Contrôle cortico-spinal des mouvements volontaires du coude

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité.

Contributions des voies vestibulospinale et corticospinale au contrôle des mouvements du bras

Le contrôle des mouvements du bras fait intervenir plusieurs voies provenant du cerveau. Cette thèse, composée principalement de deux études, tente d’éclaircir les contributions des voies tirant leur origine du système vestibulaire et du cortex moteur. Dans la première étude (Raptis et al 2007), impliquant des mouvements d’atteinte, nous avons cerné l’importance des voies descendantes partant du système vestibulaire pour l’équivalence motrice, i.e. la capacité du système moteur à atteindre un but moteur donné lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. L’hypothèse émise était que le système vestibulaire joue un rôle essentiel dans l’équivalence motrice. Nous avons comparé la capacité d’équivalence motrice de sujets sains et de patients vestibulodéficients chroniques lors de mouvements nécessitant un contrôle des positions du bras et du tronc. Pendant que leur vision était temporairement bloquée, les sujets devaient soit maintenir une position de l’index pendant une flexion du tronc, soit atteindre une cible dans l’espace péri-personnel en combinant le mouvement du bras avec une flexion du tronc. Lors d’essais déterminés aléatoirement et imprévus par les participants, leur tronc était retenu par un mécanisme électromagnétique s’activant en même temps que le signal de départ. Les sujets sains ont pu préserver la position ou la trajectoire de l’index dans les deux conditions du tronc (libre, bloqué) en adaptant avec une courte latence (60-180 ms) les mouvements articulaires au niveau du coude et de l’épaule. En comparaison, six des sept patients vestibulodéficients chroniques ont présenté des déficits au plan des adaptations angulaires compensatoires. Pour ces patients, entre 30 % et 100 % du mouvement du tronc n’a pas été compensé et a été transmis à la position ou trajectoire de l’index. Ces résultats indiqueraient que les influences vestibulaires évoquées par le mouvement de la tête pendant la flexion du tronc jouent un rôle majeur pour garantir l’équivalence motrice dans ces tâches d’atteinte lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. Également, ils démontrent que la plasticité de long terme survenant spontanément après une lésion vestibulaire unilatérale complète ne serait pas suffisante pour permettre au SNC de retrouver un niveau d’équivalence motrice normal dans les actions combinant un déplacement du bras et du tronc. Ces tâches de coordination bras-tronc constituent ainsi une approche inédite et sensible pour l’évaluation clinique des déficits vestibulaires. Elles permettent de sonder une dimension fonctionnelle des influences vestibulaires qui n’était pas prise en compte dans les tests cliniques usuels, dont la sensibilité relativement limitée empêche souvent la détection d’insuffisances vestibulaires six mois après une lésion de ces voies. Avec cette première étude, nous avons donc exploré comment le cerveau et les voies descendantes intègrent des degrés de liberté articulaires supplémentaires dans le contrôle du bras. Dans la seconde étude (Raptis et al 2010), notre but était de clarifier la nature des variables spécifiées par les voies descendantes pour le contrôle d’actions motrices réalisées avec ce membre. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle les voies corticospinales contrôlent la position et les mouvements des bras en modulant la position-seuil (position de référence à partir de laquelle les muscles commencent à être activés en réponse à une déviation de cette référence). Selon ce principe, les voies corticospinales ne spécifieraient pas directement les patrons d’activité EMG, ce qui se refléterait par une dissociation entre l’EMG et l’excitabilité corticospinale pour des positions-seuils différentes. Dans un manipulandum, des participants (n=16) ont modifié leur angle du poignet, d’une position de flexion (45°) à une position d’extension (-25°), et vice-versa. Les forces élastiques passives des muscles ont été compensées avec un moteur couple afin que les sujets puissent égaliser leur activité EMG de base dans les deux positions. L’excitabilité motoneuronale dans ces positions a été comparée à travers l’analyse des réponses EMG évoquées à la suite d’étirements brefs. Dans les deux positions, le niveau d’EMG et l’excitabilité motoneuronale étaient semblables. De plus, ces tests ont permis de montrer que le repositionnement du poignet était associé à une translation de la position-seuil. Par contre, malgré la similitude de l’excitabilité motoneuronale dans ces positions, l’excitabilité corticospinale des muscles du poignet était significativement différente : les impulsions de stimulation magnétique transcrânienne (TMS; à 1.2 MT, sur l’aire du poignet de M1) ont provoqué des potentiels moteurs évoqués (MEP) de plus grande amplitude en flexion pour les fléchisseurs comparativement à la position d’extension et vice-versa pour les extenseurs (p<0.005 pour le groupe). Lorsque les mêmes positions étaient établies après une relaxation profonde, les réponses réflexes et les amplitudes des MEPs ont drastiquement diminué. La relation caractéristique observée entre position physique et amplitude des MEPs dans le positionnement actif s’est aussi estompée lorsque les muscles étaient relâchés. Cette étude suggère que la voie corticospinale, en association avec les autres voies descendantes, participerait au contrôle de la position-seuil, un processus qui prédéterminerait le référentiel spatial dans lequel l’activité EMG émerge. Ce contrôle de la « référence » constituerait un principe commun s’appliquant à la fois au contrôle de la force musculaire, de la position, du mouvement et de la relaxation. Nous avons aussi mis en évidence qu’il est nécessaire, dans les prochaines recherches ou applications utilisant la TMS, de prendre en compte la configuration-seuil des articulations, afin de bien interpréter les réponses musculaires (ou leurs changements) évoquées par cette technique; en effet, la configuration-seuil influencerait de manière notable l’excitabilité corticomotrice, qui peut être considérée comme un indicateur non seulement lors d’activités musculaires, mais aussi cognitives, après apprentissages moteurs ou lésions neurologiques causant des déficits moteurs (ex. spasticité, faiblesse). Considérées dans leur ensemble, ces deux études apportent un éclairage inédit sur des principes fondamentaux du contrôle moteur : nous y illustrons de manière plus large le rôle du système vestibulaire dans les tâches d’atteinte exigeant une coordination entre le bras et son « support » (le tronc) et clarifions l’implication des voies corticomotrices dans la spécification de paramètres élémentaires du contrôle moteur du bras. De plus amples recherches sont cependant nécessaires afin de mieux comprendre comment les systèmes sensoriels et descendants (e.g. vestibulo-, réticulo-, rubro-, propriospinal) participent et interagissent avec les signaux corticofugaux afin de spécifier les seuils neuromusculaires dans le contrôle de la posture et du mouvement.

