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Neural-based traffic risk assessment: a two-stream neural network approach using dynamic attention
No full textThe problem being addressed in this research is performing traffic risk assessment on visual scenes captured from outward-facing dashcam videos. To perform risk assessment, a two-stream dynamic-attention recurrent convolutional neural architecture is used to provide a risk level for every frame in a given input video sequence. The two-stream approach consists of a spatial stream, which analyses individual video frames and computes high-level appearance features and a temporal stream, which analyses optical flow between adjacent frames and computes high-level motion features. Both spatial and temporal streams are then fed into their respective recurrent neural networks (RNNs) that explicitly models the sequence of features in time. A dynamic-attention mechanism that allows the network to learn to focus on relevant objects in the visual scene is added. These objects are detected by a state-of-the-art object detector and correspond to vehicles, pedestrians, traffic signs, etc. The dynamic-attention mechanism not only improves classification performance, but it also provides a method to visualize what the network "sees" when predicting a risk level. This mechanism allows the network to implicitly learn to focus on hazardous objects in the visual scene. Additionally, this research introduces an offline and online model that differ slightly in their implementations. The offline model takes as input the complete video sequence and scores a classification accuracy of 84.89%. The online model can deal with an infinite stream of data and produces results in real-time; however, it suffers from a slight decrease in classification accuracy 79.90%.The input data consists of outward-facing dashcam videos in various driving situations. The dataset being used is a selection of 1750 dashcam videos collected by Chan et al. [6]. The dataset was previously annotated with positive and negative instances of vehicle accidents; however, this research proposes a new set of annotations. Each video sequence is densely annotated with a risk level corresponding to the amount of perceived risk in the visual scene. These videos were collectively annotated among a group of participants who annotated each individual frame. The average score across all participants was used as the final risk level. The four categories of risk are as follows: low risk, moderate risk, high risk, and critical risk.La problématique abordée dans cette recherche est l'évaluation des risques de la circulation à partir de vidéos capturées par une caméra montée sur l'avant d'un véhicule (dashcam). Pour effectuer une évaluation des risques, un double flux d'attention dynamique basé sur un réseau neuronal de convolutions récurrentes est utilisé afin de fournir un niveau de risque pour chaque image dans une séquence vidéo donnée. L'approche à deux flux consiste d'abord en un flux spatial qui analyse les images vidéo prises individuellement et analyse les caractéristiques d'apparence à haut niveau et d'un flux temporel qui analyse les trames adjacentes et calcule les caractéristiques de mouvement à haut niveau. Les flux spatiaux et temporels sont ensuite introduits dans leurs réseaux neuronaux récurrents respectifs (RNN) qui modélisent explicitement la séquence des caractéristiques dans le temps. Un mécanisme d'attention dynamique est ajouté, ce qui permet au réseau d'apprendre à se concentrer sur les objets pertinents de la séquence vidéo. Ces objets sont détectés par un détecteur d'objets dernier cri et correspondent à des véhicules, des piétons, des panneaux de signalisation, etc. Le mécanisme d'attention dynamique améliore non seulement les performances de classification, mais permet aussi de visualiser ce que le réseau perçoit et ainsi prédire un niveau de risque. Ce mécanisme permet au réseau d'apprendre implicitement à se concentrer sur les objets dangereux dans la séquence vidéo. De plus, cette recherche introduit un modèle hors ligne ainsi qu'un modèle en ligne qui diffèrent légèrement dans leurs implémentations. Le modèle hors ligne prend en entrée la séquence vidéo complète et obtient ainsi une précision de classification de 84,89%. Le modèle en ligne peut traiter un flux infini de données et produit des résultats en temps réel, mais subit une légère baisse de performance 79,90%.Les données d'entrée consistent en des vidéos orientées vers l'avant du véhicule dans diverses situations de conduite. L'ensemble de données utilisé est une sélection de 1750 vidéos dashcam collectées par Chan et al. [6]. L'ensemble de données a déjà été annoté avec des exemples positifs et négatifs d'accidents de véhicules. Cette recherche propose cependant un nouvel ensemble d'annotations. Chaque séquence vidéo est densément annotée avec un niveau de risque correspondant à la quantité de risque dans la séquence vidéo. Chaque vidéo a été annotée trame par trame par les membres d'un groupe de participants. Le score moyen de dangerosité donné par l'ensemble des participants a été utilisé comme niveau de risque final. Les quatre catégories de risque sont: risque faible, risque modéré, risque élevé et risque critique
Kernel-based dynamic ridge regression for model-free control
No full textA model-free approach is employed to swing up a planar double pendulum on a cart and stabilize it to its inverted equilibrium is proposed in this thesis. A minimum-energy type adaptation of a forward-backward kernel estimator in a multivariate setting is employed to estimate the full state of an evolving surrogate local model. The full state is assumed to comprise the position variables and their velocities. The multivariate extension of the forward-backward kernel estimator has not been presented before. An Energy-based Lyapunov function initially proposed in [1] is used to construct a new model-free controller.The objective of the controller is to swing up both links of the double inverted pendulum on a cart system near up-up equilibrium, keeping other states of the system within certain bounds. Once swing up is achieved, the control is switched to model-free LQR feedback for stabilization of the system. The state space system required for the design of the LQR controller is obtained from the estimated parameters of the surrogate model, making it model-free stabilization control. Parameters of the local model are averaged, and then a state space system is constructed. A local surrogate multivariate kernel model is used with batch estimation approach for state and trajectory estimation.Une approche sans modèle est utilisée pour faire basculer un double pendule plan sur un chariot et la stabiliser à son équilibre inversé est proposée dans cette thèse. Un type à énergie minimale l'adaptation d'un estimateur de noyau avant-arrière dans un contexte multivarié est utilisée pour estimer l'état complet d'un modèle local de substitution enévolution. L'état complet est supposé pour