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Wide-field correlation spectroscopy of aqueous molecular solutions using CLiC imaging
No full textMany biochemical processes rely on weak and slow biomolecular interactions, such as interactions between protein and DNA molecules during DNA replication, repair, and transcription. Developing sensitive methodologies to characterize their energetics, kinetics, stoichiometries, and cooperativities in free solution is important for developing new biophysical insights. However, single-molecule experiments are typically limited to low concentrations and low signal to noise ratios when using standard confocal microscopy and total internal reflection fluorescence microscopy (TIRFM). This project introduces a new way of visualizing nanoscale interactions between biomolecules which combines Leslie's Convex Lens-induced Confinement (CLiC) imaging platform with Wiseman's wide-field k-space image correlation spectroscopy (kICS) techniques. CLiC confines a sample to a nanoscale wedge-shaped gap, meaning that the biomolecules are essentially restricted to two dimensions of movement. Due to the shallow sample depth, out-of-focus background fluorescence can be eliminated by a factor of 20 or more compared to TIRFM and confocal imaging. Similarly, per-molecule observation times of CLiC are increased by a factor of 10 000 compared to standard methods, meaning that very weak interactions and slow dynamics that were previously impossible to measure can now be analyzed. The kICS analysis also has inherent advantages, including correlation function insensitivity to quantum efficiency, optical system point spread function (PSF), and photophysical effects such as blinking. This project is primarily focused toward developing the CLiC kICS methodology using simple oligonucleotide systems. Analytical expressions are used to predict appropriate fitting ranges of the correlation function to extract characteristic rates. Furthermore, the single-dimension relationship between individual system parameters and correlation bias is calculated to assess appropriate imaging limits.De nombreux processus biochimique, comme la réplication, réparation, et la transcription de l'ADN, sont dependents sur les interactions biomoléculaires faibles. C'est donc important de développer des méthodologies sensibles pour caractériser leur énergie, leur cinétique, leurs stoechiométries et leurs coopératives. Cependent, les expériences à seule molécule sont généralement limitées aux faibles concentrations et de faibles rapports signal sur bruit en utilisant la microscopie confocale et la microscopie de fluorescence à réflexion interne (TIRFM). Ce projet introduit une nouvelle façon de visualiser les interactions nanométriques entre biomolécules qui combine la plateforme d'imagerie ConfinementConvexe Lentille-induit (CLiC) de Leslie avec les techniques de spectroscopie de corrélation d'images en espace réciproque (kICS) de Wiseman. CLiC confine un échantillon à une hauteur à l'échelle nanométrique, réduisant ainsi les biomolécules à deux dimensions de mouvement. En raison de la faible profondeur de l'échantillon, la fluorescence de fond hors foyer peut être éliminée d'un facteur 20 ou plus par rapport à la TIRFM et à l'imagerie confocale. De même, les temps d'observation par molécule de CLiC sont multipliés par un facteur de 10 000 par rapport aux méthodes traditionelles, ce qui signifie que des interactions très faibles et les dynamiques lentes auparavant impossibles à mesurer peuvent maintenant être analysées. L'analyse kICS présente également des avantages inhérents, y compris l'insensibilité à l'efficacité quantique, la fonction d'étalement du point (PSF) et les effets photophysiques tels que le clignotement. Ce projet vise à établir la méthodologie CLiC-kICS en utilisant des systèmes oligonucléotidiques simples. Des expressions analytiques sont utilisées pour prédire des plages d'ajustement appropriées de la fonction de corrélation pour extraire les taux caractéristiques. En outre, la relation unidimensionnelle entre les paramètres individuels du système et le biais de corrélation est calculée pour évaluer les limites d'imagerie appropriées
Least squares methods in reinforcement learning for control
