Dynamique spatio-temporelle de circuits de réentrée chez le sujet humain et dans un modèle d'infarctus du myocarde chez le chien

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Bounding of switching activity in logic circuits

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Investigation des circuits neuronaux de la lecture à l’aide de la spectroscopie près du spectre de l’infrarouge

Pour la plupart des gens, la lecture est une activité automatique, inhérente à leur vie quotidienne et ne demandant que peu d’effort. Chez les individus souffrant d’épilepsie réflexe à la lecture, le simple fait de lire déclenche des crises épileptiques et les personnes doivent alors renoncer à la lecture. Les facteurs responsables du déclenchement de l’activité épileptique dans l’épilepsie réflexe à la lecture demeurent encore mal définis. Certains auteurs suggèrent que le nombre ainsi que la localisation des pointes épileptiques seraient en lien avec la voie de lecture impliquée. Des études en imagerie cérébrale, menées auprès de populations sans trouble neurologique, ont dévoilé que la lecture active un réseau étendu incluant les cortex frontaux, temporo-pariétaux et occipito-temporaux bilatéralement avec des différences dans les patrons d’activation pour les voies de lecture lexicale et phonologique. La majorité des études ont eu recours à des tâches de lecture silencieuse qui ne permettent pas d'évaluer la performance des participants. Dans la première étude de cette thèse, qui porte sur une étude de cas d'un patient avec épilepsie réflexe à la lecture, nous avons déterminé les tâches langagières et les caractéristiques des stimuli qui influencent l'activité épileptique. Les résultats ont confirmé que la lecture était la principale tâche responsable du déclenchement de l’activité épileptique chez ce patient. En particulier, la fréquence des pointes épileptiques était significativement plus élevée lorsque le patient avait recours au processus de conversion grapho-phonémique. Les enregistrements électroencéphalographiques (EEG) ont révélé que les pointes épileptiques étaient localisées dans le gyrus précentral gauche, indépendamment de la voie de lecture. La seconde étude avait comme objectif de valider un protocole de lecture à voix haute ayant recours à la spectroscopie près du spectre de l’infrarouge (SPIR) pour investiguer les circuits neuronaux qui sous-tendent la lecture chez les normo-lecteurs. Douze participants neurologiquement sains ont lu à voix haute des mots irréguliers et des non-mots lors d’enregistrements en SPIR. Les résultats ont montré que la lecture des deux types de stimuli impliquait des régions cérébrales bilatérales communes incluant le gyrus frontal inférieur, le gyrus prémoteur et moteur, le cortex somatosensoriel associatif, le gyrus temporal moyen et supérieur, le gyrus supramarginal, le gyrus angulaire et le cortex visuel. Les concentrations totales d’hémoglobine (HbT) dans les gyri frontaux inférieurs bilatéraux étaient plus élevées dans la lecture des non-mots que dans celle des mots irréguliers. Ce résultat suggère que le gyrus frontal inférieur joue un rôle dans la conversion grapho-phonémique, qui caractérise la voie de lecture phonologique. Cette étude a confirmé le potentiel de la SPIR pour l’investigation des corrélats neuronaux des deux voies de lecture. Une des retombées importantes de cette thèse consiste en l’utilisation du protocole de lecture en SPIR pour investiguer les troubles de la lecture. Ces investigations pourraient aider à mieux établir les liens entre le fonctionnement cérébral et la lecture dans les dyslexies développementales et acquises.

