Cholinergic enhancement of perceptual learning : behavioral, physiological, and neuro-pharmacological study in the rat primary visual cortex

Les cortices sensoriels sont des régions cérébrales essentielles pour la perception. En particulier, le cortex visuel traite l’information visuelle en provenance de la rétine qui transite par le thalamus. Les neurones sont les unités fonctionnelles qui transforment l'information sensorielle en signaux électriques, la transfèrent vers le cortex et l'intègrent. Les neurones du cortex visuel sont spécialisés et analysent différents aspects des stimuli visuels. La force des connections entre les neurones peut être modulée par la persistance de l'activité pré-synaptique et induit une augmentation ou une diminution du signal post-synaptique à long terme. Ces modifications de la connectivité synaptique peuvent induire la réorganisation de la carte corticale, c’est à dire la représentation de ce stimulus et la puissance de son traitement cortical. Cette réorganisation est connue sous le nom de plasticité corticale. Elle est particulièrement active durant la période de développement, mais elle s’observe aussi chez l’adulte, par exemple durant l’apprentissage. Le neurotransmetteur acétylcholine (ACh) est impliqué dans de nombreuses fonctions cognitives telles que l’apprentissage ou l’attention et il est important pour la plasticité corticale. En particulier, les récepteurs nicotiniques et muscariniques du sous-type M1 et M2 sont les récepteurs cholinergiques impliqués dans l’induction de la plasticité corticale. L’objectif principal de la présente thèse est de déterminer les mécanismes de plasticité corticale induits par la stimulation du système cholinergique au niveau du télencéphale basal et de définir les effets sur l’amélioration de la perception sensorielle. Afin d’induire la plasticité corticale, j’ai jumelé des stimulations visuelles à des injections intracorticales d’agoniste cholinergique (carbachol) ou à une stimulation du télencéphale basal (neurones cholinergiques qui innervent le cortex visuel primaire). J'ai analysé les potentiels évoqués visuels (PEVs) dans le cortex visuel primaire des rats pendant 4 à 8 heures après le couplage. Afin de préciser l’action de l’ACh sur l’activité des PEVs dans V1, j’ai injecté individuellement l’antagoniste des récepteurs muscariniques, nicotiniques, α7 ou NMDA avant l’infusion de carbachol. La stimulation du système cholinergique jumelée avec une stimulation visuelle augmente l’amplitude des PEVs durant plus de 8h. Le blocage des récepteurs muscarinique, nicotinique et NMDA abolit complètement cette amélioration, tandis que l’inhibition des récepteurs α7 a induit une augmentation instantanée des PEVs. Ces résultats suggèrent que l'ACh facilite à long terme la réponse aux stimuli visuels et que cette facilitation implique les récepteurs nicotiniques, muscariniques et une interaction avec les récepteur NMDA dans le cortex visuel. Ces mécanismes sont semblables à la potentiation à long-terme, évènement physiologique lié à l’apprentissage. L’étape suivante était d’évaluer si l’effet de l’amplification cholinergique de l’entrée de l’information visuelle résultait non seulement en une modification de l’activité corticale mais aussi de la perception visuelle. J’ai donc mesuré l’amélioration de l’acuité visuelle de rats adultes éveillés exposés durant 10 minutes par jour pendant deux semaines à un stimulus visuel de type «réseau sinusoïdal» couplé à une stimulation électrique du télencéphale basal. L’acuité visuelle a été mesurée avant et après le couplage des stimulations visuelle et cholinergique à l’aide d’une tâche de discrimination visuelle. L’acuité visuelle du rat pour le stimulus d’entrainement a été augmentée après la période d’entrainement. L’augmentation de l’acuité visuelle n’a pas été observée lorsque la stimulation visuelle seule ou celle du télencéphale basal seul, ni lorsque les fibres cholinergiques ont été lésées avant la stimulation visuelle. Une augmentation à long terme de la réactivité corticale du cortex visuel primaire des neurones pyramidaux et des interneurones GABAergiques a été montrée par l’immunoréactivité au c-Fos. Ainsi, lorsque couplé à un entrainement visuel, le système cholinergique améliore les performances visuelles pour l’orientation et ce probablement par l’optimisation du processus d’attention et de plasticité corticale dans l’aire V1. Afin d’étudier les mécanismes pharmacologiques impliqués dans l’amélioration de la perception visuelle, j’ai comparé les PEVs avant et après le couplage de la stimulation visuelle/cholinergique en présence d’agonistes/antagonistes sélectifs. Les injections intracorticales des différents agents pharmacologiques pendant le couplage ont montré que les récepteurs nicotiniques et M1 muscariniques amplifient la réponse corticale tandis que les récepteurs M2 muscariniques inhibent les neurones GABAergiques induisant un effet excitateur. L’infusion d’antagoniste du GABA corrobore l’hypothèse que le système inhibiteur est essentiel pour induire la plasticité corticale. Ces résultats démontrent que l’entrainement visuel jumelé avec la stimulation cholinergique améliore la plasticité corticale et qu’elle est contrôlée par les récepteurs nicotinique et muscariniques M1 et M2. Mes résultats suggèrent que le système cholinergique est un système neuromodulateur qui peut améliorer la perception sensorielle lors d’un apprentissage perceptuel. Les mécanismes d’amélioration perceptuelle induits par l’acétylcholine sont liés aux processus d’attention, de potentialisation à long-terme et de modulation de la balance d’influx excitateur/inhibiteur. En particulier, le couplage de l’activité cholinergique avec une stimulation visuelle augmente le ratio de signal / bruit et ainsi la détection de cibles. L’augmentation de la concentration cholinergique corticale potentialise l’afférence thalamocorticale, ce qui facilite le traitement d’un nouveau stimulus et diminue la signalisation cortico-corticale minimisant ainsi la modulation latérale. Ceci est contrôlé par différents sous-types de récepteurs cholinergiques situés sur les neurones GABAergiques ou glutamatergiques des différentes couches corticales. La présente thèse montre qu’une stimulation électrique dans le télencéphale basal a un effet similaire à l’infusion d’agoniste cholinergique et qu’un couplage de stimulations visuelle et cholinergique induit la plasticité corticale. Ce jumelage répété de stimulations visuelle/cholinergique augmente la capacité de discrimination visuelle et améliore la perception. Cette amélioration est corrélée à une amplification de l’activité neuronale démontrée par immunocytochimie du c-Fos. L’immunocytochimie montre aussi une différence entre l’activité des neurones glutamatergiques et GABAergiques dans les différentes couches corticales. L’injection pharmacologique pendant la stimulation visuelle/cholinergique suggère que les récepteurs nicotiniques, muscariniques M1 peuvent amplifier la réponse excitatrice tandis que les récepteurs M2 contrôlent l’activation GABAergique. Ainsi, le système cholinergique activé au cours du processus visuel induit des mécanismes de plasticité corticale et peut ainsi améliorer la capacité perceptive. De meilleures connaissances sur ces actions ouvrent la possibilité d’accélérer la restauration des fonctions visuelles lors d’un déficit ou d’amplifier la fonction cognitive.

