Effect of pH on non-photochemical quenching in spinach photsystem 2 particles as measured by picosecond fluorescence decay kinetics

Single photon timing was used to study picosecond chlorophyll a fluorescence decay kinetics of pH induced non-photochemical quenching in spinach photosystem 2 particles. The characteristics of this quenching are a decrease in chlorophyll a fluorescence yield as well as a decrease in photochemistry at low pH. Picosecond kinetics of room temperature fluorescence temporally resolve the individual components of the steady state fluorescence yield into components that are related to primary energy conversion processes in photosystem 2. Four components were resolved for dark adapted (Fo), light saturated (Fm), and chemically reduced (Nadithionite) photosystem 2 reaction centres. The fastest and slowest components, indicative of energy transfer to and energy capture by the photosystem 2 reaction centre and uncoupled ("dead") chlorophyll, respectively, were not affected by changing pH from 6.5 to 4.0. The two intermediate components, indicative of electron transfer processes within the reaction centre of photosystem 2, were affected by the pH change. Results indicate that the decrease in the steady state fluorescence yield at low pH was primarily due to the decrease in lifetime and amplitude of the slower of the intermediate components. These results imply that the decrease in steady state fluorescence yield at low pH is not due to changes in energy transfer to and energy capture by the photosystem 2 reaction centre, but is related to changes in charge stabilization and charge recombination in the photosystem 2 reaction centre.

Effects of large anphiphilic ligands upon the spectra and kinetics of cytochrome C oxidase

Cytoch ro me c oxidase (ferrocytochrome c : 02 oxidoreductase ; EC 1.9. 3.1) is the terminal enzyme in the mitochondrial electron transport chain, catalyzing the transfer of electrons from ferrocytochrome c to molecular oxygen. The effects of two large amphiphilic molecules - valinomycin and dibucaine upon the spectra of the isolated enzyme and upon the activity of both isolated enzyme and enzyme in membrane systems are investigated by using spectrophotometric and oxygen electrode techniques. The results show that both valinomycin and dibucaine change the Soret region of the speetrum and cause a partial inhibition in a concentration range higher than that in which they act as ionophores. It is concluded that both valinomycin and dibucaine binding induce a conformational change of the protein structure which modifies the spectrum of the a3 CUB centre and diminishes the rate of electron transfer between cytochrome a and the binuclear centre.

The Structural and Functional Changes of Blood Vessels during Aging

The vascular adventitia is recognized as a dynamic mediator of vascular structure and function, yet its role in aging is not understood. The purpose of this thesis was to examine the age-related changes of the vascular adventitia and determine the underlying mediators responsible. Male Sprague-Dawley rats were aged to 15, 30, 50 and 80 weeks before being anesthetised and euthanized by exsanguination. Thoracic aortas, mesenteric and pudental arteries were isolated, formalin fixed, and embedded in paraffin then sectioned at 5μm. Vessels were examined by microscopy and protein expression was determined by indirect immunofluorescence. The thickness of the adventitia increased dramatically with age. Immunofluorescence revealed a robust expression of endothelin system proteins in the adventitia. Additionally, extracellular matrix proteins collagen and fibronectin, and the proliferation marker Ki67 showed strong adventitial origin. The changes observed in the vascular adventitia with aging clearly demonstrate an important role in the process of vascular aging.

Electrocortical indices of cognitive control in working memory : exploring the effects of proactive interference, cognitive load, and aging

