Charge exchange and dissociative processes in collisions of slow He2+ ions with H2O molecules

Experimental and theoretical studies of one-electron capture in collisions of He2+ ions with H2O molecules have been carried out in the range 0.025-12 keV amu(-1) corresponding to typical solar wind velocities of 70-1523 km s(-1). Translational energy spectroscopy (TES), photon emission spectroscopy (PES), and fragment ion spectroscopy were employed to identify and quantify the collision mechanisms involved. Cross sections for selective single electron capture into n=1, 2, and 3 states of the He+ ion were obtained using TES while PES provided cross sections for capture into the He+(2p) and He+(3p) states. Our model calculations show that He+(n=2) and He+(n=3) formation proceeds via a single-electron process governed by the nucleus-electron interaction. In contrast, the He+(1s) formation mechanism involves an exothermic two-electron process driven by the electron-electron interaction, where the potential energy released by the electron capture is used to remove a second electron thereby resulting in fragmentation of the H2O molecule. This process is found to become increasingly important as the collision energy decreases. The experimental cross sections are found to be in reasonable agreement with cross sections calculated using the Demkov and Landau-Zener models.

Collision mechanisms in one-electron capture by slow H and He- like ions of C, N and O in H and H-2

Translational energy spectroscopy (TES) has been used to study state-selective one-electron capture by H and He-like ions of C, N and O in both H and H-2 within the range 250-900 eV amu(- 1). The main collision mechanisms leading to state-selective electron capture have been identified, their relative importance assessed and compared, where possible, with theoretical predictions and with any previous measurements based on photon emission spectroscopy. For one-electron capture in H-2, the relative importance of contributions from non- dissociative and dissociative capture as well as from two- electron capture into autoionizing states is found to be strikingly different for the cases considered. Our TES measurements in atomic hydrogen provide an important extension of previous measurements to energies below 1000 eV amu(-1) and show that, as the impact energy decreases, electron capture becomes more selective until only a single n product channel is significant. These product main channels are well described by reaction windows calculated using a Landau-Zener approach. However, the same approach applied to the more complex energy- change spectra observed in H-2 is found to be less successful.

Electron recombination, photoionization, and scattering via many-electron compound resonances

Highly excited eigenstates of atoms and ions with open f shell are chaotic superpositions of thousands, or even millions, of Hartree-Fock determinant states. The interaction between dielectronic and multielectronic configurations leads to the broadening of dielectronic recombination resonances and relative enhancement of photon emission due to opening of thousands of radiative decay channels. The radiative yield is close to 100% for electron energy <1 eV and rapidly decreases for higher energies due to opening of many autoionization channels. The same mechanism predicts suppression of photoionization and relative enhancement of the Raman scattering. Results of our calculations of the recombination rate are in agreement with the experimental data for W20+ and Au25+.

Testing numerical implementations of strong-field electrodynamics

We test current numerical implementations of laser-matter interactions by comparison with exact analytical results. Focusing on photon emission processes, it is found that the numerics accurately reproduce analytical emission spectra in all considered regimes, except for the harmonic structures often singled out as the most significant high-intensity (multiphoton) effects. We find that this discrepancy originates in the use of the locally constant field approximation.

SIMLA: Simulating particle dynamics in intense laser and other electromagnetic fields via classical and quantum electrodynamics

We present the Fortran program SIMLA, which is designed for the study of charged particle dynamics in laser and other background fields. The dynamics can be determined classically via the Lorentz force and Landau–Lifshitz equations or, alternatively, via the simulation of photon emission events determined by strong-field quantum-electrodynamics amplitudes and implemented using Monte-Carlo routines. Multiple background fields can be included in the simulation and, where applicable, the propagation direction, field type (plane wave, focussed paraxial, constant crossed, or constant magnetic), and time envelope of each can be independently specified.

Multiphoton inner-shell ionization of the carbon atom

We apply time-dependent R-matrix theory to study inner-shell ionization of C atoms in ultra-short high-frequency light fields with a photon energy between 170 and 245 eV. At an intensity of 10¹⁷ W/cm², ionization is dominated by single-photon emission of a 2l electron, with two-photon emission of a 1s electron accounting for about 2-3% of all emission processes, and two-photon emission of 2l contributing about 0.5-1%. Three-photon emission of a 1s electron is estimated to contribute about 0.01-0.03%. Around a photon energy of 225 eV, two-photon emission of a 1s electron, leaving C⁺ in either 1s2s2p³ or 1s2p⁴ is resonantly enhanced by intermediate 1s2s²2p³ states. The results demonstrate the capability of time-dependent R-matrix theory to describe inner-shell ionization processes including rearrangement of the outer electrons.

