Codage de l’information visuelle par la plasticité et la synchronisation des réponses neuronales dans le cortex visuel primaire du chat

Les systèmes sensoriels encodent l’information sur notre environnement sous la forme d’impulsions électriques qui se propagent dans des réseaux de neurones. Élucider le code neuronal – les principes par lesquels l’information est représentée dans l’activité des neurones – est une question fondamentale des neurosciences. Cette thèse constituée de 3 études (E) s’intéresse à deux types de codes, la synchronisation et l’adaptation, dans les neurones du cortex visuel primaire (V1) du chat. Au niveau de V1, les neurones sont sélectifs pour des propriétés comme l’orientation des contours, la direction et la vitesse du mouvement. Chaque neurone ayant une combinaison de propriétés pour laquelle sa réponse est maximale, l’information se retrouve distribuée dans différents neurones situés dans diverses colonnes et aires corticales. Un mécanisme potentiel pour relier l’activité de neurones répondant à des items eux-mêmes reliés (e.g. deux contours appartenant au même objet) est la synchronisation de leur activité. Cependant, le type de relations potentiellement encodées par la synchronisation n’est pas entièrement clair (E1). Une autre stratégie de codage consiste en des changements transitoires des propriétés de réponse des neurones en fonction de l’environnement (adaptation). Cette plasticité est présente chez le chat adulte, les neurones de V1 changeant d’orientation préférée après exposition à une orientation non préférée. Cependant, on ignore si des neurones spatialement proches exhibent une plasticité comparable (E2). Finalement, nous avons étudié la dynamique de la relation entre synchronisation et plasticité des propriétés de réponse (E3). Résultats principaux — (E1) Nous avons montré que deux stimuli en mouvement soit convergent soit divergent élicitent plus de synchronisation entre les neurones de V1 que deux stimuli avec la même direction. La fréquence de décharge n’était en revanche pas différente en fonction du type de stimulus. Dans ce cas, la synchronisation semble coder pour la relation de cocircularité dont le mouvement convergent (centripète) et divergent (centrifuge) sont deux cas particuliers, et ainsi pourrait jouer un rôle dans l’intégration des contours. Cela indique que la synchronisation code pour une information qui n’est pas présente dans la fréquence de décharge des neurones. (E2) Après exposition à une orientation non préférée, les neurones changent d’orientation préférée dans la même direction que leurs voisins dans 75% des cas. Plusieurs propriétés de réponse des neurones de V1 dépendent de leur localisation dans la carte fonctionnelle corticale pour l’orientation. Les comportements plus diversifiés des 25% de neurones restants sont le fait de différences fonctionnelles que nous avons observé et qui suggèrent une localisation corticale particulière, les singularités, tandis que la majorité des neurones semblent situés dans les domaines d’iso-orientation. (E3) Après adaptation, les paires de neurones dont les propriétés de réponse deviennent plus similaires montrent une synchronisation accrue. Après récupération, la synchronisation retourne à son niveau initial. Par conséquent, la synchronisation semble refléter de façon dynamique la similarité des propriétés de réponse des neurones. Conclusions — Cette thèse contribue à notre connaissance des capacités d’adaptation de notre système visuel à un environnement changeant. Nous proposons également des données originales liées au rôle potentiel de la synchronisation. En particulier, la synchronisation semble capable de coder des relations entre objets similaires ou dissimilaires, suggérant l’existence d’assemblées neuronales superposées.

La figure de l'enfant et la symbolique du lait dans le logion 22 de l'EvTh et dans la tradition paléochrétienne

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

Organisation et modulation du réseau neuronal de la respiration chez la lamproie.

