Aumento della risoluzione spaziale per il sondaggio di temperatura e umidità da satellite geostazionario mediante radiometria ad onde millimetriche e submillimetriche

The purpose of this study is to develop and evaluate techniques that improve the spatial resolution of the channels already selected in the preliminary studies for Geostationary Observatory for Microwave Atmospheric Soundings (GOMAS). Reference high resolution multifrequency brightness temperatures scenarios have been derived by applying radiative transfer calculation to the spatially and microphysically detailed output of meteorological events simulated by the University of Wisconsin - Non-hydrostatic Model System (UW-NMS). Three approaches, Wiener filter, Super-Resolution and Image Fusion have been applied to some representative GOMAS frequency channels to enhance the resolution of antenna temperatures. The Wiener filter improved resolution of the largely oversampled images by a factor 1.5- 2.0 without introducing any penalty in the radiometric accuracy. Super-resolution, suitable for not largely oversampled images, improved resolution by a factor ~1.5 but introducing an increased radiometric noise by a factor 1.4-2.5. The image fusion allows finally to further increase the spatial frequency of the images obtained by the Wiener filter increasing the total resolution up to a factor 5.0 with an increased radiometric noise closely linked to the radiometric frequency and to the examined case study.

Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen im kolloidalen Modellsystem harter Kugeln

Die vorliegende Arbeit behandelt den fluid-kristallinen Phasenübergang sowie den Glasübergang anhand von kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen. Die Untersuchungen erfolgen dabei im Wesentlichen mit unterschiedlichen Lichtstreumethoden und daher im reziproken Raum. rnDie Analyse der Kristallisationskinetik zeigt, dass es bei der Kristallisation zu signifikanten Abweichungen vom Bild der klassischen Nukleationstheorie (CNT) kommt. Diese geht von einem einstufigen Nukleationsprozess aus, wohingegen bei den hier durchgeführten Experimenten ein mehrstufiger Prozess beobachtet wird. Vor der eigentlichen Kristallisation kommt es zunächst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase, sogenannter Precursor. In einer zweiten Stufe erfolgt innerhalb der Precursor die eigentliche Nukleation der Kristallite. rnDurch weitere Analyse und den Vergleich des Kristallisations- und Verglasungsszenarios konnte das Konzept der Precursornukleation auf den Vorgang der Verglasung erweitert werden. Während die Kristallnukleation oberhalb des Glasübergangspunktes zum Erliegen kommt, bleibt der Prozess der Precursornukleation auch bei verglasenden Proben erhalten. Ein Glas erstarrt somit in einem amorphen Zustand mit lokalen Precursorstrukturen. Die Korrelation der gemessenen zeitlichen Entwicklung der strukturellen sowie der dynamischen Eigenschaften zeigt darüber hinaus, dass das bisher unverstandene Ageing-Phänomen von HK-Gläsern mit der Nukleation von Precursorn zusammenhängt.rnEin solches mehrstufiges Szenario wurde bereits in früheren Veröffentlichungen beobachtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ermöglichten erstmals die Bestimmung von Kristallnukleationsratendichten (Kristall-NRD) und Ratendichten für die Precursornukleation bis über den Glasübergangspunkt hinaus. Die Kristall-NRD bestätigen die Resultate aus anderen experimentellen Arbeiten. Die weiteren Analysen der Kristall-NRD belegen, dass die fluid-kristalline Grenzflächenspannung bei der Nukleation entgegen den Annahmen der CNT nicht konstant ist, sondern mit ansteigendem Volumenbruch linear zunimmt. Die Erweiterung der CNT um eine linear zunehmende Grenzflächenspannung ermöglichte eine quantitative Beschreibung der gemessenen Kristall- sowie der Precursor-NRD, was den Schluss zulässt, dass es sich in beiden Fällen um einen Boltzmann-aktivierten Prozess handelt. rnUm die beobachteten Abweichungen des Nukleationsprozesses vom Bild der CNT näher zu untersuchen, wurden die kollektiven Partikeldynamiken in stabilen Fluiden und metastabilen Schmelzen analysiert. Im klassischen Bild wird angenommen, dass die kollektive Partikeldynamik beim Vorgang der Nukleation keine Rolle spielt. Anhand der Resultate zeigen sich Abweichungen in der Dynamik stabiler Fluide und metastabiler Schmelzen. Während die kollektive Partikeldynamik in der stabilen Schmelze von der Struktur entkoppelt ist, tritt oberhalb des Phasenübergangspunktes eine Kopplung von Struktur und Dynamik auf. Dabei treten die Abweichungen zunächst in der Umgebung des ersten Strukturfaktormaximums und somit bei den am stärksten besetzten Moden auf. Mit steigender Unterkühlung nehmen die Anzahl der abweichenden Moden sowie die Stärke der Abweichungen zu. Dieses Phänomen könnte einen signifikanten Einfluss auf den Nukleationsprozess und somit auf die Kristallisationskinetik haben. Die Analyse der Dynamik im stabilen Fluid zeigt darüber hinaus Hinweise auf eine Singularität bei Annäherung an den fluid-kristallinen Phasenübergangspunkt.rnDes Weiteren wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals Ratendichten für die heterogene Nukleation eines HK-Systems an einer flachen Wand mittels statischer Lichtstreuung (SLS) bestimmt. Die Ergebnisse der Messung zeigen, dass die Nukleationsbarriere der heterogenen Nukleation annähernd Null ist und folglich eine vollständige Benetzung der Wand mit einer kristallinen Monolage vorliegt. Die Erweiterung der Untersuchungen auf gekrümmte Oberflächen in Form von sphärischen Partikeln (Seeds) stellt die erste experimentelle Arbeit dar, die den Einfluss eines Ensembles von Seeds auf die Kristallisationskinetik in HK-Systemen untersucht. Die Kristallisationskinetik und die Mikrostruktur werden abhängig von Größe und Anzahldichte der Seed-Partikel signifikant beeinflusst. In Übereinstimmung mit konfokalmikroskopischen Experimenten und Simulationen spielt dabei das Radienverhältnis der Majoritäts- zur Minoritätskomponente eine entscheidende Rolle.