Effect of levodopa on cortico-striatal and cortico-cerebellar circuits in Parkinson's disease

La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus commune. Les symptômes principalement observés chez les patients atteints de la MP sont la rigidité, les tremblements, la bradykinésie et une instabilité posturale. Leur sévérité est souvent asymétrique. La cause principale de ces symptômes moteurs est la dégénérescence du circuit dopaminergique nigro-striatal qui mène à un débalancement d’activité du circuit cortico-striatal. Ce débalancement de circuits est le point essentiel de cette thèse. Dans les protocoles de recherche décrits ici, des patients atteints de la MP (avant et après une dose de levodopa) et des participants contrôles sains ont effectué des mouvements auto-initiés ou en réponse à des stimulis externes pendant que l’on mesurait leur activité cérébrale en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Dans cette thèse, nous abordons et mettons en évidence quatre (4) points principaux. En première partie (chapitre 2), nous présentons un recensement de la littérature sur les cicruits cortico-striataux et cortico-cérébelleux dans la MP. En utilisant des méthodes de neuroimagerie, des changements d’activité cérébrale et cérébelleuse ont été observés chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Même si les augmentations d’activité du cervelet ont souvent été attribuées à des mécanismes compensatoires, nos résultats suggèrent qu’elles sont plus probablement liées aux changements pathophysiologiques de la MP et à la perturbation du circuit cortico-cérébelleux. En général, nous suggérons (1) que le circuit cortico-cérébelleux est perturbé chez les patients atteints de la MP, et que les changements d’activité du cervelet sont liés à la pathophysiologie de la MP plutôt qu’à des mécanismes compensatoires. En deuxième partie (chapitre 3), nous discutons des effets de la levodopa sur les hausses et baisses d’activité observés chez les patients atteints de la MP, ainsi que sur l’activité du putamen pendant les mouvements d’origine interne et externe. De nombreuses études en neuroimagerie ont montré une baisse d’activité (hypo-activité) préfrontale liée à la déplétion de dopamine. En revanche, l’utilisation de tâches cognitives a montré des augmentations d’activité (hyper-activité) corticale chez les patients atteints de la MP comparés aux participants sains. Nous avons suggéré précédemment que ces hypo- et hyper-activités des régions préfrontales dépendent de l’implication du striatum. Dans cette thèse nous suggérons de plus (2) que la levodopa ne rétablit pas ces hyper-activations, mais plutôt qu’elles sont liées à la perturbation du circuit méso-cortical, et aussi possiblement associées à l’administration de médication dopaminergique à long terme. Nous montrons aussi (3) que la levodopa a un effet non-spécifique à la tâche sur l’activité du circuit cortico-striatal moteur, et qu’elle n’a pas d’effet sur l’activité du circuit cortico-striatal cognitif. Nous montrons enfin (chapitre 4) que la levodopa a un effet asymétrique sur les mouvements de la main droite et gauche. À peu près 50% des patients atteints de la MP démontrent une asymétrie des symptômes moteurs, et ceci persiste à travers la durée de la maladie. Nos résultats suggèrent (4) que la levodopa pourrait avoir un plus grand effet sur les patrons d’activations des mouvements de la main la plus affectée.