No full textThe least squares class of learning algorithms were devised as a way to help reusedata and improve sample efficiency in reinforcement learning problems. These algorithms come in many flavours, and most have been studied in various scenarios, butwork on off-policy control tasks have been lacking. This thesis will attempt to fill this gap. We will introduce a new variant incorporating Q(σ) traces, which has as special cases previously-studied least squares algorithms. We then quantitatively and qualitatively compare its behaviour to its TD counterpart, as well as to itself with different parameter choices, in three classical reinforcement learning tasks.La classe des moindres carrés des algorithmes d'apprentissage a été conçue comme un moyen d'aider à réutiliser les données et d'améliorer l'efficacité de l'échantillon dans les problèmes d'apprentissage par renforcement. Ces algorithmes existent dans de nombreuses variantes et la plupart ont été étudiés dans divers scénarios, mais les travaux sur les tâches de contrôle hors politique font défaut. Cette thèse tentera de combler cette lacune. Nous allons introduire une nouvelle variante incorporant des traces Q(σ), qui ont comme cas particuliers les algorithmes des moindres carrés préédemment étudiés. Nous comparons ensuite quantitativement et qualitativement son comportement à son homologue TD, ainsi qu'à lui-même avec différents choix de paramètres, dans trois tâches classiques d'apprentissage par renforcement
Social-ecological interactions in inland recreational fisheries
No full textThe goal of this PhD thesis is to better understand prominent social-ecological interactions in inland recreational fisheries to inform practical local level management that helps maintain inland recreational fisheries and the benefits they provide. Using a coupled social-ecological model I synthesize current hypotheses in inland recreational fisheries related to lakeshore development and stock enhancement to determine social-ecological outcomes as people both develop shorelines and stock fish when they become dissatisfied with catch rates. I demonstrate that increased development near lakes can lead to a dependency on stock enhancement to maintain recreational fisheries. Therefore, increased management costs could threaten the ability of managers to continue to supply future fishing opportunities. In the remainder of the dissertation, I present potential ecological and institutional approaches to maintaining inland recreational fisheries in highly developed areas. I first follow up on a widely-held ecological hypothesis from my first chapter that littoral structure reduces young of year mortality and improves recruitment of fish populations. My results show that there is no support for this hypothesis for largemouth bass and highlight the need for a basic understanding of the determinants of early life mortality of other freshwater fish species. I then focus on improving stock enhancement decisions in open access inland recreational fisheries by using bio-economic theory to help guide optimal investments under both formal and informal management institutional arrangements. Despite a hypothesis within natural resource management that communities will not invest in a resource under open access, I show that informal management groups do have incentives to voluntarily invest in maintaining their fish populations through stock enhancement even under open access. Finally, I determine whether stakeholders – those carrying out management of and affecting fish populations – view their fisheries as coupled social-ecological systems, by comparing their mental models to a prominent academic framework for understanding social-ecological systems. I show that stakeholders emphasize the number, diversity, and influence of actors and resource systems, and focus less on governance systems and broader environmental settings. Based on strong empirical evidence that the number and diversity of governance system attributes are positively correlated with social-ecological fisheries success, I suggest approaches for improving the role of governance systems in local management of recreation fisheries. Overall, this thesis demonstrates that a social-ecological perspective of inland recreational fisheries can improve our understanding and ability to maintain recreational fisheries, but also identifies important knowledge gaps currently limiting our ability to effectively manage these fisheries and the benefits they provide.L'objectif de cette thèse de doctorat est de mieux comprendre les principales interactions socio-écologiques dans les pêcheries récréatives à l'intérieur des terres afin d'éclairer une gestion pratique au niveau local qui aide à maintenir la pêche récréative dans les eaux intérieures et les avantages qu'elles fournissent. En utilisant un modèle socio-écologique couplé, je synthétise les hypothèses actuelles de la pêche récréative à l'intérieur des terres liées au développement des lacs et au réapprovisionnement des lots ('stocks') afin de déterminer les résultats socio-écologiques du développement et du réapprovisionnement des stocks à cause des prises peu satisfaisantes. Je démontre que le développement accru et le