Visual Acuity and Contrast Sensitivity of Adult Zebrafish

The aim of this study was to evaluate the visual acuity of adult zebrafish by assessing the optokinetic reflex. Using a modified commercially available optomotor device (OptoMotry®), virtual three-dimensional gratings of variable spatial frequency or contrast were presented to adult zebrafish. In a first experiment, visual acuity was evaluated by changing the spatial frequency at different angular velocities. Thereafter, contrast sensitivity was evaluated by changing the contrast level at different spatial frequencies.

Optimizing stereo-to-multiview conversion for autostereoscopic displays

We present a novel stereo-to-multiview video conversion method for glasses-free multiview displays. Different from previous stereo-to-multiview approaches, our mapping algorithm utilizes the limited depth range of autostereoscopic displays optimally and strives to preserve the scene's artistic composition and perceived depth even under strong depth compression. We first present an investigation of how perceived image quality relates to spatial frequency and disparity. The outcome of this study is utilized in a two-step mapping algorithm, where we (i) compress the scene depth using a non-linear global function to the depth range of an autostereoscopic display and (ii) enhance the depth gradients of salient objects to restore the perceived depth and salient scene structure. Finally, an adapted image domain warping algorithm is proposed to generate the multiview output, which enables overall disparity range extension.

Photopic and scotopic spatiotemporal tuning of adult zebrafish vision.

Sensitivity to spatial and temporal patterns is a fundamental aspect of vision. Herein, we investigated this sensitivity in adult zebrafish for a wide range of spatial (0.014 to 0.511 cycles/degree [c/d]) and temporal frequencies (0.025 to 6 cycles/s) to better understand their visual system. Measurements were performed at photopic (1.8 log cd m(-2)) and scotopic (-4.5 log cd m(-2)) light levels to assess the optokinetic response (OKR). The resulting spatiotemporal contrast sensitivity (CS) functions revealed that the OKR of zebrafish is tuned to spatial frequency and speed but not to temporal frequencies. Thereby, optimal test parameters for CS measurements were identified. At photopic light levels, a spatial frequency of 0.116 ± 0.01 c/d (mean ± SD) and a grating speed of 8.42 ± 2.15 degrees/second (d/s) was ideal; at scotopic light levels, these values were 0.110 ± 0.02 c/d and 5.45 ± 1.31 d/s, respectively. This study allows to better characterize zebrafish mutants with altered vision and to distinguish between defects of rod and cone photoreceptors as measurements were performed under different light conditions.

