Synchronization in a lattice model of pulse-coupled oscillators

We analyze the collective behavior of a lattice model of pulse-coupled oscillators. By means of computer simulations we find the relation between the intrinsic dynamics of each member of the population and their mutual interactions that ensures, in a general context, the existence of a fully synchronized regime. This condition turns out to be the same as that obtained for the globally coupled population. When the condition is not completely satisfied we find different spatial structures. This also gives some hints about self-organized criticality.

Pulse wave analysis aortic pressure . distole should also be considered

La rigidité anormalement haute des artères à grande conductance est un marqueur de l'augmentation du risque cardiovasculaire et est typiquement retrouvée chez les patients diabétiques ou hypertendus. Ces vaisseaux deviennent plus rigides avec l'âge, expliquant la haute prévalence d'hypertension systolique chez les personnes âgées. Cette rigidification agit sur la pression sanguine de plusieurs façons. Notamment la fonction windkessel est gênée, menant à l'augmentation de la pression systolique et de la pression puisée, la diminution de la pression diastolique, et ainsi à l'augmentation de la postcharge ventriculaire gauche associée à une probable diminution de la perfusion coronarienne. De plus, la propagation des ondes de pression le long de l'arbre vasculaire est accélérée, de sorte que les ondes réfléchies générées au site de décalage d'impédance atteignent l'aorte ascendante plus tôt par rapport au début de l'éjection ventriculaire, aboutissant à une augmentation de la pression systolique centrale, ce qui n'arriverait pas en présence de vaisseaux moins rigides. Dans ce cas, au contraire, les ondes de pression antérogrades et réfléchies voyages plus lentement, de sorte que les ondes de réflexion tendent à atteindre l'aorte centrale une fois l'éjection terminée, augmentant la pression diastolique et contribuant à la perfusion coronarienne. La tonométrie d'applanation est une méthode non invasive permettant l'évaluation de la forme de l'onde de pression au niveau l'aorte ascendante, basée sur l'enregistrement du pouls périphérique, au niveau radial dans notre étude. Nous pouvons dériver à partir de cette méthode un index d'augmentation systolique (sAIX) qui révèle quel pourcentage de la pression centrale est du aux ondes réfléchies. Plusieurs études ont montré que cet index est corrélé à d'autres mesures de la rigidité artérielle comme la vitesse de l'onde de pouls, qu'il augmente avec l'âge et avec les facteurs de risques cardiovasculaires, et qu'il est capable de préciser le pronostic cardiovasculaire. En revanche, peu d'attention a été portée à l'augmentation de la pression centrale diastolique due aux ondes réfléchies (dAIX). Nous proposons donc de mesurer cet index par un procédé d'analyse développé dans notre laboratoire, et ce dans la même unité que l'index systolique. Etant donné que les modifications de la paroi artérielle modulent d'une part la vitesse de l'onde de pouls (PWV) et d'autre part le temps de voyage aller-retour des ondes de pression réfléchies aux sites de réflexion, toute augmentation de la quantité d'énergie réfléchie atteignant l'aorte pendant la systole devrait être associée à une diminution de l'énergie arrivant au même point pendant la diastole. Notre étude propose de mesurer ces deux index, ainsi que d'étudier la relation de l'index d'augmentation diastolique (dAIX) avec la vitesse de propagation de l'onde de pouls (PWV) et avec le rythme cardiaque (HR), ce dernier étant connu pour influencer l'index d'augmentation systolique (sAIX) . L'influence de la position couchée et assise est aussi étudiée. Les mesures de la PWV et des sAIX et dAIX est réalisée chez 48 hommes et 45 femmes âgées de 18 à 70 ans, classés en 3 groupes d'âges. Les résultats montrent qu'en fonction de l'âge, le genre et la position du corps, il y a une relation inverse entre sAIX et dAIX. Lorsque PWV et HR sont ajoutés comme covariables à un modèle de prédiction comprenant l'âge, le genre et la position du corps comme facteurs principaux, sAIX est directement lié à PWV (p<0.0001) et inversement lié à HR (p<0.0001). Avec la même analyse, dAIX est inversement lié à PWV (p<0.0001) et indépendant du rythme cardiaque (p=0.52). En conclusion, l'index d'augmentation diastolique est lié à la rigidité vasculaire au même degré que l'index d'augmentation systolique, alors qu'il est affranchi de l'effet confondant du rythme cardiaque. La quantification de l'augmentation de la pression aortique diastolique due aux ondes réfléchies pourrait être une partie utile de l'analyse de l'onde de pouls.

