Dynamic characteristics and adaptability of mouse vestibulo-ocular and optokinetic response eye movements and the role of the flocculo-olivary system revealed by chemical lesions

The dynamic characteristics of reflex eye movements were measured in two strains of chronically prepared mice by using an infrared television camera system. The horizontal vestibulo-ocular reflex (HVOR) and horizontal optokinetic response (HOKR) were induced by sinusoidal oscillations of a turntable, in darkness, by 10° (peak to peak) at 0.11–0.50 Hz and of a checked-pattern screen, in light, by 5–20°at 0.11–0.17 Hz, respectively. The gains and phases of the HVOR and HOKR of the C57BL/6 mice were nearly equivalent to those of rabbits and rats, whereas the 129/Sv mice exhibited very low gains in the HVOR and moderate phase lags in the HOKR, suggesting an inherent sensory-motor anomaly. Adaptability of the HOKR was examined in C57BL/6 mice by sustained screen oscillation. When the screen was oscillated by 10° at 0.17 Hz, which induced sufficient retinal slips, the gain of the HOKR increased by 0.08 in 1 h on average, whereas the stimuli that induced relatively small or no retinal slips affected the gain very little. Lesions of the flocculi induced by local applications of 0.1% ibotenic acid and lesions of the inferior olivary nuclei induced by i.p. injection of 3-acetylpyridine in C57BL/6 mice little affected the dynamic characteristics of the HVOR and HOKR, but abolished the adaptation of the HOKR. These results indicate that the olivo-floccular system plays an essential role in the adaptive control of the ocular reflex in mice, as suggested in other animal species. The data presented provide the basis for analyzing the reflex eye movements of genetically engineered mice.

Dynamic mapping at the laminar level of odor-elicited responses in rat olfactory bulb by functional MRI

We have applied functional MRI (fMRI) based on blood oxygenation level-dependent (BOLD) image-contrast to map odor-elicited olfactory responses at the laminar level in the rat olfactory bulb (OB) elicited by iso-amyl acetate (10−2 dilution of saturated vapor) with spatial and temporal resolutions of 220×220×1,000 μm and 36 s. The laminar structure of the OB was clearly depicted by high-resolution in vivo anatomical MRI with spatial resolution of 110×110×1,000 μm. In repeated BOLD fMRI measurements, highly significant (P < 0.001) foci were located in the outer layers of both OBs. The occurrence of focal OB activity within a domain at the level of individual glomeruli or groups of glomeruli was corroborated on an intra- and inter-animal basis under anesthetized conditions with this noninvasive method. The dynamic studies demonstrated that the odor-elicited BOLD activations were highly reproducible on a time scale of minutes, whereas over tens of minutes the activations sometimes varied slowly. We found large BOLD signal (ΔS/S = 10–30%) arising from the olfactory nerve layer, which is devoid of synapses and composed of unmyelinated fibers and glial cells. Our results support previous studies with other methods showing that odors elicit activity within glomerular layer domains in the mammalian OB, and extend the analysis to shorter time periods at the level of individual glomeruli or groups of glomeruli. With further improvement, BOLD fMRI should be ideal for systematic analysis of the functional significance of individual glomeruli in olfactory information encoding and of spatiotemporal processing within the olfactory system.

Neuronal death in the central nervous system demonstrates a non-fibrin substrate for plasmin

Mice deficient for plasminogen exhibit a variety of pathologies, all of which examined to date are reversed when the animals are also made fibrin(ogen) deficient. These results suggested that the predominant, and perhaps exclusive, physiological role of plasminogen is clearance of fibrin. Plasminogen-deficient mice also display resistance to excitotoxin-induced neurodegeneration, in contrast with wild-type mice, which are sensitive. Based on the genetic interaction between plasminogen and fibrinogen, we investigated whether resistance to neuronal cell death in the plasminogen-deficient mice is dependent on fibrin(ogen). Unexpectedly, mice lacking both plasminogen and fibrinogen are resistant to neurodegeneration to levels comparable to plasminogen-deficient mice. Therefore, plasmin acts on substrates other than fibrin during experimental neuronal degeneration, and may function similarly in other pathological settings in the central nervous system.