nombre d'habitants près des lacs peuvent entraîner une dépendance vis-à-vis du réapprovisionnement des stocks pour maintenir les pêches récréatives. Par conséquent, une augmentation des coûts de gestion pourrait menacer la capacité des gestionnaires à continuer à fournir des possibilités de pêche futures. Dans le reste de la thèse, je présente des approches écologiques et institutionnelles potentielles pour maintenir la pêche récréative dans les zones très développées. J'examine d'abord une hypothèse écologique largement répandue, discutée dans mon premier chapitre, selon laquelle la structure du littoral réduit la mortalité des jeunes de l'année et améliore le recrutement des populations de poissons. Mes résultats ne soutiennent pas cette hypothèse au cas de l'achigan à grande bouche, et soulignent la nécessité d'une compréhension de base des déterminants de la mortalité précoce chez d'autres espèces de poissons d'eau douce. Je me concentre ensuite sur l'amélioration des décisions du réapprovisionnement des stocks dans les pêcheries récréatives intérieures en libre accès en utilisant la théorie bioéconomique pour aider à orienter les investissements optimaux dans les arrangements institutionnels de gestion formels et informels. Malgré une hypothèse de gestion des ressources naturelles selon laquelle les communautés n'investiront pas dans une ressource en accès libre, je montre que les groupes de gestion informels sont incités à investir volontairement pour maintenir leurs populations de poissons, même en accès libre. Enfin, je détermine si les parties prenantes - celles qui gèrent et affectent les populations de poissons - considèrent leurs pêcheries comme des systèmes socio-écologiques couplés en comparant leurs modèles mentaux à un cadre académique important pour comprendre les systèmes socio-écologiques. Je montre que les parties prenantes mettent l'accent sur le nombre, la diversité et l'influence des acteurs et des systèmes de ressources, et se concentrent moins sur les systèmes de gouvernance et les paramètres environnementaux généraux. Sur la base de preuves empiriques solides montrant que le nombre et la diversité des attributs du système de gouvernance sont positivement corrélés au succès socio-écologique de la pêche, je suggère des approches pour améliorer le rôle des systèmes de gouvernance dans la gestion locale des pêches récréatives. Dans l'ensemble, cette thèse démontre qu'une perspective socio-écologique de la pêche récréative à l'intérieur des terres peut améliorer notre compréhension et notre capacité à maintenir la pêche récréative, mais identifie également d'importantes lacunes dans les connaissances qui limitent actuellement notre capacité à gérer efficacement ces pêcheries et leurs avantages
Multimodal investigation of brain network hub reorganization in epilepsy and sleep
No full textResting state functional magnetic resonance imaging (RS fMRI) is used to study large-scale brain networks by measuring temporal correlation of spontaneous slow fluctuations of fMRI signals. Connector hubs that participate in inter-network communication are of interest, as they are assumed to relate to integrative high level brain function. Graph theory is widely used to identify connector hubs of non-overlapping networks using the analysis of pairwise correlation matrix, but it has limitations mainly due to the inherent problem of multicollinearity between temporal dynamics within a network. This thesis first proposes and validates a new analysis model of connector hubs using RS fMRI, handling the issue of multicollinearity without using the correlation matrix. We demonstrate the clinical applicability of the method in studies on patterns of connector hub reorganization in patients with epilepsy and in healthy adults during sleep.The methodological contributions consist in two projects. In Study 1, we developed and validated a new multivariate analysis of connector hubs in overlapping networks in RS fMRI entitled "Sparsity-based Analysis of Reliable K-hubness (SPARK)". It is based on a sparse general linear model combined with a bootstrap-based strategy to ensure the individual-level reliability of hub analysis. The originality of SPARK includes not only the estimation of the number of networks involved in each connector hub (k-hubness) but also an explicit identification of the networks involved in each hub. We demonstrated the robustness and test-retest reliability of SPARK using realistic simulations and real data. In Study 2, we propose an automatic classification of physiological noise-related components for SPARK using spatial priors and a stepwise regression procedure. Manual classification of these components is often effective, however, it is time-consuming and