Development and plasticity of locomotor circuits in the zebrafish spinal cord

A fundamental goal in neurobiology is to understand the development and organization of neural circuits that drive behavior. In the embryonic spinal cord, the first motor activity is a slow coiling of the trunk that is sensory-independent and therefore appears to be centrally driven. Embryos later become responsive to sensory stimuli and eventually locomote, behaviors that are shaped by the integration of central patterns and sensory feedback. In this thesis I used a simple vertebrate model, the zebrafish, to investigate in three manners how developing spinal networks control these earliest locomotor behaviors. For the first part of this thesis, I characterized the rapid transition of the spinal cord from a purely electrical circuit to a hybrid network that relies on both chemical and electrical synapses. Using genetics, lesions and pharmacology we identified a transient embryonic behavior preceding swimming, termed double coiling. I used electrophysiology to reveal that spinal motoneurons had glutamate-dependent activity patterns that correlated with double coiling as did a population of descending ipsilateral glutamatergic interneurons that also innervated motoneurons at this time. This work (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2014) suggests that double coiling is a discrete step in the transition of the motor network from an electrically coupled circuit that can only produce simple coils to a spinal network driven by descending chemical neurotransmission that can generate more complex behaviors. In the second part of my thesis, I studied how spinal networks filter sensory information during self-generated movement. In the zebrafish embryo, mechanosensitive sensory neurons fire in response to light touch and excite downstream commissural glutamatergic interneurons to produce a flexion response, but spontaneous coiling does not trigger this reflex. I performed electrophysiological recordings to show that these interneurons received glycinergic inputs during spontaneous fictive coiling that prevented them from firing action potentials. Glycinergic inhibition specifically of these interneurons and not other spinal neurons was due to the expression of a unique glycine receptor subtype that enhanced the inhibitory current. This work (Knogler & Drapeau, Frontiers in Neural Circuits, 2014) suggests that glycinergic signaling onto sensory interneurons acts as a corollary discharge signal for reflex inhibition during movement. v In the final part of my thesis I describe work begun during my masters and completed during my doctoral degree studying how homeostatic plasticity is expressed in vivo at central synapses following chronic changes in network activity. I performed whole-cell recordings from spinal motoneurons to show that excitatory synaptic strength scaled up in response to decreased network activity, in accordance with previous in vitro studies. At the network level, I showed that homeostatic plasticity mechanisms were not necessary to maintain the timing of spinal circuits driving behavior, which appeared to be hardwired in the developing zebrafish. This study (Knogler et al., Journal of Neuroscience, 2010) provided for the first time important in vivo results showing that synaptic patterning is less plastic than synaptic strength during development in the intact animal. In conclusion, the findings presented in this thesis contribute widely to our understanding of the neural circuits underlying simple motor behaviors in the vertebrate spinal cord.

FPGA-based object detection using classification circuits

Dans l'apprentissage machine, la classification est le processus d’assigner une nouvelle observation à une certaine catégorie. Les classifieurs qui mettent en œuvre des algorithmes de classification ont été largement étudié au cours des dernières décennies. Les classifieurs traditionnels sont basés sur des algorithmes tels que le SVM et les réseaux de neurones, et sont généralement exécutés par des logiciels sur CPUs qui fait que le système souffre d’un manque de performance et d’une forte consommation d'énergie. Bien que les GPUs puissent être utilisés pour accélérer le calcul de certains classifieurs, leur grande consommation de puissance empêche la technologie d'être mise en œuvre sur des appareils portables tels que les systèmes embarqués. Pour rendre le système de classification plus léger, les classifieurs devraient être capable de fonctionner sur un système matériel plus compact au lieu d'un groupe de CPUs ou GPUs, et les classifieurs eux-mêmes devraient être optimisés pour ce matériel. Dans ce mémoire, nous explorons la mise en œuvre d'un classifieur novateur sur une plate-forme matérielle à base de FPGA. Le classifieur, conçu par Alain Tapp (Université de Montréal), est basé sur une grande quantité de tables de recherche qui forment des circuits arborescents qui effectuent les tâches de classification. Le FPGA semble être un élément fait sur mesure pour mettre en œuvre ce classifieur avec ses riches ressources de tables de recherche et l'architecture à parallélisme élevé. Notre travail montre que les FPGAs peuvent implémenter plusieurs classifieurs et faire les classification sur des images haute définition à une vitesse très élevée.

Synthesis, Characterisation and Properties of (Ba1-xSrx) (Nd1/2Nb1/2 ) 03 Ceramics for Application as Dielectric Resonators in Microwave Circuits

The (Ba1-x Srx) (Nd1/2, Nb1/2) O3 ceramics have been prepared by the conventional ceramic route for different values of x. Addition of a small amount of CeO2(1 wt%) as a sintering aid increased the density of the samples. The structure and microstructure of the sintered samples are studied by X-ray diffraction and SEM methods. The dielectric properties of the samples are measured in the microwave frequency region as a function of composition. The dielectric constant decreases as x increases. The coefficient of thermal variation of resonant frequency decreases as the Sr content increases and goes to the negative side. The dielectric properties of (Ba1-x Srx) (Nd1/2, Nb1/2) O3 are in the range suitable for application as dielectric resonators in microwave circuits

