ROLES OF ACID-SENSING ION CHANNELS (ASICS) IN PERIPHERAL NEUROPEPTIDE SECRETION AND PAIN

Acid-sensing ion channels (ASICs) are non-voltage-gated sodium channels activated by an extracellular acidification. They are widely expressed in neurons of the central and peripheral nervous system. ASICs have a role in learning, the expression of fear, in neuronal death after cerebral ischemia, and in pain sensation. Tissue damage leads to the release of inflammatory mediators. There is a subpopulation of sensory neurons which are able to release the neuropeptides calcitonin gene-related peptide (CGRP) and substance P (SP). Neurogenic inflammation refers to the process whereby peripheral release of the neuropeptides CGRP and SP induces vasodilation and extravasation of plasma proteins, respectively. Our laboratory has previously shown that calcium-permeable homomeric ASIC1a channels are present in a majority of CGRP- or SP-expressing small diameter sensory neurons. In the first part of my thesis, we tested the hypothesis that a local acidification can produce an ASIC-mediated calcium-dependant neuropeptide secretion. We have first verified the co-expression of ASICs and CGRP/SP using immunochemistry and in-situ hybridization on dissociated rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. We found that most CGRP/SP-positive neurons also expressed ASIC1a and ASIC3 subunits. Calcium imaging experiments with Fura-2 dye showed that an extracellular acidification can induce an increase of intracellular Ca2+ concentration, which is essential for secretion. This increase of intracellular Ca2+ concentration is, at least in some cells, ASIC-dependent, as it can be prevented by amiloride, an ASIC antagonist, and by Psalmotoxin (PcTx1), a specific ASIC1a antagonist. We identified a sub-population of neurons whose acid-induced Ca2+ entry was completely abolished by amiloride, an amiloride-resistant population which does not express ASICs, but rather another acid-sensing channel, possibly transient receptor potential vanilloïde 1 (TRPV1), and a population expressing both H+-gated channel types. Voltage-gated calcium channels (Cavs) may also mediate Ca2+ entry. Co-application of the Cavs inhibitors (ω-conotoxin MVIIC, Mibefradil and Nifedipine) reduced the Ca2+ increase in neurons expressing ASICs during an acidification to pH 6. This indicates that ASICs can depolarise the neuron and activate Cavs. Homomeric ASIC1a are Ca2+-permeable and allow a direct entry of Ca2+ into the cell; other ASICs mediate an indirect entry of Ca2+ by inducing a membrane depolarisation that activates Cavs. We showed with a secretion assay that CGRP secretion can be induced by extracellular acidification in cultured rat DRG neurons. Amiloride and PcTx1 were not able to inhibit the secretion at acidic pH, but BCTC, a TRPV1 inhibitor was able to decrease the secretion induced by an extracellular acidification in our in vitro secretion assay. In conclusion, these results show that in DRG neurons a mild extracellular acidification can induce a calcium-dependent neuropeptide secretion. Even if our data show that ASICs can mediate an increase of intracellular Ca2+ concentration, this appears not to be sufficient to trigger neuropeptide secretion. TRPV1, a calcium channel whose activation induces a sustained current - in contrary of ASICs - played in our experimental conditions a predominant role in neurosecretion. In the second part of my thesis, we focused on the role of ASICs in neuropathic pain. We used the spared nerve injury (SNI) model which consists in a nerve injury that induces symptoms of neuropathic pain such as mechanical allodynia. We have previously shown that the SNI model modifies ASIC currents in dissociated rat DRG neurons. We hypothesized that ASICs could play a role in the development of mechanical allodynia. The SNI model was performed on ASIC1a, -2, and -3 knock-out mice and wild type littermates. We measured mechanical allodynia on these mice with calibrated von Frey filaments. There were no differences between the wild-type and the ASIC1, or ASIC2 knockout mice. ASIC3 null mice were less sensitive than wild type mice at 21 day after SNI, indicating a role for ASIC3. Finally, to investigate other possible roles of ASICs in the perception of the environment, we measured the baseline heat responses. We used two different models; the tail flick model and the hot plate model. ASIC1a null mice showed increased thermal allodynia behaviour in the hot plate test at three different temperatures (49, 52, 55°C) compared to their wild type littermates. On the contrary, ASIC2 null mice showed reduced thermal allodynia behaviour in the hot plate test compared to their wild type littermates at the three same temperatures. We conclude that ASIC1a and ASIC2 in mice can play a role in temperature sensing. It is currently not understood how ASICs are involved in temperature sensing and what the reason for the opposed effects in the two knockout models is.