Late Miocene cyclicity and intercore correlations for ODP Sites 127-794 and 127-797

During Leg 127, the formation microscanner (FMS) logging tool was used as part of an Ocean Drilling Program (ODP) logging program for only the second time in the history of the program. Resistivity images, also known as FMS logs, were obtained at Sites 794 and 797 that covered nearly the complete Yamato Basin sedimentary sequence to a depth below 500 mbsf. The FMS images from these two sites at the northeastern and southwestern corners of the Yamato Basin thus were amenable to comparison. A strong visual correlation was noticed between the FMS logs taken in Holes 794B and 797C in an upper Miocene interval (350-384 mbsf), although the two sites are approximately 360 km apart. In this interval, the FMS logs showed a series of more resistive thin beds (10-200 cm) alternating with relatively lower resistivity layers: a pattern that was manifested by alternating dark (low resistivity) and light (high resistivity) banding in the FMS images. We attribute this layering to interbedding of chert and porcellanite layers, a common lithologic sequence throughout Japan (Tada and Iijima, 1983, doi:10.1306/212F82E7-2B24-11D7-8648000102C1865D). Spatial frequency analysis of this interval of dominant dark-light banding showed spatial cycles of period of 1.1 to 1.3 and 0.6 m. This pronounced layering and the correlation between the two sites terminate at 384 mbsf, coincident with the opal-CT to quartz transition at Site 794. We think the correlation in the FMS logs might well extend earlier in the middle Miocene, but the opal-CT to quartz transition obscures this layering below 384 mbsf. Although 34 m is only a small part of the core recovered at these two sites, it is significant because it represents an area of extremely poor core recovery and an interval for which a near-depositional hiatus was postulated for Site 797, but not for Site 794.

Análisis y clasificación de maderas mediante técnicas no invasivas de baja energía

