Restoring function after neuromuscular trauma: novel paradigms for enhancing volitional control of neural activity in untethered environments and vHAB, a gamified therapy platform

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

Spike-timing dependent plasticity and connectivity in primate sensorimotor cortex

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

The Use of Mucoadhesive Polymers to Enhance the Hypotensive Effect of a Melatonin Analogue, 5-MCA-NAT, in Rabbit Eyes

Purpose.: 5-Methoxy-carbonylamino-N-acetyltryptamine (5-MCA-NAT, a melatonin receptor agonist) produces a clear intraocular pressure (IOP) reduction in New Zealand White rabbits and glaucomatous monkeys. The goal of this study was to evaluate whether the hypotensive effect of 5-MCA-NAT was enhanced by the presence of cellulose derivatives, some of them with bioadhesive properties, as well as to determine whether these formulations were well tolerated by the ocular surface. Methods.: Formulations were prepared with propylene glycol (0.275%), carboxymethyl cellulose (CMC, 0.5% and 1.0%) of low and medium viscosity and hydroxypropylmethyl cellulose (0.3%). Quantification of 5-MCA-NAT (100 μM) was assessed by HPLC. In vitro tolerance was evaluated by the MTT method in human corneal-limbal epithelial cells and normal human conjunctival cells. In vivo tolerance was analyzed by biomicroscopy and specular microscopy in rabbit eyes. The ocular hypotensive effect was evaluated measuring IOP for 8 hours in rabbit eyes. Results.: All the formulations demonstrated good in vitro and in vivo tolerance. 5-MCA-NAT in CMC medium viscosity 0.5% was the most effective at reducing IOP (maximum IOP reduction, 30.27%), and its effect lasted approximately 7 hours. Conclusions.: The hypotensive effect of 5-MCA-NAT was increased by using bioadhesive polymers in formulations that are suitable for the ocular surface and also protective of the eye in long-term therapies. The use of 5-MCA-NAT combined with bioadhesive polymers is a good strategy in the treatment of ocular hypertension and glaucoma.

A Aplicação da Gestão de Projetos na Indústria Criativa - As Microempresas Nacionais de Animação Digital e Videojogos

Numa sociedade onde a inovação é uma pedra basilar para o sucesso das empresas, a criatividade tornou-se num dos mais valiosos ativos intangíveis e um fator chave decisivo para a generalidade das organizações. Segundo a consultora Augusto Mateus & Associados, com o evoluir da sociedade, todas as indústrias serão “culturais e criativas” (Augusto Mateus & Associados, 2010). As Indústrias Criativas têm vindo a assumir um papel cada vez mais relevante na sociedade atual sendo, nos dias de hoje, uma forte fonte de riqueza e emprego. Uma das áreas que mais se tem revelado através do seu rápido e notório crescimento é o sector da animação e dos videojogos, sendo este atualmente uma das indústrias mais valiosas do mundo. Porém, e apesar desta realidade, a atuação nesta indústria é muitas vezes conturbada, pois o sector caracteriza-se pela elevada competitividade, pelos altos custos de produção e pela grande incerteza. As dificuldades vivenciadas no sector levam a uma crescente preocupação pela procura de métodos de gestão sustentáveis, que permitam reduzir os riscos e a elevada taxa de incerteza. Dado que a maioria das empresas desta área está estruturada por projetos, um dos métodos de gestão mais aplicados é o modelo de gestão de projetos. Contudo, verifica-se que ainda existe uma evidente dificuldade na implementação deste modelo de gestão, em particular, nas empresas pequenas e de estrutura achatada, pois este torna-se muitas vezes burocrático, pesado e difícil de aplicar. Este estudo teve como objetivo principal compreender de forma as empresas nacionais de animação e videojogos gerem os seus projetos, sendo que, para este efeito, foram estudados três casos nacionais: a Nerd Monkeys, a Battlesheep e a Nebula Studios através de uma investigação exploratória dos métodos de gestão de projetos aplicados nas empresas de animação e videojogos. De modo a permitir a recolha da informação necessária para dar respostas aos objetivos definidos para a investigação, foi realizado um questionário e realizadas entrevistas semiestruturadas aos representantes das empresas em estudo. Nesta investigação foi possível aferir que apesar das empresas em estudo aplicarem alguns instrumentos da gestão de projetos, não aplicam nenhum método oficial de forma integral. Apesar de se verificar a utilização de algumas ferramentas de gestão de projetos, os sistemas aplicados dependem na maior parte dos casos do tipo de projeto desenvolvido, existindo algumas variações nos métodos utilizados. Em projetos de tempo mais reduzido e maior simplicidade, verifica-se que a gestão de projetos perde relevância, acabando por muitas vezes não ser aplicada.

