Spiking Neural Network Connectivity and its Potential for Temporal Sensory Processing and Variable Binding

The most biologically-inspired artificial neurons are those of the third generation, and are termed spiking neurons, as individual pulses or spikes are the means by which stimuli are communicated. In essence, a spike is a short-term change in electrical potential and is the basis of communication between biological neurons. Unlike previous generations of artificial neurons, spiking neurons operate in the temporal domain, and exploit time as a resource in their computation. In 1952, Alan Lloyd Hodgkin and Andrew Huxley produced the first model of a spiking neuron; their model describes the complex electro-chemical process that enables spikes to propagate through, and hence be communicated by, spiking neurons. Since this time, improvements in experimental procedures in neurobiology, particularly with in vivo experiments, have provided an increasingly more complex understanding of biological neurons. For example, it is now well understood that the propagation of spikes between neurons requires neurotransmitter, which is typically of limited supply. When the supply is exhausted neurons become unresponsive. The morphology of neurons, number of receptor sites, amongst many other factors, means that neurons consume the supply of neurotransmitter at different rates. This in turn produces variations over time in the responsiveness of neurons, yielding various computational capabilities. Such improvements in the understanding of the biological neuron have culminated in a wide range of different neuron models, ranging from the computationally efficient to the biologically realistic. These models enable the modelling of neural circuits found in the brain. In recent years, much of the focus in neuron modelling has moved to the study of the connectivity of spiking neural networks. Spiking neural networks provide a vehicle to understand from a computational perspective, aspects of the brain’s neural circuitry. This understanding can then be used to tackle some of the historically intractable issues with artificial neurons, such as scalability and lack of variable binding. Current knowledge of feed-forward, lateral, and recurrent connectivity of spiking neurons, and the interplay between excitatory and inhibitory neurons is beginning to shed light on these issues, by improved understanding of the temporal processing capabilities and synchronous behaviour of biological neurons. This research topic aims to amalgamate current research aimed at tackling these phenomena.

Etude de la structuration laser femtoseconde multi-échelle de verres d’oxydes dopés à l’argent

La structuration laser femtoseconde de verres d’oxydes est aujourd’hui un domaine de recherche en pleine expansion. L’interaction laser-matière est de plus en plus utilisée pour sa facilité de mise en œuvre et les nombreuses applications qui découlent de la fabrication des composants photoniques, déjà utilisés dans l’industrie des hautes technologies. En effet, un faisceau d’impulsions ultracourtes focalisé dans un matériau transparent atteint une intensité suffisante pour modifier la matière en trois dimensions sur des échelles micro et nanométriques. Cependant, l’interaction laser-matière à ces régimes d’intensité n’est pas encore complètement maîtrisée, et les matériaux employés ne sont pas entièrement adaptés aux nouvelles applications photoniques. Par ce travail de thèse, nous nous efforçons donc d’apporter des réponses à ces interrogations. Le mémoire est articulé autour de deux grands volets. Le premier aborde la question de l’interaction de surface de verres avec de telles impulsions lumineuses qui mènent à l’auto-organisation périodique de la matière structurée. L’influence du dopage en ions photosensibles et des paramètres d’irradiation est étudiée afin d’appuyer et de conforter le modèle d’incubation pour la formation de nanoréseaux de surface. À travers une approche innovante, nous avons réussi à apporter un contrôle de ces structures nanométriques périodiques pour de futures applications. Le second volet traite de cristallisation localisée en volume induite en grande partie par l’interaction laser-matière. Plusieurs matrices vitreuses, avec différents dopages en sel d’argent, ont été étudiées pour comprendre les mécanismes de précipitation de nanoparticules d’argent. Ce travail démontre le lien entre la physicochimie de la matrice vitreuse et le caractère hors équilibre thermodynamique de l’interaction qui influence les conditions de nucléation et de croissance de ces nano-objets. Tous ces résultats sont confrontés à des modélisations de la réponse optique du plasmon de surface des nanoparticules métalliques. Les nombreuses perspectives de ce travail ouvrent sur de nouvelles approches quant à la caractérisation, aux applications et à la compréhension de l’interaction laser femtoseconde pour l’inscription directe de briques photoniques dans des matrices vitreuses.

