Rôles et régulation du PI(4,5)P2 dans le remodelage cortical et la morphogénèse cellulaire en mitose

Doctorat réalisé en cotutelle avec le laboratoire de François Payre au Centre de Biologie du Développement à Toulouse, France (Université de Toulouse III - Paul Sabatier)

Quantum nonlocality, cryptography and complexity

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Network pricing problems : complexity, polyhedral study and solution approaches

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude du traitement visuel simple et complexe chez les enfants autistes

Les personnes ayant un trouble du spectre autistique (TSA) manifestent des particularités perceptives. En vision, des travaux influents chez les adultes ont mené à l’élaboration d’un modèle explicatif du fonctionnement perceptif autistique qui suggère que l’efficacité du traitement visuel varie en fonction de la complexité des réseaux neuronaux impliqués (Hypothèse spécifique à la complexité). Ainsi, lorsque plusieurs aires corticales sont recrutées pour traiter un stimulus complexe (e.g., modulations de texture; attributs de deuxième ordre), les adultes autistes démontrent une sensibilité diminuée. À l’inverse, lorsque le traitement repose principalement sur le cortex visuel primaire V1 (e.g., modulations locales de luminance; attributs de premier ordre), leur sensibilité est augmentée (matériel statique) ou intacte (matériel dynamique). Cette dissociation de performance est spécifique aux TSA et peut s’expliquer, entre autre, par une connectivité atypique au sein de leur cortex visuel. Les mécanismes neuronaux précis demeurent néanmoins méconnus. De plus, on ignore si cette signature perceptuelle est présente à l’enfance, information cruciale pour les théories perceptives de l’autisme. Le premier volet de cette thèse cherche à vérifier, à l’aide de la psychophysique et l’électrophysiologie, si la double dissociation de performance entre les attributs statiques de premier et deuxième ordre se retrouve également chez les enfants autistes d’âge scolaire. Le second volet vise à évaluer chez les enfants autistes l’intégrité des connexions visuelles descendantes impliquées dans le traitement des textures. À cet effet, une composante électrophysiologique reflétant principalement des processus de rétroaction corticale a été obtenue lors d’une tâche de ségrégation des textures. Les résultats comportementaux obtenus à l’étude 1 révèlent des seuils sensoriels similaires entre les enfants typiques et autistes à l’égard des stimuli définis par des variations de luminance et de texture. Quant aux données électrophysiologiques, il n’y a pas de différence de groupe en ce qui concerne le traitement cérébral associé aux stimuli définis par des variations de luminance. Cependant, contrairement aux enfants typiques, les enfants autistes ne démontrent pas une augmentation systématique d’activité cérébrale en réponse aux stimuli définis par des variations de texture pendant les fenêtres temporelles préférentiellement associées au traitement de deuxième ordre. Ces différences d’activation émergent après 200 ms et engagent les aires visuelles extrastriées des régions occipito-temporales et pariétales. Concernant la connectivité cérébrale, l’étude 2 indique que les connexions visuelles descendantes sont fortement asymétriques chez les enfants autistes, en défaveur de la région occipito-temporale droite. Ceci diffère des enfants typiques pour qui le signal électrophysiologique reflétant l’intégration visuo-corticale est similaire entre l’hémisphère gauche et droit du cerveau. En somme, en accord avec l’hypothèse spécifique à la complexité, la représentation corticale du traitement de deuxième ordre (texture) est atypiquement diminuée chez les enfants autistes, et un des mécanismes cérébraux impliqués est une altération des processus de rétroaction visuelle entre les aires visuelles de haut et bas niveau. En revanche, contrairement aux résultats obtenus chez les adultes, il n’y a aucun indice qui laisse suggérer la présence de mécanismes supérieurs pour le traitement de premier ordre (luminance) chez les enfants autistes.

