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Investigating «Leishmania donovani» PEX14 interactions with glycosomal membrane mimicking liposomes
No full textGlycosomes are unique organelles that compartmentalize several vital metabolic pathways in kinetoplastid parasites, including Leishmania spp. Protein transport across the glycosomal membrane occurs with the help of receptor proteins called peroxins (PEX). Cargo proteins bearing a PTS1 (Peroxisome Targeting Signal) and PTS2 motif can bind to the cytosolic PEX5 and PEX7 receptors, and subsequently dock to PEX14 which is anchored to the glycosomal membrane. The binding of cargo-loaded receptors to PEX14 is considered to be a pivotal step in glycosomal function and parasite survival. Leishmania donovani PEX14 (LdPEX14) is a peripheral membrane protein with a hydrophobic region, spanning residues 149-179, thought to mediate anchoring and insertion into the glycosomal membrane. Sucrose density flotation centrifugation and dye leakage assays have previously demonstrated that a hydrophobic region spanning residues 120-200 was able to bind glycosome mimetic membranes.To further examine the interaction of LdPEX14 with glycosomal mimicking membranes, various tryptophan and cysteine mutants were generated for the hydrophobic region spanning 149-179. Dual fluorescence quenching analysis (DQA) carried out with the ldpex14 mutants in the presence of quenching agents revealed that the hydrophobic domain in ldpex14 (120-200) has a deeper penetration into the membrane bilayer, in comparison to the shallow penetration observed with for full length LdPEX14. Dye leakage assays revealed that the fragment ldpex14 (120-200) formed pore structures in membrane. Experiments combining different techniques such as Forster Resonance Energy Transfer (FRET), tryptic peptide analysis, and biotinylated peptides revealed that the N- and C-termini of the inserted hydrophobic region were exposed to the extra luminal space of liposomes. The hydrophobic domain also had potential to oligomerize and form α-helicalstructures in the presence of unilamellar vesicles. Our studies suggest that the LdPEX14 hydrophobic region has a propensity to form an amphipathic helix within the lipid bilayer to mediate anchoring and insertion into the glycosomal membrane. ldpex5 (203-391), a region of LdPEX5 that can bind to LdPEX14, was able to induce conformational changes in LdPEX14, triggering its hydrophobic region to migrate deeper into the lipid bilayer. An in-silico model was constructed revealing the topology of the hydrophobic domain inserted into the membrane.Previous experiments suggested that the dynamic rearrangement of the hydrophobic domain of LdPEX14 could result in membrane perturbation and formation of a structural pore. In the absence of LdPEX14-interacting partners such as LdPEX13, LdPEX5, LdPEX7, and RING finger proteins, we utilized altering pH as a surrogate method to induce conformational changes in LdPEX14. We found that LdPEX14 was able to induce membrane pore formation in low pH conditions. Rearrangement of hydrophobic domains was confirmed by experiments utilizing the fluorescence of intrinsic tryptophan located in the hydrophobic domain and an extrinsic probe 1-anilino-8 naphthalene sulfonate (ANS). SEC-HPLC and CD analysis confirmed that the low pH used did not alter the quaternary or the secondary structure of LdPEX14.To better understand the functions of PEX14 in L. donovani we decided to knock out the gene encoding LdPEX14 using the CRISPR/Cas9 genome editing tool. Our aim was to develop a regulatable system for expression of Cas9 in L. donovani by fusing the N- and C-termini of Cas9 to the ddFKBP domain (destabilizing domain of FKBP12). The N-terminus ddFKBP fusion provides conditional Cas9 destabilization in L. donovani promastigotes, and an increased level of protein expression was detected in the presence of the rapamycinligand. This technology was used to knock out LdPEX14 and LdXPRT genes in L. donovani and can be exploited to characterize other genes in Leishmania.Le glycosome est une organelle unique qui compartimente plusieurs voies métaboliques chez les parasites kinétoplastides comme Leishmania. Le transport des protéines à travers la membrane glycosomale se fait à l'aide de protéines réceptrices nommées peroxines (PEX). Les protéines de cargaisons qui ont un PTS1 (Peroxisome Targeting Signal) peuvent lier avec le récepteur PEX5, et les protéines ayant un signal PTS2 lient avec le récepteur PEX7, pour afin ammarer chez PEX14. La liaison des récepteurs de cargaison avec PEX14 attaché sur la membrane glycosomale est considérée une étape pivotale pour la function du glycosome et la survie du parasite. LdPEX14 est une protéine polytopique comprenant une région hydrophobique entre les acides aminés 149-179 qui est suspect de médier l'ancrage et l'insertion de cette protéine dans la membranes glycosomale. La centrifugation en gradient de densité avec le saccharose, ainsi que des essais de fuite de colorants traceurs, ont démontré que la région hydrophobique comprenant les résidues 120-200 peut lier avec les membranes mimétiques du glycosome. Pour mieux examiner l'intéraction de PEX14 avec les membranes imitant celles du glycosome, divers mutations chez les tryptophanes et les cystéines ont été introduits dans la région hydrophpbique couvrant les résidues 149-179. L'analyse de l'éxtinction d'une double fluorescence (DQA) a été faite avec les mutants avec la présence d'agents d'étanchement; ceci a révélé que le domaine hydrophobique de ldpex14 (120-200) a une pénétration plus prononcée comparée au WT LdPEX14. Les essais de fuites de colorants traceurs encapsulés avec de la carboxyfluoresceine ont révélé que le morceau de ldpex14 (120-200) peut former des pores dans la membrane. La combinaison des techniques comme le transfert d'énergie de fluorescence par resonance (Fluorescence Resonance Energy Transfer -FRET), l'analyse par digestion tryptyque, et l'utilisation des peptides marqués avec la biotine a révélé que les extrémités N- et C-terminale de la région hydrophobique insérée sont exposés au niveau luminal des liposomes. Dans la presence de vésicules unilamellaires, ce domaine hydrophobique possède aussi le potentiel de former des oligomères de protéines, ainsi que des structures hélices alpha. Nos études suggèrent que la region hydrophobique de PEX14 a la capacité de former une hélice amphipathique dans la bicouche lipidique membranaire pour médier l'ancrage et l'insértion dans la membrane glycosomale. ldpex5 (203-391), une région qui peut lier avec LdPEX14, a causé un changement conformationnel dans LdPEX14, et a déclanché un movement de la region hydrophobique vers la bicouche lipidique membranaire. Un modèle topologique a été construit, révélant la topologie du domaine hydrophobique inséré dans la membrane. Des expériences faites auparavant ont suggéré que la réorganisation dynamique du domaine hydrophobique de LdPEX14 peut résulter en une perturbation membranaire et la formation d'un pore. Dans l'absence de partenaires qui interagissent avec LdPEX14, comme par example LdPEX13, LdPEX5, LdPEX7 et les protéines domaine un domaine RING (Really Interesting New Gene)-finger, le changements de pH a été utilisé comme méthode de substitution pour emmener des changement conformationelles chez LdPEX14. Par un changement de pH (plus bas), nous avons trouvé que LdPEX14 fut capable d'introduir une pore dans la membrane. Le réarrangement du pH du domaine hydrophobique fut confirmé avec des expériences utilisant la fluorescence du tryptophane dans ce domaine, ainsi que la sonde 1-anilino-8naphthalene sulfonate (ANS). Des analyses SEC-HPLC et CD ont confirmé que le pH abaissé n'a pas eut d'effet sur les structures secondaires ou quternaires de LdPEX14. Afin de mieux comprendre les fonctions de PEX14 chez L. donovani, nous avons décidé de supprimer le gène LdPEX14 en utilisant le système CRISPR/cas9
