Conventional and Reciprocal Approaches to the Forward and Inverse Problems of Electroencephalography

Le problème inverse en électroencéphalographie (EEG) est la localisation de sources de courant dans le cerveau utilisant les potentiels de surface sur le cuir chevelu générés par ces sources. Une solution inverse implique typiquement de multiples calculs de potentiels de surface sur le cuir chevelu, soit le problème direct en EEG. Pour résoudre le problème direct, des modèles sont requis à la fois pour la configuration de source sous-jacente, soit le modèle de source, et pour les tissues environnants, soit le modèle de la tête. Cette thèse traite deux approches bien distinctes pour la résolution du problème direct et inverse en EEG en utilisant la méthode des éléments de frontières (BEM): l’approche conventionnelle et l’approche réciproque. L’approche conventionnelle pour le problème direct comporte le calcul des potentiels de surface en partant de sources de courant dipolaires. D’un autre côté, l’approche réciproque détermine d’abord le champ électrique aux sites des sources dipolaires quand les électrodes de surfaces sont utilisées pour injecter et retirer un courant unitaire. Le produit scalaire de ce champ électrique avec les sources dipolaires donne ensuite les potentiels de surface. L’approche réciproque promet un nombre d’avantages par rapport à l’approche conventionnelle dont la possibilité d’augmenter la précision des potentiels de surface et de réduire les exigences informatiques pour les solutions inverses. Dans cette thèse, les équations BEM pour les approches conventionnelle et réciproque sont développées en utilisant une formulation courante, la méthode des résidus pondérés. La réalisation numérique des deux approches pour le problème direct est décrite pour un seul modèle de source dipolaire. Un modèle de tête de trois sphères concentriques pour lequel des solutions analytiques sont disponibles est utilisé. Les potentiels de surfaces sont calculés aux centroïdes ou aux sommets des éléments de discrétisation BEM utilisés. La performance des approches conventionnelle et réciproque pour le problème direct est évaluée pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable et deux valeurs très différentes pour la conductivité du crâne. On détermine ensuite si les avantages potentiels de l’approche réciproquesuggérés par les simulations du problème direct peuvent êtres exploités pour donner des solutions inverses plus précises. Des solutions inverses à un seul dipôle sont obtenues en utilisant la minimisation par méthode du simplexe pour à la fois l’approche conventionnelle et réciproque, chacun avec des versions aux centroïdes et aux sommets. Encore une fois, les simulations numériques sont effectuées sur un modèle à trois sphères concentriques pour des dipôles radiaux et tangentiels d’excentricité variable. La précision des solutions inverses des deux approches est comparée pour les deux conductivités différentes du crâne, et leurs sensibilités relatives aux erreurs de conductivité du crâne et au bruit sont évaluées. Tandis que l’approche conventionnelle aux sommets donne les solutions directes les plus précises pour une conductivité du crâne supposément plus réaliste, les deux approches, conventionnelle et réciproque, produisent de grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu pour des dipôles très excentriques. Les approches réciproques produisent le moins de variations en précision des solutions directes pour différentes valeurs de conductivité du crâne. En termes de solutions inverses pour un seul dipôle, les approches conventionnelle et réciproque sont de précision semblable. Les erreurs de localisation sont petites, même pour des dipôles très excentriques qui produisent des grandes erreurs dans les potentiels du cuir chevelu, à cause de la nature non linéaire des solutions inverses pour un dipôle. Les deux approches se sont démontrées également robustes aux erreurs de conductivité du crâne quand du bruit est présent. Finalement, un modèle plus réaliste de la tête est obtenu en utilisant des images par resonace magnétique (IRM) à partir desquelles les surfaces du cuir chevelu, du crâne et du cerveau/liquide céphalorachidien (LCR) sont extraites. Les deux approches sont validées sur ce type de modèle en utilisant des véritables potentiels évoqués somatosensoriels enregistrés à la suite de stimulation du nerf médian chez des sujets sains. La précision des solutions inverses pour les approches conventionnelle et réciproque et leurs variantes, en les comparant à des sites anatomiques connus sur IRM, est encore une fois évaluée pour les deux conductivités différentes du crâne. Leurs avantages et inconvénients incluant leurs exigences informatiques sont également évalués. Encore une fois, les approches conventionnelle et réciproque produisent des petites erreurs de position dipolaire. En effet, les erreurs de position pour des solutions inverses à un seul dipôle sont robustes de manière inhérente au manque de précision dans les solutions directes, mais dépendent de l’activité superposée d’autres sources neurales. Contrairement aux attentes, les approches réciproques n’améliorent pas la précision des positions dipolaires comparativement aux approches conventionnelles. Cependant, des exigences informatiques réduites en temps et en espace sont les avantages principaux des approches réciproques. Ce type de localisation est potentiellement utile dans la planification d’interventions neurochirurgicales, par exemple, chez des patients souffrant d’épilepsie focale réfractaire qui ont souvent déjà fait un EEG et IRM.

