Adaptation de la phase de planification et d’initiation du mouvement d’atteinte visuellement guidé à différentes dissociations visuomotrices.

L’hypothèse générale de ce projet soutient que le système moteur doit performer des transformations sensorimotrices afin de convertir les entrées sensorielles, concernant la position de la cible à atteindre, en commande motrice, afin de produire un mouvement du bras et de la main vers la cible à atteindre. Ce type de conversion doit être fait autant au niveau de la planification du mouvement que pour une éventuelle correction d’erreur de planification ou d’un changement inopiné de la position de la cible. La question de recherche du présent mémoire porte sur le ou les mécanismes, circuits neuronaux, impliqués dans ce type de transformation. Y a-t-il un seul circuit neuronal qui produit l’ensemble des transformations visuomotrices entre les entrées sensorielles et les sorties motrices, avant l’initiation du mouvement et la correction en temps réel du mouvement, lorsqu’une erreur ou un changement inattendu survient suite à l’initiation, ou sont-ils minimalement partiellement indépendants sur le plan fonctionnel? L’hypothèse de travail suppose qu’il n’y ait qu’un seul circuit responsable des transformations sensorimotrices, alors l’analyse des résultats obtenus par les participants devrait démontrer des changements identiques dans la performance pendant la phase de planification du mouvement d’atteinte et la phase de correction en temps réel après l’adaptation à des dissociations sensorimotrices arbitraires. L’approche expérimentale : Dans la perspective d’examiner cette question et vérifier notre hypothèse, nous avons jumelé deux paradigmes expérimentaux. En effet, les mouvements d’atteinte étaient soumis à une dissociation visuomotrice ainsi qu’à de rares essais composés de saut de cible. L’utilisation de dissociation visuomotrice permettait d’évaluer le degré d’adaptation des mécanismes impliqués dans le mouvement atteint. Les sauts de cible avaient l’avantage de permettre d’examiner la capacité d’adaptation à une dissociation visuomotrice des mécanismes impliqués dans la correction du mouvement (miroir : sur l’axe y, ou complète : inversion sur les axes x et y). Les résultats obtenus lors des analyses effectuées dans ce mémoire portent exclusivement sur l’habileté des participants à s’adapter aux deux dissociations visuomotrices à la première phase de planification du mouvement. Les résultats suggèrent que les mécanismes de planification du mouvement possèdent une grande capacité d’adaptation aux deux différentes dissociations visuomotrices. Les conclusions liées aux analyses présentées dans ce mémoire suggèrent que les mécanismes impliqués dans la phase de planification et d’initiation du mouvement parviennent relativement bien à s’adapter aux dissociations visuomotrices, miroir et inverse. Bien que les résultats démontrent une certaine distinction, entre les deux groupes à l’étude, quant aux délais nécessaires à cette adaptation, ils illustrent aussi un taux d’adaptation finale relativement similaire. L’analyse des réponses aux sauts de cible pourra être comparée aux résultats présentés dans ce mémoire afin de répondre à l’hypothèse de travail proposée par l’objectif initial de l’étude.

Étude du contrôle postural quasi-statique et dynamique en position debout des personnes ayant une lésion médullaire incomplète.