subjective. Using cross-validation and real data, we showed good specificity and sensitivity of this automatic classification, and a significant improvement of hub identification. The clinical contributions lie on our findings from two studies. In Study 3, we investigated the reorganization of connector hubs in drug-resistant patients with mesial temporal lobe epilepsy (mTLE) by analyzing RS fMRI using SPARK. Simultaneous electroencephalography (EEG) recordings were used to identify epileptic discharges. We found an aberrant asymmetrical connector hub reorganization in mTLE, including pathological disruptions of normal connector hubs, emergence of new connector hubs, and lateralization of several RS networks involving the abnormal hippocampus. Individual variability in the hub reorganization was correlated with the age at seizure onset. The results suggest that our method is a promising tool to develop a biomarker of epilepsy using a short acquisition of RS fMRI (~ 6 min), even in the absence of epileptic discharges on EEG. Finally, in Study 4, we studied the reorganization of connector hubs in healthy adults in non-rapid eye-movement (NREM) sleep during a nap following sleep deprivation using SPARK. Simultaneous EEG recordings were used for sleep staging. We found a reorganization of connector hubs and hierarchical segregation of large-scale brain networks into sub-networks in the thalamus and several cortical networks during NREM sleep, when compared to wakefulness. Such hub reorganization was correlated with individual variability in post-nap recovery of cognitive performance for vigilance and attention. This study suggests a potential role of connector hub reorganization in the recovery of brain functions after sleep deprivation. In conclusion, this thesis proposed and validated the new analysis model of connector hubs using RS fMRI, sparsity-based analysis of reliable k-hubness (SPARK). The clinical applicability of SPARK was demonstrated in studies on epilepsy and sleep, suggesting it as a promising tool for functional network analysis.L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle à l'état de repos (IRMf ER) permet d' étudier les réseaux cérébraux en mesurant les corrélations temporelles entre fluctuations lentes et spontanées du signal IRMf. Dans ces réseaux, les centres de connexion qui participent à la communication inter-réseau constituent des « hubs » qui présentent un intérêt car ils sont impliqués dans l'intégration de fonctions cérébrales de haut-niveau. La théorie des graphes est largement utilisée pour identifier ces hubs, et ce par l'analyse de la matrice de corrélations. Cependant, cette approche est limitée en raison du problème de multi-colinéarité. Cette thèse propose et valide un nouveau modèle d'analyse des hubs de connexion à partir de données IRMf ER, tout en prenant en compte le problème de multi-colinéarité. La méthode proposée a été appliquée dans le cadre de deux études cliniques, rapportant des réorganisations des hubs en épilepsie et pendant le sommeil chez de jeunes sujets sains. Les contributions méthodologiques de cette thèse consistent en deux projets. Dans l'étude 1, nous avons développé et validé une nouvelle méthode d'analyse multivariée de détection des hubs en IRMf ER, intitulée "Sparsity-based Analysis of Reliable K-hubness (SPARK)". Cette méthode est basée sur un modèle linéaire généralisé avec parcimonie, combiné à une stratégie de ré-échantillonnage bootstrap afin d'assurer une détection fiable des hubs au niveau individuel. L'originalité de SPARK ne vient pas seulement de l'estimation réaliste du nombre de réseau impliqué dans chaque hub (k-hubness), mais aussi de l'identification explicite de quels réseaux sont impliqués dans chaque hub. Nous avons démontré la robustesse et la fiabilité de SPARK avec simulations réalistes et données réelles. Dans l'étude 2, nous proposons une classification automatique des composantes de bruit physiologique estimées par SPARK, et ce à l'aide d'a priori spatiaux et d'une procédure de régression stepwise. La classification manuelle de telles composantes est efficace, mais longue et dépendante de l'expérience des évaluateurs. Après évaluation, notre classification automatique a démontré une bonne spécificité et sensibilité, ainsi qu'une amélioration significative de l'identification des hubs. La contribution clinique de cette thèse est liée aux résultats des deux prochaines études.Dans l'étude 3, nous avons étudié la réorganisation des hubs chez des patients présentant une épilepsie du lobe temporal, en analysant de données IRMf ER avec SPARK. Un enregistrement simultané en électroencéphalographie (EEG) était utilisé pour identifier les décharges épileptiques. Nous avons observé une réorganisation