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.

Effets des recuits ultra-rapides (10^5 K/s) sur la formation des siliciures métalliques en phase solide

La synthèse de siliciures métalliques sous la forme de films ultra-minces demeure un enjeu majeur en technologie CMOS. Le contrôle du budget thermique, afin de limiter la diffusion des dopants, est essentiel. Des techniques de recuit ultra-rapide sont alors couramment utilisées. Dans ce contexte, la technique de nanocalorimétrie est employée afin d'étudier, in situ, la formation en phase solide des siliciures de Ni à des taux de chauffage aussi élevés que 10^5 K/s. Des films de Ni, compris entre 9.3 et 0.3 nm sont déposés sur des calorimètres avec un substrat de a-Si ou de Si(100). Des mesures de diffraction de rayons X, balayées en température à 3 K/s, permettent de comparer les séquences de phase obtenues à bas taux de chauffage sur des échantillons de contrôle et à ultra-haut taux de chauffage sur les calorimètres. En premier lieu, il est apparu que l'emploi de calorimètres de type c-NC, munis d'une couche de 340 nm de Si(100), présente un défi majeur : un signal endothermique anormal vient fausser la mesure à haute température. Des micro-défauts au sein de la membrane de SiNx créent des courts-circuits entre la bande chauffante de Pt du calorimètre et l'échantillon métallique. Ce phénomène diminue avec l'épaisseur de l'échantillon et n'a pas d'effet en dessous de 400 °C tant que les porteurs de charge intrinsèques au Si ne sont pas activés. Il est possible de corriger la mesure de taux de chaleur en fonction de la température avec une incertitude de 12 °C. En ce qui a trait à la formation des siliciures de Ni à ultra-haut taux de chauffage, l'étude montre que la séquence de phase est modifiée. Les phases riches en m étal, Ni2Si et théta, ne sont pas détectées sur Si(100) et la cinétique de formation favorise une amorphisation en phase solide en début de réaction. Les enthalpies de formation pour les couches de Ni inférieures à 10 nm sont globalement plus élevées que dans le cas volumique, jusqu' à 66 %. De plus, les mesures calorimétriques montrent clairement un signal endothermique à haute température, témoignant de la compétition que se livrent la réaction de phase et l'agglomération de la couche. Pour les échantillons recuits a 3 K/s sur Si(100), une épaisseur critique telle que décrite par Zhang et Luo, et proche de 4 nm de Ni, est supposée. Un modèle est proposé, basé sur la difficulté de diffusion des composants entre des grains de plus en plus petits, afin d'expliquer la stabilité accrue des couches de plus en plus fines. Cette stabilité est également observée par nanocalorimétrie à travers le signal endothermique. Ce dernier se décale vers les hautes températures quand l'épaisseur du film diminue. En outre, une 2e épaisseur critique, d'environ 1 nm de Ni, est remarquée. En dessous, une seule phase semble se former au-dessus de 400 °C, supposément du NiSi2.

A Comaparison Study of EM and Physical Equivalent Circuit Modeling for MIM CMOS Capacitors

In this Letter a new physical model for metal-insulatormetal CMOS capacitors is presented. In the model the parameters of the circuit are derived from the physical structural details. Physical behaviors due to metal skin effect and inductance have been considered. The model has been confirmed by 3D EM simulator and design rules proposed. The model presented is scalable with capacitor geometry, allowing designers to predict and optimize quality factor. The approach has been verified for MIM CMOS capacitors

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

Fault Tolerant Error Coding and Detection using Reversible Gates

In recent years, reversible logic has emerged as one of the most important approaches for power optimization with its application in low power CMOS, quantum computing and nanotechnology. Low power circuits implemented using reversible logic that provides single error correction – double error detection (SEC-DED) is proposed in this paper. The design is done using a new 4 x 4 reversible gate called ‘HCG’ for implementing hamming error coding and detection circuits. A parity preserving HCG (PPHCG) that preserves the input parity at the output bits is used for achieving fault tolerance for the hamming error coding and detection circuits.

A new look at reversible logic implementation of decimal adder

Reversibility plays a fundamental role when logic gates such as AND, OR, and XOR are not reversible. computations with minimal energy dissipation are considered. Hence, these gates dissipate heat and may reduce the life of In recent years, reversible logic has emerged as one of the most the circuit. So, reversible logic is in demand in power aware important approaches for power optimization with its circuits. application in low power CMOS, quantum computing and A reversible conventional BCD adder was proposed in using conventional reversible gates.

Quick Addition of Decimals Using Reversible Conservative Logic

In recent years, reversible logic has emerged as one of the most important approaches for power optimization with its application in low power CMOS, nanotechnology and quantum computing. This research proposes quick addition of decimals (QAD) suitable for multi-digit BCD addition, using reversible conservative logic. The design makes use of reversible fault tolerant Fredkin gates only. The implementation strategy is to reduce the number of levels of delay there by increasing the speed, which is the most important factor for high speed circuits.

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

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.

Asymptotically Zero Energy Computing Using Split-Level Charge Recovery Logic

The dynamic power requirement of CMOS circuits is rapidly becoming a major concern in the design of personal information systems and large computers. In this work we present a number of new CMOS logic families, Charge Recovery Logic (CRL) as well as the much improved Split-Level Charge Recovery Logic (SCRL), within which the transfer of charge between the nodes occurs quasistatically. Operating quasistatically, these logic families have an energy dissipation that drops linearly with operating frequency, i.e., their power consumption drops quadratically with operating frequency as opposed to the linear drop of conventional CMOS. The circuit techniques in these new families rely on constructing an explicitly reversible pipelined logic gate, where the information necessary to recover the energy used to compute a value is provided by computing its logical inverse. Information necessary to uncompute the inverse is available from the subsequent inverse logic stage. We demonstrate the low energy operation of SCRL by presenting the results from the testing of the first fully quasistatic 8 x 8 multiplier chip (SCRL-1) employing SCRL circuit techniques.

Biologically Plausible Neural Circuits for Realization of Maximum Operations

Object recognition in the visual cortex is based on a hierarchical architecture, in which specialized brain regions along the ventral pathway extract object features of increasing levels of complexity, accompanied by greater invariance in stimulus size, position, and orientation. Recent theoretical studies postulate a non-linear pooling function, such as the maximum (MAX) operation could be fundamental in achieving such invariance. In this paper, we are concerned with neurally plausible mechanisms that may be involved in realizing the MAX operation. Four canonical circuits are proposed, each based on neural mechanisms that have been previously discussed in the context of cortical processing. Through simulations and mathematical analysis, we examine the relative performance and robustness of these mechanisms. We derive experimentally verifiable predictions for each circuit and discuss their respective physiological considerations.