Spinal circuits can accommodate interaction torques during multijoint limb movements

The dynamic interaction of limb segments during movements that involve multiple joints creates torques in one joint due to motion about another. Evidence shows that such interaction torques are taken into account during the planning or control of movement in humans. Two alternative hypotheses could explain the compensation of these dynamic torques. One involves the use of internal models to centrally compute predicted interaction torques and their explicit compensation through anticipatory adjustment of descending motor commands. The alternative, based on the equilibrium-point hypothesis, claims that descending signals can be simple and related to the desired movement kinematics only, while spinal feedback mechanisms are responsible for the appropriate creation and coordination of dynamic muscle forces. Partial supporting evidence exists in each case. However, until now no model has explicitly shown, in the case of the second hypothesis, whether peripheral feedback is really sufficient on its own for coordinating the motion of several joints while at the same time accommodating intersegmental interaction torques. Here we propose a minimal computational model to examine this question. Using a biomechanics simulation of a two-joint arm controlled by spinal neural circuitry, we show for the first time that it is indeed possible for the neuromusculoskeletal system to transform simple descending control signals into muscle activation patterns that accommodate interaction forces depending on their direction and magnitude. This is achieved without the aid of any central predictive signal. Even though the model makes various simplifications and abstractions compared to the complexities involved in the control of human arm movements, the finding lends plausibility to the hypothesis that some multijoint movements can in principle be controlled even in the absence of internal models of intersegmental dynamics or learned compensatory motor signals.

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.

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.

Design Optimisation of UAVs Systems achieved on a Framework Environment via Evolution and Game Theory

Over recent years, Unmanned Air Vehicles or UAVs have become a powerful tool for reconnaissance and surveillance tasks. These vehicles are now available in a broad size and capability range and are intended to fly in regions where the presence of onboard human pilots is either too risky or unnecessary. This paper describes the formulation and application of a design framework that supports the complex task of multidisciplinary design optimisation of UAVs systems via evolutionary computation. The framework includes a Graphical User Interface (GUI), a robust Evolutionary Algorithm optimiser named HAPEA, several design modules, mesh generators and post-processing capabilities in an integrated platform. These population –based algorithms such as EAs are good for cases problems where the search space can be multi-modal, non-convex or discontinuous, with multiple local minima and with noise, and also problems where we look for multiple solutions via Game Theory, namely a Nash equilibrium point or a Pareto set of non-dominated solutions. The application of the methodology is illustrated on conceptual and detailed multi-criteria and multidisciplinary shape design problems. Results indicate the practicality and robustness of the framework to find optimal shapes and trade—offs between the disciplinary analyses and to produce a set of non dominated solutions of an optimal Pareto front to the designer.

Damage Localization, Sensitivity of Energy Release and the Catastrophe Transition

Large earthquakes can be viewed as catastrophic ruptures in the earth’s crust. There are two common features prior to the catastrophe transition in heterogeneous media. One is damage localization and the other is critical sensitivity; both of which are related to a cascade of damage coalescence. In this paper, in an attempt to reveal the physics underlying the catastrophe transition, analytic analysis based on mean-field approximation of a heterogeneous medium as well as numerical simulations using a network model are presented. Both the emergence of damage localization and the sensitivity of energy release are examined to explore the inherent statistical precursors prior to the eventual catastrophic rupture. Emergence of damage localization, as predicted by the mean-field analysis, is consistent with observations of the evolution of damage patterns. It is confirmed that precursors can be extracted from the time-series of energy release according to its sensitivity to increasing crustal stress. As a major result, present research indicates that the catastrophe transition and the critical point hypothesis (CPH) of earthquakes are interrelated. The results suggest there may be two cross-checking precursors of large earthquakes: damage localization and critical sensitivity.

Dynamic Behaviour of Nanoscale Electrostatic Actuators

The dynamic behaviour for nanoscale electrostatic actuators is studied. A two Parameter mass-spring model is shown to exhibit a bifurcation from the case excluding an equilibrium point to the case including two equilibrium points as the geometrical dimensions of the device are altered. Stability analysis shows that one is a stable Hopf bifurcation point and the other is an unstable saddle point. In addition, we plot the diagram phases, which have periodic orbits around the Hopf point and a homoclinic orbit passing though the unstable saddle point.

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.

Spatio-Temporal Scanning and Statistical Test of the Accelerating Moment Release (AMR) Model Using Australian Earthquake Data

The Accelerating Moment Release (AMR) preceding earthquakes with magnitude above 5 in Australia that occurred during the last 20 years was analyzed to test the Critical Point Hypothesis. Twelve earthquakes in the catalog were chosen based on a criterion for the number of nearby events. Results show that seven sequences with numerous events recorded leading up to the main earthquake exhibited accelerating moment release. Two occurred near in time and space to other earthquakes preceded by AM R. The remaining three sequences had very few events in the catalog so the lack of AMR detected in the analysis may be related to catalog incompleteness. Spatio-temporal scanning of AMR parameters shows that 80% of the areas in which AMR occurred experienced large events. In areas of similar background seismicity with no large events, 10 out of 12 cases exhibit no AMR, and two others are false alarms where AMR was observed but no large event followed. The relationship between AMR and Load-Unload Response Ratio (LURR) was studied. Both methods predict similar critical region sizes, however, the critical point time using AMR is slightly earlier than the time of the critical point LURR anomaly.

Modelling Lipid Competition Dynamics in Heterogeneous Protocell Populations

Recent experimental work in the field of synthetic protocell biology has shown that prebiotic vesicles are able to 'steal' lipids from each other. This phenomenon is driven purely by asymmetries in the physical state or composition of the vesicle membranes, and, when lipid resource is limited, translates directly into competition amongst the vesicles. Such a scenario is interesting from an origins of life perspective because a rudimentary form of cell-level selection emerges. To sharpen intuition about possible mechanisms underlying this behaviour, experimental work must be complemented with theoretical modelling. The aim of this paper is to provide a coarse-grain mathematical model of protocell lipid competition. Our model is capable of reproducing, often quantitatively, results from core experimental papers that reported distinct types vesicle competition. Additionally, we make some predictions untested in the lab, and develop a general numerical method for quickly solving the equilibrium point of a model vesicle population.

Uma abordagem por meio da teoria dos jogos de um modelo em ecologia matemática

A presente dissertação propõe uma abordagem alternativa na simulação matemática de um cenário preocupante em ecologia: o controle de pragas nocivas a uma dada lavoura de soja em uma específica região geográfica. O instrumental teórico empregado é a teoria dos jogos, de forma a acoplar ferramentas da matemática discreta à análise e solução de problemas de valor inicial em equações diferenciais, mais especificamente, as chamadas equações de dinâmica populacional de Lotka-Volterra com competição. Essas equações, que modelam o comportamento predador-presa, possuem, com os parâmetros inicialmente utilizados, um ponto de equilíbrio mais alto que o desejado no contexto agrícola sob exame, resultando na necessidade de utilização da teoria do controle ótimo. O esquema desenvolvido neste trabalho conduz a ferramentas suficientemente simples, de forma a tornar viável o seu uso em situações reais. Os dados utilizados para o tratamento do problema que conduziu a esta pesquisa interdisciplinar foram coletados de material bibliográfico da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária EMBRAPA.