Pattern selection in a lattice of pulse-coupled oscillators

We study spatio-temporal pattern formation in a ring of N oscillators with inhibitory unidirectional pulselike interactions. The attractors of the dynamics are limit cycles where each oscillator fires once and only once. Since some of these limit cycles lead to the same pattern, we introduce the concept of pattern degeneracy to take it into account. Moreover, we give a qualitative estimation of the volume of the basin of attraction of each pattern by means of some probabilistic arguments and pattern degeneracy, and show how they are modified as we change the value of the coupling strength. In the limit of small coupling, our estimative formula gives a pefect agreement with numerical simulations.

Mechanisms of synchronization and pattern formation in a lattice of pulse-coupled oscillators

We analyze the physical mechanisms leading either to synchronization or to the formation of spatiotemporal patterns in a lattice model of pulse-coupled oscillators. In order to make the system tractable from a mathematical point of view we study a one-dimensional ring with unidirectional coupling. In such a situation, exact results concerning the stability of the fixed of the dynamic evolution of the lattice can be obtained. Furthermore, we show that this stability is the responsible for the different behaviors.

Bilateral symmetry of radial pulse in high-level tennis players : implications for the validity of central aortic pulse wave analysis

Rapport de synthèse Ce travail de thèse s'articule autour de l'importance de l'évaluation de la fonction vasculaire et des répercussions au niveau central, cardiaque, des perturbations du réseau vasculaire. Les maladies cardiovasculaires sont prédominantes dans notre société et causes de morbidité et mortalité importante. La mesure de la pression artérielle classique reste le moyen le plus utilisé pour suivre la santé des vaisseaux, mais ne reflète pas directement ce qui se passe au niveau du coeur. La tonométrie d'aplanation permet depuis quelques années de mesurer l'onde de pouls radial, et par le biais d'une fonction mathématique de transfert validée, il est possible d'en déduire la forme et Γ amplitude de l'onde de pouls central, donc de la pression aortique centrale. Cette dernière est un reflet bien plus direct de la post-charge cardiaque, et de nombreuses études cliniques actuelles s'intéressent à cette mesure pour stratifier le risque ou évaluer l'effet d'un traitement vasculaire. Toutefois, bien que cet outil soit de plus en plus utilisé, il est rarement précisé si la latéralité de la mesure joue un rôle, sachant que certaines propriétés des membres supérieurs peuvent être affectées par un usage préférentiel (masse musculaire, densité osseuse, diamètre des artères, capillarisation musculaire, et même fonction endothéliale). On a en effet observé que ces divers paramètre étaient tous augmentés sur un bras entraîné. Dès lors on peut se poser la question de l'influence de ces adaptations physiologiques sur la mesure indirecte effectuée par le biais du pouls radial. Nous avons investigué les deux membres supérieurs de sujets jeunes et sédentaires (SED), ainsi que ceux de sujets sportifs avec un développement fortement asymétrique des bras, soit des joueurs de tennis de haut niveau (TEN). Des mesures anthropométriques incluant la composition corporelle et la circonférence des bras et avant-bras ont montré que TEN présente une asymétrie hautement significative aux deux mesures entre le bras dominant (entraîné) et l'autre, ce qui est aussi présent pour la force de serrage (mesurée au dynamomètre de Jamar). L'analyse des courbes centrales de pouls ne montre aucune différence entre les deux membres dans chaque groupe, par contre on peut observer une différence entre SED et TEN, avec un index d'augmentation diastolique qui est 50 % plus élevé chez TEN. Les index d'augmentation systolique sont identiques dans les deux groupes. On peut retenir de cette étude la validité de la méthode de tonométrie d'aplanation quel que soit le bras utilisé (dominant ou non-dominant) et ce même si une asymétrie conséquente est présente. Ces données sont clairement nouvelles et permettent de s'affranchir de cette variable dans la mesure d'un paramètre cardiovasculaire dont l'importance est actuellement grandissante. Les différences d'index diastolique sont expliquées par la fréquence cardiaque et la vitesse de conduction de l'onde de pouls plus basses chez TEN, causant un retard diastolique du retour de l'onde au niveau central, phénomène précédemment bien décrit dans la littérature.

