Outward potassium current oscillations in macrophage polykaryons: extracellular calcium entry and calcium-induced calcium release

Outward current oscillations associated with transient membrane hyperpolarizations were induced in murine macrophage polykaryons by membrane depolarization in the absence of external Na+. Oscillations corresponded to a cyclic activation of Ca2+-dependent K+ currents (IKCa) probably correlated with variations in intracellular Ca2+ concentration. Addition of external Na+ (8 mM) immediately abolished the outward current oscillations, suggesting that the absence of the cation is necessary not only for their induction but also for their maintenance. Oscillations were completely blocked by nisoldipine. Ruthenium red and ryanodine reduced the number of outward current cycles in each episode, whereas quercetin prolonged the hyperpolarization 2- to 15-fold. Neither low molecular weight heparin nor the absence of a Na+ gradient across the membrane had any influence on oscillations. The evidence suggests that Ca2+ entry through a pathway sensitive to Ca2+ channel blockers is elicited by membrane depolarization in Na+-free medium and is essential to initiate oscillations, which are also dependent on the cyclic release of Ca2+ from intracellular Ca2+-sensitive stores; Ca2+ ATPase acts by reducing intracellular Ca2+, thus allowing slow deactivation of IKCa. Evidence is presented that neither a Na+/Ca2+ antiporter nor Ca2+ release from IP3-sensitive Ca2+ stores participate directly in the mechanism of oscillation

Efficient Optimization Algorithms for Nonlinear Data Analysis

Identification of low-dimensional structures and main sources of variation from multivariate data are fundamental tasks in data analysis. Many methods aimed at these tasks involve solution of an optimization problem. Thus, the objective of this thesis is to develop computationally efficient and theoretically justified methods for solving such problems. Most of the thesis is based on a statistical model, where ridges of the density estimated from the data are considered as relevant features. Finding ridges, that are generalized maxima, necessitates development of advanced optimization methods. An efficient and convergent trust region Newton method for projecting a point onto a ridge of the underlying density is developed for this purpose. The method is utilized in a differential equation-based approach for tracing ridges and computing projection coordinates along them. The density estimation is done nonparametrically by using Gaussian kernels. This allows application of ridge-based methods with only mild assumptions on the underlying structure of the data. The statistical model and the ridge finding methods are adapted to two different applications. The first one is extraction of curvilinear structures from noisy data mixed with background clutter. The second one is a novel nonlinear generalization of principal component analysis (PCA) and its extension to time series data. The methods have a wide range of potential applications, where most of the earlier approaches are inadequate. Examples include identification of faults from seismic data and identification of filaments from cosmological data. Applicability of the nonlinear PCA to climate analysis and reconstruction of periodic patterns from noisy time series data are also demonstrated. Other contributions of the thesis include development of an efficient semidefinite optimization method for embedding graphs into the Euclidean space. The method produces structure-preserving embeddings that maximize interpoint distances. It is primarily developed for dimensionality reduction, but has also potential applications in graph theory and various areas of physics, chemistry and engineering. Asymptotic behaviour of ridges and maxima of Gaussian kernel densities is also investigated when the kernel bandwidth approaches infinity. The results are applied to the nonlinear PCA and to finding significant maxima of such densities, which is a typical problem in visual object tracking.

Initialization of Continuous Nonlinear Models Using Extended Kalman Filter

The two main objectives of Bayesian inference are to estimate parameters and states. In this thesis, we are interested in how this can be done in the framework of state-space models when there is a complete or partial lack of knowledge of the initial state of a continuous nonlinear dynamical system. In literature, similar problems have been referred to as diffuse initialization problems. This is achieved first by extending the previously developed diffuse initialization Kalman filtering techniques for discrete systems to continuous systems. The second objective is to estimate parameters using MCMC methods with a likelihood function obtained from the diffuse filtering. These methods are tried on the data collected from the 1995 Ebola outbreak in Kikwit, DRC in order to estimate the parameters of the system.

Linear and nonlinear analysis of heart rate variability in healthy subjects and after acute myocardial infarction in patients