Multiphysics Simulation of Nanostructured Semiconductor Devices

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2013

Radio Frequency Synthesis for Power-Constrained Systems

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2015

Molecular mechanisms controlling synaptic recruitment of GluA4 subunit-containing AMPAreceptors

Synaptic recruitment of AMPA receptors (AMPARs) represents a key postsynaptic mechanism driving functional development and maturation of glutamatergic synapses. At immature hippocampal synapses, PKA-driven synaptic insertion of GluA4 is the predominant mechanism for synaptic reinforcement. However, the physiological significance and molecular determinants of this developmentally restricted form of plasticity are not known. Here we show that PKA activation leads to insertion of GluA4 to synaptic sites with initially weak or silent AMPAR-mediated transmission. This effect depends on a novel mechanism involving the extreme C-terminal end of GluA4, which interacts with the membrane proximal region of the C-terminal domain to control GluA4 trafficking. In the absence of GluA4, strengthening of AMPAR-mediated transmission during postnatal development was significantly delayed. These data suggest that the GluA4-mediated activation of silent synapses is a critical mechanism facilitating the functional maturation of glutamatergic circuitry during the critical period of experience-dependent fine-tuning.

Nanotech thin film photovoltaics

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Effects of early life permethrin exposure on spatial working memory and on monoamine levels in different brain areas of pre-senescent rats

Pesticide exposure during brain development could represent an important risk factor for the onset of neurodegenerative diseases. Previous studies investigated the effect of permethrin (PERM) administered at 34 mg/kg, a dose close to the no observable adverse effect level (NOAEL) from post natal day (PND) 6 to PND 21 in rats. Despite the PERM dose did not elicited overt signs of toxicity (i.e. normal body weight gain curve), it was able to induce striatal neurodegeneration (dopamine and Nurr1 reduction, and lipid peroxidation increase). The present study was designed to characterize the cognitive deficits in the current animal model. When during late adulthood PERM treated rats were tested for spatial working memory performances in a T-maze-rewarded alternation task they took longer to choose for the correct arm in comparison to age matched controls. No differences between groups were found in anxiety-like state, locomotor activity, feeding behavior and spatial orientation task. Our findings showing a selective effect of PERM treatment on the T-maze task point to an involvement of frontal cortico-striatal circuitry rather than to a role for the hippocampus. The predominant disturbances concern the dopamine (DA) depletion in the striatum and, the serotonin (5-HT) and noradrenaline (NE) unbalance together with a hypometabolic state in the medial prefrontal cortex area. In the hippocampus, an increase of NE and a decrease of DA were observed in PERM treated rats as compared to controls. The concentration of the most representative marker for pyrethroid exposure (3-phenoxybenzoic acid) measured in the urine of rodents 12 h after the last treatment was 41.50 µ/L and it was completely eliminated after 96 h.

Real-time fault injection using enhanced on-chip debug infrastructures

The rapid increase in the use of microprocessor-based systems in critical areas, where failures imply risks to human lives, to the environment or to expensive equipment, significantly increased the need for dependable systems, able to detect, tolerate and eventually correct faults. The verification and validation of such systems is frequently performed via fault injection, using various forms and techniques. However, as electronic devices get smaller and more complex, controllability and observability issues, and sometimes real time constraints, make it harder to apply most conventional fault injection techniques. This paper proposes a fault injection environment and a scalable methodology to assist the execution of real-time fault injection campaigns, providing enhanced performance and capabilities. Our proposed solutions are based on the use of common and customized on-chip debug (OCD) mechanisms, present in many modern electronic devices, with the main objective of enabling the insertion of faults in microprocessor memory elements with minimum delay and intrusiveness. Different configurations were implemented starting from basic Components Off-The-Shelf (COTS) microprocessors, equipped with real-time OCD infrastructures, to improved solutions based on modified interfaces, and dedicated OCD circuitry that enhance fault injection capabilities and performance. All methodologies and configurations were evaluated and compared concerning performance gain and silicon overhead.

Effect of levodopa on both verbal and motor representations of action in Parkinson's disease: a fMRI study.