ROLE OF THE FRONTAL EYE FIELD, SUPERIOR COLLICULUS, AND BASAL GANGLIA IN FLEXIBLE SACCADE BEHAVIOR

A distributed network of cortical and subcortical brain regions mediates the control of voluntary behavior, but it is unclear how this complex system may flexibly shift between different behavioral events. This thesis describes the neurophysiological changes in several key nuclei across the brain during flexible behavior, using saccadic eye movements in rhesus macaque monkeys. We examined five nuclei critical for saccade initiation and modulation: the frontal eye field (FEF) in the cerebral cortex, the subthalamic nucleus (STN), caudate nucleus (CD), and substantia nigra pars reticulata (SNr) in the basal ganglia (BG), and the superior colliculus (SC) in the midbrain. The first study tested whether a ‘threshold’ theory of how neuronal activity cues saccade initiation is consistent with the flexible control of behavior. The theory suggests there is a fixed level of FEF and SC neuronal activation at which saccades are initiated. Our results provide strong evidence against a fixed saccade threshold in either structure during flexible behavior, and indicate that threshold variability might depend on the level of inhibitory signals applied to the FEF or SC. The next two studies investigated the BG network as a likely candidate to modulate a saccade initiation mechanism, based on strong inhibitory output signals from the BG to the FEF and SC. We investigated the STN and CD (BG input), and the SNr (BG oculomotor output) to examine changes across the BG network. This revealed robust task-contingent shifts in BG signaling (Chapter 3), which uniquely impacted saccade initiation according to behavioral condition (Chapters 3 and 4). The thesis concludes with a published short review of the mechanistic effects of BG deep brain stimulation (Chapter 5), and a general discussion including proof of concept saccade behavioral changes in an MPTP-induced Parkinsonian model (Chapter 6). The studies presented here demonstrate that the conditions for saccade initiation by the FEF and SC vary according to behavioral condition, while simultaneously, large-scale task dependent shifts occur in BG signaling consistent with the observed modulation of FEF and SC activity. Taken together, these describe a mechanistic framework by which the cortico-BG loop may contribute to the flexible control of behavior.

Laminar and cellular distribution of AMPA, kainate, and NMDA receptor subunits in monkey sensory-motor cortex

In situ hybridization histochemistry and immunocytochemistry were used to examine lamina- and cell-specific expression of glutamate receptor (GluR) mRNAs and polypeptide subunits in motor and somatosensory cortex of macaque monkeys. Radioactive complementary RNA (cRNA) probes were prepared from cDNAs specific for α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxozolepropionate (AMPA)/kainate (GluR1-GluR4), kainate (GluR5-GluR7), and N-methylD-aspartate (NMDA; NR1, NR2A-NR2D) receptor subunits. AMPA/kainate and NR1, NR2A, and NR2B receptor transcripts show higher expression than other transcripts. All transcripts show lamina-specific patterns of distribution. GluR2 and GluR4 mRNAs show higher expression than do GluR1 and GluR3 mRNAs. GluR6 transcript expression is higher than that of GluR5 and GluR7. NR1 mRNA expression is much higher than that of NR2 mRNAs. NR2C subunit expression is very low except for a very distinct band of high expression in layer IV of area 3b. Immunocytochemistry, using subunit-specific antisera and double labeling for calbindin, parvalbumin, or α type II Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase (CaMKII-α), allowed identification of cell types expressing different subunit genes. GluR1 and GluR5/6/7 immunoreactivity is found in both pyramidal cells and gamma-amino butyric acid (GABA) cells; GluR2/3 immunoreactivity is preferentially found in pyramidal cells, whereas GluR4 immunoreactivity is largely restricted to GABA cells; NMDA receptor subunit immunoreactivity is far greater in excitatory cells than in GABA cells. The density of expression of AMPA/kainate, kainate, and NMDA receptor subunit mRNAs differed within and across the architectonic fields of sensory-motor cortex. This finding and the lamina- and cell-specific patterns of expression suggest assembly of functional receptors from different arrangements of available subunits in specific neuronal populations.

Estudio conformacional de péptidos modificados de las proteínas STARP, CelTOS, TRSP y SERA 5 de Plasmodium falciparum y su relación con una respuesta inmune en malaria

El desarrollo de una vacuna contra malaria es un área de exploración activa pero con enormes retos debido especialmente a la complejidad del ciclo del parásito. Así, es necesario bloquear las diferentes etapas de la invasión que tiene el Plasmodium falciparum y extraer de ellas la mayor información posible de la artillería que utiliza para su ataque. Para esto, péptidos de las proteínas STARP, CelTOS y TRSP (del esporozoito) y SERA 5 (del merozoito) que tienen alta afinidad de unión a células HepG2 y a glóbulos rojos respectivamente (conocidos como cHABPs), han sido modificados (conocidos como mHABPs), sintetizados y evaluados a nivel de respuesta inmune en monos Aotus así como estudiados en su conformación estructural por RMN de 1H. Los resultados muestran que los péptidos nativos no son inmunogénicos, pero pueden inducir altos títulos de anticuerpos cuando sus residuos críticos o sus vecinos son reemplazados por otro con un volumen y masa similar, pero diferente polaridad. El estudio conformacional pone de manifiesto que las estructuras de los péptidos nativos son diferentes de sus péptidos modificados ya sea que muestren regiones estructuradas más cortas o más largas o que no presenten ninguna, en comparación con sus análogos modificados altamente inmunogénicos. Las características estereoquímicas particulares en las cadenas laterales de algunos residuos de aminoácidos de estos péptidos modificados así como los rasgos fisicoquímicos parecen jugar un rol importante en la respuesta inmune apropiada cuando estos fueron inmunizados en grupos de monos Aotus confiriendo un avance al diseño de una vacuna contra malaria totalmente eficaz.