The objectives of this study were to evaluate and compare the use of linear and nonlinear methods for analysis of heart rate variability (HRV) in healthy subjects and in patients after acute myocardial infarction (AMI). Heart rate (HR) was recorded for 15 min in the supine position in 10 patients with AMI taking β-blockers (aged 57 ± 9 years) and in 11 healthy subjects (aged 53 ± 4 years). HRV was analyzed in the time domain (RMSSD and RMSM), the frequency domain using low- and high-frequency bands in normalized units (nu; LFnu and HFnu) and the LF/HF ratio and approximate entropy (ApEn) were determined. There was a correlation (P < 0.05) of RMSSD, RMSM, LFnu, HFnu, and the LF/HF ratio index with the ApEn of the AMI group on the 2nd (r = 0.87, 0.65, 0.72, 0.72, and 0.64) and 7th day (r = 0.88, 0.70, 0.69, 0.69, and 0.87) and of the healthy group (r = 0.63, 0.71, 0.63, 0.63, and 0.74), respectively. The median HRV indexes of the AMI group on the 2nd and 7th day differed from the healthy group (P < 0.05): RMSSD = 10.37, 19.95, 24.81; RMSM = 23.47, 31.96, 43.79; LFnu = 0.79, 0.79, 0.62; HFnu = 0.20, 0.20, 0.37; LF/HF ratio = 3.87, 3.94, 1.65; ApEn = 1.01, 1.24, 1.31, respectively. There was agreement between the methods, suggesting that these have the same power to evaluate autonomic modulation of HR in both AMI patients and healthy subjects. AMI contributed to a reduction in cardiac signal irregularity, higher sympathetic modulation and lower vagal modulation.

Long-term correlation of the electrocorticogram as a bioindicator of brain exposure to ionizing radiation

Understanding the effects of radiation and its possible influence on the nervous system are of great clinical interest. However, there have been few electrophysiological studies on brain activity after exposure to ionizing radiation (IR). A new methodological approach regarding the assessment of the possible effects of IR on brain activity is the use of linear and nonlinear mathematical methods in the analysis of complex time series, such as brain oscillations measured using the electrocorticogram (ECoG). The objective of this study was to use linear and nonlinear mathematical methods as biomarkers of gamma radiation regarding cortical electrical activity. Adult Wistar rats were divided into 3 groups: 1 control and 2 irradiated groups, evaluated at 24 h (IR24) and 90 days (IR90) after exposure to 18 Gy of gamma radiation from a cobalt-60 radiotherapy source. The ECoG was analyzed using power spectrum methods for the calculation of the power of delta, theta, alpha and beta rhythms and by means of the α-exponent of the detrended fluctuation analysis (DFA). Using both mathematical methods it was possible to identify changes in the ECoG, and to identify significant changes in the pattern of the recording at 24 h after irradiation. Some of these changes were persistent at 90 days after exposure to IR. In particular, the theta wave using the two methods showed higher sensitivity than other waves, suggesting that it is a possible biomarker of exposure to IR.

Nonlinear Monetary Policy Rules: Some New Evidence for the U.S.

This paper derives optimal monetary policy rules in setups where certainty equivalence does not hold because either central bank preferences are not quadratic, and/or the aggregate supply relation is nonlinear. Analytical results show that these features lead to sign and size asymmetries, and nonlinearities in the policy rule. Reduced-form estimates indicate that US monetary policy can be characterized by a nonlinear policy rule after 1983, but not before 1979. This finding is consistent with the view that the Fed's inflation preferences during the Volcker-Greenspan regime differ considerably from the ones during the Burns-Miller regime.

Analyse de l’activité en ondes lentes et des oscillations lentes précédant le somnambulisme

Diverses études se sont penchées sur les paramètres EEG du sommeil en ondes lentes, y compris l’activité en ondes lentes en lien avec le somnambulisme, mais les résultats se révèlent inconsistants et contradictoires. Le premier objectif de la présente étude était d’analyser quantitativement l’EEG en sommeil en mesurant les fluctuations de puissance spectrale en delta (1-4 Hz) et delta lent (0.5-1 Hz) avant des épisodes de somnambulisme. Le second était de détecter les oscillations lentes (> 75 μV, fréquence d'environ 0.7-0.8 Hz) et très lentes (> 140 μV, fréquence d'environ 0.7-0.8 Hz) afin d'examiner leur changement d'amplitude et de densité avant de tels épisodes. Suite à une privation de sommeil de 25 heures, les enregistrements polysomnographiques de 22 adultes atteints de somnambulisme ont été scrutés. L’analyse des 200 secondes avant les épisodes révèle que ceux-ci ne sont pas précédés d’une augmentation graduelle de puissance spectrale en delta ni en delta lent, tant sur les dérivations frontale, centrale que pariétale. Toutefois, une hausse statistiquement significative de la densité des oscillations lentes et des oscillations très lentes a été observée au cours des 20 sec immédiatement avant le début des épisodes. Reste à déterminer le rôle exact de ces paramètres de l’EEG en sommeil par rapport à la manifestation et au diagnostic des parasomnies en sommeil lent.