The impact of early life adversity on cortical structure in adolescent twins followed since birth

Des études animales ont montré que l’exposition du foetus à l’adversité affecte le développement cérébral et la régulation d’émotions plus tard. Cette régulation serait reliée aux changements structurels cérébraux, particulièrement au circuit fronto-limbique. Cependant, ces résultats n’ont pas été entièrement répliqués chez l’humain. Le but de cette étude était de tester si l'adversité précoce conduit à des altérations structurelles des régions (orbitofrontal, préfrontal, cingulaire) fronto-limbiques, identifiées comme régions-clés dans la (de)régulation d’émotions. Les mesures principales de l’adversité étaient un poids léger à la naissance et l’hostilité maternelle puisqu’ils étaient parmi les plus prédictifs des résultats développementaux et comportementaux chez l’humain. Les mesures secondaires, incluant le tempérament difficile d’enfant et l’impulsivité en adolescence, étaient utilisées du à leur lien avec le développement cérébral et émotionnel. Les participants étaient des jumeaux identiques, membres de l’Étude des Jumeaux Nouveau-nés du Québec (ÉJNQ, N = 650 paires) suivis depuis 5 mois à 15 ans, leur âge actuel. Ceci a permis de mieux contrôler le facteur génétique et ainsi mieux isoler les effets d’environnement. Trente-sept paires ont été recrutées. La structure cérébrale de chacun, obtenue avec l’imagerie par résonance magnétique, a été analysée avec la régression linéaire. Le poids à la naissance n’a eu aucun effet. L’hostilité maternelle a prédit une réduction de l’aire du gyrus cingulaire postérieur. Tempérament difficile a prédit une réduction de l’aire du cortex orbitofrontal. L’impulsivité était associée avec l’aire et volume du cortex préfrontal réduits. Ces résultats soulignent l’importance des interventions précoces afin d’empêcher des altérations menant à la psychopathologie.

The effect of lesion size on cortical reorganization in the ipsi and contralesional hemispheres.

Bien que la plasticité ipsilesionnelle suite à un accident vasculo-cérébral (AVC) soit bien établie, la réorganisation du cortex contralésionnel et son effet sur la récupération fonctionnelle restent toujours non élucidés. Les études publiées présentent des points de vue contradictoires sur le rôle du cortex contralésionnel dans la récupération fonctionnelle. La taille de lésion pourrait être le facteur déterminant la réorganisation de ce dernier. Le but principal de cette étude fut donc d’évaluer l’effet des AVC de tailles différentes dans la région caudal forelimb area (CFA) du rat sur la réorganisation physiologique et la récupération comportementale de la main. Suite à une période de récupération spontanée pendant laquelle la performance motrice des deux membres antérieurs fut observée, les cartes motrices bilatérales du CFA et du rostral forelimb area (RFA) furent obtenues. Nous avons trouvé que le volume de lésion était en corrélation avec le niveau de récupération comportementale et l’étendue de la réorganisation des RFA bilatéraux. Aussi, les rats ayant de grandes lésions avaient des plus grandes représentations de la main dans le RFA de l’hémisphère ipsilésionnel et un déficit de fonctionnement plus persistant de la main parétique. Dans l’hémisphère contralésionnel nous avons trouvé que les rats avec des plus grandes représentations de la main dans le RFA avaient des lésions plus grandes et une récupération incomplète de la main parétique. Nos résultats confirment l’effet du volume de lésion sur la réorganisation du cortex contralésionnel et soulignent que le RFA est l’aire motrice la plus influencée dans le cortex contralésionnel.