L’atteinte sensorimotrice découlant d’une lésion médullaire traumatique affecte la capacité à se tenir debout de façon sécuritaire. Chez les individus ayant une lésion médullaire incomplète, les chutes lors des tâches locomotrices sont fréquentes après la réadaptation, entraînant des blessures qui affectent la participation sociale et la qualité de vie. Une meilleure compréhension du contrôle postural en clinique aiderait à cibler des interventions efficaces à ce niveau. L’objectif général de cette thèse était donc d’étudier le contrôle postural debout lors de tâches variées chez les personnes avec lésion médullaire traumatique en utilisant une approche biomécanique. Les objectifs spécifiques étaient d’étudier divers aspects du contrôle postural en lien avec chacune des tâches et d’identifier les variables prédictives de la stabilité. Vingt-cinq (25) personnes ayant une lésion médullaire traumatique incomplète ont été recrutées. Elles ont été évaluées au laboratoire d’analyse de mouvement lors du maintien de la station debout quasi-statique yeux ouverts et fermés, de l’exécution d’un test des limites de stabilité multidirectionnelles, de la marche naturelle et de l’initiation et l’arrêt de la marche. Des mesures biomécaniques caractérisant le déplacement du centre de pression (COP) ainsi que le modèle du contrôle postural dynamique des forces stabilisantes et déstabilisantes ont été utilisés pour comparer le contrôle postural des patients à celui d’un groupe formé de 33 personnes en santé. Les résultats ont montré une diminution du contrôle postural quasi-statique et dynamique chez les personnes ayant une lésion médullaire comparativement aux personnes en santé. Cette diminution s’accompagnait d’une contribution élevée des informations visuelles à la station debout quasi-statique qui était associée au score du mini BESTest. Le déplacement du COP lors du test des limites de stabilité multidirectionnelle se caractérisait par une difficulté à suivre la direction indiquée. Ce manque de précision causait une augmentation du trajet nécessaire pour atteindre la distance maximale dans chacune des directions. Les résultats au maintien de la station debout quasi-statique et au test des limites de stabilité multidirectionnelle n’étaient pas corrélés. La phase unipodale de la marche des personnes ayant une lésion médullaire différait de celle des personnes en santé par une force stabilisante maximale moindre et une force déstabilisante plus grande alors que l’arrêt de la marche se révélait plus instable que l’initiation de la marche chez les personnes ayant une lésion médullaire. Pour l’ensemble des tâches de marche, la vitesse du COM et la distance entre le COP et la base de support étaient les facteurs explicatifs principaux des forces stabilisantes et déstabilisantes. En somme, les résultats confirment l’impression clinique d’une atteinte générale du contrôle postural debout des personnes ayant une lésion médullaire; ils en précisent les caractéristiques et ciblent les paramètres à considérer dans la rééducation.

Le délai entre le traumatisme médullaire et la chirurgie a-t-il un impact sur la survenue de complications durant la phase aigüe d’hospitalisation

Le délai optimal entre une lésion médullaire traumatique (LMT) et la chirurgie demeure indéterminé. Cependant, la relation entre la prévention de complications et le délai chirurgical n’a jamais été spécifiquement étudiée. L’objectif principal de ce travail était de détecter si les taux de complications chez des LMT étaient associés avec le délai chirurgical. L’objectif secondaire était d’identifier si le délai chirurgical est un prédicteur indépendant de la survenue de complications. Un premier article présente l’analyse d’une cohorte rétrospective de 431 LMTs. Une chirurgie réalisée dans un délai inférieur à 24h (ou inférieur à 72h si un délai de 24h ne peut être respecté) prédisait une diminution du taux de l’ensemble des complications, du taux de pneumonies et du taux de plaies de pression. Les autres facteurs prédictifs de complications identifiés étaient : l’âge, la sévérité de l’atteinte neurologique de la lésion selon l’échelle ASIA, un traumatisme cervical plutôt que thoracique, la présence de comorbidités, la sévérité du traumatisme selon l’échelle ISS et la complexité de la chirurgie. Les connaissances actuelles suggèrent qu’une opération chirurgicale rapide n’a que peu d’effet sur la récupération neurologique chez les LMTs complètes (interruption complète des fonctions sensorimotrices). Pour cette raison, notre second article analyse l’impact du délai chirurgical sur la survenue des complications à partir d’une sous-population de 197 LMTs complètes de notre cohorte. Un délai chirurgical supérieur à 24h prédisait une augmentation des complications, notamment les pneumonies et les infections urinaires. Bien que des études prospectives randomisées sont nécessaires pour confirmer nos conclusions, nos études supportent un délai chirurgical rapide afin de diminuer le taux de complications non neurologiques chez les LMTs.

