Sleep deprivation reduces the lymphocyte count in a non-obese mouse model of type 1 diabetes mellitus

The objective of the present study was to determine whether sleep deprivation (SD) would promote changes in lymphocyte numbers in a type 1 diabetes model (non-obese diabetic, NOD, mouse strain) and to determine whether SD would affect female and male NOD compared to Swiss mice. The number of lymphocytes in peripheral blood after 24 and 96 h of SD (by multiple platform method) or equivalent period of time in home-cage controls was examined prior to the onset of diabetes. SD for 96 h significantly reduced lymphocytes in male Swiss mice compared to control (8.6 ± 2.1 vs 4.1 ± 0.7 10³/µL; P < 0.02). In male NOD animals, 24- and 96-h SD caused a significant decrease of lymphocytes compared to control (4.4 ± 0.3 vs 1.6 ± 0.5; P < 0.001 and 4.4 ± 0.3 vs 0.9 ± 0.1 10³/µL; P < 0.00001, respectively). Both 24- and 96-h SD induced a reduction in the number of lymphocytes in female Swiss (7.5 ± 0.5 vs 4.5 ± 0.5, 4.4 ± 0.6 10³/µL; P < 0.001, respectively) and NOD mice (4 ± 0.6 vs 1.8 ± 0.2, 1.2 ± 0.4 10³/µL; P < 0.01, respectively) compared to the respective controls. Loss of sleep induced lymphopenia in peripheral blood in both genders and strains used. Since many cases of autoimmunity present reduced numbers of lymphocytes and, in this study, it was more evident in the NOD strain, our results suggest that SD should be considered a risk factor in the onset of autoimmune disorders.

A simple model for circadian timing by mammals

Circadian timing is structured in such a way as to receive information from the external and internal environments, and its function is the timing organization of the physiological and behavioral processes in a circadian pattern. In mammals, the circadian timing system consists of a group of structures, which includes the suprachiasmatic nucleus (SCN), the intergeniculate leaflet and the pineal gland. Neuron groups working as a biological pacemaker are found in the SCN, forming a biological master clock. We present here a simple model for the circadian timing system of mammals, which is able to reproduce two fundamental characteristics of biological rhythms: the endogenous generation of pulses and synchronization with the light-dark cycle. In this model, the biological pacemaker of the SCN was modeled as a set of 1000 homogeneously distributed coupled oscillators with long-range coupling forming a spherical lattice. The characteristics of the oscillator set were defined taking into account the Kuramoto's oscillator dynamics, but we used a new method for estimating the equilibrium order parameter. Simultaneous activities of the excitatory and inhibitory synapses on the elements of the circadian timing circuit at each instant were modeled by specific equations for synaptic events. All simulation programs were written in Fortran 77, compiled and run on PC DOS computers. Our model exhibited responses in agreement with physiological patterns. The values of output frequency of the oscillator system (maximal value of 3.9 Hz) were of the order of magnitude of the firing frequencies recorded in suprachiasmatic neurons of rodents in vivo and in vitro (from 1.8 to 5.4 Hz).

Thermal modelling of commercial lithium-ion batteries

The accelerating adoption of electrical technologies in vehicles over the recent years has led to an increase in the research on electrochemical energy storage systems, which are among the key elements in these technologies. The application of electrochemical energy storage systems for instance in hybrid electrical vehicles (HEVs) or hybrid mobile working machines allows tolerating high power peaks, leading to an opportunity to downsize the internal combustion engine and reduce fuel consumption, and therefore, CO2 and other emissions. Further, the application of electrochemical energy storage systems provides an option of kinetic and potential energy recuperation. Presently, the lithium-ion (Li-ion) battery is considered the most suitable electrochemical energy storage type in HEVs and hybrid mobile working machines. However, the intensive operating cycle produces high heat losses in the Li-ion battery, which increase its operating temperature. The Li-ion battery operation at high temperatures accelerates the ageing of the battery, and in the worst case, may lead to a thermal runaway and fire. Therefore, an appropriate Li-ion battery cooling system should be provided for the temperature control in applications such as HEVs and mobile working machines. In this doctoral dissertation, methods are presented to set up a thermal model of a single Li-ion cell and a more complex battery module, which can be used if full information about the battery chemistry is not available. In addition, a non-destructive method is developed for the cell thermal characterization, which allows to measure the thermal parameters at different states of charge and in different points of cell surface. The proposed models and the cell thermal characterization method have been verified by experimental measurements. The minimization of high thermal non-uniformity, which was detected in the pouch cell during its operation with a high C-rate current, was analysed by applying a simplified pouch cell 3D thermal model. In the analysis, heat pipes were incorporated into the pouch cell cooling system, and an optimization algorithm was generated for the estimation of the optimalplacement of heat pipes in the pouch cell cooling system. An analysis of the application of heat pipes to the pouch cell cooling system shows that heat pipes significantly decrease the temperature non-uniformity on the cell surface, and therefore, heat pipes were recommended for the enhancement of the pouch cell cooling system.