asymétrique des hubs de connexion chez ces patient, incluant la disparition de hubs normaux, l'émergence de nouveaux hubs, ainsi qu'une latéralisation spécifique de plusieurs réseaux. Nos résultats suggèrent que SPARK est un outil prometteur pour identifier des biomarqueurs de l'épilepsie, et ce à l'aide d'une acquisition IRMf de courte durée (~6min). Dans l'étude 4, nous avons étudié, avec SPARK, la réorganisation des hubs de connexion chez des adultes en bonne santé lors d'une sieste effectuée après une nuit de privation de sommeil. Nous avons observé une réorganisation significative des hubs ainsi qu'une ségrégation hiérarchique des réseaux en sous-réseaux, pendant le sommeil lent comparé à l'éveil. Une telle ségrégation était corrélée avec la récupération de performances cognitives de vigilance et d'attention après la sieste. Cette étude suggère un rôle essentiel de la réorganisation des hubs lors de la récupération des fonctions cérébrales à la suite d'une privation de sommeil. En conclusion, nous avons proposé et validé SPARK, une nouvelle méthode d'analyse des hubs de connexion à l'aide de données IRMf ER. L'utilité clinique de SPARK a été démontrée lors d'études sur l'épilepsie et le sommeil, suggérant SPARK comme un outil prometteur d'analyse des réseaux fonctionnels
Ice adhesion on amphiphilic methacrylate copolymer surfaces
No full textIce is known to form on numerous structures and surfaces. Whether it is on an airplane wing or the blades of a wind turbine, icing is an issue that needs to be dealt with as it interferes with airfoil performance and is costly to remove. One approach to overcome icing is to coat the surfaces with an icephobic layer. Intuitively, one would be inclined to think that any hydrophobic material will suffice. However, E. Ling showed that hydrophobic surfaces are not necessarily icephobic [1]. This conclusion was used as the foundation of this research. Using diblock copolymers, a specific class of polymers composed of two segments of different polymers covalently joined together, the aim was to synthesize an amphiphilic material that would serve as the coating. The blocks chosen were 2,2,2-trifluoroethyl methacrylate (TFEMA) and oligo(ethylene glycol) methyl ether methacrylate (OEGMA) and were synthesized by nitroxide-mediated radical polymerization (NMP). Gel permeation chromatography (GPC) and 1H nuclear magnetic resonance (NMR) were used to monitor chain growth, dispersity, and conversion. The copolymer was successfully synthesized and spincoated on a 1" x 1.45" stainless steel 304 (SS304) substrate at different concentrations in toluene. Nanoindentation was then used to measure layer thickness and study the moduli of elasticity of the different samples. Ice adhesion testing was done on samples coated with TFEMA, and on samples coated with the copolymer. In addition, uncoated samples were tested for reference. TFEMA samples showed little change in adhesion force with increasing concentration, whereas samples coated with the diblock were able to decrease the average adhesion force with increasing concentration. Overall, TFEMA samples showed a 42% adhesion force decrease relative to SS304, whereas the copolymer showed a 57% decrease. This makes the final product a good starting point for future research on icephobic coatings.La glace est connue pour sa formation sur divers surfaces et structures. Que ce soit sur une aile d'avion ou sur les pales d'une éolienne, le givrage est un problème qui doit être traité car il gêne les performances de la surface portante et est coûteux à enlever. Une approche pour surmonter le givrage consiste à recouvrir les surfaces d'une couche glacephobique. Intuitivement, on serait enclin à penser que n'importe quel matériau hydrophobe suffira. Cependant, E. Ling a montré que les surfaces hydrophobes ne sont pas nécessairement glacephobique [1]. Cette conclusion a été utilisée comme fondement de cette recherche. En utilisant des copolymères diblocs, une classe spécifique de polymères composés de deux segments de polymères différents liés par covalence, l'objectif était de synthétiser un matériau amphiphile qui servirait de revêtement. Les blocs choisis étaient le méthacrylate de 2,2,2-trifluoroéthyle (TFEMA) et le méthacrylate d'éther méthylique d'oligo (éthylène glycol) (OEGMA) et ont été synthétisés par polymérisation radicalaire à médiation par un nitroxyde (NMP). La chromatographie par perméation de gel (CPG) et la résonance magnétique nucléaire (RMN) 1H ont été utilisées pour surveiller la croissance, la dispersité et la conversion de la chaîne. Le copolymère a été synthétisé et spincé avec succès sur un substrat en acier inoxydable 304 (SS304) de 1" x 1,45" à différentes concentrations en toluène. La