Healthcare-associated bloodstream infections (HABSI) in Quebec after the establishment of BACTOT, a hospital-wide provincial HABSI surveillance program
No full textBackground. We described the secular trends of HABSI incidence rates (IRs) in Quebec between April 1st, 2007 and March 31st, 2017 in eligible hospitals that have participated in BACTOT since its inception. We then evaluated the HABSI trend over surveillance year in eligible hospitals that have participated in BACTOT for at least 3 years without interruption, regardless of their date of entry. Methods. HABSI IRs over calendar time were analysed by fitting Poisson regression models using Generalized Estimating Equations and were stratified by infection source. For analysis over surveillance time, we used a Bayesian framework to fit multilevel Poisson regression to HABSI and its most common subtypes to decompose their mean rates into a surveillance year effect, periodic effect, and hospital effect. Cohort-level risk of surveillance years 2 to 10 relative to year 1 were calculated. A subgroup analysis was performed by fitting the same Bayesian models to hospitals that participated for less than 10 years to exclude hospitals that may have been conducting surveillance prior to participation. Results. In calendar years, HABSI rates did not exhibit statistically significant changes from year to year. Non-catheter-associated-primary BSIs were the only HABSI type that exhibited a sustained change across the 10 years, increasing from 0.69/10,000 patient-days (95% CI: 0.59-0.80) in 2007-08 to 1.42/10,000 patient-days (95% CI: 1.27-1.58) in 2016-17. For HABSI, CA-BSI, and BSI-UTI, there was no difference between the estimated risks of surveillance years 2 to 10 compared to surveillance year 1. As for NCA-BSI, the risk of the 10th year of surveillance was 29% (95% CI: 1-89%) higher than the risk in the first year. In the subgroup analysis, no differences in risks were detected between the years for HABSI and all analysed subtypes. Conclusion. Despite ongoing surveillance, HABSI rates have not decreased over either calendar time or over surveillance time. While surveillance may continue for data collection and documentation purposes, for improvements in rates, targeted interventions must be employed and evaluated.Contexte. Nous avons décrit les tendances séculaires des taux d'incidence des bactériémies au Québec entre le 1er avril 2007 et le 31 mars 2017 dans les hôpitaux éligibles ayant participé à BACTOT depuis ses débuts. Ensuite, nous avons évalué la tendance des bactériémies au cours des années de surveillance dans les hôpitaux éligibles qui ont participé sans interruption à BACTOT pendant au moins 3 ans, quelle que soit leur date d'entrée. Méthodes. Les taux d'incidence séculaires des bactériémies ont été analysés à l'aide de modèles de régression de Poisson (utilisant des équations d'estimation généralisées), et ont été stratifiés par source d'infection. Pour l'analyse en fonction du temps de surveillance, nous avons utilisé un cadre Bayésien pour adapter la régression de Poisson multi-niveaux aux bactériémies globales et ses sous-types les plus communs en décomposant les taux moyens en un effet de l'année de surveillance, un effet périodique et un effet hospitalier. Le risque de cohorte des années de surveillance 2 à 10 par rapport à l'année 1 a été calculé. Une analyse de sous-groupe a été réalisée en adaptant les mêmes modèles bayésiens aux hôpitaux qui participaient depuis moins de 10 ans afin d'exclure les hôpitaux qui auraient pu avoir débuté une surveillance avant l'entrée dans BACTOT. Résultats. Les taux annuels de bactériémies n'ont pas présenté de changements statistiquement significatifs au cours du temps (années de calendrier). Les bactériémies primaires non associées à un cathéter étaient le seul type de bactériémies à avoir subi un changement soutenu au cours des 10 années, passant de 0,69 / 10 000 jours- présence (IC à 95%: 0,59-0,80) en 2007-2008 à 1,42 / 10 000 jours- présence (IC à 95%: 1,27-1,58) en 2016-2017. Pour les bactériémies globales, les bactériémies sur cathéter et les bactériémies secondaires à une infection urinaire, il n'y avait pas de différence entre les risques estimés des années de surveillance 2 à 10 par rapport à la 1re année de surveillance. Quant aux bactériémies primaires non associées au cathéter, le risque de la 10e année de surveillance était de 29% (IC 95%: 1-89%) plus haut que la risque de la première année. Dans l'analyse de sous-groupe, aucune différence dans les risques n'a été détectée au cours des années pour les bactériémies globales et tous les sous-types analysés. Conclusion. Malgré la surveillance continue, les taux d'HABSI n'ont pas diminué, que ce soit selon les années calendrier ou de surveillance. Alors que la surveillance peut se poursuivre à des fins de collecte de données et de documentation, pour une baisse des taux, des interventions ciblées devront être implémentées et évaluées
Nonlinear thermoelastic damping in Euler-Bernoulli beams