Étude de la perfusion cérébrale régionale dans le trouble comportemental en sommeil paradoxal

Le trouble comportemental en sommeil paradoxal (TCSP) se caractérise par une perte de l’atonie musculaire en sommeil paradoxal et par des manifestations motrices élaborées souvent associées au contenu onirique. Le TCSP peut apparaître sous une forme idiopathique (TCSPi), mais il est fréquemment lié à certains désordres neurodégénératifs, dont les synucléinopathies. Des marqueurs biologiques des synucléinopathies, tels que la présence d’anomalies au plan de la motricité, de la détection des odeurs ainsi que de la discrimination des couleurs, ont été retrouvés dans le TCSPi. De plus, des perturbations de l’activité cérébrale en neuroimagerie ainsi que du fonctionnement cognitif ont été observées chez ces patients. Des études ont démontré que le TCSPi pouvait précéder l’apparition d’une maladie de Parkinson (MP) ou d’une démence à corps de Lewy (DCL). Ceci suggère que le TCSPi représenterait un facteur de risque des synucléinopathies. L’objectif principal du présent projet est d’étudier les anomalies du débit sanguin cérébral régional (DSCr) de repos avec la tomographie par émission monophotonique (TEM) dans le TCSPi. Deux études ont été réalisées. La première visait à comparer le DSCr entre des patients avec un TCSPi et des sujets sains, puis d’explorer la relation entre l’activité cérébrale et la présence de marqueurs biologiques des synucléinopathies. Les résultats ont montré une diminution de la perfusion cérébrale dans les régions frontales et pariétales ainsi qu’une augmentation de la perfusion au niveau du pont, du putamen et des hippocampes chez les patients avec un TCSPi. Une relation significative entre la performance des sujets avec un TCSPi à une épreuve de discrimination des couleurs et la perfusion cérébrale au niveau des régions frontales et occipitales a été mise en évidence. Dans l’ensemble, ces résultats ont démontré des anomalies du DSCr chez les patients avec un TCSPi qui sont similaires à celles observées par d’autres études en neuroimagerie dans la MP. Ceci suggère des atteintes neuroanatomiques semblables entre ces pathologies. La seconde étude en TEM a été effectuée dans le but d’examiner les modifications du DSCr associées aux perturbations du fonctionnement cognitif dans le TCSPi. Pour ce faire, le DSCr a été comparé entre un sous-groupe de patients avec un TCSPi et un trouble cognitif léger (TCL), un sous-groupe de patients avec un TCSPi sans TCL et un groupe de sujets sains. Les résultats ont montré que seuls les patients avec un TCSPi et un TCL présentaient une diminution de la perfusion cérébrale dans les aires corticales postérieures (occipitales et temporo-pariétales). Ces observations sont similaires à celles rapportées dans la MP avec démence et la DCL dans les études en neuroimagerie. En conclusion, les résultats de ces deux études ont montré des perturbations du DSCr dans le TCSPi, similaires à celles observées dans les synucléinopathies. Par ailleurs, nos résultats ont mis en évidence que les patients avec un TCSPi et un TCL présentaient les mêmes anomalies de la perfusion cérébrale que les patients avec une MP avec démence et/ou une DCL. La présence de tels marqueurs des synucléinopathies dans le TCSPi suggère que ces patients pourraient être plus à risque d’évoluer vers ce type de maladie neurodégénérative.

Apport de nouvelles techniques dans l’évaluation de patients candidats à une chirurgie d’épilepsie : résonance magnétique à haut champ, spectroscopie proche infrarouge et magnétoencéphalographie

L'épilepsie constitue le désordre neurologique le plus fréquent après les maladies cérébrovasculaires. Bien que le contrôle des crises se fasse généralement au moyen d'anticonvulsivants, environ 30 % des patients y sont réfractaires. Pour ceux-ci, la chirurgie de l'épilepsie s'avère une option intéressante, surtout si l’imagerie par résonance magnétique (IRM) cérébrale révèle une lésion épileptogène bien délimitée. Malheureusement, près du quart des épilepsies partielles réfractaires sont dites « non lésionnelles ». Chez ces patients avec une IRM négative, la délimitation de la zone épileptogène doit alors reposer sur la mise en commun des données cliniques, électrophysiologiques (EEG de surface ou intracrânien) et fonctionnelles (tomographie à émission monophotonique ou de positrons). La faible résolution spatiale et/ou temporelle de ces outils de localisation se traduit par un taux de succès chirurgical décevant. Dans le cadre de cette thèse, nous avons exploré le potentiel de trois nouvelles techniques pouvant améliorer la localisation du foyer épileptique chez les patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie d’épilepsie : l’IRM à haut champ, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) et la magnétoencéphalographie (MEG). Dans une première étude, nous avons évalué si l’IRM de haut champ à 3 Tesla (T), présentant théoriquement un rapport signal sur bruit plus élevé que l’IRM conventionnelle à 1,5 T, pouvait permettre la détection des lésions épileptogènes subtiles qui auraient été manquées par cette dernière. Malheureusement, l’IRM 3 T n’a permis de détecter qu’un faible nombre de lésions épileptogènes supplémentaires (5,6 %) d’où la nécessité d’explorer d’autres techniques. Dans les seconde et troisième études, nous avons examiné le potentiel de la SPIR pour localiser le foyer épileptique en analysant le comportement hémodynamique au cours de crises temporales et frontales. Ces études ont montré que les crises sont associées à une augmentation significative de l’hémoglobine oxygénée (HbO) et l’hémoglobine totale au niveau de la région épileptique. Bien qu’une activation contralatérale en image miroir puisse être observée sur la majorité des crises, la latéralisation du foyer était possible dans la plupart des cas. Une augmentation surprenante de l’hémoglobine désoxygénée a parfois pu être observée suggérant qu’une hypoxie puisse survenir même lors de courtes crises focales. Dans la quatrième et dernière étude, nous avons évalué l’apport de la MEG dans l’évaluation des patients avec épilepsie focale réfractaire considérés candidats potentiels à une chirurgie. Il s’est avéré que les localisations de sources des pointes épileptiques interictales par la MEG ont eu un impact majeur sur le plan de traitement chez plus des deux tiers des sujets ainsi que sur le devenir postchirurgical au niveau du contrôle des crises.