Previous studies have demonstrated that non-demented Parkinson's disease (PD) patients have a specific impairment of verb production compared with noun generation. One interpretation of this deficit suggested the influence of striato-frontal dysfunction on action-related verb processing. The aim of our study was to investigate cerebral changes after motor improvement due to dopaminergic medication on the neural circuitry supporting action representation in the brain as mediated by verb generation and motor imagery in PD patients. Functional magnetic resonance imaging on 8 PD patients in "ON" dopaminergic treatment state (DTS) and in "OFF" DTS was used to explore the brain activity during three different tasks: Object Naming (ObjN), Generation of Action Verbs (GenA) in which patients were asked to overtly say an action associated with a picture and mental simulation of action (MSoA) was investigated by asking subjects to mentally simulate an action related to a depicted object. The distribution of brain activities associated with these tasks whatever DTS was very similar to results of previous studies. The results showed that brain activity related to semantics of action is modified by dopaminergic treatment in PD patients. This cerebral reorganisation concerns mainly motor and premotor cortex suggesting an involvement of the putaminal motor loop according to the "motor" theory of verb processing.

Charting developmental EEG gamma changes in the auditory modality /

The oscillation of neuronal circuits reflected in the EEG gamma frequency may be fundamental to the perceptual process referred to as binding (the integration of various thoughts and perceptions into a coherent picture). The aim of our study was to expand our knowledge of the developmental course ofEEG gamma in the auditory modality. 2 We investigated EEG 40 Hz gamma band responses (35.2 to 43.0 Hz) using an auditory novelty oddball paradigm alone and with a visual-number-series distracter task in 208 participants as a function of age (7 years to adult) at 9 sites across the sagital and lateral axes (F3, Fz, F4, C3, Cz, C4, P3, Pz, P4). Gamma responses were operationally defined as change in power or a change in phase synchrony level from baseline within two time windows. The evoked gamma response was defined as a significant change from baseline occurring between 0 to 150 ms after stimulus onset; the induced gamma response was measured from 250 to 750 ms after stimulus onset. A significant evoked gamma band response was found when measuring changes in both power and phase synchrony. The increase in both measures was maximal at frontal regions. Decreases in both measures were found when participants were distracted by a secondary task. For neither measure were developmental effects noted. However, evoked gamma power was significantly enhanced with the presentation of a novel stimulus, especially at the right frontal site (F4); frontal evoked gamma phase synchrony also showed enhancement for novel stimuli but only for our two oldest age groups (16-18 year olds and adults). Induced gamma band responses also varied with task-dependent cognitive stimulus properties. In the induced gamma power response in all age groups, target stimuli generated the highest power values at the parietal region, while the novel stimuli were always below baseline. Target stimuli increased induced synchrony in all regions for all participants, but the novel stimulus selectively affected participants dependent on their age and gender. Adult participants, for example, exhibited a reduction in gamma power, but an increase in synchrony to the novel stimulus within the same region. Induced gamma synchrony was more sensitive to the gender of the participant than was induced gamma power. While induced gamma power produced little effects of age, gamma synchrony did have age effects. These results confirm that the perceptual process which regulates gamma power is distinct from that which governs the synchronization for neuronal firing, and both gamma power and synchrony are important factors to be considered for the "binding" hypothesis. However, there is surprisingly little effect of age on the absolute levels of or distribution of EEG gamma in the age range investigated.

Effects of intracerebroventricular bombesin administration on local cerebral glucose utilization in the restrained and unrestrained rat