Cognitive control involves the ability to flexibly adjust cognitive processing in order to resist interference and promote goal-directed behaviour. Although frontal cortex is considered to be broadly involved in cognitive control, the mechanisms by which frontal brain areas implement control functions are unclear. Furthermore, aging is associated with reductions in the ability to implement control functions and questions remain as to whether unique cortical responses serve a compensatory role in maintaining maximal performance in later years. Described here are three studies in which electrophysiological data were recorded while participants performed modified versions of the standard Sternberg task. The goal was to determine how top-down control is implemented in younger adults and altered in aging. In study I, the effects of frequent stimulus repetition on the interference-related N450 were investigated in a Sternberg task with a small stimulus set (requiring extensive stimulus resampling) and a task with a large stimulus set (requiring no stimulus resampling).The data indicated that constant stimulus res amp ling required by employing small stimulus sets can undercut the effect of proactive interference on the N450. In study 2, younger and older adults were tested in a standard version of the Sternberg task to determine whether the unique frontal positivity, previously shown to predict memory impairment in older adults during a proactive interference task, would be associated with the improved performance when memory recognition could be aided by unambiguous stimulus familiarity. Here, results indicated that the frontal positivity was associated with poorer memory performance, replicating the effect observed in a more cognitively demanding task, and showing that stimulus familiarity does not mediate compensatory cortical activations in older adults. Although the frontal positivity could be interpreted to reflect maladaptive cortical activation, it may also reflect attempts at compensation that fail to fully ameliorate agerelated decline. Furthermore, the frontal positivity may be the result of older adults' reliance on late occurring, controlled processing in contrast to younger adults' ability to identify stimuli at very early stages of processing. In the final study, working memory load was manipulated in the proactive interference Sternberg task in order to investigate whether the N450 reflects simple interference detection, with little need for cognitive resources, or an active conflict resolution mechanism that requires executive resources to implement. Independent component analysis was used to isolate the effect of interference revealing that the canonical N450 was based on two dissociable cognitive control mechanisms: a left frontal negativity that reflects active interference resolution, , but requires executive resources to implement, and a right frontal negativity that reflects global response inhibition that can be relied on when executive resources are minimal but at the cost of a slowed response. Collectively, these studies advance understanding of the factors that influence younger and older adults' ability to satisfy goal-directed behavioural requirements in the face of interference and the effects of age-related cognitive decline.

The structural and functional changes of blood vessels during aging

The vascular adventitia is recognized as a dynamic mediator of vascular structure and function, yet its role in aging is not understood. The purpose of this thesis was to examine the age-related changes of the vascular adventitia and determine the underlying mediators responsible. Male Sprague-Dawley rats were aged to 15,30,50 and 80 weeks before being anesthetised and euthanized by exsanguination. Thoracic aortas, mesenteric and pudental arteries were isolated, formalin fixed, and embedded in paraffin then sectioned at 51lm. Vessels were examined by microscopy and protein expression was determined by indirect immunofluorescence. The thickness of the adventitia increased dramatically with age. Immunofluorescence revealed a robust expression of endothelin system proteins in the adventitia. Additionally, extracellular matrix proteins collagen and fibronectin, and the proliferation marker Ki67 showed strong adventitial origin. The changes observed in the vascular adventitia with aging clearly demonstrate an important role in the process of vascular aging.

Autonomic and Electrophysiological Correlates of Cognitive Control in Aging

This thesis tested a model of neurovisceral integration (Thayer & Lane, 2001) wherein parasympathetic autonomic regulation is considered to play a central role in cognitive control. We asked whether respiratory sinus arrhythmia (RSA), a parasympathetic index, and cardiac workload (rate pressure product, RPP) would influence cognition and whether this would change with age. Cognitive control was measured behaviourally and electrophysiologically through the error-related negativity (ERN) and error positivity (Pe). The ERN and Pe are thought to be generated by the anterior cingulate cortex (ACC), a region involved in regulating cognitive and autonomic control and susceptible to age-related change. In Study 1, older and younger adults completed a working memory Go/NoGo task. Although RSA did not relate to performance, higher pre-task RPP was associated with poorer NoGo performance among older adults. Relations between ERN/Pe and accuracy were indirect and more evident in younger adults. Thus, Study 1 supported the link between cognition and autonomic activity, specifically, cardiac workload in older adults. In Study 2, we included younger adults and manipulated a Stroop task to clarify conditions under which associations between RSA and performance will likely emerge. We varied task parameters to allow for proactive versus reactive strategies, and motivation was increased via financial incentive. Pre-task RSA predicted accuracy when response contingencies required maintenance of a specific item in memory. Thus, RSA was most relevant when performance required proactive control, a metabolically costly strategy that would presumably be more reliant on autonomic flexibility. In Study 3, we included older adults and examined RSA and proactive control in an additive factors framework. We maintained the incentive and measured fitness. Higher pre-task RSA among older adults was associated with greater accuracy when proactive control was needed most. Conversely, performance of young women was consistently associated with fitness. Relations between ERN/Pe and accuracy were modest; however, isolating ACC activity via independent component analysis allowed for more associations with accuracy to emerge in younger adults. Thus, performance in both groups appeared to be differentially dependent on RSA and ACC activation. Altogether, these data are consistent with a neurovisceral integration model in the context of cognitive control.