Polyphase Implementation of Non-recursive Comb Decimators for Sigma-Delta A/D Converters

In a sigma-delta analog to digital (A/D) As most of the sigma-delta ADC applications require converter, the most computationally intensive block is decimation filters with linear phase characteristics, the decimation filter and its hardware implementation symmetric Finite Impulse Response (FIR) filters are may require millions of transistors. Since these widely used for implementation. But the number of FIR converters are now targeted for a portable application, filter coefficients will be quite large for implementing a a hardware efficient design is an implicit requirement. narrow band decimation filter. Implementing decimation In this effect, this paper presents a computationally filter in several stages reduces the total number of filter efficient polyphase implementation of non-recursive coefficients, and hence reduces the hardware complexity cascaded integrator comb (CIC) decimators for and power consumption [2]. Sigma-Delta Converters (SDCs). The SDCs are The first stage of decimation filter can be operating at high oversampling frequencies and hence implemented very efficiently using a cascade of integrators require large sampling rate conversions. The filtering and comb filters which do not require multiplication or and rate reduction are performed in several stages to coefficient storage. The remaining filtering is performed reduce hardware complexity and power dissipation. either in single stage or in two stages with more complex The CIC filters are widely adopted as the first stage of FIR or infinite impulse response (IIR) filters according to decimation due to its multiplier free structure. In this the requirements. The amount of passband aliasing or research, the performance of polyphase structure is imaging error can be brought within prescribed bounds by compared with the CICs using recursive and increasing the number of stages in the CIC filter. The non-recursive algorithms in terms of power, speed and width of the passband and the frequency characteristics area. This polyphase implementation offers high speed outside the passband are severely limited. So, CIC filters operation and low power consumption. The polyphase are used to make the transition between high and low implementation of 4th order CIC filter with a sampling rates. Conventional filters operating at low decimation factor of '64' and input word length of sampling rate are used to attain the required transition '4-bits' offers about 70% and 37% of power saving bandwidth and stopband attenuation. compared to the corresponding recursive and Several papers are available in literature that deals non-recursive implementations respectively. The same with different implementations of decimation filter polyphase CIC filter can operate about 7 times faster architecture for sigma-delta ADCs. Hogenauer has than the recursive and about 3.7 times faster than the described the design procedures for decimation and non-recursive CIC filters.

A novel Sigma–Delta based parallel analogue-to-residue converter

Animportant step in the residue number system(RNS) based signal processing is the conversion of signal into residue domain. Many implementations of this conversion have been proposed for various goals, and one of the implementations is by a direct conversion from an analogue input. A novel approach for analogue-to-residue conversion is proposed in this research using the most popular Sigma–Delta analogue-to-digital converter (SD-ADC). In this approach, the front end is the same as in traditional SD-ADC that uses Sigma–Delta (SD) modulator with appropriate dynamic range, but the filtering is doneby a filter implemented usingRNSarithmetic. Hence, the natural output of the filter is an RNS representation of the input signal. The resolution, conversion speed, hardware complexity and cost of implementation of the proposed SD based analogue-to-residue converter are compared with the existing analogue-to-residue converters based on Nyquist rate ADCs

A Faster 2D Technique for the design of Combinational Digital Circuits Using Genetic Algorithm

Combinational digital circuits can be evolved automatically using Genetic Algorithms (GA). Until recently this technique used linear chromosomes and and one dimensional crossover and mutation operators. In this paper, a new method for representing combinational digital circuits as 2 Dimensional (2D) chromosomes and suitable 2D crossover and mutation techniques has been proposed. By using this method, the convergence speed of GA can be increased significantly compared to the conventional methods. Moreover, the 2D representation and crossover operation provides the designer with better visualization of the evolved circuits. In addition to this, a technique to display automatically the evolved circuits has been developed with the help of MATLAB

An Improved Design of Combinational Digital Circuits with Multiplexers using Genetic Algorithm