Changements dans le circuit de la récompense suite à la bulbectomie olfactive : une nouvelle approche pour étudier des antidépresseurs

La dépression est une maladie chronique, récurrente et potentiellement mortelle qui affecte plus de 20 % de la population à travers le monde. Les mécanismes sous-jacents de la dépression demeurent incompris et la pharmacothérapie actuelle, largement basée sur l’hypothèse monoaminergique, fait preuve d’une efficacité sous optimale et d’une latence thérapeutique élevée. Par conséquent, la recherche est amenée à élaborer de nouveaux traitements pharmacologiques. Pour détecter leur action, il est avant tout nécessaire de développer des outils expérimentaux adéquats. Dans cette optique, notre but a été de mesurer l’anhédonie, un symptôme cardinal de la dépression, chez le rat de laboratoire. L’anhédonie a été définie comme une réduction de la récompense et a été mesurée avec le test de consommation de sucrose et la technique d’autostimulation intracérébrale. En vue d’induire l’anhédonie, nous avons effectué une bulbectomie olfactive, une procédure qui entraîne divers changements biochimiques, cellulaires et comportementaux similaires à ceux de l’état dépressif et qui peuvent être renversés par un traitement antidépresseur chronique. Nos résultats montrent que la bulbectomie olfactive produit également l’anhédonie, reflétée par une réduction durable de la consommation de sucrose et par une réduction de l’efficacité de l’amphétamine dans le test d’autostimulation intracérébrale. Ces effets ont été présents jusqu’à trois à quatre semaines suivant la chirurgie. La bulbectomie olfactive a aussi été associée à une augmentation de l’élément de réponse liant l’AMPc dans le striatum, un index moléculaire associé à l’anhédonie. Ces découvertes suggèrent que l’anhédonie peut être produite et étudiée de façon fiable dans le modèle de bulbectomie olfactive et que le circuit de récompense pourrait constituer une cible cohérente pour de nouvelles drogues en vue du traitement de la dépression.

Evaluation of mitochondrial function in a model of developmental programming of hypertension associated with transient neonatal oxygen exposure