Transfert et traitement de l’information visuomotrice dans le cerveau autiste : intégrité et hétérogénéité

En plus de la triade de symptômes caractérisant l’autisme, ce trouble neurodévelopmental est associé à des particularités perceptives et motrices et, au niveau cérébral, par une connectivité atypique entre les différentes régions du cerveau. Au niveau anatomique, un des résultats les plus communs est la réduction du corps calleux. Toutefois, des effets directs de cette altération anatomique sur l’intégrité et l’efficacité du transfert interhémisphérique restent à être démontrés. Pour la présente thèse, trois différentes études investiguent différents aspects du traitement de l’information visuomotrice : le transfert interhémisphérique entre les régions bilatérales motrices et visuelles, la vitesse de traitement perceptif, et les habiletés motrices visuellement guidées. Dans la première étude, le paradigme visuomoteur de Poffenberger a été utilisé pour mesurer le temps de transfert interhémisphérique (TTIH). L’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) et structurale ainsi que l’imagerie de diffusion ont aussi été utilisées pour étudier les réseaux cérébraux impliqués dans la tâche de Poffenberger. Les autistes ont été comparés à un groupe d’individus à développement typique. La deuxième étude avait pour but d’investiguer la vitesse de traitement perceptif en autisme. Dans la troisième étude, deux tâches motrices (Purdue et Annett) ont été utilisées pour examiner la nature et l’importance des déficits moteurs. La tâche de Purdue inclut deux conditions bimanuelles utilisées comme indice additionnel d’intégration interhémisphérique. Dans les études 2 et 3, le groupe d’autistes a aussi été comparé à un groupe d’individus Asperger afin de voir si, et comment, les deux sous-groupes peuvent être distingués en ce qui concerne le traitement visuel et les déficits moteurs. Aucune différence entre les groupes n’a été observée en termes de TTIH. Les résultats de l’étude IRMf révèlent des différences d’activations corticales en lien avec la tâche de Poffenberger. Dans les groupes d’autistes et de typiques, l’efficacité de la communication interhémisphérique était associée à différentes portions du corps calleux (frontales/motrices chez les typiques, postérieures/visuelles chez les autistes). De façon globale, les résultats de cette étude démontrent un patron atypique de transfert interhémisphérique de l’information visuomotrice en autisme, reflétant un rôle plus important des mécanismes visuels dans le comportement sensorimoteur possiblement en lien avec une réorganisation cérébrale. Les résultats des études comportementales 2 et 3 indiquent que les autistes excellent dans la tâche mesurant la vitesse de traitement perceptif alors que les Asperger accomplissent la tâche à des niveaux similaires à ceux des typiques. La nature des déficits moteurs diffère aussi entre les deux sous-groupes; la dextérité et la coordination bimanuelle est affectée chez les individus Asperger mais pas chez les autistes, qui eux sont plus atteints au niveau de la rapidité unimanuelle. Les sous-groupes d’autistes et de syndrome d’Asperger sont caractérisés par des profils cognitifs différents dont les particularités perceptives et motrices font partie intégrante.

Le GABA comme marqueur de récupération suite à une commotion cérébrale dans le sport ?