Aging Citizenship

Dossier : In Memoriam, Iris Marion Young (1949-2006)

Polymeric nanoparticles : from microporosity and drug release kinetics to cellular interactions

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Quantitative functional neuroimaging of cerebral physiology in healthy aging

Les études d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) ont pour prémisse générale l’idée que le signal BOLD peut être utilisé comme un succédané direct de l’activation neurale. Les études portant sur le vieillissement cognitif souvent comparent directement l’amplitude et l’étendue du signal BOLD entre des groupes de personnes jeunes et âgés. Ces études comportent donc un a priori additionnel selon lequel la relation entre l’activité neurale et la réponse hémodynamique à laquelle cette activité donne lieu restent inchangée par le vieillissement. Cependant, le signal BOLD provient d’une combinaison ambiguë de changements de métabolisme oxydatif, de flux et de volume sanguin. De plus, certaines études ont démontré que plusieurs des facteurs influençant les propriétés du signal BOLD subissent des changements lors du vieillissement. L’acquisition d’information physiologiquement spécifique comme le flux sanguin cérébral et le métabolisme oxydatif permettrait de mieux comprendre les changements qui sous-tendent le contraste BOLD, ainsi que les altérations physiologiques et cognitives propres au vieillissement. Le travail présenté ici démontre l’application de nouvelles techniques permettant de mesurer le métabolisme oxydatif au repos, ainsi que pendant l’exécution d’une tâche. Ces techniques représentent des extensions de méthodes d’IRMf calibrée existantes. La première méthode présentée est une généralisation des modèles existants pour l’estimation du métabolisme oxydatif évoqué par une tâche, permettant de prendre en compte tant des changements arbitraires en flux sanguin que des changements en concentrations sanguine d’O2. Des améliorations en terme de robustesse et de précisions sont démontrées dans la matière grise et le cortex visuel lorsque cette méthode est combinée à une manipulation respiratoire incluant une composante d’hypercapnie et d’hyperoxie. Le seconde technique présentée ici est une extension de la première et utilise une combinaison de manipulations respiratoires incluant l’hypercapnie, l’hyperoxie et l’administration simultanée des deux afin d’obtenir des valeurs expérimentales de la fraction d’extraction d’oxygène et du métabolisme oxydatif au repos. Dans la deuxième partie de cette thèse, les changements vasculaires et métaboliques liés à l’âge sont explorés dans un groupe de jeunes et aînés, grâce au cadre conceptuel de l’IRMf calibrée, combiné à une manipulation respiratoire d’hypercapnie et une tâche modifiée de Stroop. Des changements de flux sanguin au repos, de réactivité vasculaire au CO2 et de paramètre de calibration M ont été identifiés chez les aînés. Les biais affectant les mesures de signal BOLD obtenues chez les participants âgés découlant de ces changements physiologiques sont de plus discutés. Finalement, la relation entre ces changements cérébraux et la performance dans la tâche de Stroop, la santé vasculaire centrale et la condition cardiovasculaire est explorée. Les résultats présentés ici sont en accord avec l’hypothèse selon laquelle une meilleure condition cardiovasculaire est associée à une meilleure fonction vasculaire centrale, contribuant ainsi à l’amélioration de la santé vasculaire cérébrale et cognitive.

A virtual reality approach to the study of visually driven postural control in developing and aging humans