Estimating Nonlinear DSGE Models by the Simulated Method of Moments

This paper studies the application of the simulated method of moments (SMM) for the estimation of nonlinear dynamic stochastic general equilibrium (DSGE) models. Monte Carlo analysis is employed to examine the small-sample properties of SMM in specifications with different curvature. Results show that SMM is computationally efficient and delivers accurate estimates, even when the simulated series are relatively short. However, asymptotic standard errors tend to overstate the actual variability of the estimates and, consequently, statistical inference is conservative. A simple strategy to incorporate priors in a method of moments context is proposed. An empirical application to the macroeconomic effects of rare events indicates that negatively skewed productivity shocks induce agents to accumulate additional capital and can endogenously generate asymmetric business cycles.

Les oscillations torsionnelles dans la zone de convection solaire

Nous analysons les oscillations torsionnelles se développant dans une simulation magnétohydrodynamique de la zone de convection solaire produisant des champs magnétiques de type solaire (champs axisymétriques subissant des inversions de polarités régulières sur des échelles temporelles décadaires). Puisque ces oscillations sont également similaires à celles observées dans le Soleil, nous analysons les dynamiques zonales aux grandes échelles. Nous séparons donc les termes aux grandes échelles (force de Coriolis exercée sur la circulation méridienne et les champs magnétiques aux grandes échelles) de ceux aux petites échelles (les stress de Reynolds et de Maxwell). En comparant les flux de moments cinétiques entre chacune des composantes, nous nous apercevons que les oscillations torsionnelles sont maintenues par l’écoulement méridien aux grandes échelles, lui même modulé par les champs magnétiques. Une analyse d’échange d’énergie confirme ce résultat, puisqu’elle montre que seul le terme comprenant la force de Coriolis injecte de l’énergie dans l’écoulement. Une analyse de la dynamique rotationnelle ayant lieu à la limite de la zone stable et de la zone de convection démontre que celle-ci est fortement modifiée lors du passage de la base des couches convectives à la base de la fine tachocline s’y formant juste en-dessous. Nous concluons par une discussion au niveau du mécanisme de saturation en amplitude dans la dynamo s’opérant dans la simulation ainsi que de la possibilité d’utiliser les oscillations torsionnelles comme précurseurs aux cycles solaires à venir.

Impacts de l'âge et du sexe sur l'amplitude et la densité des oscillations lentes en sommeil

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude numérique des origines hémodynamiques des oscillations dans des réseaux de capillaires

En simulant l’écoulement du sang dans un réseau de capillaires (en l’absence de contrôle biologique), il est possible d’observer la présence d’oscillations de certains paramètres comme le débit volumique, la pression et l’hématocrite (volume des globules rouges par rapport au volume du sang total). Ce comportement semble être en concordance avec certaines expériences in vivo. Malgré cet accord, il faut se demander si les fluctuations observées lors des simulations de l’écoulement sont physiques, numériques ou un artefact de modèles irréalistes puisqu’il existe toujours des différences entre des modélisations et des expériences in vivo. Pour répondre à cette question de façon satisfaisante, nous étudierons et analyserons l’écoulement du sang ainsi que la nature des oscillations observées dans quelques réseaux de capillaires utilisant un modèle convectif et un modèle moyenné pour décrire les équations de conservation de masse des globules rouges. Ces modèles tiennent compte de deux effets rhéologiques importants : l’effet Fåhraeus-Lindqvist décrivant la viscosité apparente dans un vaisseau et l’effet de séparation de phase schématisant la distribution des globules rouges aux points de bifurcation. Pour décrire ce dernier effet, deux lois de séparation de phase (les lois de Pries et al. et de Fenton et al.) seront étudiées et comparées. Dans ce mémoire, nous présenterons une description du problème physiologique (rhéologie du sang). Nous montrerons les modèles mathématiques employés (moyenné et convectif) ainsi que les lois de séparation de phase (Pries et al. et Fenton et al.) accompagnés d’une analyse des schémas numériques implémentés. Pour le modèle moyenné, nous employons le schéma numérique explicite traditionnel d’Euler ainsi qu’un nouveau schéma implicite qui permet de résoudre ce problème d’une manière efficace. Ceci est fait en utilisant une méthode de Newton- Krylov avec gradient conjugué préconditionné et la méthode de GMRES pour les itérations intérieures ainsi qu’une méthode quasi-Newton (la méthode de Broyden). Cette méthode inclura le schéma implicite d’Euler et la méthode des trapèzes. Pour le schéma convectif, la méthode explicite de Kiani et al. sera implémentée ainsi qu’une nouvelle approche implicite. La stabilité des deux modèles sera également explorée. À l’aide de trois différentes topologies, nous comparerons les résultats de ces deux modèles mathématiques ainsi que les lois de séparation de phase afin de déterminer dans quelle mesure les oscillations observées peuvent être attribuables au choix des modèles mathématiques ou au choix des méthodes numériques.