Les mécanismes neuronaux contrôlant la respiration sont présentement explorés à l’aide de plusieurs modèles animaux incluant le rat et la grenouille. Nous avons utilisé la lamproie comme modèle animal nous permettant de caractériser les réseaux de neurones du tronc cérébral qui génèrent et modulent le rythme respiratoire. Nous avons d’abord caractérisé une nouvelle population de neurones, dans le groupe respiratoire paratrigéminal (pTRG), une région du tronc cérébral essentielle à la genèse du rythme respiratoire chez la lamproie. Les neurones de cette région sont actifs en phase avec le rythme respiratoire. Nous avons montré que ces neurones possèdent une arborisation axonale complexe, incluant des projections bilatérales vers les groupes de motoneurones du tronc cérébral qui activent les branchies ainsi que des connexions reliant les pTRG de chaque côté du tronc cérébral. Ces résultats montrent que le pTRG contient un groupe de cellules qui active les motoneurones respiratoires des deux côtés et qui pourrait être impliqué dans la synchronisation bilatérale du rythme respiratoire. Nous avons ensuite étudié les mécanismes neuronaux par lesquels le rythme respiratoire est augmenté en lien avec l’effort physique. Nous avons montré que la région locomotrice du mésencéphale (MLR), en plus de son rôle dans la locomotion, active les centres respiratoires pendant la nage, et même en anticipation. Les neurones de la MLR projetant vers les centres locomoteurs et respiratoires sont ségrégés anatomiquement, les neurones localisés plus dorsalement étant ceux qui possèdent des projections vers les centres respiratoires. Nous avons aboli la contribution de la partie dorsale de la MLR aux changements respiratoires en injectant des bloqueurs des récepteurs glutamatergiques localement, sur des préparations semi-intactes. Nous avons montré que lors d’épisodes de nage, une majeure partie de l’effet respiratoire est abolie par ces injections, suggérant un rôle prépondérant des neurones de cette région dans l’augmentation respiratoire pendant la locomotion. Nos résultats confirment que le rythme respiratoire est généré par une région rostrolatérale du pons de la lamproie et montrent que des connexions des centres locomoteurs arrivent directement à cette région et pourraient être impliquées dans l’augmentation respiratoire reliée à l’effort physique.

Étude de l’implication de la Neuroligine 1 dans le processus homéostatique de régulation du sommeil chez la souris

Le sommeil est essentiel au bon fonctionnement de l’organisme. Ce dernier est régulé, entre autres, par le processus de régulation homéostatique qui dépend de la pression de sommeil accumulée suite à l’éveil. Des études ont suggéré que ce processus pourrait être lié à la plasticité synaptique, et que le changement de la pression de sommeil affecterait le degré de plasticité du cerveau. Les récepteurs N-méthyl-D-aspartate, des médiateurs importants de plasticité, semblent impliqués dans les conséquences délétères du manque de sommeil ainsi que dans la régulation de la synchronisation corticale caractéristique du sommeil lent profond. Leur activité est contrôlée par Neuroligine 1 (NLGN1), une molécule d’adhésion synaptique. Une mutation de Nlgn1 a des effets similaires à ceux de la privation de sommeil sur la mémoire et le comportement. Dans le manuscrit de mon mémoire, nous présentons l’hypothèse d’une implication de NLGN1 dans la régulation du sommeil et de l’éveil. Pour tester cette hypothèse, l’expression d’ARNm et de protéine NLGN1 a été mesurée suite à une privation de sommeil et le sommeil de souris n’exprimant pas NLGN1 a été caractérisé. Les résultats de mon projet de maîtrise montrent, en premier lieu, qu’une augmentation de la pression pour dormir altère l’expression de l’ARNm et de la protéine NLGN1 chez la souris. De plus, nos observations révèlent qu’une mutation de Nlgn1 diminue la quantité d’éveil et modifie l’activité spectrale en éveil et en sommeil. Ces observations dévoilent l’importance de NLGN1 dans le maintien de l’éveil et la régulation du sommeil, et supportent un rôle de NLGN1 dans la régulation de l’activité neuronale.