Dynamic weighting in Monte Carlo and optimization

Dynamic importance weighting is proposed as a Monte Carlo method that has the capability to sample relevant parts of the configuration space even in the presence of many steep energy minima. The method relies on an additional dynamic variable (the importance weight) to help the system overcome steep barriers. A non-Metropolis theory is developed for the construction of such weighted samplers. Algorithms based on this method are designed for simulation and global optimization tasks arising from multimodal sampling, neural network training, and the traveling salesman problem. Numerical tests on these problems confirm the effectiveness of the method.

Signals and signs in the nervous system: The dynamic anatomy of electrical activity is probably information-rich

The dichotomy between two groups of workers on neuroelectrical activity is retarding progress. To study the interrelations between neuronal unit spike activity and compound field potentials of cell populations is both unfashionable and technically challenging. Neither of the mutual disparagements is justified: that spikes are to higher functions as the alphabet is to Shakespeare and that slow field potentials are irrelevant epiphenomena. Spikes are not the basis of the neural code but of multiple codes that coexist with nonspike codes. Field potentials are mainly information-rich signs of underlying processes, but sometimes they are also signals for neighboring cells, that is, they exert influence. This paper concerns opportunities for new research with many channels of wide-band (spike and slow wave) recording. A wealth of structure in time and three-dimensional space is different at each scale—micro-, meso-, and macroactivity. The depth of our ignorance is emphasized to underline the opportunities for uncovering new principles. We cannot currently estimate the relative importance of spikes and synaptic communication vs. extrasynaptic graded signals. In spite of a preponderance of literature on the former, we must consider the latter as probably important. We are in a primitive stage of looking at the time series of wide-band voltages in the compound, local field, potentials and of choosing descriptors that discriminate appropriately among brain loci, states (functions), stages (ontogeny, senescence), and taxa (evolution). This is not surprising, since the brains in higher species are surely the most complex systems known. They must be the greatest reservoir of new discoveries in nature. The complexity should not deter us, but a dose of humility can stimulate the flow of imaginative juices.

Pleasant sweeping grooming touch in rhesus monkey: effects on autonomic nervous system and its codification in posterior insular and secondary somatosensory cortex

