Étude numérique des origines hémodynamiques des oscillations dans des réseaux de capillaires

En simulant l’écoulement du sang dans un réseau de capillaires (en l’absence de contrôle biologique), il est possible d’observer la présence d’oscillations de certains paramètres comme le débit volumique, la pression et l’hématocrite (volume des globules rouges par rapport au volume du sang total). Ce comportement semble être en concordance avec certaines expériences in vivo. Malgré cet accord, il faut se demander si les fluctuations observées lors des simulations de l’écoulement sont physiques, numériques ou un artefact de modèles irréalistes puisqu’il existe toujours des différences entre des modélisations et des expériences in vivo. Pour répondre à cette question de façon satisfaisante, nous étudierons et analyserons l’écoulement du sang ainsi que la nature des oscillations observées dans quelques réseaux de capillaires utilisant un modèle convectif et un modèle moyenné pour décrire les équations de conservation de masse des globules rouges. Ces modèles tiennent compte de deux effets rhéologiques importants : l’effet Fåhraeus-Lindqvist décrivant la viscosité apparente dans un vaisseau et l’effet de séparation de phase schématisant la distribution des globules rouges aux points de bifurcation. Pour décrire ce dernier effet, deux lois de séparation de phase (les lois de Pries et al. et de Fenton et al.) seront étudiées et comparées. Dans ce mémoire, nous présenterons une description du problème physiologique (rhéologie du sang). Nous montrerons les modèles mathématiques employés (moyenné et convectif) ainsi que les lois de séparation de phase (Pries et al. et Fenton et al.) accompagnés d’une analyse des schémas numériques implémentés. Pour le modèle moyenné, nous employons le schéma numérique explicite traditionnel d’Euler ainsi qu’un nouveau schéma implicite qui permet de résoudre ce problème d’une manière efficace. Ceci est fait en utilisant une méthode de Newton- Krylov avec gradient conjugué préconditionné et la méthode de GMRES pour les itérations intérieures ainsi qu’une méthode quasi-Newton (la méthode de Broyden). Cette méthode inclura le schéma implicite d’Euler et la méthode des trapèzes. Pour le schéma convectif, la méthode explicite de Kiani et al. sera implémentée ainsi qu’une nouvelle approche implicite. La stabilité des deux modèles sera également explorée. À l’aide de trois différentes topologies, nous comparerons les résultats de ces deux modèles mathématiques ainsi que les lois de séparation de phase afin de déterminer dans quelle mesure les oscillations observées peuvent être attribuables au choix des modèles mathématiques ou au choix des méthodes numériques.

Analyse de l'activité en ondes lentes et des oscillations lentes chez les somnambules

Le somnambulisme est une parasomnie commune, caractérisée par des éveils incomplets lors des stades de sommeil lent, au cours desquels les individus atteints présentent des comportements moteurs d’une complexité variable accompagnés de confusion et d’un jugement altéré. La littérature actuelle suggère que ce trouble serait associé à des particularités de l’activité en ondes lentes et des oscillations lentes, deux indices de l’intégrité du processus homéostatique et de la profondeur du sommeil. Toutefois, en raison de certaines lacunes méthodologiques dans les études existantes, le rôle de ces marqueurs électroencéphalographiques dans la pathophysiologie du somnambulisme reste à éclaircir. Notre premier article a donc investigué d’éventuelles anomalies de l’activité en ondes lentes et des oscillations lentes chez les somnambules, en comparant leur sommeil au cours de la nuit entière à celui de participants contrôles. De plus, comme les somnambules semblent réagir différemment (en termes de fragmentation du sommeil notamment) des dormeurs normaux à une pression homéostatique accrue, nous avons comparé l’activité en ondes lentes et les oscillations lentes en nuit de base et suite à une privation de sommeil de 38 heures. Les résultats de nos enregistrements électroencéphalographiques chez 10 somnambules adultes et neuf participants contrôles montrent une élévation de la puissance spectrale de l’activité en ondes lentes et de la densité des oscillations lentes en nuit de récupération par rapport à la nuit de base pour nos deux groupes. Toutefois, contrairement à plusieurs études précédentes, nous ne n’observons pas de différence entre somnambules et dormeurs normaux quant à l’activité en ondes lentes et aux oscillations lentes pour aucune des deux nuits. Au-delà ce certaines considérations méthodologiques ayant pu contribuer à ce résultat inattendu, nous croyons qu’il justifie un questionnement sur l’hétérogénéité des somnambules comme population. Notre deuxième article s’est penché sur les facteurs électroencéphalographiques transitoires susceptibles d’être associés au déclenchement des épisodes de somnambulisme. Nous avons comparé les fluctuations d’activité en ondes lentes et des oscillations lentes dans les minutes avant des épisodes de somnambulisme spontanés (c.a.d.: non associés à un stimulus identifiable) à celles survenant avant des éveils normaux comparables chez 12 somnambules adultes. Nous montrons que, comparativement aux éveils normaux, les épisodes de somnambulisme sont précédés d’un sommeil plus profond, tel qu’indiqué par une plus grande densité spectrale de l’activité en ondes lentes et une plus grande densité des oscillations lentes. Cet approfondissement du sommeil, spécifique aux épisodes de somnambulisme, semble survenir sur un laps de temps relativement long (>3 minutes), et non abruptement au cours des secondes précédant l’épisode. Ces données ouvrent un questionnement quant aux mécanismes en jeu dans la survenue des épisodes de somnambulisme spontanés. Globalement, cette thèse suggère que des phénomènes liés à l’activité en ondes lentes et aux oscillations lentes seraient liés au déclenchement des épisodes de somnambulisme, mais que des études supplémentaires devront être menées afin de délimiter le rôle précis que ces marqueurs jouent dans la pathophysiologie du somnambulisme.