comprendre les variables de position et leurs vitesses. L'extension multivariée de l'estimateur de noyau avant-arrière n'a pas été présenté auparavant. Lyapunov à base d'énergie ; la fonction initialement proposée dans [1] est utilisée pour construire un nouveau contrôleur sans modèle. L'objectif du contrôleur est defaire basculer les deux liens du double pendule inverse sur un système de chariot proche de l'équilibre haut, en gardant les autres états du système dans certaines bornes. Une fois que le basculement est réalisé, la commande bascule sur le retour d'informations LQR sans modèle pour la stabilisation du système. Le système d'espace d'état requis pour la conception du contrôleur LQR est obtenu à partir du paramètres estimés du modèle de substitution, ce qui en fait un contrôle de stabilisation sans modèle. Les paramètres du modèle local sont moyennés, puis un système d'espace d'état est construit. Un modèle de noyau multivarié de substitution local est utilisé avec l'approche d'estimation par lots pour estimation de l'état et de la trajectoire
The impact of patient characteristics and the Internet usage on potential PHR adoption in Primary Care
No full textBackground: A Personal Health Record (PHR) provides patient access to their health information and facilitates continuity of care. This provides an opportunity to explore how the PHR could be used to empower patients and enable them to be active participants in the healthcare delivery. But first there is a need to explore how the characteristics of patients and current Internet usage may affect PHR adoption. Objective: The objective of this study is to determine how patient characteristics and current Internet usage patterns are associated with potential PHR use. Methods: This was a prospective cohort study. The data were collected from participants using a self-reported questionnaire about their outcome of logging into a primary care PHR system at three different family medicine sites. Data were summarized in tables with descriptive statistics. Frequency and proportion were computed for the categorical variables. Bivariate comparisons were made using Fisher exact and Chi-square statistics where applicable. Logistic regression modeling was applied to evaluate the association between patient characteristics and Internet usage and subsequent PHR login. The significance level (α) for variable selection in multivariate model was set at 0.05. Using the statistical analysis software (SAS University Edition), at the first step of the analysis, univariate regression models were created for all explanatory variables to identify variables that have at least a moderate association with outcome (PHR login). Further, explanatory variables that were found to have a strong to modest association with the result (p≤0.25) were included in the final multivariate model. Using a "forward selection" technique, the final model for PHR login was refitted. The pre-defined criterion for retaining variables in the final model was set conservatively with P-value ≤ 0.05. Results: Of the 116 respondents, 89% intended to use the system, 95% thought it would be of benefit and 25.8% logged in to the PHR (n=30). There was no significant difference in the characteristics of the patients who searched for health versus non-health information online. The group that logged in were predominantly more than 35 years old as 35-64 (57%) and 65-75 (33%), female (63%), postgraduates (53%), employed (57%), English-speaking (77%), had previously heard about electronic PHR (60%), used the Internet from home (83%), at least once a day (97%), and 30 and more hours per week (33%). Also, 87% had a regular medical doctor and 57% had one or more chronic health conditions. In the final multivariate logistic model, patients 65-75 years old (15.85 OR, 2.72-92.19 95%CI) were significantly associated with PHR log-in. Similarly, postgraduate (18.17 OR, 2.14-154.35 95%CI) and those who requested an online prescription renewal (15.09 OR, 2.35-96.77 95%CI) were also more likely to log-in to the PHR system. Conclusion: Very few patients logged in to the PHR system despite its ability to enhance patient engagement, its positive perceived benefits, and their stated intention to use the PHR system. This discrepancy needs to be explored further. Although the literature suggests that an integrated PHR was successful in a few countries compared to a stand-alone PHR, future research is needed to explore the impact of the integrated PHR in the Canadian Primary Care context.Contexte: Un dossier de santé personnel (DSP) fournit aux patients un accès à leurs informations de santé et facilite la continuité des soins. Ceci fournit une opportunité d'explorer comment le DSP pourrait être utilisé pour responsabiliser les patients et leur permettre de participer activement à la prestation des soins de santé. Mais il faut d'abord explorer comment les caractéristiques des patients et l'utilisation actuelle d'Internet peuvent influer sur l'adoption du DSP. Objectif: L'objectif de cette étude est de déterminer comment les caractéristiques des patients et les types d'utilisation d'Internet sont associés à une utilisation potentielle du DSP. Méthodes: Ce projet s'agit d'une étude de cohorte prospective. Les données ont été recueillies auprès des participants à l'aide d'un questionnaire auto-déclaré avec les résultats de la connexion à un système de DSP de soins primaires dans trois différentes cliniques de médecine familiale. Des comparaisons bivariées ont été effectuées à l'aide des statistiques exactes de Fisher et du chi carré, le cas échéant. Une modèle de régression logistique a été utilisé pour estimer l'association entre les caractéristiques du patient et l'utilisation d'Internet et la connexion ultérieur au DSP. Le degré de signification pour la sélection de variables dans le modèle multivarié a été fixé à 0,05. À l'aide du logiciel d'analyse statistique, lors de la première étape de l'analyse, des modèles de régression univariés ont été créés pour toutes les variables explicatives afin d'identifier les variables présentant au moins une association modérée avec les mesures du résultat (connexion au DSP). De plus, les variables explicatives qui présentaient une association forte à modeste avec les mesures du résultat (p≤0,25) ont été incluses dans le modèle multivarié final. En utilisant une technique de « sélection en aval », le modèle final de connexion DSP a été réajusté. Le critère prédéfini pour la conservation des variables dans le modèle final a été défini de manière conservatrice avec une valeur de p ≤ 0,05. Résultats : Parmi les 116 répondants, 89% avaient l'intention d'utiliser le système, 95% pensaient qu'il serait bénéfique et 25,8% se sont connectés au DSP (n=30). Il n'y avait pas de différence significative entre les caractéristiques des patients ayant recherché en ligne des informations sur la santé et celles des patients ayant recherché d'autres informations. Les membres du groupe qui se sont connectés étaient majoritairement plus âgés de 35 ans : 