Contribution différentielle de Neuroligine‐1 et d’EphA4 à la régulation du sommeil

Le sommeil est un besoin vital et le bon fonctionnement de l’organisme dépend de la quantité et de la qualité du sommeil. Le sommeil est régulé par deux processus : un processus circadien qui dépend de l’activité des noyaux suprachiasmatiques de l’hypothalamus et qui régule le moment durant lequel nous allons dormir, et un processus homéostatique qui dépend de l’activité neuronale et se reflète dans l’intensité du sommeil. En effet, le sommeil dépend de l’éveil qui le précède et plus l’éveil dure longtemps, plus le sommeil est profond tel que mesuré par des marqueurs électroencéphalographiques (EEG). Des études ont montré que le bon fonctionnement de ces deux processus régulateurs du sommeil dépend de la plasticité synaptique. Ainsi, les éléments synaptiques régulant la communication et la force synaptique sont d’importants candidats pour agir sur la physiologie de la régulation du sommeil. Les molécules d’adhésion cellulaire sont des acteurs clés dans les mécanismes de plasticité synaptique. Elles régulent l’activité et la maturation des synapses. Des études ont montré que leur absence engendre des conséquences similaires au manque de sommeil. Le but de ce projet de thèse est d’explorer l’effet de l’absence de deux familles de molécule d’adhésion cellulaire, les neuroligines et la famille des récepteur Eph et leur ligand les éphrines dans les processus régulateurs du sommeil. Notre hypothèse est que l’absence d’un des membres de ces deux familles de molécule affecte les mécanismes impliqués dans le processus homéostatique de régulation du sommeil. Afin de répondre à notre hypothèse, nous avons étudié d’une part l’activité EEG chez des souris mutantes n’exprimant pas Neuroligine‐1 (Nlgn1) ou le récepteur EphA4 en condition normale et après une privation de sommeil. D’autre part, nous avons mesuré les changements moléculaires ayant lieu dans ces deux modèles après privation de sommeil. Au niveau de l’activité EEG, nos résultats montrent que l’absence de Nlgn1 augmente la densité des ondes lentes en condition normale et augment l’amplitude et la pente des ondes lentes après privation de sommeil. Nlgn1 est nécessaire au fonctionnement normal de la synchronie corticale, notamment après une privation de sommeil, lui attribuant ainsi un rôle clé dans l’homéostasie du sommeil. Concernant le récepteur EphA4, son absence affecte la durée du sommeil paradoxal ainsi que l’activité sigma qui dépendent du processus circadien. Nos résultats suggèrent donc que ce récepteur est un élément important dans la régulation circadienne du sommeil. Les changements transcriptionnels en réponse à la privation de sommeil des souris n’exprimant pas Nlgn1 et EphA4 ne sont pas différents des souris sauvages. Toutefois, nous avons montré que la privation de sommeil affectait la distribution des marques épigénétiques sur le génome, tels que la méthylation et l’hydroxyméthylation, et que l’expression des molécules régulant ces changements est modifiée chez les souris mutantes pour le récepteur EphA4. Nos observations mettent en évidence que les molécules d’adhésion cellulaire, Nlgn1 et le récepteur EphA4, possèdent un rôle important dans les processus homéostatique et circadien du sommeil et contribuent de manière différente à la régulation du sommeil.

Effect of a fluctuating parameter mismatch and the associated time-scales on coupled Rossler oscillators

We study the effect of parameter fluctuations and the resultant multiplicative noise on the synchronization of coupled chaotic systems. We introduce a new quantity, the fluctuation rate Ф as the number of perturbations occurring to the parameter in unit time. It is shown that ϕ is the most significant quantity that determines the quality of synchronization. It is found that parameter fluctuations with high fluctuation rates do not destroy synchronization, irrespective of the statistical features of the fluctuations. We also present a quasi-analytic explanation to the relation between ϕ and the error in synchrony.

