Statistique de photons d’une jonction tunnel déduite de mesures de potentiel électrique à l’aide d’un amplificateur paramétrique Josephson

On présente dans ce mémoire la mesure de la statistique de photons des fluctuations électromagnétiques micro-ondes d’une jonction tunnel placée à ultra-basse température. En particulier, on déduit cettedite statistique en mesurant les cumulants des fluctuations de courant générées par une jonction tunnel polarisée en courant continu et photoexcitée par un signal haute fréquence. On utilise un amplificateur paramétrique Josephson en tant que premier maillon de la chaîne d’amplification en raison de son bruit près de la limite quantique. On développe aussi un modèle pour tenir compte de sa saturation, celle-ci étant apparente à des puissances de signal incident très faibles. C’est, à ma connaissance, la première fois qu’un tel amplificateur est utilisé pour étudier la physique au sein du bruit émis par un conducteur mésoscopique. Les résultats mettent en évidence l’apparition d’un excès dans le quatrième cumulant lorsque la photoexcitation s’effectue au double de la fréquence de mesure. Un développement mathématique simple nous permet d’associer cet excès à la statistique de photons, sous la forme d’une augmentation – à nombre de photons fixe – de la variance du nombre moyen de photons contenue dans le signal. C’est en fait une signature de l’émission de paires de photons corrélés par la jonction tunnel photoexcitée. Ces résultats font le pont entre ceux obtenus précédemment par notre groupe de recherche quant aux cumulants d’ordre supérieur du bruit et ceux associées aux parallèles entre l’optique quantique et les fluctuations de courant des dispositifs mésoscopiques. [Gasse et al. PRL 111, 136601 (2013) ; Forgues et al. Scientific Reports 3, 2869 (2013) ; Forgues et al. PRL 113, 043602 (2014)] Ils dressent un portait intéressant du bruit photoexcité en termes normalement associés à l’optique quantique.

Direct Thy-1/alphaVbeta3 integrin interaction mediates neuron to astrocyte communication.

Thy-1 is an abundant neuronal glycoprotein of poorly defined function. We recently provided evidence indicating that Thy-1 clusters a beta3-containing integrin in astrocytes to induce tyrosine phosphorylation, RhoA activation and the formation of focal adhesions and stress fibers. To date, the alpha subunit partner of beta3 integrin in DI TNC1 astrocytes is unknown. Similarly, the ability of neuronal, membrane-bound Thy-1 to trigger astrocyte signaling via integrin engagement remains speculation. Here, evidence that alphav forms an alphavbeta3 heterodimer in DI TNC1 astrocytes was obtained. In neuron-astrocyte association assays, the presence of either anti-alphav or anti-beta3 integrin antibodies reduced cell-cell interaction demonstrating the requirement of both integrin subunits for this association. Moreover, anti-Thy-1 antibodies blocked stimulation of astrocytes by neurons but not the binding of these two cell types. Thus, neuron-astrocyte association involved binding between molecular components in addition to the Thy-1-integrin; however, the signaling events leading to focal adhesion formation in astrocytes depended exclusively on the latter interaction. Additionally, wild-type (RLD) but not mutated (RLE) Thy-1 was shown to directly interact with alphavbeta3 integrin by Surface Plasmon Resonance analysis. This interaction was promoted by divalent cations and was species-independent. Together, these results demonstrate that the alphavbeta3 integrin heterodimer interacts directly with Thy-1 present on neuronal cells to stimulate astrocytes.

Étude du comportement électromécanique du ventricule gauche canin sous différents modes de stimulation

