Power and Performance Management Strategies on NoC-Based Multicore Platforms, Using DVFS, Adaptive Algorithm and Task Parallelism

This work presents synopsis of efficient strategies used in power managements for achieving the most economical power and energy consumption in multicore systems, FPGA and NoC Platforms. In this work, a practical approach was taken, in an effort to validate the significance of the proposed Adaptive Power Management Algorithm (APMA), proposed for system developed, for this thesis project. This system comprise arithmetic and logic unit, up and down counters, adder, state machine and multiplexer. The essence of carrying this project firstly, is to develop a system that will be used for this power management project. Secondly, to perform area and power synopsis of the system on these various scalable technology platforms, UMC 90nm nanotechnology 1.2v, UMC 90nm nanotechnology 1.32v and UMC 0.18 μmNanotechnology 1.80v, in order to examine the difference in area and power consumption of the system on the platforms. Thirdly, to explore various strategies that can be used to reducing system’s power consumption and to propose an adaptive power management algorithm that can be used to reduce the power consumption of the system. The strategies introduced in this work comprise Dynamic Voltage Frequency Scaling (DVFS) and task parallelism. After the system development, it was run on FPGA board, basically NoC Platforms and on these various technology platforms UMC 90nm nanotechnology1.2v, UMC 90nm nanotechnology 1.32v and UMC180 nm nanotechnology 1.80v, the system synthesis was successfully accomplished, the simulated result analysis shows that the system meets all functional requirements, the power consumption and the area utilization were recorded and analyzed in chapter 7 of this work. This work extensively reviewed various strategies for managing power consumption which were quantitative research works by many researchers and companies, it's a mixture of study analysis and experimented lab works, it condensed and presents the whole basic concepts of power management strategy from quality technical papers.

CLEVER-1 as an immune suppressive molecule

The immune response and immune suppression are equally essential for the immune system to protect the host against an infection and to protect self-molecules in different pathophysiological conditions. Pregnancy is one of the conditions where the maternal immune system remains resistant against microbes and yet attains tolerance to protect the fetus, whose genetic material differs partially from the mother’s. However, if the balance of immune suppression is not precise in the host it can favor conditions which lead to diseases, such as cancer and autoimmune disorders. This study was initiated to investigate the expression and functions of CLEVER-1/Stabilin-1, a multifunctional protein expressed on subsets of endothelial cells and type II macrophages, as an immune suppressive molecule. Firstly, the expression of CLEVER-1/stabilin-1 and its function in human placental macrophages were examined. Secondly, the expression profile and functional significance of stabilin-1 on healthy human monocytes was investigated. The results clarified the expression of CLEVER-1/stabilin-1 on placental macrophages, and verified that CLEVER-1/stabilin-1 functions as an adhesion and scavenging molecule on these cells. The data from normal monocytes revealed that the monocytes with low stabilin-1 expression carried a pro-inflammatory gene signature, and that stabilin-1 can directly or indirectly regulate pro-inflammatory genes in monocytes. Finally, it was shown that monocyte CLEVER-1/stabilin-1 dampens IFN production by T cells. To conclude, CLEVER-1/stabilin-1 is defined as an immune suppressive molecule on monocytes and macrophages. Strikingly, anti-stabilin-1 antibodies may have the potential to promote the Th1 dependent inflammatory response and counteract the tumor induced immune suppression.

The Salmon Algorithm - A New Population Based Search Metaheuristic

This thesis introduces the Salmon Algorithm, a search meta-heuristic which can be used for a variety of combinatorial optimization problems. This algorithm is loosely based on the path finding behaviour of salmon swimming upstream to spawn. There are a number of tunable parameters in the algorithm, so experiments were conducted to find the optimum parameter settings for different search spaces. The algorithm was tested on one instance of the Traveling Salesman Problem and found to have superior performance to an Ant Colony Algorithm and a Genetic Algorithm. It was then tested on three coding theory problems - optimal edit codes, optimal Hamming distance codes, and optimal covering codes. The algorithm produced improvements on the best known values for five of six of the test cases using edit codes. It matched the best known results on four out of seven of the Hamming codes as well as three out of three of the covering codes. The results suggest the Salmon Algorithm is competitive with established guided random search techniques, and may be superior in some search spaces.

