Dynamic rupture simulation integrated with earthquake observations

Dynamic rupture simulations are unique in their contributions to the study of earthquake physics. The current rapid development of dynamic rupture simulations poses several new questions: Do the simulations reflect the real world? Do the simulations have predictive power? Which one should we believe when the simulations disagree? This thesis illustrates how integration with observations can help address these questions and reduce the effects of non-uniqueness of both dynamic rupture simulations and kinematic inversion problems. Dynamic rupture simulations with observational constraints can effectively identify non-physical features inferred from observations. Moreover, the integrative technique can also provide more physical insights into the mechanisms of earthquakes. This thesis demonstrates two examples of such kinds of integration: dynamic rupture simulations of the M_w 9.0 2011 Tohoku-Oki earthquake and of earthquake ruptures in damaged fault zones:

(1) We develop simulations of the Tohoku-Oki earthquake based on a variety of observations and minimum assumptions of model parameters. The simulations provide realistic estimations of stress drop and fracture energy of the region and explain the physical mechanisms of high-frequency radiation in the deep region. We also find that the overridding subduction wedge contributes significantly to the up-dip rupture propagation and large final slip in the shallow region. Such findings are also applicable to other megathrust earthquakes.

(2) Damaged fault zones are usually found around natural faults, but their effects on earthquake ruptures have been largely unknown. We simulate earthquake ruptures in damaged fault zones with material properties constrained by seismic and geological observations. We show that reflected waves in fault zones are effective at generating pulse-like ruptures and head waves tend to accelerate and decelerate rupture speeds. These mechanisms are robust in natural fault zones with large attenuation and off-fault plasticity. Moreover, earthquakes in damaged fault zones can propagate at super-Rayleigh speeds that are unstable in homogeneous media. Supershear transitions in fault zones do not require large fault stresses. In the end, we present observations in the Big Bear region, where variability of rupture speeds of small earthquakes correlates with the laterally variable materials in a damaged fault zone.

Efeitos da administração de inibidores de fosfodiesterases na reversão da hiperatividade de camundongos expostos ao etanol no período correspondente ao terceiro trimestre de gestação em humanos

O consumo de etanol durante a gestação é um grave problema de saúde pública. Durante o desenvolvimento, o sistema nervoso é especialmente susceptível aos efeitos tóxicos do etanol e a exposição ao etanol durante este período pode gerar um amplo espectro de distúrbios neurocomportamentais, sendo o mais frequente, a hiperatividade. Recentemente, estudos têm sugerido que distúrbios na plasticidade neuronal podem estar relacionados com a hiperatividade. Os inibidores de PDE são drogas que agem impedindo a degradação de segundos mensageiros celulares como AMPc e GMPc, mantendo a ativação de proteínas quinases e de fatores de transcrição como o CREB, levando a expressão de genes relacionados à plasticidade. Neste trabalho, avaliamos através do teste de campo aberto se a administração de Vinpocetina ou Rolipram (inibidores de PDE) seria capaz de amenizar ou reverter a hiperatividade de camundongos Suíços expostos ao etanol no período correspondente ao terceiro trimestre de gestação humana. Para tanto, foram realizadas duas etapas: na primeira etapa, durante o período neonatal, os animais receberam injeções intraperitoneais de etanol (5g/Kg em solução salina a 25%, no 2, 4, 6 e 8 dias de vida pós-natal - PN2 a PN8) ou de salina, e 4 horas antes do teste comportamental no campo aberto (10 min), em PN30, receberam Vinpocetina (10mg/Kg ou 20mg/Kg diluídas em DMSO ip) ou somente DMSO ip. Na segunda etapa, os animais foram expostos ao etanol ou à salina no período neonatal nas mesmas condições da primeira etapa e no dia do teste comportamental receberam Rolipram (0,5mg/Kg diluídas em DMSO ip ou somente DMSO ip). Posteriormente aos testes, foram coletados o córtex cerebral frontal e o hipocampo dos animais para avaliação dos níveis de AMPc. Os resultados comportamentais indicam que somente o tratamento com Vinpocetina (20mg/Kg) reverteu a hiperatividade de camundongos expostos ao etanol, resultado que não foi observado com o tratamento com Rolipram. Desta forma, a dosagem dos níveis de AMPc foi realizada apenas nos animais que receberam injeção de Vinpocetina (20mg/Kg). A exposição neonatal ao etanol reduziu significativamente os níveis de AMPc no córtex e no hipocampo. O tratamento com Vinpocetina gerou um aumento nos níveis de AMPc no córtex e restaurou estes níveis no hipocampo. Nossos resultados sugerem que a reversão da hiperatividade pelo tratamento com Vinpocetina pode estar associada ao aumento da plasticidade neural induzida por esta droga.