La thérapie de resynchronisation cardiaque (CRT) est un traitement qui diminue la mortalité et améliore la qualité de vie des patients atteints d’insuffisance cardiaque et présentant un dyssynchronisme de la contraction ventriculaire gauche. Malgré le succès de cette thérapie, plus de 30% des patients ne présentent pas l’amélioration désirée. Plusieurs études portant sur le synchronisme électrique ou mécanique de la contraction ont été effectuées mais peu d’entres elles se sont attardées sur le couplage électromécanique à l'échelle macroscopique. Ce projet a comme objectif d’observer le comportement électromécanique des ventricules canins en présence d’un resynchronisateur cardiaque. Un logiciel a été développé pour permettre l’analyse des informations provenant de la cartographie endocardique sans contact et de la ventriculographie isotopique tomographique chez 12 sujets canins insuffisants. Pour observer la réponse mécanique suite à l’activation électrique, nous avons premièrement recalé les surfaces issues des 2 modalités. Ensuite, nous avons défini les limites du cycle cardiaque, analysé les signaux électriques et les courbes de déplacement de la paroi endocardique. Le début de la contraction est défini par un déplacement radial de 10% vers le centre du ventricule. Les résultats démontrent que la durée d’activation du ventricule gauche et la largeur du QRS augmentent en présence d’une stimulation externe et que les délais électromécaniques sont indépendants dans les modes de stimulation étudiés (sinusal, LVbasal, RVapex ou BIV) avec une moyenne de 84,56±7,19 ms. Finalement, nous avons noté que la stimulation basolatérale procure une fonction cardiaque optimale malgré une durée prolongée du QRS.

Effets neurophysiologiques de la stimulation du nerf vague : implication dans le traitement de la dépression résistante et optimisation des paramètres de stimulation

La dépression est une pathologie grave qui, malgré de multiples stratégies thérapeutiques, demeure résistante chez un tiers des patients. Les techniques de stimulation cérébrale sont devenues une alternative intéressante pour les patients résistants à diverses pharmacothérapies. La stimulation du nerf vague (SNV) a ainsi fait preuve de son efficacité en clinique et a récemment été approuvée comme traitement additif pour la dépression résistante. Cependant, les mécanismes d’action de la SNV en rapport avec la dépression n’ont été que peu étudiés. Cette thèse a donc eu comme premier objectif de caractériser l’impact de la SNV sur les différents systèmes monoaminergiques impliqués dans la pathophysiologie de la dépression, à savoir la sérotonine (5-HT), la noradrénaline (NA) et la dopamine (DA), grâce à l’utilisation de techniques électrophysiologiques et de la microdialyse in vivo chez le rat. Des études précliniques avaient déjà révélé qu’une heure de SNV augmente le taux de décharge des neurones NA du locus coeruleus, et que 14 jours de stimulation sont nécessaires pour observer un effet comparable sur les neurones 5-HT. Notre travail a démontré que la SNV modifie aussi le mode de décharge des neurones NA qui présente davantage de bouffées, influençant ainsi la libération terminale de NA, qui est significativement augmentée dans le cortex préfrontal et l’hippocampe après 14 jours. L’augmentation de la neurotransmission NA s’est également manifestée par une élévation de l’activation tonique des récepteurs postsynaptiques α2-adrénergiques de l’hippocampe. Après lésion des neurones NA, nous avons montré que l’effet de la SNV sur les neurones 5-HT était indirect, et médié par le système NA, via l’activation des récepteurs α1-adrénergiques présents sur les neurones du raphé. Aussi, tel que les antidépresseurs classiques, la SNV augmente l’activation tonique des hétérorécepteurs pyramidaux 5-HT1A, dont on connait le rôle clé dans la réponse thérapeutique aux antidépresseurs. Par ailleurs, nous avons constaté que malgré une diminution de l’activité électrique des neurones DA de l’aire tegmentale ventrale, la SNV induit une augmentation de la DA extracellulaire dans le cortex préfrontal et particulièrement dans le noyau accumbens, lequel joue un rôle important dans les comportements de récompense et l’hédonie. Un deuxième objectif a été de caractériser les paramètres optimaux de SNV agissant sur la dépression, en utilisant comme indicateur le taux de décharge des neurones 5-HT. Des modalités de stimulation moins intenses se sont avérées aussi efficaces que les stimulations standards pour augmenter l’activité électrique des neurones 5-HT. Ces nouveaux paramètres de stimulation pourraient s’avérer bénéfiques en clinique, chez des patients ayant déjà répondu à la SNV. Ils pourraient minimiser les effets secondaires reliés aux périodes de stimulation et améliorer ainsi la qualité de vie des patients. Ainsi, ces travaux de thèse ont caractérisé l’influence de la SNV sur les trois systèmes monoaminergiques, laquelle s’avère en partie distincte de celle des antidépresseurs classiques tout en contribuant à son efficacité en clinique. D’autre part, les modalités de stimulation que nous avons définies seraient intéressantes à tester chez des patients recevant la SNV, car elles devraient contribuer à l’amélioration des bénéfices cliniques de cette thérapie.

