Comparison of the power spectral changes of the voluntary surface electromyogram and M wave during intermittent maximal voluntary contractions.

INTRODUCTION: To compare the power spectral changes of the voluntary surface electromyogram (sEMG) and of the compound action potential (M wave) in the vastus medialis and vastus lateralis muscles during fatiguing contractions. METHODS: Interference sEMG and force were recorded during 48 intermittent 3-s isometric maximal voluntary contractions (MVC) from 13 young, healthy subjects. M waves and twitches were evoked using supramaximal femoral nerve stimulation between the successive MVCs. Mean frequency (F mean), and median frequency were calculated from the sEMG and M waves. Muscle fiber conduction velocity (MFCV) was computed by cross-correlation. RESULTS: The power spectral shift to lower frequencies was significantly greater for the voluntary sEMG than for the M waves (P < 0.05). Over the fatiguing protocol, the overall average decrease in MFCV (~25 %) was comparable to that of sEMG F mean (~22 %), but significantly greater than that of M-wave F mean (~9 %) (P < 0.001). The mean decline in MFCV was highly correlated with the mean decreases in both sEMG and M-wave F mean. CONCLUSIONS: The present findings indicated that, as fatigue progressed, central mechanisms could enhance the relative weight of the low-frequency components of the voluntary sEMG power spectrum, and/or the end-of-fiber (non-propagating) components could reduce the sensitivity of the M-wave spectrum to changes in conduction velocity.

Power spectral changes of the superimposed M wave during isometric voluntary contractions of increasing strength.

INTRODUCTION: We examined the power spectral changes of the compound muscle action potential (M wave) evoked during isometric contractions of increasing strength. METHODS: Surface electromyography (sEMG) of the vastus lateralis and medialis was recorded from 20 volunteers who performed 4-s step-wise isometric contractions of different intensities. A maximal M wave was elicited by a single stimulus to the femoral nerve and superimposed on the voluntary contractions. The spectral characteristics (Fmean and Fmedian) of sEMG and M-wave signals were calculated. RESULTS: M-wave spectral indicators increased systematically with contraction intensity up to 60% MVC and then leveled off at higher forces. Over the 10-60% MVC range, the increase in spectral indicators was 3 times higher for M waves (36%) than for sEMG (12%). CONCLUSIONS: The consistent increase in M-wave spectral characteristics with force is due to the fact that the number of motor units recruited by the superimposed supramaximal stimulus is approximately stable.

Asymmetry of Functional Connectivity in Schizophrenia at Different Spatial Scales

Introduction: The interhemispheric asymmetries that originate from connectivity-related structuring of the cerebral cortex are compromised in schizophrenia (SZ). Recently, we have revealed the whole-head topography of EEG synchronization in SZ (Jalili et al. 2007; Knyazeva et al. 2008). Here we extended the analysis to assess the abnormality in the asymmetry of synchronization, which is further motivated by the evidence that the interhemispheric asymmetries suspected to be abnormal in SZ originate from the connectivity-related structuring of the cortex. Methods: Thirteen right-handed SZ patients and thirteen matched controls, participated in this study and the multichannel (128) EEGs were recorded for 3-5 minutes at rest. Then, Laplacian EEG (LEEG) were calculated using a 2-D spline. The LEEGs were analysis through calculating the power spectral density using Welch's average periodogram method. Furthermore, using a state-space based multivariate synchronization measure, S-estimator, we analyzed the correlate of the functional cortico-cortical connectivity in SZ patients compared to the controls. The values of S-estimator were obtained at three different special scales: first-order neighbors for each sensor location, second-order neighbors, and the whole hemisphere. The synchronization measures based on LEEG of alpha and beta bands were applied and tuned to various spatial scales including local, intraregional, and long-distance levels. To assess the between-group differences, we used a permutation version of Hotelling's T2 test. For correlation analysis, Spearman Rank Correlation was calculated. Results: Compared to the controls, who had rightward asymmetry at a local level (LEEG power), rightward anterior and leftward posterior asymmetries at an intraregional level (first- and second-order S-estimator), and rightward global asymmetry (hemispheric S-estimator), SZ patients showed generally attenuated asymmetry, the effect being strongest for intraregional synchronization. This deviation in asymmetry across the anterior-to-posterior axis is consistent with the cerebral form of the so-called Yakovlevian or anticlockwise cerebral torque. Moreover, the negative occipital and positive frontal asymmetry values suggest higher regional synchronization among the left occipital and the right frontal locations relative to their symmetrical counterparts. Correlation analysis linked the posterior intraregional and hemispheric abnormalities to the negative SZ symptoms, whereas the asymmetry of LEEG power appeared to be weakly coupled to clinical ratings. The posterior intraregional abnormalities of asymmetry were shown to increase with the duration of the disease. The tentative links between these findings and gross anatomical asymmetries, including the cerebral torque and gyrification pattern in normal subjects and SZ patients, are discussed. Conclusions: Overall, our findings reveal the abnormalities in the synchronization asymmetry in SZ patients and heavy involvement of the right hemisphere in these abnormalities. These results indicate that anomalous asymmetry of cortico-cortical connections in schizophrenia is amenable to electrophysiological analysis.