Il tatto assume un'importanza fondamentale nella vita quotidiana, in quanto ci permette di discriminare le caratteristiche fisiche di un oggetto specifico, di identificarlo e di eventualmente integrare le suddette informazioni tattili con informazioni provenienti da altri canali sensoriali. Questa è la componente sensoriale-discriminativa del tatto. Tuttavia quotidianamente il tatto assume un ruolo fondamentale durante le diverse interazioni sociali, positive, come quando abbracciamo o accarezziamo una persona con cui abbiamo un rapporto affettivo e negative, per esempio quando allontaniamo una persona estranea dal nostro spazio peri-personale. Questa componente è la cosiddetta dimensione affettiva-motivazionale, la quale determina la codifica della valenza emotiva che l'interazione assume. Questa componente ci permette di creare, mantenere o distruggere i legami sociali in relazione al significato che il tocco assume durante l'interazione. Se per esempio riceviamo una carezza da un familiare, questa verrà percepita come piacevole e assumerà un significato affiliativo. Questo tipo di tocco è comunente definito come Tocco Sociale (Social Touch). Gli aspetti discriminativi del tatto sono stati ben caratterizzati, in quanto storicamente, il ruolo del tatto è stato considerato quello di discriminare le caratteristiche di ciò che viene toccato, mentre gli aspetti affettivi sono stati solo recentemente indagati considerando la loro importanza nelle interazioni sociali. Il tocco statico responsabile dell'aspetto discriminante attiva a livello della pelle le grandi fibre mieliniche (Aβ), modulando a livello del sistema nervoso centrale le cortecce sensoriali, sia primarie che secondarie. Questo permette la codifica a livello del sistema nervoso centrale delle caratteristiche fisiche oggettive degli oggetti toccati. Studi riguardanti le caratteristiche del tocco affiliativo sociale hanno messo in evidenza che suddetta stimolazione tattile 1) è un particolare tocco dinamico che avviene sul lato peloso delle pelle con una velocità di 1-10 cm/sec; 2) attiva le fibre amieliniche (fibre CT o C-LTMRs); 3) induce positivi effetti autonomici, ad esempio la diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca; e 4) determina la modulazione di regioni cerebrali coinvolte nella codifica del significato affiliativo dello stimolo sensoriale periferico, in particolare la corteccia insulare. Il senso del tatto, con le sue due dimensioni discriminativa e affiliativa, è quotidianamente usato non solo negli esseri umani, ma anche tra i primati non umani. Infatti, tutti i primati non umani utilizzano la componente discriminativa del tatto per identificare gli oggetti e il cibo e l'aspetto emotivo durante le interazioni sociali, sia negative come durante un combattimento, che positive, come durante i comportamenti affiliativi tra cui il grooming. I meccanismi di codifica della componente discriminativa dei primati non umani sono simili a quelli umani. Tuttavia, si conosce ben poco dei meccanismi alla base della codifica del tocco piacevole affiliativo. Pur essendo ben noto che i meccanorecettori amilienici C-LTMRs sono presenti anche sul lato peloso della pelle dei primati non umani, attualmente non ci sono studi riguardanti la correlazione tra il tocco piacevole e la loro modulazione, come invece è stato ampiamente dimostrato nell'uomo. Recentemente è stato ipotizzato (Dunbar, 2010) il ruolo delle fibre C-LTMRs durante il grooming, in particolare durante il cosiddetto swepping. Il grooming è costituito da due azioni motorie, lo sweeping e il picking che vengono eseguite in modo ritmico. Durante lo sweeping la scimmia agente muove il pelo della scimmia ricevente con un movimento a mano aperta, per poter vedere il preciso punto della pelle dove eseguire il picking, ovvero dove prendere la pelle a livello della radice del pelo con le unghie dell'indice e del pollice e tirare per rimuovere parassiti o uova di parassiti e ciò che è rimasto incastrato nel pelo. Oltre il noto ruolo igenico, il grooming sembra avere anche una importante funzione sociale affiliativa. Come la carezza nella società umana, cosi il grooming tra i primati non umani è considerato un comportamento. Secondo l'ipotesi di Dunbar l'attivazione delle C-LTMRs avverrebbe durante lo sweeping e questo porta a supporre che lo sweeping, come la carezza umana, costituisca una componente affiliativa del grooming, determinando quindi a contribuire alla sua codifica come comportamento sociale. Fino ad ora non vi è però alcuna prova diretta a sostegno di questa ipotesi. In particolare, 1) la velocità cui viene eseguito lo sweeping è compatibile con la velocità di attivazione delle fibre CT nell'uomo e quindi con la velocità tipica della carezza piacevole di carattere sociale affiliativo (1-10 cm/sec)?; 2) lo sweeping induce la stessa modulazione del sistema nervoso autonomo in direzione della modulazione del sistema vagale, come il tocco piacevole nell'uomo, attraverso l'attivazione delle fibre CT?; 3) lo sweeping modula la corteccia insulare, cosi come il tocco piacevole viene codificato come affiliativo nell'uomo mediante le proiezioni delle fibre CT a livello dell'insula posteriore? Lo scopo del presente lavoro è quella di testare l'ipotesi di Dunbar sopra citata, cercando quindi di rispondere alle suddette domande. Le risposte potrebbero consentire di ipotizzare la somiglianza tra lo sweeping, caratteristico del comportamento affiliativo di grooming tra i primati non umani e la carezza. In particolare, abbiamo eseguito 4 studi pilota. Nello Studio 1 abbiamo valutato la velocità con cui viene eseguito lo sweeping tra scimmie