Getting in touch: segregated somatosensory what and where pathways in humans revealed by electrical neuroimaging.

Whether the somatosensory system, like its visual and auditory counterparts, is comprised of parallel functional pathways for processing identity and spatial attributes (so-called what and where pathways, respectively) has hitherto been studied in humans using neuropsychological and hemodynamic methods. Here, electrical neuroimaging of somatosensory evoked potentials (SEPs) identified the spatio-temporal mechanisms subserving vibrotactile processing during two types of blocks of trials. What blocks varied stimuli in their frequency (22.5 Hz vs. 110 Hz) independently of their location (left vs. right hand). Where blocks varied the same stimuli in their location independently of their frequency. In this way, there was a 2x2 within-subjects factorial design, counterbalancing the hand stimulated (left/right) and trial type (what/where). Responses to physically identical somatosensory stimuli differed within 200 ms post-stimulus onset, which is within the same timeframe we previously identified for audition (De Santis, L., Clarke, S., Murray, M.M., 2007. Automatic and intrinsic auditory "what" and "where" processing in humans revealed by electrical neuroimaging. Cereb Cortex 17, 9-17.). Initially (100-147 ms), responses to each hand were stronger to the what than where condition in a statistically indistinguishable network within the hemisphere contralateral to the stimulated hand, arguing against hemispheric specialization as the principal basis for somatosensory what and where pathways. Later (149-189 ms) responses differed topographically, indicative of the engagement of distinct configurations of brain networks. A common topography described responses to the where condition irrespective of the hand stimulated. By contrast, different topographies accounted for the what condition and also as a function of the hand stimulated. Parallel, functionally specialized pathways are observed across sensory systems and may be indicative of a computationally advantageous organization for processing spatial and identity information.

Scan statistics analysis of forest fire clusters

Spatio-temporal clusters in 1997?2003 fire sequences of Tuscany region (central Italy) have been identified and analysed by using the scan statistic, a method which was devised to evidence clusters in epidemiology. Results showed that the method is reliable to find clusters of events and to evaluate their significance via Monte Carlo replication. The evaluation of the presence of spatial and temporal patterns in fire occurrence and their significance could have a great impact in forthcoming studies on fire occurrences prediction.

Foot worn inertial sensors for gait assessment and rehabilitation based on motorized shoes.

Fall prevention in elderly subjects is often based on training and rehabilitation programs that include mostly traditional balance and strength exercises. By applying such conventional interventions to improve gait performance and decrease fall risk, some important factors are neglected such as the dynamics of the gait and the motor learning processes. The EU project "Self Mobility Improvement in the eLderly by counteractING falls" (SMILING project) aimed to improve age-related gait and balance performance by using unpredicted external perturbations during walking through motorized shoes that change insole inclination at each stance. This paper describes the shoe-worn inertial module and the gait analysis method needed to control in real-time the shoe insole inclination during training, as well as gait spatio-temporal parameters obtained during long distance walking before and after the 8-week training program that assessed the efficacy of training with these motorized shoes.

La reconnaissance des objets sonores chez l'humain

Abstract : This thesis investigated the spatio-temporal brain mechanisms of three processes involved in recognizing environmental sounds produced by living (animal vocalisations) and man-made (manufactured) objects: their discrimination, their plasticity, and the involvement of action representations. Results showed rapid brain discrimination between these categories beginning at ~70ms. Then, beginning at ~150ms, effects of plasticity are observed, without any influence of the categories of sounds. Both of these processes of discrimination and repetition priming involved brain structures located in temporal and frontal lobes. Activation of brain areas BA21 and BA22 suggest an access to semantic representations and/or linked to object manipulation. To investigate the involvement of action representations in sound recognition, analyses were restricted to sounds produced by man-made objects. Results suggest an access to representations linked to action functionally related to sound rather than to representations linked to action that produced sound. These effects occurred at ~300ms post-stimulus onset and involved differential activity brain regions attributed to the mirror neuron system. These data are discussed in regard to motor preparation of actions functionally linked to sounds. Collectively these data showed a sequential progression of cerebral activity underlying the recognizing of environmental sounds. The processes occurred firstly in a shared network of brain areas before propagating elsewhere and/or leading to differential activity in these structures. Cerebral responses observed in this work allowed establishing a dynamic model of discrimination of sounds produced by living and man-made objects.