L'être humain utilise trois systèmes sensoriels distincts pour réguler le maintien de la station debout: la somesthésie, le système vestibulaire, et le système visuel. Le rôle de la vision dans la régulation posturale demeure peu connu, notamment sa variabilité en fonction de l'âge, du type développemental, et des atteintes neurologiques. Dans notre travail, la régulation posturale induite visuellement a été évaluée chez des participants au développement et vieillissement normaux âgés de 5-85 ans, chez des individus autistes (développement atypique) âgés de 12-33 ans, ainsi que chez des enfants entre 9-18 ans ayant subi un TCC léger. À cet effet, la réactivité posturale des participants en réponse à un tunnel virtuel entièrement immersif, se mouvant à trois niveaux de vélocité, a été mesurée; des conditions contrôles, où le tunnel était statique ou absent, ont été incluses. Les résultats montrent que la réactivité (i.e. instabilité) posturale induite visuellement est plus élevée chez les jeunes enfants; ensuite, elle s'atténue pour rejoindre des valeurs adultes vers 16-19 ans et augmente de façon linéaire en fonction de l'âge après 45 ans jusqu'à redevenir élevée vers 60 ans. De plus, à la plus haute vélocité du tunnel, les plus jeunes participants autistes ont manifesté significativement moins de réactivité posturale comparativement à leurs contrôles; cette différence n'était pas présente chez des participants plus âgés (16-33 ans). Enfin, les enfants ayant subi un TCC léger, et qui étaient initialement modérément symptomatiques, ont montré un niveau plus élevé d'instabilité posturale induite visuellement que les contrôles, et ce jusqu'à 12 semaines post-trauma malgré le fait que la majorité d'entre eux (89%) n'étaient plus symptomatiques à ce stade. En somme, cela suggère la présence d'une importante période de transition dans la maturation des systèmes sous-tendant l'intégration sensorimotrice impliquée dans le contrôle postural vers l'âge de 16 ans, et d'autres changements sensorimoteurs vers l'âge de 60 ans; cette sur-dépendance visuelle pour la régulation posturale chez les enfants et les aînés pourrait guider l'aménagement d'espaces et l'élaboration d'activités ajustés à l'âge des individus. De plus, le fait que l'hypo-réactivité posturale aux informations visuelles chez les autistes dépende des caractéristiques de l'environnement visuel et de l'âge chronologique, affine notre compréhension des anomalies sensorielles propres à l'autisme. Par ailleurs, le fait que les enfants ayant subi un TCC léger montrent des anomalies posturales jusqu'à 3 mois post-trauma, malgré une diminution significative des symptômes rapportés, pourrait être relié à une altération du traitement de l'information visuelle dynamique et pourrait avoir des implications quant à la gestion clinique des patients aux prises avec un TCC léger, puisque la résolution des symptômes est actuellement le principal critère utilisé pour la prise de décision quant au retour aux activités. Enfin, les résultats obtenus chez une population à développement atypique (autisme) et une population avec atteinte neurologique dite transitoire (TCC léger), contribuent non seulement à une meilleure compréhension des mécanismes d'intégration sensorimotrice sous-tendant le contrôle postural mais pourraient aussi servir comme marqueurs sensibles et spécifiques de dysfonction chez ces populations. Mots-clés : posture, équilibre, vision, développement/vieillissement sensorimoteur, autisme, TCC léger symptomatique, réalité virtuelle.

Changes in cortical and sub-cortical patterns of activity associated with aging during the performance of a lexical set-shifting task

Bien que le passage du temps altère le cerveau, la cognition ne suit pas nécessairement le même destin. En effet, il existe des mécanismes compensatoires qui permettent de préserver la cognition (réserve cognitive) malgré le vieillissement. Les personnes âgées peuvent utiliser de nouveaux circuits neuronaux (compensation neuronale) ou des circuits existants moins susceptibles aux effets du vieillissement (réserve neuronale) pour maintenir un haut niveau de performance cognitive. Toutefois, la façon dont ces mécanismes affectent l’activité corticale et striatale lors de tâches impliquant des changements de règles (set-shifting) et durant le traitement sémantique et phonologique n’a pas été extensivement explorée. Le but de cette thèse est d’explorer comment le vieillissement affecte les patrons d’activité cérébrale dans les processus exécutifs d’une part et dans l’utilisation de règles lexicales d’autre part. Pour cela nous avons utilisé l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) lors de la performance d’une tâche lexicale analogue à celle du Wisconsin. Cette tâche a été fortement liée à de l’activité fronto-stritale lors des changements de règles, ainsi qu’à la mobilisation de régions associées au traitement sémantique et phonologique lors de décisions sémantiques et phonologiques, respectivement. Par conséquent, nous avons comparé l’activité cérébrale de jeunes individus (18 à 35 ans) à celle d’individus âgés (55 à 75 ans) lors de l’exécution de cette tâche. Les deux groupes ont montré l’implication de boucles fronto-striatales associées à la planification et à l’exécution de changements de règle. Toutefois, alors que les jeunes semblaient activer une « boucle cognitive » (cortex préfrontal ventrolatéral, noyau caudé et thalamus) lorsqu’ils se voyaient indiquer qu’un changement de règle était requis, et une « boucle motrice » (cortex postérieur préfrontal et putamen) lorsqu’ils devaient effectuer le changement, les participants âgés montraient une activation des deux boucles lors de l’exécution des changements de règle seulement. Les jeunes adultes tendaient à présenter une augmentation de l’activité du cortex préfrontal ventrolatéral, du gyrus fusiforme, du lobe ventral temporale et du noyau caudé lors des décisions sémantiques, ainsi que de l’activité au niveau de l’aire de Broca postérieur, de la junction temporopariétale et du cortex moteur lors de décisions phonologiques. Les participants âgés ont montré de l’activité au niveau du cortex préfrontal latéral et moteur durant les deux types de décisions lexicales. De plus, lorsque les décisions sémantiques et phonologiques ont été comparées entre elles, les jeunes ont montré des différences significatives au niveau de plusieurs régions cérébrales, mais pas les âgés. En conclusion, notre première étude a montré, lors du set-shifting, un délai de l’activité cérébrale chez les personnes âgées. Cela nous a permis de conceptualiser l’Hypothèse Temporelle de Compensation (troisième manuscrit) qui consiste en l’existence d’un mécanisme compensatoire caractérisé par un délai d’activité cérébrale lié au vieillissement permettant de préserver la cognition au détriment de la vitesse d’exécution. En ce qui concerne les processus langagiers (deuxième étude), les circuits sémantiques et phonologiques semblent se fusionner dans un seul circuit chez les individus âgés, cela représente vraisemblablement des mécanismes de réserve et de compensation neuronales qui permettent de préserver les habilités langagières.

