Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Organisation et réorganisation post-lésionnelle des circuits neuronaux permettant l'accès au lexique : l'apport de la connectivité effective

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Relational work in synchronous text-based CMC of virtual teams

Based on close examinations of instant message (IM) interactions, this chapter argues that an interactional sociolinguistic approach to computer-mediated language use could provide explanations for phenomena that previously could not be accounted for in computer-mediated discourse analysis (CMDA). Drawing on the theoretical framework of relational work (Locher, 2006), the analysis focuses on non-task oriented talk and its function in forming and establishing communication norms in the team, as well as micro-level phenomena, such as hesitation, backchannel signals and emoticons. The conclusions of this preliminary research suggest that the linguistic strategies used for substituting audio-visual signals are strategically used in discursive functions and have an important role in relational work

Testing of Interposer-Based 2.5D Integrated Circuits

The unprecedented and relentless growth in the electronics industry is feeding the demand for integrated circuits (ICs) with increasing functionality and performance at minimum cost and power consumption. As predicted by Moore's law, ICs are being aggressively scaled to meet this demand. While the continuous scaling of process technology is reducing gate delays, the performance of ICs is being increasingly dominated by interconnect delays. In an effort to improve submicrometer interconnect performance, to increase packing density, and to reduce chip area and power consumption, the semiconductor industry is focusing on three-dimensional (3D) integration. However, volume production and commercial exploitation of 3D integration are not feasible yet due to significant technical hurdles.

At the present time, interposer-based 2.5D integration is emerging as a precursor to stacked 3D integration. All the dies and the interposer in a 2.5D IC must be adequately tested for product qualification. However, since the structure of 2.5D ICs is different from the traditional 2D ICs, new challenges have emerged: (1) pre-bond interposer testing, (2) lack of test access, (3) limited ability for at-speed testing, (4) high density I/O ports and interconnects, (5) reduced number of test pins, and (6) high power consumption. This research targets the above challenges and effective solutions have been developed to test both dies and the interposer.

The dissertation first introduces the basic concepts of 3D ICs and 2.5D ICs. Prior work on testing of 2.5D ICs is studied. An efficient method is presented to locate defects in a passive interposer before stacking. The proposed test architecture uses e-fuses that can be programmed to connect or disconnect functional paths inside the interposer. The concept of a die footprint is utilized for interconnect testing, and the overall assembly and test flow is described. Moreover, the concept of weighted critical area is defined and utilized to reduce test time. In order to fully determine the location of each e-fuse and the order of functional interconnects in a test path, we also present a test-path design algorithm. The proposed algorithm can generate all test paths for interconnect testing.

In order to test for opens, shorts, and interconnect delay defects in the interposer, a test architecture is proposed that is fully compatible with the IEEE 1149.1 standard and relies on an enhancement of the standard test access port (TAP) controller. To reduce test cost, a test-path design and scheduling technique is also presented that minimizes a composite cost function based on test time and the design-for-test (DfT) overhead in terms of additional through silicon vias (TSVs) and micro-bumps needed for test access. The locations of the dies on the interposer are taken into consideration in order to determine the order of dies in a test path.

To address the scenario of high density of I/O ports and interconnects, an efficient built-in self-test (BIST) technique is presented that targets the dies and the interposer interconnects. The proposed BIST architecture can be enabled by the standard TAP controller in the IEEE 1149.1 standard. The area overhead introduced by this BIST architecture is negligible; it includes two simple BIST controllers, a linear-feedback-shift-register (LFSR), a multiple-input-signature-register (MISR), and some extensions to the boundary-scan cells in the dies on the interposer. With these extensions, all boundary-scan cells can be used for self-configuration and self-diagnosis during interconnect testing. To reduce the overall test cost, a test scheduling and optimization technique under power constraints is described.

In order to accomplish testing with a small number test pins, the dissertation presents two efficient ExTest scheduling strategies that implements interconnect testing between tiles inside an system on chip (SoC) die on the interposer while satisfying the practical constraint that the number of required test pins cannot exceed the number of available pins at the chip level. The tiles in the SoC are divided into groups based on the manner in which they are interconnected. In order to minimize the test time, two optimization solutions are introduced. The first solution minimizes the number of input test pins, and the second solution minimizes the number output test pins. In addition, two subgroup configuration methods are further proposed to generate subgroups inside each test group.

Finally, the dissertation presents a programmable method for shift-clock stagger assignment to reduce power supply noise during SoC die testing in 2.5D ICs. An SoC die in the 2.5D IC is typically composed of several blocks and two neighboring blocks that share the same power rails should not be toggled at the same time during shift. Therefore, the proposed programmable method does not assign the same stagger value to neighboring blocks. The positions of all blocks are first analyzed and the shared boundary length between blocks is then calculated. Based on the position relationships between the blocks, a mathematical model is presented to derive optimal result for small-to-medium sized problems. For larger designs, a heuristic algorithm is proposed and evaluated.

In summary, the dissertation targets important design and optimization problems related to testing of interposer-based 2.5D ICs. The proposed research has led to theoretical insights, experiment results, and a set of test and design-for-test methods to make testing effective and feasible from a cost perspective.