No full textBending-mode vibrations of Euler-Bernoulli beams create oscillating strain gradients which form across the neutral axis of the structure. Due to the thermoelastic coupling between the strain and temperature fields within an elastic material, these strain gradients engender oscillating temperature gradients. In turn, the temperature gradients lead to irreversible heat conduction and entropy generation. This mode of dissipation is referred to as thermoelastic damping.To model thermoelastic damping, the governing heat equation must first be solved. For a thermoelastic solid, this takes the form of a nonlinear, partial differential equation. While linearized thermoelastic damping models are readily available in literature, developing models to accurately solve the heat equation in its full nonlinear form remains an ongoing research effort.This thesis presents a framework to study nonlinear thermoelastic damping. A new analytical model for linear thermoelastic damping was derived, along with a nonlinear solver which follows a similar conceptual structure numerically. The nonlinear solver accounts for an intrinsic type of nonlinearity referred to as 'dissipative nonlinearity'. These linear and nonlinear models were compared to one another to study the behaviour of the nonlinear response. To this end, the frequency dependence of thermoelastic damping was examined by calculating the peak value for the dissipation in both the linear and nonlinear cases. Across 16 common engineering materials, this peak occurred consistently at a normalized frequency of approximately 10, which is the operating frequency normalized by the thermal relaxation time of the beam. Furthermore, a parametric analysis of the nonlinear heat equation revealed a dimensionless number, referred to as the 'nonlinearity coefficient', related to the strength of the dissipative nonlinearity. Results showing how the dissipative nonlinearity evolves as a function of both the nonlinearity coefficient and the material properties are presented. For the cases considered here, the maximum difference between the linear and nonlinear models did not exceed 0.2%. These new modelling tools are among the first to address the impact of the dissipative nonlinearity on thermoelastic damping modelling.Les faisceaux Euler-Bernoulli vibrant avec une courbure uniforme sont sujets à une dilatation de leur matériel. En conséquence, cette dilatation cause des gradients de déformation à apparaitre à travers l'axe neutre. Le couplage thermoélastique transforme ces gradients de déformation en gradients de température qui provoque la conduction thermique irréversible, suivi par la génération d'entropie. Ce type de dissipation est nommé l'amortissement thermoélastique.L'étude de l'amortissement thermoélastique exige une solution à l'équation de conduction thermique. Pour les matières thermoélastiques, cela prend la forme d'une équation différentielle partielle non-linéaire. Les modèles linéaires sont déjà bien établis dans la littérature, pourtant les modèles non-linéaires nécessitent encore des recherches plus approfondies.Cette thèse présente un cadre d'analyses pour calculer l'amortissement thermoélastique non-linéaire. Un nouveau modèle linéaire d'amortissement thermoélastique a été établi, ainsi qu'une résolution numérique non-linéaire qui suit une procédure de solution similaire. La résolution numérique tient compte d'une source de non-linéarité intrinsèque qui s'appelle la « non-linéarité dissipative ». En faisant la comparaison entre ces deux modèles, c'est possible d'évaluer le comportement de la réponse non-linéaire. A cet égard, la relation entre l'amortissement thermoélastique et la fréquence des oscillations a été évaluée en calculant la valeur maximale de la dissipation à la fois des modèles linéaires et non-linéaires. Pour 16 matériaux communs en génie, cette crête se produit à une fréquence normalisée d'environ 10 qui indique la fréquence des oscillations normalisée par le temps de relaxation thermique du faisceau. De plus, une analyse paramétrique de l'équation de conduction thermique non-linéaire avait révélé un paramètre, nommé le « coefficient de non-linéarité », qui contrôle la puissance de la non-linéarité dissipative. Des résultats sont présentés qui démontre la dépendance de la non-linéarité dissipative sur le coefficient de non-linéarité, ainsi que les propriétés matérielles. Selon les cas traités dans cette étude, la différence entre les modèles linéaires et non-linéaires d'amortissement thermoélastique ne dépassait pas 0.2%. Ces nouvelles techniques de modélisation sont parmi les premiers qui adressent la non-linéarité dissipative
Fabrication and testing of flexible hybrid printed electronics
No full textThis thesis will provide a complete workflow for creating flexible printed circuit boards (FPCB) using a Voltera V-One system to deposit conductive ink onto kapton polyimide substrates. Beginning at the schematic level, circuits are designed, simulated, laid out, printed and assembled. The design process is fully digital, thus allowing for verification and error checking at every stage preceding fabrication. In order to contrast the performance of FPCBs and conventional printed circuit boards (PCB), the circuits designed are implemented using printed electronics (PE) and conventional printed circuitboards for use as a baseline. The performance of both implementations is then tested and compared in order to investigate any possible differences. The tests performed on both FPCBs and conventional PCBs include measuring frequency response, total harmonic distortion (THD), and signal-to-noise ratio (SNR). Based on the gathered data, frequency response and THD are equivalent between the two implementations, but SNR is decreased in PE due to the increased resistivity of traces. Additional tests show increased resistivity of bent printed traces. A method for reliably creating vias is also presented. Additionally, a test interface is presented, which allows the testing of printed circuits without requiring additional modifications, such as additional connections or soldered wires. The modular placement of test probes allows the interface to be used with a wide variety of circuits, without additional cost. Finally, the use of resistive inks for other thermal and sensing applications is explored. A resistive network is shown to generate heat, suggesting the possibility of printing heating elements, while the effect of temperature on resistivity is explored for possible use of resistive inks in temperature sensing applications.Cette thèse présente un flux de travail complet qui permet de créer des circuits imprimés flexibles (FPCB) utilisant un système V-One de Voltera pour déposer des traces d'encre conductrice sur des substrats de polyimide de kapton. A partir du niveau schéma, les circuits sont conçus, simulés, déposés, imprimés et assemblés. Le processus est entièrement numérique, ce qui permet la vérification des circuits et la détection d'erreurs à chaque étape précédant la fabrication. Afin de comparer la performance des FPCB et des circuits imprimés conventionnels (PCB), les circuits conçus sont fabriqués avec des techniques d'électronique imprimée (PE) et des techniques conventionnelles. La performance des deux implémentations est ensuite testée et comparée afin d'étudier les différences. Les tests effectués sur les FPCB et les PCB conventionnels incluent la mesure de la réponse en fréquence, la distorsion harmonique totale (THD) et le rapport signal sur bruit (SNR). Sur la base des données recueillies, la réponse en fréquence et la distorsion harmonique totale sont équivalentes entre les deux implémentations, mais le rapport signal sur bruit est diminué dans les FPCBs en raison de la résistivité accrue des traces. Des tests supplémentaires montrent une résistivité accrue des traces imprimées lorsqu'un circuit est mis sous tension. Une méthode de création de vias estaussi présentée. En outre, une interface de test est présentée, qui permet de tester les circuits imprimés sans besoin de modifications additionnelles, telles que des connexions supplémentaires ou des fils soudés. Le placement modulaire des sondes de test permet d'utiliser l'interface avec une grande variété de circuits, sans coûts supplémentaires. Enfin, l'utilisation d'encres résistives pour des applications thermiques et de capteurs est explorée. Un réseau résistif capable de générer de la chaleur est implémenté, suggérant la possibilité d'imprimer des éléments de chauffage, tandis que l'effet de la température sur la résistivité est étudié afin d´évaluer la possibilité de créer des capteurs de température
