Transferability of Regional Permafrost Disturbance Susceptibility Modelling Using Generalized Linear and Generalized Additive Models

To effectively assess and mitigate risk of permafrost disturbance, disturbance-p rone areas can be predicted through the application of susceptibility models. In this study we developed regional susceptibility models for permafrost disturbances using a field disturbance inventory to test the transferability of the model to a broader region in the Canadian High Arctic. Resulting maps of susceptibility were then used to explore the effect of terrain variables on the occurrence of disturbances within this region. To account for a large range of landscape charac- teristics, the model was calibrated using two locations: Sabine Peninsula, Melville Island, NU, and Fosheim Pen- insula, Ellesmere Island, NU. Spatial patterns of disturbance were predicted with a generalized linear model (GLM) and generalized additive model (GAM), each calibrated using disturbed and randomized undisturbed lo- cations from both locations and GIS-derived terrain predictor variables including slope, potential incoming solar radiation, wetness index, topographic position index, elevation, and distance to water. Each model was validated for the Sabine and Fosheim Peninsulas using independent data sets while the transferability of the model to an independent site was assessed at Cape Bounty, Melville Island, NU. The regional GLM and GAM validated well for both calibration sites (Sabine and Fosheim) with the area under the receiver operating curves (AUROC) N 0.79. Both models were applied directly to Cape Bounty without calibration and validated equally with AUROC's of 0.76; however, each model predicted disturbed and undisturbed samples differently. Addition- ally, the sensitivity of the transferred model was assessed using data sets with different sample sizes. Results in- dicated that models based on larger sample sizes transferred more consistently and captured the variability within the terrain attributes in the respective study areas. Terrain attributes associated with the initiation of dis- turbances were similar regardless of the location. Disturbances commonly occurred on slopes between 4 and 15°, below Holocene marine limit, and in areas with low potential incoming solar radiation

Redistribution of Soil Organic Matter by Permafrost Disturbance in the Canadian High Arctic

With increased warming in the Arctic, permafrost thaw may induce localized physical disturbance of slopes. These disturbances, referred to as active layer detachments (ALDs), redistribute soil across the landscape, potentially releasing previously unavailable carbon (C). In 2007–2008, widespread ALD activity was reported at the Cape Bounty Arctic Watershed Observatory in Nunavut, Canada. Our study investigated organic matter (OM) composition in soil profiles from ALD-impacted and undisturbed areas. Solid-state 13C nuclear magnetic resonance (NMR) and solvent-extractable biomarkers were used to characterize soil OM. Throughout the disturbed upslope profile, where surface soils and vegetation had been removed, NMR revealed low O-alkyl C content and biomarker analysis revealed low concentrations of solvent-extractable compounds suggesting enhanced erosion of labile-rich OM by the ALD. In the disturbed downslope region, vegetation remained intact but displaced material from upslope produced lateral compression ridges at the surface. High O-alkyl content in the surface horizon was consistent with enrichment of carbohydrates and peptides, but low concentrations of labile biomarkers (i.e., sugars) suggested the presence of relatively unaltered labile-rich OM. Decreased O-alkyl content and biomarker concentrations below the surface contrasted with the undisturbed profile and may indicate the loss of well-established pre-ALD surface drainage with compression ridge formation. However, pre-ALD profile composition remains unknown and the observed decreases may result from nominal pre-ALD OM inputs. These results are the first to establish OM composition in ALD-impacted soil profiles, suggesting reallocation of permafrost-derived soil C to areas where degradation or erosion may contribute to increased C losses from disturbed Arctic soils.

Shiftwork, sleep disturbance and the metabolic syndrome among female hospital workers