Effect of Microstructural Interfaces on the Mechanical Response of Crystalline Metallic Materials

Advances in nano-scale mechanical testing have brought about progress in the understanding of physical phenomena in materials and a measure of control in the fabrication of novel materials. In contrast to bulk materials that display size-invariant mechanical properties, sub-micron metallic samples show a critical dependence on sample size. The strength of nano-scale single crystalline metals is well-described by a power-law function, σαD^-n, where D is a critical sample size and n is a experimentally-fit positive exponent. This relationship is attributed to source-driven plasticity and demonstrates a strengthening as the decreasing sample size begins to limit the size and number of dislocation sources. A full understanding of this size-dependence is complicated by the presence of microstructural features such as interfaces that can compete with the dominant dislocation-based deformation mechanisms. In this thesis, the effects of microstructural features such as grain boundaries and anisotropic crystallinity on nano-scale metals are investigated through uniaxial compression testing. We find that nano-sized Cu covered by a hard coating displays a Bauschinger effect and the emergence of this behavior can be explained through a simple dislocation-based analytic model. Al nano-pillars containing a single vertically-oriented coincident site lattice grain boundary are found to show similar deformation to single-crystalline nano-pillars with slip traces passing through the grain boundary. With increasing tilt angle of the grain boundary from the pillar axis, we observe a transition from dislocation-dominated deformation to grain boundary sliding. Crystallites are observed to shear along the grain boundary and molecular dynamics simulations reveal a mechanism of atomic migration that accommodates boundary sliding. We conclude with an analysis of the effects of inherent crystal anisotropy and alloying on the mechanical behavior of the Mg alloy, AZ31. Through comparison to pure Mg, we show that the size effect dominates the strength of samples below 10 μm, that differences in the size effect between hexagonal slip systems is due to the inherent crystal anisotropy, suggesting that the fundamental mechanism of the size effect in these slip systems is the same.

Contribution of the temporoammonic pathway to hippocampal processing

The temporoammonic (TA) pathway is the direct, monosynaptic projection from layer III of entorhinal cortex to the distal dendritic region of area CA1 of the hippo­ campus. Although this pathway has been implicated in various functions, such as memory encoding and retrieval, spatial navigation, generation of oscillatory activity, and control of hippocampal excitability, the details of its physiology are not well understood. In this thesis, I examine the contribution of the TA pathway to hippocampal processing. I find that, as has been previously reported, the TA pathway includes both excitatory, glutamatergic components and inhibitory, GABAergic components. Several new discoveries are reported in this thesis. I show that the TA pathway is subject to forms of short-term activity-dependent regulation, including paired-pulse and frequency­ dependent plasticity, similar to other hippocampal pathways such as the Schaffer collateral (SC) input from CA3 to CA1. The TA pathway provides a strongly excitatory input to stratum radiatum giant cells of CA1. The excitatory component of the TA pathway undergoes a long-lasting decrease in synaptic strength following low-frequency stimulation in a manner partially dependent on the activation of NMDA receptors. High­ frequency activation of the TA pathway recruits a feedforward inhibition that can prevent CA1 pyramidal cells from spiking in response to SC input; this spike-blocking effect shows that the TA pathway can act to regulate information flow through the hippocampal trisynaptic pathway.