35-64 ans (57%) et 65-75 ans (33%), femmes (63%), diplômés (53%), employés (57%), anglophones. (77%), et la majorité avait déjà entendu parler du PHR électronique (60%), utilisait l'Internet à la maison (83%), au moins une fois par jour (97%) et au moins 30 heures par semaine (33%). En outre, 87% avaient un médecin régulier et 57% un ou plusieurs problèmes de santé chroniques. Dans le modèle logistique multivarié final, les patients âgés de 65 à 75 ans (15,85 OR, 2,72 à 92,19 IC à 95%) étaient associés de manière significative à la connexion au DSP. De même, les patients ayant complété des études postuniversitaire (18,17 OU, 2,14-154,35 IC à 95%) et ceux ayant demandé une renouvellement d'ordonnance en ligne (15,09 OR, 2,35 à 96,77 IC de 95%) étaient également beaucoup plus susceptibles de se connecter. Conclusion : Malgré la capacité d'améliorer l'engagement des patients et l'intérêt positif perçu, ainsi que l'intention de les utiliser, très peu de patients se sont connectés au système DSP. Cet écart devrait être examinée de façon plus approfondie. Bien que la littérature suggère que les DSP intégrés ont plus de succès que les DSP autonomes dans quelques autres pays, de plus amples recherches sont nécessaires pour explorer ceci dans le contexte des soins primaires au Canada
A framework for embedded digital musical instruments
No full textGestural controllers allow musicians to use computers as digital musical instruments (DMI). The body gestures of the performer are captured by sensors on the controller and sent as digital control data to a audio synthesis software.Until now DMIs have been largely dependent on the computing power of desktop and laptop computers but the most recent generations of single-board computers have enough processing power to satisfy the requirements of many DMIs. The advantage of those single-board computers over traditional computers is that they are much smaller in size. They can be easily embedded inside the body of the controller and used to create fully integrated and self-contained DMIs. This dissertation examines various applications of embedded computing technologies in DMIs. First we describe the history of DMIs and then expose some of the limitations associated with the use of general-purpose computers. Next we present a review on different technologies applicable to embedded DMIs and a state of the art of instruments and frameworks. Finally, we propose new technical and conceptual avenues, materialized through the Prynth framework, developed by the author and a team of collaborators during the course of this research.The Prynth framework allows instrument makers to have a solid starting point for the development of their own embedded DMIs. It is composed of several interoperating hardware and software components, publicly available as open-source technologies and continuously updated to include new features. Prynth has been lauded in both academic and artistic circles, resulting in an active and engaged user community.This community uses our framework to build many different DMIs that serve idiosyncratic goals and a panoply of musical contexts. The author himself is responsible for the design and construction of "The Mitt", an instrument that was selected for the finals of the 2017 edition of the Guthman Musical Instrument Competition, the most prestigious event of its kind.We believe that embedded computing will play a fundamental role in the future of DMIs. By surpassing the reliance on traditional computers, embedded DMIs have the possibility of becoming integrated and robust interactive devices, with increased usability and performance. All of these represent key factors to the evolution and growth of these musical instruments.Les contrôleurs gestuels permettent aux musiciens d'utiliser les ordinateurs en tant qu'instruments numériques de musique (INM). Les mouvements corporels de l'artiste sont enregistrés par des capteurs sur le contrôleur, puis envoyés sous forme de données de contrôle numériques à un logiciel de synthèse audio. Jusqu'ici, les INM étaient largement dépendants de la puissance de calcul des ordinateurs portables et des unités centrales, mais les générations les plus récentes d'ordinateurs à carte unique disposent d'une puissance de calcul suffisante pour satisfaire aux exigences de nombreux INM. L'avantage de ces ordinateurs à carte unique sur les ordinateurs traditionnels réside dans leur taille qui s'avère bien moindre. Ils peuvent facilement être embarqués dans le corps du contrôleur et être utilisés pour créer des INM indépendants et totalement intégrés.Cette dissertation examine les diverses applications des systèmes d'informatique embarquée aux INM. Dans un premier lieu, nous ferons un rappel de l'histoire des INM, puis nous exposerons certaines des limites associées à l'utilisation d'ordinateurs génériques. Par la suite nous présenterons une analyse des différentes technologies applicables aux INM embarqués et l'état de l'art des systèmes et instruments. Enfin, nous proposerons de nouvelles voies conceptuelles et techniques, matérialisées par le système Prynth, développé par l'auteur ainsi qu'une équipe de collaborateurs dans le cadre de cette recherche.Le système Prynth permet aux fabricants d'instruments de disposer d'une solide base de développement pour la création de leurs INM embarqués. Il est composé de nombreux éléments matériels et logiciels en interopération, de technologies disponibles en open-source et continuellement mises à jour pour intégrer de nouvelles fonctionnalités. Prynth a été acclamé à la fois dans les cercles académiques et artistiques, avec pour conséquence une communauté très active et motivée.Cette communauté utilise notre système pour construire de nombreux INM qui ont un objectif idiosyncratique et une large panoplie de contextes musicaux. L'auteur lui-même est responsable de la conception et de la construction de l'instrument nommé « The Mitt » qui a été sélectionné pour la finale de l'édition 2017 de la Guthman Musical Instrument Competition, l'événement le plus prestigieux de sa catégorie au monde.Nous croyons que l'informatique embarquée jouera un rôle fondamental dans le futur des INM. En surpassant la dépendance aux ordinateurs classiques, les INM embarqués ont la possibilité de devenir des appareils interactifs solides et intégrés, disposant d'une utilisabilité et de performances améliorées. Tous ces critères représentant des éléments-clés de l'évolution et de la croissance de ces instruments de musique
The impact of an active soil microbial community on greenhouse gas emissions in Arctic cryosols