Synthesis, characterization and hydrodesulphurisation activity of CoMo/gama-Al2O3 catalyst prepared through molecular designed dispersion method

CoMo/gama-Al2O3 catalysts for hydrodesulphurisation activity were prepared by making use of the molecular designed dispersion (MDD) method. Molybdenum and cobalt pyrrolidine-N-carbodithioate (Pydtc) complexes were used for the incorporation of metals on the support. The catalysts were characterized by elemental analysis, low temperature oxygen chemisorption, temperature programmed reduction (TPR) and laser Raman spectroscopy. The hydrodesulphurisation activity of all the catalysts were carried out and results were compared with those of the catalysts prepared through the conventional method. Higher molybdenum dispersion, smaller molybdenum clusters, lower reduction temperature of catalyst and better hydrodesulphurisation activity were observed for the catalysts prepared through the MDD method

Design. Fabrication and Characterization of Fiber Optic Sensors for Physical and Chemical Applications

Advent of lasers together with the advancement in fiber optics technology has revolutionized the sensor technology. Advancement in the telemetric applications of optical fiber based measurements is an added bonus. The present thesis describes variety of fiber based sensors using techniques like micro bending, long period grating and evanescent waves. Sensors to measure various physical and chemical parameters are described in this thesis.

Polymer Nanocomposites: Crystallization, Reinforcement and Conductivity through SWNTs

The current research investigates the possibility of using single walled carbon nanotubes (SWNTs) as filler in polymers to impart several properties to the matrix polymer. SWNTs in a polymer matrix like poly(ethylene terephthalate) induce nucleation in its melt crystallization, provide effective reinforcement and impart electrical conductivity. We adopt a simple melt compounding technique for incorporating the nanotubes into the polymer matrix. For attaining a better dispersion of the filler, an ultrasound assisted dissolution-evaporation method has also been tried. The resulting enhancement in the materials properties indicates an improved disentanglement of the nanotube ropes, which in turn provides effective matrix-filler interaction. PET-SWNT nanocomposite fibers prepared through melt spinning followed by subsequent drawing are also found to have significantly higher mechanical propertiesas compared to pristine PET fiber.SWNTs also find applications in composites based on elastomers such as natural rubber as they can impart electrical conductivity with simultaneous improvement in the mechanical properties.