Neural signatures of predictive coding in natural speech listening
No full textSpeech processing in the brain has been described extensively as a hierarchical sequence of steps from low- to high-level cortical regions: starting with acoustic analysis of speech, the categorization of speech sounds into phonemes, the detection of words and finally the extraction of meaning from sentences. In contrast to this feed-forward view of sensory processing, predictive coding theory asserts that high-level regions in the brain actively generate predictions about sensory inputs based on the context. These are propagated to low-level sensory regions, whose role is to detect and relay errors between predicted and observed sensory input. In this thesis, I describe an investigation that provides evidence for the predictive coding view of speech processing. I use experiments that involve human participants listening to natural, continuous speech while I record time-resolved neural activity using magnetoencephalography (MEG). Across two studies, I show that neural responses to natural speech are organized at two distinct time-scales, namely fast theta band activity (3-8 Hz) in low-level regions and slow delta band activity (<3 Hz) in high-level and (to a lesser extent) in low-level regions. Importantly, I show that activity at both time scales is modulated by contextual predictions. When speech is manipulated to be less predictable, slow neural responses in low- and high-level regions are enhanced, consistent with an increase in error-related activity (manuscript 2). I show further (manuscript 3), that higher uncertainty with respect to an upcoming phoneme leads to increased theta band responses in low-level regions, suggesting a prospective modulation of sensory gain. Delta band responses, in contrast, are enhanced for informative phonemes, consistent with predictive coding and the inhibition of responses to predicted (uninformative) inputs. The results of this investigation were enabled by two critical methodological developments: firstly, I proposed a new approach for the detection of distinct anatomical sources from MEG data (manuscript 1), which was instrumental in the regional and frequency-specific separation of speech-related neural activity. Secondly, I proposed a neural network architecture that models predictions generated during speech listening about upcoming speech sounds and words (manuscript 3), and enabled the functional separation of uncertainty-related from error-related neural activity. Consequently, this thesis introduces a new approach of studying neural speech processing, in a way that is highly engaging for participants, while being theoretically guided by predictive coding and performing functional characterization based on a computational model.Le traitement de la parole dans le cerveau a été décrit comme une séquence hiérarchique d'étapes allant de régions corticales de bas niveau aux régions corticales de haut niveau. Commençant par l'analyse acoustique de la parole, ceci est alors suivi par la catégorisation des sons de la parole en phonèmes, puis la détection des mots et enfin l'extraction du sens des phrases. Contrairement à cette vision ascendante du traitement sensoriel, la théorie du codage prédictif affirme que les régions de haut niveau du cerveau génèrent activement des prédictions sur les données sensorielles en fonction du contexte. Celles-ci sont propagées dans les régions sensorielles de bas niveau, dont le rôle est de détecter puis de relayer les erreurs résiduelles existant entre les données sensorielles prédites et observées. Dans cette thèse, je décris une enquête qui soutient le point de vue de l'existence d'un codage prédictif du traitement de la parole. Je conduis une série d'expériences avec des participants humains qui écoutent des extraits de parole naturelle et continuelle pendant que j'enregistre l'activité neuronale en temps réelle en utilisant la magnétoencéphalographie (MEG). Par l'entremise de deux études, je démontre que les réponses neuronales à la parole naturelle sont organisées en deux échelles de temps distinctes: l'activité rapide de la bande thêta (3-8 Hz) dans les régions de bas niveau et l'activité lente de la bande delta (<3 Hz) dans les régions de haut niveau ainsi que, dans une moindre mesure, dans les régions de bas niveau. Je démontre également que l'activité dans ces deux échelles de temps est modulée par des prédictions contextuelles. Lorsque la parole est manipulée de façon à être moins prévisible, les réponses neuronales lentes dans les régions de bas et de haut niveau sont augmentées, ce qui correspond à une augmentation de l'activité liée aux erreurs (manuscrit 2). De plus, je démontre (manuscrit 3) qu'une plus grande incertitude par rapport à un phonème à venir conduit à une augmentation des réponses de la bande thêta dans les régions de bas niveau, ce qui suggère une modulation prospective du gain sensoriel. Les réponses en bande delta, en contraste, sont augmentées pour les phonèmes informatives ou inattendues, conformément au codage prédictif et à l'inhibition des réponses aux stimulus prédits. Les résultats de cette enquête ont été rendus possibles grâce à deux importants développements méthodologiques. Premièrement, j'ai proposé une nouvelle approche pour la détection de sources anatomiques distinctes à partir des données du MEG (manuscrit 1), ce qui a joué un rôle déterminant dans la séparation régionale et spectrale de l'activité neuronale liée à la parole. Deuxièmement, j'ai proposé une architecture de réseau neuronal qui modélise les prédictions générées pendant l'écoute de la parole sur les phonèmes et les mots à venir (manuscrit 3). Ceci a permis la séparation fonctionnelle de l'activité neuronale liée à l'incertitude de l'activité neuronale liée à l'erreur. Par conséquent, cette thèse introduit une nouvelle approche pour l'étude du traitement neuronal de la parole, d'une manière très engageante pour les participants, tout en étant théoriquement guidée par le codage prédictif et en effectuant une caractérisation fonctionnelle basée sur un modèle computationnel