Ecologia de Astyanax taeniatus na Bacia do Rio Mato Grosso, Saquarema - RJ: Dieta, uso do micro-hábitat e uma breve análise comportamental

Neste trabalho tivemos como objetivo caracterizar a dieta, uso do habitat e padrões comportamentais de Astyanax taeniatus da bacia do Rio Mato Grosso, que encontra-se na porção leste do Estado do Rio de Janeiro (22 52 S; 42 40 W e 22 53 S; 42 34 W). Para a análise da dieta, os exemplares foram coletados bimestralmente entre março de 2006 e janeiro de 2007 em três localidades que diferiram pelas variáveis físicas. As observações de uso dos recursos do habitat foram realizadas por observação subaquática, na posição focal dos exemplares avistados, enquanto a quantificação da disponibilidade foi realizada em 50 quadrats de 20x20cm (400cm2) ao longo dos mesmos 50m onde foi realizada a observação sub-aquática. A análise do conteúdo estomacal de 651 exemplares foi realizada sob microscópio estereoscópico de acordo com métodos qualitativos e quantitativos (Freqüência de Ocorrência e Volumétrica). A participação relativa de cada item registrado nos estômagos em relação à totalidade da dieta foi analisada através do Índice Alimentar (IAi). Para verificar possíveis diferenças entre as proporções dos itens de origem animal e vegetal, autóctone e alóctone, os valores proporcionais foram testados pelo 2 de contingência. A partir dos dados de comprimento padrão e comprimento do intestino, foi calculado o valor do quociente intestinal. Os itens de origem vegetal tiveram maior contribuição na dieta da espécie para as localidades com maior altitude, enquanto os itens animais tiveram maior contribuição na localidade baixa. A diferença na contribuição dos itens de origem autóctone e alóctone também foi significativa. Na dieta de jovens e adultos, houve diferença significativa na contribuição de itens de origem vegetal e animal somente na localidade mais alta, onde os adultos consumiram maior quantidade de matéria vegetal. Os valores médios de quociente intestinal em jovens e adultos foram significativamente diferentes nas localidades de maior altitude, com valores maiores para indivíduos adultos. Observamos 52% dos indivíduos em profundidades entre 30 e 45 cm, 72% em áreas de rápido, 72% em velocidades entre 0 e 0,5km/h, 66% encontravam-se distantes da margem entre 40 e 120 cm, 37,6% em substrato do tipo areia e 34,4% em substrato do tipo pedra. De todos os padrões comportamentais observados, aquele que mais se destacou foi o forrageamento, onde 70,91% dos indivíduos estavam forrageando no meio da coluna dágua. Os resultados da dieta reforçam a idéia de as espécies de Astyanax têm hábito alimentar onívoro e oportunista, onde a espécie alimentou-se dos recursos disponíveis no ambiente evidenciando sua alta plasticidade alimentar ao longo do riacho. Espécies do gênero Astyanax são consideradas generalistas em relação ao uso do habitat e altamente ativas, corroborando com os resultados do presente estudo.

Firing Patterns of Cerebellar Purkinje Cells During Locomotion and Sleep

The cerebellum is a major supraspinal center involved in the coordination of movement. The principal neurons of the cerebellar cortex, Purkinje cells, receive excitatory synaptic input from two sources: the parallel and climbing fibers. These pathways have markedly different effects: the parallel fibers control the rate of simple sodium spikes, while the climbing fibers induce characteristic complex spike bursts, which are accompanied by dendritic calcium transients and play a key role in regulating synaptic plasticity. While many studies using a variety of species, behaviors, and cerebellar regions have documented modulation in Purkinje cell activity during movement, few have attempted to record from these neurons in unrestrained rodents. In this dissertation, we use chronic, multi-tetrode recording in freely-behaving rats to study simple and complex spike firing patterns during locomotion and sleep. Purkinje cells discharge rhythmically during stepping, but this activity is highly variable across steps. We show that behavioral variables systematically influence the step-locked firing rate in a step-phase-dependent way, revealing a functional clustering of Purkinje cells. Furthermore, we find a pronounced disassociation between patterns of variability driven by the parallel and climbing fibers, as well as functional differences between cerebellar lobules. These results suggest that Purkinje cell activity not only represents step phase within each cycle, but is also shaped by behavior across steps, facilitating control of movement under dynamic conditions. During sleep, we observe an attenuation of both simple and complex spiking, relative to awake behavior. Although firing rates during slow wave sleep (SWS) and rapid eye movement sleep (REM) are similar, simple spike activity is highly regular in SWS, while REM is characterized by phasic increases and pauses in simple spiking. This phasic activity in REM is associated with pontine waves, which propagate into the cerebellar cortex and modulate both simple and complex spiking. Such a temporal coincidence between parallel and climbing fiber activity is known to drive plasticity at parallel fiber synapses; consequently, pontocerebellar waves may provide a mechanism for tuning synaptic weights in the cerebellum during active sleep.