UNE EXPOSITION NÉONATALE À L’OXYGÈNE MÈNE À DES MODIFICATIONS DE LA FONCTION MITOCHONDRIALE CHEZ LE RAT ADULTE Introduction: L’exposition à l’oxygène (O2) des ratons nouveau-nés a des conséquences à l’âge adulte dont une hypertension artérielle (HTA), une dysfonction vasculaire, une néphropénie et des indices de stress oxydant. En considérant que les reins sont encore en développement actif lors des premiers jours après la naissance chez les rats, jouent un rôle clé dans le développement de l’hypertension et qu’une dysfonction mitochondriale est associé à une augmentation du stress oxydant, nous postulons que les conditions délétères néonatales peuvent avoir un impact significatif au niveau rénal sur la modulation de l’expression de protéines clés du fonctionnement mitochondrial et une production mitochondriale excessive d’espèces réactives de l’ O2. Méthodes: Des ratons Sprague-Dawley sont exposés à 80% d’O2 (H) ou 21% O2 (Ctrl) du 3e au 10e jr de vie. En considérant que plusieurs organes des rats sont encore en développement actif à la naissance, ces rongeurs sont un modèle reconnu pour étudier les complications d’une hyperoxie néonatale, comme celles liées à une naissance prématurée chez l’homme. À 4 et à 16 semaines, les reins sont prélevés et les mitochondries sont extraites suivant une méthode d’extraction standard, avec un tampon contenant du sucrose 0.32 M et différentes centrifugations. L’expression des protéines mitochondriales a été mesurée par Western blot, tandis que la production d’ H202 et les activités des enzymes clés du cycle de Krebs ont été évaluées par spectrophotométrie. Les résultats sont exprimés par la moyenne ± SD. Résultats: Les rats mâles H de 16 semaines (n=6) présentent une activité de citrate synthase (considéré standard interne de l’expression protéique et de l’abondance mitochondriales) augmentée (12.4 ± 8.4 vs 4.1 ± 0.5 μmole/mL/min), une diminution de l’activité d’aconitase (enzyme sensible au redox mitochondrial) (0.11 ± 0.05 vs 0.20 ± 0.04 μmoles/min/mg mitochondrie), ainsi qu’une augmentation dans la production de H202 (7.0 ± 1.3 vs 5.4 ± 0.8 ρmoles/mg protéines mitochondriales) comparativement au groupe Ctrl (n=6 mâles et 4 femelles). Le groupe H (vs Ctrl) présente également une diminution dans l’expression de peroxiredoxin-3 (Prx3) (H 0.61±0.06 vs. Ctrl 0.78±0.02 unité relative, -23%; p<0.05), une protéine impliquée dans l’élimination d’ H202, de l’expression du cytochrome C oxidase (Complexe IV) (H 1.02±0.04 vs. Ctrl 1.20±0.02 unité relative, -15%; p<0.05), une protéine de la chaine de respiration mitochondriale, tandis que l’expression de la protéine de découplage (uncoupling protein)-2 (UCP2), impliquée dans la dispersion du gradient proton, est significativement augmentée (H 1.05±0.02 vs. Ctrl 0.90±0.03 unité relative, +17%; p<0.05). Les femelles H (n=6) (vs Ctrl, n=6) de 16 semaines démontrent une augmentation significative de l’activité de l’aconitase (0.33±0.03 vs 0.17±0.02 μmoles/min/mg mitochondrie), de l’expression de l’ATP synthase sous unité β (H 0.73±0.02 vs. Ctrl 0.59±0.02 unité relative, +25%; p<0.05) et de l’expression de MnSOD (H 0.89±0.02 vs. Ctrl 0.74±0.03 unité relative, +20%; p<0.05) (superoxide dismutase mitochondriale, important antioxidant), tandis que l’expression de Prx3 est significativement réduite (H 1.1±0.07 vs. Ctrl 0.85±0.01 unité relative, -24%; p<0.05). À 4 semaines, les mâles H (vs Ctrl) présentent une augmentation significative de l’expression de Prx3 (H 0.72±0.03 vs. Ctrl 0.56±0.04 unité relative, +31%; p<0.05) et les femelles présentent une augmentation significative de l’expression d’UCP2 (H 1.22±0.05 vs. Ctrl 1.03±0.04 unité relative, +18%; p<0.05) et de l’expression de MnSOD (H 1.36±0.01 vs. 1.19±0.06 unité relative, +14%; p<0.05). Conclusions: Une exposition néonatale à l’O2 chez le rat adulte mène à des indices de dysfonction mitochondriale dans les reins adultes, associée à une augmentation dans la production d’espèces réactives de l’oxygène, suggérant que ces modifications mitochondriales pourraient jouer un rôle dans l’hypertension artérielle et d’un stress oxydant, et par conséquent, être un facteur possible dans la progression vers des maladies cardiovasculaires. Mots-clés: Mitochondries, Reins, Hypertension, Oxygène, Stress Oxydant, Programmation

Impact d’un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions sur le développement des interneurones corticaux : rôle de l’adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK)