Rhesus, mediante una analisi cinematica di video registrati tra un gruppo di scimmie Rhesus. Negli Studi 2 e 3 abbiamo valutato gli effetti sul sistema nervoso autonomo dello sweeping eseguito dallo sperimentatore su una scimmia Rhesus di sesso maschile in una tipica situazione sperimentale. La stimolazione tattile è stata eseguita a diverse velocità, in accordo con i risultati dello Studio 1 e degli studi umani che hanno dimostrato la velocità ottimale e non ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs. In particolare, nello Studio 2 abbiamo misurato la frequenza cardiaca e la variabilità di questa, come indice della modulatione vagale, mentre nello Studio 3 abbiamo valutato gli effetti dello sweeping sul sistema nervoso autonomo in termini di variazioni di temperatura del corpo, nello specifico a livello del muso della scimmia. Infine, nello Studio 4 abbiamo studiato il ruolo della corteccia somatosensoriale secondaria e insulare nella codifica dello sweeping. A questo scopo abbiamo eseguito registrazioni di singoli neuroni mentre la medesima scimmia soggetto sperimentale dello Studio 2 e 3, riceveva lo sweeping a due velocità, una ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs secondo gli studi umani e i risultati dei tre studi sopra citati, ed una non ottimale. I dati preliminari ottenuti, dimostrano che 1) (Studio 1) lo sweeping tra scimmie Rhesus viene eseguito con una velocità media di 9.31 cm/sec, all'interno dell'intervallo di attivazione delle fibre CT nell'uomo; 2) (Studio 2) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina una diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca se eseguito alla velocità di 5 e 10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 1 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina l'aumento della frequenza cardiaca e la diminuzione della variabilità di questa, quindi il decremento dell'attivazione del sistema nervoso parasimpatico; 3) (Studio 3) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina l'aumento della temperatura corporea a livello del muso della scimmia se eseguito alla velocità di 5-10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 5 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina la diminuzione della temperatura del muso; 4) (Studio 4) la corteccia somatosensoriale secondaria e la corteccia insulare posteriore presentano neuroni selettivamente modulati durante lo sweeping eseguito ad una velocità di 5-13 cm/sec ma non neuroni selettivi per la codifica della velocità dello sweeping minore di 5 cm/sec. Questi risultati supportano l'ipotesi di Dunbar relativa al coinvolgimento delle fibre CT durante lo sweeping. Infatti i dati mettono in luce che lo sweeping viene eseguito con una velocità (9.31 cm/sec), simile a quella di attivazione delle fibre CT nell'uomo (1-10 cm/sec), determina gli stessi effetti fisiologici positivi in termini di frequenza cardiaca (diminuzione) e variabilità della frequenza cardiaca (incremento) e la modulazione delle medesime aree a livello del sistema nervoso centrale (in particolare la corteccia insulare). Inoltre, abbiamo dimostrato per la prima volta che suddetta stimolazione tattile determina l'aumento della temperatura del muso della scimmia. Il presente studio rappresenta la prima prova indiretta dell'ipotesi relativa alla modulazione del sistema delle fibre C-LTMRs durante lo sweeping e quindi della codifica della stimolazione tattile piacevole affiliativa a livello del sistema nervoso centrale ed autonomo, nei primati non umani. I dati preliminari qui presentati evidenziano la somiglianza tra il sistema delle fibre CT dell'uomo e del sistema C-LTMRs nei primati non umano, riguardanti il Social Touch. Nonostante ciò abbiamo riscontrato alcune discrepanze tra i risultati da noi ottenuti e quelli invece ottenuti dagli studi umani. La velocità media dello sweeping è di 9.31 cm / sec, rasente il limite superiore dell’intervallo di velocità che attiva le fibre CT nell'uomo. Inoltre, gli effetti autonomici positivi, in termini di battito cardiaco, variabilità della frequenza cardiaca e temperatura a livello del muso, sono stati evidenziati durante lo sweeping eseguito con una velocità di 5 e 10 cm/sec, quindi al limite superiore dell’intervallo ottimale che attiva le fibre CT nell’uomo. Al contrario, lo sweeping eseguito con una velocità inferiore a 5 cm/sec e superiore a 10 cm/sec determina effetti fisiologici negativo. Infine, la corteccia insula sembra essere selettivamente modulata dallo stimolazione eseguita alla velocità di 5-13 cm/sec, ma non 1-5 cm/sec. Quindi, gli studi sul sistema delle fibre CT nell’uomo hanno dimostrato che la velocità ottimale è 1-10 cm/sec, mentre dai nostri risultati la velocità ottimale sembra essere 5-13 cm / sec. Quindi, nonostante l'omologia tra il sistema delle fibre CT nell'umano deputato alla codifica del tocco piacevole affiliativo ed il sistema delle fibre C-LTMRs nei primati non umani, ulteriori studi saranno necessari per definire con maggiore precisione la velocità ottimale di attivazione delle fibre C-LTMR e per dimostrare direttamente la loro attivazione durante lo sweeping, mediante la misurazione diretta della loro modulazione. Studi in questa direzione potranno confermare l'omologia tra lo sweeping in qualità di tocco affiliativo piacevole tra i primati non umani e la carezza tra gli uomini. Infine, il presente studio potrebbe essere un importante punto di partenza per esplorare il meccanismo evolutivo dietro la trasformazione dello sweeping tra primati non umani, azione utilitaria eseguita durante il grooming, a carezza, gesto puramente affiliativo tra gli uomini.