Non-hyperbolic boundary equilibrium bifurcations in planar Filippov systems: a case study approach

Boundary equilibrium bifurcations in piecewise smooth discontinuous systems are characterized by the collision of an equilibrium point with the discontinuity surface. Generically, these bifurcations are of codimension one, but there are scenarios where the phenomenon can be of higher codimension. Here, the possible collision of a non-hyperbolic equilibrium with the boundary in a two-parameter framework and the nonlinear phenomena associated with such collision are considered. By dealing with planar discontinuous (Filippov) systems, some of such phenomena are pointed out through specific representative cases. A methodology for obtaining the corresponding bi-parametric bifurcation sets is developed.

Measuring departures from Hardy-Weinberg: a Markov chain Monte Carlo method for estimating the inbreeding coefficient

Many well-established statistical methods in genetics were developed in a climate of severe constraints on computational power. Recent advances in simulation methodology now bring modern, flexible statistical methods within the reach of scientists having access to a desktop workstation. We illustrate the potential advantages now available by considering the problem of assessing departures from Hardy-Weinberg (HW) equilibrium. Several hypothesis tests of HW have been established, as well as a variety of point estimation methods for the parameter which measures departures from HW under the inbreeding model. We propose a computational, Bayesian method for assessing departures from HW, which has a number of important advantages over existing approaches. The method incorporates the effects-of uncertainty about the nuisance parameters--the allele frequencies--as well as the boundary constraints on f (which are functions of the nuisance parameters). Results are naturally presented visually, exploiting the graphics capabilities of modern computer environments to allow straightforward interpretation. Perhaps most importantly, the method is founded on a flexible, likelihood-based modelling framework, which can incorporate the inbreeding model if appropriate, but also allows the assumptions of the model to he investigated and, if necessary, relaxed. Under appropriate conditions, information can be shared across loci and, possibly, across populations, leading to more precise estimation. The advantages of the method are illustrated by application both to simulated data and to data analysed by alternative methods in the recent literature.