Acute inactivation of the contralesional hemisphere for longer durations improves recovery after cortical injury

Au cours des dernières années, des méthodes non-invasives de stimulations permettant de moduler l’excitabilité des neurones suivant des lésions du système nerveux central ont été développées. Ces méthodes sont maintenant couramment utilisées pour étudier l’effet de l’inhibition du cortex contralésionnel sur la récupération motrice à la suite d’un accident vasculocérébral (AVC). Bien que plusieurs de ces études rapportent des résultats prometteurs, les paramètres permettant une récupération optimale demeurent encore inconnus. Chez les patients victimes d'un AVC, il est difficile de débuter les traitements rapidement et d'initier l’inhibition dans les heures suivant la lésion. L'impact de ce délai est toujours inconnu. De plus, aucune étude n’a jusqu’à maintenant évalué l’effet de la durée de l’inhibition sur la récupération du membre parétique. Dans le laboratoire du Dr Numa Dancause, nous avons utilisé un modèle bien établi de lésion ischémique chez le rat pour explorer ces questions. Nos objectifs étaient d’évaluer 1) si une inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures qui suivent la lésion peut favoriser la récupération et 2) l’effet de la durée de l’inactivation sur la récupération du membre parétique. Suite à une lésion dans le cortex moteur induite par injections d’un vasoconstricteur, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel à l’aide d’une pompe osmotique assurant l’infusion continue d’un agoniste du GABA (Muscimol). Dans différents groupes expérimentaux, nous avons inactivé l’hémisphère contralésionnel pour une durée de 3, 7 et 14 jours suivant la lésion. Dans un autre groupe, le Muscimol a été infusé pour 14 jours mais à un débit moindre de façon à pouvoir étudier le lien entre la fonction du membre non-parétique et la récupération du membre parétique. Les données comportementales de ces groupes ont été comparées à celles d’animaux ayant récupéré de façon spontanée d'une lésion similaire. Nos résultats indiquent que l’augmentation de la durée de l’inactivation (de 3 à 14 jours) accélère la récupération du membre parétique. De plus, les deux groupes ayant reçu une inactivation d'une durée de 14 jours ont montré une plus grande récupération fonctionnelle que le groupe n’ayant pas reçu d’inactivation de l’hémisphère contralésionnel, le groupe contrôle. Nos résultats suggèrent donc que l’inactivation de l’hémisphère contralésionnel initiée dans les heures suivant la lésion favorise la récupération du membre parétique. La durée d’inhibition la plus efficace (14 jours) dans notre modèle animal est beaucoup plus longues que celles utilisées jusqu’à maintenant chez l’homme. Bien qu’il soit difficile d’extrapoler la durée idéale à utiliser chez les patients à partir de nos données, nos résultats suggèrent que des traitements de plus longue durée pourraient être bénéfiques. Finalement, un message clair ressort de nos études sur la récupération fonctionnelle après un AVC: dans le développement de traitements basés sur l’inhibition de l’hémisphère contralésionnel, la durée de l’inactivation est un facteur clef à considérer.

Characterizing cortical myosin mini-filament regulation, length and its macroscopic implications in cytokinetic dynamics.

Au cours de la cytokinèse, le génome dédoublé est compartimentalisé en deux cellules filles. L’anneau contractile, une structure dynamique, est constitué d’actine, myosine (NMY-II) et d’autres protéines accessoires. NMY-2 est le seul moteur protéique impliqué dans la contraction de l’anneau durant la cytokinèse. Depuis longtemps, il a été considéré que celle-ci glissait le long des filaments d’actine grâce à sa capacité de traction. Récemment, plusieurs études ont découvert que son activité réticulante joue un rôle en cytokinèse et il est connu que la NMY-2 peut s’assembler en filaments bipolaires à partir de dimères. Ainsi, nous postulons que leur dimension (nombre de moteurs ATPasiques) pourrait dicter leur contribution en activité motrice et réticulante. Afin de déterminer la composition des filaments corticaux de NMY-2, nous avons utilisé une technique d'imagerie de molécules individuelles à l’aide de la microscopie TIRF. J’ai trouvé à travers l’analyse statistique de la distribution des NMY-2 mesurés que les filaments sont assemblés à deux dimensions constantes: Des filaments composés de 20 dimères et 30 dimères. La kinase Rho est une activatrice de NMY-2 nécessaire pour les niveaux physiologiques de NMY-2 sur l’anneau contractile, pour des cinétiques et fermeture concentrique de l’anneau. La déplétion de RhoK augmente l’abondance relative des filaments de 20 dimères. Ainsi, RhoK pourrait réguler le recrutement de la NMY et aussi l’assemblage des filaments corticaux de NMY-2. De plus, à l’aide de la microscopie confocale à temps réel, j’ai trouvé que lors de la déplétion de RhoK, il se produit une réduction du recrutement et du délai d’initiation du sillon, une fermeture lente et une augmentation significative de la concentricité de l’anneau. De plus, j’ai mesuré des défauts dans l’organisation corticale de l’anneau contractile en patch. La déplétion de MRCK-1 n’affecte pas l’initiation du sillon, les cinétiques de fermeture, ou la fermeture concentrique de l’anneau. Paradoxalement, la déplétion de MRCK-1 augmente le recrutement cortical de NMY-2, mais quand depleté simultanément avec Rho-K il diminue NMY-2 à l’équateur comparé à la déplétion seule de Rho-K. De plus, la double déplétion, conduit à un phénotype de concentricité de l’anneau, suivie d’un recentrage.