No full textAnthropogenic climate change is thought to have a disproportionately larger impact on polar regions, resulting in permafrost thaw and microorganism mediated greenhouse gas (GHG) emission. Permafrost soils contain between 25-50 % of the total soil organic carbon pool and as permafrost thaws, this carbon will become accessible to microbial degradation. Carbon dioxide (CO2), methane (CH4), and nitrous oxide (N2O) are the most important GHGs and their flux from permafrost affected soils contributes to a positive feedback loop of climatic warming. However, our understanding of how microorganisms contribute to the biogeochemical cycling and flux of these gases in Arctic soils remains limited. Topography of the Arctic landscape has a significant impact on GHG emissions as evidenced by the flux at the ice-wedge polygon (IWP) terrain. The wetter tough soils exhibited higher emissions of CO2 and N2O, but lower uptake of CH4, compared to the drier polygon interior soils. The elevated CO2 and N2O fluxes, and the lower CH4 uptake from troughs is concerning from a climate warming perspective since parts of the Arctic are predicted to become warmer and wetter. Topography also affected the composition of the overall microbial community, with the trough soils having a higher proportion of Betaproteobacteria, Deltaproteobacteria, and Bacterioidetes but a lower proportion of Acidobacteria compared to polygon interior soils. The community of nitrogen fixers, methanotrophs, and denitrifiers was also affected by the topography with all three groups showing unique structures. Overall, members of the nitrogen-fixing and denitrifying bacteria included Rhizobiaceae, Nostocaceae, Cyanothecaceae, Rhodobacteraceae, Burkholderiaceae, Chloroflexaceae, Azotobacteraceae, and Ectothiorhodospiraceae. Moreover, these organisms appear to be active in the soils, as metatranscriptomic RNA analysis was also able to detect these microbial clades. The active methanotrophs in these soils are likely part of the USCα cluster of currently uncultured high-affinity methanotrophs, as evidenced by stable isotope probing (SIP) of soils exhibiting CH4 uptake. SIP analysis coupled with metagenome binning lead to the identification of several intermediate-high quality MAGs (metagenome assemble genomes). One Alphaproteobacterial MAG was identified that contained many of the methane cycling genes including a soluble methane monooxygenase (mmoX) and genes involved in the serine cycle for assimilating formaldehyde characteristic of type II methanotrophs. This MAG also contained genes for ammonia assimilation, biopolymer production, and mercury detoxification. In addition to identifying non-culturable members of the community through metagenome binning, sequencing of culturable isolates reveal presence of carbon cycling genes involved in fermentation, CO2 fixation, denitrification, polysaccharide and aromatic compound metabolism. Suggesting that the microbial community at the IWP terrain is poised to degrade the thawing carbon stores in permafrost. In addition to topography affecting the microbial community structure, key microbial members across the IWP terrain also appear to have positive and negative impacts on other microbial species. This was determined by developing a novel hybrid network analysis to determine species interactions within of the microbial community. Overall, members of Proteobacteria, Candidatus Rokubacteria, and Actinobacteria phyla tended to have a positive impact, while members of Verrucomicrobia and Acidobacteria had a negative impact on other microbials members. These results indicate that both environmental abiotic parameters and biotic interactions impact the microbial community structure and possibly GHG fluxes from soils.Les changements climatiques d'origine anthropogénique ont un impact plus important dans les régions polaires, provoquant la fonte du pergélisol et l'émission de gaz à effet de serre (GES) par les microorganismes. Le pergélisol contient entre 25 et 50 pourcents du réservoir total de carbone organique et, avec la fonte du pergélisol, ce carbone devient accessible à la dégradation microbienne. Le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4) et le protoxyde d'azote (N2O) sont les GES les plus importants et leurs flux provenant de la fonte du pergélisol contribuent à une boucle de rétroaction positive sur le réchauffement du climat. Toutefois, notre compréhension du rôle des microorganismes sur les cycles biogéochimiques et sur les flux de ces gaz dans les sols arctiques est limitée. La topographie des paysages arctiques a elle aussi un impact important sur l'émission de GES, comme le démontrent les flux de gaz en terrain « ice-wedge polygon » (IWP), topographie retrouvée dans l'Arctique. Les sols des arêtes des polygones sont plus creux et plus humides. Ils présentent un plus haut taux d'émission de CO2 et de N2O, mais une plus faible absorption de CH4 que les sols plus secs de l'intérieur des polygones. Les flux de CO2 et de N2O élevés ainsi que la faible absorption de CH4 provenant des arêtes des polygones sont particulièrement inquiétants dans une perspective de changements climatiques puisque plusieurs régions arctiques devraient devenir plus chaudes et humides. La topographie affecte aussi la composition des communautés microbiennes. Les communautés de fixateurs d'azote, de méthanotrophes et de microorganismes dénitrifiants sont aussi affectées par la topographie, puisque chacun de ces groupes présente une structure unique. De plus, ces organismes semblent être actifs dans les sols, puisque ces clades ont pu être détectés grâce à une analyse de métatranscriptomique. Les méthanotrophes actifs dans ces sols font partie du groupe USCα de microorganismes incultivés, soupçonné d'être des méthanotrophes ayant une haute affinité pour le méthane, démontré par la méthode de sonde à isotope stable (SIP), utilisant des sols démontrant une absorption de CH4. L'analyse SIP couplée au binning de métagénome a conduit à l'identification de plusieurs MAG (metagenome assembled genomes) de qualité moyenne à supérieure. Nous avons identifié un MAG Alphaproteobacterial qui contient plusieurs gènes associés au cycle du méthane, incluant une monooxygénase soluble de méthane (mmoX) et des gènes impliqués dans le cycle de la serine, pour assimiler le formaldéhyde, caractéristique des méthanotrophes de Type II. En plus d'identifier des membres non cultivables de la communauté microbienne par binning de métagénome, le séquençage des membres cultivables a révélé la présence de gènes du cycle du carbone impliqués dans la fermentation, la fixation du CO2, la dénitrification, ainsi que dans le métabolisme des polysaccharides et le métabolisme des composés aromatiques. Ceci suggère que la communauté microbienne des terrains IWP est prête à dégrader les réserves de carbone disponible suite à la fonte du pergélisol. En plus de la topographie qui affecte la structure des communautés microbiennes, certains microorganismes clés du terrain IWP semblent aussi avoir un impact, positif ou négatif, sur les autres espèces microbiennes de la communauté. Ces relations ont été déterminé grâce au développement d'un nouveau modèle hydride d'analyse de réseau de la communauté microbienne. Dans l'ensemble, les membres des phyla Proteobacteria, Candidatus Rokubacteria, et Actinobacteria ont tendance à avoir un impact positif, alors que des membres Verrucomicrobia et des Acidobacteria des ont un impact négatif sur les autres microorganismes. Ces résultats indiquent que les paramètres environnementaux abiotiques et les interactions biotiques modifient la structure de la communauté microbienne et ont possiblement un impact sur les flux de GES provenant des sols
