομές είναι αυτές που ακολουθούνται, και ποιοι παράγοντες/γονίδια ευθύνονται για διαδρομές που δεν φαίνεται να ακολουθούνται σε παθογενείς ιστούς ή ακολουθούνται με διαφορετικό τρόπο.Πως μπορούμε τεχνικά να επέμβουμε με σκοπό την επιτάχυνση μίας διαδρομής που παράγει κάποια επιθυμητή ένωση (π.χ. ινσουλίνης) ή την αποτροπή μίας μη επιθυμητής διαδρομής (π.χ. απόπτωση).Η παρούσα διατριβή δημιούργησε και παρουσιάζει το MinePath (www.minepath.org), μια διαδικτυακή πλατφόρμα, που υλοποιεί μια νέα μεθοδολογία για τον προσδιορισμό και την οπτικοποίηση των διαφορικά ενεργών δικτύων ή μονοπατιών μέσα σε ένα ΓΡΔ, χρησιμοποιώντας δεδομένα γονιδιακής έκφρασης. Η πλατφόρμα εκμεταλλεύεται την τοπολογία και τους ρυθμιστικούς μηχανισμούς των ΓΡΔ, συμπεριλαμβανομένης της κατεύθυνσης και του τύπου των γονιδιακών αλληλεπιδράσεων (π.χ. ενεργοποίηση / έκφραση, αναστολή). Η μεθοδολογία εντοπίζει όλα τα λειτουργικά μονοπάτια που εμφανίζονται σε (επιλεγμένα και στοχευμένα) ΓΡΔ και εξάγει τα συμβατά με τις τιμές έκφρασης των γονιδίων των δειγμάτων που ανήκουν σε διαφορετικό κλινικό φαινότυπο (π.χ., νοσούντα εναντίον υγιούς). Η διαφορική δυναμική των επιλεγμένων μονοπατιών υπολογίζεται και η βιολογική σημασία τους αξιολογείται.Το MinePath λειτουργεί με ΓΡΔ από τη βάση δεδομένων KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes). Από την πρώτη τους εμφάνιση το 1995 τα δίκτυα της KEGG έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως ως βάση γνώσεων αναφοράς για την κατανόηση των βιολογικών μονοπατιών και την λειτουργία των κυτταρικών διαδικασιών. Κάθε ΓΡΔ περιγράφεται ως γράφημα, όπου οι κόμβοι αντιπροσωπεύουν γονίδια, ομάδες γονιδίων, ενώσεων ή άλλων δικτύων και οι ακμές αντιπροσωπεύουν γνωστές βιολογικές αλληλεπιδράσεις γονιδίων όπως ενεργοποίηση, αναστολή, έκφραση, φωσφορυλίωση, ένωση, διάσπαση κλπ. Η επεξεργασία των ΓΡΔ στο MinePath λαμβάνει υπόψη όλες τις πιθανές λειτουργικές αλληλεπιδράσεις του δικτύου. Διαφορετικές αλληλεπιδράσεις αντιστοιχούν σε διαφορετικά λειτουργικά μονοπάτια που μπορεί να ακολουθούνται για την ρύθμιση ενός γονιδίου.Κάθε μονοπάτι από τα ΓΡΔ ερμηνεύεται σύμφωνα με τις αρχές και τη σημασιολογία του Kauffman όπου: (i) το δίκτυο είναι ένας κατευθυνόμενος γράφος με κόμβους (γονίδια) και οι ακμές μεταξύ αυτών εκπροσωπούν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους, δηλαδή τις ρυθμιστικές αντιδράσεις (ii) κάθε κόμβος μπορεί να αναπαρίσταται με μία από τις δύο καταστάσεις, «ON», το γονίδιο εκφράζεται (δηλαδή το γονίδιο είναι ενεργό), ή «OFF», το γονίδιο δεν εκφράζεται, ή αναστέλλεται από ένα άλλο γονίδιο και (iii) ο χρόνος θεωρείται ως διαδικασία σε διακριτά βήματα - σε κάθε βήμα η νέα κατάσταση ενός κόμβου είναι μια δυαδική λειτουργία των πρότερων καταστάσεων των γονιδίων με ακμές που δείχνουν προς την κατεύθυνση αυτή. Η μεθοδολογία του MinePath μοντελοποιείται σε πέντε διακριτά βήματα:I.