Background: Shiftwork is associated with increased sleep disturbance and cardiovascular and metabolic disease risk. This thesis will focus on shiftwork-related sleep disturbance and the potential mediating role of reduced sleep duration in the relationship between a current rotational shiftwork schedule and the metabolic syndrome among female hospital employees. Objectives: 1) To describe sleep patterns in relation to different shiftwork exposure metrics (current status, cumulative exposure, number of consecutive night shifts); 2) To assess the association between shiftwork metrics and sleep duration; 3) To determine whether sleep duration on work shifts mediates the relationship between a current rotational shiftwork pattern and the metabolic syndrome; and 4) To assess whether cumulative shiftwork exposure and the number of consecutive night shifts are associated with the metabolic syndrome. Methods: 294 female hospital employees (142 rotating shiftworkers, 152 dayworkers) participated in a cross-sectional study. Shiftwork parameters were determined through self-report. Sleep was measured for one week with the ActiGraph GT3X+, a tri-axial accelerometer. The metabolic syndrome was defined according to the Joint Interim Studies Consensus Statement. Sleep was described by shiftwork exposure parameters, and multivariable linear regression was used to determine associations between shiftwork variables and sleep duration. Regression path analysis was used to assess whether sleep duration was a mediator between a current shiftwork schedule and the metabolic syndrome, and the significance of the indirect (mediating) effect was tested with bootstrap confidence intervals. Logistic regression was used to determine associations between cumulative shiftwork exposure, number of consecutive night shifts, and the metabolic syndrome. Results: Current shiftworkers slept less on work shifts, more on free days, and were more likely to nap compared to dayworkers. Sleep duration on work shifts was a strong intermediate in the relationship between a current shiftwork pattern and the metabolic syndrome. Cumulative shiftwork exposure and the number of consecutive night shifts did not affect sleep or the metabolic syndrome. Conclusions: A current shiftwork pattern disrupts sleep, and reduced sleep duration is an important intermediate between shiftwork and the metabolic syndrome among female hospital employees.

Characterisation of Large Disturbance Rotor Angle and Voltage Stability in Interconnected Power Networks with Distributed Wind Generation

Wind generation in highly interconnected power networks creates local and centralised stability issues based on their proximity to conventional synchronous generators and load centres. This paper examines the large disturbance stability issues (i.e. rotor angle and voltage stability) in power networks with geographically distributed wind resources in the context of a number of dispatch scenarios based on profiles of historical wind generation for a real power network. Stability issues have been analysed using novel stability indices developed from dynamic characteristics of wind generation. The results of this study show that localised stability issues worsen when significant penetration of both conventional and wind generation is present due to their non-complementary characteristics. In contrast, network stability improves when either high penetration of wind and synchronous generation is present in the network. Therefore, network regions can be clustered into two distinct stability groups (i.e. superior stability and inferior stability regions). Network stability improves when a voltage control strategy is implemented at wind farms, however both stability clusters remain unchanged irrespective of change in the control strategy. Moreover, this study has shown that the enhanced fault ride-through (FRT) strategy for wind farms can improve both voltage and rotor angle stability locally, but only a marginal improvement is evident in neighbouring regions.

Immune proteins in neurons : towards an understanding of the neuronal role of the immune protein CD3[Zeta] in NMDA receptor signaling and cytoskeleton remodeling

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Dissertation, 2016

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

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

Neuronal Assembly Detection and Cell Membership Specification by Principal Component Analysis

LOPES-DOS-SANTOS, V. , CONDE-OCAZIONEZ, S. ; NICOLELIS, M. A. L. , RIBEIRO, S. T. , TORT, A. B. L. . Neuronal assembly detection and cell membership specification by principal component analysis. Plos One, v. 6, p. e20996, 2011.

Detecting cell assemblies in large neuronal populations

Recent progress in the technology for single unit recordings has given the neuroscientific community theopportunity to record the spiking activity of large neuronal populations. At the same pace, statistical andmathematical tools were developed to deal with high-dimensional datasets typical of such recordings.A major line of research investigates the functional role of subsets of neurons with significant co-firingbehavior: the Hebbian cell assemblies. Here we review three linear methods for the detection of cellassemblies in large neuronal populations that rely on principal and independent component analysis.Based on their performance in spike train simulations, we propose a modified framework that incorpo-rates multiple features of these previous methods. We apply the new framework to actual single unitrecordings and show the existence of cell assemblies in the rat hippocampus, which typically oscillate attheta frequencies and couple to different phases of the underlying field rhythm

Development and regeneration of neuronal circuits in the vertebrate retina

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

Concussion: Examining the Effect of Neuronal Oxidative Stress on the Pathophysiology of Brain and Blood Brain Barrier Cells