Essays on numerically efficient inference in nonlinear and non-Gaussian state space models, and commodity market analysis.

The first two articles build procedures to simulate vector of univariate states and estimate parameters in nonlinear and non Gaussian state space models. We propose state space speci fications that offer more flexibility in modeling dynamic relationship with latent variables. Our procedures are extension of the HESSIAN method of McCausland[2012]. Thus, they use approximation of the posterior density of the vector of states that allow to : simulate directly from the state vector posterior distribution, to simulate the states vector in one bloc and jointly with the vector of parameters, and to not allow data augmentation. These properties allow to build posterior simulators with very high relative numerical efficiency. Generic, they open a new path in nonlinear and non Gaussian state space analysis with limited contribution of the modeler. The third article is an essay in commodity market analysis. Private firms coexist with farmers' cooperatives in commodity markets in subsaharan african countries. The private firms have the biggest market share while some theoretical models predict they disappearance once confronted to farmers cooperatives. Elsewhere, some empirical studies and observations link cooperative incidence in a region with interpersonal trust, and thus to farmers trust toward cooperatives. We propose a model that sustain these empirical facts. A model where the cooperative reputation is a leading factor determining the market equilibrium of a price competition between a cooperative and a private firm

Analyse de l'activité en ondes lentes et des oscillations lentes chez les somnambules

Le somnambulisme est une parasomnie commune, caractérisée par des éveils incomplets lors des stades de sommeil lent, au cours desquels les individus atteints présentent des comportements moteurs d’une complexité variable accompagnés de confusion et d’un jugement altéré. La littérature actuelle suggère que ce trouble serait associé à des particularités de l’activité en ondes lentes et des oscillations lentes, deux indices de l’intégrité du processus homéostatique et de la profondeur du sommeil. Toutefois, en raison de certaines lacunes méthodologiques dans les études existantes, le rôle de ces marqueurs électroencéphalographiques dans la pathophysiologie du somnambulisme reste à éclaircir. Notre premier article a donc investigué d’éventuelles anomalies de l’activité en ondes lentes et des oscillations lentes chez les somnambules, en comparant leur sommeil au cours de la nuit entière à celui de participants contrôles. De plus, comme les somnambules semblent réagir différemment (en termes de fragmentation du sommeil notamment) des dormeurs normaux à une pression homéostatique accrue, nous avons comparé l’activité en ondes lentes et les oscillations lentes en nuit de base et suite à une privation de sommeil de 38 heures. Les résultats de nos enregistrements électroencéphalographiques chez 10 somnambules adultes et neuf participants contrôles montrent une élévation de la puissance spectrale de l’activité en ondes lentes et de la densité des oscillations lentes en nuit de récupération par rapport à la nuit de base pour nos deux groupes. Toutefois, contrairement à plusieurs études précédentes, nous ne n’observons pas de différence entre somnambules et dormeurs normaux quant à l’activité en ondes lentes et aux oscillations lentes pour aucune des deux nuits. Au-delà ce certaines considérations méthodologiques ayant pu contribuer à ce résultat inattendu, nous croyons qu’il justifie un questionnement sur l’hétérogénéité des somnambules comme population. Notre deuxième article s’est penché sur les facteurs électroencéphalographiques transitoires susceptibles d’être associés au déclenchement des épisodes de somnambulisme. Nous avons comparé les fluctuations d’activité en ondes lentes et des oscillations lentes dans les minutes avant des épisodes de somnambulisme spontanés (c.a.d.: non associés à un stimulus identifiable) à celles survenant avant des éveils normaux comparables chez 12 somnambules adultes. Nous montrons que, comparativement aux éveils normaux, les épisodes de somnambulisme sont précédés d’un sommeil plus profond, tel qu’indiqué par une plus grande densité spectrale de l’activité en ondes lentes et une plus grande densité des oscillations lentes. Cet approfondissement du sommeil, spécifique aux épisodes de somnambulisme, semble survenir sur un laps de temps relativement long (>3 minutes), et non abruptement au cours des secondes précédant l’épisode. Ces données ouvrent un questionnement quant aux mécanismes en jeu dans la survenue des épisodes de somnambulisme spontanés. Globalement, cette thèse suggère que des phénomènes liés à l’activité en ondes lentes et aux oscillations lentes seraient liés au déclenchement des épisodes de somnambulisme, mais que des études supplémentaires devront être menées afin de délimiter le rôle précis que ces marqueurs jouent dans la pathophysiologie du somnambulisme.