El estudio de materiales, especialmente biológicos, por medios no destructivos está adquiriendo una importancia creciente tanto en las aplicaciones científicas como industriales. Las ventajas económicas de los métodos no destructivos son múltiples. Existen numerosos procedimientos físicos capaces de extraer información detallada de las superficie de la madera con escaso o nulo tratamiento previo y mínima intrusión en el material. Entre los diversos métodos destacan las técnicas ópticas y las acústicas por su gran versatilidad, relativa sencillez y bajo coste. Esta tesis pretende establecer desde la aplicación de principios simples de física, de medición directa y superficial, a través del desarrollo de los algoritmos de decisión mas adecuados basados en la estadística, unas soluciones tecnológicas simples y en esencia, de coste mínimo, para su posible aplicación en la determinación de la especie y los defectos superficiales de la madera de cada muestra tratando, en la medida de lo posible, no alterar su geometría de trabajo. Los análisis desarrollados han sido los tres siguientes: El primer método óptico utiliza las propiedades de la luz dispersada por la superficie de la madera cuando es iluminada por un laser difuso. Esta dispersión produce un moteado luminoso (speckle) cuyas propiedades estadísticas permiten extraer propiedades muy precisas de la estructura tanto microscópica como macroscópica de la madera. El análisis de las propiedades espectrales de la luz laser dispersada genera ciertos patrones mas o menos regulares relacionados con la estructura anatómica, composición, procesado y textura superficial de la madera bajo estudio que ponen de manifiesto características del material o de la calidad de los procesos a los que ha sido sometido. El uso de este tipo de láseres implica también la posibilidad de realizar monitorizaciones de procesos industriales en tiempo real y a distancia sin interferir con otros sensores. La segunda técnica óptica que emplearemos hace uso del estudio estadístico y matemático de las propiedades de las imágenes digitales obtenidas de la superficie de la madera a través de un sistema de scanner de alta resolución. Después de aislar los detalles mas relevantes de las imágenes, diversos algoritmos de clasificacion automatica se encargan de generar bases de datos con las diversas especies de maderas a las que pertenecían las imágenes, junto con los márgenes de error de tales clasificaciones. Una parte fundamental de las herramientas de clasificacion se basa en el estudio preciso de las bandas de color de las diversas maderas. Finalmente, numerosas técnicas acústicas, tales como el análisis de pulsos por impacto acústico, permiten complementar y afinar los resultados obtenidos con los métodos ópticos descritos, identificando estructuras superficiales y profundas en la madera así como patologías o deformaciones, aspectos de especial utilidad en usos de la madera en estructuras. La utilidad de estas técnicas esta mas que demostrada en el campo industrial aun cuando su aplicación carece de la suficiente expansión debido a sus altos costes y falta de normalización de los procesos, lo cual hace que cada análisis no sea comparable con su teórico equivalente de mercado. En la actualidad gran parte de los esfuerzos de investigación tienden a dar por supuesto que la diferenciación entre especies es un mecanismo de reconocimiento propio del ser humano y concentran las tecnologías en la definición de parámetros físicos (módulos de elasticidad, conductividad eléctrica o acústica, etc.), utilizando aparatos muy costosos y en muchos casos complejos en su aplicación de campo. Abstract The study of materials, especially the biological ones, by non-destructive techniques is becoming increasingly important in both scientific and industrial applications. The economic advantages of non-destructive methods are multiple and clear due to the related costs and resources necessaries. There are many physical processes capable of extracting detailed information on the wood surface with little or no previous treatment and minimal intrusion into the material. Among the various methods stand out acoustic and optical techniques for their great versatility, relative simplicity and low cost. This thesis aims to establish from the application of simple principles of physics, surface direct measurement and through the development of the more appropriate decision algorithms based on statistics, a simple technological solutions with the minimum cost for possible application in determining the species and the wood surface defects of each sample. Looking for a reasonable accuracy without altering their work-location or properties is the main objetive. There are three different work lines: Empirical characterization of wood surfaces by means of iterative autocorrelation of laser speckle patterns: A simple and inexpensive method for the qualitative characterization of wood surfaces is presented. it is based on the iterative autocorrelation of laser speckle patterns produced by diffuse laser illumination of the wood surfaces. The method exploits the high spatial frequency content of speckle images. A similar approach with raw conventional photographs taken with ordinary light would be very difficult. A few iterations of the algorithm are necessary, typically three or four, in order to visualize the most important periodic features of the surface. The processed patterns help in the study of surface parameters, to design new scattering models and to classify the wood species. Fractal-based image enhancement techniques inspired by differential interference contrast microscopy: Differential interference contrast microscopy is a very powerful optical technique for microscopic imaging. Inspired by the physics of this type of microscope, we have developed a series of image processing algorithms aimed at the magnification, noise reduction, contrast enhancement and tissue analysis of biological samples. These algorithms use fractal convolution schemes which provide fast and accurate results with a performance comparable to the best present image enhancement algorithms. These techniques can be used as post processing tools for advanced microscopy or as a means to improve the performance of less expensive visualization instruments. Several examples of the use of these algorithms to visualize microscopic images of raw pine wood samples with a simple desktop scanner are provided. Wood species identification using stress-wave analysis in the audible range: Stress-wave analysis is a powerful and flexible technique to study mechanical properties of many materials. We present a simple technique to obtain information about the species of wood samples using stress-wave sounds in the audible range generated by collision with a small pendulum. Stress-wave analysis has been used for flaw detection and quality control for decades, but its use for material identification and classification is less cited in the literature. Accurate wood species identification is a time consuming task for highly trained human experts. For this reason, the development of cost effective techniques for automatic wood classification is a desirable goal. Our proposed approach is fully non-invasive and non-destructive, reducing significantly the cost and complexity of the identification and classification process.

Excitatory–inhibitory network in the visual cortex: Psychophysical evidence

At early stages in visual processing cells respond to local stimuli with specific features such as orientation and spatial frequency. Although the receptive fields of these cells have been thought to be local and independent, recent physiological and psychophysical evidence has accumulated, indicating that the cells participate in a rich network of local connections. Thus, these local processing units can integrate information over much larger parts of the visual field; the pattern of their response to a stimulus apparently depends on the context presented. To explore the pattern of lateral interactions in human visual cortex under different context conditions we used a novel chain lateral masking detection paradigm, in which human observers performed a detection task in the presence of different length chains of high-contrast-flanked Gabor signals. The results indicated a nonmonotonic relation of the detection threshold with the number of flankers. Remote flankers had a stronger effect on target detection when the space between them was filled with other flankers, indicating that the detection threshold is caused by dynamics of large neuronal populations in the neocortex, with a major interplay between excitation and inhibition. We considered a model of the primary visual cortex as a network consisting of excitatory and inhibitory cell populations, with both short- and long-range interactions. The model exhibited a behavior similar to the experimental results throughout a range of parameters. Experimental and modeling results indicated that long-range connections play an important role in visual perception, possibly mediating the effects of context.

