Synergistic control of forearm based on accelerometer data and artificial neural networks

In the present study, we modeled a reaching task as a two-link mechanism. The upper arm and forearm motion trajectories during vertical arm movements were estimated from the measured angular accelerations with dual-axis accelerometers. A data set of reaching synergies from able-bodied individuals was used to train a radial basis function artificial neural network with upper arm/forearm tangential angular accelerations. The trained radial basis function artificial neural network for the specific movements predicted forearm motion from new upper arm trajectories with high correlation (mean, 0.9149-0.941). For all other movements, prediction was low (range, 0.0316-0.8302). Results suggest that the proposed algorithm is successful in generalization over similar motions and subjects. Such networks may be used as a high-level controller that could predict forearm kinematics from voluntary movements of the upper arm. This methodology is suitable for restoring the upper limb functions of individuals with motor disabilities of the forearm, but not of the upper arm. The developed control paradigm is applicable to upper-limb orthotic systems employing functional electrical stimulation. The proposed approach is of great significance particularly for humans with spinal cord injuries in a free-living environment. The implication of a measurement system with dual-axis accelerometers, developed for this study, is further seen in the evaluation of movement during the course of rehabilitation. For this purpose, training-related changes in synergies apparent from movement kinematics during rehabilitation would characterize the extent and the course of recovery. As such, a simple system using this methodology is of particular importance for stroke patients. The results underlie the important issue of upper-limb coordination.

Dengue virus-induced regulation of the host cell translational machinery

Dengue virus (DV)-induced changes in the host cell protein synthesis machinery are not well understood. We investigated the transcriptional changes related to initiation of protein synthesis. The human hepatoma cell line, HepG2, was infected with DV serotype 2 for 1 h at a multiplicity of infection of one. RNA was extracted after 6, 24 and 48 h. Microarray results showed that 36.5% of the translation factors related to initiation of protein synthesis had significant differential expression (Z-score ≥ ±2.0). Confirmation was obtained by quantitative real-time reverse transcription-PCR. Of the genes involved in the activation of mRNA for cap-dependent translation (eIF4 factors), eIF4A, eIF4G1 and eIF4B were up-regulated while the negative regulator of translation eIF4E-BP3 was down-regulated. This activation was transient since at 24 h post-infection levels were not significantly different from control cells. However, at 48 h post-infection, eIF4A, eIF4E, eIF4G1, eIF4G3, eIF4B, and eIF4E-BP3 were down-regulated, suggesting that cap-dependent translation could be inhibited during the progression of infection. To test this hypothesis, phosphorylation of p70S6K and 4E-BP1, which induce cap-dependent protein synthesis, was assayed. Both proteins remained phosphorylated when assayed at 6 h after infection, while infection induced dephosphorylation of p70S6K and 4E-BP1 at 24 and 48 h of infection, respectively. Taken together, these results provide biological evidence suggesting that in HepG2 cells DV sustains activation of the cap-dependent machinery at early stages of infection, but progression of infection switches protein synthesis to a cap-independent process.

Three-dimensional kinematic analysis of upper and lower limb motion during gait of post-stroke patients

The aim of this study was to analyze the alterations of arm and leg movements of patients during stroke gait. Joint angles of upper and lower limbs and spatiotemporal variables were evaluated in two groups: hemiparetic group (HG, 14 hemiparetic men, 53 ± 10 years) and control group (CG, 7 able-bodied men, 50 ± 4 years). The statistical analysis was based on the following comparisons (P ≤ 0.05): 1) right versus left sides of CG; 2) affected (AF) versus unaffected (UF) sides of HG; 3) CG versus both the affected and unaffected sides of HG, and 4) an intracycle comparison of the kinematic continuous angular variables between HG and CG. This study showed that the affected upper limb motion in stroke gait was characterized by a decreased range of motion of the glenohumeral (HG: 6.3 ± 4.5, CG: 20.1 ± 8.2) and elbow joints (AF: 8.4 ± 4.4, UF: 15.6 ± 7.6) on the sagittal plane and elbow joint flexion throughout the cycle (AF: 68.2 ± 0.4, CG: 46.8 ± 2.7). The glenohumeral joint presented a higher abduction angle (AF: 14.2 ± 1.6, CG: 11.5 ± 4.0) and a lower external rotation throughout the cycle (AF: 4.6 ± 1.2, CG: 22.0 ± 3.0). The lower limbs showed typical alterations of the stroke gait patterns. Thus, the changes in upper and lower limb motion of stroke gait were identified. The description of upper limb motion in stroke gait is new and complements gait analysis.