The relationships and interactions between HFOs and other EEG patterns in epileptic patients
No full textMany patients with drug-resistant epilepsy are considered as candidates for surgery in order to remove the tissue capable of generating epileptic seizures. Precise localization of this tissue is critical for a good surgery outcome. Different non-invasive and invasive tests are involved to localize the resection zone. High Frequency Oscillations (HFOs; 80-500Hz) are spontaneous short-duration small-amplitude EEG patterns which are mainly detectable in intracranial recordings. Recent findings have provided strong evidence for an association between these high frequency activities and epileptogenesis. For instance they are emerging as biomarkers of the epileptogenic area, andthus could help in localizing the brain tissue which should be resected. There are some data showing that EEG rhythms influence the occurrence of HFOs but many aspects of the interaction between HFOs and these rhythms are unknown. The main objective of this thesis is to study the interactions and relationships of HFOs with other EEG patterns with the goal of improving the systematic study and characterization of HFOs, and moving towards their clinical application as a biomarker of epileptogenic tissue. One of the first challenging issues in studying HFOs is the occurrence of false oscillations generated by filtering of broadband activities (epileptic spikes, sharp waves and artifacts). The first part of this PhD thesis is dedicated to analysing HFOs co-occurring with spikes, and we propose a method based on raw signal processing to extract temporal features that distinguish real HFOs from false oscillations. In addition to the HFO-spike relation, we further analyze how HFOs interact with other frequency bands in the next study. We show that the phase of low frequency rhythms modulates the amplitude of HFOs and this modulation is much stronger in epileptic regions compared to normal regions. We also observe tighter coupling in deep sleep compared to other sleep stages. Finally, in the last part of this thesis we study the coupling of high and low frequency activities in detail in a specific group of patients. We analyse the two most common types of seizure-onset patterns in patients with mesiotemporal lobe epilepsy. We demonstrate that the phase of slow oscillations at which HFOs tend to occur can predict different patterns of seizure onset. In short, we show that analysing interactions of HFOs and other EEG patterns can enhance the role of HFOs as a biomarker for different types of epileptic mechanisms. By further investigating the relationship of HFOs and low-frequency activity in different regions of the brain, in different types of epilepsy and in different intervals we expect to improve the clinical applications of HFOs in presurgical evaluations and in postsurgical outcome prediction.De nombreux patients atteints d'épilepsie pharmacorésistante sont considérés comme candidats à la chirurgie afin d'enlever le tissu capable de générer des crises d'épilepsie. La localisation précise de ce tissu est critique pour un bon résultat de chirurgie. Différentes analyses non invasives et invasives sont impliquées pour localiser la zone de résection. Les oscillations à haute fréquence (OHF, 80-500Hz) sont des rythmes EEG spontanés, de courte durée et d'amplitude faible, qui sont principalement détectables dans les enregistrements intracrâniens. Des découvertes récentes ont fourni des preuves solides pour une association entre ces activités à haute fréquence et l'épileptogenèse. Par exemple, ils émergent en tant que biomarqueurs de la zone épileptogène, et pourraient ainsi aider à localiser le tissu cérébral qui devrait être réséqué. Certaines données montrent que les rythmes EEG influencent l'apparition des OHF, mais de nombreux aspects de l'interaction entre les OHF et ces rythmes sont inconnus. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier les interactions et les relations des OHF avec d'autres rythmes EEG dans le but d'améliorer l'étude systématique et la caractérisation des OHF et de les utiliser comme biomarqueur de tissu épileptogène. L'un des premiers défis de l'étude des OHF est l'apparition de fausses oscillations générées par le filtrage des activités à large bande (pointes épileptiques, ondes aiguës et artefacts). La première partie de cette thèse est consacrée à l'analyse des OHF co-occurrents avec des pointes. Nous proposons une méthode basée sur le traitement des signaux bruts pour extraire les caractéristiques temporelles qui distinguent les OHF réels des fausses oscillations. En plus de la relation entre pointes et OHF, dans la prochaine étude, nous analysons comment les OHF interagissent avec d'autres bandes de fréquence. Nous montrons que la phase des rythmes basse fréquence module l'amplitude des OHF et que cette modulation est beaucoup plus forte dans les régions épileptiques que dans les régions normales. Nous observons également un couplage plus serré dans le sommeil profond par rapport aux autres stades de sommeil. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous étudions en détail le couplage des activités haute et basse fréquence dans un groupe spécifique de patients. Nous analysons les deux modèles les plus fréquentes d'apparition de crises chez les patients atteints d'épilepsie de la région mésiotemporale. Nous démontrons que la phase desoscillations lentes auxquelles les OHF ont tendance à se produire peut prédire différents types d'apparition de crises. En bref, nous montrons que l'analyse des interactions des OHF et d'autres rythmes EEG peut améliorer le rôle des OHF en tant que biomarqueur de différents types de mécanismes épileptiques.En étudiant la relation entre les OHF et l'activité à basse fréquence dans différentes régions du cerveau, dans différents types d'épilepsie et à différents intervalles, nous espérons améliorer les applications cliniques des OHF dans les évaluations préchirurgicales et dans la prédiction des résultats postchirurgicaux
P-TEFb-dependent pathways in cancer