Pulse pressure variation-guided fluid therapy after cardiac surgery: A pilot before-and-after trial.

PURPOSE: The aim of this study is to study the feasibility, safety, and physiological effects of pulse pressure variation (PPV)-guided fluid therapy in patients after cardiac surgery. MATERIALS AND METHODS: We conducted a pilot prospective before-and-after study during mandatory ventilation after cardiac surgery in a tertiary intensive care unit. We introduced a protocol to deliver a fluid bolus for a PPV ≥13% for at least >10 minutes during the intervention period. RESULTS: We studied 45 control patients and 53 intervention patients. During the intervention period, clinicians administered a fluid bolus on 79% of the defined PPV trigger episodes. Median total fluid intake was similar between 2 groups during mandatory ventilation (1297 mL [interquartile range 549-1968] vs 1481 mL [807-2563]; P = .17) and the first 24 hours (3046 mL [interquartile range 2317-3982] vs 3017 mL [2192-4028]; P = .73). After adjusting for several baseline factors, PPV-guided fluid management significantly increased fluid intake during mandatory ventilation (P = .004) but not during the first 24 hours (P = .47). Pulse pressure variation-guided fluid therapy, however, did not significantly affect hemodynamic, renal, and metabolic variables. No serious adverse events were noted. CONCLUSIONS: Pulse pressure variation-guided fluid management was feasible and safe during mandatory ventilation after cardiac surgery. However, its advantages may be clinically small.

Ectodysplasin A (EDA)-EDA receptor signalling and its pharmacological modulation

L'ectodysplasine Al (EDA1 ou EDA), un ligand de la famille du TNF, et son récepteur EDAR favorisent le développement des poils, des dents et de plusieurs types de glandes. Chez l'humain, une déficience en EDA cause une dysplasie ectodermique liée à l'X, caractérisée par la genèse défectueuse des phanères. Les souris Tabby, déficientes en Eda, présentent des symptômes similaires. Nous démontrons que les souris Tabby sont en moyenne 7% plus légères que les contrôles au moment du sevrage. Ce phénotype ne dépend pas du génotype des petits, mais exclusivement de celui de la mère, suggérant que l'absence d'EDA perturbe la fonction mammaire. La glande mammaire se développe en plusieurs étapes, principalement à la puberté et pendant la grossesse. Nous avons généré des anticorps pour activer ou inhiber la signalisation d'EDAR. Les anticorps agonistes corrigent le développement de souris ou de chiens déficients en EDA, alors que les antagonistes provoquent une dysplasie ectodermique chez les souris saines. L'exposition répétée de souris Tabby aux anticorps agonistes après le sevrage accroît la taille et la fonction des glandes sébacées, démonstration pharmacologique qu'EDA contrôle l'homéostasie de la glande sébacée adulte. Ces outils seront utiles pour étudier la fonction d'EDA aux diverses étapes du développement de la glande mammaire. Fc-EDAl, un stimulateur d'EDAR, est en phase d'évaluation clinique. Nous avons montré que les structures dépendantes d'EDA qui se forment à différentes étapes du développement répondent à l'action du Fc-EDAl dans des fenêtres temporelles étroites ou larges. De plus, certaines structures peuvent être induites plusieurs jours après le début naturel de leur formation. Alors que la plupart des structures se forment suite à un seul jour d'activation d'EDAR, d'autre demandent un temps de stimulation plus long. La formation des dents est régulée par des signaux activateurs et inhibiteurs. Une forte stimulation d'EDAR spécifiquement appliquée aux deux premières molaires induit des signaux négatifs qui avortent la formation de la troisième molaire, alors qu'une forte stimulation donnée à la troisième molaire la rend hypertrophique tout en induisant parfois une quatrième molaire jamais observée chez les souris de type sauvage ou Tabby. EDA est donc un activateur important de la formation dentaire. Pris dans leur ensemble, ces résultats ont des implications pour la thérapie des dysplasies ectodermiques. - The TNF family ligand Ectodysplasin Al (EDA1 or EDA) and its receptor ED AR regulate embryonic development of hair, teeth and several types of glands. In humans, EDA mutations cause X-linked hypohidrotic ectodermal dysplasia (XLHED), a condition characterized by defective development of skin appendages. £da-deficient (Tabby) mice suffer from similar defects. We observed that Tabby pups at weaning were on average 7% smaller than WT controls, a phenotype that was curiously not linked to the genotype of pups, but to that of mothers, suggesting decreased mammary gland function in the absence of EDA. Mammary glands develop in several steps, most of which are post-natal. We generated monoclonal antibodies to block or activate EDAR signaling. Agonist antibodies rescued developmental defects when administered timely in £cfo-deficient mice and dogs, whereas blocking antibodies induced ectodermal dysplasia in WT mice. Agonist antibodies administered after weaning in £da-deficient mice for several months markedly increased both size and function of sebaceous glands, providing the first demonstration that pharmacological activation of the EDAR pathway in adults can correct important aspects of the dry skin phenotype. This also highlights a role for EDA1 in the homeostasis of adult sebaceous glands. These tools will be useful to study the function of EDA 1 at different stages of mammary gland development. Another EDAR agonist, Fc-EDAl, is currently evaluated in clinical trials. We found that EDA 1-dependent structures forming at different time points during development can respond to Fc-EDAl during time response windows that are narrow or wide. Also, some structures can be triggered up to several days after their normal time of induction. While most structures could be rescued by a single day of EDAR signaling, others required longer exposure times to form. Tooth formation is regulated by activating and inhibitory signals that impact one on the other. When strong EDAR signals were specifically given to the first two molars, overwhelming inhibitory signals completely inhibited formation of the third molar. In contrast, strong signals specifically given to the third molar induced hypertrophy of the later with occasional appearance of a fourth molar never observed in WT or £da-deficient mice. This clearly positions EDA as an important activating signal in tooth formation. Taken together, these results have implications for the therapy of ectodermal dysplasias.

