Low dimensionality of supraspinally induced force fields

Recent experiments using electrical and N-methyl-d-aspartate microstimulation of the spinal cord gray matter and cutaneous stimulation of the hindlimb of spinalized frogs have provided evidence for a modular organization of the frog’s spinal cord circuitry. A “module” is a functional unit in the spinal cord circuitry that generates a specific motor output by imposing a specific pattern of muscle activation. The output of a module can be characterized as a force field: the collection of the isometric forces generated at the ankle over different locations in the leg’s workspace. Different modules can be combined independently so that their force fields linearly sum. The goal of this study was to ascertain whether the force fields generated by the activation of supraspinal structures could result from combinations of a small number of modules. We recorded a set of force fields generated by the electrical stimulation of the vestibular nerve in seven frogs, and we performed a principal component analysis to study the dimensionality of this set. We found that 94% of the total variation of the data is explained by the first five principal components, a result that indicates that the dimensionality of the set of fields evoked by vestibular stimulation is low. This result is compatible with the hypothesis that vestibular fields are generated by combinations of a small number of spinal modules.

Studies in molecular mechanics using spectroscopic data exact force field and bond in homogeneity

This thesis deals with some studies in molecular mechanic using spectroscopic data. It includes an improvement in the parameter technique for the evaluation of exact force fields, the introduction of a new and simple algebraic method for the force field calculation and a study of asymmetric variation of bonding forces along a bond.

The calculation of force constants and normal coordinates IV: XH4 and XH3 molecules

Normal coordinate calculations of XH4 and XH3 molecules are reviewed and discussed. It is shown that for most of these molecules the true values of the force constants in the most General Harmonic Force Field can be uniquely determined only by making use of vibration-rotation interaction constants. It is emphasized that without these extra data the GFF is not determined. The results are compared with various model force fields for these molecules.

Redundant coordinates in harmonic force-field calculations

Redundancy relations between vibrational coordinates may be linear (as for rectilinear coordinates used in deriving a G matrix), or non-linear (as for curvilinear coordinates used in formulating model force fields). It is shown that geometrically defined internal coordinates are necessarily curvilinear. Hence it is shown that linear force constants can occur in model force field calculations involving redundant coordinates, in disagreement with the recent proposal of Gussoni and Zerbi.

An anharmonic force field for SO3

An anharmonic force field for SO3 based on the valence force model has been investigated. The results of extending the model to include some further estimated cubic interaction potential constants have also been investigated. The phenomenological parameters calculated from both model force fields agree with those few values which have been experimentally determined. A calculation of the inertia defect has been made, and thus the value of C0 has been determined. The equilibrium structure has been determined to be: re = 1.4184 ± 0.0010 Å.

Optical force field mapping in microdevices

We present a method for characterizing microscopic optical force fields. Two dimensional vector force maps are generated by measuring the optical force applied to a probe particle for a grid of particle positions. The method is used to map Out the force field created by the beam from a lensed fiber inside a liquid filled microdevice. We find transverse gradient forces and axial scattering forces on the order of 2 pN per 10 mW laser power which are constant over a considerable axial range (> 35 mu m). These findings suggest Future useful applications of lensed fibers for particle guiding/sorting. The propulsion of a small particle at a constant velocity of 200 mu m s(-1) is shown.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Using Computer-aided Drug Design and Medicinal Chemistry Strategies in the Fight Against Diabetes

The aim of this work is to present a simple, practical and efficient protocol for drug design, in particular Diabetes, which includes selection of the illness, good choice of a target as well as a bioactive ligand and then usage of various computer aided drug design and medicinal chemistry tools to design novel potential drug candidates in different diseases. We have selected the validated target dipeptidyl peptidase IV (DPP-IV), whose inhibition contributes to reduce glucose levels in type 2 diabetes patients. The most active inhibitor with complex X-ray structure reported was initially extracted from the BindingDB database. By using molecular modification strategies widely used in medicinal chemistry, besides current state-of-the-art tools in drug design (including flexible docking, virtual screening, molecular interaction fields, molecular dynamics. ADME and toxicity predictions), we have proposed 4 novel potential DPP-IV inhibitors with drug properties for Diabetes control, which have been supported and validated by all the computational tools used herewith.

Protein fold recognition score functions: Unusual construction strategies

We describe two ways of optimizing score functions for protein sequence to structure threading. The first method adjusts parameters to improve sequence to structure alignment. The second adjusts parameters so as to improve a score function's ability to rank alignments calculated in the first score function. Unlike those functions known as knowledge-based force fields, the resulting parameter sets do not rely on Boltzmann statistics, have no claim to representing free energies and are purely constructions for recognizing protein folds. The methods give a small improvement, but suggest that functions can be profitably optimized for very specific aspects of protein fold recognition, Proteins 1999;36:454-461. (C) 1999 Wiley-Liss, Inc.

Protein sequence threading, the alignment problem, and a two-step strategy

Conventionally, protein structure prediction via threading relies on some nonoptimal method to align a protein sequence to each member of a library of known structures. We show how a score function (force field) can be modified so as to allow the direct application of a dynamic programming algorithm to the problem. This involves an approximation whose damage can be minimized by an optimization process during score function parameter determination. The method is compared to sequence to structure alignments using a more conventional pair-wise score function and the frozen approximation. The new method produces results comparable to the frozen approximation, but is faster and has fewer adjustable parameters. It is also free of memory of the template's original amino acid sequence, and does not suffer from a problem of nonconvergence, which can be shown to occur with the frozen approximation. Alignments generated by the simplified score function can then be ranked using a second score function with the approximations removed. (C) 1999 John Wiley & Sons, Inc.

Local alignment refinement using structural assessment.

Homology modeling is the most commonly used technique to build a three-dimensional model for a protein sequence. It heavily relies on the quality of the sequence alignment between the protein to model and related proteins with a known three dimensional structure. Alignment quality can be assessed according to the physico-chemical properties of the three dimensional models it produces.In this work, we introduce fifteen predictors designed to evaluate the properties of the models obtained for various alignments. They consist of an energy value obtained from different force fields (CHARMM, ProsaII or ANOLEA) computed on residue selected around misaligned regions. These predictors were evaluated on ten challenging test cases. For each target, all possible ungapped alignments are generated and their corresponding models are computed and evaluated.The best predictor, retrieving the structural alignment for 9 out of 10 test cases, is based on the ANOLEA atomistic mean force potential and takes into account residues around misaligned secondary structure elements. The performance of the other predictors is significantly lower. This work shows that substantial improvement in local alignments can be obtained by careful assessment of the local structure of the resulting models.

Studies in molecular spectroscopy

This thesis is divided into two parts. The first part deals with some studies in molecular mechanics Using spectroscopic data and has four chapters in it. Certain approximation methods for the evaluation of molecular force fields are herein developed The second part, which consists of the last two chaptcrs, deals with infrared spectral studies of ternary liquid systems and a polymer film prepared by glow discharge method.

Geometric Structure of the Adaptive Controller of the Human Arm

The objects with which the hand interacts with may significantly change the dynamics of the arm. How does the brain adapt control of arm movements to this new dynamic? We show that adaptation is via composition of a model of the task's dynamics. By exploring generalization capabilities of this adaptation we infer some of the properties of the computational elements with which the brain formed this model: the elements have broad receptive fields and encode the learned dynamics as a map structured in an intrinsic coordinate system closely related to the geometry of the skeletomusculature. The low--level nature of these elements suggests that they may represent asset of primitives with which a movement is represented in the CNS.

Exercise sheet 7

Exercises and solutions in LaTex