Intracerebroventricular (ICV) administration of bombesin (BN) induces a syndrome characterized by stereotypic locomotion and grooming, hyperactivity and sleep elimination, hyperglycemia and hypothermia, hyperhemodynamics, feeding inhibition, and gastrointestinal function changes. Mammalian BN-like peptides (MBNs), e.g. gastrin-releasing peptide (GRP), Neuromedin C (NMC), and Neuromedin B (NMB), have been detected in the central nervous system. Radio-labeled BN binds to specific sites in discrete cerebral regions. Two specific BN receptor subtypes (GRP receptor and NMB receptor) have been identified in numerous brain regions. The quantitative 2-[14C]deoxyglucose ([14C]20G) autoradiographic method was used to map local cerebral glucose utilization (LCGU) in the rat brain following ICV injection of BN (vehicle, BN O.1Jlg, O.5Jlg). At each dose, experiments were conducted in freely moving or restrained conditions to determine whether alterations in cerebral function were the result of BN central administration, or were the result of BN-induced motor stereotypy. The anteroventral thalamic nucleus (AV) (p=O.029), especially its ventrolateral portion (AVVL) (pcircuitry. BN effects were also observed in IGr, Mi, SCh, and ME. Effects of restraint were found in LOVL, LOOM, and LG. It is suggested that increased LCGU in AV and AVVL may be the result of functional change in the limbic circuitry and the hypothalamus caused by BN receptor functional modification. In IGr, increased LCGU following BN administration is considered to be mainly the result the activation of NMB receptor, a subtype of BN receptors. In SCh, increased LCGU is believed to be caused both by BN effects on the thalamic, the hypothalamic, and the limbic functions and by activation of GRP receptor, another BN receptors subtype found in SCh. In ME, increased LCGU is suggested to be caused by BN effects on the hypothalamic functions, especially those related to the neuroendocrine functions. None of the alterations seen in these regions reflects the emission of stereotyped motor behaviors. Rather, they reflect a direct influence of BN central administration upon functioning of the cerebral regions influenced by BN administration. The restraint effects seen in LO, including LOOM and LOVL, are suggested to be the result of altered behavioral expression. The restraint effects seen in LG is suggested to be the result of reduced locomotion.

Mécanismes de plasticité synaptique dans l’amygdale lors de la réactivation de la mémoire de peur auditive chez le rat : interaction dynamique des récepteurs NMDA et AMPA

La plasticité synaptique est une propriété indispensable à l’acquisition de la mémoire chez toutes les espèces étudiées, des invertébrés aux primates. La formation d’une mémoire débute par une phase de plasticité qui inclut une restructuration synaptique ; ensuite elle se poursuit par la consolidation de ces modifications, contribuant à la mémoire à long terme. Certaines mémoires redeviennent malléables lorsqu’elles sont rappelées. La trace mnésique entre alors dans une nouvelle de phase de plasticité, au cours de laquelle certaines composantes de la mémoire peuvent être mises à jour, puis reconsolidées. L’objectif de la présente thèse est d’étudier les mécanismes cellulaires et moléculaires qui sont activés lors du rappel d’une mémoire. Nous avons utilisé un modèle de conditionnement Pavlovien, combiné à l’administration d’agents pharmacologiques et à l’analyse quantitative de marqueurs de plasticité synaptique, afin d’étudier la dynamique de la mémoire de peur auditive chez des rats Sprague Dawley. La circuiterie neuronale et les mécanismes associatifs impliqués dans la neurobiologie de cette mémoire sont bien caractérisés, en particulier le rôle des récepteurs glutamatergiques de type NMDA et AMPA dans la plasticité synaptique et la consolidation. Nos résultats démontrent que le retour de la trace mnésique à un état de labilité nécessite l’activation des récepteurs NMDA dans l’amygdale baso-latérale à l’instant même du rappel, alors que les récepteurs AMPA sont requis pour l’expression comportementale de la réponse de peur conditionnée. D’autre part, les résultats identifient le rappel comme une phase bien plus dynamique que présumée, et suggèrent que l’expression de la peur conditionnée mette en jeu la régulation du trafic des récepteurs AMPA par les récepteurs NMDA. Le présent travail espère contribuer à la compréhension de la neurobiologie fondamentale de la mémoire. De plus, il propose une intégration des résultats aux modèles animaux d’étude des troubles psychologiques conséquents aux mémoires traumatiques chez l’humain, tels que les phobies et les syndromes de stress post-traumatiques.

Plasticité intermodale chez le hamster énucléé à la naissance : Études de la distribution des interneurones CaBPir dans les cortex visuel et auditif primaires.