Fabrication and characterisation of polymer optical fibers for smart sensing and optical amplification

The thesis presented the fabrication and characterisation of polymer optical fibers in their applications as optical amplifier and smart sensors.Optical polymers such as PMMA are found to be a very good host material due to their ability to incorporate very high concentration of optical gain media like fluorescent dyes and rare earth compounds. High power and high gain optical amplification in organic dye-doped polymer optical fibers is possible due to extremely large emission cross sections of oyes. Dye doped (Rhodamine 6G) optical fibers were fabricated by using indigenously developed polymer optical fiber drawing tower. Loss characterization of drawn dye doped fibers was carried out using side illumination technique. The advantage of the above technique is that it is a nondestructive method and can also be used for studying the uniformity in fiber diameter and doping. Sensitivity of the undoped polymer fibers to temperature and microbending were also studied in its application in smart sensors.Optical amplification studies using the dye doped polymer optical fibers were carried out and found that an amplification of l8dB could be achieved using a very short fiber of length lOcm. Studies were carried out in fibers with different dye concentrations and diameter and it was observed that gain stability was achieved at relatively high dye concentrations irrespective of the fiber diameter.Due to their large diameter, large numerical aperture, flexibility and geometrical versatility of polymer optical fibers it has a wide range of applications in the field of optical sensing. Just as in the case of conventional silica based fiber optic sensors, sensing techniques like evanescent wave, grating and other intensity modulation schemes can also be efficiently utilized in the case of POF based sensors. Since polymer optical fibers have very low Young's modulus when compared to glass fibers, it can be utilized for sensing mechanical stress and strain efficiently in comparison with its counterpart. Fiber optic sensors have proved themselves as efficient and reliable devices to sense various parameters like aging, crack formation, weathering in civil structures. A similar type of study was carried out to find the setting characteristics of cement paste used for constructing civil structures. It was found that the measurements made by using fiber optic sensors are far more superior than that carried out by conventional methods. More over,POF based sensors were found to have more sensitivity as well.

Long period gratings in multimode optical fibers: application in chemical sensing

We propose and demonstrate a new technique for evanescent wave chemical sensing by writing long period gratings in a bare multimode plastic clad silica fiber. The sensing length of the present sensor is only 10 mm, but is as sensitive as a conventional unclad evanescent wave sensor having about 100 mm sensing length. The minimum measurable concentration of the sensor reported here is 10 nmol/l and the operating range is more than 4 orders of magnitude. Moreover, the detection is carried out in two independent detection configurations viz., bright field detection scheme that detects the core-mode power and dark field detection scheme that detects the cladding mode power. The use of such a double detection scheme definitely enhances the reliability and accuracy of the results. Furthermore, the cladding of the present fiber need not be removed as done in conventional evanescent wave fiber sensors.

Microbent optical fibers as evanescent wave sensors

Microbent optical fibers are potential candidates for evanescent wave sensing. We investigate the behavior of a permanently microbent fiber optic sensor when it is immersed in an absorbing medium. Two distinct detection schemes, namely, bright-field and dark-field detection configuration, are employed for the measurements. The optical power propagating through the sensor is found to vary in a logarithmic fashion with the concentration of the absorbing species in the surrounding medium. We observe that the sensitivity of the setup is dependent on the bending amplitude and length of the microbend region for the bright-field detection scheme, while it is relatively independent of both for the dark-field detection configuration. This feature can be exploited in compact sensor designs where reduction of the sensing region length is possible without sacrificing sensitivity.

Studies on Spatial and Temporal solitons with varying dispersion,diffraction and nonlinearity

Department of Physics, Cochin University of Science and Technology

Phonon softening in Ni-Mn-Ga alloys

The TA2 phonon dispersion curves of Ni-Mn-Ga alloys with different compositions which transform to different martensitic structures have been measured over a broad temperature range covering both paramagnetic and ferromagnetic phases. The branches show an anomaly (dip) at a wave number that depends on the particular martensitic structure, and there is softening of these anomalous phonons with decreasing temperature. This softening is enhanced below the Curie point, as a consequence of spin-phonon coupling. This effect is stronger for systems with higher electronic concentration.

Studies on some nonlinear schrodinger type equations describing pulse propagation through optical fibers

The discovery of the soliton is considered to be one of the most significant events of the twentieth century. The term soliton refers to special kinds of waves that can propagate undistorted over long distances and remain unaffected even after collision with each other. Solitons have been studied extensively in many fields of physics. In the context of optical fibers, solitons are not only of fundamental interest but also have potential applications in the field of optical fiber communications. This thesis is devoted to the theoretical study of soliton pulse propagation through single mode optical fibers.

