Identification of optimal structural connectivity using functional connectivity and neural modeling.

The complex network dynamics that arise from the interaction of the brain's structural and functional architectures give rise to mental function. Theoretical models demonstrate that the structure-function relation is maximal when the global network dynamics operate at a critical point of state transition. In the present work, we used a dynamic mean-field neural model to fit empirical structural connectivity (SC) and functional connectivity (FC) data acquired in humans and macaques and developed a new iterative-fitting algorithm to optimize the SC matrix based on the FC matrix. A dramatic improvement of the fitting of the matrices was obtained with the addition of a small number of anatomical links, particularly cross-hemispheric connections, and reweighting of existing connections. We suggest that the notion of a critical working point, where the structure-function interplay is maximal, may provide a new way to link behavior and cognition, and a new perspective to understand recovery of function in clinical conditions.

Resting-State Functional Connectivity Emerges from Structurally and Dynamically Shaped Slow Linear Fluctuations.

Brain fluctuations at rest are not random but are structured in spatial patterns of correlated activity across different brain areas. The question of how resting-state functional connectivity (FC) emerges from the brain's anatomical connections has motivated several experimental and computational studies to understand structure-function relationships. However, the mechanistic origin of resting state is obscured by large-scale models' complexity, and a close structure-function relation is still an open problem. Thus, a realistic but simple enough description of relevant brain dynamics is needed. Here, we derived a dynamic mean field model that consistently summarizes the realistic dynamics of a detailed spiking and conductance-based synaptic large-scale network, in which connectivity is constrained by diffusion imaging data from human subjects. The dynamic mean field approximates the ensemble dynamics, whose temporal evolution is dominated by the longest time scale of the system. With this reduction, we demonstrated that FC emerges as structured linear fluctuations around a stable low firing activity state close to destabilization. Moreover, the model can be further and crucially simplified into a set of motion equations for statistical moments, providing a direct analytical link between anatomical structure, neural network dynamics, and FC. Our study suggests that FC arises from noise propagation and dynamical slowing down of fluctuations in an anatomically constrained dynamical system. Altogether, the reduction from spiking models to statistical moments presented here provides a new framework to explicitly understand the building up of FC through neuronal dynamics underpinned by anatomical connections and to drive hypotheses in task-evoked studies and for clinical applications.

Nanoestruturas de carbono (nanotubos, grafeno): Quo Vadis?

We describe general considerations about the present and the future standing of carbon nanostructures, mainly carbon nanotubes and graphene. Basic concepts and definitions, select structure/property relationships, and potential applications are reviewed. The analysis of the global market for these nanostructures, the commercial products available currently, the role of the chemistry, the main challenges remaining and a brief view of the field in Brazil are also presented and discussed.

Interactions of chitosan/genipin hydrogels during drug delivery: a QSPR approach

A hydrogel comprised of chitosan crosslinked using the low-toxicity crosslinker genipin was prepared, and the absorption of glibenclamide by the hydrogel was investigated. Optimized structures and their molecular electrostatic potentials were calculated using the AM1 method, and the results were used to evaluate the molecular interactions between the three compounds. The quantitative structure-property relationship model was also used to estimate the activity of the chemicals on the basis their molecular structures. In addition, theoretical Fourier transform infrared spectra were calculated to analyze the intermolecular interactions in the proposed system. Finally, the hydrophilicity of the hydrogel and its influence on the absorption process were also estimated.

PREDICTING THE BOILING POINT OF PCDD/Fs BY THE QSPR METHOD BASED ON THE MOLECULAR DISTANCE-EDGE VECTOR INDEX

The quantitative structure property relationship (QSPR) for the boiling point (Tb) of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and polychlorinated dibenzofurans (PCDD/Fs) was investigated. The molecular distance-edge vector (MDEV) index was used as the structural descriptor. The quantitative relationship between the MDEV index and Tb was modeled by using multivariate linear regression (MLR) and artificial neural network (ANN), respectively. Leave-one-out cross validation and external validation were carried out to assess the prediction performance of the models developed. For the MLR method, the prediction root mean square relative error (RMSRE) of leave-one-out cross validation and external validation was 1.77 and 1.23, respectively. For the ANN method, the prediction RMSRE of leave-one-out cross validation and external validation was 1.65 and 1.16, respectively. A quantitative relationship between the MDEV index and Tb of PCDD/Fs was demonstrated. Both MLR and ANN are practicable for modeling this relationship. The MLR model and ANN model developed can be used to predict the Tb of PCDD/Fs. Thus, the Tb of each PCDD/F was predicted by the developed models.