La période postnatale et l’expérience sensorielle sont critiques pour le développement du système visuel. Les interneurones inhibiteurs exprimant l’acide γ-aminobutyrique (GABA) jouent un rôle important dans le contrôle de l’activité neuronale, le raffinement et le traitement de l’information sensorielle qui parvient au cortex cérébral. Durant le développement, lorsque le cortex cérébral est très susceptible aux influences extrinsèques, le GABA agit dans la formation des périodes critiques de sensibilité ainsi que dans la plasticité dépendante de l’expérience. Ainsi, ce système inhibiteur servirait à ajuster le fonctionnement des aires sensorielles primaires selon les conditions spécifiques d’activité en provenance du milieu, des afférences corticales (thalamiques et autres) et de l’expérience sensorielle. Certaines études montrent que des différences dans la densité et la distribution de ces neurones inhibiteurs corticaux reflètent les caractéristiques fonctionnelles distinctes entre les différentes aires corticales. La Parvalbumine (PV), la Calretinine (CR) et la Calbindine (CB) sont des protéines chélatrices du calcium (calcium binding proteins ou CaBPs) localisées dans différentes sous-populations d’interneurones GABAergiques corticaux. Ces protéines tamponnent le calcium intracellulaire de sorte qu’elles peuvent moduler différemment plusieurs fonctions neuronales, notamment l’aspect temporel des potentiels d’action, la transmission synaptique et la potentialisation à long terme. Plusieurs études récentes montrent que les interneurones immunoréactifs (ir) aux CaBPs sont également très sensibles à l’expérience et à l’activité sensorielle durant le développement et chez l’adulte. Ainsi, ces neurones pourraient avoir un rôle crucial à jouer dans le phénomène de compensation ou de plasticité intermodale entre les cortex sensoriels primaires. Chez le hamster (Mesocricetus auratus), l’énucléation à la naissance fait en sorte que le cortex visuel primaire peut être recruté par les autres modalités sensorielles, telles que le toucher et l’audition. Suite à cette privation oculaire, il y a établissement de projections ectopiques permanentes entre les collicules inférieurs (CI) et le corps genouillé latéral (CGL). Ceci a pour effet d’acheminer l’information auditive vers le cortex visuel primaire (V1) durant le développement postnatal. À l’aide de ce modèle, l’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier l’influence et le rôle de l’activité sensorielle sur la distribution et l’organisation des interneurones corticaux immunoréactifs aux CaBPs dans les aires sensorielles visuelle et auditive primaires du hamster adulte. Les changements dans l’expression des CaBPs ont été déterminés d’une manière quantitative en évaluant les profils de distribution laminaire de ces neurones révélés par immunohistochimie. Dans une première expérience, nous avons étudié la distribution laminaire des CaBPs dans les aires visuelle (V1) et auditive (A1) primaires chez le hamster normal adulte. Les neurones immunoréactifs à la PV et la CB, mais non à la CR, sont distribués différemment dans ces deux cortex primaires dédiés à une modalité sensorielle différente. Dans une deuxième étude, une comparaison a été effectuée entre des animaux contrôles et des hamsters énucléés à la naissance. Cette étude montre que le cortex visuel primaire de ces animaux adopte une chimioarchitecture en PV similaire à celle du cortex auditif. Nos recherches montrent donc qu’une suppression de l’activité visuelle à la naissance peut influencer l’expression des CaBPs dans l’aire V1 du hamster adulte. Ceci suggère également que le type d’activité des afférences en provenance d’autres modalités sensorielles peut moduler, en partie, une circuiterie corticale en CaBPs qui lui est propre dans le cortex hôte ou recruté. Ainsi, nos travaux appuient l’hypothèse selon laquelle il serait possible que certaines de ces sous-populations d’interneurones GABAergiques jouent un rôle crucial dans le phénomène de la plasticité intermodale.

Changements dans le circuit de la récompense suite à la bulbectomie olfactive : une nouvelle approche pour étudier des antidépresseurs