The neurobiology of meditation for the control of pain

La douleur est une expérience multidimensionnelle comportant des aspects sensoriels, émotionnels et cognitifs. Il a été montré que cette expérience peut être modulée par des facteurs psychologiques ou des interventions cognitives comme l’attention, la distraction, l’hypnose ou les attentes. La tradition orientale suggère également que la pratique de la méditation pourrait avoir des effets analgésiques. D’un point de vue théorique, plusieurs mécanismes pourraient expliquer ces effets. Cependant, très peu d’études ont testé ces hypothèses. Les études présentées dans cette thèse avaient donc pour objectif d’examiner les mécanismes analgésiques de la méditation. Dans un premier temps, une étude psychophysique a été réalisée afin de comparer les réponses à la douleur entre des adeptes de la méditation Zen et des sujets contrôles, dans différentes conditions attentionnelles. Durant la condition attentionnelle de type « mindful », les adeptes de la méditation ont présenté une plus faible sensibilité à la douleur, des réponses attentionnelles à la douleur atypiques et une diminution de la perception de la douleur associée à l’entraînement à la méditation. Une deuxième étude a été réalisée en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) avec des groupes de participants similaires. Dans une condition sans méditation, les adeptes de la méditation ont présenté de plus fortes réponses nociceptives dans les régions primaires de la douleur. Les régions cérébrales associées aux processus d’évaluation, à la mémoire et aux émotions ont quant à elles montré une diminution d’activité. De plus, cette diminution était plus importante chez les adeptes de la méditation les plus expérimentés et elle était associée à des évaluations de douleur plus faibles. Par ailleurs, des changements de connectivité fonctionnelle entre le cortex préfrontal et une région primaires de la douleur étaient associés à la sensibilité à la douleur chez les adeptes de la méditation. Finalement, une étude d’imagerie cérébrale structurale (publiée comme deux études séparées) a été réalisée pour examiner les différences d’épaisseur corticale entre les groupes, pour des régions associées à la douleur. Les adeptes de la méditation ont présenté une épaisseur plus importante de matière grise dans plusieurs régions associées à la douleur et l’attention. De plus, ces différences étaient associées à une mesure expérientielle de l’attention, à la sensibilité à la douleur et à l’expérience de méditation. Dans l’ensemble, ces résultats suggèrent que la méditation pourrait influencer la perception de la douleur par des changements fonctionnels et physiques dans le cerveau. De plus, le patron d’activation et la modulation de l’expérience paraissent uniques en comparaison à ceux d’autres interventions, ce qui suggère qu’un état de détachement et un focus mental favorisent la dissociation entre les aspects désagréables et sensoriels d’un stimulus nociceptif.

A proteome-wide strategy reveals a novel mechanism of control of cell cycle progression through modulation of cyclin mRNA stability