The Effects of Pro-inflammatory Cytokines on the L-type Calcium Current in Mouse Ventricular Myocytes

L’inflammation: Une réponse adaptative du système immunitaire face à une insulte est aujourd’hui reconnue comme une composante essentielle à presque toutes les maladies infectieuses ou autres stimuli néfastes, tels les dommages tissulaires incluant l’infarctus du myocarde et l’insuffisance cardiaque. Dans le contexte des maladies cardiovasculaires, l’inflammation se caractérise principalement par une activation à long terme du système immunitaire, menant à une faible, mais chronique sécrétion de peptides modulateurs, appelés cytokines pro-inflammatoires. En effet, la littérature a montré à plusieurs reprises que les patients souffrant d’arythmies et de défaillance cardiaque présentent des taux élevés de cytokines pro-inflammatoires tels le facteur de nécrose tissulaire alpha (TNFα), l’interleukine 1β (IL-1β) et l’interleukine 6. De plus, ces patients souffrent souvent d’une baisse de la capacité contractile du myocarde. Le but de notre étude était donc de déterminer si un lien de cause à effet existe entre ces phénomènes et plus spécifiquement si le TNFα, l’IL-1β et l’IL-6 peuvent affecter les propriétés électriques et contractiles du cœur en modulant le courant Ca2+ de type L (ICaL) un courant ionique qui joue un rôle primordial au niveau de la phase plateau du potentiel d’action ainsi qu’au niveau du couplage excitation-contraction. Les possibles méchansimes par lesquels ces cytokines exercent leurs effets seront aussi explorés. Pour ce faire, des cardiomyocytes ventriculaires de souris nouveau-nées ont été mis en culture et traités 24 heures avec des concentrations pathophysiologiques (30 pg/mL) de TNFα, IL-1β ou IL-6. Des enregistrements de ICaL réalisés par la technique du patch-clamp en configuration cellule entière ont été obtenus par la suite et les résultats montrent que le TNFα n’affecte pas ICaL, même à des concentrations plus élevées (1 ng/mL). En revanche, l’IL-1β réduisait de près de 40% la densité d’ICaL. Afin d’examiner si le TNFα et l’IL-1β pouvaient avoir un effet synergique, les cardiomyocytes ont été traité avec un combinaison des deux cytokines. Toutefois aucun effet synergique sur ICaL n’a été constaté. En outre, l’IL-6 réduisait ICaL significativement, cependant la réduction de 20% était moindre que celle induite par IL-1β. Afin d’élucider les mécanismes sous-jacents à la réduction de ICaL après un traitement avec IL-1β, l’expression d’ARNm de CaV1.2, sous-unité α codante pour ICaL, a été mesurée par qPCR et les résultats obtenus montrent aucun changement du niveau d’expression. Plusieurs études ont montré que l’inflammation et le stress oxydatif vont de pair. En effet, l’imagerie confocale nous a permis de constater une augmentation accrue du stress oxydatif induit par IL-1β et malgré un traitement aux antioxydants, la diminution de ICaL n’a pas été prévenue. Cette étude montre qu’IL-1β et IL-6 réduisent ICaL de façon importante et ce indépendamment d’une régulation transcriptionelle ou du stress oxydatif. De nouvelles données préliminaires suggèrent que ICaL serait réduit suite à l’activation des protéines kinase C mais des études additionelles seront nécessaires afin d’étudier cette avenue. Nos résultats pourraient contribuer à expliquer les troubles du rythme et de contractilité observés chez les patients souffrant de défaillance cardiaque.