L’utilisation du TENS en physiothérapie : la situation particulière des soins palliatifs oncologiques

Étude de cas / Case study

Transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés

Les nanotubes de carbone forment une structure quasi-unidimensionnelle de diamètre nanométrique, dont les propriétés mécaniques et électroniques, en particulier leur remarquable conductivité électrique, présentent un grand potentiel pour la conception de dispositifs électroniques. Les nanotubes fonctionnalisés, c’est-à-dire dont la paroi a été chimiquement modifiée, présentent aussi un intérêt majeur pour leur mise en œuvre facilitée et pour la formation d’une interface active entre le nanotube et l’environnement, cette dernière étant essentielle pour la conception de nanocapteurs chimiques et biologiques. La présente thèse porte sur l’étude des mécanismes gouvernant le transport électrique dans les nanotubes de carbone et leurs dérivés fonctionnalisés. Les travaux, de nature expérimentale, ont été réalisés sur des dispositifs électroniques constitués d’un nanotube individuel monoparoi ou biparoi, additionné de groupes fonctionnels au besoin. En première partie, on s’intéresse à l’effet de la dimensionnalité sur les mécanismes d’injection des porteurs de charge au niveau des contacts électriques avec le nanotube. En seconde partie, on étudie l’effet de la fonctionnalisation covalente sur les propriétés de transport électrique des nanotubes, et on montre notamment que l’impact de l’addition des greffons varie fortement selon leur valence et qu’il est possible d’obtenir des nanotubes fonctionnalisés avec une bonne conductance. En troisième partie, on explore les phénomènes de saturation du courant et de claquage électrique survenant à haut voltage. Enfin, on discute de l’impact des résultats obtenus sur l’avancement de la compréhension des mécanismes de transport électrique dans les systèmes hautement confinés, ainsi que des perspectives fondamentales et technologiques ouvertes par ces travaux.

L’effet de la surexpression du récepteur de type 1 à l’angiotensine II sur les courants potassiques et calciques au niveau des oreillettes

Le système rénine-angiotensine est impliqué dans le remodelage structurel et électrique caractérisant la fibrillation auriculaire (FA). L’angiotensine II (ANG II) induit le développement de fibrose et d’hypertrophie au niveau des oreillettes, prédisposant à la FA. Or, les mécanismes électrophysiologiques par lesquels l’ANG II pourrait promouvoir la FA sont peu connus. L’objectif de ce projet de recherche est d’évaluer l’effet de l’ANG II sur les courants potassiques et calciques au niveau auriculaire indépendamment du remodelage structurel. Pour ce faire, nous avons utilisé la technique de patch-clamp avec un modèle de souris surexprimant le récepteur de type 1 à l’angiotensine II (AT1R) spécifiquement au niveau cardiaque. Pour distinguer les effets directs de la surexpression d’AT1R des effets induits par le remodelage cardiaque, nous avons étudié des souris âgées de 180 jours, qui présentent du remodelage structurel, et des souris âgées de 50 jours, qui n’en présentent pas. Des études précédentes sur ce modèle ont montré qu’au niveau des myocytes ventriculaires, l’ANG II réduit le courant potassique global (Ipeak) et rectifiant entrant (IK1) ainsi que le courant calcique de type L (ICaL). Ainsi, notre hypothèse est que l’ANG II modulera aussi ces courants au niveau auriculaire, pouvant ainsi augmenter l’hétérogénéité de repolarisation auriculaire et de ce fait le risque de développer et maintenir la FA. Nous avons observé une diminution significative de la densité d’IK1 dans l’oreillette gauche des souris transgéniques sans changement d’Ipeak. De plus, la densité d’ ICaL n’est pas réduite chez les souris transgéniques âgées de 50 jours. En conclusion, l’effet de l’ANG II sur les courants potassiques et calciques semble dépendre de la chambre cardiaque. En effet, nous savions que l’ANGII réduisait Ipeak, IK1 et ICaL au niveau ventriculaire, mais nos résultats ont montré qu’il ne les affectait pas directement au niveau des oreillettes. Ceci suggère des mécanismes de régulation impliquant des voies de signalisation distinctes selon les chambres cardiaques. Enfin, nos résultats montrant l’absence de l’influence directe de la surexpression d’AT1R sur les canaux K+ et Ca2+ au niveau des myocytes auriculaires renforcent l’importance d’approfondir nos connaissances sur les effets de l’angiotensine II sur le développement de la fibrose, sur le remodelage structurel et sur la conduction électrique cardiaque.