Epithelial sodium channel/degenerin family of ion channels: a variety of functions for a shared structure.

The recently discovered epithelial sodium channel (ENaC)/degenerin (DEG) gene family encodes sodium channels involved in various cell functions in metazoans. Subfamilies found in invertebrates or mammals are functionally distinct. The degenerins in Caenorhabditis elegans participate in mechanotransduction in neuronal cells, FaNaC in snails is a ligand-gated channel activated by neuropeptides, and the Drosophila subfamily is expressed in gonads and neurons. In mammals, ENaC mediates Na+ transport in epithelia and is essential for sodium homeostasis. The ASIC genes encode proton-gated cation channels in both the central and peripheral nervous system that could be involved in pain transduction. This review summarizes the physiological roles of the different channels belonging to this family, their biophysical and pharmacological characteristics, and the emerging knowledge of their molecular structure. Although functionally different, the ENaC/DEG family members share functional domains that are involved in the control of channel activity and in the formation of the pore. The functional heterogeneity among the members of the ENaC/DEG channel family provides a unique opportunity to address the molecular basis of basic channel functions such as activation by ligands, mechanotransduction, ionic selectivity, or block by pharmacological ligands.

Trypsin cleaves acid-sensing ion channel 1a in a domain that is critical for channel gating.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal Na(+) channels that are members of the epithelial Na(+) channel/degenerin family and are transiently activated by extracellular acidification. ASICs in the central nervous system have a modulatory role in synaptic transmission and are involved in cell injury induced by acidosis. We have recently demonstrated that ASIC function is regulated by serine proteases. We provide here evidence that this regulation of ASIC function is tightly linked to channel cleavage. Trypsin cleaves ASIC1a with a similar time course as it changes ASIC1a function, whereas ASIC1b, whose function is not modified by trypsin, is not cleaved. Trypsin cleaves ASIC1a at Arg-145, in the N-terminal part of the extracellular loop, between a highly conserved sequence and a sequence that is critical for ASIC1a inhibition by the venom of the tarantula Psalmopoeus cambridgei. This channel domain controls the inactivation kinetics and co-determines the pH dependence of ASIC gating. It undergoes a conformational change during inactivation, which renders the cleavage site inaccessible to trypsin in inactivated channels.

International union of basic and clinical pharmacology. XCI. structure, function, and pharmacology of acid-sensing ion channels and the epithelial Na+ channel.

The epithelial Na(+) channel (ENaC) and the acid-sensing ion channels (ASICs) form subfamilies within the ENaC/degenerin family of Na(+) channels. ENaC mediates transepithelial Na(+) transport, thereby contributing to Na(+) homeostasis and the maintenance of blood pressure and the airway surface liquid level. ASICs are H(+)-activated channels found in central and peripheral neurons, where their activation induces neuronal depolarization. ASICs are involved in pain sensation, the expression of fear, and neurodegeneration after ischemia, making them potentially interesting drug targets. This review summarizes the biophysical properties, cellular functions, and physiologic and pathologic roles of the ASIC and ENaC subfamilies. The analysis of the homologies between ENaC and ASICs and the relation between functional and structural information shows many parallels between these channels, suggesting that some mechanisms that control channel activity are shared between ASICs and ENaC. The available crystal structures and the discovery of animal toxins acting on ASICs provide a unique opportunity to address the molecular mechanisms of ENaC and ASIC function to identify novel strategies for the modulation of these channels by pharmacologic ligands.