Reproductive physiology of indian species of the genus perna (family mytilidae)

This thesis deals with the reproductive physiology of the two species of Indian sea mussels, namely the brown mussel perna indica and the green mussel p viridis .The major aspects of the study include ecophysiology of reproduction linking up the animal reproductive cycle of the animals with the ecological conditions of the natural mussel beds, biochemical and histochemical changes associated with reproduction and neurosecretory cycle in synchrony with the reproductive cycle. Some basic studies on gamete morphology and certain aspects of gamete physiology have been taken up. The experimental work deals with the influence of different feeding levels on gamatogenesis and maturation and the effect of ganglia ablation on spawning. The material for the investigation on perna indica were collected from the natural mussel beds at Vizhinjam near Trivandrum and on p.viridic from Elathur, near Calicut. The period of observation extended from October 1981 to December 1982.

Ganancia funcional en niños con neuropatía auditiva

La neuropatía auditiva es un desorden caracterizado por hipoacusia neurosensorial y ausencia de potenciales evocados auditivos de tallo cerebral, con otoemisiones acústicas presentes, encontrando una pérdida de la audición en presencia de función coclear, siendo esta sugestiva anomalía de una alteración de la sincronía neural. La neuropatía presenta una baja incidencia en niños con funciones auditivas normales y una incidencia variable en niños con hipoacusias severas, el manejo actual de la neuropatía va encaminado a la rehabilitación auditiva, usando sistemas de amplificación (audífonos o implantes cocleares). Se realizo un estudio de corte transversal con el objetivo de comparar la respuesta en niños con neuropatía auditiva y niños con hipoacusia neurosensorial en cuanto a la ganancia funcional con sistemas de amplificación. Fueron tomados 4 niños con diagnostico confirmado de la patología y se compararon con un grupo control de 16 niños con hipoacusias neurosensoriales de otras etiologías, se comparo el valor de la ganancia funcional con audífono y con implante coclear, obtenido de las audiometrías. La ganancia funciona global con ambos sistemas de amplificación no muestra diferencias significativas comparados los dos grupos, comparando el grupo de pacientes con neuropatía auditiva se encontraron diferencias significativas entre audífono e implante para las frecuencias medias y agudas. Se puede concluir que el audífono en pacientes con neuropatía auditiva es el sistema de amplificación que ofrece mejores valores de ganancia funcional, aun mejor que el implante coclear.

Efectividad del tratamiento con neurofeedback en trastornos del estado del ánimo, ansiedad y fibromialgia: una revisión de literatura

El neurofeedback es una técnica no invasiva en la que se pretende corregir, mediante condicionamiento operante, ondas cerebrales que se encuentren alteradas en el electroencefalograma. Desde 1967, se han conducido numerosas investigaciones relacionadas con los efectos de la técnica en el tratamiento de alteraciones psicológicas. Sin embargo, a la fecha no existen revisiones sistemáticas que reúnan los temas que serán aquí tratados. El aporte de este trabajo es la revisión de 56 artículos, publicados entre los años 1995 y 2013 y la evaluación metodológica de 29 estudios incluidos en la revisión. La búsqueda fue acotada a la efectividad del neurofeedback en el tratamiento de depresión, ansiedad, trastorno obsesivo compulsivo (TOC), ira y fibromialgia. Los hallazgos demuestran que el neurofeedback ha tenido resultados positivos en el tratamiento de estos trastornos, sin embargo, es una técnica que aún está en desarrollo, con unas bases teóricas no muy bien establecidas y cuyos resultados necesitan de diseños metodológicamente más sólidos que ratifiquen su validez.

Supporting Computer-supported collaborative work (CSCW) in conceptual design

In order to gain a better understanding of online conceptual collaborative design processes this paper investigates how student designers make use of a shared virtual synchronous environment when engaged in conceptual design. The software enables users to talk to each other and share sketches when they are remotely located. The paper describes a novel methodology for observing and analysing collaborative design processes by adapting the concepts of grounded theory. Rather than concentrating on narrow aspects of the final artefacts, emerging “themes” are generated that provide a broader picture of collaborative design process and context descriptions. Findings on the themes of “grounding – mutual understanding” and “support creativity” complement findings from other research, while important themes associated with “near-synchrony” have not been emphasised in other research. From the study, a series of design recommendations are made for the development of tools to support online computer-supported collaborative work in design using a shared virtual environment.