A Multi-Objective Genetic Algorithm with Side Effect Machines for Motif Discovery

Understanding the machinery of gene regulation to control gene expression has been one of the main focuses of bioinformaticians for years. We use a multi-objective genetic algorithm to evolve a specialized version of side effect machines for degenerate motif discovery. We compare some suggested objectives for the motifs they find, test different multi-objective scoring schemes and probabilistic models for the background sequence models and report our results on a synthetic dataset and some biological benchmarking suites. We conclude with a comparison of our algorithm with some widely used motif discovery algorithms in the literature and suggest future directions for research in this area.

New Contig Creation Algorithm for the de novo DNA Assembly Problem

DNA assembly is among the most fundamental and difficult problems in bioinformatics. Near optimal assembly solutions are available for bacterial and small genomes, however assembling large and complex genomes especially the human genome using Next-Generation-Sequencing (NGS) technologies is shown to be very difficult because of the highly repetitive and complex nature of the human genome, short read lengths, uneven data coverage and tools that are not specifically built for human genomes. Moreover, many algorithms are not even scalable to human genome datasets containing hundreds of millions of short reads. The DNA assembly problem is usually divided into several subproblems including DNA data error detection and correction, contig creation, scaffolding and contigs orientation; each can be seen as a distinct research area. This thesis specifically focuses on creating contigs from the short reads and combining them with outputs from other tools in order to obtain better results. Three different assemblers including SOAPdenovo [Li09], Velvet [ZB08] and Meraculous [CHS+11] are selected for comparative purposes in this thesis. Obtained results show that this thesis’ work produces comparable results to other assemblers and combining our contigs to outputs from other tools, produces the best results outperforming all other investigated assemblers.

A Study of Ordered Gene Problems Featuring DNA Error Correction and DNA Fragment Assembly with a Variety of Heuristics, Genetic Algorithm Variations, and Dynamic Representations

Ordered gene problems are a very common classification of optimization problems. Because of their popularity countless algorithms have been developed in an attempt to find high quality solutions to the problems. It is also common to see many different types of problems reduced to ordered gene style problems as there are many popular heuristics and metaheuristics for them due to their popularity. Multiple ordered gene problems are studied, namely, the travelling salesman problem, bin packing problem, and graph colouring problem. In addition, two bioinformatics problems not traditionally seen as ordered gene problems are studied: DNA error correction and DNA fragment assembly. These problems are studied with multiple variations and combinations of heuristics and metaheuristics with two distinct types or representations. The majority of the algorithms are built around the Recentering- Restarting Genetic Algorithm. The algorithm variations were successful on all problems studied, and particularly for the two bioinformatics problems. For DNA Error Correction multiple cases were found with 100% of the codes being corrected. The algorithm variations were also able to beat all other state-of-the-art DNA Fragment Assemblers on 13 out of 16 benchmark problem instances.

Disease-Gene Association Using a Genetic Algorithm

Understanding the relationship between genetic diseases and the genes associated with them is an important problem regarding human health. The vast amount of data created from a large number of high-throughput experiments performed in the last few years has resulted in an unprecedented growth in computational methods to tackle the disease gene association problem. Nowadays, it is clear that a genetic disease is not a consequence of a defect in a single gene. Instead, the disease phenotype is a reflection of various genetic components interacting in a complex network. In fact, genetic diseases, like any other phenotype, occur as a result of various genes working in sync with each other in a single or several biological module(s). Using a genetic algorithm, our method tries to evolve communities containing the set of potential disease genes likely to be involved in a given genetic disease. Having a set of known disease genes, we first obtain a protein-protein interaction (PPI) network containing all the known disease genes. All the other genes inside the procured PPI network are then considered as candidate disease genes as they lie in the vicinity of the known disease genes in the network. Our method attempts to find communities of potential disease genes strongly working with one another and with the set of known disease genes. As a proof of concept, we tested our approach on 16 breast cancer genes and 15 Parkinson's Disease genes. We obtained comparable or better results than CIPHER, ENDEAVOUR and GPEC, three of the most reliable and frequently used disease-gene ranking frameworks.