Instability of equilibrium points of some Lagrangian systems

In this work we show that, if L is a natural Lagrangian system such that the k-jet of the potential energy ensures it does not have a minimum at the equilibrium and such that its Hessian has rank at least n - 2, then there is an asymptotic trajectory to the associated equilibrium point and so the equilibrium is unstable. This applies, in particular, to analytic potentials with a saddle point and a Hessian with at most 2 null eigenvalues. The result is proven for Lagrangians in a specific form, and we show that the class of Lagrangians we are interested can be taken into this specific form by a subtle change of spatial coordinates. We also consider the extension of this results to systems subjected to gyroscopic forces. (C) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Variedade central para laços homoclínicos

Pós-graduação em Matemática - IBILCE

Stability boundary characterization of nonlinear autonomous dynamical systems in the presence of saddle-node equilibrium points

A dynamical characterization of the stability boundary for a fairly large class of nonlinear autonomous dynamical systems is developed in this paper. This characterization generalizes the existing results by allowing the existence of saddle-node equilibrium points on the stability boundary. The stability boundary of an asymptotically stable equilibrium point is shown to consist of the stable manifolds of the hyperbolic equilibrium points on the stability boundary and the stable, stable center and center manifolds of the saddle-node equilibrium points on the stability boundary.

Evolution of a mate recognition system after hybridization between two Drosophila species

I investigated the genetic relationship between male and female components of the mate recognition system and how this relationship influenced the subsequent evolution of the two traits, in a series of replicate populations of interspecific hybrids. Thirty populations of hybrids between Drosophila serrata and Drosophila birchii were established and maintained for 24 generations. At the fifth generation after hybridization, the mating success of hybrid individuals with the D. serrata parent was determined. The genetic correlation between male and female components of the male recognition system, as a consequence of pleiotropy or tight physical linkage, was found to be significant but low (r = 0.388). This result suggested that pleiotropy may play only a minor role in the evolution of mate recognition in this system. At the twenty-fourth generation after hybridization, the mating success of the hybrids was again determined. The evolution of male and female components was investigated by analyzing the direction of evolution of each hybrid line with respect to its initial position in relation to the genetic regression. Male and female components appeared to converge on a single equilibrium point, rather than evolving along trajectories with slope equal to the genetic regression, toward a line of equilibria.

Evolution of stress deficit and changing rates of seismicity in cellular automaton models of earthquake faults

We investigate the internal dynamics of two cellular automaton models with heterogeneous strength fields and differing nearest neighbour laws. One model is a crack-like automaton, transferring ail stress from a rupture zone to the surroundings. The other automaton is a partial stress drop automaton, transferring only a fraction of the stress within a rupture zone to the surroundings. To study evolution of stress, the mean spectral density. f(k(r)) of a stress deficit held is: examined prior to, and immediately following ruptures in both models. Both models display a power-law relationship between f(k(r)) and spatial wavenumber (k(r)) of the form f(k(r)) similar tok(r)(-beta). In the crack model, the evolution of stress deficit is consistent with cyclic approach to, and retreat from a critical state in which large events occur. The approach to criticality is driven by tectonic loading. Short-range stress transfer in the model does not affect the approach to criticality of broad regions in the model. The evolution of stress deficit in the partial stress drop model is consistent with small fluctuations about a mean state of high stress, behaviour indicative of a self-organised critical system. Despite statistics similar to natural earthquakes these simplified models lack a physical basis. physically motivated models of earthquakes also display dynamical complexity similar to that of a critical point system. Studies of dynamical complexity in physical models of earthquakes may lead to advancement towards a physical theory for earthquakes.

Accelerating seismic energy release and evolution of event time and size statistics: Results from two heterogeneous cellular automaton models

The evolution of event time and size statistics in two heterogeneous cellular automaton models of earthquake behavior are studied and compared to the evolution of these quantities during observed periods of accelerating seismic energy release Drier to large earthquakes. The two automata have different nearest neighbor laws, one of which produces self-organized critical (SOC) behavior (PSD model) and the other which produces quasi-periodic large events (crack model). In the PSD model periods of accelerating energy release before large events are rare. In the crack model, many large events are preceded by periods of accelerating energy release. When compared to randomized event catalogs, accelerating energy release before large events occurs more often than random in the crack model but less often than random in the PSD model; it is easier to tell the crack and PSD model results apart from each other than to tell either model apart from a random catalog. The evolution of event sizes during the accelerating energy release sequences in all models is compared to that of observed sequences. The accelerating energy release sequences in the crack model consist of an increase in the rate of events of all sizes, consistent with observations from a small number of natural cases, however inconsistent with a larger number of cases in which there is an increase in the rate of only moderate-sized events. On average, no increase in the rate of events of any size is seen before large events in the PSD model.