Dinàmica de sistemes mesoscòpics amb correlacions quàntiques mitjançant la formulació de de Broglie-Bohm

Per a determinar la dinàmica espai-temporal completa d’un sistema quàntic tridimensional de N partícules cal integrar l’equació d’Schrödinger en 3N dimensions. La capacitat dels ordinadors actuals permet fer-ho com a molt en 3 dimensions. Amb l’objectiu de disminuir el temps de càlcul necessari per a integrar l’equació d’Schrödinger multidimensional, es realitzen usualment una sèrie d’aproximacions, com l’aproximació de Born–Oppenheimer o la de camp mig. En general, el preu que es paga en realitzar aquestes aproximacions és la pèrdua de les correlacions quàntiques (o entrellaçament). Per tant, és necessari desenvolupar mètodes numèrics que permetin integrar i estudiar la dinàmica de sistemes mesoscòpics (sistemes d’entre tres i unes deu partícules) i en els que es tinguin en compte, encara que sigui de forma aproximada, les correlacions quàntiques entre partícules. Recentment, en el context de la propagació d’electrons per efecte túnel en materials semiconductors, X. Oriols ha desenvolupat un nou mètode [Phys. Rev. Lett. 98, 066803 (2007)] per al tractament de les correlacions quàntiques en sistemes mesoscòpics. Aquesta nova proposta es fonamenta en la formulació de la mecànica quàntica de de Broglie– Bohm. Així, volem fer notar que l’enfoc del problema que realitza X. Oriols i que pretenem aquí seguir no es realitza a fi de comptar amb una eina interpretativa, sinó per a obtenir una eina de càlcul numèric amb la que integrar de manera més eficient l’equació d’Schrödinger corresponent a sistemes quàntics de poques partícules. En el marc del present projecte de tesi doctoral es pretén estendre els algorismes desenvolupats per X. Oriols a sistemes quàntics constituïts tant per fermions com per bosons, i aplicar aquests algorismes a diferents sistemes quàntics mesoscòpics on les correlacions quàntiques juguen un paper important. De forma específica, els problemes a estudiar són els següents: (i) Fotoionització de l’àtom d’heli i de l’àtom de liti mitjançant un làser intens. (ii) Estudi de la relació entre la formulació de X. Oriols amb la aproximació de Born–Oppenheimer. (iii) Estudi de les correlacions quàntiques en sistemes bi- i tripartits en l’espai de configuració de les partícules mitjançant la formulació de de Broglie–Bohm.

Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

Variability of gait patterns during unconstrained walking assessed by satellite positioning (GPS).

It is established that the ratio between step length (SL) and step frequency (SF) is constant over a large range of walking speed. However, few data are available about the spontaneous variability of this ratio during unconstrained outdoor walking, in particular over a sufficient number of steps. The purpose of the present study was to assess the inter- and intra-subject variability of spatio-temporal gait characteristics [SL, SF and walk ratio (WR=SL/SF)] while walking at different freely selected speeds. Twelve healthy subjects walked three times along a 100-m athletic track at: (1). a slower than preferred speed, (2). preferred speed and (3). a faster than preferred speed. Two professional GPS receivers providing 3D positions assessed the walking speed and SF with high precision (less than 0.5% error). Intra-subject variability was calculated as the variation among eight consecutive 5-s samples. WR was found to be constant at preferred and fast speeds [0.41 (0.04) m.s and 0.41 (0.05) m.s respectively] but was higher at slow speeds [0.44 (0.05) m.s]. In other words, between slow and preferred speed, the speed increase was mediated more by a change in SF than SL. The intra-subject variability of WR was low under preferred [CV, coefficient of variation = 1.9 (0.6)%] and fast [CV=1.8 (0.5)%] speed conditions, but higher under low speed condition [CV=4.1 (1.5)%]. On the other hand, the inter-subject variability of WR was 11%, 10% and 12% at slow, preferred and fast walking speeds respectively. It is concluded that the GPS method is able to capture basic gait parameters over a short period of time (5 s). A specific gait pattern for slow walking was observed. Furthermore, it seems that the walking patterns in free-living conditions exhibit low intra-individual variability, but that there is substantial variability between subjects.