nanoindentation a ensuite été utilisée pour mesurer l'épaisseur de la couche et étudier les modules d'élasticité des différents échantillons. Des tests d'adhérence sur glace ont été effectués sur des échantillons revêtus de TFEMA et sur des échantillons revêtus du copolymère. De plus, les échantillons non revêtus ont été testés pour référence. Les échantillons de TFEMA ont montré peu de modification de la force d'adhérence avec une concentration croissante, alors que les échantillons revêtus du dibloc étaient capables de diminuer la force d'adhésion moyenne avec une concentration croissante. Dans l'ensemble, les échantillons de TFEMA ont présenté une diminution de la force d'adhérence de 42% par rapport au SS304, tandis que le copolymère présentait une diminution de 57%. Cela fait du produit final un bon point de départ pour des recherches futures sur les revêtements glace phobiques
Smoothed analysis of Max-k-sat
No full textThe max-k-sat problem asks to find a truth assignment to n Boolean variables that maximizes the total number of satisfied clauses in a conjunctive normal form formula with k variables per clause. We show that, with high probability, a natural local search algorithm finds a locally optimal solution on a randomly weighted formula containing all distinct clauses in time n to the power 5(k+1), thus establishing polynomial smoothed complexity for this variant of max-k-sat. Further analysis improves this bound to n to the power 4k+ sqrt(12k)+2, which also yields a small improvement in the smoothed complexity of the analogous max-cut problem.Le problème max-k-sat consiste à trouver une attribution de valeur de vérité pour n variables booléennes de manière a maximiser le nombre totale de clauses satisfaites dans une formule en forme normale conjonctive à k variables par clause. Nous montrons qu'avec une forte probabilité, un algorithme de recherche locale obtient une solution localement optimale pour une formule avec des poids aléatoires contenant tous les clauses dans un temps de l'ordre de n à la puissance de 5(k+1). Ceci nous permet d'établir une complexité lisse polynomiale pour cette variante du problème max-k-sat. Une analyse plus approfondie nous permet d'améliorer cette borne et d'obtenir un temps de l'ordre n à la puissance de 4k+sqrt(12k)+2, ce qui donne lieu à une amélioration de la complexité lisse du problème analogue max-cut
Activity of neighbouring inputs mediates retinotectal axon arbour elaboration in the Xenopus laevis visual system
No full textSensory maps initially form through the action of molecular guidance cues, which broadly guide axonal projections to the appropriate areas. Axon arbours are further refined by activity-dependent mechanisms driven by spontaneous patterned and experience-dependent activity, with the former being especially important in higher vertebrate development. Neural activity is thought to regulate the processes of axon branching and synapse formation, both of which are critical for establishing precise circuit connectivity. However, what remains poorly understood is how neuronal circuits can be altered depending on the precise relative patterns of activity within a network. It remains unclear which aspects of activity are essential to the defined features of topographic mapping. My project employs a state-of-the-art approach combining sensory stimulation with live imaging to examine the role of neural activity in instructing circuit development. I utilize the Xenopus laevis visual system to pair sensory stimulation of specific ensembles of cells while observing changes in axon branch dynamics to gain insight into the mechanisms by which neurons read out and react to activity patterns. We observe that stimulation of an axon by itself led to smaller retinal ganglion cell (RGC) axon arbours than did equivalent stimulation of its neighbours. Moreover, increased activation of an axon's neighbours leads to an upregulated rate of branch addition; an effect that becomes especially prominent if vesicular release by an axon is blocked by expression of tetanus toxin light chain (TeNT-Lc:EGFP) to prevent activity-dependent arbour stabilization. Altogether, our results suggest that visual stimulation of retinal inputs, presumably acting in concert to drive postsynaptic firing of tectal neurons, promotes exploratory branch elaboration of an adjacent unstimulated axonal arbour. Les cartes sensorielles se forment initialement par l'action des signaux de guidage moléculaires qui guident les projections axonales vers les zones appropriées. L'arborisation des axones sont ensuite raffinés par des mécanismes qui dépendent de l'activité, sois l'activité spontanée ou l'activité expérimenté, le premier étant particulièrement important