La stimulation du nerf vague pour le traitement de la dépression réfractaire : les résultats après un an de suivi

La stimulation du nerf vague (SNV) a reçu l’approbation de Santé Canada en 2001, comme en Europe, pour le traitement de la dépression réfractaire et en 2005 aux États-Unis. Les études européennes et américaines rapportent un taux de réponse de 50% et de rémission de 30% après un an de traitement. La sélection des patients, encadrée par la recherche de marqueurs biologiques et des critères de résistance, pourrait contribuer à améliorer les taux de réponse. Cette étude décrit le suivi des patients ambulatoires souffrant de dépression réfractaire, d’un spectre unipolaire ou bipolaire (n=13) sous SNV. Une révision exhaustive de l’histoire médicale et thérapeutique précède une évaluation clinique intensive. Si un consensus d’équipe est obtenu, une investigation clinique à la recherche des marqueurs biologiques est effectuée. Ceci inclut une tomographie par émission de photons simples (SPECT), une tomographie par émission de positrons (TEP), une formule sanguine complète, un test de suppression à la dexaméthasone (DST), une collecte d’urine 24h (catécholamines et cortisol), une polysomnographie et une évaluation neuropsychologique abrégée. Après 1 an de traitement, 61,5% (8/13) des patients ont atteint le seuil de réponse (diminution de 50% des symptômes), dont 87.5% (7/8) en rémission. Les patients diagnostiqués d’un trouble bipolaire, présentant un DST anormal et/ou avec déficits cognitifs ont répondu au traitement et poursuivent leur rémission après 2 ans. Une sélection minutieuse des patients pour le SNV serait une méthode efficace pour traiter les dépressions réfractaires, notamment pour prévenir les rechutes, amenant un état euthymique durable pour la plupart des patients.

Parity violation in Aharonov-Bohm systems: The spontaneous Hall effect

We show how macroscopic manifestations of P (and T) symmetry breaking can arise in a simple system subject to Aharonov-Bohm interactions. Specifically, we study the conductivity of a gas of charged particles moving through a dilute array of flux tubes. The interaction of the electrons with the flux tubes is taken to be of a purely Aharonov-Bohm type. We find that the system exhibits a nonzero transverse conductivity, i.e., a spontaneous Hall effect. This is in contrast to the fact that the cross sections for both scattering and bremsstrahlung (soft-photon emission) of a single electron from a flux tube are invariant under reflections. We argue that the asymmetry in the conductivity coefficients arises from many-body effects. On the other hand, the transverse conductivity has the same dependence on universal constants that appears in the quantum Hall effect, a result that we relate to the validity of the mean-field approximation.

Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.

Utilidad del [99m] Tc TRODAT-1 en el diagnóstico de la Enfermedad de Parkinson: revisión sistemática de la literatura

Propósito de la revisión: la enfermedad de Parkinson (EP) es un trastorno degenerativo caracterizado clínicamente por presentar temblor en reposo, rigidez y bradicinesia. El propósito es determinar la utilidad de la molécula TRODAT-1 en el diagnóstico de la EP. Metodología: se realizó una búsqueda en las bases de datos: PUBMED, COCHRANE, MEDLINE, LILACS y SCIELO en un período de 10 años desde enero de 1998 a enero de 2008. Se obtuvieron 26 artículos, estos se analizaron y se seleccionaron 10 artículos, de los cuales sólo 6 respondían a las necesidades del estudio, de acuerdo a los criterios de inclusión. De los 6 artículos analizados, 4 fueron clasificados como evidencia grado (+) y los 2 restantes evidencia grado (-) de acuerdo con las guías NICE. Todos los artículos revisados reportan una disminución importante en la captación del TRODAT-1 a nivel estriatal, su utilidad en el diagnóstico de EP en estadios tempranos, bajo costo y seguridad. Sólo tres reportan valores de sensibilidad y especificidad, pero su nivel de calidad no permite hacer una comparación de los mismos. Conclusiones: se propone realizar estudios de prueba diagnóstica comparados con el diagnóstico clínico de la enfermedad, que tengan un acuerdo en la forma de plantear las mediciones semicuantitativas de las unidades de captación utilizando las mismas fórmulas para hacerlos comparables.