Visual representation of food in the brain : effects of repeated exposure and gut hormone secretion

The thesis at hand is concerned with the spatio-temporal brain mechanisms of visual food perception as investigated by electrical neuroimaging. Due to the increasing prevalence of obesity and its associated challenges for public health care, there is a need to better understand behavioral and brain processes underlying food perception and food-based decision-making. The first study (Study A) of this thesis was concerned with the role of repeated exposure to visual food cues. In our everyday lives we constantly and repeatedly encounter food and these exposures influence our food choices and preferences. In Study A, we therefore applied electrical neuroimaging analyses of visual evoked potentials to investigate the spatio-temporal brain dynamics linked to the repeated viewing of high- and low-energy food cues (published manuscript: "The role of energetic value in dynamic brain response adaptation during repeated food image viewing" (Lietti et al., 2012)). In this study, we found that repetitions differentially affect behavioral and brain mechanisms when high-energy, as opposed to low-energy foods and non-food control objects, were viewed. The representation of high-energy food remained invariant between initial and repeated exposures indicating that the sight of high-energy dense food induces less behavioral and neural adaptation than the sight of low-energy food and non-food control objects. We discuss this finding in the context of the higher salience (due to greater motivation and higher reward or hedonic valuation) of energy- dense food that likely generates a more mnemonically stable representation. In turn, this more invariant representation of energy-dense food is supposed to (partially) explain why these foods are over-consumed despite of detrimental health consequences. In Study Β we investigated food responsiveness in patients who had undergone Roux-en-Y gastric bypass surgery to overcome excessive obesity. This type of gastric bypass surgery is not only known to alter food appreciation, but also the secretion patterns of adipokines and gut peptides. Study Β aimed at a comprehensive and interdisciplinary investigation of differences along the gut-brain axis in bypass-operated patients as opposed to weight-matched non-operated controls. On the one hand, the spatio-temporal brain dynamics to the visual perception of high- vs. low-energy foods under differing states of motivation towards food intake (i.e. pre- and post-prandial) were assessed and compared between groups. On the other hand, peripheral gut hormone measures were taken in pre- and post-prandial nutrition state and compared between groups. In order to evaluate alterations in the responsiveness along the gut-brain-axis related to gastric bypass surgery, correlations between both measures were compared between both participant groups. The results revealed that Roux-en- Y gastric bypass surgery alters the spatio-temporal brain dynamics to the perception of high- and low-energy food cues, as well as the responsiveness along the gut-brain-axis. The potential role of these response alterations is discussed in relation to previously observed changes in physiological factors and food intake behavior post-Roux-en-Y gastric bypass surgery. By doing so, we highlight potential behavioral, neural and endocrine (i.e. gut hormone) targets for the future development of intervention strategies for deviant eating behavior and obesity. Together, the studies showed that the visual representation of foods in the brain is plastic and that modulations in neural activity are already noted at early stages of visual processing. Different factors of influence such as a repeated exposure, Roux-en-Y gastric bypass surgery, motivation (nutrition state), as well as the energy density of the visually perceived food were identified. En raison de la prévalence croissante de l'obésité et du défi que cela représente en matière de santé publique, une meilleure compréhension des processus comportementaux et cérébraux liés à la nourriture sont nécessaires. En particulier, cette thèse se concentre sur l'investigation des mécanismes cérébraux spatio-temporels liés à la perception visuelle de la nourriture. Nous sommes