Méthodes sismiques actives adaptées à l'étude de milieux hétérogènes : application aux glissements de terrain

Résumé Les glissements de terrain représentent un des principaux risques naturels dans les régions montagneuses. En Suisse, chaque année les glissements de terrains causent des dégâts qui affectent les infrastructures et ont des coûts financiers importants. Une bonne compréhension des mécanismes des glissements peut permettre d'atténuer leur impact. Celle-ci passe notamment par la connaissance de la structure interne du glissement, la détermination de son volume et de son ou ses plans de glissement. Dans un glissement de terrain, la désorganisation et la présence de fractures dans le matériel déplacé engendre un changement des paramètres physiques et en particulier une diminution des vitesses de propagation des ondes sismiques ainsi que de la densité du matériel. Les méthodes sismiques sont de ce fait bien adaptées à l'étude des glissements de terrain. Parmi les méthodes sismiques, l'analyse de la dispersion des ondes de surface est une méthode simple à mettre en oeuvre. Elle présente l'avantage d'estimer les variations des vitesses de cisaillement avec la profondeur sans avoir spécifiquement recours à l'utilisation d'une source d'onde S et de géophones horizontaux. Sa mise en oeuvre en trois étapes implique la mesure de la dispersion des ondes de surface sur des réseaux étendus, la détermination des courbes de dispersion pour finir par l'inversion de ces courbes. Les modèles de vitesse obtenus à partir de cette procédure ne sont valides que lorsque les milieux explorés ne présentent pas de variations latérales. En pratique cette hypothèse est rarement vérifiée, notamment pour un glissement de terrain dans lequel les couches remaniées sont susceptibles de présenter de fortes hétérogénéités latérales. Pour évaluer la possibilité de déterminer des courbes de dispersion à partir de réseaux de faible extension des mesures testes ont été effectuées sur un site (Arnex, VD) équipé d'un forage. Un profil sismique de 190 m de long a été implanté dans une vallée creusée dans du calcaire et remplie par des dépôts glacio-lacustres d'une trentaine de mètres d'épaisseur. Les données acquises le long de ce profil ont confirmé que la présence de variations latérales sous le réseau de géophones affecte l'allure des courbes de dispersion jusqu'à parfois empêcher leur détermination. Pour utiliser l'analyse de la dispersion des ondes de surface sur des sites présentant des variations latérales, notre approche consiste à déterminer les courbes de dispersions pour une série de réseaux de faible extension, à inverser chacune des courbes et à interpoler les différents modèles de vitesse obtenus. Le choix de la position ainsi que de l'extension des différents réseaux de géophones est important. Il tient compte de la localisation des hétérogénéités détectées à partir de l'analyse de sismique réfraction, mais également d'anomalies d'amplitudes observées sur des cartes qui représentent dans le domaine position de tir - position du récepteur, l'amplitude mesurée pour différentes fréquences. La procédure proposée par Lin et Lin (2007) s'est avérée être une méthode efficace permettant de déterminer des courbes de dispersion à partir de réseaux de faible extension. Elle consiste à construire à partir d'un réseau de géophones et de plusieurs positions de tir un enregistrement temps-déports qui tient compte d'une large gamme de distances source-récepteur. Au moment d'assembler les différentes données une correction de phase est appliquée pour tenir compte des hétérogénéités situées entre les différents points de tir. Pour évaluer cette correction nous suggérons de calculer pour deux tir successif la densité spectrale croisée des traces de même offset: Sur le site d'Arnex, 22 courbes de dispersions ont été déterminées pour de réseaux de géophones de 10 m d'extension. Nous avons également profité du forage pour acquérir un profil de sismique verticale en ondes S. Le modèle de vitesse S déduit de l'interprétation du profil de sismique verticale est utilisé comme information à priori lors l'inversion des différentes courbes de dispersion. Finalement, le modèle en deux dimension qui a été établi grâce à l'analyse de la dispersion des ondes de surface met en évidence une structure tabulaire à trois couches dont les limites coïncident bien avec les limites lithologiques observées dans le forage. Dans celui-ci des argiles limoneuses associées à une vitesse de propagation des ondes S de l'ordre de 175 m/s surmontent vers 9 m de profondeur des dépôts de moraine argilo-sableuse caractérisés par des vitesses de propagation des ondes S de l'ordre de 300 m/s jusqu'à 14 m de profondeur et supérieur ou égal à 400 m/s entre 14 et 20 m de profondeur. Le glissement de la Grande Combe (Ballaigues, VD) se produit à l'intérieur du remplissage quaternaire d'une combe creusée dans des calcaires Portlandien. Comme dans le cas du site d'Arnex les dépôts quaternaires correspondent à des dépôts glacio-lacustres. Dans la partie supérieure la surface de glissement a été localisée à une vingtaine de mètres de profondeur au niveau de l'interface qui sépare des dépôts de moraine jurassienne et des dépôts glacio-lacustres. Au pied du glissement 14 courbes de dispersions ont été déterminées sur des réseaux de 10 m d'extension le long d'un profil de 144 m. Les courbes obtenues sont discontinues et définies pour un domaine de fréquence de 7 à 35 Hz. Grâce à l'utilisation de distances source-récepteur entre 8 et 72 m, 2 à 4 modes de propagation ont été identifiés pour chacune des courbes. Lors de l'inversion des courbes de dispersion la prise en compte des différents modes de propagation a permis d'étendre la profondeur d'investigation jusqu'à une vingtaine de mètres de profondeur. Le modèle en deux dimensions permet de distinguer 4 couches (Vs1 < 175 m/s, 175 m/s < Vs2 < 225 