L’association démontrée récemment entre les commotions cérébrales dans le sport et le développement possible de maladies neurodégénératives a suggéré la possibilité que des altérations persistantes soient présentes dans le cerveau de l’athlète commotionné. En fait, des altérations neurophysiologiques ont récemment été révélées au sein du cortex moteur primaire (M1) d’athlètes ayant un historique de commotions via la stimulation magnétique transcrânienne (SMT). Plus précisément, la période silencieuse corticale (PSC), une mesure d’inhibition liée aux récepteurs GABAB, était anormalement élevée, et cette hyper-inhibition était présente jusqu’à 30 ans post-commotion. La PSC, et possiblement le GABA, pourraient donc s’avérer des marqueurs objectifs des effets persistants de la commotion cérébrale. Toutefois, aucune étude à ce jour n’a directement évalué les niveaux de GABA chez l’athlète commotionné. Ainsi, les études cliniques et méthodologiques composant le présent ouvrage comportent deux objectifs principaux: (1) déterminer si l’inhibition excessive (GABA et PSC) est un marqueur des effets persistants de la commotion cérébrale; (2) déterminer s’il est possible de moduler l’inhibition intracorticale de façon non-invasive dans l’optique de développer de futurs avenues de traitements. L’article 1 révèle une préservation des systèmes sensorimoteurs, somatosensoriels et de l’inhibition liée au GABAA chez un groupe d’athlètes universitaires asymptomatiques ayant subi de multiples commotions cérébrales en comparaison avec des athlètes sans historique connu de commotion cérébrale. Cependant, une atteinte spécifique des mesures liées au système inhibiteur associé aux récepteurs GABAB est révélée chez les athlètes commotionnés en moyenne 24 mois post-commotion. Dans l’article 2, aucune atteinte des mesures SMT liées au système inhibiteur n’est révélée en moyenne 41 mois après la dernière commotion cérébrale chez un groupe d’athlètes asymptomatiques ayant subi 1 à 5 commotions cérébrales. Bien qu’aucune différence entre les groupes n’est obtenue quant aux concentrations de GABA et de glutamate dans M1 via la spectroscopie par résonance magnétique (SRM), des corrélations différentielles suggèrent la présence d’un déséquilibre métabolique entre le GABA et le glutamate chez les athlètes commotionnés. L’article 3 a démontré, chez des individus en bonne santé, un lien entre la PSC et la transmission glutamatergique, ainsi que le GABA et le glutamate. Ces résultats suggèrent que la PSC ne reflète pas directement les concentrations du GABA mesurées par la SRM, mais qu’un lien étroit entre la GABA et le glutamate est présent. L’article 4 a démontré la possibilité de moduler la PSC avec la stimulation électrique transcrânienne à courant direct (SÉTcd) anodale chez des individus en santé, suggérant l’existence d’un potentiel thérapeutique lié à l’utilisation de cette technique. L’article 5 a illustré un protocole d’évaluation des effets métaboliques de la SÉTcd bilatérale. Dans l’article 6, aucune modulation des systèmes GABAergiques révélées par la SMT et la SRM n’est obtenue suite à l’utilisation de ce protocole auprès d’individus en santé. Cet article révèle également que la SÉTcd anodale n’engendre pas de modulation significative du GABA et du glutamate. En somme, les études incluent dans le présent ouvrage ont permis d’approfondir les connaissances sur les effets neurophysiologiques et métaboliques des commotions cérébrales, mais également sur le mécanisme d’action des diverses méthodologies utilisées.

Origine des projections sensorimotrices dans des sous-régions du cortex moteur primaire chez le singe capucin.

Certaines études ont démontrés que les connexions entre l’aire prémotrice ventrale (PMv) et la région de la main du cortex moteur primaire (M1) sont distribuées non-uniformément, ciblant des sous-régions spécifiques dans M1. Dans la présente étude nous avons voulu développer ces résultats en étudiant la distribution au sein de M1 des projections corticales issues de PMv, l’aire prémotrice dorsale (PMd), l’aire motrice supplémentaire (SMA) et les aires pariétales 1, 2 et 5. Pour se faire, nous avons combiné des approches électrophysiologiques et anatomiques chez trois singes naïfs du Nouveau Monde (Cebus apella) pour examiner l’organisation et la spécificité topographique des projections corticales dans M1. Nos résultats indiquent que quatre sous-régions à l’intérieur de la région dédiée à la main reçoivent des inputs prédominants de différentes aires sensorimotrices. Ces résultats suggèrent que des sous-régions de M1 puissent avoir des fonctions spécifiques pour le contrôle moteur de la main et des doigts.