quotidiennement et répétitivement exposés à des images de nourriture. Ces expositions répétées influencent nos choix, ainsi que nos préférences alimentaires. La première étude (Study A) de cette thèse investigue donc l'impact de ces exposition répétée à des stimuli visuels de nourriture. En particulier, nous avons comparé la dynamique spatio-temporelle de l'activité cérébrale induite par une exposition répétée à des images de nourriture de haute densité et de basse densité énergétique. (Manuscrit publié: "The role of energetic value in dynamic brain response adaptation during repeated food image viewing" (Lietti et al., 2012)). Dans cette étude, nous avons pu constater qu'une exposition répétée à des images représentant de la nourriture de haute densité énergétique, par opposition à de la nourriture de basse densité énergétique, affecte les mécanismes comportementaux et cérébraux de manière différente. En particulier, la représentation neurale des images de nourriture de haute densité énergétique est similaire lors de l'exposition initiale que lors de l'exposition répétée. Ceci indique que la perception d'images de nourriture de haute densité énergétique induit des adaptations comportementales et neurales de moindre ampleur par rapport à la perception d'images de nourriture de basse densité énergétique ou à la perception d'une « catégorie contrôle » d'objets qui ne sont pas de la nourriture. Notre discussion est orientée sur les notions prépondérantes de récompense et de motivation qui sont associées à la nourriture de haute densité énergétique. Nous suggérons que la nourriture de haute densité énergétique génère une représentation mémorielle plus stable et que ce mécanisme pourrait (partiellement) être sous-jacent au fait que la nourriture de haute densité énergétique soit préférentiellement consommée. Dans la deuxième étude (Study Β) menée au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux mécanismes de perception de la nourriture chez des patients ayant subi un bypass gastrique Roux- en-Y, afin de réussir à perdre du poids et améliorer leur santé. Ce type de chirurgie est connu pour altérer la perception de la nourriture et le comportement alimentaire, mais également la sécrétion d'adipokines et de peptides gastriques. Dans une approche interdisciplinaire et globale, cette deuxième étude investigue donc les différences entre les patients opérés et des individus « contrôles » de poids similaire au niveau des interactions entre leur activité cérébrale et les mesures de leurs hormones gastriques. D'un côté, nous avons investigué la dynamique spatio-temporelle cérébrale de la perception visuelle de nourriture de haute et de basse densité énergétique dans deux états physiologiques différent (pre- et post-prandial). Et de l'autre, nous avons également investigué les mesures physiologiques des hormones gastriques. Ensuite, afin d'évaluer les altérations liées à l'intervention chirurgicale au niveau des interactions entre la réponse cérébrale et la sécrétion d'hormone, des corrélations entre ces deux mesures ont été comparées entre les deux groupes. Les résultats révèlent que l'intervention chirurgicale du bypass gastrique Roux-en-Y altère la dynamique spatio-temporelle de la perception visuelle de la nourriture de haute et de basse densité énergétique, ainsi que les interactions entre cette dernière et les mesures périphériques des hormones gastriques. Nous discutons le rôle potentiel de ces altérations en relation avec les modulations des facteurs physiologiques et les changements du comportement alimentaire préalablement déjà démontrés. De cette manière, nous identifions des cibles potentielles pour le développement de stratégies d'intervention future, au niveau comportemental, cérébral et endocrinien (hormones gastriques) en ce qui concerne les déviances du comportement alimentaire, dont l'obésité. Nos deux études réunies démontrent que la représentation visuelle de la nourriture dans le cerveau est plastique et que des modulations de l'activité neurale apparaissent déjà à un stade très précoce des mécanismes de perception visuelle. Différents facteurs d'influence comme une exposition repetee, le bypass gastrique Roux-en-Y, la motivation (état nutritionnel), ainsi que la densité énergétique de la nourriture qui est perçue ont pu être identifiés.