La quantité de données générée dans le cadre d'étude à grande échelle du réseau d'interaction protéine-protéine dépasse notre capacité à les analyser et à comprendre leur sens; d'une part, par leur complexité et leur volume, et d'un autre part, par la qualité du jeu de donnée produit qui semble bondé de faux positifs et de faux négatifs. Cette dissertation décrit une nouvelle méthode de criblage des interactions physique entre protéines à haut débit chez Saccharomyces cerevisiae, la complémentation de fragments protéiques (PCA). Cette approche est accomplie dans des cellules intactes dans les conditions natives des protéines; sous leur promoteur endogène et dans le respect des contextes de modifications post-traductionnelles et de localisations subcellulaires. Une application biologique de cette méthode a permis de démontrer la capacité de ce système rapporteur à répondre aux questions d'adaptation cellulaire à des stress, comme la famine en nutriments et un traitement à une drogue. Dans le premier chapitre de cette dissertation, nous avons présenté un criblage des paires d'interactions entre les protéines résultant des quelques 6000 cadres de lecture de Saccharomyces cerevisiae. Nous avons identifié 2770 interactions entre 1124 protéines. Nous avons estimé la qualité de notre criblage en le comparant à d'autres banques d'interaction. Nous avons réalisé que la majorité de nos interactions sont nouvelles, alors que le chevauchement avec les données des autres méthodes est large. Nous avons pris cette opportunité pour caractériser les facteurs déterminants dans la détection d'une interaction par PCA. Nous avons remarqué que notre approche est sous une contrainte stérique provenant de la nécessité des fragments rapporteurs à pouvoir se rejoindre dans l'espace cellulaire afin de récupérer l'activité observable de la sonde d'interaction. L'intégration de nos résultats aux connaissances des dynamiques de régulations génétiques et des modifications protéiques nous dirigera vers une meilleure compréhension des processus cellulaires complexes orchestrés aux niveaux moléculaires et structuraux dans les cellules vivantes. Nous avons appliqué notre méthode aux réarrangements dynamiques opérant durant l'adaptation de la cellule à des stress, comme la famine en nutriments et le traitement à une drogue. Cette investigation fait le détail de notre second chapitre. Nous avons déterminé de cette manière que l'équilibre entre les formes phosphorylées et déphosphorylées de l'arginine méthyltransférase de Saccharomyces cerevisiae, Hmt1, régulait du même coup sont assemblage en hexamère et son activité enzymatique. L'activité d'Hmt1 a directement un impact dans la progression du cycle cellulaire durant un stress, stabilisant les transcrits de CLB2 et permettant la synthèse de Cln3p. Nous avons utilisé notre criblage afin de déterminer les régulateurs de la phosphorylation d'Hmt1 dans un contexte de traitement à la rapamycin, un inhibiteur de la kinase cible de la rapamycin (TOR). Nous avons identifié la sous-unité catalytique de la phosphatase PP2a, Pph22, activé par l'inhibition de la kinase TOR et la kinase Dbf2, activé durant l'entrée en mitose de la cellule, comme la phosphatase et la kinase responsable de la modification d'Hmt1 et de ses fonctions de régulations dans le cycle cellulaire. Cette approche peut être généralisée afin d'identifier et de lier mécanistiquement les gènes, incluant ceux n'ayant aucune fonction connue, à tout processus cellulaire, comme les mécanismes régulant l'ARNm.

Drogue et violence : deux mots surchargés d'émotion

Au cours de la dernière décennie, un intérêt croissant a marqué l’étude de la violence en rapport avec la drogue. Bien sûr, cet intérêt a partiellement été attisé par certains médias qui ont associé drogue et crime dans un bon nombre de reportage et ce, non sans raison. Parallèlement à cet étalage médiatique de la relation drogue-violence, un certain nombre d’études scientifiques nous ont permis de mieux organiser notre connaissance en ce domaine. Ce texte a pour objectif de synthétiser cette connaissance. Nous y verrons que l’alcool constitue la substance psychoactive la plus associée à la violence. Toutefois, même si statistiquement l’alcool est fréquemment lié à la violence, la nature de cette relation est encore mal expliquée. Il est maintenant généralement reconnu que l’alcool seul ne peut expliquer le comportement violent; il faut également analyser les facteurs propres à l’individu (psychologique, cognitifs, physiologiques) de même que le contexte dans lequel il évolue. Entre autres, on croit de plus en plus que la relation alcool/violence serait médiatisée par les attentes individuelles et sociales à l’effet que la consommation importante d’alcool pourrait favoriser la manifestation de tels comportements dans certaines circonstances. Du côté des drogues illicites, il apparaît que les politiques prohibitionnistes ainsi que nos pratiques répressives sont en grande partie responsables de la violence qui se manifeste dans ce marché incontrôlé par son illégalité et rendu attrayant par les occasions de profits extraordinaires. Par ailleurs, il faut être conscient que le système pénal et socio-sanitaire que nous avons mis en place est également responsable d’une forme de violence non-négligeable qui sévit à l’égard des consommateurs de drogues et des toxicomanes.