A combined computational and functional approach identifies new residues involved in pH-dependent gating of ASIC1a.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are key receptors for extracellular protons. These neuronal nonvoltage-gated Na(+) channels are involved in learning, the expression of fear, neurodegeneration after ischemia, and pain sensation. We have applied a systematic approach to identify potential pH sensors in ASIC1a and to elucidate the mechanisms by which pH variations govern ASIC gating. We first calculated the pK(a) value of all extracellular His, Glu, and Asp residues using a Poisson-Boltzmann continuum approach, based on the ASIC three-dimensional structure, to identify candidate pH-sensing residues. The role of these residues was then assessed by site-directed mutagenesis and chemical modification, combined with functional analysis. The localization of putative pH-sensing residues suggests that pH changes control ASIC gating by protonation/deprotonation of many residues per subunit in different channel domains. Analysis of the function of residues in the palm domain close to the central vertical axis of the channel allowed for prediction of conformational changes of this region during gating. Our study provides a basis for the intrinsic ASIC pH dependence and describes an approach that can also be applied to the investigation of the mechanisms of the pH dependence of other proteins.

Modulatory effects of acid-sensing ion channels on action potential generation in hippocampal neurons.

Extracellular acidification has been shown to generate action potentials (APs) in several types of neurons. In this study, we investigated the role of acid-sensing ion channels (ASICs) in acid-induced AP generation in brain neurons. ASICs are neuronal Na(+) channels that belong to the epithelial Na(+) channel/degenerin family and are transiently activated by a rapid drop in extracellular pH. We compared the pharmacological and biophysical properties of acid-induced AP generation with those of ASIC currents in cultured hippocampal neurons. Our results show that acid-induced AP generation in these neurons is essentially due to ASIC activation. We demonstrate for the first time that the probability of inducing APs correlates with current entry through ASICs. We also show that ASIC activation in combination with other excitatory stimuli can either facilitate AP generation or inhibit AP bursts, depending on the conditions. ASIC-mediated generation and modulation of APs can be induced by extracellular pH changes from 7.4 to slightly <7. Such local extracellular pH values may be reached by pH fluctuations due to normal neuronal activity. Furthermore, in the plasma membrane, ASICs are localized in close proximity to voltage-gated Na(+) and K(+) channels, providing the conditions necessary for the transduction of local pH changes into electrical signals.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Extracellular Subunit Interactions Control Transitions between Functional States of Acid-sensing Ion Channel 1a.

Acid-sensing ion channels (ASICs) are neuronal, voltage-independent Na(+) channels that are transiently activated by extracellular acidification. They are involved in pain sensation, the expression of fear, and in neurodegeneration after ischemic stroke. Our study investigates the role of extracellular subunit interactions in ASIC1a function. We identified two regions involved in critical intersubunit interactions. First, formation of an engineered disulfide bond between the palm and thumb domains leads to partial channel closure. Second, linking Glu-235 of a finger loop to either one of two different residues of the knuckle of a neighboring subunit opens the channel at physiological pH or disrupts its activity. This suggests that one finger-knuckle disulfide bond (E235C/K393C) sets the channel in an open state, whereas the other (E235C/Y389C) switches the channel to a non-conducting state. Voltage-clamp fluorometry experiments indicate that both the finger loop and the knuckle move away from the β-ball residue Trp-233 during acidification and subsequent desensitization. Together, these observations reveal that ASIC1a opening is accompanied by a distance increase between adjacent thumb and palm domains as well as a movement of Glu-235 relative to the knuckle helix. Our study identifies subunit interactions in the extracellular loop and shows that dynamic changes of these interactions are critical for normal ASIC function.