Sound objects in time, space and action

SOUND OBJECTS IN TIME, SPACE AND ACTIONThe term "sound object" describes an auditory experience that is associated with an acoustic event produced by a sound source. At cortical level, sound objects are represented by temporo-spatial activity patterns within distributed neural networks. This investigation concerns temporal, spatial and action aspects as assessed in normal subjects using electrical imaging or measurement of motor activity induced by transcranial magnetic stimulation (TMS).Hearing the same sound again has been shown to facilitate behavioral responses (repetition priming) and to modulate neural activity (repetition suppression). In natural settings the same source is often heard again and again, with variations in spectro-temporal and spatial characteristics. I have investigated how such repeats influence response times in a living vs. non-living categorization task and the associated spatio-temporal patterns of brain activity in humans. Dynamic analysis of distributed source estimations revealed differential sound object representations within the auditory cortex as a function of the temporal history of exposure to these objects. Often heard sounds are coded by a modulation in a bilateral network. Recently heard sounds, independently of the number of previous exposures, are coded by a modulation of a left-sided network.With sound objects which carry spatial information, I have investigated how spatial aspects of the repeats influence neural representations. Dynamics analyses of distributed source estimations revealed an ultra rapid discrimination of sound objects which are characterized by spatial cues. This discrimination involved two temporo-spatially distinct cortical representations, one associated with position-independent and the other with position-linked representations within the auditory ventral/what stream.Action-related sounds were shown to increase the excitability of motoneurons within the primary motor cortex, possibly via an input from the mirror neuron system. The role of motor representations remains unclear. I have investigated repetition priming-induced plasticity of the motor representations of action sounds with the measurement of motor activity induced by TMS pulses applied on the hand motor cortex. TMS delivered to the hand area within the primary motor cortex yielded larger magnetic evoked potentials (MEPs) while the subject was listening to sounds associated with manual than non- manual actions. Repetition suppression was observed at motoneuron level, since during a repeated exposure to the same manual action sound the MEPs were smaller. I discuss these results in terms of specialized neural network involved in sound processing, which is characterized by repetition-induced plasticity.Thus, neural networks which underlie sound object representations are characterized by modulations which keep track of the temporal and spatial history of the sound and, in case of action related sounds, also of the way in which the sound is produced.LES OBJETS SONORES AU TRAVERS DU TEMPS, DE L'ESPACE ET DES ACTIONSLe terme "objet sonore" décrit une expérience auditive associée avec un événement acoustique produit par une source sonore. Au niveau cortical, les objets sonores sont représentés par des patterns d'activités dans des réseaux neuronaux distribués. Ce travail traite les aspects temporels, spatiaux et liés aux actions, évalués à l'aide de l'imagerie électrique ou par des mesures de l'activité motrice induite par stimulation magnétique trans-crânienne (SMT) chez des sujets sains. Entendre le même son de façon répétitive facilite la réponse comportementale (amorçage de répétition) et module l'activité neuronale (suppression liée à la répétition). Dans un cadre naturel, la même source est souvent entendue plusieurs fois, avec des variations spectro-temporelles et de ses caractéristiques spatiales. J'ai étudié la façon dont ces répétitions influencent le temps de réponse lors d'une tâche de catégorisation vivant vs. non-vivant, et les patterns d'activité cérébrale qui lui sont associés. Des analyses dynamiques d'estimations de sources ont révélé des représentations différenciées des objets sonores au niveau du cortex auditif en fonction de l'historique d'exposition à ces objets. Les sons souvent entendus sont codés par des modulations d'un réseau bilatéral. Les sons récemment entendus sont codé par des modulations d'un réseau du côté gauche, indépendamment du nombre d'expositions. Avec des objets sonores véhiculant de l'information spatiale, j'ai étudié la façon dont les aspects spatiaux des sons répétés influencent les représentations neuronales. Des analyses dynamiques d'estimations de sources ont révélé une discrimination ultra rapide des objets sonores caractérisés par des indices spatiaux. Cette discrimination implique deux représentations corticales temporellement et spatialement distinctes, l'une associée à des représentations indépendantes de la position et l'autre à des représentations liées à la position. Ces représentations sont localisées dans la voie auditive ventrale du "quoi".Des sons d'actions augmentent l'excitabilité des motoneurones dans le cortex moteur primaire, possiblement par une afférence du system des neurones miroir. Le rôle des représentations motrices des sons d'actions reste peu clair. J'ai étudié la plasticité des représentations motrices induites par l'amorçage de répétition à l'aide de mesures de potentiels moteurs évoqués (PMEs) induits par des pulsations de SMT sur le cortex moteur de la main. La SMT appliquée sur le cortex moteur primaire de la main produit de plus grands PMEs alors que les sujets écoutent des sons associée à des actions manuelles en comparaison avec des sons d'actions non manuelles. Une suppression liée à la répétition a été observée au niveau des motoneurones, étant donné que lors de l'exposition répétée au son de la même action manuelle les PMEs étaient plus petits. Ces résultats sont discuté en termes de réseaux neuronaux spécialisés impliqués dans le traitement des sons et caractérisés par de la plasticité induite par la répétition. Ainsi, les réseaux neuronaux qui sous-tendent les représentations des objets sonores sont caractérisés par des modulations qui gardent une trace de l'histoire temporelle et spatiale du son ainsi que de la manière dont le son a été produit, en cas de sons d'actions.