Direct evidence for attention-dependent influences of the frontal eye-fields on feature-responsive visual cortex

Voluntary selective attention can prioritize different features in a visual scene. The frontal eye-fields (FEF) are one potential source of such feature-specific top-down signals, but causal evidence for influences on visual cortex (as was shown for "spatial" attention) has remained elusive. Here, we show that transcranial magnetic stimulation (TMS) applied to right FEF increased the blood oxygen level-dependent (BOLD) signals in visual areas processing "target feature" but not in "distracter feature"-processing regions. TMS-induced BOLD signals increase in motion-responsive visual cortex (MT+) when motion was attended in a display with moving dots superimposed on face stimuli, but in face-responsive fusiform area (FFA) when faces were attended to. These TMS effects on BOLD signal in both regions were negatively related to performance (on the motion task), supporting the behavioral relevance of this pathway. Our findings provide new causal evidence for the human FEF in the control of nonspatial "feature"-based attention, mediated by dynamic influences on feature-specific visual cortex that vary with the currently attended property.

Methods of sensory augmentation through electro-tactile stimulation of the tongue

This paper details an investigation into sensory substitution by means of direct electrical stimulation of the tongue for the purpose of information input to the human brain. In particular, a device has been constructed and a series of trials have been performed in order to demonstrate the efficacy and performance of an electro-tactile array mounted onto the tongue surface for the purpose of sensory augmentation. Tests have shown that by using a low resolution array a computer-human feedback loop can be successfully implemented by humans in order to complete tasks such as object tracking, surface shape identification and shape recognition with no training or prior experience with the device. Comparisons of this technique have been made with visual alternatives and these show that the tongue based tactile array can match such methods in convenience and accuracy in performing simple tasks.

NK1 receptor stimulation causes contraction and inositol phosphate increase in medium-size human isolated bronchi

Although contraction of human isolated bronchi is mediated mainly by tachykinin NK2 receptors, NK1 receptors, via prostanoid release, contract small-size (approximately 1 mm in diameter) bronchi. Here, we have investigated the presence and biological responses of NK1 receptors in medium-size (2-5 mm in diameter) human isolated bronchi. Specific staining was seen in bronchial sections with an antibody directed against the human NK1 receptor. The selective NK1 receptor agonist, [Sar(9), Met(O2)(11)]SP, contracted about 60% of human isolated bronchial rings. This effect was reduced by two different NK1 receptor antagonists, CP-99,994 and SR 140333. Contraction induced by [Sar(9), Met(O2)(11)]SP was independent of acetylcholine and histamine release and epithelium removal, and was not affected by nitric oxide synthase and cyclooxygenase (COX) inhibition. [Sar(9), Met(O2)(11)]SP increased inositol phosphate (IP) levels, and SR 140333 blocked this increase, in segments of medium- and small-size (approximately 1 mm in diameter) human bronchi. COX inhibition blocked the IP increase induced by [Sar(9), Met(O2)(11)]SP in small-size, but not in medium-size, bronchi. NK1 receptors mediated bronchoconstriction in a large proportion of medium-size human bronchi. Unlike small-size bronchi this effect is independent of prostanoid release, and the results are suggestive of a direct activation of smooth muscle receptors and IP release.