A Continuum Model for Slip-Twinning Interactions in Magnesium and Magnesium Alloys

Due to their high specific strength and low density, magnesium and magnesium-based alloys have gained great technological importance in recent years. However, their underlying hexagonal crystal structure furnishes Mg and its alloys with a complex mechanical behavior because of their comparably smaller number of energetically favorable slip systems. Besides the commonly studied slip mechanism, another way to accomplish general deformation is through the additional mechanism of deformation-induced twinning. The main aim of this thesis research is to develop an efficient continuum model to understand and ultimately predict the material response resulting from the interaction between these two mechanisms.

The constitutive model we present is based on variational constitutive updates of plastic slips and twin volume fractions and accounts for the related lattice reorientation mechanisms. The model is applied to single- and polycrystalline pure magnesium. We outline the finite-deformation plasticity model combining basal, pyramidal, and prismatic dislocation activity as well as a convexification based approach for deformation twinning. A comparison with experimental data from single-crystal tension-compression experiments validates the model and serves for parameter identification. The extension to polycrystals via both Taylor-type modeling and finite element simulations shows a characteristic stress-strain response that agrees well with experimental observations for polycrystalline magnesium. The presented continuum model does not aim to represent the full details of individual twin-dislocation interactions, yet it is sufficiently efficient to allow for finite element simulations while qualitatively capturing the underlying microstructural deformation mechanisms.

Understanding Micro- and Macro-Mechanics of Soil Liquefaction: A Necessary Step for Field-Scale Assessment

Liquefaction is a devastating instability associated with saturated, loose, and cohesionless soils. It poses a significant risk to distributed infrastructure systems that are vital for the security, economy, safety, health, and welfare of societies. In order to make our cities resilient to the effects of liquefaction, it is important to be able to identify areas that are most susceptible. Some of the prevalent methodologies employed to identify susceptible areas include conventional slope stability analysis and the use of so-called liquefaction charts. However, these methodologies have some limitations, which motivate our research objectives. In this dissertation, we investigate the mechanics of origin of liquefaction in a laboratory test using grain-scale simulations, which helps (i) understand why certain soils liquefy under certain conditions, and (ii) identify a necessary precursor for onset of flow liquefaction. Furthermore, we investigate the mechanics of liquefaction charts using a continuum plasticity model; this can help in modeling the surface hazards of liquefaction following an earthquake. Finally, we also investigate the microscopic definition of soil shear wave velocity, a soil property that is used as an index to quantify liquefaction resistance of soil. We show that anisotropy in fabric, or grain arrangement can be correlated with anisotropy in shear wave velocity. This has the potential to quantify the effects of sample disturbance when a soil specimen is extracted from the field. In conclusion, by developing a more fundamental understanding of soil liquefaction, this dissertation takes necessary steps for a more physical assessment of liquefaction susceptibility at the field-scale.