Neural mechanisms underlying binocular fusion and stereopsis: Position vs. phase

The visual system utilizes binocular disparity to discriminate the relative depth of objects in space. Since the striate cortex is the first site along the central visual pathways at which signals from the left and right eyes converge onto a single neuron, encoding of binocular disparity is thought to begin in this region. There are two possible mechanisms for encoding binocular disparity through simple cells in the striate cortex: a difference in receptive field (RF) position between the two eyes (RF position disparity) and a difference in RF profile between the two eyes (RF phase disparity). Although there have been studies supporting each of the two encoding mechanisms, both mechanisms have not been examined in a single study. Therefore, the relative roles of the two mechanisms have not been determined. To address this issue, we have mapped left and right eye RFs of simple cells in the cat’s striate cortex using binary m-sequence noise, and then we have estimated RF position and phase disparities. We find that RF position disparities are generally limited to small values that are not sufficient to encode large binocular disparities. In contrast, RF phase disparities cover a wide range of binocular disparities and exhibit dependencies on orientation and spatial frequency in a manner expected for a mechanism that encodes binocular disparity. These results indicate that binocular disparity is mainly encoded through RF phase disparity. However, RF position disparity may play a significant role for cells with high spatial frequency selectivity, which are constrained to small RF phase disparities.

Local and global attention are mapped retinotopically in human occipital cortex

Clinical evidence suggests that control mechanisms for local and global attention are lateralized in the temporal–parietal cortex. However, in the human occipital (visual) cortex, the evidence for lateralized local/global attention is controversial. To clarify this matter, we used functional MRI to map activity in the human occipital cortex, during local and global attention, with sustained visual fixation. Data were analyzed in a flattened cortical format, relative to maps of retinotopy and spatial frequency peak tuning. Neither local nor global attention was lateralized in the occipital cortex. Instead, local attention and global attention appear to be special cases of visual spatial attention, which are mapped consistently with the maps of retinotopy and spatial frequency tuning, in multiple visual cortical areas.

Object-related activity revealed by functional magnetic resonance imaging in human occipital cortex.

The stages of integration leading from local feature analysis to object recognition were explored in human visual cortex by using the technique of functional magnetic resonance imaging. Here we report evidence for object-related activation. Such activation was located at the lateral-posterior aspect of the occipital lobe, just abutting the posterior aspect of the motion-sensitive area MT/V5, in a region termed the lateral occipital complex (LO). LO showed preferential activation to images of objects, compared to a wide range of texture patterns. This activation was not caused by a global difference in the Fourier spatial frequency content of objects versus texture images, since object images produced enhanced LO activation compared to textures matched in power spectra but randomized in phase. The preferential activation to objects also could not be explained by different patterns of eye movements: similar levels of activation were observed when subjects fixated on the objects and when they scanned the objects with their eyes. Additional manipulations such as spatial frequency filtering and a 4-fold change in visual size did not affect LO activation. These results suggest that the enhanced responses to objects were not a manifestation of low-level visual processing. A striking demonstration that activity in LO is uniquely correlated to object detectability was produced by the "Lincoln" illusion, in which blurring of objects digitized into large blocks paradoxically increases their recognizability. Such blurring led to significant enhancement of LO activation. Despite the preferential activation to objects, LO did not seem to be involved in the final, "semantic," stages of the recognition process. Thus, objects varying widely in their recognizability (e.g., famous faces, common objects, and unfamiliar three-dimensional abstract sculptures) activated it to a similar degree. These results are thus evidence for an intermediate link in the chain of processing stages leading to object recognition in human visual cortex.