No full textTranscriptional regulators that play crucial roles in cancer progression have gained prominence as anticancer drug targets. Inhibitors of positive transcription elongation factor b (P TEFb), a factor essential for promoter proximal pause release, have proven effective against a number of cancer types, including mixed lineage leukemia driven by translocations of the histone methyltransferase MLL. These translocations result in chimeric proteins that have been implicated in P-TEFb recruitment to target cancer-driving genes. P-TEFb is a kinase with multiple targets, including RNA polymerase II as well as two factors associated with the paused polymerase, negative elongation factor (NELF) and DRB sensitivity-inducing factor (DSIF). To determine the functional significance of P-TEFb-dependent pathways and elucidate the mechanisms underlying sensitivity to P-TEFb inhibitors in MLL-rearrangement associated leukemias, I characterized the responses to transcriptional inhibitor treatment of two cancer cell lines, THP-1, which has a MLL-rearrangement, and K562, which has unaltered MLL. I found that THP-1 exhibits reduced viability and greater loss of P-TEFb activity upon inhibition of P TEFb. While consistent with the idea that MLL-rearrangement associated leukemias have increased dependency on P-TEFb, this work also raises the possibility that MLL-fusion proteins might globally impair P TEFb, contrary to current models. I also took steps towards creating cell lines with phosphoacceptor site mutations in the P-TEFb target Spt5 using CRISPR/Cas9. My efforts revealed that double-stranded repair templates, which are commonly used in CRISPR/Cas9-mediated gene replacement, are non-specifically inserted into the genome at a high frequency. Overall, this work advances our understanding of the importance of P TEFb dependent pathways in cancer biology.Les régulateurs de la transcription jouent un rôle crucial dans la progression du cancer et sont, par conséquent, devenus des cibles de médicaments anticancéreux intéressantes. Les inhibiteurs du facteur positif d'élongation de la transcription (P-TEFb), un facteur essentiel pour la sortie de la pause proximale au promoteur, se sont révélés efficaces contre plusieurs types de cancers, incluant la leucémie aiguë de phénotype mixte entraînée par des translocations de la méthyltransférase MLL. Ces translocations forment des protéines chimériques qui sont impliquées dans le recrutement de P-TEFb aux gènes affectant ce cancer. P-TEFb est une kinase avec plusieurs cibles, incluant l'ARN polymérase II et deux facteurs associés à la polymérase en pause, soit le facteur négatif d'élongation (NELF) et le facteur inductible à la sensibilité au DRB (DSIF). Pour déterminer l'importance fonctionnelle des mécanismes régulés par P-TEFb et élucider les mécanismes sous-jacents à la sensibilité aux inhibiteurs de P-TEFb dans les leucémies avec réarrangement de MLL, j'ai caractérisé les réponses aux inhibiteurs transcriptionnels de deux lignées cellulaires cancéreuses, soit THP-1, qui possède un réarrangement de MLL, et K562, qui ne possède pas de réarrangement. J'ai découvert que THP 1 présente une viabilité réduite et une perte plus importante de l'activité de P-TEFb lors de traitement avec les inhibiteurs de P-TEFb. Bien qu'ils conforment à l'idée que les leucémies avec réarrangement de MLL dépendent davantage sur le P-TEFb, mes résultats soulèvent également la possibilité que les protéines de fusion MLL pourraient globalement altérer P-TEFb, contrairement aux modèles actuels. J'ai aussi tenté de créer des lignées cellulaires avec des mutations aux sites phosphoaccepteurs de Spt5, une cible de P-TEFb, en utilisant la technique CRISPR/Cas9. Mes efforts ont révélé que les molécules d'ADN à double brin, qui sont couramment utilisés comme modèles de réparation lors de l'essai CRISPR/Cas9, sont insérés dans le génome de manière non-spécifique à une fréquence élevée. Pris ensemble, mes résultats améliorent notre compréhension de l'importance des mécanismes régulés par P-TEFb dans la biologie du cancer
Development of dynamic «in vivo» carbon-13 magnetic resonance spectroscopy for rat brain imaging at 7-Tesla
No full textThe overarching objective of this thesis is to develop novel methods for dynamic in vivo carbon-13 (13C) Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) for rodent brain imaging. Dynamic 13C MRS is a powerful technique that provides non-invasive means to quantify neurotransmitter cycling rates and cell-specific neuroenergetics in the brain, following the infusion of a 13C labeled substrate. Proton observed carbon edited (POCE) MRS is a popularly used indirect 13C MRS technique, typically implemented with a surface coil transceiver on the proton channel to benefit from surface coil sensitivity gains. POCE MRS implementations for a surface coil transceiver benefit from the use of relatively long and power intensive adiabatic radiofrequency (RF) pulses to minimize nutation angle errors, signal losses, and artifacts due to the spatially varying magnetic field (B1+). The first goal of this work was thus to develop an RF coil platform with homogeneous B1+, in addition to providing receive sensitivity gains of a surface coil. This was achieved by combining a proton volumetric resonator, and detunable surface coil for proton signal reception, in addition to a surface coil on the 13C channel. A point resolved spectroscopy (PRESS) localized POCE MRS sequence with a 12.6-ms echo time (TE) was implemented with short conventional pulses, enabling uniform nutation, two-shot edited POCE MRS, combined with a short TE; a feat that cannot be achieved with all-surface coil based approaches described in the literature.An extension to the above goal was to improve the PRESS-POCE sequence by reducing the sequence TE and minimize T2 and homonuclear J-evolution related losses. To that end, a novel PRESS localized POCE sequence that utilizes simultaneous editing and localization pulses (SEAL-PRESS) allowing the TE to be reduced to a theoretically optimal value of 8.1-ms was implemented. The SEAL-PRESS sequence was validated in phantom and in an in vivo rat preparation. Carbon editing efficiency of the SEAL-PRESS sequence was >95%, and provided a >17% improvement of 13C labeled metabolites relative to the previously described PRESS-POCE sequence. The final goal of this thesis was to investigate the feasibility of sequentially acquiring indirect and direct 13C MRS during a dynamic in vivo 13C MRS session, to harvest the benefits of indirect and direct 13C methods, with the ultimate goal of improving metabolic modeling. Modifications to the RF chain were necessary to extend the developed coil platform to be capable of both direct and indirect 13C MRS. A PRESS-localized semi-adiabatic distortionless enhancement by polarization transfer (DEPT) sequence was designed and evaluated in phantom, and the SEAL-PRESS sequence was used for indirect 13C MRS. Phantom data showed that measurements made with the two sequences were in reasonable agreement. Finally a dynamic in vivo 13C MRS study in rat brain was conducted while sequentially acquiring data with both sequences. Time-resolved indirect 13C spectra were obtained as expected, however due to much poorer sensitivity of direct 13C signal acquisition; no meaningful time-resolved spectra were recorded. Avenues for SNR degradation along the RF chain were investigated, and considerations for the next iteration coil setup are discussed.L'objectif global de cette thèse est de développer de nouvelles méthodes dynamiques de spectroscopie par résonance magnétique (SRM) du carbone-13 (13C) pour l'imagerie du cerveau des rongeurs in vivo. La SRM-13C est une technique puissante qui fournit des moyens non-invasifs pour quantifier les taux de cyclage de