Emergence of Chenopodium album and Stellaria media of different origins under different climatic conditions

The emergence behaviour of weed species in relation to cultural and meteorological events was studied. Dissimilarities between populations in dormancy and germination ecology, between-year maturation conditions and seed quality and burial site climate all contribute to potentially unpredictable variability. Therefore, a weed emergence data set was produced for weed seeds of Stellaria media and Chenopodium album matured and collected from three populations (Italy, Sweden and UK). The seeds were collected in two consecutive seasons (1999 and 2000) and subsequently buried in the autumn of the same year of maturation in eight contrasting climatic locations throughout Europe and the USA. The experiment sought to explore and explain differences between the three populations in their emergence behaviour. Evidence was demonstrated of synchrony in the timing of the emergence of different populations of a species at a given burial site. The relative magnitudes of emergence from the three populations at a given burial site in a given year were generally similar across all the burial sites in the study. The resulting data set was also used to construct a simple weed emergence model, which was tested for its application to the range of different burial environments and populations. The study demonstrated the possibility of using a simple thermal time-based model to describe part of the emergence behaviour across different burial sites, seed populations and seasons, and a simple winter chilling relationship to adjust for the magnitude of the flush of emergence at a given burial site. This study demonstrates the possibility of developing robust generic models for simple predictions of emergence timing across populations.

Nitrogen recycling through the gut and the nitrogen economy of ruminants: An asynchronous symbiosis

The extensive development of the ruminant forestomach sets apart their N economy from that of nonruminants in a number of respects. Extensive pregastric fermentation alters the profile of protein reaching the small intestine, largely through the transformation of nitrogenous compounds into microbial protein. This process is fueled primarily by carbohydrate fermentation and includes extensive recycling of N between the body and gut lumen pools. Nitrogen recycling occurs via blood and gut lumen exchanges of urea and NH3, as well as endogenous gut and secretory N entry into the gut lumen, and the subsequent digestion and absorption of microbial and endogenous protein. Factors controlling urea transfer to the gut from blood, including the contributions of urea transporters, remain equivocal. Ammonia produced by microbial degradation of urea and dietary and endogenous AA is utilized by microbial fermentation or absorbed and primarily converted to urea. Therefore, microbial growth and carbohydrate fermentation affect the extent of NH3 absorption and urea N recycling and excretion. The extensive recycling of N to the rumen represents an evolutionary advantage of the ruminant in terms of absorbable protein supply during periods of dietary protein deficiency, or asynchronous carbohydrate and protein supply, but incurs a cost of greater N intakes, especially in terms of excess N excretion. Efforts to improve the efficiency of N utilization in ruminants by synchronizing fermentable energy and N availability have generally met with limited success with regards to production responses. In contrast, imposing asynchrony through oscillating dietary protein concentration, or infrequent supplementation, surprisingly has not negatively affected production responses unless the frequency of supplementation is less than once every 3 d. In some cases, oscillation of dietary protein concentration has improved N retention compared with animals fed an equal amount of dietary protein on a daily basis. This may reflect benefits of Orn cycle adaptations and sustained recycling of urea to the gut. The microbial symbiosis of the ruminant is inherently adaptable to asynchronous N and energy supply. Recycling of urea to the gut buffers the effect of irregular dietary N supply such that intuitive benefits of rumen synchrony in terms of the efficiency of N utilization are typically not observed in practice.

Are polyphagous geometrid moths with flightless females adapted to budburst phenology of local host species?