Deep Anterior Lamellar Keratoplasty versus Penetrating Keratoplasty for Macular Corneal Dystrophy: A Randomized Trial

Purpose: To compare outcomes of big-bubble deep anterior lamellar keratoplasty (DALK) and penetrating keratoplasty (PK) for macular corneal dystrophy. Design: Prospective, randomized, interventional case series. Methods: Setting: Single hospital. Patients: Eighty-two eyes of 54 patients requiring keratoplasty for the treatment of macular corneal dystrophy without endothelial involvement were included. Main outcome measures: Operative complications, uncorrected visual acuity, best-corrected visual acuity, contrast sensitivity function, higher-order aberrations, and endothelial cell density were evaluated. Results: The DALK and PK group consisted of 35 and 41 eyes, respectively. Best-corrected visual acuity after surgery was 20/40 or better 68.5% and 70.7% of the eyes in the DALK and PK groups, respectively (P > .05). No statistically significant differences between groups were found in contrast sensitivity function with and without glare for any spatial frequency (P > .05). Significantly higher levels of higher-order aberrations were found in the DALK group (P < .01). In both groups, a progressive and statistically significant reduction in endothelial cell density was found (P < .01). At the last follow-up, the mean endothelial cell loss was 18.1% and 26.9% in DALK and PK groups, respectively (P = .03). Graft rejection episodes were seen in 5 eyes (12.1%) in the PK group, and regrafting was necessary in 3 eyes (7.3%). Recurrence of the disease was documented in 5.7% and 4.8% of the eyes in the DALK and PK groups, respectively. Conclusions: Deep anterior lamellar keratoplasty with the big-bubble technique provided comparable visual and optical results as PK and resulted in less endothelial damage, as well as eliminating endothelial rejection in macular corneal dystrophy. Deep anterior lamellar keratoplasty surgery is a viable option for macular corneal dystrophy without endothelial involvement.

Correlation between SD-OCT, immunocytochemistry and functional findings in an animal model of retinal degeneration

Purpose: The P23H rhodopsin mutation is an autosomal dominant cause of retinitis pigmentosa (RP). The degeneration can be tracked using different anatomical and functional methods. In our case, we evaluated the anatomical changes using Spectral-Domain Optical Coherence Tomography (SD-OCT) and correlated the findings with retinal thickness values determined by immunocytochemistry.Methods: Pigmented rats heterozygous for the P23H mutation, with ages between P18 and P180 were studied. Function was assessed by means of optomotor testing and ERGs. Retinal thicknesses measurements, autofluorescence and fluorescein angiography were performed using Spectralis OCT. Retinas were studied by means of immunohistochemistry. Results: Between P30 and P180, visual acuity decreased from 0.500 to 0.182 cycles per degree (cyc/deg) and contrast sensitivity decreased from 54.56 to 2.98 for a spatial frequency of 0.089 cyc/deg. Only cone-driven b-wave responses reached developmental maturity. Flicker fusions were also comparable at P29 (42 Hz). Double flash-isolated rod-driven responses were already affected at P29. Photopic responses revealed deterioration after P29.A reduction in retinal thicknesses and morphological modifications were seen in OCT sections. Statistically significant differences were found in all evaluated thicknesses. Autofluorescence was seen in P23H rats as sparse dots. Immunocytochemistry showed a progressive decrease in the outer nuclear layer (ONL), and morphological changes. Although anatomical thickness measures were significantly lower than OCT values, there was a very strong correlation between the values measured by both techniques.Conclusions: In pigmented P23H rats, a progressive deterioration occurs in both retinal function and anatomy. Anatomical changes can be effectively evaluated using SD-OCT and immunocytochemistry, with a good correlation between their values, thus making SD-OCT an important tool for research in retinal degeneration.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.

Plasticité du cortex visuel: «homéodynamie» des connexions neuronales et modèle d’effets d’antidépresseurs