neurotransmetteurs et de neuroénergétiques spécifiques aux cellules du cerveau, suite à la perfusion d'un substrat marqué au 13C. La SRM par l'observation du proton, édité par le carbone (Proton Observed Carbon Edited - POCE), est une technique de SRM-13C indirecte communément utilisée avec une antenne de surface émetteur-récepteur pour protons puisque c'est une construction relativement facile, et bénéficie de gains de sensibilité typiques aux antennes de surfaces. Les implémentations SRM-POCE pour une antenne de surface émetteur-récepteur bénéficient d'autant plus d'impulsions de radiofréquences (RF) adiabatiques relativement longues et puissantes pour minimiser les erreurs d'angle de nutation, les pertes de signaux et les artefacts dûs aux variations spatiales du champ magnétique (B1+). Le premier objectif de ce travail était donc de développer une antenne de RF avec un B1+ homogène, en plus de fournir des gains de sensibilité avec l'utilisation d'une antenne de surface. Ceci a été réalisé en combinant un résonateur volumétrique pour des impulsions de transmission de protons, une antenne de surface pour la réception de signaux de protons, en plus d'une antenne de transmission de surface pour le 13C. Une séquence SRM-POCE localisée par spectroscopie résolu ponctuelle (Point Resolved SpectroScopy - PRESS) avec un temps d'écho de 12,6 ms (TE) a été implémentée avec de courtes impulsions conventionnelles permettant une nutation uniforme, une SMR-POCE édité en deux coups, et un TE court; une prouesse qui ne peut être atteinte avec des approches à base d'antennes de surface décrites dans la littérature.Une extension à l'objectif ci-dessus était d'étudier les améliorations apportées à la séquence PRESS-POCE en réduisant le TE et donc minimisant les pertes liées à l'évolution de T2 et des couplages-J homonucléaires. A cette fin, une nouvelle séquence POCE localisée PRESS utilisant des impulsions d'édition et de localisation simultanées (SEAL-PRESS) permettant de réduire le TE à une valeur théoriquement optimale de 8,1 ms a été mise en œuvre. La séquence SEAL-PRESS a été validée avec un fantôme et in vivo chez le rat. L'efficacité d'édition du carbone de la séquence SEAL-PRESS était >95% avec une amélioration de >17% des métabolites marqués au 13C par rapport à la séquence PRESS-POCE précédente. Le but final de cette thèse était d'étudier la faisabilité d'acquisition séquentielle de SRM-13C indirects et directs au cours d'une seule session, in vivo, afin de récolter les bénéfices des méthodes indirectes et directes du 13C dans le but ultime d'améliorer la modélisation métabolique. Des modifications de la chaîne radiofréquence ont été nécessaires pour effectuer une SRM-13C directe. Une séquence localisé PRESS semi-adiabatique d'augmentation par transfert de polarisation sans distortions (DEPT) a été conçue et évaluée avec un fantôme, et la séquence SEAL-PRESS a été utilisée pour le SRM-13C indirect. Les données obtenues avec le fantôme ont démontré que les mesures faites avec ces deux séquences étaient raisonnablement en accord. Finalement, une étude dynamique SRM-13C dans le cerveau de rats in vivo a été menée en acquérant séquentiellement des données avec ces deux dites séquences. Les spectres indirects 13C résolus dans le temps ont été obtenus comme prévu, cependant en raison d'une sensibilité beaucoup plus faible de l'acquisition directe du signal 13C, aucun spectre significatif résolu dans le temps n'a été enregistré. Les avenues pour la dégradation du ratio signal:bruit le long de la chaîne RF ont été étudiées, et des considérations pour une nouvelle itération de l'antenne y sont discutées
Fast, flexible, and area-efficient decoders for polar codes
No full textPolar codes have received a great deal of attention in the past few years to the extent that they are selected to be included in the 5th Generation of Wireless Communications Standard (5G). Specifically, polar codes were selected as the coding scheme for the Enhanced Mobile Broadband (eMBB) control channel which requires codes of short length. The main bottleneck in the deployment of polar codes in 5G is the design of a decoder which can achieve good error-correction performance, with low hardware implementation cost and high throughput. Successive-Cancellation (SC) decoding was the first algorithm under which polar codes could achieve capacity when the code length is very high. However, for finite practical code lengths, SC decoding falls short in providing a reasonable error-correction performance because of its sub-optimality with respect to the Maximum-Likelihood (ML) decoder. Sphere Decoding (SD) is an algorithm that can achieve the performance of ML decoding with a very high complexity. In order to close the gap between SC and ML decoding, Successive-Cancellation List (SCL) decoding keeps a list of candidates and selects the one with the best Path Metric (PM). Although SCL provides a good error-correction performance, it comes at the cost of higher complexity and lower throughput. In this thesis, we first propose a low complexity SD algorithm which provides a good trade-off between the error-correction performance and the complexity of the decoder for polar codes of short lengths. We then propose algorithms to speed up the SCL decoders. We prove that while these algorithms have much higher throughput than the conventional SCL decoder, they incur no error-correction performance loss. We further propose several techniques to reduce the area occupation in the hardware implementation of SC and SCL decoders by reducing their memory requirements. We solve the flexibility issue of fast SC-based decoders and introduce a completely rate-flexible scheme. Hardware architectures for the proposed algorithms are presented and comparisons with state of the art are made. Finally, we evaluate the performance of polar codes in 5G and we show that polar codes can be used in practical applications by proposing a blind detection scheme with polar codes.Les codes polaires occupent depuis quelques années l'attention de la communauté académique du codage de canal. Cet intérêt s'est étendu à l'industrie puisque les codes polaires prennent part au standard de communications mobiles de cinquième génération (5G). Plus précisément, ils sont sélectionnés comme schéma de codage pour le canal de contrôle du service mobile à large bande amélioré (Enhanced Mobile Broadband (eMBB)), requérant des codes de faible longueur. Le principal obstacle dans le déploiement des codes polaires pour la 5G est la conception d'un décodeur ayant un coût d'implantation matériel faible, tout en présentant à la fois de bonnes performances de correction d'erreurs et un débit élevé. Le décodage à annulation successive (Successive-Cancellation (SC)) est l'algorithme de décodage originel des codes polaires. Il permet d'atteindre la limite de capacité théorique, à condition que la taille du code polaire soit suffisamment grande. Cependant, pour