Le visage de la douleur : informations efficientes pour la reconnaissance et impacts sur l’observateur.

L’expression faciale de la douleur occupe un rôle central dans la communication de la douleur et dans l’estimation de l’intensité de la douleur vécue par autrui. Les propriétés du visage d’une personne en souffrance ont été investiguées principalement à l’aide de méthodes descriptives (e.g. FACS). L’introduction fait le point sur les connaissances de l’expression faciale de douleur et de la communication de cette expérience sur les plans comportemental et cérébral et souligne que les mécanismes et stratégies visuels utilisés par l’observateur pour parvenir à détecter la douleur dans le visage d’autrui demeurent très peu connus. L’étude des processus impliqués dans la reconnaissance de l’expression de la douleur est essentielle pour comprendre la communication de la douleur et éventuellement expliquer des phénomènes ayant des impacts cliniques considérables, tel que l’effet classique de sous-estimation de la douleur d’autrui. L’article 1 vise à établir à l’aide d’une méthode directe (Bubbles) les informations visuelles utilisées efficacement par l’observateur lorsqu’il doit catégoriser la douleur parmi les émotions de base. Les résultats montrent que parmi l’ensemble des caractéristiques du visage typique de la douleur, peu d’informations sont vraiment efficaces pour parvenir à cette discrimination et que celles qui le sont encodent la partie affective- motivationnelle de l’expérience d’autrui. L’article 2 investigue le pouvoir de ces régions privilégiées du visage de la douleur dans la modulation d’une expérience nociceptive chez l’observateur afin de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans une telle modulation. En effet, s’il est connu que des stimuli ayant une valence émotionnelle négative, y compris des expressions faciales de douleur, peuvent augmenter les réponses spinales (réflexes) et supra-spinales (ex.: perceptives) de la douleur, l’information visuelle suffisante pour permettre l’activation des voies modulatrices demeure inconnue. Les résultats montrent qu’en voyant les régions diagnostiques pour la reconnaissance de l’expression faciale de douleur, la douleur perçue par l’observateur suite à une stimulation nociceptive est plus grande que lorsqu’il voit les régions les moins corrélées avec une bonne reconnaissance de la douleur. L’exploration post-expérimentale des caractéristiques de nos stimuli suggère que cette modulation n’est pas explicable par l’induction d’un état émotionnel négatif, appuyant ainsi un rôle prépondérant de la communication de la douleur dans la modulation vicariante de l’expérience douloureuse de l’observateur. Les mesures spinales ne sont toutefois pas modulées par ces manipulations et suggèrent ainsi que ce ne sont pas des voies cérébro-spinale qui sont impliquées dans ce phénomène.

Les tiers dans le contentieux arbitral des investissements internationaux : de l'intervention au recours direct