Changes in cortical and sub-cortical patterns of activity associated with aging during the performance of a lexical set-shifting task

Bien que le passage du temps altère le cerveau, la cognition ne suit pas nécessairement le même destin. En effet, il existe des mécanismes compensatoires qui permettent de préserver la cognition (réserve cognitive) malgré le vieillissement. Les personnes âgées peuvent utiliser de nouveaux circuits neuronaux (compensation neuronale) ou des circuits existants moins susceptibles aux effets du vieillissement (réserve neuronale) pour maintenir un haut niveau de performance cognitive. Toutefois, la façon dont ces mécanismes affectent l’activité corticale et striatale lors de tâches impliquant des changements de règles (set-shifting) et durant le traitement sémantique et phonologique n’a pas été extensivement explorée. Le but de cette thèse est d’explorer comment le vieillissement affecte les patrons d’activité cérébrale dans les processus exécutifs d’une part et dans l’utilisation de règles lexicales d’autre part. Pour cela nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) lors de la performance d’une tâche lexicale analogue à celle du Wisconsin. Cette tâche a été fortement liée à de l’activité fronto-stritale lors des changements de règles, ainsi qu’à la mobilisation de régions associées au traitement sémantique et phonologique lors de décisions sémantiques et phonologiques, respectivement. Par conséquent, nous avons comparé l’activité cérébrale de jeunes individus (18 à 35 ans) à celle d’individus âgés (55 à 75 ans) lors de l’exécution de cette tâche. Les deux groupes ont montré l’implication de boucles fronto-striatales associées à la planification et à l’exécution de changements de règle. Toutefois, alors que les jeunes semblaient activer une « boucle cognitive » (cortex préfrontal ventrolatéral, noyau caudé et thalamus) lorsqu’ils se voyaient indiquer qu’un changement de règle était requis, et une « boucle motrice » (cortex postérieur préfrontal et putamen) lorsqu’ils devaient effectuer le changement, les participants âgés montraient une activation des deux boucles lors de l’exécution des changements de règle seulement. Les jeunes adultes tendaient à présenter une augmentation de l’activité du cortex préfrontal ventrolatéral, du gyrus fusiforme, du lobe ventral temporale et du noyau caudé lors des décisions sémantiques, ainsi que de l’activité au niveau de l’aire de Broca postérieur, de la junction temporopariétale et du cortex moteur lors de décisions phonologiques. Les participants âgés ont montré de l’activité au niveau du cortex préfrontal latéral et moteur durant les deux types de décisions lexicales. De plus, lorsque les décisions sémantiques et phonologiques ont été comparées entre elles, les jeunes ont montré des différences significatives au niveau de plusieurs régions cérébrales, mais pas les âgés. En conclusion, notre première étude a montré, lors du set-shifting, un délai de l’activité cérébrale chez les personnes âgées. Cela nous a permis de conceptualiser l’Hypothèse Temporelle de Compensation (troisième manuscrit) qui consiste en l’existence d’un mécanisme compensatoire caractérisé par un délai d’activité cérébrale lié au vieillissement permettant de préserver la cognition au détriment de la vitesse d’exécution. En ce qui concerne les processus langagiers (deuxième étude), les circuits sémantiques et phonologiques semblent se fusionner dans un seul circuit chez les individus âgés, cela représente vraisemblablement des mécanismes de réserve et de compensation neuronales qui permettent de préserver les habilités langagières.