Οι τιμές έκφρασης των γονιδίων από τις μικροσυστοιχίες διακριτοποιούνται σε τιμές 1 και 0 για τα εκφρασμένα και υπο-εκφρασμένα γονίδια αντίστοιχα, και σχηματίζεται μια δυαδική μήτρα γονιδίων και φαινοτύπωνII.Κάθε ΓΡΔ αναλύεται σε όλα τα δυνατά μονοπάτια; για παράδειγμα το μονοπάτι A B | C αναλύεται σε τρία μονοπάτια, τα A B, B | C και A B | C III.Κάθε μονοπάτι χαρακτηρίζεται από την λειτουργική ενεργή κατάσταση του με τη χρήση δυαδικού διανύσματος. Για παράδειγμα το μονοπάτι A B | C θεωρείται ενεργό όταν A και B (εκφρασμένα γονίδια) και C (υπο-εκφρασμένο γονίδιο), που μας δίνει το δυαδικό διάνυσμα <1,1,0> για το μονοπάτι A B | CIV.Τα δυαδικά διανύσματα για όλα τα μονοπάτια αντιπαραβάλλονται με την δυαδική έκφραση των γονιδίων από τις μικροσυστοιχίες για κάθε δείγμα. Ένα μονοπάτι θεωρείται ότι είναι ενεργό σε ένα δείγμα, αν και μόνο αν όλα τα αντίστοιχα γονίδια στο μονοπάτι έχουν την ίδια ενεργό κατάσταση στο δείγμα, δηλαδή, τα γονίδια Α, Β είναι εκφρασμένα και το γονίδιο C υπο-εκφρασμένο, που αντιστοιχεί στο διάνυσμα <1,1,0> για τα γονίδια στο δείγμα. Επιπλέον, μια δυαδική μήτρα σχηματίζεται με τις σειρές να αναπαριστούν μονοπάτια, τις στήλες τα δείγματα, και οι τιμές των κελιών να είναι δυαδικές (1, 0) όπου 1 όταν το αντίστοιχο μονοπάτι είναι ενεργό για το αντίστοιχο δείγμα ή 0 αν δεν είναι. Με άλλα λόγια, τα μονοπάτια παίρνουν τη θέση χαρακτηριστικών του δείγματος και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μοντέλων πρόβλεψης φαινοτύπων.V.Στο τελικό βήμα, η διαφορική δυναμική κάθε μονοπατιού υπολογίζεται χρησιμοποιώντας ειδικά διαμορφωμένες φόρμουλες. Τα μονοπάτια με τη μέγιστη διαφορική δυναμική και πάνω από ένα όριο θεωρούνται τα μονοπάτια που μπορούν να διαχωρίσουν τους δύο φαινοτύπους. Επιπρόσθετα, τα μονοπάτια με θετική διαφορική δυναμική χαρακτηρίζουν τον ένα φαινότυπο (π.χ. ασθενής) ενώ τα μονοπάτια με αρνητική διαφορική δυναμική χαρακτηρίζουν τον δεύτερο φαινότυπο (π.χ υγιής). Το αποτέλεσμα είναι ένας πίνακας μονοπατιών με δυαδικές τιμές για κάθε δείγμα. Στη συνέχεια υπολογίζουμε την ικανότητα πρόβλεψης των επιλεγμένων μονοπατιών χρησιμοποιώντας την τεχνική αξιολόγησης 10 fold cross validation σε αλγόριθμους μηχανικής μάθησης, όπως C4.5 δέντρο αποφάσεων, naïve Bays, ή support vector machine. Το σύστημα επίσης αναγνωρίζει και εξάγει και τα μονοπάτια που είναι πάντα ενεργά (και για τους δύο φαινοτύπους) χωρίς να τα λαμβάνει υπόψιν του στα μοντέλα πρόβλεψης.Το MinePath χρησιμοποιεί δυαδικές δομές δεδομένων και άλγεβρα Μπουλ για τους υπολογισμούς, καθιστώντας το ικανό να αναλύσει σε πραγματικό χρόνο δεδομένα από μεγάλες κλινικές δοκιμές (με μικροσυστοιχίες) σε συνδυασμό με εκατοντάδες ΓΡΔ και δεκάδες χιλιάδες μονοπάτια. Η μεθοδολογία αυτή αναδεικνύει τα ενεργά και μη ενεργά μονοπάτια σε ΓΡΔ ανα φαινότυπο. Αυτά τα μονοπάτια αναδεικνύουν μοριακούς μηχανισμούς που διέπουν την ίδια την ασθένεια, τον τύπο, την κατάσταση ή άλλους εστιασμένους φαινοτύπους όπως απόκριση ή μη σε ειδικές θεραπείες.