L’arbitrage public international est demeuré un domaine exclusif aux États souverains jusqu’à la fin des années 50, alors que sont apparus les traités bilatéraux relatifs aux investissements (TBI). La principale caractéristique de ces TBI est sans conteste le recours direct de l’investisseur étranger en arbitrage international contre des États récalcitrants, une alternative aux tribunaux locaux souvent inefficaces. Plus récemment, en 1998, l’organe d’appel de l’OMC est allé jusqu’à accepter l’opinion d’amicus curiae dans un différend opposant des États et aujourd’hui, l’admission de ce type d’opinion est expressément prévue dans plusieurs TBI de nouvelle génération. Mais si l’investisseur bénéficie d’un recours devant une instance arbitrale neutre, il en va tout autrement pour la population locale qui se trouve souvent lésée par la présence, sur son territoire, d’investisseurs étrangers. Le droit de présenter une opinion ne peut remplacer le droit de faire valoir une réclamation. Se pose donc la question : est-ce que, dans le contexte actuel du droit de l’investissement international, des tiers (par rapport aux parties signataires de TBI et par rapport aux parties au différend) peuvent prétendre à une voie de recours direct en arbitrage international? Nous sommes d’avis qu’une telle voie de recours est actuellement possible et que le contexte de l’arbitrage relatif à l’investissement constitue un terrain fertile pour la mise en place de ce droit, étant donné la place déjà faite aux investisseurs. Nous verrons que les principales objections à l’admission de tiers à l’arbitrage international peuvent être rejetées. L’objection de l’absence du consentement des parties intéressées tombe quand on constate les nombreux cas d’arbitrage international où la portée du consentement a été étendue pour inclure des non-parties ou encore pour soumettre à l’arbitrage des matières non envisagées au départ. Par ailleurs, l’absence de qualité pour agir en droit international est un problème théorique, car les investisseurs y ont déjà accès malgré l’absence de cette qualité. Reste donc à déterminer quelle pourrait être la base d’un recours en droit substantiel international pour qu’un tiers puisse faire valoir une réclamation. Nous verrons qu’il existe des instruments juridiques et des principes internationaux dont la contravention pourrait très bien engager la responsabilité de l’État ou de l’investisseur fautif, tout comme il est possible de bien circonscrire les critères d’admissibilité des tiers à la procédure d’arbitrage international.

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.

Seasonal and interannual variability in the Mozambique Channel from moored current observations

Direct observations from an array of current meter moorings across the Mozambique Channel in the south-west Indian Ocean are presented covering a period of more than 4 years. This allows an analysis of the volume transport through the channel, including the variability on interannual and seasonal time scales. The mean volume transport over the entire observational period is 16.7 Sv poleward. Seasonal variations have a magnitude of 4.1 Sv and can be explained from the variability in the wind field over the western part of the Indian Ocean. Interannual variability has a magnitude of 8.9 Sv and is large compared to the mean. This time scale of variability could be related to variability in the Indian Ocean Dipole (IOD), showing that it forms part of the variability in the ocean-climate system of the entire Indian Ocean. By modulating the strength of the South Equatorial Current, the weakening (strengthening) tropical gyre circulation during a period of positive (negative) IOD index leads to a weakened (strengthened) southward transport through the channel, with a time lag of about a year. The relatively strong interannual variability stresses the importance of long-term direct observations.

Analyzing diffusion tensor images with ghosting artifacts: the effects of direct and indirect normalization

The current study aims to assess the applicability of direct or indirect normalization for the analysis of fractional anisotropy (FA) maps in the context of diffusion-weighted images (DWIs) contaminated by ghosting artifacts. We found that FA maps acquired by direct normalization showed generally higher anisotropy than indirect normalization, and the disparities were aggravated by the presence of ghosting artifacts in DWIs. The voxel-wise statistical comparisons demonstrated that indirect normalization reduced the influence of artifacts and enhanced the sensitivity of detecting anisotropy differences between groups. This suggested that images contaminated with ghosting artifacts can be sensibly analyzed using indirect normalization.