Towards the utilization of EEG as a brain imaging tool.

Recent advances in signal analysis have engendered EEG with the status of a true brain mapping and brain imaging method capable of providing spatio-temporal information regarding brain (dys)function. Because of the increasing interest in the temporal dynamics of brain networks, and because of the straightforward compatibility of the EEG with other brain imaging techniques, EEG is increasingly used in the neuroimaging community. However, the full capability of EEG is highly underestimated. Many combined EEG-fMRI studies use the EEG only as a spike-counter or an oscilloscope. Many cognitive and clinical EEG studies use the EEG still in its traditional way and analyze grapho-elements at certain electrodes and latencies. We here show that this way of using the EEG is not only dangerous because it leads to misinterpretations, but it is also largely ignoring the spatial aspects of the signals. In fact, EEG primarily measures the electric potential field at the scalp surface in the same way as MEG measures the magnetic field. By properly sampling and correctly analyzing this electric field, EEG can provide reliable information about the neuronal activity in the brain and the temporal dynamics of this activity in the millisecond range. This review explains some of these analysis methods and illustrates their potential in clinical and experimental applications.

Quantifying network properties in multi-electrode recordings: spatiotemporal characterization and inter-trial variation of evoked gamma oscillations in mouse somatosensory cortex in vitro.

Linking the structural connectivity of brain circuits to their cooperative dynamics and emergent functions is a central aim of neuroscience research. Graph theory has recently been applied to study the structure-function relationship of networks, where dynamical similarity of different nodes has been turned into a "static" functional connection. However, the capability of the brain to adapt, learn and process external stimuli requires a constant dynamical functional rewiring between circuitries and cell assemblies. Hence, we must capture the changes of network functional connectivity over time. Multi-electrode array data present a unique challenge within this framework. We study the dynamics of gamma oscillations in acute slices of the somatosensory cortex from juvenile mice recorded by planar multi-electrode arrays. Bursts of gamma oscillatory activity lasting a few hundred milliseconds could be initiated only by brief trains of electrical stimulations applied at the deepest cortical layers and simultaneously delivered at multiple locations. Local field potentials were used to study the spatio-temporal properties and the instantaneous synchronization profile of the gamma oscillatory activity, combined with current source density (CSD) analysis. Pair-wise differences in the oscillation phase were used to determine the presence of instantaneous synchronization between the different sites of the circuitry during the oscillatory period. Despite variation in the duration of the oscillatory response over successive trials, they showed a constant average power, suggesting that the rate of expenditure of energy during the gamma bursts is consistent across repeated stimulations. Within each gamma burst, the functional connectivity map reflected the columnar organization of the neocortex. Over successive trials, an apparently random rearrangement of the functional connectivity was observed, with a more stable columnar than horizontal organization. This work reveals new features of evoked gamma oscillations in developing cortex.

Arrhythmogenesis in the developing heart during anoxia-reoxygenation and hypothermia-rewarming: an in vitro model.