m/s, 225 m/s < Vs3 < 400 m/s et Vs4 >.400 m/s) qui présentent des variations d'épaisseur. Des profils de sismiques réflexion en ondes S acquis avec une source construite dans le cadre de ce travail, complètent et corroborent le modèle établi à partir de l'analyse de la dispersion des ondes de surface. Un réflecteur localisé entre 5 et 10 m de profondeur et associé à une vitesse de sommation de 180 m/s souligne notamment la géométrie de l'interface qui sépare la deuxième de la troisième couche du modèle établi à partir de l'analyse de la dispersion des ondes de surface. Abstract Landslides are one of the main natural hazards in mountainous regions. In Switzerland, landslides cause damages every year that impact infrastructures and have important financial costs. In depth understanding of sliding mechanisms may help limiting their impact. In particular, this can be achieved through a better knowledge of the internal structure of the landslide, the determination of its volume and its sliding surface or surfaces In a landslide, the disorganization and the presence of fractures in the displaced material generate a change of the physical parameters and in particular a decrease of the seismic velocities and of the material density. Therefoe, seismic methods are well adapted to the study of landslides. Among seismic methods, surface-wave dispersion analysis is a easy to implement. Through it, shearwave velocity variations with depth can be estimated without having to resort to an S-wave source and to horizontal geophones. Its 3-step implementation implies measurement of surface-wave dispersion with long arrays, determination of the dispersion curves and finally inversion of these curves. Velocity models obtained through this approach are only valid when the investigated medium does not include lateral variations. In practice, this assumption is seldom correct, in particular for landslides in which reshaped layers likely include strong lateral heterogeneities. To assess the possibility of determining dispersion curves from short array lengths we carried out tests measurements on a site (Arnex, VD) that includes a borehole. A 190 m long seismic profile was acquired in a valley carved into limestone and filled with 30 m of glacio-lacustrine sediments. The data acquired along this profile confirmed that the presence of lateral variations under the geophone array influences the dispersion-curve shape so much that it sometimes preventes the dispersion curves determination. Our approach to use the analysis of surface-wave dispersion on sites that include lateral variations consists in obtaining dispersion curves for a series of short length arrays; inverting each so obtained curve and interpolating the different obtained velocity model. The choice of the location as well as the geophone array length is important. It takes into account the location of the heterogeneities that are revealed by the seismic refraction interpretation of the data but also, the location of signal amplitude anomalies observed on maps that represent, for a given frequency, the measured amplitude in the shot position - receiver position domain. The procedure proposed by Lin and Lin (2007) turned out to be an efficient one to determine dispersion curves using short extension arrays. It consists in building a time-offset from an array of geophones with a wide offset range by gathering seismograms acquired with different source-to-receiver offsets. When assembling the different data, a phase correction is applied in order to reduce static phase error induced by lateral variation. To evaluate this correction, we suggest to calculate, for two successive shots, the cross power spectral density of common offset traces. On the Arnex site, 22 curves were determined with 10m in length geophone-arrays. We also took advantage of the borehole to acquire a S-wave vertical seismic profile. The S-wave velocity depth model derived from the vertical seismic profile interpretation is used as prior information in the inversion of the dispersion-curves. Finally a 2D velocity model was established from the analysis of the different dispersion curves. It reveals a 3-layer structure in good agreement with the observed lithologies in the borehole. In it a clay layer with a shear-wave of 175 m/s shear-wave velocity overlies a clayey-sandy till layer at 9 m depth that is characterized down to 14 m by a 300 m/s S-wave velocity; these deposits have a S-wave velocity of 400 m/s between depths of 14 to 20 m. The La Grand Combe landslide (Ballaigues, VD) occurs inside the Quaternary filling of a valley carved into Portlandien limestone. As at the Arnex site, the Quaternary deposits correspond to glaciolacustrine sediments. In the upper part of the landslide, the sliding surface is located at a depth of about 20 m that coincides with the discontinuity between Jurassian till and glacio-lacustrine deposits. At the toe of the landslide, we defined 14 dispersion curves along a 144 m long profile using 10 m long geophone arrays. The obtained curves are discontinuous and defined within a frequency range of 7 to 35 Hz. The use of a wide range of offsets (from 8 to 72 m) enabled us to determine 2 to 4 mode of propagation for each dispersion curve. Taking these higher modes into consideration for dispersion curve inversion allowed us to reach an investigation depth of about 20 m. A four layer 2D model was derived (Vs1< 175 m/s, 175 m/s <Vs2< 225 m/s, 225 m/s < Vs3 < 400 m/s, Vs4> 400 m/s) with variable layer thicknesses. S-wave seismic reflection profiles acquired with a source built as part of this work complete and the velocity model revealed by surface-wave analysis. In particular, reflector at a depth of 5 to 10 m associated with a 180 m/s stacking velocity image the geometry of the discontinuity between the second and third layer of the model derived from the surface-wave dispersion analysis.