Modulation of the c-Jun N-terminal kinase activity in the embryonic heart in response to anoxia-reoxygenation: involvement of the Ca2+ and mitoKATP channels.

Whether the response of the fetal heart to ischemia-reperfusion is associated with activation of the c-Jun N-terminal kinase (JNK) pathway is not known. In contrast, involvement of the sarcolemmal L-type Ca2+ channel (LCC) and the mitochondrial KATP (mitoKATP) channel has been established. This work aimed at investigating the profile of JNK activity during anoxia-reoxygenation and its modulation by LCC and mitoK(ATP) channel. Hearts isolated from 4-day-old chick embryos were submitted to anoxia (30 min) and reoxygenation (60 min). Using the kinase assay method, the profile of JNK activity in the ventricle was determined every 10 min throughout anoxia-reoxygenation. Effects on JNK activity of the LCC blocker verapamil (10 nM), the mitoK(ATP) channel opener diazoxide (50 microM) and the blocker 5-hydroxydecanoate (5-HD, 500 microM), the mitochondrial Ca2+ uniporter (MCU) inhibitor Ru360 (10 microM), and the antioxidant N-(2-mercaptopropionyl) glycine (MPG, 1 mM) were determined. In untreated hearts, JNK activity was increased by 40% during anoxia and peaked fivefold relative to basal level after 30-40 min reoxygenation. This peak value was reduced by half by diazoxide and was tripled by 5-HD. Furthermore, the 5-HD-mediated stimulation of JNK activity during reoxygenation was abolished by diazoxide, verapamil or Ru360. MPG had no effect on JNK activity, whatever the conditions. None of the tested pharmacological agents altered JNK activity under basal normoxic conditions. Thus, in the embryonic heart, JNK activity exhibits a characteristic pattern during anoxia and reoxygenation and the respective open-state of LCC, MCU and mitoKATP channel can be a major determinant of JNK activity in a ROS-independent manner.

Effect of olive oil on early and late events of colon carcinogenesis in rats: modulation of arachidonic acid metabolism and local prostaglandin E2 synthesis.