Développement de composés conjugués en étoile de première génération incluant des liens azométhines et études électrochimiques et photophysiques

Les matériaux conjugués sont de nos jours très utilisés dans de nombreuses applications ainsi qu’en recherche. L’enchainement des liaisons π-σ-π permet la délocalisation des électrons et d’obtenir différentes propriétés comme la conduction, la fluorescence, la chélation, etc. Ainsi, de nombreux dispositifs utilisent ces caractéristiques en vue d’obtenir de nouveaux matériaux révolutionnaires comme les cellules solaires, les transistors à effet de champs, les dispositifs électrochromiques, etc.. Les dispositifs électrochromiques font partie des dispositifs en vogue. Ils sont capables de changer de couleur selon le potentiel électrique appliqué. Ils se distinguent par la simplicité du mode de conception et ils ne nécessitent pas de fonctionner dans des conditions drastiques comme une atmosphère contrôlée. Ces dispositifs sont actuellement utilisés et commercialisés comme fenêtre intelligente, camouflage, papier électronique et carte de visite personnalisée pour n’en nommer que quelques-uns. Deux propriétés sont essentielles pour que des composés puissent être utilisés dans ces familles de dispositifs : la réversibilité à l’oxydation et la stabilité à l’air et à la lumière. Dans le groupe de recherche du professeur W.G. Skene, l’axe principal de recherche est basé sur la conception de nouveaux matériaux conducteurs comportant des liaisons azométhines. Les principaux matériaux étudiés sont des dérivés de thiophènes et de fluorènes. De précédents résultats ont montré que plusieurs produits issus de la réaction de condensation entre les dérivés du 2,5-diaminothiophène et de thiophènes diformylés menaient à des produits possédant d’excellentes propriétés photophysiques et électrochimiques. C’est en partant de ces résultats encourageants qu’il a été choisi de synthétiser une nouvelle famille de produits avec un nouveau substrat fonctionnalisé. Ce dernier possède d’excellentes propriétés électrochimiques et photophysiques : la triphénylamine. Deux familles de produits ont été synthétisées qui possèdent toutes comme cœur une triphénylamine. Cette dernière a été modifiée de façon à créer une, deux ou trois liaisons azométhines avec différents thiophènes. Deux dérivés du thiophène ont été choisis afin d’étudier l’influence des groupements donneurs et accepteurs sur ces nouveaux types de composés encore jamais étudiés. Les résultats des différentes synthèses et analyses ont été effectués par RMN, spectrométrie de masse, spectrométrie d’absorbance UV-Visible, fluorescence et voltampérométrie cyclique sont rapportées dans le présent recueil.

Accumulation et résistance aux Philippines : conflits fonciers dans les hautes-terres du Negros Oriental

La convergence des crises mondiales financière, énergétique et alimentaire des dernières années a contribué à une intensification du contrôle de la terre par des intervenants étatiques et non-étatiques. Des entreprises nationales et transnationales, aidées par les gouvernements locaux, s’empressent d’acquérir de grandes superficies agricoles dans le but défini de produire des cultures de rentes pour la production d'agrocarburants. Parfois désigné « acquisition foncière », « investissement étranger en agriculture » ou « accaparement de terres », ce phénomène semble décrire le futur des politiques agricoles de nombreux pays. Aux Philippines, plusieurs accords sont en vigueur pour le développement de la filière des agrocarburants. Selon le gouvernement du pays, ces ententes, en plus de dynamiser le secteur de l’agriculture, peuvent générer des effets positifs au sein des régions rurales en sécurisant une part des revenus des agriculteurs engagés dans ce type de production, tout en favorisant la pluriactivité dans ces mêmes régions. Cette recherche a été réalisée dans les hautes-terres du sud de la province de Negros Oriental, où 10 000 hectares de terres agricoles ont été concédés à une entreprise coréenne spécialisée dans la production d’éthanol. Cette acquisition a mené à un processus d’exclusion et de dépossession par les élites traditionnelles au détriment des populations jusqu’alors tournées vers les productions vivrières. Ces populations ont été expulsées de la terre et privées des ressources constituant l’essentiel de leurs revenus. Suite à l’opposition des paysans, plusieurs détachements militaires se sont installés dans la région, menant à une intensification des conflits. Plusieurs unités paramilitaires se partagent dorénavant l’espace occupé initialement par ces paysans qui ont dû quitter en raison de l’augmentation de l’intimidation et de la violence. Cette recherche a permis d’examiner les façons dont les accaparements des terres transforment le système foncier antérieur à l'entente et modifient les conditions socioéconomiques d’une région caractérisée par un système hybride de production.