Development of a biosensing strategy for multiplex and dynamic quantification of a secretory fingerprint from human pancreatic islets
No full textDiabetes mellitus is a chronic disorder occurring when elevated levels of blood glucose, known as hyperglycemia, result from the body's impaired ability to produce or regulate insulin. If left untreated, chronic hyperglycemia can cause cardiovascular disease, neuropathy, nephropathy and eye disease, leading to retinopathy and blindness. In 2017 the number of people with diabetes reached 425 million worldwide. This disease arises from deficiencies in the secretory pathways of the pancreatic islets, a micro-organ constituting 1-2% of the pancreas mass. Recent studies have shown that the cells comprising the islets possess an intricate communication system, in which their secreted hormones exert paracrine interactions on neighbor cells. However, little is understood about the consequences of such communications. Up-to-date most research in the field has focused on understanding the processes related with insulin and glucagon secretion, the main hormones secreted by the two major cell types present in the islets. Thus, monitoring a secretory fingerprint (SF) contemplating more than two hormones, presents a research opportunity to increase our current understanding of diabetes. Due to their simplicity, ease of use, non-invasive and label-free nature, biosensors provide an excellent basis for the development of analytical tools capable of detecting the SF of islets. Therefore, the main objective of the present thesis was to develop a biosensing strategy for the multiplex detection of a SF composed of the hormones secreted by the three major cell types contained in the pancreatic islets. At first, we explored the use of a capacitance-based biosensor for the detection of insulin. This biosensing technique was selected, since it could offer high sensitivity, potential for multiplexing and capabilities for integration with microelectronic technologies. Since the performance of this biosensor critically depends on the surface chemistry design of the bioreceptor immobilization, a systematic study was performed to evaluate the effect of common architectures reported in literature. These chemistries included the covalent immobilization of biomolecules on the electrodes, in the gaps between electrodes and a conformal coating covering both. The development of this capacitive biosensor provided valuable knowledge on the effect of various parameters for the detection of insulin, however its implementation for islet continuous SF analysis proved difficult due to its long analysis time. Thus, we explored surface plasmon resonance imaging (SPRi) as an alternative to fully reach the thesis objective. By combining a competitive immunoassay with SPRi and the optimization of the sensor's surface chemistry it was possible to detect, for the first time, insulin, glucagon and somatostatin simultaneously. This biosensing strategy presented a limit of detection (LOD) comparable to previous reports detecting insulin and glucagon secretions individually with a short analysis time. However, detecting the smallest hormone, somatostatin, remained a challenge due to the obtained high LOD compared to insulin and glucagon and a lack of reports providing a desirable reference for its performance. Thus, to address this pitfall and ensure the detection of all targeted hormones in a biologically relevant concentration range, we performed a study comparing three different signal amplification strategies based on gold nanoparticles (GNPs). These strategies included GNPs immobilized on the sensor surface, GNPs conjugated with primary antibodies and GNPs conjugated with a secondary antibody for post competitive assay amplification. Here, multiplexed detection of the three hormones was achieved with an improved LOD of 9 fold for insulin, 10 fold for glucagon and 200 fold for somatostatin when compared to the SPRi biosensor without GNPs signal amplification, successfully addressing the aforementioned challenge.Le diabète sucré est une maladie chronique qui arrive quand les taux de sucre dans le sang sont élevés, connu sous le nom d'hyperglycémie, résultant d'une capacité réduite du corps à produire ou à réguler l'insuline. Sans traitement, l'hyperglycémie chronique peut causer des maladies cardiovasculaires, une neuropathie, une néphropathie, et des maladie oculaires, qui peuvent mener à la rétinopathie et la cécité. En 2017, le nombre de personnes affectées par le diabète était de 425 millions à l'échelle mondiale. Cette maladie résulte des carences des voies de sécrétion des îlots du pancréas. Des études récentes montrent que les cellules constituant ces îlots ont un système de communication complexe, dans lequel les hormones qu'elles sécrètent exercent des interactions paracrines sur leurs cellules voisines. Cependant, les conséquences de ces interactions sont encore mal comprises. Jusqu'à présent, beaucoup des recherches dans ce domaine sont concentrées sur la compréhension des procédés de sécrétion d'insuline et de glucagon, qui sont les hormones principales secrétées par les deux principaux types de cellules dans les îlots. Ainsi, le suivi d'une empreinte sécrétoire comprenant plus de deux hormones constitue une opportunité de recherche pour améliorer notre compréhension du diabète.Les biocapteurs constituent une excellente base pour le développement d'outils analytiques pouvant détecter l'empreinte sécrétoire des îlots. L'objectif principal de cette thèse était donc de développer une stratégie de détection biologique pour la détection multiplexe de l'empreinte sécrétoire composée des hormones secrétées par les trois principaux types cellulaires présents dans les îlots pancréatiques. Dans un premier temps, nous avons exploré l'utilisation d'un biocapteur capacitif pour la détection d'insuline. La performance de ce biocapteur dépendant essentiellement de la chimie de surface immobilisant le biorécepteur, une étude comparative a permis d'évaluer les effets des architectures communément décrites dans la littérature. Tandis que le développement de ce biocapteur capacitif nous a fourni une meilleure compréhension du mécanisme de détection de l'insuline et de certains de ses paramètres, la longueur du temps d'analyse rendait son implémentation pour l'analyse de l'empreintes sécrétoire des îlots difficile. Comme alternative pour réaliser pleinement l'objectif de la thèse, nous avons donc exploré l'imagerie par résonance de plasmons de surface (SPRi).En combinant un immunodosage compétitif avec la SPRi et en optimisant la chimie de surface du biocapteur, il a été possible de détecter simultanément pour la première fois l'insuline, le glucagon et la somatostatine. Cette stratégie de biodétection présentait une