Circuits for presaccadic remapping

Saccadic eye movements rapidly displace the image of the world that is projected onto the retinas. In anticipation of each saccade, many neurons in the visual system shift their receptive fields. This presaccadic change in visual sensitivity, known as remapping, was first documented in the parietal cortex and has been studied in many other brain regions. Remapping requires information about upcoming saccades via corollary discharge. Analyses of neurons in a corollary discharge pathway that targets the frontal eye field (FEF) suggest that remapping may be assembled in the FEF’s local microcircuitry. Complementary data from reversible inactivation, neural recording, and modeling studies provide evidence that remapping contributes to transsaccadic continuity of action and perception. Multiple forms of remapping have been reported in the FEF and other brain areas, however, and questions remain about reasons for these differences. In this review of recent progress, we identify three hypotheses that may help to guide further investigations into the structure and function of circuits for remapping.

Circuits for Presaccadic Visual Remapping.

Saccadic eye movements rapidly displace the image of the world that is projected onto the retinas. In anticipation of each saccade, many neurons in the visual system shift their receptive fields. This presaccadic change in visual sensitivity, known as remapping, was first documented in the parietal cortex and has been studied in many other brain regions. Remapping requires information about upcoming saccades via corollary discharge. Analyses of neurons in a corollary discharge pathway that targets the frontal eye field (FEF) suggest that remapping may be assembled in the FEF's local microcircuitry. Complementary data from reversible inactivation, neural recording, and modeling studies provide evidence that remapping contributes to transsaccadic continuity of action and perception. Multiple forms of remapping have been reported in the FEF and other brain areas, however, and questions remain about reasons for these differences. In this review of recent progress, we identify three hypotheses that may help to guide further investigations into the structure and function of circuits for remapping.

Organic functionalisation, doping and characterisation of semiconductor surfaces for future CMOS device applications

Organic Functionalisation, Doping and Characterisation of Semiconductor Surfaces for Future CMOS Device Applications Semiconductor materials have long been the driving force for the advancement of technology since their inception in the mid-20th century. Traditionally, micro-electronic devices based upon these materials have scaled down in size and doubled in transistor density in accordance with the well-known Moore’s law, enabling consumer products with outstanding computational power at lower costs and with smaller footprints. According to the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), the scaling of metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) is proceeding at a rapid pace and will reach sub-10 nm dimensions in the coming years. This scaling presents many challenges, not only in terms of metrology but also in terms of the material preparation especially with respect to doping, leading to the moniker “More-than-Moore”. Current transistor technologies are based on the use of semiconductor junctions formed by the introduction of dopant atoms into the material using various methodologies and at device sizes below 10 nm, high concentration gradients become a necessity. Doping, the controlled and purposeful addition of impurities to a semiconductor, is one of the most important steps in the material preparation with uniform and confined doping to form ultra-shallow junctions at source and drain extension regions being one of the key enablers for the continued scaling of devices. Monolayer doping has shown promise to satisfy the need to conformally dope at such small feature sizes. Monolayer doping (MLD) has been shown to satisfy the requirements for extended defect-free, conformal and controllable doping on many materials ranging from the traditional silicon and germanium devices to emerging replacement materials such as III-V compounds This thesis aims to investigate the potential of monolayer doping to complement or replace conventional doping technologies currently in use in CMOS fabrication facilities across the world.

Investigating the encoding of visual stimuli by forming neural circuits in the cat primary visual cortex

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels.

Organisation et réorganisation post-lésionnelle des circuits neuronaux permettant l'accès au lexique : l'apport de la connectivité effective

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Rethinking Care Through Social Reproduction: Articulating Circuits of Migration

Care has come to dominate much feminist research on globalized migrations and the transfer of labor from the South to the North, while the older concept of reproduction had been pushed into the background but is now becoming the subject of debates on the commodification of care in the household and changes in welfare state policies. This article argues that we could achieve a better understanding of the different modalities and trajectories of care in the reproduction of individuals, families, and communities, both of migrant and nonmigrant populations by articulating the diverse circuits of migration, in particular that of labor and the family. In doing this, I go back to the earlier North American writing on racialized minorities and migrants and stratified social reproduction. I also explore insights from current Asian studies of gendered circuits of migration connecting labor and marriage migrations as well as the notion of global householding that highlights the gender politics of social reproduction operating within and beyond households in institutional and welfare architectures. In contrast to Asia, there has relatively been little exploration in European studies of the articulation of labor and family migrations through the lens of social reproduction. However, connecting the different types of migration enables us to achieve a more complex understanding of care trajectories and their contribution to social reproduction.

Design and Flux-Weakening Control of an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor for Electric Vehicles

Permanent magnet synchronous motors (PMSMs) provide a competitive technology for EV traction drives owing to their high power density and high efficiency. In this paper, three types of interior PMSMs with different PM arrangements are modeled by the finite element method (FEM). For a given amount of permanent magnet materials, the V-shape interior PMSM is found better than the U-shape and the conventional rotor topologies for EV traction drives. Then the V-shape interior PMSM is further analyzed with the effects of stator slot opening and the permanent magnet pole chamfering on cogging torque and output torque performance. A vector-controlled flux-weakening method is developed and simulated in Matlab to expand the motor speed range for EV drive system. The results show good dynamic and steady-state performance with a capability of expanding speed up to four times of the rated. A prototype of the V-shape interior PMSM is also manufactured and tested to validate the numerical models built by the FEM.

Development and regeneration of neuronal circuits in the vertebrate retina

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08