Physical environment modulates the behavioral responses induced by chemical stimulation of dorsal periaqueductal gray in mice

In order to investigate the relationship between behaviors elicited by chemical stimulation of the dorsal periaqueductal gray (dorsal PAG) and spontaneous defensive behaviors to a predator, the excitatory amino acid D,L-homocysteic acid (5 nmol in 0.1 mu l), was infused into the dorsal PAG and behavioral responses of mice were evaluated in two different situations, a rectangular novel chamber or the Mouse Defense Test Battery (MDTB) apparatus. During a 1-min period following drug infusion, more jumps were made in the chamber than in the MDTB runway but running time and distance traveled were significantly higher in the runway. Animals were subsequently tested using the standard MDTB procedure (anti-predator avoidance, chase and defensive threat/attack). No drug effects on these measures were significant. In a further test in the MDTB apparatus, the pathway of the mouse during peak locomotion response was blocked 3 times by the predator stimulus (anesthetized rat) to determine if the mouse would avoid contact. Ninety percent of D,L-homocysteic treated animals made direct contact with the stimulus (rat), indicating that D,L-homocysteic-induced running is not guided by relevant (here, threat) stimuli. These results indicate that running as opposed to jumping is the primary response in mice injected with D,L-homocysteic into the dorsal PAG when the environment enables flight. However, the lack of responsivity to the predator during peak locomotion suggests that D,L-homocysteic-stimulation into the dorsal PAG does not induce normal antipredator flight. (c) 2006 Published by Elsevier B.V.

The influence of visual inter-hemispheric connections on spiking, assembly and LFP activities, and their phase relationship during figure-ground stimulation

Desde os descobrimentos pioneiros de Hubel e Wiesel acumulou-se uma vasta literatura descrevendo as respostas neuronais do córtex visual primário (V1) a diferentes estímulos visuais. Estes estímulos consistem principalmente em barras em movimento, pontos ou grades, que são úteis para explorar as respostas dentro do campo receptivo clássico (CRF do inglês classical receptive field) a características básicas dos estímulos visuais como a orientação, direção de movimento, contraste, entre outras. Entretanto, nas últimas duas décadas, tornou-se cada vez mais evidente que a atividade de neurônios em V1 pode ser modulada por estímulos fora do CRF. Desta forma, áreas visuais primárias poderiam estar envolvidas em funções visuais mais complexas como, por exemplo, a separação de um objeto ou figura do seu fundo (segregação figura-fundo) e assume-se que as conexões intrínsecas de longo alcance em V1, assim como as conexões de áreas visuais superiores, estão ativamente envolvidas neste processo. Sua possível função foi inferida a partir da análise das variações das respostas induzidas por um estímulo localizado fora do CRF de neurônios individuais. Mesmo sendo muito provável que estas conexões tenham também um impacto tanto na atividade conjunta de neurônios envolvidos no processamento da figura quanto no potencial de campo, estas questões permanecem pouco estudadas. Visando examinar a modulação do contexto visual nessas atividades, coletamos potenciais de ação e potenciais de campo em paralelo de até 48 eletrodos implantados na área visual primária de gatos anestesiados. Estimulamos com grades compostas e cenas naturais, focando-nos na atividade de neurônios cujo CRF estava situado na figura. Da mesma forma, visando examinar a influência das conexões laterais, o sinal proveniente da área visual isotópica e contralateral foi removido através da desativação reversível por resfriamento. Fizemos isso devido a: i) as conexões laterais intrínsecas não podem ser facilmente manipuladas sem afetar diretamente os sinais que estão sendo medidos, ii) as conexões inter-hemisféricas compartilham as principais características anatômicas com a rede lateral intrínseca e podem ser vistas como uma continuação funcional das mesmas entre os dois hemisférios e iii) o resfriamento desativa as conexões de forma causal e reversível, silenciando temporariamente seu sinal, permitindo conclusões diretas a respeito da sua contribuição. Nossos resultados demonstram que o mecanismo de segmentação figurafundo se reflete nas taxas de disparo de neurônios individuais, assim como na potência do potencial de campo e na relação entre sua fase e os padrões de disparo produzidos pela população. Além disso, as conexões laterais inter-hemisféricas modulam estas variáveis dependendo da estimulação feita fora do CRF. Observamos também uma influência deste circuito lateral na coerência entre potenciais de campo entre eletrodos distantes. Em conclusão, nossos resultados dão suporte à ideia de um mecanismo complexo de segmentação figura-fundo atuando desde as áreas visuais primárias em diferentes escalas de frequência. Esse mecanismo parece envolver grupos de neurônios ativos sincronicamente e dependentes da fase do potencial de campo. Nossos resultados também são compatíveis com a hipótese que conexões laterais de longo alcance também fazem parte deste mecanismo