limite de détection pour le glucagon et l'insuline comparable aux méthodes reportées antérieurement pour un temps d'analyse court. Néanmoins, la détection de la plus petite hormone, la somatostatine, demeurait un défi en raison des hautes limites de détection obtenues comparées aux autres hormones et en raison de l'absence de rapports offrant une référence convenable pour ses performances.Afin d'éviter cet écueil et de garantir une détection de toutes les hormones ciblées dans une gamme de concentration pertinente sur le plan biologique, nous avons mené une étude comparative de trois différentes stratégies d'amplification de signal basées sur des nanoparticules d'or (GNPs). Ces stratégies comprenaient des GNPs immobilisés sur la surface du biocapteur, des GNPs conjugués avec un anticorps primaire et des GNPs conjugués avec un anticorps secondaire pour la post-amplification d'un immunodosage compétitif. La détection multiplexée des trois hormones a alors été obtenue avec une LOD améliorée de 9 fois pour l'insuline, de 10 fois pour le glucagon et de 200 fois pour la somatostatine comparativement à la détection non-amplifiée, permettant de relever le défi susmentionné
A decision procedure for continuous quantitative equational logic
No full textIn [13], a sound and complete proof system, QEL, was developed for quantitative algebras, extending Birkhoff's equational logic. The axiomatizations of certain theories have applications to probability theory [4, 5, 3, 6, 15, 13, 19], and the construction of universal algebras was shown to exhibit similar prop- erties to its classical counterpart [18, 14, 11, 10]. However, we will show that there is also non-trivial proof-theoretic content. The major result of this text is proving that there exists a decision procedure for the "continuous" (i.e. non- equational) part of QEL, and that its decidability is in the complexity class NEXPTIME. Appendix A contains some results on the relationship between QEL and continuous first order logic, which was one of the original motivations to pursue this topic and suggested as a possibly fruitful endeavour in [10].Les auteurs de [13] ont developpé un système de preuve correct et complète pour les algèbres quantitatives, nomme QEL, qui est une extension de la logique équationelle de Birkhoff. L'axiomatisation de certaines théories présente des ap- plications en théorie des probabilités [4, 5, 3, 6, 15, 13, 19], et la construction des algebrès universelles possède des propriétés similaires a son équivalent classique [18, 14, 11, 10]. Néanmoins, nous montrons aussi que l'on y trouve des résultats non-triviaux en théorie de la démonstration. La résultat principale que nous démontrons est l'existence d'une procedure de decision pour la variante continue (i.e. non équationnelle) de QEL, et que sa décidabilité appartient à la classe de complexité NEXPTIME. Notre Appendix A contient une collection de résultats sur les relations entre QEL et la logique continue de premier ordre ; elle a été l'une des motivations initiales pour notre travail et suggérée dans [10] comme une entreprise qui pourrait s'avérer fructeuse
Incident light modulation by means of power variations and light pulsing reduces photo induced toxicity and bleaching
No full textThe use of fluorescence in microscopy has introduced unprecedented specificity and contrast, paving the way for highly specialized techniques and applications such as correlation mapping or super resolution microscopy for single molecular resolution. However, this powerful tool is curtailed by light damage. Photobleaching of dye molecules causes a gradual loss of signal emission, while phototoxicity causes cell wide disturbances to biological systems and physiological functions. This study introduces novel imaging techniques and recommendations that address these two problems. Chinese Hamster Ovary (CHO-K1) cells complemented with different fluorophores were used to demonstrate the efficiency of the techniques. Phototoxicity levels were evaluated by using the migration and protrusion assays, which measure the speeds of motility and protrusion formation, respectively. The photobleaching assay was used to measure the halftime of signal intensity decay, which provides the speed of photobleaching. This study shows that using low incident light power coupled with long exposure times causes reduced levels of photobleaching and phototoxicity. It also demonstrates that this technique is more efficient at minimizing photodamage than the commercial antifade agent ProLong LiveTM. Finally, this study shows that pulsing incident light significantly reduces photobleaching. Modulations including the decrease of pulse width, the increase of rest time between pulses, and the decrease of pulse amplitude amplify this effect. This project resulted in the development of several novel imaging techniques that not only considerably reduce light-induced damage but are simple and generally applicable on any fluorescence microscope.L'utilisation de la fluorescence en microscopie a introduit un niveau de spécificité en détection et un contraste jamais vue auparavant. Cela a permis le développement de techniques hautement spécialisées, tels que l'imagerie corrélative ou la microscopie à super-résolution. Cependant, l'utilisation de cet outil engendre des effets endommageant depuis les ondes utilisées pour l'activation des fluorochromes. Premièrement, le photo-blanchissement des fluorochromes cause une perte graduelle de la fluorescence d'un spécimen. Deuxièmement, la phototoxicité perturbe les systèmes biologiques et les fonctions physiologiques dans une cellule. Cette étude introduit des nouvelles techniques d'imagerie et des recommandations pour minimiser ces méfaits. Des cellules ovariennes de hamster chinois (CHO-K1) supplémentées avec des fluorochromes variés ont étés utilisé pour démontrer l'efficacité de ces techniques. Les mesures des vitesses de motilité, aussi bien que les vitesses auxquelles se forment des saillies sur les membranes cellulaires ont été utilisées pour tester le niveau de phototoxicité durant l'imagerie de cellules vivantes. Le mi-temps de la perte d'intensité de fluorescence a été la mesure du taux de photo-blanchissement dans des cellule fixés. Pour la première technique, cette étude démontre que l'utilisation de puissances de lumière faible accouplée avec des longues périodes d'exposition lumineuse réduit les niveaux de phototoxicités et de photo-blanchissements. De plus, cette technique est plus efficace que l'utilisation d'un produit commerciale, ProLong LiveTM, à cet effet. Finalement, cette étude démontre que pulser la lumière incidente réduit ses effets endommageant. Cette amélioration est amplifié lorsque la largeur des pulse est réduites, lorsque le temps entre chaque pulse est augmenté, et lorsque l'amplitude (intensité lumineuse) des pulse est réduite. Le résultat de ce projet a été le développement de plusieurs nouvelles techniques d'imagerie qui non seulement réduit les dommages de la lumière, mais qui sont à la fois simple et applicable sur n'importe quel microscope a fluorescence