The effect of mountain bike suspensions on vibrations and off-road uphill performance.

AIM: This study evaluates the effect of front suspension (FS) and dual suspension (DS) mountain-bike on performance and vibrations during off-road uphill riding. METHODS: Thirteen male cyclists (27+/-5 years, 70+/-6 kg, VO(2max)59+/-6 mL.kg(-1).min(-1), mean+/-SD) performed, in a random sequence, at their lactate threshold, an off-road uphill course (1.69 km, 212 m elevation gain) with both type of bicycles. Variable measured: a) VO(2) consumption (K4b2 analyzer, Cosmed), b) power output (SRM) c) gain in altitude and d) 3-D accelerations under the saddle and at the wheel (Physilog, EPFL, Switzerland). Power spectral analy- sis (Fourier) was performed from the vertical acceleration data. RESULTS: Respectively for the FS and DS mountain bike: speed amounted to 7.5+/-0.7 km.h(-1) and 7.4+/-0.8 km.h(-1), (NS), energy expenditure 1.39+/-0.16 kW and 1.38+/-0.18, (NS), gross efficiency 0.161+/-0.013 and 0.159+/-0.013, (NS), peak frequency of vibration under the saddle 4.78+/-2.85 Hz and 2.27+/-0.2 Hz (P<0.01) and median-frequency of vertical displacements of the saddle 9.41+/-1.47 Hz and 5.78+/-2.27 Hz (P<0.01). CONCLUSION: Vibrations at the saddle level of the DS bike are of low frequencies whereas those of the FS bike are mostly of high frequencies. In the DS bike, the torque produced by the cyclist at the pedal level may generate low frequency vibrations. We conclude that the DS bike absorbs more high frequency vibrations, is more comfortable and performs as well as the FS bicycle.