Les informations sensorielles sont traitées dans le cortex par des réseaux de neurones co-activés qui forment des assemblées neuronales fonctionnelles. Le traitement visuel dans le cortex est régit par différents aspects des caractéristiques neuronales tels que l’aspect anatomique, électrophysiologique et moléculaire. Au sein du cortex visuel primaire, les neurones sont sélectifs à divers attributs des stimuli tels que l’orientation, la direction, le mouvement et la fréquence spatiale. Chacun de ces attributs conduit à une activité de décharge maximale pour une population neuronale spécifique. Les neurones du cortex visuel ont cependant la capacité de changer leur sélectivité en réponse à une exposition prolongée d’un stimulus approprié appelée apprentissage visuel ou adaptation visuelle à un stimulus non préférentiel. De ce fait, l’objectif principal de cette thèse est d’investiguer les mécanismes neuronaux qui régissent le traitement visuel durant une plasticité induite par adaptation chez des animaux adultes. Ces mécanismes sont traités sous différents aspects : la connectivité neuronale, la sélectivité neuronale, les propriétés électrophysiologiques des neurones et les effets des drogues (sérotonine et fluoxétine). Le modèle testé se base sur les colonnes d’orientation du cortex visuel primaire. La présente thèse est subdivisée en quatre principaux chapitres. Le premier chapitre (A) traite de la réorganisation du cortex visuel primaire suite à une plasticité induite par adaptation visuelle. Le second chapitre (B) examine la connectivité neuronale fonctionnelle en se basant sur des corrélations croisées entre paires neuronales ainsi que sur des corrélations d’activités de populations neuronales. Le troisième chapitre (C) met en liaison les aspects cités précédemment (les effets de l’adaptation visuelle et la connectivité fonctionnelle) aux propriétés électrophysiologiques des neurones (deux classes de neurones sont traitées : les neurones à décharge régulière et les neurones à décharge rapide ou burst). Enfin, le dernier chapitre (D) a pour objectif l’étude de l’effet du couplage de l’adaptation visuelle à l’administration de certaines drogues, notamment la sérotonine et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Méthodes En utilisant des enregistrements extracellulaires d’activités neuronales dans le cortex visuel primaire (V1) combinés à un processus d’imagerie cérébrale optique intrinsèque, nous enregistrons l’activité de décharge de populations neuronales et nous examinons l’activité de neurones individuels extraite des signaux multi-unitaires. L’analyse de l’activité cérébrale se base sur différents algorithmes : la distinction des propriétés électrophysiologiques des neurones se fait par calcul de l’intervalle de temps entre la vallée et le pic maximal du potentiel d’action (largeur du potentiel d’action), la sélectivité des neurones est basée sur leur taux de décharge à différents stimuli, et la connectivité fonctionnelle utilise des calculs de corrélations croisées. L’utilisation des drogues se fait par administration locale sur la surface du cortex (après une craniotomie et une durotomie). Résultats et conclusions Dans le premier chapitre, nous démontrons la capacité des neurones à modifier leur sélectivité après une période d’adaptation visuelle à un stimulus particulier, ces changements aboutissent à une réorganisation des cartes corticales suivant un patron spécifique. Nous attribuons ce résultat à la flexibilité de groupes fonctionnels de neurones qui étaient longtemps considérés comme des unités anatomiques rigides. En effet, nous observons une restructuration extensive des domaines d’orientation dans le but de remodeler les colonnes d’orientation où chaque stimulus est représenté de façon égale. Ceci est d’autant plus confirmé dans le second chapitre où dans ce cas, les cartes de connectivité fonctionnelle sont investiguées. En accord avec les résultats énumérés précédemment, les cartes de connectivité montrent également une restructuration massive mais de façon intéressante, les neurones utilisent une stratégie de sommation afin de stabiliser leurs poids de connectivité totaux. Ces dynamiques de connectivité sont examinées dans le troisième chapitre en relation avec les propriétés électrophysiologiques des neurones. En effet, deux modes de décharge neuronale permettent la distinction entre deux classes neuronales. Leurs dynamiques de corrélations distinctes suggèrent que ces deux classes jouent des rôles clés différents dans l’encodage et l’intégration des stimuli visuels au sein d’une population neuronale. Enfin, dans le dernier chapitre, l’adaptation visuelle est combinée avec l’administration de certaines substances, notamment la sérotonine (neurotransmetteur) et la fluoxétine (inhibiteur sélectif de recapture de la sérotonine). Ces deux substances produisent un effet similaire en facilitant l’acquisition des stimuli imposés par adaptation. Lorsqu’un stimulus non optimal est présenté en présence de l’une des deux substances, nous observons une augmentation du taux de décharge des neurones en présentant ce stimulus. Nous présentons un modèle neuronal basé sur cette recherche afin d’expliquer les fluctuations du taux de décharge neuronale en présence ou en absence des drogues. Cette thèse présente de nouvelles perspectives quant à la compréhension de l’adaptation des neurones du cortex visuel primaire adulte dans le but de changer leur sélectivité dans un environnement d’apprentissage. Nous montrons qu’il y a un parfait équilibre entre leurs habiletés plastiques et leur dynamique d’homéostasie.