GPS analysis of human locomotion: further evidence for long-range correlations in stride-to-stride fluctuations of gait parameters.

During free walking, gait is automatically adjusted to provide optimal mechanical output and minimal energy expenditure; gait parameters, such as cadence, fluctuate from one stride to the next around average values. It was described that this fluctuation exhibited long-range correlations and fractal-like patterns. In addition, it was suggested that these long-range correlations disappeared if the participant followed the beep of metronome to regulate his or her pace. Until now, these fractal fluctuations were only observed for stride interval, because no technique existed to adequately analyze an extended time of free walking. The aim of the present study was to measure walking speed (WS), step frequency (SF) and step length (SL) with high accuracy (<1 cm) satellite positioning method (global positioning system or GPS) in order to detect long-range correlations in the stride-to-stride fluctuations. Eight participants walked 30 min under free and constrained (metronome) conditions. Under free walking conditions, DFA (detrended fluctuation analysis) and surrogate data tests showed that the fluctuation of WS, SL and SF exhibited a fractal pattern (i.e., scaling exponent alpha: 0.5 < alpha < 1) in a large majority of participants (7/8). Under constrained conditions (metronome), SF fluctuations became significantly anti-correlated (alpha < 0.5) in all participants. However, the scaling exponent of SL and WS was not modified. We conclude that, when the walking pace is controlled by an auditory signal, the feedback loop between the planned movement (at supraspinal level) and the sensory inputs induces a continual shifting of SF around the mean (persistent anti-correlation), but with no effect on the fluctuation dynamics of the other parameters (SL, WS).

Fractal temporal organisation of motricity is altered in major depression.

OBJECTIVE: Motor changes in major depression (MD) may represent potential markers of treatment response. Physiological rhythms (heart rate/gait cycle/hand movements) have been recently shown to be neither random nor regular but to display a fractal temporal organisation, possibly reflecting a unique central "internal clock" control. Sleep and mood circadian rhythm modifications observed in MD also suggest a role for this "internal clock". We set out to examine the fractal pattern of motor activity in MD. METHODS: Ten depressed patients (46±20 years) and ten age- and gender-matched healthy controls (48±21 years) underwent a 6-h ambulatory monitoring of spontaneous hand activity with a validated wireless device. Fractal scaling exponent (α) was analysed. An α value close to 1 means the pattern is fractal. RESULTS: Healthy controls displayed a fractal pattern of spontaneous motor hand activity (α: 1.0±0.1), whereas depressed patients showed an alteration of that pattern (α:1.2±0.15, p<0.01), towards a smoother organisation. CONCLUSION: The alteration of fractal pattern of hand activity by depression further supports the role of a central internal clock in the temporal organisation of movements. This novel way of studying motor changes in depression might have an important role in the detection of endophenotypes and potential predictors of treatment response.