INTRODUCTION: The spatio-temporal pattern of arrhythmias in the embryonic/fetal heart subjected to a transient hypoxic or hypothermic stress remains to be established. METHODS AND RESULTS: Spontaneously beating hearts or isolated atria, ventricles, and conotruncus from 4-day-old chick embryos were subjected in vitro to 30-minute anoxia and 60-minute reoxygenation. Hearts were also submitted to 30-minute hypothermia (0-4 degrees C) and 60-minute rewarming. ECG disturbances and alterations of atrial and ventricular electromechanical delay (EMD) were systematically investigated. Baseline functional parameters were stable during at least 2 hours. Anoxia induced tachycardia, followed by bradycardia, atrial ectopy, first-, second-, and third-degree atrio-ventricular blocks and, finally, transient electromechanical arrest after 6.8 minutes, interquartile ranges (IQR) 3.1-16.2 (n = 8). Reoxygenation triggered also Wenckebach phenomenon and ventricular escape beats. At the onset of reoxygenation QT, PR, and ventricular EMD increased by 68%, 70%, and 250%, respectively, whereas atrial EMD was not altered. No fibrillations, no ventricular ectopic beats, and no electromechanical dissociation were observed. Arrhythmic activity of the isolated atria persisted throughout anoxia and upon reoxygenation, whereas activity of the isolated ventricles abruptly ceased after 5 minutes of anoxia and resumed after 5 minutes of reoxygenation. During hypothermia-rewarming, cardiac activity stopped at 17.9 degrees C, IQR 16.2-20.6 (n = 4) and resumed at the same temperature with no arrhythmias. All preparations fully recovered after 40 minutes of reoxygenation or rewarming. CONCLUSION: In the embryonic heart, arrhythmias mainly originated in the sinoatrial tissue and resembled those observed in the adult heart. Furthermore, oxygen readmission was by far more arrhythmogenic than rewarming and the chronotropic, dromotropic, and inotropic effects were fully reversible.

Mechanisms of leukocyte lipid body formation and function in inflammation

An area of increasingly interest for the understanding of cell signaling are the spatio-temporal aspects of the different enzymes involved in lipid mediator generation (eicosanoid-forming enzymes, phospholipases and their regulatory kinases and phosphatases) and pools of lipid precursors. The compartmentalization of signaling components within discrete and dynamic sites in the cell is critical for specificity and efficiency of enzymatic reactions of phosphorilation, enzyme activation and function. We hypothesized that lipid bodies - inducible non-membrane bound cytoplasmic lipid domains - function as specialized intracellular sites of compartmentalization of signaling with major roles in lipid mediator formation within leukocytes engaged in inflammatory process. Over the past years substantial progresses have been made demonstrating that all enzymes involved in eicosanoid synthesis localize at lipid bodies and lipid bodies are distinct sites for eicosanoid generation. Here we will review our current knowledge on the mechanisms of formation and functions of lipid bodies pertinent to inflammation.