Quantitative proteomics methods for the analysis of histone post-translational modifications

Les histones sont des protéines nucléaires hautement conservées chez les cellules des eucaryotes. Elles permettent d’organiser et de compacter l’ADN sous la forme de nucléosomes, ceux-ci representant les sous unités de base de la chromatine. Les histones peuvent être modifiées par de nombreuses modifications post-traductionnelles (PTMs) telles que l’acétylation, la méthylation et la phosphorylation. Ces modifications jouent un rôle essentiel dans la réplication de l’ADN, la transcription et l’assemblage de la chromatine. L’abondance de ces modifications peut varier de facon significative lors du developpement des maladies incluant plusieurs types de cancer. Par exemple, la perte totale de la triméthylation sur H4K20 ainsi que l’acétylation sur H4K16 sont des marqueurs tumoraux spécifiques a certains types de cancer chez l’humain. Par conséquent, l’étude de ces modifications et des événements determinant la dynamique des leurs changements d’abondance sont des atouts importants pour mieux comprendre les fonctions cellulaires et moléculaires lors du développement de la maladie. De manière générale, les modifications des histones sont étudiées par des approches biochimiques telles que les immuno-buvardage de type Western ou les méthodes d’immunoprécipitation de la chromatine (ChIP). Cependant, ces approches présentent plusieurs inconvénients telles que le manque de spécificité ou la disponibilité des anticorps, leur coût ou encore la difficulté de les produire et de les valider. Au cours des dernières décennies, la spectrométrie de masse (MS) s’est avérée être une méthode performante pour la caractérisation et la quantification des modifications d’histones. La MS offre de nombreux avantages par rapport aux techniques traditionnelles. Entre autre, elle permet d’effectuer des analyses reproductibles, spécifiques et facilite l’etude d’un large spectre de PTMs en une seule analyse. Dans cette thèse, nous présenterons le développement et l’application de nouveaux outils analytiques pour l’identification et à la quantification des PTMs modifiant les histones. Dans un premier temps, une méthode a été développée pour mesurer les changements d’acétylation spécifiques à certains sites des histones. Cette méthode combine l’analyse des histones intactes et les méthodes de séquençage peptidique afin de déterminer les changements d’acétylation suite à la réaction in vitro par l’histone acétyltransférase (HAT) de levure Rtt109 en présence de ses chaperonnes (Asf1 ou Vps75). Dans un second temps, nous avons développé une méthode d’analyse des peptides isomériques des histones. Cette méthode combine la LC-MS/MS à haute résolution et un nouvel outil informatique appelé Iso-PeptidAce qui permet de déconvoluer les spectres mixtes de peptides isomériques. Nous avons évalué Iso-PeptidAce avec un mélange de peptides synthétiques isomériques. Nous avons également validé les performances de cette approche avec des histones isolées de cellules humaines érythroleucémiques (K562) traitées avec des inhibiteurs d’histones désacétylases (HDACi) utilisés en clinique, et des histones de Saccharomyces cerevisiae liées au facteur d’assemblage de la chromatine (CAF-1) purifiées par chromatographie d’affinité. Enfin, en utilisant la méthode présentée précédemment, nous avons fait une analyse approfondie de la spécificité de plusieurs HATs et HDACs chez Schizosaccharomyces pombe. Nous avons donc déterminé les niveaux d’acétylation d’histones purifiées à partir de cellules contrôles ou de souches mutantes auxquelles il manque une HAT ou HDAC. Notre analyse nous a permis de valider plusieurs cibles connues des HATs et HDACs et d’en identifier de nouvelles. Nos données ont également permis de définir le rôle des différentes HATs et HDACs dans le maintien de l’équilibre d’acétylation des histones. Dans l’ensemble, nous anticipons que les méthodes décrites dans cette thèse permettront de résoudre certains défis rencontrés dans l’étude de la chromatine. De plus, ces données apportent de nouvelles connaissances pour l’élaboration d’études génétiques et biochimiques utilisant S. pombe.