des tailles de trame finies, l'algorithme SC présente des performances de décodage médiocres, provenant de sa sous-optimalité au regard du décodage à maximum de vraisemblance (Maximum-Likelihood (ML)). Le décodage par sphère (Sphere Decoding (SD)) atteint les performances ML au détriment d'une complexité calculatoire importante. Afin de réduire l'écart de performances entre les décodages ML et SC, le décodage à annulation successive par liste (Successive-Cancellation List (SCL)) a été proposé. Son principe réside dans le maintient d'une liste de mots candidats et de la sélection à l'issue du décodage du mot ayant la meilleure métrique. Bien que l'algorithme SCL présente de bonnes performances de décodage, sa complexité calculatoire est plus importante et son débit est réduit par rapport à l'algorithme SC. Dans ces travaux de thèse, nous proposons tout d'abord un algorithme SD à faible complexité calculatoire. Il permet d'obtenir un bon compromis entre sa performance de correction d'erreurs et sa complexité calculatoire pour des codes polaires de faibles tailles. Ensuite, nous proposons différents algorithmes accélérant les décodeurs SCL. Ces algorithmes permettent d'atteindre un débit bien plus élevé que le décoder SCL conventionnel, tout en assurant les mêmes performances de décodage. Ensuite, nous proposons différentes techniques réduisant l'occupation surfacique d'implémentations matérielles de décodeurs SC et SCL. Ces techniques sont basées sur la réduction des besoins mémoire de ces algorithmes. Nous résolvons les problèmes de flexibilité des décodeurs basés sur l'algorithme rapide SC et présentons une méthode compatible avec tout rendement de code. Des architectures matérielles adaptées aux algorithmes proposés sont présentées et des comparaisons avec l'état de l'art sont établies. Finalement, nous évaluons les performances des codes polaires du standard 5G et nous montrons que les codes polaires peuvent être utilisés dans des applications pratiques en proposant une méthode de détection aveugle
Assessment of the role of spinal mGluR5 and associated anchoring proteins in nociception
No full textChronic neuropathic pain patients do not experience adequate pain relief with currently available treatment options, and so there is a considerable need to better understand nociceptive signaling underlying neuropathic pain. Metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) is a G protein-coupled receptor (GPCR) in the spinal cord that is known to play a significant role in nociception. Recent studies revealed that there are two pools of functional mGluR5 – at the plasma membrane and on nuclear membranes. In fact, it is nuclear membrane mGluR5 that seem to play a more important role in persistent pain. There was a significant increase in mGluR5 in nuclear-enriched fractions of spared nerve injury (SNI) rats relative to shams. Inhibiting the intracellular receptors, and not the plasma membrane receptors, attenuated glutamate-induced pain behaviours, as well as allodynia in SNI rats. Currently, the increase in nuclear membrane mGluR5 remains unexplained. However, it may be due to the actions of trafficking proteins, namely the Homer 1 family. Homer 1b/c scaffolds mGluR5 in a signaling complex to facilitate mGluR5-mediated signaling, whereas Homer 1a is transcriptionally upregulated and disrupts this complex, allowing mGluR5 to diffuse to a different location. A short, synthetic decoy peptide, Tat-mGluR5ct, mimics the actions of Homer 1a. This study aimed to determine whether Homer 1a was responsible for mGluR5 trafficking to nuclear membranes. Firstly, we looked at Homer 1b/c and Homer 1a expression 4 and 24 hours after SNI and sham surgery, where we found no significant changes. Secondly, we assessed the effects of Tat-mGluR5ct on quisqualate-induced sustained nociceptive behaviours and found a trend for Tat-mGluR5ct to attenuate pain behaviours. Lastly, we found that Tat-mGluR5ct did not affect mGluR5 expression in any subcellular fraction 30 minutes, 24 and 48 hours after spinal administration. However, Tat-mGluR5ct was able to significantly attenuate mechanical allodynia in SNI rats at 2 to 24 hours after spinal administration. Taken together, these results suggest that Homer 1a does not traffic mGluR5 in vivo, but does play a role in modulating mGluR5-mediated signaling.Les patients souffrant de douleur neuropathique chronique ne bénéficient pas d'un soulagement adéquat de la douleur avec les options de traitement actuellement disponibles, et il y a donc un besoin considérable de mieux comprendre la signalisation nociceptive de la douleur neuropathique sous-jacente. Le récepteur 5 du glutamate métabolotrope (mGluR5) est un récepteur couplé à la protéine G dans la moelle épinière qui joue un rôle important dans la nociception. Des résultats récents ont révélé qu'il existe deux pools de mGluR5 fonctionnels - à la membrane plasmique et sur les membranes nucléaires. En fait, c'est la membrane nucléaire mGluR5 qui semble jouer un rôle plus important dans la douleur persistante. On a observé une augmentation significative du mGluR5 dans les fractions enrichies en énergie nucléaire des rats épargnés par des lésions nerveuses (SNI) par rapport aux shams. L'inhibition des récepteurs intracellulaires, et non des récepteurs de la membrane plasmique, a atténué les comportements douloureux induits par le glutamate, ou l'allodynie observée chez le rat SNI. Actuellement, l'augmentation du mGluR5 de la membrane nucléaire reste inexpliquée. Cependant, elle peut être due à l'action du trafic de protéines, à savoir la famille Homer 1. Homer 1b/c scaffold mGluR5 dans un complexe de signalisation pour faciliter la signalisation à médiation mGluR5, tandis que Homer 1a est régulé par la transcription et perturbe ce complexe, permettant à mGluR5 de diffuser à un autre endroit. Un peptide leurre synthétique court, Tat-mGluR5ct, imite les actions d'Homère 1a. Cette étude visait à déterminer si Homer 1a était responsable du trafic du mGluR5 vers les membranes nucléaires. Tout d'abord, nous avons examiné l'expression d'Homère 1b/c et Homère 1a 4 et 24 heures après le SNI et la chirurgie simulée, où nous n'avons trouvé aucun changement significatif. Deuxièmement, nous avons évalué les effets du Tat-mGluR5ct sur les comportements nociceptifs soutenus induits par le quisqualate et avons constaté une tendance pour le Tat-mGluR5ct à atténuer les comportements de douleur. Enfin, nous avons constaté que Tat-mGluR5ct n'a pas affecté l'expression de mGluR5 dans aucune fraction sous-cellulaire 30 minutes, 24 et 48 heures après l'administration spinale. Cependant, Tat-mGluR5ct a été capable d'atténuer significativement l'allodynie mécanique chez les rats SNI à 3 et 24 heures après l'administration spinale. Pris ensemble, ces résultats suggèrent que Homère 1a ne traite pas le mGluR5 in vivo, mais qu'il joue un rôle dans la modulation de la signalisation à médiation mGluR5