ELECTROCORTICAL DYNAMICS OF MOTOR INHIBITORY CONTROL WITH AGING

Motor inhibitory control plays a central role in adaptive behaviors during the entire lifespan. Inhibitory motor control refers to the ability to stop all (global) or a part (selective) of a planned or ongoing motor action. Although the neural processing underlying the global inhibitory control has received much attention from cognitive neuroscientists, brain modulations that occur during selective inhibitory motor control remain unknown. The aim of the present thesis is to investigate the spatio-temporal brain processes of selective inhibitory motor control in young and old adults using high-density electroencephalography. In the first part, we focus on early (preparatory period) spatio-temporal brain processes involved in selective and global inhibitory control in young (study I) and old adults (study II) using a modified Go/No-go task. In study I, we distinguished global from selective inhibition in the early attentional stage of inhibitory control and provided neurophysiological evidence in favor of the combination model. In study II, we showed an under-recruitment of neural resources associated with preservation of performance in old adults during selective inhibition, suggesting efficient cerebral and behavioral adaptations to environmental changes. In the second part, we investigate beta oscillations in the late (post-execution period) spatio-temporal brain processes of selective inhibition during a motor Switching task (i.e., tapping movement from bimanual to unimanual) in young (study III) and old adults (study IV). In study III, we identified concomitant beta synchronization related (i) to sensory reafference processes, which enabled the stabilization of the movement that was perturbed after switching, and (ii) to active inhibition processes that prevented movement of the stopping hand. In study IV, we demonstrated a larger beta synchronization in frontal and parietal regions in old adults compared to young adults, suggesting age-related brain modulations in active inhibition processes. Apart from contributing to a basic understanding of the electrocortical dynamics underlying inhibitory motor control, the findings of the present studies contribute to knowledge regarding the further establishment of specific trainings with aging. -- Le contrôle de l'inhibition motrice joue un rôle central dans les adaptations comportementales quel que soit l'âge. L'inhibition motrice se réfère à la capacité à arrêter entièrement (globale) ou en partie (sélective) une action motrice planifiée ou en cours. Bien que les processus neuronaux sous-jacents de l'inhibition globale aient suscité un grand intérêt auprès des neurosciences cognitives, les modulations cérébrales dans le contrôle de l'inhibition motrice sélective sont encore peu connues. Le but de cette thèse est d'étudier les processus cérébraux spatio-temporels du contrôle de l'inhibition motrice sélective chez les adultes jeunes et âgés en utilisant l'électroencéphalogramme à haute densité. Dans la première partie, nous comparons les processus cérébraux spatio-temporels précoces (préparation motrice) de l'inhibition sélective et globale chez des adultes jeunes (étude I) et âgés (étude II) en utilisant une tâche Go/No-go modifiée. Dans l'étude I, nous avons distingué l'inhibition globale et sélective au niveau des processus attentionnels précoces du contrôle de l'inhibition et nous avons apporté des preuves neurophysiologiques de l'existence d'un modèle de combinaison. Dans l'étude II, nous avons montré une sous-activation neuronale associée à un maintien de la performance dans l'inhibition sélective chez les adultes âgés, suggérant des adaptations cérébrales et comportementales aux contraintes environnementales. Dans la seconde partie, nous examinons les processus cérébraux spatio-temporels tardifs (post-exécution motrice) de l'inhibition sélective pendant une tâche de Switching (tapping bimanuel vers un tapping unimanuel) chez des adultes jeunes (étude III) et âgés (étude IV). Dans l'étude III, nous avons distingué des synchronisations beta liées (i) au traitement des réafférences sensorielles permettant de stabiliser le mouvement perturbé après le switching, et (ii) aux processus d'inhibition active afin d'empêcher les mouvements de la main arrêtée. Dans l'étude IV, cette synchronisation beta était plus forte dans les régions frontales et pariétales chez les âgés par rapport aux jeunes adultes suggérant des modulations cérébrales de l'inhibition active avec l'âge. Outre la contribution fondamentale sur la compréhension des dynamiques électrocorticales dans le contrôle de l'inhibition motrice, les résultats de ces études contribuent à développer les connaissances pour la mise en place de programmes d'entraînements adaptés aux personnes âgées.

New tools for epidemiology: a space odyssey

Geographical Information Systems (GIS) facilitate access to epidemiological data through visualization and may be consulted for the development of mathematical models and analysis by spatial statistics. Variables such as land-cover, land-use, elevations, surface temperatures, rainfall etc. emanating from earth-observing satellites, complement GIS as this information allows the analysis of disease distribution based on environmental characteristics. The strength of this approach issues from the specific environmental requirements of those causative infectious agents, which depend on intermediate hosts for their transmission. The distribution of these diseases is restricted, both by the environmental requirements of their intermediate hosts/vectors and by the ambient temperature inside these hosts, which effectively govern the speed of maturation of the parasite. This paper discusses the current capabilities with regard to satellite data collection in terms of resolution (spatial, temporal and spectral) of the sensor instruments on board drawing attention to the utility of computer-based models of the Earth for epidemiological research. Virtual globes, available from Google and other commercial firms, are superior to conventional maps as they do not only show geographical and man-made features, but also allow instant import of data-sets of specific interest, e.g. environmental parameters, demographic information etc., from the Internet.