Asymptotic model for shape resonance control of diatomics by intense non-resonant light: universality in the single-channel approximation

Non-resonant light interacting with diatomics via the polarizability anisotropy couples different rotational states and may lead to strong hybridization of the motion. The modification of shape resonances and low-energy scattering states due to this interaction can be fully captured by an asymptotic model, based on the long-range properties of the scattering (Crubellier et al 2015 New J. Phys. 17 045020). Remarkably, the properties of the field-dressed shape resonances in this asymptotic multi-channel description are found to be approximately linear in the field intensity up to fairly large intensity. This suggests a perturbative single-channel approach to be sufficient to study the control of such resonances by the non-resonant field. The multi-channel results furthermore indicate the dependence on field intensity to present, at least approximately, universal characteristics. Here we combine the nodal line technique to solve the asymptotic Schrödinger equation with perturbation theory. Comparing our single channel results to those obtained with the full interaction potential, we find nodal lines depending only on the field-free scattering length of the diatom to yield an approximate but universal description of the field-dressed molecule, confirming universal behavior.

Analysis and Control of Robot Manipulators with Kinematic Redundancy

A closed-form solution formula for the kinematic control of manipulators with redundancy is derived, using the Lagrangian multiplier method. Differential relationship equivalent to the Resolved Motion Method has been also derived. The proposed method is proved to provide with the exact equilibrium state for the Resolved Motion Method. This exactness in the proposed method fixes the repeatability problem in the Resolved Motion Method, and establishes a fixed transformation from workspace to the joint space. Also the method, owing to the exactness, is demonstrated to give more accurate trajectories than the Resolved Motion Method. In addition, a new performance measure for redundancy control has been developed. This measure, if used with kinematic control methods, helps achieve dexterous movements including singularity avoidance. Compared to other measures such as the manipulability measure and the condition number, this measure tends to give superior performances in terms of preserving the repeatability property and providing with smoother joint velocity trajectories. Using the fixed transformation property, Taylor's Bounded Deviation Paths Algorithm has been extended to the redundant manipulators.

Generating Compliant Motion of Objects with an Articulated Hand

The flexibility of the robot is the key to its success as a viable aid to production. Flexibility of a robot can be explained in two directions. The first is to increase the physical generality of the robot such that it can be easily reconfigured to handle a wide variety of tasks. The second direction is to increase the ability of the robot to interact with its environment such that tasks can still be successfully completed in the presence of uncertainties. The use of articulated hands are capable of adapting to a wide variety of grasp shapes, hence reducing the need for special tooling. The availability of low mass, high bandwidth points close to the manipulated object also offers significant improvements I the control of fine motions. This thesis provides a framework for using articulated hands to perform local manipulation of objects. N particular, it addresses the issues in effecting compliant motions of objects in Cartesian space. The Stanford/JPL hand is used as an example to illustrate a number of concepts. The examples provide a unified methodology for controlling articulated hands grasping with point contacts. We also present a high-level hand programming system based on the methodologies developed in this thesis. Compliant motion of grasped objects and dexterous manipulations can be easily described in the LISP-based hand programming language.