Transcranial DC Stimulation Coupled With TENS for the Treatment of Chronic Pain A Preliminary Study

Objective: Based on evidence showing that electrical stimulation of the nervous system is an effective method to decrease chronic neurogenic pain, we aimed to investigate whether the combination of 2 methods of electrical stimulation-a method of peripheral stimulation [transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS)] and a method of noninvasive brain stimulation (transcranial direct current stimulation (tDCS)]-induces greater pain reduction as compared with tDCS alone and sham stimulation. Methods: We performed a preliminary, randomized, sham-controlled, crossover, clinical study in which 8 patients were randomized to receive active tDCS/active TENS (""tDCS/TENS"" group), active tDCS/sham TENS (""tDCS"" group), and sham tDCS/sham TENS (""sham"" group) stimulation. Assessments were performed immediately before and after each condition by a blinded rater. Results: The results showed that there was a significant difference in pain reduction across the conditions Of stimulation (P = 0.006). Post hoc tests showed significant pain reduction as compared with baseline after the tDCS/TENS condition [reduction by 36.5% (+/- 10.7), P = 0.004] and the tDCS condition [reduction by 15.5% (+/- 4.9), P = 0.014], but not after sham stimulation (P = 0.35). In addition, tDCS/TENS induced greater pain reduction than tDCS (P = 0.02). Conclusions: The results of this pilot study suggest that the combination of TENS with tDCS has a superior effect compared with tDCS alone.

Cumulative priming effects of cortical stimulation on smoking cue-induced craving

Smoking cue-provoked craving is an intricate behavior associated with strong changes in neural networks. Craving is one of the main reasons subjects continue to smoke; therefore interventions that can modify activity in neural networks associated with craving can be useful tools in future research investigating novel treatments for smoking cessation. The goal of this study was to use a neuromodulatory technique associated with a powerful effect on spontaneous neuronal firing - transcranial direct current stimulation (tDCS) - to modify cue-provoked smoking craving. Based on preliminary data showing that craving can be modified after a single tDCS session, here we investigated the effects of repeated tDCS sessions on craving behavior. Twenty-seven subjects were randomized to receive sham or active tDCS (anodal tDCS of the left DLPFC). Our results show a significant cumulative effect of tDCS on modifying smoking cue-provoked craving. In fact, in the group of active stimulation, smoking cues had an opposite effect on craving after stimulation - it decreased craving - as compared to sham stimulation in which there was a small decrease or increase on craving. In addition, during these 5 days of stimulation there was a small but significant decrease in the number of cigarettes smoked in the active as compared to sham tDCS group. Our findings extend the results of our previous study as they confirm the notion that tDCS has a specific effect on craving behavior and that the effects of several sessions can increase the magnitude of its effect. These results open avenues for the exploration of this method as a therapeutic alternative for smoking cessation and also as a mean to change stimulus-induced behavior. (C) 2009 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.

Prefrontal cortex modulation using transcranial DC stimulation reduces alcohol craving: A double-blind, sham-controlled study

Background: Functional neuroimaging studies have shown that specific brain areas are associated with alcohol craving including the dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC). We tested whether modulation of DLPFC using transcranial direct current stimulation (tDCS) could alter alcohol craving in patients with alcohol dependence while being exposed to alcohol cues. Methods: We performed a randomized sham-controlled study in which 13 subjects received sham and active bilateral tDCS delivered to DLPFC (anodal left/cathodal right and anodal right/cathodal left). For sham stimulation, the electrodes were placed at the same positions as in active stimulation; however, the stimulator was turned off after 30 s of stimulation. Subjects were presented videos depicting alcohol consumption to increase alcohol craving. Results: Our results showed that both anodal left/cathodal right and anodal right/cathodal left significantly decreased alcohol craving compared to sham stimulation (p < 0.0001). In addition, we found that following treatment, craving could not be further increased by alcohol cues. Conclusions: Our findings showed that tDCS treatment to DLPFC can reduce alcohol craving. These findings extend the results of previous studies using noninvasive brain stimulation to reduce craving in humans. Given the relatively rapid suppressive effect of tDCS and the highly fluctuating nature of alcohol craving, this technique may prove to be a valuable treatment strategy within the clinical setting. (C) 2007 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.