Neuronal stretching during concussion alters glucose transport and reduces neuronal viability, also affecting other cells in the brain and the Blood Brain Barrier (BBB). Our hypothesis is that oxidative stress (OS) generated in neurons during concussions contributes to this outcome. To validate this, we investigated: (1) whether OS independently causes alterations in brain and BBB cells, namely human neuron-like, neuroblastoma cells (NCs), astrocyte cells (ACs) and brain microvascular endothelial cells (ECs), and (2) whether OS originated in NCs (as in concussion) is responsible for causing the subsequent alterations observed in ACs and ECs. We used H2O2 treatment to mimic OS, validated by examining the resulting reactive oxygen species, and evaluated alterations in cell morphology, expression and localization of the glucose transporter GLUT1, and the overall cell viability. Our results showed that OS, either directly affecting each cell type or originally affecting NCs, caused changes in several morphological parameters (surface area, Feret diameter, circularity, inter-cellular distance), slightly varied GLUT1 expression and lowered the overall cell viability of all NCs, ACs, and ECs. Therefore, we can conclude that oxidative stress, which is known to be generated during concussion, caused alterations in NCs, ACs, and ECs whether independently originated in each cell or when originated in the NCs and could further propagate the ACs and ECs.

Proyecto de aula : "reconocimiento de los efectos nocivos en la comunicaci?n neuronal, a causa del excesivo consumo de alcohol en el ser humano"

Este trabajo consiste en una investigaci?n escolar de car?cter cualitativa a trav?s de la metodolog?a de proyecto de aula, que pretende ense?ar de forma contextualizada como el consumo en excesivo del alcohol afecta la comunicaci?n neuronal del ser humano, para que la muestra de estudiantes de 12 a 14 a?os logren contrastar sus concepciones previas con las posibles hip?tesis de soluci?n del problema planteado y as? para as? comenzar a construir un aprendizaje significativo. Este proyecto de aula se desarrolla a trav?s de 3 fases, quedando planteadas las actividades por desarrollar en investigaciones posteriores. Dichas fases trabajadas fueron: Fase I. Diagn?stico de intereses y concepciones previas de los estudiantes, identificaci?n y formulaci?n del problema. Fase II. Planteamiento de hip?tesis sobre el problema. Fase III. Planteamiento de las actividades de soluci?n del problema. El desarrollo de este estudio ha permitido demostrar la importancia de tener en cuenta la ense?anza contextualizada, ya que nos permite utilizar el contexto de la vida diaria, para mejorar el inter?s de los estudiantes por el aprendizaje de las ciencias.

Influence of Food Distribution and Human Disturbance on the Reproductive Success of Herring Gulls

A three year study of Herring Gull (Larus argentatus) reproductive success on four i~lands in Maine indicate.d that production of young was controlled by different factors operating on the eggs and chicks. Hatching success was inversely related to the disturbance of co.Ionics by pic~i~kers, which apparently caused the adults to leave their eggs exposed 10 sufficient solar rad1a11on to addle the eggs. The survival of chicks was lower on islands distant ~rom sources of edible r~~use (ou.ter. islands) than o.n. islands close to sources of waste (inner islands), regardless of visits by picnickers. The nutrition and growth rates of chicks on inner and outer islands were similar. The attendance of parents on the territories was found to be less o~ an out~r islan~ than on an inner island. It is concluded that differences in parental behavior associated with greater foraging effort were responsible for a higher loss of chicks to predation on the outer islands.

Neuronal Assembly Detection and Cell Membership Specification by Principal Component Analysis

LOPES-DOS-SANTOS, V. , CONDE-OCAZIONEZ, S. ; NICOLELIS, M. A. L. , RIBEIRO, S. T. , TORT, A. B. L. . Neuronal assembly detection and cell membership specification by principal component analysis. Plos One, v. 6, p. e20996, 2011.

The interplay between neuronal activity and actin dynamics mimic the setting of an LTD synaptic tag

Persistent forms of plasticity, such as long-term depression (LTD), are dependent on the interplay between activity-dependent synaptic tags and the capture of plasticity-related proteins. We propose that the synaptic tag represents a structural alteration that turns synapses permissive to change. We found that modulation of actin dynamics has different roles in the induction and maintenance of LTD. Inhibition of either actin depolymerisation or polymerization blocks LTD induction whereas only the inhibition of actin depolymerisation blocks LTD maintenance. Interestingly, we found that actin depolymerisation and CaMKII activation are involved in LTD synaptic-tagging and capture. Moreover, inhibition of actin polymerisation mimics the setting of a synaptic tag, in an activity-dependent manner, allowing the expression of LTD in non-stimulated synapses. Suspending synaptic activation also restricts the time window of synaptic capture, which can be restored by inhibiting actin polymerization. Our results support our hypothesis that modulation of the actin cytoskeleton provides an input-specific signal for synaptic protein capture.