Εκτός από την προτεινόμενη μεθοδολογία, μόνο τέσσερα άλλα εργαλεία / μέθοδοι εκμεταλλεύονται τους μηχανισμούς γονιδιακής ρύθμισης στα ΓΡΔ, τα GGEA, SPIA, TEAK και PATHOME. Η κύρια διαφορά της προτεινόμενης μεθοδολογίας από αυτά τα τέσσερα συστήματα είναι ο χειρισμός των γονιδιακών ρυθμιστικών μηχανισμών. Όλες οι άλλες μεθοδολογίες μετράνε με +1 τις ενεργοποιήσεις και -1 τις αναστολές. Κάθε μονοπάτι παίρνει ένα τελικό αποτέλεσμα το οποίο χρησιμοποιείται επίσης ως μια φόρμουλα κατάταξης. Αντίθετα, η προσέγγιση μας ελέγχει και λαμβάνει υπόψη μόνο μονοπάτια που είναι πλήρως λειτουργικά (σύμφωνα με τις σχέσεις των γονιδίων και τις εκφράσεις τους).Ένας άλλος βασικός περιορισμός με τη χρήση αυτών των μεθόδων είναι η έλλειψη ενός παραγωγικού περιβάλλοντος με αποτελεσματικό, δια-δραστικό και φιλικό προς το χρήστη τρόπο απεικόνισης που να προσφέρει διερευνητικές ικανότητες για την κατανόηση των ρυθμιστικών μηχανισμών των φαινοτύπων. Σε αντίθεση με παρόμοιες προσπάθειες, οι οποίες απεικονίζουν την κατάσταση των γονιδίων σε ένα ΓΡΔ, μια βασική καινοτομία της πλατφόρμας MinePath έγκειται στις δυνατότητες απεικόνισης και ειδικά, στην οπτικοποίηση των ενεργών γονιδιακών ρυθμιστικών σχέσεων που διαφοροποιούν τους υπό μελέτη φαινοτύπους. Το MinePath υποστηρίζει ενεργή αλληλεπίδραση με τα οπτικοποιημένα δίκτυα όπως η εκ νέου ρύθμιση της τοπολογίας τους και είναι εξοπλισμένο με ειδικά λειτουργικά χαρακτηριστικά που επιτρέπουν άμεση αλληλεπίδραση, άμεση απεικόνιση των ρυθμιστικών σχέσεων και τη μείωση της πολυπλοκότητας των ΓΡΔ χρησιμοποιώντας ειδικές λειτουργίες τοπολογίας.Επιπρόσθετα, η προτεινόμενη μεθοδολογία είναι η μόνη που λαμβάνει υπόψη και οπτικοποιεί μονοπάτια πλήρως λειτουργικά και για τους δύο φαινοτύπους. Αυτά τα μονοπάτια δεν έχουν καμία διακριτική αξία αλλά μέσα σε ένα ΓΡΔ τα μονοπάτια που είναι πάντα ενεργοποιημένο μπορεί να συνδέσουν το κενό (λειτουργική αλληλεπίδραση) μεταξύ δύο μονοπατιών και να αποκαλύψουν ένα πλήρες λειτουργικό μονοπάτι που είναι βιολογικά πολύτιμο όπως για παράδειγμα η σύνδεση του χάσματος μεταξύ λειτουργικών εξω-κυτταρικών γονιδίων και ενός τελικού μηχανισμού κυτταρικής λειτουργίας (απόπτωση, νέκρωση, πολλαπλασιασμός, κτλ).Η μεθοδολογία του MinePath και η διαδικτυακή της υλοποίηση έχει ως στόχο την αποτελεσματική αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων. Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε μικροσυστοιχίες γονιδίων και miRNAs με στόχο την ανάδειξη πιθανών μηχανισμών που διέπουν και ρυθμίζουν την ανταπόκριση σε θεραπεία συγκεκριμένων φαινοτύπων (π.χ. ασθενείς με καρκίνο του μαστού, σύμφωνα με το προφίλ τους σε υποδοχείς οιστρογόνων, ή την πρόβλεψη της ασθένειας Wilms' tumor). Τα αποτελέσματα είναι αρκετά ενθαρρυντικά και υποστηρίζονται από τη σχετική βιοϊατρική βιβλιογραφία. Οπλισμένο με τα παραπάνω χαρακτηριστικά, το MinePath εξυπηρετεί διερευνητικές ανάγκες ερευνητών για την ανακάλυψη ρυθμιστικών μηχανισμών που αποτελούν τη βάση και ορίζουν την έκφραση συγκεκριμένων φαινοτύπων.

Περιηγούμαι

Πρόσφατες Υποβολές