A Co-Processor Approach for Efficient Java Execution in Embedded Systems

This thesis deals with a hardware accelerated Java virtual machine, named REALJava. The REALJava virtual machine is targeted for resource constrained embedded systems. The goal is to attain increased computational performance with reduced power consumption. While these objectives are often seen as trade-offs, in this context both of them can be attained simultaneously by using dedicated hardware. The target level of the computational performance of the REALJava virtual machine is initially set to be as fast as the currently available full custom ASIC Java processors. As a secondary goal all of the components of the virtual machine are designed so that the resulting system can be scaled to support multiple co-processor cores. The virtual machine is designed using the hardware/software co-design paradigm. The partitioning between the two domains is flexible, allowing customizations to the resulting system, for instance the floating point support can be omitted from the hardware in order to decrease the size of the co-processor core. The communication between the hardware and the software domains is encapsulated into modules. This allows the REALJava virtual machine to be easily integrated into any system, simply by redesigning the communication modules. Besides the virtual machine and the related co-processor architecture, several performance enhancing techniques are presented. These include techniques related to instruction folding, stack handling, method invocation, constant loading and control in time domain. The REALJava virtual machine is prototyped using three different FPGA platforms. The original pipeline structure is modified to suit the FPGA environment. The performance of the resulting Java virtual machine is evaluated against existing Java solutions in the embedded systems field. The results show that the goals are attained, both in terms of computational performance and power consumption. Especially the computational performance is evaluated thoroughly, and the results show that the REALJava is more than twice as fast as the fastest full custom ASIC Java processor. In addition to standard Java virtual machine benchmarks, several new Java applications are designed to both verify the results and broaden the spectrum of the tests.

Modeling Front End Electronics for a Gas Electron Multiplier Detector

The Large Hadron Collider (LHC) in The European Organization for Nuclear Research (CERN) will have a Long Shutdown sometime during 2017 or 2018. During this time there will be maintenance and a possibility to install new detectors. After the shutdown the LHC will have a higher luminosity. A promising new type of detector for this high luminosity phase is a Triple-GEM detector. During the shutdown these detectors will be installed at the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment. The Triple-GEM detectors are now being developed at CERN and alongside also a readout ASIC chip for the detector. In this thesis a simulation model was developed for the ASICs analog front end. The model will help to carry out more extensive simulations and also simulate the whole chip before the whole design is finished. The proper functioning of the model was tested with simulations, which are also presented in the thesis.

Une lésion neurotoxique de l’habenula latérale amplifie la locomotion induite par un psychostimulant sans altérer la récompense

L’habenula, un noyau épithalamique, est située au centre de la voie dorsale diencéphalique. Cette voie relie les structures limbiques et les ganglions de la base aux cellules monoaminergiques du mésencéphale. En particulier, l’habenula latérale (HbL) projette directement aux cellules dopaminergiques et GABAergiques de l’aire tegmentale ventrale (ATV). L’ATV est le site d’origine de la voie mésolimbique dopaminergique, une voie impliquée de façon cruciale dans la manifestation des comportements dirigés. L’importance de cette projection habenulaire pour le comportement demeure encore méconnue. Ainsi, l’objectif de cette étude est d’approfondir notre compréhension du rôle de régulation de l’HbL sur les comportements dépendants de la neurotransmission dopaminergique. MATÉRIEL ET MÉTHODES: Des rats adultes mâles Sprague-Dawley ont été anesthésiés avec de l’isofluorane et installés sur un appareil stéréotaxique. L’acide iboténique, une neurotoxine agoniste des récepteurs glutamatergiques, était infusée bilatéralement dans l’HbL (0,25 μg/0,25 μl/côté). Les rats du groupe contrôle recevaient des infusions NaCl 0,9%. Les rats de l’expérience d’autostimulation intracérébrale (ASIC) étaient aussi implantés d’une électrode monopolaire dans le mésencéphale postérieur. Un groupe de rats était testé pour leur réponse de locomotion à l’amphétamine (0; 0,5 ou 1 mg/kg, intrapéritonéal), dix jours suivant la lésion de l’HbL. La locomotion était mesurée dans des chambres d’activité, chacune équipée de deux faisceaux parallèles infrarouges. Le jour du test, les rats étaient pesés et placés dans la chambre d’activité puis leur activité locomotrice de base était mesurée pendant une heure. Les rats recevaient ensuite une dose d’amphétamine ou le véhicule (NaCl 0,9%) par voie intrapéritonéale et l’activité locomotrice était mesurée pendant deux heures supplémentaires. Un groupe de rats distinct a été utilisé dans l’expérience d’ASIC. Commençant sept jours suivant la lésion, les rats étaient entraînés à appuyer sur un levier afin de s’autoadministrer des stimulations électriques, au cours de sessions quotidiennes. Nous avons ensuite mesuré chacun des taux de réponses d’une série de stimulations aux fréquences décroissantes. À partir d’une courbe réponses-fréquences, le seuil de récompense était inféré par la fréquence de la stimulation nécessaire pour produire une réponse semi-maximale. Les seuils de récompense étaient stabilisés à un niveau similaire pour l’ensemble des rats. Enfin, l’effet sur la récompense de l’amphétamine était testé aux mêmes doses employées pour l’expérience de locomotion. RÉSULTATS: Une lésion neurotoxique de l’HbL n’a pas altéré les niveaux de base de l’activité locomotrice dans chaque groupe. Cependant, une telle lésion a potentialisé l’effet de locomotion de l’amphétamine (1 mg/kg) pendant la première heure suivant son administration, et une tendance similaire était observable pendant la seconde heure. À l’inverse, nous n’avons observé aucune interaction entre une lésion à l’HbL et l’effet amplificateur sur la récompense de l’amphétamine. CONCLUSION: Nos résultats révèlent une importante contribution fonctionnelle de l’HbL à la locomotion induite par l’activation de la voie mésolimbique dopaminergique avec une dose de 1 mg/kg d’amphétamine. À l’opposé, aucun effet sur la récompense n’a été observé. Ces résultats suggèrent que l’activation psychomotrice et l’amplifiation de la récompense produite par l’amphétamine dépendent de substrats dissociables, chacun étant différentiellement sensible à la modulation provenant de l’HbL.