Identification of surrogate biomarkers for the replacement histopathological growth pattern in colorectal cancer liver metastasis
No full textIntroduction: Colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer in both males and females in North America. It is the second leading cause of cancer-related deaths due in large part to CRC liver metastasis (CRCLM), with which approximately 50% of patients will be diagnosed during the course of their disease. Three major histopathological growth patterns (HGP) have been identified in CRCLM, and evidence suggests that the tumour's predominant HGP has prognostic implications. Specifically, CRCLMs that present with the replacement growth pattern are resistant to anti-angiogenic therapy, which is frequently used alongside neoadjuvant chemotherapy for the treatment of metastatic CRC. The HGPs in CRCLM may have a promising role as predictive biomarkers of response to angiogenesis inhibitors, where no such marker has yet been validated. However, a CRCLM's growth pattern must be evaluated by a pathologist from resected tumour tissue, implying that preoperative treatment precedes HGP scoring. Therefore, surrogate molecular markers for the CRCLM HGPs that can be assessed prior to surgery would be instrumental in determining whether a patient may benefit from anti-angiogenic treatment. Objectives: It is hypothesized that there are products of differentially expressed genes (DEG) in replacement HGP CRCLMs that may serve as potential diagnostic biomarkers and/or targets for anti-metastatic therapy. The objective of this study is to characterize and compare the global gene expression profiles of chemonaïve CRCLMs presenting with the replacement or desmoplastic HGPs via RNA sequencing (RNA-Seq) and immunohistochemical staining. The secondary aim is to isolate extracellular vesicles (EV) from the plasma of CRCLM patients and verify whether they contain the gene products of select DEGs. Methods: RNA-Seq was performed using the total RNA extracted from liver metastases and adjacent normal liver tissues that had been resected from 18 patients with CRCLM who did not receive preoperative chemotherapy. Immunohistochemical staining of select DEGs identified from the RNA-Seq data, among other protein targets, was then performed on formalin-fixed, paraffin-embedded (FFPE) CRCLM samples. The visualization and analysis of immunohistochemistry results were done using the Aperio ImageScope software program. Lastly, EVs were isolated from patient plasma samples by differential centrifugation and subsequently lysed for protein detection via Western blot. Results: A gene expression signature comprised of genes whose transcription was upregulated in chemonaïve replacement HGP CRCLMs compared to chemonaïve desmoplastic HGP CRCLMs and normal liver tissues was generated. The protein levels of one of these genes, LOXL4, were found to be significantly elevated at the tumour-liver interface and in areas of inflammation in replacement HGP metastases. LOXL4 protein was also detectable in EVs isolated from the plasma of patients with CRCLM or benign liver disease, though the quantities were comparable between the growth patterns. Conclusion: Our study showed that the replacement and desmoplastic HGP CRCLMs have distinguishable gene expression profiles, with several genes related to the extracellular matrix and the immune system being upregulated in replacement HGP metastases. The expression levels of LOXL4 mRNA and protein were significantly elevated in replacement HGP CRCLMs relative to desmoplastic HGP CRCLMs, and LOXL4 protein is also detectable in EVs isolated from patient plasma. Therefore, LOXL4 may potentially serve as a surrogate biomarker for the replacement HGP in CRCLM.Introduction: Le cancer colorectal (CCR) est le troisième cancer le plus fréquent chez les hommes et les femmes en Amérique du Nord. Il s'agit de la deuxième principale cause de décès liés au cancer, en grande partie à cause des métastases hépatiques du CCR (MHCCR), avec lesquelles environ 50% des patients recevront un diagnostic au cours de leur maladie. Trois modèles de croissance histopathologique (HGP) ont été identifiés dans les MHCCR, et les preuves suggèrent que le HGP prédominant de la tumeur pourrait avoir des implications pronostiques. Plus précisément, les MHCCR qui présentent un HGP de remplacement sont résistantes aux inhibiteurs de l'angiogenèse, qui sont souvent administrés en association avec la chimiothérapie néoadjuvante pour le traitement du CCR métastatique. Les HGPs pourraient ainsi jouer un rôle en tant que biomarqueurs prédictifs de la réponse au traitement anti-angiogénique. Cependant, le HGP d'une MHCCR doit être évalué par un pathologiste à partir de tissus tumoraux réséqués, ce qui implique que le traitement préopératoire précède la cotation du HGP. Par conséquent, des marqueurs moléculaires de substitution pour les HGPs qui peuvent être évalués avant l'intervention chirurgicale seraient utiles pour déterminer si un patient peut bénéficier d'un traitement anti-angiogénique. Objectifs: On suppose qu'il existe des produits géniques de gènes différemment exprimés (DEG) dans les MHCCR avec le HGP de remplacement qui peuvent servir de biomarqueurs diagnostics ou de cibles pour le traitement anti-métastatique. L'objectif de cette étude est de caractériser et de comparer les profils d'expression génique des MHCCR présentant le HGP de remplacement ou de desmoplasie via le séquençage de l'ARN (RNA-Seq) et l'immunohistochimie. L'objectif secondaire est d'isoler les vésicules extracellulaires (EV) du plasma des patients atteints de MHCCR et de vérifier si elles contiennent les produits géniques de DEG entre les HGPs. Méthodes: RNA-Seq a été effectué en utilisant l'ARN total extrait des métastases hépatiques et des tissus hépatiques normaux qui avaient été prélevés chez 18 patients atteints de MHCCR qui n'avaient pas reçu de chimiothérapie préopératoire. La coloration histochimique de certains produits géniques identifiés à partir des données du RNA-Seq, entre autres cibles protéiques, a ensuite été effectuée sur des échantillons de MHCCR. La visualisation et l'analyse des résultats de l'immunohistochimie ont été réalisées à l'aide du logiciel Aperio ImageScope. Enfin, les EVs ont été isolées à partir d'échantillons de plasma de patients par centrifugation différentielle, puis lysées pour la détection des protéines par western blot. Résultats: Une signature d'expression génique composée de gènes dont la transcription était régulée à la hausse dans les MHCCR avec le HGP de remplacement par rapport à celles avec le HGP de desmoplasie et aux tissues hépatiques normaux a été générée. Les taux de protéines de l'un de ces gènes, LOXL4, ont été significativement élevés à l'interface tumeur-foie et dans les zones d'inflammation dans les métastases avec le HGP de remplacement. La protéine LOXL4 était également détectable dans les EVs isolées du plasma de patients atteints de MHCCR ou d'une maladie hépatique bénigne, bien que les quantités étaient comparables entre les HGPs. Conclusion: Notre étude a montré que les MHCCR avec les HGPs de remplacement et de desmoplasie ont des profils d'expression génique distincts, avec plusieurs gènes liés à la matrice extracellulaire et le système immunitaire étant régulés à la hausse dans les tumeurs présentant le HGP de remplacement. Les niveaux d'expression de l'ARN et de la protéine LOXL4 étaient significativement élevés dans les MHCCR avec le HGP de remplacement, et la protéine LOXL4 était également détectable dans les EVs isolées du plasma des patients. Par conséquent, LOXL4 peut potentiellement servir de biomarqueur de substitution pour le HGP de remplacement dans les MHCCR