The distribution of the ring current: Cluster observations

Extending previous studies, a full-circle investigation of the ring current has been made using Cluster 4-spacecraft observations near perigee, at times when the Cluster array had relatively small separations and nearly regular tetrahedral configurations, and when the Dst index was greater than −30 nT (non-storm conditions). These observations result in direct estimations of the near equatorial current density at all magnetic local times (MLT) for the first time and with sufficient accuracy, for the following observations. The results confirm that the ring current flows westward and show that the in situ average measured current density (sampled in the radial range accessed by Cluster 4–4.5RE) is asymmetric in MLT, ranging from 9 to 27 nAm−2. The direction of current is shown to be very well ordered for the whole range of MLT. Both of these results are in line with previous studies on partial ring extent. The magnitude of the current density, however, reveals a distinct asymmetry: growing from 10 to 27 nAm−2 as azimuth reduces from about 12:00MLT to 03:00 and falling from 20 to 10 nAm−2 less steadily as azimuth reduces from 24:00 to 12:00MLT. This result has not been reported before and we suggest it could reflect a number of effects. Firstly, we argue it is consistent with the operation of region-2 field aligned-currents (FACs), which are expected to flow upward into the ring current around 09:00MLT and downward out of the ring current around 14:00MLT. Secondly, we note that it is also consistent with a possible asymmetry in the radial distribution profile of current density (resulting in higher peak at 4– 4.5RE). We note that part of the enhanced current could reflect an increase in the mean AE activity (during the periods in which Cluster samples those MLT).

Direct evidence for attention-dependent influences of the frontal eye-fields on feature-responsive visual cortex

Voluntary selective attention can prioritize different features in a visual scene. The frontal eye-fields (FEF) are one potential source of such feature-specific top-down signals, but causal evidence for influences on visual cortex (as was shown for "spatial" attention) has remained elusive. Here, we show that transcranial magnetic stimulation (TMS) applied to right FEF increased the blood oxygen level-dependent (BOLD) signals in visual areas processing "target feature" but not in "distracter feature"-processing regions. TMS-induced BOLD signals increase in motion-responsive visual cortex (MT+) when motion was attended in a display with moving dots superimposed on face stimuli, but in face-responsive fusiform area (FFA) when faces were attended to. These TMS effects on BOLD signal in both regions were negatively related to performance (on the motion task), supporting the behavioral relevance of this pathway. Our findings provide new causal evidence for the human FEF in the control of nonspatial "feature"-based attention, mediated by dynamic influences on feature-specific visual cortex that vary with the currently attended property.

A dynamic causal model of the coupling between pulse stimulation and neural activity

We present a dynamic causal model that can explain context-dependent changes in neural responses, in the rat barrel cortex, to an electrical whisker stimulation at different frequencies. Neural responses were measured in terms of local field potentials. These were converted into current source density (CSD) data, and the time series of the CSD sink was extracted to provide a time series response train. The model structure consists of three layers (approximating the responses from the brain stem to the thalamus and then the barrel cortex), and the latter two layers contain nonlinearly coupled modules of linear second-order dynamic systems. The interaction of these modules forms a nonlinear regulatory system that determines the temporal structure of the neural response amplitude for the thalamic and cortical layers. The model is based on the measured population dynamics of neurons rather than the dynamics of a single neuron and was evaluated against CSD data from experiments with varying stimulation frequency (1–40 Hz), random pulse trains, and awake and anesthetized animals. The model parameters obtained by optimization for different physiological conditions (anesthetized or awake) were significantly different. Following Friston, Mechelli, Turner, and Price (2000), this work is part of a formal mathematical system currently being developed (Zheng et al., 2005) that links stimulation to the blood oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) signal through neural activity and hemodynamic variables. The importance of the model described here is that it can be used to invert the hemodynamic measurements of changes in blood flow to estimate the underlying neural activity.

An “A-train” strategy for quantifying direct climate forcing by anthropogenic aerosols