Integral cohomology of finite postnikov towers

Depuis le séminaire H. Cartan de 1954-55, il est bien connu que l'on peut trouver des éléments de torsion arbitrairement grande dans l'homologie entière des espaces d'Eilenberg-MacLane K(G,n) où G est un groupe abélien non trivial et n>1. L'objectif majeur de ce travail est d'étendre ce résultat à des H-espaces possédant plus d'un groupe d'homotopie non trivial. Dans le but de contrôler précisément le résultat de H. Cartan, on commence par étudier la dualité entre l'homologie et la cohomologie des espaces d'Eilenberg-MacLane 2-locaux de type fini. On parvient ainsi à raffiner quelques résultats qui découlent des calculs de H. Cartan. Le résultat principal de ce travail peut être formulé comme suit. Soit X un H-espace ne possédant que deux groupes d'homotopie non triviaux, tous deux finis et de 2-torsion. Alors X n'admet pas d'exposant pour son groupe gradué d'homologie entière réduite. On construit une large classe d'espaces pour laquelle ce résultat n'est qu'une conséquence d'une caractéristique topologique, à savoir l'existence d'un rétract faible X K(G,n) pour un certain groupe abélien G et n>1. On généralise également notre résultat principal à des espaces plus compliqués en utilisant la suite spectrale d'Eilenberg-Moore ainsi que des méthodes analytiques faisant apparaître les nombres de Betti et leur comportement asymptotique. Finalement, on conjecture que les espaces qui ne possédent qu'un nombre fini de groupes d'homotopie non triviaux n'admettent pas d'exposant homologique. Ce travail contient par ailleurs la présentation de la « machine d'Eilenberg-MacLane », un programme C++ conçu pour calculer explicitement les groupes d'homologie entière des espaces d'Eilenberg-MacLane. <br/><br/>By the work of H. Cartan, it is well known that one can find elements of arbitrarilly high torsion in the integral (co)homology groups of an Eilenberg-MacLane space K(G,n), where G is a non-trivial abelian group and n>1. The main goal of this work is to extend this result to H-spaces having more than one non-trivial homotopy groups. In order to have an accurate hold on H. Cartan's result, we start by studying the duality between homology and cohomology of 2-local Eilenberg-MacLane spaces of finite type. This leads us to some improvements of H. Cartan's methods in this particular case. Our main result can be stated as follows. Let X be an H-space with two non-vanishing finite 2-torsion homotopy groups. Then X does not admit any exponent for its reduced integral graded (co)homology group. We construct a wide class of examples for which this result is a simple consequence of a topological feature, namely the existence of a weak retract X K(G,n) for some abelian group G and n>1. We also generalize our main result to more complicated stable two stage Postnikov systems, using the Eilenberg-Moore spectral sequence and analytic methods involving Betti numbers and their asymptotic behaviour. Finally, we investigate some guesses on the non-existence of homology exponents for finite Postnikov towers. We conjecture that Postnikov pieces do not admit any (co)homology exponent. This work also includes the presentation of the "Eilenberg-MacLane machine", a C++ program designed to compute explicitely all integral homology groups of Eilenberg-MacLane spaces. <br/><br/>Il est toujours difficile pour un mathématicien de parler de son travail. La difficulté réside dans le fait que les objets qu'il étudie sont abstraits. On rencontre assez rarement un espace vectoriel, une catégorie abélienne ou une transformée de Laplace au coin de la rue ! Cependant, même si les objets mathématiques sont difficiles à cerner pour un non-mathématicien, les méthodes pour les étudier sont essentiellement les mêmes que celles utilisées dans les autres disciplines scientifiques. On décortique les objets complexes en composantes plus simples à étudier. On dresse la liste des propriétés des objets mathématiques, puis on les classe en formant des familles d'objets partageant un caractère commun. On cherche des façons différentes, mais équivalentes, de formuler un problème. Etc. Mon travail concerne le domaine mathématique de la topologie algébrique. Le but ultime de cette discipline est de parvenir à classifier tous les espaces topologiques en faisant usage de l'algèbre. Cette activité est comparable à celle d'un ornithologue (topologue) qui étudierait les oiseaux (les espaces topologiques) par exemple à l'aide de jumelles (l'algèbre). S'il voit un oiseau de petite taille, arboricole, chanteur et bâtisseur de nids, pourvu de pattes à quatre doigts, dont trois en avant et un, muni d'une forte griffe, en arrière, alors il en déduira à coup sûr que c'est un passereau. Il lui restera encore à déterminer si c'est un moineau, un merle ou un rossignol. Considérons ci-dessous quelques exemples d'espaces topologiques: a) un cube creux, b) une sphère et c) un tore creux (c.-à-d. une chambre à air). a) b) c) Si toute personne normalement constituée perçoit ici trois figures différentes, le topologue, lui, n'en voit que deux ! De son point de vue, le cube et la sphère ne sont pas différents puisque ils sont homéomorphes: on peut transformer l'un en l'autre de façon continue (il suffirait de souffler dans le cube pour obtenir la sphère). Par contre, la sphère et le tore ne sont pas homéomorphes: triturez la sphère de toutes les façons (sans la déchirer), jamais vous n'obtiendrez le tore. Il existe un infinité d'espaces topologiques et, contrairement à ce que l'on serait naïvement tenté de croire, déterminer si deux d'entre eux sont homéomorphes est très difficile en général. Pour essayer de résoudre ce problème, les topologues ont eu l'idée de faire intervenir l'algèbre dans leurs raisonnements. Ce fut la naissance de la théorie de l'homotopie. Il s'agit, suivant une recette bien particulière, d'associer à tout espace topologique une infinité de ce que les algébristes appellent des groupes. Les groupes ainsi obtenus sont appelés groupes d'homotopie de l'espace topologique. Les mathématiciens ont commencé par montrer que deux espaces topologiques qui sont homéomorphes (par exemple le cube et la sphère) ont les même groupes d'homotopie. On parle alors d'invariants (les groupes d'homotopie sont bien invariants relativement à des espaces topologiques qui sont homéomorphes). Par conséquent, deux espaces topologiques qui n'ont pas les mêmes groupes d'homotopie ne peuvent en aucun cas être homéomorphes. C'est là un excellent moyen de classer les espaces topologiques (pensez à l'ornithologue qui observe les pattes des oiseaux pour déterminer s'il a affaire à un passereau ou non). Mon travail porte sur les espaces topologiques qui n'ont qu'un nombre fini de groupes d'homotopie non nuls. De tels espaces sont appelés des tours de Postnikov finies. On y étudie leurs groupes de cohomologie entière, une autre famille d'invariants, à l'instar des groupes d'homotopie. On mesure d'une certaine manière la taille d'un groupe de cohomologie à l'aide de la notion d'exposant; ainsi, un groupe de cohomologie possédant un exposant est relativement petit. L'un des résultats principaux de ce travail porte sur une étude de la taille des groupes de cohomologie des tours de Postnikov finies. Il s'agit du théorème suivant: un H-espace topologique 1-connexe 2-local et de type fini qui ne possède qu'un ou deux groupes d'homotopie non nuls n'a pas d'exposant pour son groupe gradué de cohomologie entière réduite. S'il fallait interpréter qualitativement ce résultat, on pourrait dire que plus un espace est petit du point de vue de la cohomologie (c.-à-d. s'il possède un exposant cohomologique), plus il est intéressant du point de vue de l'homotopie (c.-à-d. il aura plus de deux groupes d'homotopie non nuls). Il ressort de mon travail que de tels espaces sont très intéressants dans le sens où ils peuvent avoir une infinité de groupes d'homotopie non nuls. Jean-Pierre Serre, médaillé Fields en 1954, a montré que toutes les sphères de dimension >1 ont une infinité de groupes d'homotopie non nuls. Des espaces avec un exposant cohomologique aux sphères, il n'y a qu'un pas à franchir...

Scaling behavior of random knots.

Using numerical simulations we investigate how overall dimensions of random knots scale with their length. We demonstrate that when closed non-self-avoiding random trajectories are divided into groups consisting of individual knot types, then each such group shows the scaling exponent of approximately 0.588 that is typical for self-avoiding walks. However, when all generated knots are grouped together, their scaling exponent becomes equal to 0.5 (as in non-self-avoiding random walks). We explain here this apparent paradox. We introduce the notion of the equilibrium length of individual types of knots and show its correlation with the length of ideal geometric representations of knots. We also demonstrate that overall dimensions of random knots with a given chain length follow the same order as dimensions of ideal geometric representations of knots.