Investigations On The Development Of An Ann Model & Visual Manipulation Approach For 2-D Dft Computation In Image Processing

This thesis is an outcome of the investigations carried out on the development of an Artificial Neural Network (ANN) model to implement 2-D DFT at high speed. A new definition of 2-D DFT relation is presented. This new definition enables DFT computation organized in stages involving only real addition except at the final stage of computation. The number of stages is always fixed at 4. Two different strategies are proposed. 1) A visual representation of 2-D DFT coefficients. 2) A neural network approach. The visual representation scheme can be used to compute, analyze and manipulate 2D signals such as images in the frequency domain in terms of symbols derived from 2x2 DFT. This, in turn, can be represented in terms of real data. This approach can help analyze signals in the frequency domain even without computing the DFT coefficients. A hierarchical neural network model is developed to implement 2-D DFT. Presently, this model is capable of implementing 2-D DFT for a particular order N such that ((N))4 = 2. The model can be developed into one that can implement the 2-D DFT for any order N upto a set maximum limited by the hardware constraints. The reported method shows a potential in implementing the 2-D DF T in hardware as a VLSI / ASIC

Power performance with gated clocks of a pipelined Cordic Core

This paper presents the evaluation in power consumption of gated clocks pipelined circuits with different register configurations in Virtex-based FPGA devices. Power impact of a gated clock circuitry aimed at reducing flip-flops output rate at the bit level is studied. Power performance is also given for pipeline stages based on the implementation of a double edge-triggered flip-flop. Using a pipelined Cordic Core circuit as an example, this study did not find evidence in power benefits either when gated clock at the bit-level or double-edge triggered flip-flops used when synthesized with FPGA logic resources.

Fractal quantization

A Fractal Quantizer is proposed that replaces the expensive division operation for the computation of scalar quantization by more modest and available multiplication, addition and shift operations. Although the proposed method is iterative in nature, simulations prove a virtually undetectable distortion to the naked eve for JPEG compressed images using a single iteration. The method requires a change to the usual tables used in JPEG algorithins but of similar size. For practical purposes, performing quantization is reduced to a multiplication plus addition operation easily programmed in either low-end embedded processors and suitable for efficient and very high speed implementation in ASIC or FPGA hardware. FPGA hardware implementation shows up to x15 area-time savingscompared to standars solutions for devices with dedicated multipliers. The method can be also immediately extended to perform adaptive quantization(1).