Agonist-dependent internalization of D2 receptors: imaging quantification by confocal microscopy

In positron emission tomography and single photon emission computed tomography studies using D2 dopamine (DA) receptor radiotracers, a decrease in radiotracer binding potential (BP) is usually interpreted in terms of increased competition with synaptic DA. However, some data suggest that this signal may also reflect agonist (DA)-induced increases in D2 receptor (D2R) internalization, a process which would presumably also decrease the population of receptors available for binding to hydrophilic radioligands. To advance interpretation of alterations in D2 radiotracer BP, direct methods of assessment of D2R internalization are required. Here, we describe a confocal microscopy-based approach for the quantification of agonist-dependent receptor internalization. The method relies upon double-labeling of the receptors with antibodies directed against intracellular as well as extracellular epitopes. Following agonist stimulation, DA D2R internalization was quantified by differentiating, in optical cell sections, the signal due to the staining of the extracellular from intracellular epitopes of D2Rs. Receptor internalization was increased in the presence of the D2 agonists DA and bromocriptine, but not the D1 agonist SKF38393. Pretreatment with either the D2 antagonist sulpiride, or inhibitors of internalization (phenylarsine oxide and high molarity sucrose), blocked D2-agonist induced receptor internalization, thus validating this method in vitro. This approach therefore provides a direct and streamlined methodology for investigating the pharmacological and mechanistic aspects of D2R internalization, and should inform the interpretation of results from in vivo receptor imaging studies.

Improved fluorescent proteins for single-molecule research in molecular tracking and co-localization

Three promising variants of autofluorescent proteins have been analyzed photophysically for their proposed use in single-molecule microscopy studies in living cells to compare their superiority to other fluorescent proteins previously reported regarding the number of photons emitted. The first variant under investigation the F46L mutant of eYFP has a 10% greater photon emission rate and > 50% slower photobleaching rate on average than the standard eYFP fluorophore. The monomeric red fluorescent protein (mRFP) has a fivefold lower photon emission rate, likely due to the monomeric content, and also a tenfold faster photobleaching rate than the DsRed fluorescent protein. In contrast, the previously reported eqfp611 has a 50% lower emission rate yet photobleaches more than a factor 2 slowly. We conclude that the F46L YFP and the eqfp611 are superior new options for single molecule imaging and tracking studies in living cells. Studies were also performed on the effects of forced quenching of multiple fluorescent proteins in sub-micrometer regions that would show the effects of dimerization at low concentration levels of fluorescent proteins and also indicate corrections to stoichiometry patterns with fluorescent proteins previously in print. We also introduce properties at the single molecule level of new FRET pairs with combinations of fluorescent proteins and artificial fluorophores.

Agonist-dependent internalization of D2 receptors: Imaging quantification by confocal microscopy

In positron emission tomography and single photon emission computed tomography studies using D2 dopamine (DA) receptor radiotracers, a decrease in radiotracer binding potential (BP) is usually interpreted in terms of increased competition with synaptic DA. However, some data suggest that this signal may also reflect agonist (DA)-induced increases in D2 receptor (D2R) internalization, a process which would presumably also decrease the population of receptors available for binding to hydrophilic radioligands. To advance interpretation of alterations in D2 radiotracer BP, direct methods of assessment of D2R internalization are required. Here, we describe a confocal microscopy-based approach for the quantification of agonist-dependent receptor internalization. The method relies upon double-labeling of the receptors with antibodies directed against intracellular as well as extracellular epitopes. Following agonist stimulation, DA D2R internalization was quantified by differentiating, in optical cell sections, the signal due to the staining of the extracellular from intracellular epitopes of D2Rs. Receptor internalization was increased in the presence of the D2 agonists DA and bromocriptine, but not the D1 agonist SKF38393. Pretreatment with either the D2 antagonist sulpiride, or inhibitors of internalization (phenylarsine oxide and high molarity sucrose), blocked D2-agonist induced receptor internalization, thus validating this method in vitro. This approach therefore provides a direct and streamlined methodology for investigating the pharmacological and mechanistic aspects of D2R internalization, and should inform the interpretation of results from in vivo receptor imaging studies.