BACKGROUND Animal model studies have shown that the colon tumour promoting effect of dietary fat depends not only on the amount but on its fatty acid composition. With respect to this, the effect of n9 fatty acids, present in olive oil, on colon carcinogenesis has been scarcely investigated. AIMS To assess the effect of an n9 fat diet on precancer events, carcinoma development, and changes in mucosal fatty acid composition and prostaglandin (PG)E2 formation in male Sprague-Dawley rats with azoxymethane induced colon cancer. METHODS Rats were divided into three groups to receive isocaloric diets (5% of the energy as fat) rich in n9, n3, or n6 fat, and were administered azoxymethane subcutaneously once a week for 11 weeks at a dose rate of 7.4 mg/kg body weight. Vehicle treated groups received an equal volume of normal saline. Groups of animals were colectomised at weeks 12 and 19 after the first dose of azoxymethane or saline. Mucosal fatty acids were assessed at 12 and 19 weeks. Aberrant crypt foci and the in vivo intracolonic release of PGE2 were assessed at week 12, and tumour formation at week 19. RESULTS Rats on the n6 diet were found to have colonic aberrant crypt foci and adenocarcinomas more often than those consuming either the n9 or n3 diet. There were no differences between the rats on the n9 and n3 diets. On the other hand, administration of both n9 and n3 diets was associated with a decrease in mucosal arachidonate concentrations as compared with the n6 diet. Carcinogen treatment induced an appreciable increase in PGE2 formation in rats fed the n6 diet, but not in those fed the n3 and n9 diets. CONCLUSIONS Dietary olive oil prevented the development of aberrant crypt foci and colon carcinomas in rats, suggesting that olive oil may have chemopreventive activity against colon carcinogenesis. These effects may be partly due to modulation of arachidonic acid metabolism and local PGE2synthesis.

Different modulation of adipocytokine expression in four main white adipose tissue sites in the rat: mesenteric, perigonadal, retroperitoneal and subcutaneous

White adipose tissue (WAT) is a disperse organ acting as energy storage depot and endocrine/paracrine controlling factor in the management of energy availability and inflammation. WAT sites response under energy-related stress is not uniform. In the present study we have analyzed how different WAT sites respond to limited food restriction as a way to better understand the role of WAT in the pathogenesis of the metabolic syndrome.

Enhanced pulse propagation in non-linear arrays of oscillators

The propagation of a pulse in a nonlinear array of oscillators is influenced by the nature of the array and by its coupling to a thermal environment. For example, in some arrays a pulse can be speeded up while in others a pulse can be slowed down by raising the temperature. We begin by showing that an energy pulse (one dimension) or energy front (two dimensions) travels more rapidly and remains more localized over greater distances in an isolated array (microcanonical) of hard springs than in a harmonic array or in a soft-springed array. Increasing the pulse amplitude causes it to speed up in a hard chain, leaves the pulse speed unchanged in a harmonic system, and slows down the pulse in a soft chain. Connection of each site to a thermal environment (canonical) affects these results very differently in each type of array. In a hard chain the dissipative forces slow down the pulse while raising the temperature speeds it up. In a soft chain the opposite occurs: the dissipative forces actually speed up the pulse, while raising the temperature slows it down. In a harmonic chain neither dissipation nor temperature changes affect the pulse speed. These and other results are explained on the basis of the frequency vs energy relations in the various arrays

Dynamic modulation of CCR7 expression and function on naive T lymphocytes in vivo.

The chemokine receptor CCR7 is critical for the recirculation of naive T cells. It is required for T cell entry into secondary lymphoid organs (SLO) and for T cell motility and retention within these organs. How CCR7 activity is regulated during these processes in vivo is poorly understood. Here we show strong modulation of CCR7 surface expression and occupancy by the two CCR7 ligands, both in vitro and in vivo. In contrast to blood, T cells in SLO had most surface CCR7 occupied with CCL19, presumably leading to continuous signaling and cell motility. Both ligands triggered CCR7 internalization in vivo as shown in Ccl19(-/-) and plt/plt mice. Importantly, CCR7 occupancy and down-regulation led to strongly impaired chemotactic responses, an effect reversible by CCR7 resensitization. Therefore, during their recirculation, T cells cycle between states of free CCR7 with high ligand sensitivity in blood and occupied CCR7 associated with continual signaling and reduced ligand sensitivity within SLO. We propose that these two states of CCR7 are important to allow the various functions CCR7 plays in T cell recirculation.