Using PageRank Algorithm in Analyzing Dictionary Graphs and PageRank in Dynamic Graphs

In this thesis we are going to analyze the dictionary graphs and some other kinds of graphs using the PagerRank algorithm. We calculated the correlation between the degree and PageRank of all nodes for a graph obtained from Merriam-Webster dictionary, a French dictionary and WordNet hypernym and synonym dictionaries. Our conclusion was that PageRank can be a good tool to compare the quality of dictionaries. We studied some artificial social and random graphs. We found that when we omitted some random nodes from each of the graphs, we have not noticed any significant changes in the ranking of the nodes according to their PageRank. We also discovered that some social graphs selected for our study were less resistant to the changes of PageRank.

Chicken infectious anemia virus vaccination induces immune disorders and viral persistency in infectious bursal disease virus-infected young chicks

La bursite infectieuse aviaire (IBD) est une des causes majeures de pertes économiques pour l’industrie aviaire. La vaccination est le principal outil de contrôle de cette maladie et les oiseaux susceptibles doivent être vaccinés aussitôt que le niveau des anticorps maternels (MA) anti-IBDV est suffisamment bas. L’estimation du moment de vaccination est habituellement déterminée par la formule de Deventer qui utilise le titre initial de MA anti-IBDV et la demi-vie des anticorps pour prédire l’évolution du titre. Dans la présente étude, l’effet du gain de poids sur la vitesse de disparition des MA a été étudié dans le but de l’utiliser pour prédire la détermination du moment de la vaccination. L’analyse des taux d’anticorps neutralisants par ELISA a montré que les poussins avec une forte croissance avaient un taux de disparition plus rapide des MA que ceux à faible croissance. Une formule pour la prédiction du moment de vaccination contre le IBDV, basée sur le gain de poids et le niveau des MA a été développée et vérifiée. La prédiction du moment de vaccination avec cette formule a montré une haute corrélation avec les titres de MA mesurés par ELISA. Le virus de l’anémie infectieuse aviaire (CIAV) est une cause importante d’immunosuppression chez le poulet augmentant la pathogénicité des infections secondaires et en entraînant une réponse humorale suboptimale et une forte mortalité. D’autre part, l’infections sub-clinique du au CIAV provoque une immunosuppression qui facilite la coinfection par d’autre virus tel que le IBDV. Les effets de la coinfection à J1 avec une souche vaccinale de CIAV CAV-VAC® (Intervet) et à J14 avec une souche faiblement virulente de IBDV isolée au Québec, sur l’état de santé des poussins, sur la persistance virale et sur la réponse immunitaire ont été étudiés autant chez des poussins de 1 jour d’âge exempts d’agents pathogènes specifique (SPF) que ceux provenant d’élevages commerciaux. Les résultats ont montré que l’inoculation de la souche vaccinale du CIAV a entraîné une infection sub-clinique, une persistance virale dans la rate et le thymus, une altération de la thymopoièse et une réponse humorale temporaire chez les poussins SPF. Ces effets ont aussi été mis en évidence chez des poussins d’élevage commerciaux malgré des taux élevés de MA. Lors de l’infection avec la souche de IBDV chez des poussins déjà vaccinés contre le CIAV, la persistance du CIAV dans les organes lymphoïdes a été aggravée par une présence de réponses humorales temporaires contre les deux virus et une altération des populations lymphocytaires dans les organes lymphoïdes. Par contre, la présence des MA contre le CIAV a limité temporairement ces effets. Ces travaux ont mis en évidence des désordres immunitaires cellulaires et humoraux et une persistance virale chez des poussins vaccinés contre le CIAV et co-infectés avec le IBDV.