Stability of nonlinear difference inclusions

The stability of difference inclusions x(k+1) is an element of F(x(k)) is studied, where F(x) = {F(x, gimel) : is an element of Lambda} and the selections F(., gimel) : E -->E assume values in a Banach space E, partially ordered by a cone K. It is assumed that the operators F(.,gimel) are heterotone or pseudoconcave. The main results concern asymptotically stable absorbing sets, and include the case of a single equilibrium point. The results are applied to a number of practical problems.

Stress correlation function evolution in lattice solid elasto-dynamic models of shear and fracture zones and earthquake prediction

It has been argued that power-law time-to-failure fits for cumulative Benioff strain and an evolution in size-frequency statistics in the lead-up to large earthquakes are evidence that the crust behaves as a Critical Point (CP) system. If so, intermediate-term earthquake prediction is possible. However, this hypothesis has not been proven. If the crust does behave as a CP system, stress correlation lengths should grow in the lead-up to large events through the action of small to moderate ruptures and drop sharply once a large event occurs. However this evolution in stress correlation lengths cannot be observed directly. Here we show, using the lattice solid model to describe discontinuous elasto-dynamic systems subjected to shear and compression, that it is for possible correlation lengths to exhibit CP-type evolution. In the case of a granular system subjected to shear, this evolution occurs in the lead-up to the largest event and is accompanied by an increasing rate of moderate-sized events and power-law acceleration of Benioff strain release. In the case of an intact sample system subjected to compression, the evolution occurs only after a mature fracture system has developed. The results support the existence of a physical mechanism for intermediate-term earthquake forecasting and suggest this mechanism is fault-system dependent. This offers an explanation of why accelerating Benioff strain release is not observed prior to all large earthquakes. The results prove the existence of an underlying evolution in discontinuous elasto-dynamic, systems which is capable of providing a basis for forecasting catastrophic failure and earthquakes.

Long-range automaton models of earthquakes: Power-law accelerations, correlation evolution, and mode-switching

We introduce a conceptual model for the in-plane physics of an earthquake fault. The model employs cellular automaton techniques to simulate tectonic loading, earthquake rupture, and strain redistribution. The impact of a hypothetical crustal elastodynamic Green's function is approximated by a long-range strain redistribution law with a r(-p) dependance. We investigate the influence of the effective elastodynamic interaction range upon the dynamical behaviour of the model by conducting experiments with different values of the exponent (p). The results indicate that this model has two distinct, stable modes of behaviour. The first mode produces a characteristic earthquake distribution with moderate to large events preceeded by an interval of time in which the rate of energy release accelerates. A correlation function analysis reveals that accelerating sequences are associated with a systematic, global evolution of strain energy correlations within the system. The second stable mode produces Gutenberg-Richter statistics, with near-linear energy release and no significant global correlation evolution. A model with effectively short-range interactions preferentially displays Gutenberg-Richter behaviour. However, models with long-range interactions appear to switch between the characteristic and GR modes. As the range of elastodynamic interactions is increased, characteristic behaviour begins to dominate GR behaviour. These models demonstrate that evolution of strain energy correlations may occur within systems with a fixed elastodynamic interaction range. Supposing that similar mode-switching dynamical behaviour occurs within earthquake faults then intermediate-term forecasting of large earthquakes may be feasible for some earthquakes but not for others, in alignment with certain empirical seismological observations. Further numerical investigation of dynamical models of this type may lead to advances in earthquake forecasting research and theoretical seismology.

Load-unload response ratio and accelerating moment/energy release critical region scaling and earthquake prediction

The main idea of the Load-Unload Response Ratio (LURR) is that when a system is stable, its response to loading corresponds to its response to unloading, whereas when the system is approaching an unstable state, the response to loading and unloading becomes quite different. High LURR values and observations of Accelerating Moment/Energy Release (AMR/AER) prior to large earthquakes have led different research groups to suggest intermediate-term earthquake prediction is possible and imply that the LURR and AMR/AER observations may have a similar physical origin. To study this possibility, we conducted a retrospective examination of several Australian and Chinese earthquakes with magnitudes ranging from 5.0 to 7.9, including Australia's deadly Newcastle earthquake and the devastating Tangshan earthquake. Both LURR values and best-fit power-law time-to-failure functions were computed using data within a range of distances from the epicenter. Like the best-fit power-law fits in AMR/AER, the LURR value was optimal using data within a certain epicentral distance implying a critical region for LURR. Furthermore, LURR critical region size scales with mainshock magnitude and is similar to the AMR/AER critical region size. These results suggest a common physical origin for both the AMR/AER and LURR observations. Further research may provide clues that yield an understanding of this mechanism and help lead to a solid foundation for intermediate-term earthquake prediction.