L’impact de l’unité centrale sur les propriétés optoélectroniques d’imino-thiophènes électrochromes : s ynthèse et caractérisation

De nouvelles molécules électrochromes à base de thiophène et comportant des liaisons azométhine ont été synthétisées et caractérisées afin d’étudier les relations entre leur structure et leurs propriétés. Le but premier de cette étude a été d’obtenir plus d’information pouvant guider le développement de nouvelles molécules électrochromes performantes à l’aide d’une meilleure compréhension de ce qui influence leurs caractéristiques. La synthèse a été réalisée en évitant l’emploi de conditions réactionnelles difficiles et les quantités d’éléments de transition ont été minimisées. Les nouvelles structures ont permis de vérifier l’effet de la variation de l’unité centrale sur les propriétés finales. Les modifications ont principalement porté sur la longueur effective de conjugaison par l’ajout d’unités de thiophène, ainsi que l’incorporation d’une liaison vinylique. L’effet de la présence de chaînes alkyles sur les positions C3 et C4 des thiophènes du coeur de chaque molécule a également été étudié. Les propriétés telles le potentiel d’oxydation, le nombre d’électrons échangés, la réversibilité des phénomènes d’oxydoréduction, l’absorbance, ainsi que l’électrochromisme chimique et électrochimique ont été étudiées, principalement par voltampérométrie cyclique et spectrométrie UV-visible en solution. De plus, des calculs théoriques ont été effectués afin d’appuyer les résultats obtenus expérimentalement. La modification du coeur de la molécule par ajout de thiophènes voisins n’a pas entraîné de grand déplacement bathochrome du λAbs, et dans le cas des thiophènes dialkylés, un déplacement hypsochrome d’au moins 66 nm a eu lieu causé par la torsion du squelette. L’étude des structures à l’état solide a même révélé l’obtention d’un nouveau composé possédant des propriétés vapochromiques prononcées. Les nouveaux composés électrochromes possèdent des valeurs de λAbs allant de 431 à 513 nm, et des potentiels d’oxydation de 0,8 à 1,2 V.