Dynamic investigation of an ancient masonry bell tower with operational modal analysis: a non-destructive experimental technique to obtain the dynamic characteristics of a structure

This paper shows the results of an experimental analysis on the bell tower of “Chiesa della Maddalena” (Mola di Bari, Italy), to better understand the structural behavior of slender masonry structures. The research aims to calibrate a numerical model by means of the Operational Modal Analysis (OMA) method. In this way realistic conclusions about the dynamic behavior of the structure are obtained. The choice of using an OMA derives from the necessity to know the modal parameters of a structure with a non-destructive testing, especially in case of cultural-historical value structures. Therefore by means of an easy and accurate process, it is possible to acquire in-situ environmental vibrations. The data collected are very important to estimate the mode shapes, the natural frequencies and the damping ratios of the structure. To analyze the data obtained from the monitoring, the Peak Picking method has been applied to the Fast Fourier Transforms (FFT) of the signals in order to identify the values of the effective natural frequencies and damping factors of the structure. The main frequencies and the damping ratios have been determined from measurements at some relevant locations. The responses have been then extrapolated and extended to the entire tower through a 3-D Finite Element Model. In this way, knowing the modes of vibration, it has been possible to understand the overall dynamic behavior of the structure.

A Belief System's Organization Based on a Computational Model of the Dynamic Context: First Approximation

In this article we present a model of organization of a belief system based on a set of binary recursive functions that characterize the dynamic context that modifies the beliefs. The initial beliefs are modeled by a set of two-bit words that grow, update, and generate other beliefs as the different experiences of the dynamic context appear. Reason is presented as an emergent effect of the experience on the beliefs. The system presents a layered structure that allows a functional organization of the belief system. Our approach seems suitable to model different ways of thinking and to apply to different realistic scenarios such as ideologies.