L’encéphalopathie hypoxique-­‐ischémique cause des milliers de victimes à travers le monde chaque année. Les enfants survivants à un épisode hypoxique-­‐ischémique sont à risque de développer des problèmes neurologiques incapacitants comme une paralysie cérébrale, un retard mental, une épilepsie ou des troubles d’ordre comportemental. Les modèles animaux ont amélioré nos connaissances sur les mécanismes sous-­‐jacents aux dommages cérébraux, mais elles sont encore trop incomplètes pour être capables de prévenir les problèmes neurologiques. Ce projet vise à comprendre l’impact d’un épisode asphyxique périnatale associé à des convulsions ainsi que l’activation de l’adenosine monophosphate-­‐activated protein kinase (AMPK) sur les circuits GABAergiques inhibiteurs en développement chez la souris. Dans le but d’investiguer le sort des neurones inhibiteurs, appelés interneurones, suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions avec des animaux transgéniques, nous avons pris avantage d’un nouveau modèle d’hypoxie permettant d’induire des convulsions chez la souris. Deux populations d’interneurones représentant ensemble environ 60% de tous les interneurones corticaux ont été étudiées, soit les cellules exprimant la parvalbumine (PV) et les cellules exprimant la somatostatine (SOM). L’étude stéréologique n’a montré aucune mort neuronale de ces deux populations d’interneurones dans l’hippocampe chez les souris hypoxique d’âge adulte. Par contre, le cortex des souris hypoxiques présentait des zones complètement ou fortement dépourvues de cellules PV alors que les cellules SOM n’étaient pas affectées. L’utilisation d’une lignée de souris transgénique exprimant une protéine verte fluorescente (GFP) dans les cellules PV nous a permis de comprendre que les trous PV sont le reflet de deux choses : 1) une diminution des cellules PV et 2) une immaturité des cellules PV restantes. Puisque les cellules PV sont spécifiquement affectées dans la première partie de notre étude, nous avons voulu étudier les mécanismes moléculaires sous-­‐jacents à cette vulnérabilité. L’AMPK est un senseur d’énergie qui orchestre le rétablissement des i niveaux d’énergie cellulaire dans le cas d’une déplétion énergétique en modulant des voies de signalisation impliquant la synthèse de protéines et l’excitabilité membranaire. Il est possible que l’activation d’AMPK suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions soit néfaste à long-­‐terme pour le circuit GABAergique en développement et modifie l’établissement de l’innervation périsomatique d’une cellule PV sur les cellules pyramidales. Nous avons étudié cette hypothèse dans un modèle de culture organotypique en surexprimant la forme wild-­‐type (WT) de la sous-­‐unité α2 d’AMPK, ainsi qu’une forme mutée dominante négative (DN), dans des cellules PV individuelles. Nous avons montré que pendant la phase de formation synaptique (jours post-­‐natals équivalents EP 10-­‐18), la surexpression de la forme WT désorganise la stabilisation des synapses. De plus, l’abolition de l’activité d’AMPK semble augmenter le nombre de synapses périsomatiques faits par la cellule PV sur les cellules pyramidales pendant la phase de formation et semble avoir l’effet inverse pendant la phase de maturation (EP 16-­‐24). La neurotransmission GABAergique joue plusieurs rôles dans le cerveau, depuis la naissance jusqu’à l’âge adulte des interneurones, et une dysfonction des interneurones a été associée à plusieurs troubles neurologiques, comme la schizophrénie, l’autisme et l’épilepsie. La maturation des circuits GABAergiques se fait majoritairement pendant la période post-­‐natale et est hautement dépendante de l’activité neuronale et de l’expérience sensorielle. Nos résultats révèlent que le lourd fardeau en demande énergétique d’un épisode asphyxique périnatal peut causer une mort neuronale sélective des cellules PV et compromettre l’intégrité de leur maturation. Un des mécanismes sous-­‐ jacents possible à cette immaturité des cellules PV suite à l’épisode hypoxique est l’activation d’AMPK, en désorganisant leur profil d’innervation sur les cellules pyramidales. Nous pensons que ces changements dans le réseau GABAergique pourrait contribuer aux problèmes neurologiques associés à une insulte hypoxique.