Étude structurale et fonctionnelle du canal potassium dépendant du voltage KvAP

Les canaux ioniques dépendants du voltage sont responsables de l'initiation et de la propagation des potentiels d'action dans les cellules excitables. De nombreuses maladies héréditaires (channelopathies) sont associées à un contrôle défectueux du voltage par ces canaux (arythmies, épilepsie, etc.). L’établissement de la relation structure-fonction exacte de ces canaux est donc crucial pour le développement de nouveaux agents thérapeutiques spécifiques. Dans ce contexte, le canal procaryote dépendant du voltage et sélectif au potassium KvAP a servi de modèle d’étude afin d’approfondir i) le processus du couplage électromécanique, ii) l’influence des lipides sur l’activité voltage-dépendante et iii) l’inactivation de type closed-state. Afin de pallier à l’absence de données structurales dynamiques du côté cytosolique ainsi que de structure cristalline dans l’état fermé, nous avons mesuré le mouvement du linker S4-S5 durant le gating par spectroscopie de fluorescence (LRET). Pour ce faire, nous avons utilisé une technique novatrice du contrôle de l’état conformationnel du canal en utilisant les lipides (phospholipides et non phospholipides) au lieu du voltage. Un modèle dans l’état fermé a ainsi été produit et a démontré qu’un mouvement latéral modeste de 4 Å du linker S4-S5 est suffisant pour mener à la fermeture du pore de conduction. Les interactions lipides - canaux jouent un rôle déterminant dans la régulation de la fonction des canaux ioniques mais ne sont pas encore bien caractérisées. Nous avons donc également étudié l’influence de différents lipides sur l’activation voltage - dépendante de KvAP et mis en évidence deux sites distincts d’interactions menant à des effets différents : au niveau du senseur de voltage, menant au déplacement de la courbe conductance-voltage, et du côté intracellulaire, influençant le degré de la pente de cette même courbe. Nous avons également démontré que l’échange de lipides autour de KvAP est extrêmement limité et affiche une dépendance à l’état conformationnel du canal, ne se produisant que dans l’état ouvert. KvAP possède une inactivation lente particulière, accessible depuis l'état ouvert. Nous avons étudié les effets de la composition lipidique et de la température sur l'entrée dans l'état inactivé et le temps de récupération. Nous avons également utilisé la spectroscopie de fluorescence (quenching) en voltage imposé afin d'élucider les bases moléculaires de l’inactivation de type closed-state. Nous avons identifié une position à la base de l’hélice S4 qui semble impliquée à la fois dans le mécanisme responsable de ce type d'inactivation et dans la récupération particulièrement lente qui est typique du canal KvAP.

Relacions estructura-propietat per un conjunt d'hidrocarburs a partir de nous descriptors tridimensionals derivats de la semblança molecular quàntica

En aquest article es defineixen uns nous índexs tridimensionals per a la descripció de les molècules a partir de paràmetres derivats de la Teoria de la Semblança Molecular i de les distàncies euclidianes entre els àtoms i les càrregues atòmiques efectives. Aquests indexs, anomenats 3D, s'han aplicat a l'estudi de les relacions estructura-propietat d'una família d'hidrocarburs, i han demostrat una capacitat de descripció de tres propietats de la família (temperatura d'ebullició, temperatura de fusió i densitat) molt més acurada que quan s'utilitzen els indexs 2D clàssics

Effects of non-uniform crosswind fields on scintillometry measurements

The effects of a non-uniform wind field along the path of a scintillometer are investigated. Theoretical spectra are calculated for a range of scenarios where the crosswind varies in space or time and compared to the ‘ideal’ spectrum based on a constant uniform crosswind. It is verified that the refractive-index structure parameter relation with the scintillometer signal remains valid and invariant for both spatially and temporally-varying crosswinds. However, the spectral shape may change significantly preventing accurate estimation of the crosswind speed from the peak of the frequency spectrum and retrieval of the structure parameter from the plateau of the power spectrum. On comparison with experimental data, non-uniform crosswind conditions could be responsible for previously unexplained features sometimes seen in observed spectra. By accounting for the distribution of crosswind, theoretical spectra can be generated that closely replicate the observations, leading to a better understanding of the measurements. Spatial variability of wind speeds should be expected for paths other than those that are parallel to the surface and over flat, homogenous areas, whilst fluctuations in time are important for all sites.

Joint multiple dictionary learning for tensor sparse coding

Traditional dictionary learning algorithms are used for finding a sparse representation on high dimensional data by transforming samples into a one-dimensional (1D) vector. This 1D model loses the inherent spatial structure property of data. An alternative solution is to employ Tensor Decomposition for dictionary learning on their original structural form —a tensor— by learning multiple dictionaries along each mode and the corresponding sparse representation in respect to the Kronecker product of these dictionaries. To learn tensor dictionaries along each mode, all the existing methods update each dictionary iteratively in an alternating manner. Because atoms from each mode dictionary jointly make contributions to the sparsity of tensor, existing works ignore atoms correlations between different mode dictionaries by treating each mode dictionary independently. In this paper, we propose a joint multiple dictionary learning method for tensor sparse coding, which explores atom correlations for sparse representation and updates multiple atoms from each mode dictionary simultaneously. In this algorithm, the Frequent-Pattern Tree (FP-tree) mining algorithm is employed to exploit frequent atom patterns in the sparse representation. Inspired by the idea of K-SVD, we develop a new dictionary update method that jointly updates elements in each pattern. Experimental results demonstrate our method outperforms other tensor based dictionary learning algorithms.