Influence of inter-electrode distance, contraction type, and muscle on the relationship between the sEMG power spectrum and contraction force.

INTRODUCTION: Spectral frequencies of the surface electromyogram (sEMG) increase with contraction force, but debate still exists on whether this increase is affected by various methodological and anatomical factors. This study aimed to investigate the influence of inter-electrode distance (IED) and contraction modality (step-wise vs. ramp) on the changes in spectral frequencies with increasing contraction strength for the vastus lateralis (VL) and vastus medialis (VM) muscles. METHODS: Twenty healthy male volunteers were assessed for isometric sEMG activity of the VM and VL, with the knee at 90° flexion. Subjects performed isometric ramp contractions in knee extension (6-s duration) with the force gradually increasing from 0 to 80 % MVC. Also, subjects performed 4-s step-wise isometric contractions at 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, and 80 % MVC. Interference sEMG signals were recorded simultaneously at different IEDs: 10, 20, 30, and 50 mm. The mean (F mean) and median (F median) frequencies and root mean square (RMS) of sEMG signals were calculated. RESULTS: For all IEDs, contraction modalities, and muscles tested, spectral frequencies increased significantly with increasing level of force up to 50-60 % MVC force. Spectral indexes increased systematically as IED was decreased. The sensitivity of spectral frequencies to changes in contraction force was independent of IED. The behaviour of spectral indexes with increasing contraction force was similar for step-wise and ramp contractions. CONCLUSIONS: In the VL and VM muscles, it is highly unlikely that a particular inter-electrode distance or contraction modality could have prevented the observation of the full extent of the increase in spectral frequencies with increasing force level.

Using active learning for monitoring networks design: The example of wind power plants sites evaluation

Locating new wind farms is of crucial importance for energy policies of the next decade. To select the new location, an accurate picture of the wind fields is necessary. However, characterizing wind fields is a difficult task, since the phenomenon is highly nonlinear and related to complex topographical features. In this paper, we propose both a nonparametric model to estimate wind speed at different time instants and a procedure to discover underrepresented topographic conditions, where new measuring stations could be added. Compared to space filling techniques, this last approach privileges optimization of the output space, thus locating new potential measuring sites through the uncertainty of the model itself.

Relating the permeability of quartz sands to their grain size and spectral induced polarization characteristics

Recently, Revil & Florsch proposed a novel mechanistic model based on the polarization of the Stern layer relating the permeability of granular media to their spectral induced polarization (SIP) characteristics based on the formation of polarized cells around individual grains. To explore the practical validity of this model, we compare it to pertinent laboratory measurements on samples of quartz sands with a wide range of granulometric characteristics. In particular, we measure the hydraulic and SIP characteristics of all samples both in their loose, non-compacted and compacted states, which might allow for the detection of polarization processes that are independent of the grain size. We first verify the underlying grain size/permeability relationship upon which the model of Revil & Florsch is based and then proceed to compare the observed and predicted permeability values for our samples by substituting the grain size characteristics by corresponding SIP parameters, notably the so-called Cole-Cole time constant. In doing so, we also asses the quantitative impact of an observed shift in the Cole-Cole time constant related to textural variations in the samples and observe that changes related to the compaction of the samples are not relevant for the corresponding permeability predictions. We find that the proposed model does indeed provide an adequate prediction of the overall trend of the observed permeability values, but underestimates their actual values by approximately one order-of-magnitude. This discrepancy in turn points to the potential importance of phenomena, which are currently not accounted for in the model and which tend to reduce the characteristic size of the prevailing polarization cells compared to the considered model, such as, for example, membrane polarization, contacts of double-layers of neighbouring grains, and incorrect estimation of the size of the polarized cells because of the irregularity of natural sand grains.

