Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

A survey of graph and subgraph isomorphism problems

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

De computatione quantica

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Représentations et fusion des algèbres de Temperley-Lieb originale et diluée

Les algèbres de Temperley-Lieb originales, aussi dites régulières, apparaissent dans de nombreux modèles statistiques sur réseau en deux dimensions: les modèles d'Ising, de Potts, des dimères, celui de Fortuin-Kasteleyn, etc. L'espace d'Hilbert de l'hamiltonien quantique correspondant à chacun de ces modèles est un module pour cette algèbre et la théorie de ses représentations peut être utilisée afin de faciliter la décomposition de l'espace en blocs; la diagonalisation de l'hamiltonien s'en trouve alors grandement simplifiée. L'algèbre de Temperley-Lieb diluée joue un rôle similaire pour des modèles statistiques dilués, par exemple un modèle sur réseau où certains sites peuvent être vides; ses représentations peuvent alors être utilisées pour simplifier l'analyse du modèle comme pour le cas original. Or ceci requiert une connaissance des modules de cette algèbre et de leur structure; un premier article donne une liste complète des modules projectifs indécomposables de l'algèbre diluée et un second les utilise afin de construire une liste complète de tous les modules indécomposables des algèbres originale et diluée. La structure des modules est décrite en termes de facteurs de composition et par leurs groupes d'homomorphismes. Le produit de fusion sur l'algèbre de Temperley-Lieb originale permet de «multiplier» ensemble deux modules sur cette algèbre pour en obtenir un autre. Il a été montré que ce produit pouvait servir dans la diagonalisation d'hamiltoniens et, selon certaines conjectures, il pourrait également être utilisé pour étudier le comportement de modèles sur réseaux dans la limite continue. Un troisième article construit une généralisation du produit de fusion pour les algèbres diluées, puis présente une méthode pour le calculer. Le produit de fusion est alors calculé pour les classes de modules indécomposables les plus communes pour les deux familles, originale et diluée, ce qui vient ajouter à la liste incomplète des produits de fusion déjà calculés par d'autres chercheurs pour la famille originale. Finalement, il s'avère que les algèbres de Temperley-Lieb peuvent être associées à une catégorie monoïdale tressée, dont la structure est compatible avec le produit de fusion décrit ci-dessus. Le quatrième article calcule explicitement ce tressage, d'abord sur la catégorie des algèbres, puis sur la catégorie des modules sur ces algèbres. Il montre également comment ce tressage permet d'obtenir des solutions aux équations de Yang-Baxter, qui peuvent alors être utilisées afin de construire des modèles intégrables sur réseaux.

Algorithmique et complexité des systèmes à compteurs

Réalisé en cotutelle avec l'École normale supérieure de Cachan – Université Paris-Saclay

Validation de la reproductibilité d’outils de mesure de la fraction d’éjection du ventricule gauche en médecine nucléaire

La fraction d’éjection du ventricule gauche est un excellent marqueur de la fonction cardiaque. Plusieurs techniques invasives ou non sont utilisées pour son calcul : l’angiographie, l’échocardiographie, la résonnance magnétique nucléaire cardiaque, le scanner cardiaque, la ventriculographie radioisotopique et l’étude de perfusion myocardique en médecine nucléaire. Plus de 40 ans de publications scientifiques encensent la ventriculographie radioisotopique pour sa rapidité d’exécution, sa disponibilité, son faible coût et sa reproductibilité intra-observateur et inter-observateur. La fraction d’éjection du ventricule gauche a été calculée chez 47 patients à deux reprises, par deux technologues, sur deux acquisitions distinctes selon trois méthodes : manuelle, automatique et semi-automatique. Les méthodes automatique et semi-automatique montrent dans l’ensemble une meilleure reproductibilité, une plus petite erreur standard de mesure et une plus petite différence minimale détectable. La méthode manuelle quant à elle fournit un résultat systématiquement et significativement inférieur aux deux autres méthodes. C’est la seule technique qui a montré une différence significative lors de l’analyse intra-observateur. Son erreur standard de mesure est de 40 à 50 % plus importante qu’avec les autres techniques, tout comme l’est sa différence minimale détectable. Bien que les trois méthodes soient d’excellentes techniques reproductibles pour l’évaluation de la fraction d’éjection du ventricule gauche, les estimations de la fiabilité des méthodes automatique et semi-automatique sont supérieures à celles de la méthode manuelle.