Efeitos da suplementação dietética com cálcio sobre a plasticidade ontogenética decorrente do desmame precoce ou da exposição materna a nicotina na lactação

O cálcio tem se mostrado útil na regulação do metabolismo energético, favorecendo a perda de peso. Visto que tanto o desmame precoce como a exposição materna à nicotina na lactação são fatores condicionantes para o desenvolvimento de obesidade, hiperleptinemia e resistência à insulina, além de outras alterações endócrinas na idade adulta, decidimos avaliar os possíveis efeitos da suplementação dietética com cálcio sobre as disfunções apresentadas pelos seguintes modelos experimentais: 1) Desmame precoce (DP): ratas lactantes foram envolvidas com atadura para interromper o acesso da prole ao leite nos 3 últimos dias da lactação. As proles das ratas controles tiveram livre acesso ao leite materno durante todo o período da lactação (21 dias). 2) Exposição materna à nicotina (N): Dois dias após o nascimento, ratas lactantes receberam implantes de minibombas osmóticas contendo solução de nicotina (6 mg/kg/dia, 14 dias) ou salina (C), nas mesmas condições. Aos 120 dias de idade, as proles de ambos os modelos de obesidade experimental receberam dieta padrão ou dieta suplementada com cálcio (10g de carbonato de cálcio/kg de ração). O sacrifício ocorreu aos 180 dias de idade. Os dados foram considerados significativos quando p<0,05. Corroborando dados anteriores do nosso grupo, as proles de ambos os modelos de programação (N e DP) apresentaram maior gordura corporal total e visceral, hiperleptinemia, resistência hipotalâmica a leptina e distúrbios na homeostase glicêmica. Além disto, verificamos que as proles N e DP também exibiram aumento dos níveis séricos de 25-hidroxivitamina D3. Todos essas alterações endócrino-metabólicas foram corrigidas pelo tratamento com suplementação com cálcio. Além disso, a prole DP aos 180 dias mostrou hiperfagia e hipertrigliceridemia, que também foram normalizados pela suplementação dietética com cálcio. A prole N apresentou hipotireoidismo, maior conteúdo de catecolaminas e maior expressão de tirosina hidroxilase (TH). A terapia com cálcio reverteu a disfunção adrenal, embora não tenha sido eficaz para normalizar a hipofunção tireoideana. Assim, a suplementação dietética com cálcio normalizou a maioria dos parâmetros da síndrome metabólica observadas nos dois modelos de plasticidade ontogenética. É possível que a redução da adiposidade central induzida pela terapia com cálcio, por si, tenha sido o principal mecanismo que resultou na melhora dos parâmetros estudados. Uma vez que a suplentação de cálcio reverteu as concentrações séricas de 25-hidroxivitamina D3 dos animais obesos, é possível que o efeito anti-obesidade do cálcio também ocorra via ação do calcitriol sobre o adipócito.

O comportamento em campo aberto como modelo para avaliar a recuperação funcional após lesão unilateral dos barris do córtex somatossensorial

Em roedores, as vibrissas são detectores táteis que desempenham papel importante na exploração espacial do ambiente e na discriminação de texturas. No córtex somatosensorial, os campos receptivos de cada uma das vibrissas estão organizados no hemisfério contralateral em colunas discretas denominadas barris. A lesão unilateral dos barris produz um comportamento assimétrico caracterizado pela redução no uso da vibrissa contralateral à lesão na exploração do ambiente, assimetria esta que diminui progressivamente na medida em que os animais são repetidamente testados. Em ratos, este comportamento, normalmente medido pelo número de vezes que os animais encostam as vibrissas na parede de um campo aberto, tem se mostrado uma ferramenta importante em estudos de plasticidade e recuperação funcional após lesões corticais. Contudo, em camundongos com lesões unilaterais dos barris, o registro dos toques das vibrissas na parede tem levado a resultados contraditórios. Esse trabalho tem por objetivo principal o estabelecimento de um modelo comportamental para avaliação da recuperação funcional após lesões unilaterais dos barris do córtex somatosensorial em camundongos. Para tanto, o sentido dos deslocamentos realizados próximos às quinas do campo aberto foi registrado em camundongos Suíços machos submetidos à criolesão unilateral dos barris foi avaliado em três estudos independentes. No primeiro estudo, demonstramos que no grupo Criolesado houve um predomínio dos deslocamentos em sentido contralateral na primeira vez em que foram testados no campo aberto e este resultado foi independente do fato de na primeira sessão ter sido realizada um ou nove dias após a cirurgia. Além disso, demonstramos que o predomínio de deslocamentos em sentido contralateral foi diminuindo na medida em que os animais eram repetidamente testados no campo aberto. No segundo estudo, demonstramos que os animais do grupo Criolesado que foram previamente submetidos a cinco sessões experimentais no campo aberto não apresentaram, após a cirurgia, diferenças entre os deslocamentos realizados em sentido ipsolateral e contralateral à lesão. Já no terceiro estudo, demonstramos que os animais do grupo Criolesado que não foram previamente testados no campo aberto apresentam um predomínio de deslocamentos em sentido contralateral, mesmo quando o teste foi realizado 48 dias após a lesão unilateral dos barris. Nossos dados sugerem que o sentido dos deslocamentos próximo às quinas do campo aberto pode ser uma ferramenta importante para avaliar a recuperação das lesões unilaterais nos barris do córtex somatosensorial. Além disso, para avaliar a recuperação funcional após a lesão unilateral dos barris do córtex somatossensorial, sem o viés da habituação à situação do teste, os animais devem ser testados apenas uma vez