This document outlines a practical strategy for achieving an observationally based quantification of direct climate forcing by anthropogenic aerosols. The strategy involves a four-step program for shifting the current assumption-laden estimates to an increasingly empirical basis using satellite observations coordinated with suborbital remote and in situ measurements and with chemical transport models. Conceptually, the problem is framed as a need for complete global mapping of four parameters: clear-sky aerosol optical depth δ, radiative efficiency per unit optical depth E, fine-mode fraction of optical depth ff, and the anthropogenic fraction of the fine mode faf. The first three parameters can be retrieved from satellites, but correlative, suborbital measurements are required for quantifying the aerosol properties that control E, for validating the retrieval of ff, and for partitioning fine-mode δ between natural and anthropogenic components. The satellite focus is on the “A-Train,” a constellation of six spacecraft that will fly in formation from about 2005 to 2008. Key satellite instruments for this report are the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) and Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) radiometers on Aqua, the Ozone Monitoring Instrument (OMI) radiometer on Aura, the Polarization and Directionality of Earth's Reflectances (POLDER) polarimeter on the Polarization and Anistropy of Reflectances for Atmospheric Sciences Coupled with Observations from a Lidar (PARASOL), and the Cloud and Aerosol Lider with Orthogonal Polarization (CALIOP) lidar on the Cloud–Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO). This strategy is offered as an initial framework—subject to improvement over time—for scientists around the world to participate in the A-Train opportunity. It is a specific implementation of the Progressive Aerosol Retrieval and Assimilation Global Observing Network (PARAGON) program, presented earlier in this journal, which identified the integration of diverse data as the central challenge to progress in quantifying global-scale aerosol effects. By designing a strategy around this need for integration, we develop recommendations for both satellite data interpretation and correlative suborbital activities that represent, in many respects, departures from current practice

Satellite-based estimate of the direct and indirect aerosol climate forcing

The main uncertainty in anthropogenic forcing of the Earth’s climate stems from pollution aerosols, particularly their ‘‘indirect effect’’ whereby aerosols modify cloud properties. We develop a new methodology to derive a measurement-based estimate using almost exclusively information from an Earth radiation budget instrument (CERES) and a radiometer (MODIS). We derive a statistical relationship between planetary albedo and cloud properties, and, further, between the cloud properties and column aerosol concentration. Combining these relationships with a data set of satellite-derived anthropogenic aerosol fraction, we estimate an anthropogenic radiative forcing of �-0.9 ± 0.4 Wm�-2 for the aerosol direct effect and of �-0.2 ± 0.1 Wm�-2 for the cloud albedo effect. Because of uncertainties in both satellite data and the method, the uncertainty of this result is likely larger than the values given here which correspond only to the quantifiable error estimates. The results nevertheless indicate that current global climate models may overestimate the cloud albedo effect.

A review of measurement-based assessments of the aerosol direct radiative effect and forcing

Aerosols affect the Earth's energy budget directly by scattering and absorbing radiation and indirectly by acting as cloud condensation nuclei and, thereby, affecting cloud properties. However, large uncertainties exist in current estimates of aerosol forcing because of incomplete knowledge concerning the distribution and the physical and chemical properties of aerosols as well as aerosol-cloud interactions. In recent years, a great deal of effort has gone into improving measurements and datasets. It is thus feasible to shift the estimates of aerosol forcing from largely model-based to increasingly measurement-based. Our goal is to assess current observational capabilities and identify uncertainties in the aerosol direct forcing through comparisons of different methods with independent sources of uncertainties. Here we assess the aerosol optical depth (τ), direct radiative effect (DRE) by natural and anthropogenic aerosols, and direct climate forcing (DCF) by anthropogenic aerosols, focusing on satellite and ground-based measurements supplemented by global chemical transport model (CTM) simulations. The multi-spectral MODIS measures global distributions of aerosol optical depth (τ) on a daily scale, with a high accuracy of ±0.03±0.05τ over ocean. The annual average τ is about 0.14 over global ocean, of which about 21%±7% is contributed by human activities, as estimated by MODIS fine-mode fraction. The multi-angle MISR derives an annual average AOD of 0.23 over global land with an uncertainty of ~20% or ±0.05. These high-accuracy aerosol products and broadband flux measurements from CERES make it feasible to obtain observational constraints for the aerosol direct effect, especially over global the ocean. A number of measurement-based approaches estimate the clear-sky DRE (on solar radiation) at the top-of-atmosphere (TOA) to be about -5.5±0.2 Wm-2 (median ± standard error from various methods) over the global ocean. Accounting for thin cirrus contamination of the satellite derived aerosol field will reduce the TOA DRE to -5.0 Wm-2. Because of a lack of measurements of aerosol absorption and difficulty in characterizing land surface reflection, estimates of DRE over land and at the ocean surface are currently realized through a combination of satellite retrievals, surface measurements, and model simulations, and are less constrained. Over the oceans the surface DRE is estimated to be -8.8±0.7 Wm-2. Over land, an integration of satellite retrievals and model simulations derives a DRE of -4.9±0.7 Wm-2 and -11.8±1.9 Wm-2 at the TOA and surface, respectively. CTM simulations derive a wide range of DRE estimates that on average are smaller than the measurement-based DRE by about 30-40%, even after accounting for thin cirrus and cloud contamination. A number of issues remain. Current estimates of the aerosol direct effect over land are poorly constrained. Uncertainties of DRE estimates are also larger on regional scales than on a global scale and large discrepancies exist between different approaches. The characterization of aerosol absorption and vertical distribution remains challenging. The aerosol direct effect in the thermal infrared range and in cloudy conditions remains relatively unexplored and quite uncertain, because of a lack of global systematic aerosol vertical profile measurements. A coordinated research strategy needs to be developed for integration and assimilation of satellite measurements into models to constrain model simulations. Enhanced measurement capabilities in the next few years and high-level scientific cooperation will further advance our knowledge.