Cartographie récente et écologie du nerprun bourdaine en Estrie

Le nerprun bourdaine (Rhamnus frangula L.) est une espèce exotique qui envahit plusieurs régions du sud du Québec, et plus particulièrement la région administrative de l'Estrie. Actuellement, on connaît encore peu l'écologie de l'espèce dans le contexte québécois et il n’existe pas de portrait d’ensemble de sa distribution dans les forêts tempérées de cette région. Dans ce contexte, le premier objectif du projet était de cartographier par télédétection la distribution du nerprun bourdaine dans deux secteurs de l'Estrie. Un second objectif était d'évaluer les variables environnementales déterminantes pour expliquer le recouvrement de nerprun bourdaine. La phénologie du nerprun bourdaine diffère de celle de la plupart des espèces indigènes arborescentes puisque ses feuilles tombent plus tard en automne. Cette caractéristique a permis de cartographier, par démixage spectral, la probabilité d'occurrence du nerprun bourdaine grâce à une série temporelle d'images du capteur OLI de Landsat 8. Le recouvrement du nerprun bourdaine a été calculé dans 119 placettes sur le terrain. La cartographie résultante a montré un accord de 69% avec les données terrain. Une image SPOT-7, dont la résolution spatiale est plus fine, a ensuite été utilisée, mais n’a pas permis d'améliorer la cartographie, puisque la date d’acquisition de l’image n’était pas optimale dû à un manque de disponibilité. Concernant le second objectif de la recherche, la variable la plus significative pour expliquer la présence de nerprun bourdaine était la densité du peuplement, ce qui suggère que l’ouverture de la couverture forestière pourrait favoriser l’envahissement. Néanmoins, les résultats tendent à démontrer que le nerprun bourdaine est une espèce «généraliste» qui s’adapte bien à plusieurs conditions environnementales.

Recherche et analyse d'étoiles naines blanches chimiquement stratiées dans le Sloan Digital Sky Survey

Ce mémoire présente une recherche détaillée et une analyse des étoiles naines blanches hybrides chimiquement stratifiées dans le Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Une seule étoile stratifiée, PG 1305-017, était connue avant notre recherche. L'objectif principal est de confirmer l'existence de plusieurs nouvelles étoiles stratifiées. Pour ce faire, il a fallu dans un premier temps développer une nouvelle génération de modèles d'atmosphère à partir de ceux de Bergeron et al. (1991) et Tremblay & Bergeron (2009). Nous y avons ajouté l'opacité de toutes les raies d'hélium et les calculs nécessaires pour tenir compte de la stratification chimique de l'atmosphère, où une mince quantité d’hydrogène flotte en équilibre diffusif au-dessus d’une enveloppe massive d’hélium. En parallèle, nous avons aussi calculé des modèles standards, chimiquement homogènes. Ensuite, nous avons sélectionné des naines blanches chaudes (Teff > 30,000 K) de type spectral hybride (traces d'hélium et d'hydrogène) parmi les ~38,000 naines blanches répertoriées dans le SDSS. Un total de 52 spectres d'étoile a été retenu dans notre échantillon final. La technique spectroscopique, c'est-à-dire l'ajustement des raies spectrales des modèles sur un spectre observé, a été appliquée à toutes les étoiles de notre échantillon. Nous avons ainsi mesuré la température effective, la gravité de surface et la composition chimique de l'atmosphère de ces étoiles. Par l'ajustement simultané de modèles stratifiés et homogènes, nous avons aussi pu déterminer si les étoiles étaient stratifiées ou non. Nous identifions ainsi 14 naines blanches stratifiées. Nous tirons de ces résultats plusieurs conclusions sur les processus physiques expliquant la présence d'hélium dans l'atmosphère.

L’analyse biomécanique du sprint sur ergomètre non-motorisé : interaction entre les asymétries cinétiques et cinématiques lors d’un sprint de 40 verges

Au sprint 100 mètres et dans de nombreux sport de puissance, la phase d’accélération est un déterminant majeure de la performance. Toutefois, les asymétries cinétiques et cinématiques peuvent avoir une incidence sur la performance. L’objectif de cette étude était d’identifier la présence d’interaction entre différentes variables cinétiques et cinématiques angulaires aux membres inférieures (MI) d’un sprint de haute intensité sur un ergomètre non-motorisé avec résistance (NMR). Suite à une rencontre de familiarisation, 11 sujets ont exécuté des sprints de 40 verges. Les données cinétiques ont été obtenues par l’entremise de plateformes de force intégrées aux appuis de l’ergomètre NMR à 10 Hz et les données cinématiques ont été amassées à l’aide du système Optitrack et du logiciel Motive Tracker à 120Hz. Nous avons effectué un test de corrélation linéaire (Corrélation linéaire de Pearson) pour déterminer la relation entre les données cinétiques et cinématiques (p < 0,05). L’analyse des données a révélée (1) une corrélation positive entre la moyenne d’amplitude articulaire à la cheville et la moyenne des pics de puissance développés (W/kg) lors de la phase de maintien (r = 0,62), (2) une corrélation négative entre l’extension maximale moyenne (calculé à partir de l’angle de flexion le plus petit) à la hanche et la moyenne de pics de puissance développées en fin de poussée lors de la totalité et de la phase de maintien (r = -0,63 et r = -0,69 respectivement), et finalement (3) une corrélation négative entre la différence de dorsiflexion maximale à la cheville et la différence des pics de puissance développés aux MI lors du contact du pied au sol en phase de maintien ( r = -0,62). Les résultats obtenus dans cette étude permettront d’améliorer l’intervention des préparateurs physiques et la pratique des athlètes de sport de puissance en plus d’aider au développant de nouvelles technologies et outils d’entrainement complémentaire au sprint et particulièrement à la phase d’accélération.