Interannual and interdecadal oscillations in hydrological variables: Sources and modeling of the persistence in the Elbe River Basin

Wenn man die Existenz von physikalischen Mechanismen ignoriert, die für die Struktur hydrologischer Zeitreihen verantwortlich sind, kann das zu falschen Schlussfolgerungen bzgl. des Vorhandenseins möglicher Gedächtnis (memory) -Effekte, d.h. von Persistenz, führen. Die hier vorgelegte Doktorarbeit spürt der niedrigfrequenten klimatischen Variabilität innerhalb den hydrologischen Zyklus nach und bietet auf dieser "Reise" neue Einsichten in die Transformation der charakteristischen Eigenschaften von Zeitreihen mit einem Langzeitgedächtnis. Diese Studie vereint statistische Methoden der Zeitreihenanalyse mit empirisch-basierten Modelltechniken, um operative Modelle zu entwickeln, die in der Lage sind (1) die Dynamik des Abflusses zu modellieren, (2) sein zukünftiges Verhalten zu prognostizieren und (3) die Abflusszeitreihen an unbeobachteten Stellen abzuschätzen. Als solches präsentiert die hier vorgelegte Dissertation eine ausführliche Untersuchung zu den Ursachen der niedrigfrequenten Variabilität von hydrologischen Zeitreihen im deutschen Teil des Elbe-Einzugsgebietes, den Folgen dieser Variabilität und den physikalisch basierten Reaktionen von Oberflächen- und Grundwassermodellen auf die niedrigfrequenten Niederschlags-Eingangsganglinien. Die Doktorarbeit gliedert sich wie folgt: In Kapitel 1 wird als Hintergrundinformation das Hurst Phänomen beschrieben und ein kurzer Rückblick auf diesbezügliche Studien gegeben. Das Kapitel 2 diskutiert den Einfluss der Präsenz von niedrigfrequenten periodischen Zeitreihen auf die Zuverlässigkeit verschiedener Hurst-Parameter-Schätztechniken. Kapitel 3 korreliert die niedrigfrequente Niederschlagsvariabilität mit dem Index der Nord-Atlantischen Ozillations (NAO). Kapitel 4-6 sind auf den deutschen Teil des Elbe-Einzugsgebietes fokussiert. So werden in Kapitel 4 die niedrigfrequenten Variabilitäten der unterschiedlichen hydro-meteorologischen Parameter untersucht und es werden Modelle beschrieben, die die Dynamik dieser Niedrigfrequenzen und deren zukünftiges Verhalten simulieren. Kapitel 5 diskutiert die mögliche Anwendung der Ergebnisse für die charakteristische Skalen und die Verfahren der Analyse der zeitlichen Variabilität auf praktische Fragestellungen im Wasserbau sowie auf die zeitliche Bestimmung des Gebiets-Abflusses an unbeobachteten Stellen. Kapitel 6 verfolgt die Spur der Niedrigfrequenzzyklen im Niederschlag durch die einzelnen Komponenten des hydrologischen Zyklus, nämlich dem Direktabfluss, dem Basisabfluss, der Grundwasserströmung und dem Gebiets-Abfluss durch empirische Modellierung. Die Schlussfolgerungen werden im Kapitel 7 präsentiert. In einem Anhang werden technische Einzelheiten zu den verwendeten statistischen Methoden und die entwickelten Software-Tools beschrieben.