Extension schemes for the Alignment Model of English-Malayalam Statistical Machine Translator

In Statistical Machine Translation from English to Malayalam, an unseen English sentence is translated into its equivalent Malayalam sentence using statistical models. A parallel corpus of English-Malayalam is used in the training phase. Word to word alignments has to be set among the sentence pairs of the source and target language before subjecting them for training. This paper deals with certain techniques which can be adopted for improving the alignment model of SMT. Methods to incorporate the parts of speech information into the bilingual corpus has resulted in eliminating many of the insignificant alignments. Also identifying the name entities and cognates present in the sentence pairs has proved to be advantageous while setting up the alignments. Presence of Malayalam words with predictable translations has also contributed in reducing the insignificant alignments. Moreover, reduction of the unwanted alignments has brought in better training results. Experiments conducted on a sample corpus have generated reasonably good Malayalam translations and the results are verified with F measure, BLEU and WER evaluation metrics.

Model-Based Troubleshooting of Digital Systems

This thesis describes a methodology, a representation, and an implemented program for troubleshooting digital circuit boards at roughly the level of expertise one might expect in a human novice. Existing methods for model-based troubleshooting have not scaled up to deal with complex circuits, in part because traditional circuit models do not explicitly represent aspects of the device that troubleshooters would consider important. For complex devices the model of the target device should be constructed with the goal of troubleshooting explicitly in mind. Given that methodology, the principal contributions of the thesis are ways of representing complex circuits to help make troubleshooting feasible. Temporally coarse behavior descriptions are a particularly powerful simplification. Instantiating this idea for the circuit domain produces a vocabulary for describing digital signals. The vocabulary has a level of temporal detail sufficient to make useful predictions abut the response of the circuit while it remains coarse enough to make those predictions computationally tractable. Other contributions are principles for using these representations. Although not embodied in a program, these principles are sufficiently concrete that models can be constructed manually from existing circuit descriptions such as schematics, part specifications, and state diagrams. One such principle is that if there are components with particularly likely failure modes or failure modes in which their behavior is drastically simplified, this knowledge should be incorporated into the model. Further contributions include the solution of technical problems resulting from the use of explicit temporal representations and design descriptions with tangled hierarchies.

Visual Segmentation without Classification in a Model of the Primary Visual Cortex

Stimuli outside classical receptive fields significantly influence the neurons' activities in primary visual cortex. We propose that such contextual influences are used to segment regions by detecting the breakdown of homogeneity or translation invariance in the input, thus computing global region boundaries using local interactions. This is implemented in a biologically based model of V1, and demonstrated in examples of texture segmentation and figure-ground segregation. By contrast with traditional approaches, segmentation occurs without classification or comparison of features within or between regions and is performed by exactly the same neural circuit responsible for the dual problem of the grouping and enhancement of contours.

On the Noise Model of Support Vector Machine Regression

Support Vector Machines Regression (SVMR) is a regression technique which has been recently introduced by V. Vapnik and his collaborators (Vapnik, 1995; Vapnik, Golowich and Smola, 1996). In SVMR the goodness of fit is measured not by the usual quadratic loss function (the mean square error), but by a different loss function called Vapnik"s $epsilon$- insensitive loss function, which is similar to the "robust" loss functions introduced by Huber (Huber, 1981). The quadratic loss function is well justified under the assumption of Gaussian additive noise. However, the noise model underlying the choice of Vapnik's loss function is less clear. In this paper the use of Vapnik's loss function is shown to be equivalent to a model of additive and Gaussian noise, where the variance and mean of the Gaussian are random variables. The probability distributions for the variance and mean will be stated explicitly. While this work is presented in the framework of SVMR, it can be extended to justify non-quadratic loss functions in any Maximum Likelihood or Maximum A Posteriori approach. It applies not only to Vapnik's loss function, but to a much broader class of loss functions.

Thermal Noise Behavior of the Bridge Circuit

This paper considers a connection between the deterministic and noisy behavior of nonlinear networks. Specifically, a particular bridge circuit is examined which has two possibly nonlinear energy storage elements. By proper choice of the constitutive relations for the network elements, the deterministic terminal behavior reduces to that of a single linear resistor. This reduction of the deterministic terminal behavior, in which a natural frequency of a linear circuit does not appear in the driving-point impedance, has been shown in classical circuit theory books (e.g. [1, 2]). The paper shows that, in addition to the reduction of the deterministic behavior, the thermal noise at the terminals of the network, arising from the usual Nyquist-Johnson noise model associated with each resistor in the network, is also exactly that of a single linear resistor. While this result for the linear time-invariant (LTI) case is a direct consequence of a well-known result for RLC circuits, the nonlinear result is novel. We show that the terminal noise current is precisely that predicted by the Nyquist-Johnson model for R if the driving voltage is zero or constant, but not if the driving voltage is time-dependent or the inductor and capacitor are time-varying