Never-resting microglia: physiological roles in the healthy brain and pathological implications

Microglia are largely known as the major orchestrators of the brain inflammatory response. As such, they have been traditionally studied in various contexts of disease, where their activation has been assumed to induce a wide range of detrimental effects. In the last few years, a series of discoveries have challenged the current view of microglia, showing their active and positive contribution to normal brain function. This Research Topic will review the novel physiological roles of microglia in the developing, mature and aging brain, under non-pathological conditions. In particular, this Research Topic will discuss the cellular and molecular mechanisms by which microglia contribute to the formation, pruning and plasticity of synapses; the maintenance of the blood brain barrier; the regulation of adult neurogenesis and hippocampal learning; and neuronal survival, among other important roles. Because these novel findings defy our understanding of microglial function in health as much as in disease, this Research Topic will also summarize the current view of microglial nomenclature, phenotypes, origin and differentiation, sex differences, and contribution to various brain pathologies. Additionally, novel imaging approaches and molecular tools to study microglia in their non-activated state will be discussed. In conclusion, this Research Topic seeks to emphasize how the current research in neuroscience is challenged by never-resting microglia.

Perinatal hipoxic ischemic injury in the auditory pathway and the effect of several neuroprotective agents

192 p.

Comprobación de procedimientos para mejorar el comportamiento a fatiga de componentes de suspensiones de automóviles.

[ES]Se trata de estudiar y comparar dos tratamientos mecánicos superficiales, el Shot-Peening y el Low Plasticity Ball Burnishing, mediante ensayos y un estudio de los resultados obtenidos, para determinar cuál resulta más adecuado para mejorar el comportamiento a fatiga de los elementos de suspensiones de automóvil.

Learning to perceive in the sensor motor approach: Piaget's theory of equilibration interpreted dynamically

Learning to perceive is faced with a classical paradox: if understanding is required for perception, how can we learn to perceive something new, something we do not yet understand? According to the sensorimotor approach, perception involves mastery of regular sensorimotor co-variations that depend on the agent and the environment, also known as the "laws" of sensorimotor contingencies (SMCs). In this sense, perception involves enacting relevant sensorimotor skills in each situation. It is important for this proposal that such skills can be learned and refined with experience and yet up to this date, the sensorimotor approach has had no explicit theory of perceptual learning. The situation is made more complex if we acknowledge the open-ended nature of human learning. In this paper we propose Piaget's theory of equilibration as a potential candidate to fulfill this role. This theory highlights the importance of intrinsic sensorimotor norms, in terms of the closure of sensorimotor schemes. It also explains how the equilibration of a sensorimotor organization faced with novelty or breakdowns proceeds by re-shaping pre-existing structures in coupling with dynamical regularities of the world. This way learning to perceive is guided by the equilibration of emerging forms of skillful coping with the world. We demonstrate the compatibility between Piaget's theory and the sensorimotor approach by providing a dynamical formalization of equilibration to give an explicit micro-genetic account of sensorimotor learning and, by extension, of how we learn to perceive. This allows us to draw important lessons in the form of general principles for open-ended sensorimotor learning, including the need for an intrinsic normative evaluation by the agent itself. We also explore implications of our micro-genetic account at the personal level.