Structure-function mechanisms in the domain l voltage- sensor domain of the voltage-gated sodium channel Nav1.5
No full textVoltage-gated sodium (Nav) channels underlie the upstroke of the action potential, the fundamental signalling unit common to all excitable tissues. Because of the widespread role they play in neuronal communication, it is pertinent to understand how they function at the molecular level. A large diversity exists within the Nav channel family, given that there are nine genetically-encoded isoforms, each having its own pattern of alternative splicing. Despite this enormous heterogeneity, one region of the Nav channel is spliced consistently across most isoforms – the S3-S4 extracellular linker in domain I. Even though this splicing event occurs in a part of the channel thought to be critical for pore opening, its specific structure-function relationships are still unknown. Here, we used Nav1.5 to probe this phenomenon in more detail. In Nav1.5, alternative splicing of the domain I S3-S4 linker alters the profile of channel activation, despite that changes to channel inactivation have been reported for other isoforms. This thesis elaborates on two facets of this topic. In the first chapter, we attempt to characterize the molecular mechanism by which splicing in domain I brings about the altered activation phenotype in Nav1.5. By engineering key amino acids from one splice-variant into the other and vice versa, we identify two important amino acid switches – aspartate-lysine at position 211 and threonine-serine at position 207 – that are responsible for the difference in gating. Combining electrophysiology with molecular dynamics simulations, we speculate that these exchanges exert their effect by altering the interactions between gating charges and counter-charges within the voltage-sensor domain. Moreover, introducing the key residue exchanges of Nav1.5 into Nav1.4, a related channel without splicing in domain I, led to similar shifts in activation, suggesting that this mechanism might be conserved within part of the Nav channel family. In the second chapter, we attempt to uncover the reason for which splicing became targeted to domain I as opposed to other domains. By neutralizing gating charges in domain I to disrupt its normal function, we conclude that the domain I voltage-sensor domain is the major determinant of the voltage-dependence of channel activation. These results also raised important discrepancies with what is known about how the four Nav channel domains contribute asymmetrically. Contradictory to previous reports, we found domains I and IV to play an important role in setting channel activation in Nav1.5, whereas every domain contributed significantly to channel inactivation. Ultimately, this study illustrates both the mechanism by which (Chapter 1) and the context in which (Chapter 2) alternative splicing in domain I modulates Nav1.5. This is important to understand, because of the potential role that this splicing could play in fine-tuning cell excitability.Les canaux sodium dépendants du voltage (Nav) contribuent à la montée du potentiel d'action, l'unité fondamentale de la signalisation de tous les tissus excitables. Compte tenu de leur rôle étendu dans la signalisation neuronale, il est important de comprendre comment ces derniers fonctionnent au niveau moléculaire. Une énorme diversité existe dans la famille des canaux Nav, étant donné qu'il y a neuf isoformes génétiquement codées, chacune ayant une tendance propre pour l'épissage alternatif. Malgré cette énorme hétérogénéité, une région du canal Nav subit systématiquement l'épissage alternatif dans la plupart des isoformes – le lien extracellulaire entre les segments S3 et S4 du 1er domaine. Quoique cet événement d'épissage alternatif se produit dans une partie du canal qui joue un rôle crucial à l'ouverture du pore, ses rapports structure-fonction précis demeurent inconnus. Nous utilisions Nav1.5 pour étudier ce phénomène plus en détail. Quant à Nav1.5, l'épissage alternatif du lien S3-S4 du 1er domaine modifie le profil d'activation du canal, bien que d'autres effets aient été rapportés pour d'autres isoformes. Dorénavant, cette thèse élabore sur deux facettes de ce sujet. Dans le premier chapitre, nous tentons de caractériser le mécanisme moléculaire par lequel l'épissage alternatif du 1er domaine influence l'activation de Nav1.5. Par l'introduction d'un acide aminé clé d'un variant d'épissage dans un l'autre, et vice versa, nous identifions que deux échanges d'acide aminé – aspartate-lysine à la position 211 et thréonine-sérine à la position 207 – sont responsables pour la différence de déclenchement du canal. Par l'électrophysiologie et les simulations de la dynamique moléculaire, nous spéculons que ces échanges transforment les interactions entre les charges de déclenchement et les contre-charges du domaine sensible à la tension. De plus, l'introduction des résidus clés de Nav1.5 dans Nav1.4, un canal similaire qui manque l'épissage alternatif au 1er domaine, a induit des changements du profil d'activation comparables, suggérant que ce mécanisme pourrait être conservé à travers plusieurs membres de la famille des canaux Nav. Dans le deuxième chapitre, nous essayons de dévoiler la raison pour laquelle le 1er domaine, et non les autres domaines, est devenu cible de l'épissage alternatif. Par la neutralisation des charges de déclenchement du 1er domaine dans le but de perturber sa fonction normale, nous concluons que le domaine sensible à la tension du 1er domaine détermine la dépendance à la tension de l'activation du canal. Ces résultats ont également souligné des incohérences quant à notre compréhension de l'asymétrie des rôles des quatre domaines du canal Nav. En contradiction des rapports précédents, nous avons trouvé que les 1er et 4e domaines servent un rôle majeur dans l'activation du Nav1.5, tandis que tous les quatre domaines contribuent d'une manière significative dans le processus d'inactivation. En somme, cette étude illustre le mécanisme par lequel (Chapitre 1) et le contexte dans lequel (Chapitre 2) l'épissage alternatif du 1er domaine module le Nav1.5. Il est important de comprendre ces derniers, considérant le rôle potentiel que cette modification post-traductionnelle peut servir au réglage de l'excitabilité cellulaire