Passive Dynamics in the Control of Gymnastic Maneuvers

The control of aerial gymnastic maneuvers is challenging because these maneuvers frequently involve complex rotational motion and because the performer has limited control of the maneuver during flight. A performer can influence a maneuver using a sequence of limb movements during flight. However, the same sequence may not produce reliable performances in the presence of off-nominal conditions. How do people compensate for variations in performance to reliably produce aerial maneuvers? In this report I explore the role that passive dynamic stability may play in making the performance of aerial maneuvers simple and reliable. I present a control strategy comprised of active and passive components for performing robot front somersaults in the laboratory. I show that passive dynamics can neutrally stabilize the layout somersault which involves an "inherently unstable" rotation about the intermediate principal axis. And I show that a strategy that uses open loop joint torques plus passive dynamics leads to more reliable 1 1/2 twisting front somersaults in simulation than a strategy that uses prescribed limb motion. Results are presented from laboratory experiments on gymnastic robots, from dynamic simulation of humans and robots, and from linear stability analyses of these systems.

Modeling, Estimation, and Control of Robot-Soil Interactions

This thesis presents the development of hardware, theory, and experimental methods to enable a robotic manipulator arm to interact with soils and estimate soil properties from interaction forces. Unlike the majority of robotic systems interacting with soil, our objective is parameter estimation, not excavation. To this end, we design our manipulator with a flat plate for easy modeling of interactions. By using a flat plate, we take advantage of the wealth of research on the similar problem of earth pressure on retaining walls. There are a number of existing earth pressure models. These models typically provide estimates of force which are in uncertain relation to the true force. A recent technique, known as numerical limit analysis, provides upper and lower bounds on the true force. Predictions from the numerical limit analysis technique are shown to be in good agreement with other accepted models. Experimental methods for plate insertion, soil-tool interface friction estimation, and control of applied forces on the soil are presented. In addition, a novel graphical technique for inverting the soil models is developed, which is an improvement over standard nonlinear optimization. This graphical technique utilizes the uncertainties associated with each set of force measurements to obtain all possible parameters which could have produced the measured forces. The system is tested on three cohesionless soils, two in a loose state and one in a loose and dense state. The results are compared with friction angles obtained from direct shear tests. The results highlight a number of key points. Common assumptions are made in soil modeling. Most notably, the Mohr-Coulomb failure law and perfectly plastic behavior. In the direct shear tests, a marked dependence of friction angle on the normal stress at low stresses is found. This has ramifications for any study of friction done at low stresses. In addition, gradual failures are often observed for vertical tools and tools inclined away from the direction of motion. After accounting for the change in friction angle at low stresses, the results show good agreement with the direct shear values.

The role of visual and nonvisual information in the control of locomotion

During locomotion, retinal flow, gaze angle, and vestibular information can contribute to one's perception of self-motion. Their respective roles were investigated during active steering: Retinal flow and gaze angle were biased by altering the visual information during computer-simulated locomotion, and vestibular information was controlled through use of a motorized chair that rotated the participant around his or her vertical axis. Chair rotation was made appropriate for the steering response of the participant or made inappropriate by rotating a proportion of the veridical amount. Large steering errors resulted from selective manipulation of retinal flow and gaze angle, and the pattern of errors provided strong evidence for an additive model of combination. Vestibular information had little or no effect on steering performance, suggesting that vestibular signals are not integrated with visual information for the control of steering at these speeds.

Neural systems in the visual control of steering

Visual control of locomotion is essential for most mammals and requires coordination between perceptual processes and action systems. Previous research on the neural systems engaged by self-motion has focused on heading perception, which is only one perceptual subcomponent. For effective steering, it is necessary to perceive an appropriate future path and then bring about the required change to heading. Using function magnetic resonance imaging in humans, we reveal a role for the parietal eye fields (PEFs) in directing spatially selective processes relating to future path information. A parietal area close to PEFs appears to be specialized for processing the future path information itself. Furthermore, a separate parietal area responds to visual position error signals, which occur when steering adjustments are imprecise. A network of three areas, the cerebellum, the supplementary eye fields, and dorsal premotor cortex, was found to be involved in generating appropriate motor responses for steering adjustments. This may reflect the demands of integrating visual inputs with the output response for the control device.