A shift to randomness of brain oscillations in people with autism

BACKGROUND: Resting-state functional magnetic resonance imaging (fMRI) enables investigation of the intrinsic functional organization of the brain. Fractal parameters such as the Hurst exponent, H, describe the complexity of endogenous low-frequency fMRI time series on a continuum from random (H = .5) to ordered (H = 1). Shifts in fractal scaling of physiological time series have been associated with neurological and cardiac conditions. METHODS: Resting-state fMRI time series were recorded in 30 male adults with an autism spectrum condition (ASC) and 33 age- and IQ-matched male volunteers. The Hurst exponent was estimated in the wavelet domain and between-group differences were investigated at global and voxel level and in regions known to be involved in autism. RESULTS: Complex fractal scaling of fMRI time series was found in both groups but globally there was a significant shift to randomness in the ASC (mean H = .758, SD = .045) compared with neurotypical volunteers (mean H = .788, SD = .047). Between-group differences in H, which was always reduced in the ASC group, were seen in most regions previously reported to be involved in autism, including cortical midline structures, medial temporal structures, lateral temporal and parietal structures, insula, amygdala, basal ganglia, thalamus, and inferior frontal gyrus. Severity of autistic symptoms was negatively correlated with H in retrosplenial and right anterior insular cortex. CONCLUSIONS: Autism is associated with a small but significant shift to randomness of endogenous brain oscillations. Complexity measures may provide physiological indicators for autism as they have done for other medical conditions.

Oscillations of a falling spring

The motion of a spring, initially hanging in equilibrium from a fixed point with a mass attached to it, when it is detached from the fixed point, is considered.

Global responses of terrestrial productivity to contemporary climatic oscillations

The terrestrial biosphere is subjected to a wide range of natural climatic oscillations. Best known is the El Niño–southern oscillation (ENSO) that exerts globally extensive impacts on crops and natural vegetation. A 50-year time series of ENSO events has been analysed to determine those geographical areas that are reliably impacted by ENSO events. Most areas are impacted by changes in precipitation; however, the Pacific Northwest is warmed by El Niño events. Vegetation gross primary production (GPP) has been simulated for these areas, and tests well against independent satellite observations of the normalized difference vegetation index. Analyses of selected geographical areas indicate that changes in GPP often lead to significant changes in ecosystem structure and dynamics. The Pacific decadal oscillation (PDO) is another climatic oscillation that originates from the Pacific and exerts global impacts that are rather similar to ENSO events. However, the longer period of the PDO provided two phases in the time series with a cool phase from 1951 to 1976 and a warm phase from 1977 to 2002. It was notable that the cool phase of the PDO acted additively with cool ENSO phases to exacerbate drought in the earlier period for the southwest USA. By contrast in India, the cool phase of the PDO appears to reduce the negative impacts of warm ENSO events on crop production.

Modulation of visually evoked cortical fMRI responses by phase of ongoing occipital alpha oscillations

Using simultaneous electroencephalography as a measure of ongoing activity and functional magnetic resonance imaging (fMRI) as a measure of the stimulus-driven neural response, we examined whether the amplitude and phase of occipital alpha oscillations at the onset of a brief visual stimulus affects the amplitude of the visually evoked fMRI response. When accounting for intrinsic coupling of alpha amplitude and occipital fMRI signal by modeling and subtracting pseudo-trials, no significant effect of prestimulus alpha amplitude on the evoked fMRI response could be demonstrated. Regarding the effect of alpha phase, we found that stimuli arriving at the peak of the alpha cycle yielded a lower blood oxygenation level-dependent (BOLD) fMRI response in early visual cortex (V1/V2) than stimuli presented at the trough of the cycle. Our results therefore show that phase of occipital alpha oscillations impacts the overall strength of a visually evoked response, as indexed by the BOLD signal. This observation complements existing evidence that alpha oscillations reflect periodic variations in cortical excitability and suggests that the phase of oscillations in postsynaptic potentials can serve as a mechanism of gain control for incoming neural activity. Finally, our findings provide a putative neural basis for observations of alpha phase dependence of visual perceptual performance.

Complex dynamics in simple systems with periodic parameter oscillations

We study systems with periodically oscillating parameters that can give way to complex periodic or nonperiodic orbits. Performing the long time limit, we can define ergodic averages such as Lyapunov exponents, where a negative maximal Lyapunov exponent corresponds to a stable periodic orbit. By this, extremely complicated periodic orbits composed of contracting and expanding phases appear in a natural way. Employing the technique of ϵ-uncertain points, we find that values of the control parameters supporting such periodic motion are densely embedded in a set of values for which the motion is chaotic. When a tiny amount of noise is coupled to the system, dynamics with positive and with negative nontrivial Lyapunov exponents are indistinguishable. We discuss two physical systems, an oscillatory flow inside a duct and a dripping faucet with variable water supply, where such a mechanism seems to be responsible for a complicated alternation of laminar and turbulent phases.