Implementation of non-local boundary layer schemes in the Regional Atmospheric Modeling System and its impact on simulated mesoscale circulations

This paper proposes the implementation of different non-local Planetary Boundary Layer schemes within the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) model. The two selected PBL parameterizations are the Medium-Range Forecast (MRF) PBL and its updated version, known as the Yonsei University (YSU) PBL. YSU is a first-order scheme that uses non-local eddy diffusivity coefficients to compute turbulent fluxes. It is based on the MRF, and improves it with an explicit treatment of the entrainment. With the aim of evaluating the RAMS results for these PBL parameterizations, a series of numerical simulations have been performed and contrasted with the results obtained using the Mellor and Yamada (MY) scheme, also widely used, and the standard PBL scheme in the RAMS model. The numerical study carried out here is focused on mesoscale circulation events during the summer, as these meteorological situations dominate this season of the year in the Western Mediterranean coast. In addition, the sensitivity of these PBL parameterizations to the initial soil moisture content is also evaluated. The results show a warmer and moister PBL for the YSU scheme compared to both MRF and MY. The model presents as well a tendency to overestimate the observed temperature and to underestimate the observed humidity, considering all PBL schemes and a low initial soil moisture content. In addition, the bias between the model and the observations is significantly reduced moistening the initial soil moisture of the corresponding run. Thus, varying this parameter has a positive effect and improves the simulated results in relation to the observations. However, there is still a significant overestimation of the wind speed over flatter terrain, independently of the PBL scheme and the initial soil moisture used, even though a different degree of accuracy is reproduced by RAMS taking into account the different sensitivity tests.

Wind Shear, Gust, and Yaw-Induced Dynamic Stall on Wind-Turbine Blades

This study examined the effect of a spanwise angle of attack gradient on the growth and stability of a dynamic stall vortex in a rotating system. It was found that a spanwise angle of attack gradient induces a corresponding spanwise vorticity gradient, which, in combination with spanwise flow, results in a redistribution of circulation along the blade. Specifically, when modelling the angle of attack gradient experienced by a wind turbine at the 30% span position during a gust event, the spanwise vorticity gradient was aligned such that circulation was transported from areas of high circulation to areas of low circulation, increasing the local dynamic stall vortex growth rate, which corresponds to an increase in the lift coefficient, and a decrease in the local vortex stability at this point. Reversing the relative alignment of the spanwise vorticity gradient and spanwise flow results in circulation transport from areas of low circulation generation to areas of high circulation generation, acting to reduce local circulation and stabilise the vortex. This circulation redistribution behaviour describes a mechanism by which the fluctuating loads on a wind turbine are magnified, which is detrimental to turbine lifetime and performance. Therefore, an understanding of this phenomenon has the potential to facilitate optimised wind turbine design.

Essays in dynamic optimal taxation: working experience, unemployment scarring and poverty

This thesis investigates the design of optimal tax systems in dynamic environments. The first essay characterizes the optimal tax system where wages depend on stochastic shocks and work experience. In addition to redistributive and efficiency motives, the taxation of inexperienced workers depends on a second-best requirement that encourages work experience, a social insurance motive and incentive effects. Calibrations using U.S. data yield higher expected optimal marginal income tax rates for experienced workers for most of the inexperienced workers. They confirm that the average marginal income tax rate increases (decreases) with age when shocks and work experience are substitutes (complements). Finally, more variability in experienced workers' earnings prospects leads to increasing tax rates since income taxation acts as a social insurance mechanism. In the second essay, the properties of an optimal tax system are investigated in a dynamic private information economy where labor market frictions create unemployment that destroys workers' human capital. A two-skill type model is considered where wages and employment are endogenous. I find that the optimal tax system distorts the first-period wages of all workers below their efficient levels which leads to more employment. The standard no-distortion-at-the-top result no longer holds due to the combination of private information and the destruction of human capital. I show this result analytically under the Maximin social welfare function and confirm it numerically for a general social welfare function. I also investigate the use of a training program and job creation subsidies. The final essay analyzes the optimal linear tax system when there is a population of individuals whose perceptions of savings are linked to their disposable income and their family background through family cultural transmission. Aside from the standard equity/efficiency trade-off, taxes account for the endogeneity of perceptions through two channels. First, taxing labor decreases income, which decreases the perception of savings through time. Second, taxation on savings corrects for the misperceptions of workers and thus savings and labor decisions. Numerical simulations confirm that behavioral issues push labor income taxes upward to finance saving subsidies. Government transfers to individuals are also decreased to finance those same subsidies.