Synapses with short-term plasticity are optimal estimators of presynaptic membrane potentials.

The trajectory of the somatic membrane potential of a cortical neuron exactly reflects the computations performed on its afferent inputs. However, the spikes of such a neuron are a very low-dimensional and discrete projection of this continually evolving signal. We explored the possibility that the neuron's efferent synapses perform the critical computational step of estimating the membrane potential trajectory from the spikes. We found that short-term changes in synaptic efficacy can be interpreted as implementing an optimal estimator of this trajectory. Short-term depression arose when presynaptic spiking was sufficiently intense as to reduce the uncertainty associated with the estimate; short-term facilitation reflected structural features of the statistics of the presynaptic neuron such as up and down states. Our analysis provides a unifying account of a powerful, but puzzling, form of plasticity.

Kondo effect in a triangular triple quantum dots ring with three terminals

For a triangular triple quantum dots (TTQDs) ring with three terminals, when lowering one of the dot-lead coupling to realize the left-right (L-R) reflection symmetry coupling, the internal C-upsilon of the TTQDs is well preserved in the absence of many-body effect for the symmetric distribution of the dot-lead coupling on the molecular orbits. In the presence of Kondo effect, the decrement of one of the dot-lead couplings suppresses the inter-dot hopping. This happens especially for the coupled quantum dot (QD), which decouples with the other two ones gradually to form a localized state near the Fermi level As a result, the internal dynamic symmetry of the TTQDs ring is reduced to L-R reflection symmetry, and simultaneously, the linear conductance is lifted for the new forming molecular orbit near the Fermi level

The p-hub Model with Hub-catchment Areas, Existing Hubs, and Simulation: A Case Study of Serbian Intermodal Terminals

This paper addresses the problem of optimally locating intermodal freight terminals in Serbia. To solve this problem and determine the effects of the resulting scenarios, two modeling approaches were combined. The first approach is based on multiple-assignment hub-network design, and the second is based on simulation. The multiple-assignment p-hub network location model was used to determine the optimal location of intermodal terminals. Simulation was used as a tool to estimate intermodal transport flow volumes, due to the unreliability and unavailability of specific statistical data, and as a method for quantitatively analyzing the economic, time, and environmental effects of different scenarios of intermodal terminal development. The results presented here represent a summary, with some extension, of the research realized in the IMOD-X project (Intermodal Solutions for Competitive Transport in Serbia).

A Novel Dual-band Printed Diversity Antenna for Mobile Terminals

A novel dual-band printed diversity antenna is proposed and studied. The antenna, which consists of two back-to- back monopoles with symmetric configuration, is printed on a printed circuit board. The effects of some important parameters of the proposed antenna are deeply studied and the design methodology is given. A prototype of the proposed antenna operating at UMTS (1920-2170 MHz) and 2.4-GHz WLAN (2400-2484 MHz) bands is provided to demonstrate the usability of the methodology in dual-band diversity antenna for mobile terminals. In the above two bands, the isolations of the prototype are larger than 13 dB and 16 dB, respectively. The measured radiation patterns of the two monopoles in general cover complementary space regions. The diversity performance is also evaluated by calculating the envelope correlation coefficient, the mean effective gains of the antenna elements and the diversity gain. It is proved that the proposed antenna can provide spatial and pattern diversity to combat multipath fading.

Synapsin- and actin-dependent frequency enhancement in mouse hippocampal mossy fiber synapses

The synapsin proteins have different roles in excitatory and inhibitory synaptic terminals. We demonstrate a differential role between types of excitatory terminals. Structural and functional aspects of the hippocampal mossy fiber (MF) synapses were studied in wild-type (WT) mice and in synapsin double-knockout mice (DKO). A severe reduction in the number of synaptic vesicles situated more than 100 nm away from the presynaptic membrane active zone was found in the synapsin DKO animals. The ultrastructural level gave concomitant reduction in F-actin immunoreactivity observed at the periactive endocytic zone of the MF terminals. Frequency facilitation was normal in synapsin DKO mice at low firing rates (approximately 0.1 Hz) but was impaired at firing rates within the physiological range (approximately 2 Hz). Synapses made by associational/commissural fibers showed comparatively small frequency facilitation at the same frequencies. Synapsin-dependent facilitation in MF synapses of WT mice was attenuated by blocking F-actin polymerization with cytochalasin B in hippocampal slices. Synapsin III, selectively seen in MF synapses, is enriched specifically in the area adjacent to the synaptic cleft. This may underlie the ability of synapsin III to promote synaptic depression, contributing to the reduced frequency facilitation observed in the absence of synapsins I and II.