Complexity quantification of dense array EEG using sample entropy analysis

n this paper, a time series complexity analysis of dense array electroencephalogram signals is carried out using the recently introduced Sample Entropy (SampEn) measure. This statistic quantifies the regularity in signals recorded from systems that can vary from the purely deterministic to purely stochastic realm. The present analysis is conducted with an objective of gaining insight into complexity variations related to changing brain dynamics for EEG recorded from the three cases of passive, eyes closed condition, a mental arithmetic task and the same mental task carried out after a physical exertion task. It is observed that the statistic is a robust quantifier of complexity suited for short physiological signals such as the EEG and it points to the specific brain regions that exhibit lowered complexity during the mental task state as compared to a passive, relaxed state. In the case of mental tasks carried out before and after the performance of a physical exercise, the statistic can detect the variations brought in by the intermediate fatigue inducing exercise period. This enhances its utility in detecting subtle changes in the brain state that can find wider scope for applications in EEG based brain studies.

On the Gap-Complexity of Simple RL-Automata

Analysis by reduction is a method used in linguistics for checking the correctness of sentences of natural languages. This method is modelled by restarting automata. All types of restarting automata considered in the literature up to now accept at least the deterministic context-free languages. Here we introduce and study a new type of restarting automaton, the so-called t-RL-automaton, which is an RL-automaton that is rather restricted in that it has a window of size one only, and that it works under a minimal acceptance condition. On the other hand, it is allowed to perform up to t rewrite (that is, delete) steps per cycle. Here we study the gap-complexity of these automata. The membership problem for a language that is accepted by a t-RL-automaton with a bounded number of gaps can be solved in polynomial time. On the other hand, t-RL-automata with an unbounded number of gaps accept NP-complete languages.

On the Descriptional Complexity of Simple RL-Automata

Analysis by reduction is a method used in linguistics for checking the correctness of sentences of natural languages. This method is modelled by restarting automata. Here we study a new type of restarting automaton, the so-called t-sRL-automaton, which is an RL-automaton that is rather restricted in that it has a window of size 1 only, and that it works under a minimal acceptance condition. On the other hand, it is allowed to perform up to t rewrite (that is, delete) steps per cycle. We focus on the descriptional complexity of these automata, establishing two complexity measures that are both based on the description of t-sRL-automata in terms of so-called meta-instructions. We present some hierarchy results as well as a non-recursive trade-off between deterministic 2-sRL-automata and finite-state acceptors.

The Informational Complexity of Learning from Examples

This thesis attempts to quantify the amount of information needed to learn certain tasks. The tasks chosen vary from learning functions in a Sobolev space using radial basis function networks to learning grammars in the principles and parameters framework of modern linguistic theory. These problems are analyzed from the perspective of computational learning theory and certain unifying perspectives emerge.

Observations on Cortical Mechanisms for Object Recognition andsLearning

This paper sketches a hypothetical cortical architecture for visual 3D object recognition based on a recent computational model. The view-centered scheme relies on modules for learning from examples, such as Hyperbf-like networks. Such models capture a class of explanations we call Memory-Based Models (MBM) that contains sparse population coding, memory-based recognition, and codebooks of prototypes. Unlike the sigmoidal units of some artificial neural networks, the units of MBMs are consistent with the description of cortical neurons. We describe how an example of MBM may be realized in terms of cortical circuitry and biophysical mechanisms, consistent with psychophysical and physiological data.

Biologically Plausible Neural Circuits for Realization of Maximum Operations

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