Identification de nouveaux substrats des kinases Erk1/2 par une approche bio-informatique, pharmacologique et phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle omniprésente des protéines Cette modification est ajoutée et enlevée par l’activité enzymatique respective des protéines kinases et phosphatases. Les kinases Erk1/2 sont au cœur d’une voie de signalisation importante qui régule l’activité de protéines impliquées dans la traduction, le cycle cellulaire, le réarrangement du cytosquelette et la transcription. Ces kinases sont aussi impliquées dans le développement de l’organisme, le métabolisme du glucose, la réponse immunitaire et la mémoire. Différentes pathologies humaines comme le diabète, les maladies cardiovasculaires et principalement le cancer, sont associées à une perturbation de la phosphorylation sur les différents acteurs de cette voie. Considérant l’importance biologique et clinique de ces deux kinases, connaître l’étendue de leur activité enzymatique pourrait mener au développement de nouvelles thérapies pharmacologiques. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était de mesurer l’influence de cette voie sur le phosphoprotéome et de découvrir de nouveaux substrats des kinases Erk1/2. Une étude phosphoprotéomique de cinétique d’inhibition pharmacologique de la voie de signalisation Erk1/2 a alors été entreprise. Le succès de cette étude était basé sur trois technologies clés, soit l’enrichissement des phosphopeptides avec le dioxyde de titane, la spectrométrie de masse haut débit et haute résolution, et le développement d’une plateforme bio-informatique nommée ProteoConnections. Cette plateforme permet d’organiser les données de protéomique, évaluer leur qualité, indiquer les changements d’abondance et accélérer l’interprétation des données. Une fonctionnalité distinctive de ProteoConnections est l’annotation des sites phosphorylés identifiés (kinases, domaines, structures, conservation, interactions protéiques phospho-dépendantes). Ces informations ont été essentielles à l’analyse des 9615 sites phosphorylés sur les 2108 protéines identifiées dans cette étude, soit le plus large ensemble rapporté chez le rat jusqu’à ce jour. L’analyse des domaines protéiques a révélé que les domaines impliqués dans les interactions avec les protéines, les acides nucléiques et les autres molécules sont les plus fréquemment phosphorylés et que les sites sont stratégiquement localisés pour affecter les interactions. Un algorithme a été implémenté pour trouver les substrats potentiels des kinases Erk1/2 à partir des sites identifiés selon leur motif de phosphorylation, leur cinétique de stimulation au sérum et l’inhibition pharmacologique de Mek1/2. Une liste de 157 substrats potentiels des kinases Erk1/2 a ainsi été obtenue. Parmi les substrats identifiés, douze ont déjà été rapportés et plusieurs autres ont des fonctions associées aux substrats déjà connus. Six substrats (Ddx47, Hmg20a, Junb, Map2k2, Numa1, Rras2) ont été confirmés par un essai kinase in vitro avec Erk1. Nos expériences d’immunofluorescence ont démontré que la phosphorylation de Hmg20a sur la sérine 105 par Erk1/2 affecte la localisation nucléocytoplasmique de cette protéine. Finalement, les phosphopeptides isomériques positionnels, soit des peptides avec la même séquence d’acides aminés mais phosphorylés à différentes positions, ont été étudiés avec deux nouveaux algorithmes. Cette étude a permis de déterminer leur fréquence dans un extrait enrichi en phosphopeptides et d’évaluer leur séparation par chromatographie liquide en phase inverse. Une stratégie analytique employant un des algorithmes a été développée pour réaliser une analyse de spectrométrie de masse ciblée afin de découvrir les isomères ayant été manqués par la méthode d’analyse conventionnelle.

Role of CD4+ T cells in the regulation of the immune response against encapsulated Group B Streptococcus