A heuristic algorithm for the Capacitated Vehicle Routing Problem with Synchronized Pick-ups and Drop-offs : a case study for medications delivery and supervision in DR Congo

Dans des contextes de post-urgence tels que le vit la partie occidentale de la République Démocratique du Congo (RDC), l’un des défis cruciaux auxquels font face les hôpitaux ruraux est de maintenir un niveau de médicaments essentiels dans la pharmacie. Sans ces médicaments pour traiter les maladies graves, l’impact sur la santé de la population est significatif. Les hôpitaux encourent également des pertes financières dues à la péremption lorsque trop de médicaments sont commandés. De plus, les coûts du transport des médicaments ainsi que du superviseur sont très élevés pour les hôpitaux isolés ; les coûts du transport peuvent à eux seuls dépasser ceux des médicaments. En utilisant la province du Bandundu, RDC pour une étude de cas, notre recherche tente de déterminer la faisabilité (en termes et de la complexité du problème et des économies potentielles) d’un problème de routage synchronisé pour la livraison de médicaments et pour les visites de supervision. Nous proposons une formulation du problème de tournées de véhicules avec capacité limitée qui gère plusieurs exigences nouvelles, soit la synchronisation des activités, la préséance et deux fréquences d’activités. Nous mettons en œuvre une heuristique « cluster first, route second » avec une base de données géospatiales qui permet de résoudre le problème. Nous présentons également un outil Internet qui permet de visualiser les solutions sur des cartes. Les résultats préliminaires de notre étude suggèrent qu’une solution synchronisée pourrait offrir la possibilité aux hôpitaux ruraux d’augmenter l’accessibilité des services médicaux aux populations rurales avec une augmentation modique du coût de transport actuel.

STUDIES ON THE STRESS FLUCTUATIONS IN SHEARED STOKESIAN SUSPENSIONS USING CHAOS THEORY AND NONLINEAR DYNAMICS

The thesis report results obtained from a detailed analysis of the fluctuations of the rheological parameters viz. shear and normal stresses, simulated by means of the Stokesian Dynamics method, of a macroscopically homogeneous sheared suspension of neutrally buoyant non-Brownian suspension of identical spheres in the Couette gap between two parallel walls in the limit of vanishingly small Reynolds numbers using the tools of non-linear dynamics and chaos theory for a range of particle concentration and Couette gaps. The thesis used the tools of nonlinear dynamics and chaos theory viz. average mutual information, space-time separation plots, visual recurrence analysis, principal component analysis, false nearest-neighbor technique, correlation integrals, computation of Lyapunov exponents for a range of area fraction of particles and for different Couette gaps. The thesis observed that one stress component can be predicted using another stress component at the same area fraction. This implies a type of synchronization of one stress component with another stress component. This finding suggests us to further analysis of the synchronization of stress components with another stress component at the same or different area fraction of particles. The different model equations of stress components for different area fraction of particles hints at the possible existence a general formula for stress fluctuations with area fraction of particle as a parameter

Nonlinear Dynamics of Multiple Quantum Well Lasers: Chaos and Multistability

This thesis presents analytical and numerical results from studies based on the multiple quantum well laser rate equation model. We address the problem of controlling chaos produced by direct modulation of laser diodes. We consider the delay feedback control methods for this purpose and study their performance using numerical simulation. Besides the control of chaos, control of other nonlinear effects such as quasiperiodicity and bistability using delay feedback methods are also investigated.A number of secure communication schemes based on synchronization of chaos semiconductor lasers have been successfully demonstrated theoretically and experimentally. The current investigations in these field include the study of practical issues on the implementations of such encryption schemes. We theoretically study the issues such as channel delay, phase mismatch and frequency detuning on the synchronization of chaos in directly modulated laser diodes. It would be helpful for designing and implementing chaotic encryption schemes using synchronization of chaos in modulated semiconductor lasers.

Bidirectional communication using delay coupled chaotic directly modulated semiconductor lasers

Chaotic synchronization of two directly modulated semiconductor lasers with negative delayed optoelectronic feedback is investigated and this scheme is found to be useful for e±cient bidirectional communication between the lasers. A symmetric bidirec- tional coupling is identified as a suitable method for isochronal synchronization of such lasers. The optimum values of coupling and feedback strength that can provide maxi- mum quality of synchronization are identified. This method is successfully employed for encoding/decoding both analog and digital messages. The importance of a symmetric coupling is demonstrated by studying the variation of decoding efficiency with respect to asymmetric coupling.