A study on the expressive power of some fragments of the modal µ-Calculus

Résumé Le μ-calcul est une extension de la logique modale par des opérateurs de point fixe. Dans ce travail nous étudions la complexité de certains fragments de cette logique selon deux points de vue, différents mais étroitement liés: l'un syntaxique (ou combinatoire) et l'autre topologique. Du point de vue syn¬taxique, les propriétés définissables dans ce formalisme sont classifiées selon la complexité combinatoire des formules de cette logique, c'est-à-dire selon le nombre d'alternances des opérateurs de point fixe. Comparer deux ensembles de modèles revient ainsi à comparer la complexité syntaxique des formules as¬sociées. Du point de vue topologique, les propriétés définissables dans cette logique sont comparées à l'aide de réductions continues ou selon leurs positions dans la hiérarchie de Borel ou dans celle projective. Dans la première partie de ce travail nous adoptons le point de vue syntax¬ique afin d'étudier le comportement du μ-calcul sur des classes restreintes de modèles. En particulier nous montrons que: (1) sur la classe des modèles symétriques et transitifs le μ-calcul est aussi expressif que la logique modale; (2) sur la classe des modèles transitifs, toute propriété définissable par une formule du μ-calcul est définissable par une formule sans alternance de points fixes, (3) sur la classe des modèles réflexifs, il y a pour tout η une propriété qui ne peut être définie que par une formule du μ-calcul ayant au moins η alternances de points fixes, (4) sur la classe des modèles bien fondés et transitifs le μ-calcul est aussi expressif que la logique modale. Le fait que le μ-calcul soit aussi expressif que la logique modale sur la classe des modèles bien fondés et transitifs est bien connu. Ce résultat est en ef¬fet la conséquence d'un théorème de point fixe prouvé indépendamment par De Jongh et Sambin au milieu des années 70. La preuve que nous donnons de l'effondrement de l'expressivité du μ-calcul sur cette classe de modèles est néanmoins indépendante de ce résultat. Par la suite, nous étendons le langage du μ-calcul en permettant aux opérateurs de point fixe de lier des occurrences négatives de variables libres. En montrant alors que ce formalisme est aussi ex¬pressif que le fragment modal, nous sommes en mesure de fournir une nouvelle preuve du théorème d'unicité des point fixes de Bernardi, De Jongh et Sambin et une preuve constructive du théorème d'existence de De Jongh et Sambin. RÉSUMÉ Pour ce qui concerne les modèles transitifs, du point de vue topologique cette fois, nous prouvons que la logique modale correspond au fragment borélien du μ-calcul sur cette classe des systèmes de transition. Autrement dit, nous vérifions que toute propriété définissable des modèles transitifs qui, du point de vue topologique, est une propriété borélienne, est nécessairement une propriété modale, et inversement. Cette caractérisation du fragment modal découle du fait que nous sommes en mesure de montrer que, modulo EF-bisimulation, un ensemble d'arbres est définissable dans la logique temporelle Ε F si et seulement il est borélien. Puisqu'il est possible de montrer que ces deux propriétés coïncident avec une caractérisation effective de la définissabilité dans la logique Ε F dans le cas des arbres à branchement fini donnée par Bojanczyk et Idziaszek [24], nous obtenons comme corollaire leur décidabilité. Dans une deuxième partie, nous étudions la complexité topologique d'un sous-fragment du fragment sans alternance de points fixes du μ-calcul. Nous montrons qu'un ensemble d'arbres est définissable par une formule de ce frag¬ment ayant au moins η alternances si et seulement si cette propriété se trouve au moins au n-ième niveau de la hiérarchie de Borel. Autrement dit, nous vérifions que pour ce fragment du μ-calcul, les points de vue topologique et combina- toire coïncident. De plus, nous décrivons une procédure effective capable de calculer pour toute propriété définissable dans ce langage sa position dans la hiérarchie de Borel, et donc le nombre d'alternances de points fixes nécessaires à la définir. Nous nous intéressons ensuite à la classification des ensembles d'arbres par réduction continue, et donnons une description effective de l'ordre de Wadge de la classe des ensembles d'arbres définissables dans le formalisme considéré. En particulier, la hiérarchie que nous obtenons a une hauteur (ωω)ω. Nous complétons ces résultats en décrivant un algorithme permettant de calculer la position dans cette hiérarchie de toute propriété définissable.