Le Streptocoque de groupe B (GBS) est un important agent d’infection invasive pouvant mener à la mort et demeure la cause principale de septicémie néonatale à ce jour. Neuf sérotypes ont été officiellement décrits basés sur la composition de la capsule polysaccharidique (CPS). Parmi ces sérotypes, le type III est considéré le plus virulent et fréquemment associé aux maladies invasives graves, telle que la méningite. Malgré que plusieurs recherches aient été effectuées au niveau des interactions entre GBS type III et les cellules du système immunitaire innées, aucune information n’est disponible sur la régulation de la réponse immunitaire adaptative dirigée contre ce dernier. Notamment, le rôle de cellules T CD4+ dans l’immuno-pathogenèse de l’infection causée par GBS n’a jamais été étudié. Dans cet étude, trois différents modèles murins d’infection ont été développé pour évaluer l’activation et la modulation des cellules T CD4+ répondantes au GBS de type III : ex vivo, in vivo, et in vitro. Les résultats d’infections ex vivo démontrent que les splénocytes totaux répondent à l’infection en produisant des cytokines de type-1 pro-inflammatoires. Une forte production d’IL-10 accompagne cette cascade inflammatoire, probablement dans l’effort de l’hôte de maintenir l’homéostasie. Les résultats démontrent aussi que les cellules T sont activement recrutées par les cellules répondantes du système inné en produisant des facteurs chimiotactiques, tels que CXCL9, CXCL10, et CCL3. Plus spécifiquement, les résultats obtenus à partir des cellules isolées T CD4+ provenant des infections ex vivo ou in vivo démontrent que ces cellules participent à la production d’IFN-γ et de TNF-α ainsi que d’IL-2, suggérant un profil d’activation Th1. Les cellules isolées T CD4+ n’étaient pas des contributeurs majeurs d’IL-10. Ceci indique que cette cytokine immuno-régulatrice est principalement produite par les cellules de l’immunité innée de la rate de souris infectées. Le profil Th1 des cellules T CD4+ a été confirmé en utilisant un modèle in vitro. Nos résultats démontrent aussi que la CPS de GBS a une role immuno-modulateur dans le développement de la réponse Th1. En résumé, cette étude adresse pour la première fois, la contribution des cellules T CD4+ dans la production d’IFN-γ lors d’une infection à GBS et donc, dans le développement d’une réponse de type Th1. Ces résultats renforcent d’avantage le rôle central de cette cytokine pour un control efficace des infections causées par ce pathogène.

Somatic Cell Therapy: A Genetic Rescue for a Tattered Immune System?

Étude de cas / Case study

Caractérisation neuro-immunitaire d'un modèle d'encéphalomyélite auto-immune expérimentale spontanée

La sclérose en plaques est une maladie neuroinflammatoire idiopathique caractérisée par la formation de lésions focales de démyélinisation, qui apparaissent suite à l’infiltration périvasculaire de cellules immunitaires et à l’augmentation de la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique. L’encéphalomyélite auto-immune expérimentale (EAE) est le modèle animal de cette maladie. Cependant, ce modèle présente des différences importantes avec la sclérose en plaques. L’objectif de ce projet de maîtrise était d’approfondir la caractérisation d’un nouveau modèle transgénique d’encéphalomyélite auto-immune expérimentale spontanée, le modèle TCR1640, afin de valider celui-ci pour l’étude des phénomènes physiopathologiques qui surviennent à différents stades de la sclérose en plaques, ainsi que pour le développement de nouveaux traitements de la maladie. La souris TCR1640 porte un récepteur des cellules T (TCR) transgénique autoréactif, qui reconnaît un peptide de la myéline et déclenche une réaction auto-immune contre la myéline endogène au sein du système nerveux central (SNC). Des observations faites in situ et in vitro ont permis d’identifier des changements qui surviennent de façon très précoce dans l’unité neurovasculaire chez les animaux TCR1640 présymptomatiques, et qui sont liés à la présence d’un profil immunitaire périphérique proinflammatoire. Lors des phases actives de l’EAE spontanée, les animaux TCR1640 au stade chronique présentent une inflammation accrue du système nerveux central associée à une infiltration leucocytaire massive, par rapport aux animaux au stade aigu de la maladie. Une étude in vivo a également permis de moduler la maladie développée par des animaux ayant subi une immunisation passive avec des cellules T auxiliaires en provenance de souris TCR1640. Enfin, l’implication de nouvelles molécules d’adhésion cellulaire dans le développement et le maintien de l’EAE spontanée a été suggérée par des observations in vitro. L’ensemble de ces résultats suggère que le modèle TCR1640 présente plusieurs avantages pour l’étude de la physiopathologie de maladies neuroinflammatoires telles que la sclérose en plaques, et servira d’outil afin de valider de nouvelles stratégies thérapeutiques.