La dépression est une maladie chronique, récurrente et potentiellement mortelle qui affecte plus de 20 % de la population à travers le monde. Les mécanismes sous-jacents de la dépression demeurent incompris et la pharmacothérapie actuelle, largement basée sur l’hypothèse monoaminergique, fait preuve d’une efficacité sous optimale et d’une latence thérapeutique élevée. Par conséquent, la recherche est amenée à élaborer de nouveaux traitements pharmacologiques. Pour détecter leur action, il est avant tout nécessaire de développer des outils expérimentaux adéquats. Dans cette optique, notre but a été de mesurer l’anhédonie, un symptôme cardinal de la dépression, chez le rat de laboratoire. L’anhédonie a été définie comme une réduction de la récompense et a été mesurée avec le test de consommation de sucrose et la technique d’autostimulation intracérébrale. En vue d’induire l’anhédonie, nous avons effectué une bulbectomie olfactive, une procédure qui entraîne divers changements biochimiques, cellulaires et comportementaux similaires à ceux de l’état dépressif et qui peuvent être renversés par un traitement antidépresseur chronique. Nos résultats montrent que la bulbectomie olfactive produit également l’anhédonie, reflétée par une réduction durable de la consommation de sucrose et par une réduction de l’efficacité de l’amphétamine dans le test d’autostimulation intracérébrale. Ces effets ont été présents jusqu’à trois à quatre semaines suivant la chirurgie. La bulbectomie olfactive a aussi été associée à une augmentation de l’élément de réponse liant l’AMPc dans le striatum, un index moléculaire associé à l’anhédonie. Ces découvertes suggèrent que l’anhédonie peut être produite et étudiée de façon fiable dans le modèle de bulbectomie olfactive et que le circuit de récompense pourrait constituer une cible cohérente pour de nouvelles drogues en vue du traitement de la dépression.

Intra- and inter-hemispheric interactions in somatosensory processing of pain : dynamical causal modeling analysis of fMRI data

La douleur est une expérience perceptive comportant de nombreuses dimensions. Ces dimensions de douleur sont inter-reliées et recrutent des réseaux neuronaux qui traitent les informations correspondantes. L’élucidation de l'architecture fonctionnelle qui supporte les différents aspects perceptifs de l'expérience est donc une étape fondamentale pour notre compréhension du rôle fonctionnel des différentes régions de la matrice cérébrale de la douleur dans les circuits corticaux qui sous tendent l'expérience subjective de la douleur. Parmi les diverses régions du cerveau impliquées dans le traitement de l'information nociceptive, le cortex somatosensoriel primaire et secondaire (S1 et S2) sont les principales régions généralement associées au traitement de l'aspect sensori-discriminatif de la douleur. Toutefois, l'organisation fonctionnelle dans ces régions somato-sensorielles n’est pas complètement claire et relativement peu d'études ont examiné directement l'intégration de l'information entre les régions somatiques sensorielles. Ainsi, plusieurs questions demeurent concernant la relation hiérarchique entre S1 et S2, ainsi que le rôle fonctionnel des connexions inter-hémisphériques des régions somatiques sensorielles homologues. De même, le traitement en série ou en parallèle au sein du système somatosensoriel constitue un autre élément de questionnement qui nécessite un examen plus approfondi. Le but de la présente étude était de tester un certain nombre d'hypothèses sur la causalité dans les interactions fonctionnelle entre S1 et S2, alors que les sujets recevaient des chocs électriques douloureux. Nous avons mis en place une méthode de modélisation de la connectivité, qui utilise une description de causalité de la dynamique du système, afin d'étudier les interactions entre les sites d'activation définie par un ensemble de données provenant d'une étude d'imagerie fonctionnelle. Notre paradigme est constitué de 3 session expérimentales en utilisant des chocs électriques à trois différents niveaux d’intensité, soit modérément douloureux (niveau 3), soit légèrement douloureux (niveau 2), soit complètement non douloureux (niveau 1). Par conséquent, notre paradigme nous a permis d'étudier comment l'intensité du stimulus est codé dans notre réseau d'intérêt, et comment la connectivité des différentes régions est modulée dans les conditions de stimulation différentes. Nos résultats sont en faveur du mode sériel de traitement de l’information somatosensorielle nociceptive avec un apport prédominant de la voie thalamocorticale vers S1 controlatérale au site de stimulation. Nos résultats impliquent que l'information se propage de S1 controlatéral à travers notre réseau d'intérêt composé des cortex S1 bilatéraux et S2. Notre analyse indique que la connexion S1→S2 est renforcée par la douleur, ce qui suggère que S2 est plus élevé dans la hiérarchie du traitement de la douleur que S1, conformément aux conclusions précédentes neurophysiologiques et de magnétoencéphalographie. Enfin, notre analyse fournit des preuves de l'entrée de l'information somatosensorielle dans l'hémisphère controlatéral au côté de stimulation, avec des connexions inter-hémisphériques responsable du transfert de l'information à l'hémisphère ipsilatéral.