Amphiphysin is a component of clathrin coats formed during synaptic vesicle recycling at the lamprey giant synapse

Amphiphysin is a protein enriched at mammalian synapses thought to function as a clathrin accessory factor in synaptic vesicle endocytosis. Here we examine the involvement of amphiphysin in synaptic vesicle recycling at the giant synapse in the lamprey. We show that amphiphysin resides in the synaptic vesicle cluster at rest and relocates to sites of endocytosis during synaptic activity. It accumulates at coated pits where its SH3 domain, but not its central clathrin/AP-2-binding (CLAP) region, is accessible for antibody binding. Microinjection of antibodies specifically directed against the CLAP region inhibited recycling of synaptic vesicles and caused accumulation of clathrin-coated intermediates with distorted morphology, including flat patches of coated presynaptic membrane. Our data provide evidence for an activity-dependent redistribution of amphiphysin in intact nerve terminals and show that amphiphysin is a component of presynaptic clathrin-coated intermediates formed during synaptic vesicle recycling.

A possible role for intrinsic calcium buffers in the long- term adaptation of crayfish neurons

Increasing the impulse activity of neurons in vivo over 3 or more days causes a reduction in transmitter release that persists for days or weeks (eg. Mercier and Atwood, 1989). This effect is usually accompanied by decreased synaptic fatigue. These two changes involve presynaptic mechanisms and indicate "long-term adaptation" (LTA) of nerve terminals. Previous experiments have shown that LTA requires extracellular calcium and protein synthesis (eg. Hong and Lnenicka, Soc. Neurosci. Abstr. 17:1322) and appears to involve communication between the cell body and the nerve terminals. The present study examines the possibility that the reduction in transmitter release is caused by an -increase in the calcium buffering ability within the nerve terminals. It examines the responses of adapted and control nerve terminals to exogenously applied calcium buffer, BAPTA-AM, which decreases transmitter release (Robitialle and Charlton, 1992). If LTA increases intrinsic Ca2+-buffering, the membrane permeant form of BAPTA should have less effect on adapted nerve terminals than on controls. Experiments are performed on the phasic abdominal extensor motor neurons of the crayfish, Procambarns clarkii. BAPTA-AM decreases excitatory postsynaptic potentials (EPSP's) of the phasic extensor muscles in a dosedependent manner between 5 and 50 JLM. LTA is elicited by in vivo stimulation at 2.5 Hz for 2-4 h per day over 3 days, which reduces EPSP's by over 50%. Experiments indicate that BAPTA-AM produces no significant change in EPSP reduction in adapted neurons when compared to controls. These results do not support the hypothesis that increased daily activity alters rapid intrinsic calcium buffers, that are able to reduce transmitter output in the same manner as BAPTA.

Cholesterol-Independent Effects of Methyl-b- Cyclodextrin on Chemical Synapses

The cholesterol chelating agent, methyl-b-cyclodextrin (MbCD), alters synaptic function in many systems. At crayfish neuromuscular junctions, MbCD is reported to reduce excitatory junctional potentials (EJPs) by impairing impulse propagation to synaptic terminals, and to have no postsynaptic effects. We examined the degree to which physiological effects of MbCD correlate with its ability to reduce cholesterol, and used thermal acclimatization as an alternative method to modify cholesterol levels. MbCD impaired impulse propagation and decreased EJP amplitude by 40% (P,0.05) in preparations from crayfish acclimatized to 14uC but not from those acclimatized to 21uC. The reduction in EJP amplitude in the cold-acclimatized group was associated with a 49% reduction in quantal content (P,0.05). MbCD had no effect on input resistance in muscle fibers but decreased sensitivity to the neurotransmitter L-glutamate in both warm- and coldacclimatized groups. This effect was less pronounced and reversible in the warm-acclimatized group (90% reduction in cold, P,0.05; 50% reduction in warm, P,0.05). MbCD reduced cholesterol in isolated nerve and muscle from cold- and warmacclimatized groups by comparable amounts (nerve: 29% cold, 25% warm; muscle: 20% cold, 18% warm; P,0.05). This effect was reversed by cholesterol loading, but only in the warm-acclimatized group. Thus, effects of MbCD on glutamatesensitivity correlated with its ability to reduce cholesterol, but effects on impulse propagation and resulting EJP amplitude did not. Our results indicate that MbCD can affect both presynaptic and postsynaptic properties, and that some effects of MbCD are unrelated to cholesterol chelation.

Étude du système dopaminergique pré- et postsynaptique : régulation de l'autorécepteur D2 par la neurotensine et formation des synapses excitatrices dans le striatum