This paper presents a new approach to the design of combinational digital circuits with multiplexers using Evolutionary techniques. Genetic Algorithm (GA) is used as the optimization tool. Several circuits are synthesized with this method and compared with two design techniques such as standard implementation of logic functions using multiplexers and implementation using Shannon’s decomposition technique using GA. With the proposed method complexity of the circuit and the associated delay can be reduced significantly

Investigation of Multiphase Power Converter using Integrated Coupled Inductor Regarding Electric Vehicle Application

The challenge of reducing carbon emission and achieving emission target until 2050, has become a key development strategy of energy distribution for each country. The automotive industries, as the important portion of implementing energy requirements, are making some related researches to meet energy requirements and customer requirements. For modern energy requirements, it should be clean, green and renewable. For customer requirements, it should be economic, reliable and long life time. Regarding increasing requirements on the market and enlarged customer quantity, EVs and PHEV are more and more important for automotive manufactures. Normally for EVs and PHEV there are two important key parts, which are battery package and power electronics composing of critical components. A rechargeable battery is a quite important element for achieving cost competitiveness, which is mainly used to story energy and provide continue energy to drive an electric motor. In order to recharge battery and drive the electric motor, power electronics group is an essential bridge to convert different energy types for both of them. In modern power electronics there are many different topologies such as non-isolated and isolated power converters which can be used to implement for charging battery. One of most used converter topology is multiphase interleaved power converter, pri- marily due to its prominent advantages, which is frequently employed to obtain optimal dynamic response, high effciency and compact converter size. Concerning its usage, many detailed investigations regarding topology, control strategy and devices have been done. In this thesis, the core research is to investigate some branched contents in term of issues analysis and optimization approaches of building magnetic component. This work starts with an introduction of reasons of developing EVs and PEHV and an overview of different possible topologies regarding specific application requirements. Because of less components, high reliability, high effciency and also no special safety requirement, non-isolated multiphase interleaved converter is selected as the basic research topology of founded W-charge project for investigating its advantages and potential branches on using optimized magnetic components. Following, all those proposed aspects and approaches are investigated and analyzed in details in order to verify constrains and advantages through using integrated coupled inductors. Furthermore, digital controller concept and a novel tapped-inductor topology is proposed for multiphase power converter and electric vehicle application.

Formal Multilevel Hierarchical Verification of Synchronous MOS Circuits

I have designed and implemented a system for the multilevel verification of synchronous MOS VLSI circuits. The system, called Silica Pithecus, accepts the schematic of an MOS circuit and a specification of the circuit's intended digital behavior. Silica Pithecus determines if the circuit meets its specification. If the circuit fails to meet its specification Silica Pithecus returns to the designer the reason for the failure. Unlike earlier verifiers which modelled primitives (e.g., transistors) as unidirectional digital devices, Silica Pithecus models primitives more realistically. Transistors are modelled as bidirectional devices of varying resistances, and nodes are modelled as capacitors. Silica Pithecus operates hierarchically, interactively, and incrementally. Major contributions of this research include a formal understanding of the relationship between different behavioral descriptions (e.g., signal, boolean, and arithmetic descriptions) of the same device, and a formalization of the relationship between the structure, behavior, and context of device. Given these formal structures my methods find sufficient conditions on the inputs of circuits which guarantee the correct operation of the circuit in the desired descriptive domain. These methods are algorithmic and complete. They also handle complex phenomena such as races and charge sharing. Informal notions such as races and hazards are shown to be derivable from the correctness conditions used by my methods.

Taming Chaotic Circuits

Control algorithms that exploit chaotic behavior can vastly improve the performance of many practical and useful systems. The program Perfect Moment is built around a collection of such techniques. It autonomously explores a dynamical system's behavior, using rules embodying theorems and definitions from nonlinear dynamics to zero in on interesting and useful parameter ranges and state-space regions. It then constructs a reference trajectory based on that information and causes the system to follow it. This program and its results are illustrated with several examples, among them the phase-locked loop, where sections of chaotic attractors are used to increase the capture range of the circuit.