Effect of a fluctuating parameter mismatch and the associated time-scales on coupled Rossler oscillators

We study the effect of parameter fluctuations and the resultant multiplicative noise on the synchronization of coupled chaotic systems. We introduce a new quantity, the fluctuation rate Ф as the number of perturbations occurring to the parameter in unit time. It is shown that ϕ is the most significant quantity that determines the quality of synchronization. It is found that parameter fluctuations with high fluctuation rates do not destroy synchronization, irrespective of the statistical features of the fluctuations. We also present a quasi-analytic explanation to the relation between ϕ and the error in synchrony.

Dynamical aspects of coupled Rossler systems: effects of noise

Nonlinear time series analysis is employed to study the complex behaviour exhibited by a coupled pair of Rossler systems. Dimensional analysis with emphasis on the topological correlation dimension and the Kolmogorov entropy of the system is carried out in the coupling parameter space. The regime of phase synchronization is identified and the extent of synchronization between the systems constituting the coupled system is quantified by the phase synchronization index. The effect of noise on the coupling between the systems is also investigated. An exhaustive study of the topological, dynamical and synchronization properties of the nonlinear system under consideration in its characteristic parameter space is attempted.

Dynamics of coupled Josephson junctions under the influence of applied fields

We investigate the effect of the phase difference of appliedfields on the dynamics of mutually coupledJosephsonjunctions. A phase difference between the appliedfields desynchronizes the system. It is found that though the amplitudes of the output voltage values are uncorrelated, a phase correlation is found to exist for small values of applied phase difference. The dynamics of the system is found to change from chaotic to periodic for certain values of phase difference. We report that by keeping the value of phase difference as π, the system continues to be in periodic motion for a wide range of values of system parameters. This result may find applications in devices like voltage standards, detectors, SQUIDS, etc., where chaos is least desired.

RRNS-convolutional encoded concatenated code for OFDM based wireless communication

The modern telecommunication industry demands higher capacity networks with high data rate. Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) is a promising technique for high data rate wireless communications at reasonable complexity in wireless channels. OFDM has been adopted for many types of wireless systems like wireless local area networks such as IEEE 802.11a, and digital audio/video broadcasting (DAB/DVB). The proposed research focuses on a concatenated coding scheme that improve the performance of OFDM based wireless communications. It uses a Redundant Residue Number System (RRNS) code as the outer code and a convolutional code as the inner code. The bit error rate (BER) performances of the proposed system under different channel conditions are investigated. These include the effect of additive white Gaussian noise (AWGN), multipath delay spread, peak power clipping and frame start synchronization error. The simulation results show that the proposed RRNS-Convolutional concatenated coding (RCCC) scheme provides significant improvement in the system performance by exploiting the inherent properties of RRNS.

Ethernet Telemetry for Towed Arrays

The towed array electronics is essentially a multichannel real time data acquisition system. The major challenges involved in it are the simultaneous acquisition of data from multiple channels, telemetry of the data over tow cable (several kilometres in some systems) and synchronization with the onboard receiver for accurate reconstruction. A serial protocol is best suited to transmit the data to onboard electronics since number of wires inside the tow cable is limited. The best transmission medium for data over large distances is the optical fibre. In this a two step approach towards the realization of a reliable telemetry scheme for the sensor data using standard protocols is described. The two schemes are discussed in this paper. The first scheme is for conversion of parallel, time-multiplexed multi-sensor data to Ethernet. Existing towed arrays can be upgraded to ethernet using this scheme. Here the last lap of the transmission is by Ethernet over Fibre. For the next generation of towed arrays it is required to digitize and convert the data to ethernet close to the sensor. This is the second scheme. At the heart of this design is the Analog-to-Ethernet node. In addition to a more reliable interface, this helps in easier fault detection and firmware updates in the field for the towed arrays. The design challenges and considerations for incorporating a network of embedded devices within the array are highlighted