The majority of studies demonstrating local adaptation of insect herbivores involve sessile species, particularly those with a parthenogentic phase to their life history or endophagous "parasites" of plants. Current arguments suggest the strength of selection determines whether local adaptation can or cannot take place. Therefore local adaptation should not be limited to species with such traits. We studied the ability of three polyphagous geometrid moths with flightless adult females (Erannisdefoliaria, Operophtera brumata and O. fagata) to synchronise their egg hatching with the budburst of a local host species in north east Scotland. A strong selection for hatching time is expected among generalist moths given the large variation in budburst phenology and an inability to hatch in synchrony with budburst decreases moth fitness substantially. In two successive seasons, we trapped emerging females from patches of five host species and recorded the temperature sum needed for 50% egg hatch of each brood laid by the trapped females. The hatching times of broods were compared against the average budburst time of the maternal host species in the study area. In addition, the trapping dates of each female were recorded. Only O. brumata showed synchrony with egg hatch and budburst which suggests local phenological adaptation to different host species. This could be maintained by selection and partial reproductive isolation between populations dwelling on different host species. No phenological adaptation was found in the other common geometrids of the study area

Shrubs, granivores and annual plant community stability in an arid ecosystem

Compensatory population dynamics among species stabilise aggregate community variables. Inter-specific competition is thought to be stabilising as it promotes asynchrony among populations. However, we know little about other inter-specific interactions, such as facilitation and granivory. Such interactions are also likely to influence population synchrony and community stability, especially in harsh environments where they are thought to have relatively strong effects in plant communities. We use a manipulative experiment to test the effects of granivores (harvester ants) and nurse plants (dwarf shrubs) on annual plant community dynamics in the Negev desert, Israel. We present evidence for weak and inconsistent effects of harvester ants on plant abundance and on population and community stability. By contrast, we show that annual communities under shrubs were more species rich, had higher plant density and were temporally less variable than communities in the inter-shrub matrix. Species richness and plant abundance were also more resistant to drought in the shrub under-storey compared with the inter-shrub matrix, although population dynamics in both patch types were synchronised. Hence, we show that inter-specific interactions other than competition affect community stability, and that hypothesised mechanisms linking compensatory dynamics and community stability may not operate to the same extent in arid plant communities.

Sperm competition and the evolution of testes size in terrestrial mammalian carnivores

Summary Understanding the factors influencing variation in the degree of sperm competition is a key question underlying the mechanisms driving sexual conflict. Previous behavioural and comparative studies have indicated that carnivores appear to have evolved under sperm competition but an analysis of the predictors of the level of sperm competition is missing. In this study, we use phylogenetic comparative methods to investigate life-history parameters predicted to affect the degree of sperm competition in terrestrial carnivores using variation in relative testes size (RTS, after controlling for body size allometry) as a measure of the level of sperm competition. Due to a paucity of consistent data across taxa, we used three measures of RTS: testes mass (n = 40 species), testes and epididymes mass combined (n = 38), and testes volume (n = 48). We also created a derived data set (n = 79) with testes mass estimated from regression analyses on the other measures of testes size. Carnivores with shorter mating seasons had relatively larger testes, consistent with the hypothesis that sperm competition is greater when the degree of female oestrous synchrony is high. This relationship was stronger in spontaneous versus induced ovulators, suggesting higher sperm competition levels in spontaneous ovulators. This is the first comparative study to show this within mammalian taxa. Neither social mating system nor reproductive lifespan were significantly associated with variation in RTS and hence are poor predictors of sperm competition levels. None of the above relationships were found to be significant for the testes and epididymes mass combined data set, but our understanding of the role of the epididymis in sperm competition is too limited to draw any conclusions. Finally, we consistently found a significant phylogenetic signal in all analyses, indicating that phylogeny has played a significant role in the evolution of carnivore testes size and, therefore, in shaping levels of sperm competition. Our results shed new light into the factors affecting levels of sperm competition in terrestrial carnivores by showing that the degree of oestrous synchrony and ovulation type interact to predict variation in RTS.