“Fabrication and characterization of polymer optical fibers for photonic device applications

Although the main application of optical fibers are in the field of telecommunication, optical fiber based sensors of various designs are becoming valuable devices for wide industrial applications. The advantages of optical fiber-based sensors include high sensitivity, insensitivity to electromagnetic radiation; spark free, light weight and minimal intrusiveness due to their relatively small size and deployment in harsh and hostile environments. It has been proved that POI-7 based sensors can be employed to detect a great variety of parameters including temperature, humidity, pressure, refractive index etc. The proposed thesis presented in six chapters deals with the work carried on dye doped and undoped POF for photonic device applications such as amplifier, laser and sensor

On the dielectric dispersion and absorption in nanosized manganese zinc mixed ferrites

The temperature and frequency dependence of dielectric permittivity and dielectric loss of nanosized Mn1−xZnxFe2O4 (for x = 0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1) were investigated. The impact of zinc substitution on the dielectric properties of the mixed ferrite is elucidated. Strong dielectric dispersion and broad relaxation were exhibited by Mn1−xZnxFe2O4. The variation of dielectric relaxation time with temperature suggests the involvement of multiple relaxation processes. Cole–Cole plots were employed as an effective tool for studying the observed phenomenon. The activation energies were calculated from relaxation peaks and Cole–Cole plots and found to be consistent with each other and indicative of a polaron conduction

Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Dispersion von Dichteströmungen in einem stochastischen Modellaquifer

Es ist bekannt, dass die Dichte eines gelösten Stoffes die Richtung und die Stärke seiner Bewegung im Untergrund entscheidend bestimmen kann. Eine Vielzahl von Untersuchungen hat gezeigt, dass die Verteilung der Durchlässigkeiten eines porösen Mediums diese Dichteffekte verstärken oder abmindern kann. Wie sich dieser gekoppelte Effekt auf die Vermischung zweier Fluide auswirkt, wurde in dieser Arbeit untersucht und dabei das experimentelle sowohl mit dem numerischen als auch mit dem analytischen Modell gekoppelt. Die auf der Störungstheorie basierende stochastische Theorie der macrodispersion wurde in dieser Arbeit für den Fall der transversalen Makodispersion. Für den Fall einer stabilen Schichtung wurde in einem Modelltank (10m x 1.2m x 0.1m) der Universität Kassel eine Serie sorgfältig kontrollierter zweidimensionaler Experimente an einem stochastisch heterogenen Modellaquifer durchgeführt. Es wurden Versuchsreihen mit variierenden Konzentrationsdifferenzen (250 ppm bis 100 000 ppm) und Strömungsgeschwindigkeiten (u = 1 m/ d bis 8 m/d) an drei verschieden anisotrop gepackten porösen Medien mit variierender Varianzen und Korrelationen der lognormal verteilten Permeabilitäten durchgeführt. Die stationäre räumliche Konzentrationsausbreitung der sich ausbreitenden Salzwasserfahne wurde anhand der Leitfähigkeit gemessen und aus der Höhendifferenz des 84- und 16-prozentigen relativen Konzentrationsdurchgang die Dispersion berechnet. Parallel dazu wurde ein numerisches Modell mit dem dichteabhängigen Finite-Elemente-Strömungs- und Transport-Programm SUTRA aufgestellt. Mit dem kalibrierten numerischen Modell wurden Prognosen für mögliche Transportszenarien, Sensitivitätsanalysen und stochastische Simulationen nach der Monte-Carlo-Methode durchgeführt. Die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgte - sowohl im experimentellen als auch im numerischen Modell - über konstante Druckränder an den Ein- und Auslauftanks. Dabei zeigte sich eine starke Sensitivität der räumlichen Konzentrationsausbreitung hinsichtlich lokaler Druckvariationen. Die Untersuchungen ergaben, dass sich die Konzentrationsfahne mit steigendem Abstand von der Einströmkante wellenförmig einem effektiven Wert annähert, aus dem die Makrodispersivität ermittelt werden kann. Dabei zeigten sich sichtbare nichtergodische Effekte, d.h. starke Abweichungen in den zweiten räumlichen Momenten der Konzentrationsverteilung der deterministischen Experimente von den Erwartungswerten aus der stochastischen Theorie. Die transversale Makrodispersivität stieg proportional zur Varianz und Korrelation der lognormalen Permeabilitätsverteilung und umgekehrt proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und Dichtedifferenz zweier Fluide. Aus dem von Welty et al. [2003] mittels Störungstheorie entwickelten dichteabhängigen Makrodispersionstensor konnte in dieser Arbeit die stochastische Formel für die transversale Makrodispersion weiter entwickelt und - sowohl experimentell als auch numerisch - verifiziert werden.