Étude de l’impact de la grossesse sur l’hépatite auto-immune dans un modèle expérimental murin

L’hépatite auto-immune (HAI) est une maladie chronique caractérisée par une destruction progressive du parenchyme hépatique par le système immunitaire. La majorité des patients atteints d’HAI sont des femmes (75% à 90% des cas). L’amélioration des traitements au cours des dernières années a permis à un grand nombre de ces femmes de devenir enceintes. Pendant la grossesse, une rémission spontanée de la maladie a pu être observée chez les femmes atteintes d’HAI. Cette rémission est temporaire et elle est généralement suivie d’une rechute suite à l’accouchement (post-partum). Les causes exactes de cette rémission associée à la grossesse et de la rechute post-partum ne sont pas connues à ce jour. Nous avons donc tenté de reproduire ces phénomènes dans un modèle murin d’HAI développé dans notre laboratoire, afin de déterminer les mécanismes possiblement impliqués. Notre modèle d’HAI consiste en une xéno-immunisation de souris C57BL/6 avec les auto-antigènes impliqués dans l’HAI de type 2 chez l’humain. Nous avons ainsi accouplées des souris préalablement xéno-immunisées, puis nous les avons sacrifiées au début de la 3e semaine de gestation ou 2 à 3 semaines post-partum, afin d’évaluer les dommages hépatiques et afin d’étudier la réponse immunitaire. Comme chez les femmes atteintes d’HAI, les souris présentent une rémission de la maladie pendant la grossesse. Nous en sommes venus à cette conclusion par l’observation d’une diminution de l’inflammation hépatique, des niveaux de transaminases sériques et des titres d’auto-anticorps circulants. À l’inverse des humains, les souris xéno-immunisées ne présentent pas de rechute post-partum. Une analyse des cellules régulatrices (cellules T régulatrices et cellules B productrices d'IL-10) suggère une implication des Tregs hépatiques dans la rémission, car ceux-ci sont augmentés pendant la gestation. Ces Tregs hépatiques sont majoritairement d’origine thymique et ne semblent pas particulièrement attirés au foie en réponse à l’inflammation. La polarisation TH2 est un phénomène connu pendant la grossesse, par contre elle ne semble pas influencer la réponse auto-immune dans nos souris. Une meilleure compréhension des mécanismes d’immunosuppression observés lors de la grossesse pourrait mener au développement d’une thérapie mieux ciblée.

Étude de protection conférée par vaccination ADN dans un modèle murin d’hépatite auto-immune

La vaccination ADN à l’aide de plasmides codant pour des autoantigènes s’est avérée efficace dans la protection contre plusieurs maladies auto-immunes. Le but de ce mémoire était dans un premier temps d’établir si un protocole de vaccination ADN composé de 3 injections de pCMV-CTLA-4-NP et de pVR-IL-12 à deux semaines d’intervalle avait un effet protecteur contre le développement d’une hépatite auto-immune chez la souris TTR-NP, un modèle murin transgénique de la maladie et précédemment développé au laboratoire. Dans un deuxième temps, le but était d’élucider, le cas échéant, les mécanismes sous-tendant la protection conférée par la vaccination ADN. Les hypothèses initiales étaient qu’une protection allait effectivement être conférée par la vaccination ADN et que celle-ci pouvait être attribuable à une déviation de la réponse typiquement Th1 de la maladie vers une réponse Th2, à un épuisement des cellules immunitaires et/ou à l’activation et à l’induction de prolifération de cellules régulatrices. Les résultats montrent que la vaccination ADN induit une protection transitoire contre le développement d’infiltrations lymphocytaires au foie. Cette protection se ferait via un épuisement des cellules CD4+, CD8+ et CD19+ se retrouvant à la rate et exprimant PD 1 dans une plus forte proportion à 3 mois, et ne serait médiée ni par les lymphocytes T régulateurs CD4+CD25+FoxP3+, ni par les cellules CD8+FoxP3+. Une déviation de la réponse Th1 vers une réponse Th2 demeure une explication supplémentaire plausible à la protection conférée mais nécessiterait une caractérisation en situation plus physiologique avant de pouvoir inférer sur son implication réelle. La vaccination ADN n’influe ni sur la présence d’autoanticorps, ni sur les niveaux d’alanine aminotransférase, deux marqueurs de la maladie.