High-speed Keck spectroscopy of flares and oscillations in AE Aquarii

Using high-time-resolution (72 ms) spectroscopy of AE Aqr obtained with LRIS on Keck II we have determined the spectrum and spectral evolution of a small flare. Continuum and integrated line fluxes in the flare spectrum are measured, and the evolution of the flare is parametrized for future comparison with detailed models of the flares. We find that the velocities of the flaring components are consistent with those previously reported for AE Aqr by Welsh, Horne & Gomer and Horne. The characteristics of the 33-s oscillations are investigated: we derive the oscillation amplitude spectrum, and from that determine the spectrum of the heated regions on the rotating white dwarf. Blackbody fits to the major and minor pulse spectra and an analysis of the emission-line oscillation properties highlight the shortfalls in the simple hotspot model for the oscillations.

Fireballs and oscillations in AE Aqr

From rapid spectroscopy of AE Aqr we determined the variable component of a flare spectrum. The hot spot model is inconsistent with the oscillation amplitude spectra, line oscillations require a more detailed model. This work will be submitted shortly to MNRAS.

Oscillations in the open solar magnetic flux with a period of 1.68 years: imprint on galactic cosmic rays and implications for heliospheric shielding

An understanding of how the heliosphere modulates galactic cosmic ray (GCR) fluxes and spectra is important, not only for studies of their origin, acceleration and propagation in our galaxy, but also for predicting their effects (on technology and on the Earth’s environment and organisms) and for interpreting abundances of cosmogenic isotopes in meteorites and terrestrial reservoirs. In contrast to the early interplanetary measurements, there is growing evidence for a dominant role in GCR shielding of the total open magnetic flux, which emerges from the solar atmosphere and enters the heliosphere. In this paper, we relate a strong 1.68- year oscillation in GCR fluxes to a corresponding oscillation in the open solar magnetic flux and infer cosmic-ray propagation paths confirming the predictions of theories in which drift is important in modulating the cosmic ray flux.

Dayside ionospheric convection changes in response to long-period interplanetary Magnetic field oscillations: Determination of the ionospheric phase velocity

Ground magnetic field perturbations recorded by the CANOPUS magnetometer network in the 7 to 13 MLT sector are used to examine how reconfigurations of the dayside polar ionospheric flow take place in response to north-south changes of the IMF. During the 6-hour interval in question IMF Bz oscillates between ±7 nT with about a 1-hour period. Corresponding variations in the ground magnetic disturbance are observed which we infer are due to changes in ionospheric flow. Cross correlation of the data obtained from two ground stations at 73.5° magnetic latitude, but separated by ∼2 hours in MLT, shows that changes in the flow are initiated in the prenoon sector (∼10 MLT) and then spread outward toward dawn and dusk with a phase speed of ∼5 km s−1 over the longitude range ∼8 to 12 MLT, slowing to ∼2 km s−1 outside this range. Cross correlating the data from these ground stations with IMP 8 IMF Bz records produces a MLT variation in the ground response delay relative to the IMF which is compatible with these deduced phase speeds. We interpret these observations in terms of the ionospheric response to the onset, expansion and decay of magnetic reconnection at the dayside magnetopause.

Low doses of hydrogen peroxide impair glucose-stimulated insulin secretion via inhibition of glucose metabolism and intracellular calcium oscillations

The inhibitory effect of hydrogen peroxide (H(2)O(2)) on glucose-stimulated insulin secretion was previously reported. However, the precise mechanism involved was not systematically investigated. In this study, the effects of low concentrations of H(2)O(2) (5-10 mu mol/L) on glucose metabolism, intracellular calcium ([Ca(2+)](i)) oscillations, and dynamic insulin secretion in rat pancreatic islets were investigated. Low concentrations of H(2)O(2) impaired insulin secretion in the presence of high glucose levels (16.7 mmol/L). This phenomenon was observed already after 2 minutes of exposure to H(2)O(2). Glucose oxidation and the amplitude of [Ca(2+)](i); oscillations were dose-dependently suppressed by H(2)O(2). These findings indicate that low concentrations of H(2)O(2) reduce insulin secretion in the presence of high glucose levels via inhibition of glucose metabolism and consequent impairment in [Ca(2+)](i); handling. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.

Long-term oscillations in the sleep/wake cycle of infants

The development of circadian sleep-wakefulness rhythm was investigated by a longitudinal study of six normal infants. We propose an entropy based measure for the sleep/wake cycle fragmentation. Our results confirm that the sleep/wake cycle fragmentation and the sleep/wake ratio decrease, while the circadian power increases during the maturation process of infants. In addition to these expected linear trends in the variables devised to quantify sleep consolidation, circadian power and sleep/wake ratio, we found that they present infradian rhythms in the monthly range. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.