La dopamine (DA) est un neurotransmetteur impliqué dans la modulation de fonctions essentielles du cerveau telles que le contrôle des mouvements volontaires, le système de récompense et certains aspects de la cognition. Depuis sa découverte, la DA a attiré énormément d'attention scientifique en partie à cause des pathologies majeures associées aux dysfonctions du système DAergique, comme la maladie de Parkinson, la schizophrénie et la toxicomanie. On retrouve la majorité des neurones qui synthétisent la DA au niveau du mésencéphale ventral, dans les noyaux de la substance noire compacte (SNc) et de l'aire tegmentaire ventrale (ATV). Ces neurones projettent leurs axones dans un très dense réseau de fibres qui s'organisent en trois voies DAergiques classiques: la voie nigrostriée, la voie mésolimbique et la voie mésocorticale. La transmission DAergique s'effectue par l'activation de récepteurs de la DA qui font partie de la grande famille des récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs). Les récepteurs de la DA sont abondamment exprimés aussi bien par les neurones DAergiques que par les neurones des régions cibles, ce qui implique que la compréhension de la signalisation et des fonctions particulières des récepteurs de la DA pré- et postsynaptiques représente un enjeu crucial dans l'étude du système DAergique. Cette thèse de doctorat se sépare donc en deux volets distincts: le premier s'intéresse à la régulation du récepteur D2 présynaptique par la neurotensine (NT), un neuropeptide intimement lié à la modulation du système DAergique; le deuxième s'intéresse au côté postsynaptique du système DAergique, plus particulièrement à la ségrégation de l'expression des récepteurs de la DA dans le striatum et aux fonctions de ces récepteurs dans l'établissement des circuits neuronaux excitateurs prenant place dans cette région. Dans la première partie de cette thèse, nous démontrons que l'activation du récepteur à haute affinité de la NT, le NTR1, provoque une internalisation hétérologue du récepteur D2, avec une amplitude et une cinétique différente selon l'isoforme D2 observé. Cette internalisation hétérologue dépend de la protéine kinase C (PKC), et nous montrons que la surexpression d'un récepteur D2 muté sur des sites de phosphorylation par la PKC ii ainsi que l'inhibition de l'expression de β-arrestine1 par ARNs interférents dans des neurones DAergiques bloquent complètement l'interaction fonctionnelle entre le NTR1 et le D2. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous démontrons d'abord que la ségrégation de l'expression des récepteurs D1 et D2 dans le striatum est déjà bien établie dès le 18e jour embryonnaire, bien qu'elle progresse encore significativement aux jours 0 et 14 postnataux. Nos résultats témoignent aussi d'un maintien complet de cette ségrégation lorsque les neurones striataux sont mis en culture aussi bien en présence ou en absence de neurones corticaux et/ou mésencéphaliques. Ensuite, nous montrons que la présence de neurones mésencéphaliques stimule la formation d’épines et de synapses excitatrices sur les neurones striataux épineux exprimant le récepteur D2 (MSN-D2). Le co-phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques semble nécessaire à une grande partie de cet effet. Par ailleurs, le nombre total de terminaisons excitatrices formées sur les MSN-D2 par les neurones corticaux et mésencéphaliques apparaît être régit par un équilibre dynamique. Finalement, nous démontrons que le blocage de la signalisation des récepteurs D1 et D2 de la DA n'est pas nécessaire pour la formation des synapses excitatrices des MSN-D2, alors que l'antagonisme des récepteurs glutamatergiques ionotropes diminue la densité d'épines dendritiques et contrôle de façon opposée le nombre de terminaisons excitatrices corticales et mésencéphaliques. Globalement, ce travail représente une contribution significative pour une meilleure compréhension du fonctionnement normal du système DAergique. Ces découvertes sont susceptibles d’être utiles pour mieux comprendre les dysfonctions de ce système dans le cadre de pathologies du cerveau comme la maladie de Parkinson.

The berth allocation problem at port terminals : a column generation framework

Le problème d'allocation de postes d'amarrage (PAPA) est l'un des principaux problèmes de décision aux terminaux portuaires qui a été largement étudié. Dans des recherches antérieures, le PAPA a été reformulé comme étant un problème de partitionnement généralisé (PPG) et résolu en utilisant un solveur standard. Les affectations (colonnes) ont été générées a priori de manière statique et fournies comme entrée au modèle %d'optimisation. Cette méthode est capable de fournir une solution optimale au problème pour des instances de tailles moyennes. Cependant, son inconvénient principal est l'explosion du nombre d'affectations avec l'augmentation de la taille du problème, qui fait en sorte que le solveur d'optimisation se trouve à court de mémoire. Dans ce mémoire, nous nous intéressons aux limites de la reformulation PPG. Nous présentons un cadre de génération de colonnes où les affectations sont générées de manière dynamique pour résoudre les grandes instances du PAPA. Nous proposons un algorithme de génération de colonnes qui peut être facilement adapté pour résoudre toutes les variantes du PAPA en se basant sur différents attributs spatiaux et temporels. Nous avons testé notre méthode sur un modèle d'allocation dans lequel les postes d'amarrage sont considérés discrets, l'arrivée des navires est dynamique et finalement les temps de manutention dépendent des postes d'amarrage où les bateaux vont être amarrés. Les résultats expérimentaux des tests sur un ensemble d'instances artificielles indiquent que la méthode proposée permet de fournir une solution optimale ou proche de l'optimalité même pour des problème de très grandes tailles en seulement quelques minutes.