A high-order arbitrarily unstructured finite-volume model of the global atmosphere: tests solving the shallow-water equations

Simulations of the global atmosphere for weather and climate forecasting require fast and accurate solutions and so operational models use high-order finite differences on regular structured grids. This precludes the use of local refinement; techniques allowing local refinement are either expensive (eg. high-order finite element techniques) or have reduced accuracy at changes in resolution (eg. unstructured finite-volume with linear differencing). We present solutions of the shallow-water equations for westerly flow over a mid-latitude mountain from a finite-volume model written using OpenFOAM. A second/third-order accurate differencing scheme is applied on arbitrarily unstructured meshes made up of various shapes and refinement patterns. The results are as accurate as equivalent resolution spectral methods. Using lower order differencing reduces accuracy at a refinement pattern which allows errors from refinement of the mountain to accumulate and reduces the global accuracy over a 15 day simulation. We have therefore introduced a scheme which fits a 2D cubic polynomial approximately on a stencil around each cell. Using this scheme means that refinement of the mountain improves the accuracy after a 15 day simulation. This is a more severe test of local mesh refinement for global simulations than has been presented but a realistic test if these techniques are to be used operationally. These efficient, high-order schemes may make it possible for local mesh refinement to be used by weather and climate forecast models.

Effect of ENSO phase on large-scale snow water equivalent distribution in a GCM

Understanding links between the El Nino-Southern Oscillation (ENSO) and snow would be useful for seasonal forecasting, but also for understanding natural variability and interpreting climate change predictions. Here, a 545-year run of the general circulation model HadCM3, with prescribed external forcings and fixed greenhouse gas concentrations, is used to explore the impact of ENSO on snow water equivalent (SWE) anomalies. In North America, positive ENSO events reduce the mean SWE and skew the distribution towards lower values, and vice versa during negative ENSO events. This is associated with a dipole SWE anomaly structure, with anomalies of opposite sign centered in western Canada and the central United States. In Eurasia, warm episodes lead to a more positively skewed distribution and the mean SWE is raised. Again, the opposite effect is seen during cold episodes. In Eurasia the largest anomalies are concentrated in the Himalayas. These correlations with February SWE distribution are seen to exist from the previous June-July-August (JJA) ENSO index onwards, and are weakly detected in 50-year subsections of the control run, but only a shifted North American response can be detected in the anaylsis of 40 years of ERA40 reanalysis data. The ENSO signal in SWE from the long run could still contribute to regional predictions although it would be a weak indicator only

Land surface anomaly simulations and predictions with a climate model: an El Nino Southern Oscillation case study

The ability of climate models to reproduce and predict land surface anomalies is an important but little-studied topic. In this study, an atmosphere and ocean assimilation scheme is used to determine whether HadCM3 can reproduce and predict snow water equivalent and soil moisture during the 1997–1998 El Nino Southern Oscillation event. Soil moisture is reproduced more successfully, though both snow and soil moisture show some predictability at 1- and 4-month lead times. This result suggests that land surface anomalies may be reasonably well initialized for climate model predictions and hydrological applications using atmospheric assimilation methods over a period of time.

Global estimates of snow water equivalent from passive microwave instruments: history, challenges and future developments

Snow properties have been retrieved from satellite data for many decades. While snow extent is generally felt to be obtained reliably from visible-band data, there is less confidence in the measurements of snow mass or water equivalent derived from passive microwave instruments. This paper briefly reviews historical passive microwave instruments and products, and compares the large-scale patterns from these sources to those of general circulation models and leading reanalysis products. Differences are seen to be large between the datasets, particularly over Siberia. A better understanding of the errors in both the model-based and measurement-based datasets is required to exploit both fully. Techniques to apply to the satellite measurements for improved large-scale snow data are suggested.