NK1 receptor stimulation causes contraction and inositol phosphate increase in medium-size human isolated bronchi

Although contraction of human isolated bronchi is mediated mainly by tachykinin NK2 receptors, NK1 receptors, via prostanoid release, contract small-size (approximately 1 mm in diameter) bronchi. Here, we have investigated the presence and biological responses of NK1 receptors in medium-size (2-5 mm in diameter) human isolated bronchi. Specific staining was seen in bronchial sections with an antibody directed against the human NK1 receptor. The selective NK1 receptor agonist, [Sar(9), Met(O2)(11)]SP, contracted about 60% of human isolated bronchial rings. This effect was reduced by two different NK1 receptor antagonists, CP-99,994 and SR 140333. Contraction induced by [Sar(9), Met(O2)(11)]SP was independent of acetylcholine and histamine release and epithelium removal, and was not affected by nitric oxide synthase and cyclooxygenase (COX) inhibition. [Sar(9), Met(O2)(11)]SP increased inositol phosphate (IP) levels, and SR 140333 blocked this increase, in segments of medium- and small-size (approximately 1 mm in diameter) human bronchi. COX inhibition blocked the IP increase induced by [Sar(9), Met(O2)(11)]SP in small-size, but not in medium-size, bronchi. NK1 receptors mediated bronchoconstriction in a large proportion of medium-size human bronchi. Unlike small-size bronchi this effect is independent of prostanoid release, and the results are suggestive of a direct activation of smooth muscle receptors and IP release.

Sensitivity of direct radiative forcing by mineral dust to particle characteristics

Airborne dust affects the Earth's energy balance — an impact that is measured in terms of the implied change in net radiation (or radiative forcing, in W m-2) at the top of the atmosphere. There remains considerable uncertainty in the magnitude and sign of direct forcing by airborne dust under current climate. Much of this uncertainty stems from simplified assumptions about mineral dust-particle size, composition and shape, which are applied in remote sensing retrievals of dust characteristics and dust-cycle models. Improved estimates of direct radiative forcing by dust will require improved characterization of the spatial variability in particle characteristics to provide reliable information dust optical properties. This includes constraints on: (1) particle-size distribution, including discrimination of particle subpopulations and quantification of the amount of dust in the sub-10 µm to <0.1 µm mass fraction; (2) particle composition, specifically the abundance of iron oxides, and whether particles consist of single or multi-mineral grains; (3) particle shape, including degree of sphericity and surface roughness, as a function of size and mineralogy; and (4) the degree to which dust particles are aggregated together. The use of techniques that measure the size, composition and shape of individual particles will provide a better basis for optical modelling.