Cellulose swelling by aprotic and protic solvents: What are the similarities and differences?

The swelling of microcrystalline, native and mercerized cotton and eucalyptus celluloses by 16 aprotic solvents was investigated. The number of moles of solvent/anhydroglucose unit, nSw, correlates well with solvent molar volume, basicity and dipolarity/polarizability. Swelling is sensitive to cellulose crystallite size, surface area and the presence of its chains in parallel or anti-parallel arrangements. Use of solvatochromic parameters is a superior alternative to the use of other descriptors, such as Hildebrand`s solubility parameters and Gutmann`s donor numbers. The calculated nSw for 28 protic and aprotic solvents correlated well with their experimental counterparts, although hydrogen bond donation by the solvent was not included.

Characterization of banana, sugarcane bagasse and sponge gourd fibers of Brazil

In recent times, increasing attention has been paid to the use of renewable resources particularly of plant origin keeping in view the ecological concerns, renewability and many governments passing laws for the use of such materials. On the other hand, despite abundant availability of lignocellulosic materials in Brazil, very few attempts have been made about their utilization, probably due to lack of sufficient structure/property data. Systematic studies to know their properties and morphology may bridge this gap while leading to value addition to these natural materials. Chemical composition, X-ray powder diffraction, and morphological studies and thermal behavior aspects in respect of banana, sugarcane bagasse sponge gourd fibers of Brazilian origin are presented. Chemical compositions of the three fibers are found to be different than those reported earlier. X-ray diffraction patterns of these three fibers exhibit mainly cellulose type I structure with the crystallinity indices of 39%, 48% and 50% respectively for these fibers. Morphological studies of the fibers revealed different sizes and arrangement of cells. Thermal stability of all the fibers is found to be around 200 degrees C. Decomposition of both cellulose and hemicelluloses in the fibers takes place at 300 degrees C and above, while the degradation of fibers takes place above 400 degrees C. These data may help finding new uses for these fibers. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Estrutura genética de Chromis multilineata (Guichenot, 1853) (Perciformes Pomacentridae) na costa NE do Brasil e ilhas oceânicas: evidências de um passado evolutivo instável.

The fauna of Brazilian reef fishes comprises approximately 320 species distributed along the coast of the mainland and islands ocean. Little is known about the levels of connectivity between their populations, but has been given the interest in the relations between the offshore and the islands of the Brazil, in a biogeographical perspective. The oceanic islands Brazilian hosting a considerable number of endemic species, which are locally abundant, and divide a substantial portion of its reef fish fauna with the Western Atlantic. Among the richest families of reef fish in species are Pomacentridae. This study analyzed through analysis of sequences of the mitochondrial DNA control region (D-loop), the standards-breeding population of C. Multilineata in different areas of the NE coast of Brazil, involving both oceanic islands (Fernando de Noronha Archipelago and of St. Peter and St. Paul) and continental shelf (RN and BA). To this aim, partial sequences were used in the region HVR1 of mtDNA (312pb). The population structure and parameters for the estimates of genetic variability, molecular variance (AMOVA), estimation of the index for fixing (FST) and number of migrants were determined. The phylogenetic relationships between the populations were estimated using neighbor-joining (NJ) method. A group of Bayesian analysis was used to verify population structure, according to haplotype frequency of each individual. The genetic variability of populations was extremely high. The populations sampled show moderate genetic structure, with a higher degree of genetic divergence being observed for the sample of the Archipelago of St. Peter and St. Paul. At smaller geographical scale, the sample of Rio Grande do Norte and the Archipelago of Fernando de Noronha do not have genetic differentiation. Three moderately differentiated population groups were identified: a population group (I), formed by the Rio Grande do Norte (I') and the archipelago of Fernando de Noronha (I''), and two other different groups formed by the island population of the archipelago of Saint Peter and St. Paul (II) and Bahia (III). The genetic patterns found suggest that the species has suffered a relatively recent radiation favoring the absence of shared haplotypes. C. multilineata seems to constitute a relatively homogenous population along the West Atlantic coast, with evidence of a moderate population genetic structure in relation to the Archipelago of St. Peter and St. Paul. These data supports the importance of the dispersal larvae by marine current and the interpopulation similarity this species.