Neural changes associated with semantic processing in healthy aging despite intact behavioral performance

Semantic memory recruits an extensive neural network including the left inferior prefrontal cortex (IPC) and the left temporoparietal region, which are involved in semantic control processes, as well as the anterior temporal lobe region (ATL) which is considered to be involved in processing semantic information at a central level. However, little is known about the underlying neuronal integrity of the semantic network in normal aging. Young and older healthy adults carried out a semantic judgment task while their cortical activity was recorded using magnetoencephalography (MEG). Despite equivalent behavioral performance, young adults activated the left IPC to a greater extent than older adults, while the latter group recruited the temporoparietal region bilaterally and the left ATL to a greater extent than younger adults. Results indicate that significant neuronal changes occur in normal aging, mainly in regions underlying semantic control processes, despite an apparent stability in performance at the behavioral level.

Investigating the thymopoiesis stimulating property of interleukin-21 in aging mice

La vaccination est largement utilisée pour la génération de lymphocytes T spécifiques contre les tumeurs. Malheureusement, cette stratégie n'est pas adaptée aux personnes âgées car leur thymus régresse avec l'âge conduisant ainsi à une baisse dans la production de cellules T et à l'accumulation de cellules immunitaires âgées ayant des défauts liés à leurs stimulations. Comme il a été démontré auparavant que L’IL-21 est capable d’induire des fonctions thymiques, nous avons émis l’hypothèse que l’injection d’IL-21 à des souris âgées stimulera la thymopoïèse. Nos résultats montrent que l’administration de l’IL-21 augmente le nombre absolu de thymocytes chez les souris âgées et augmente la migration de ces cellules vers la périphérie ou ils contribuent à la diversité du TCR. De plus les cellules T en périphérie expriment un niveau plus élevé de miR181-a, et par conséquent moins de phosphatase comme SHP2, DUSP5/6 qui inhibent le TCR. En vaccinant des souris âgées avec le peptide Trp2, les souris traitées avec l’IL-21 montrent un retard dans la croissance des cellules B16 tumorales. Cette étude montre que l’IL-21 pourrait être utilisé comme stratégie pour le rétablissement du systeme immunitaire chez les personnes âgées.

Studies on Rubber Composition as Passive Acoustic Materials in Underwater Electro Acoustic Tranducer Technology and Their aging Characteristic

The research work has been in the area of compounding and characterization of rubbers for use in under water electro acoustic transducers. The study also covers specific material system such as encapsulation materials, baffle material, seal material, etc. Life prediction techniques of under water rubbers in general have been established with reference to more than one functional property. Ranges of passive materials, besides the active sensing material go into the construction of underwater electro acoustic transducers. Reliability of the transducer is critically dependent on these passive materials. Rubbers are a major class of passive materials. The present work concentrates on these materials. Conventional rubbers are inadequate to meet many of the stringent function specific requirements. There exists a large gap of information in the rubber technology of underwater rubbers, particularly relating to underwater electro acoustic transducers. This study is towards filling up the gaps of information in this crucial area. Water intake into rubber is considered as the single most important issue for the long-term performance of rubbers, especially Neoprene. In this study, the cause and effects of a range of parameters affecting the water absorption by diffusion and permeation have been investigated.