pour le développement des vertébrés supérieurs. On estime que l'activité neuronale régule les processus de l'arborisation axonale et la formation de synapses, qui sont tous deux critiques pour l'établissement de connectivité des circuits précises. Cependant, ce qui demeure incertain est la façon dont des circuits neuronaux peuvent être modifiés compte tenu de la séquence relative de l'activité dans un réseau. Il reste à savoir quels aspects de l'activité sont essentiels aux caractéristiques définies de la cartographie topographique.Mon projet engage une approche avant-garde combinant la stimulation sensorielle et l'imagerie pour examiner le rôle de l'activité neuronale dans l'instruction du développement de circuits. J'utilise le système visuel chez les têtards de Xenopus laevis pour coupler la stimulation sensorielle d'ensembles de cellules spécifiques tout en observant les changements des ramifications axonales pour mieux comprendre les mécanismes par lesquels les neurones lisent et réagissent aux motifs d'activité. Nous observons que la stimulation d'un axone par lui-même, plutôt que la stimulation équivalente de ses voisins, résulte en une arborisation plus petite des cellules ganglionnaires rétiniennes. De plus, une activation accrue de ses voisins instruit à une augmentation de l'arborisation ; celle-ci devient particulièrement importante si la libération vésiculaire par un axone est bloquée par l'expression de la chaîne légère de la neurotoxine tétanique (TeNT-Lc:EGFP) pour prévenir la stabilisation de l'axone. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que la stimulation visuelle des afférents rétiniens, agissant probablement en concert pour entraîner le déclenchement post-synaptique des neurones tectaux, favorise la croissance exploratoire d'un axone adjacent non-stimulé
Graphon control theory for linear systems on complex networks and related topics
No full textTo achieve general control objectives for extremely complex and very large scale networks using standard methods is a challenging task. This work provides a theoretical framework to analyze and control linear systems on networks with arbitrary or growing sizes and complex connections by the use of graphon theory and the theory of infinite dimensional systems.The characterization of the underlying networks is by graphons, which allows the comparison among networks with differences in both sizes and connections. Since the spectral properties of graphons are important to the control design, the spectral decomposition of graphon operators is investigated, a systematic procedure to identify eigenfunctions of graphon operators is developed and spectral approximations of graphon operators are studied. Then graphon differential equations are formulated in an appropriate infinite dimensional space. Based on this, the graphon dynamical system models are formulated in order to represent arbitrary-size networks of linear dynamical systems, and to define the convergence of sequences of network systems to limit systems. The exact controllability and the approximate controllability of graphon dynamical systems are then investigated. The minimum energy state-to-state control problem and the linear quadratic regulator (LQR) problem are formulated for such graphon dynamical systems. The control problem for the graphon limit system is solved in each case using the infinite dimensional system theory and the respective control laws are then approximated to obtain control laws for the finite network system; furthermore, the convergence properties of the approximation schemes are established. Moreover, to achieve decentralized control laws for LQR problems for systems on complex networks, team optimal solutions are developed, where each agent computes its control actions based on its own state observation and certain global information related to spectral properties of the network and initial conditions. The team solutions ensure that when all agents optimally solve their local LQR problems they collectively solve the global optimal control problem. For multi-agent systems on a network with decentralized or distributed control strategies, agents may leave the network intentionally or due to failures and this would influence the performance of the control. In order to quantify this influence, the consensus-induced centrality measure for networks of systems is proposed, for which lower bounds and upper bounds are established.Atteindre des objectifs de contrôle pour des réseaux à grande complexité ou à grande échelle avec des méthodes standard est une tâche difficile. Basé sur la théorie des graphons et la théorie des systèmes à dimension infinie, ce travail de thèse définit un cadre théorique permettant d'analyser et de contrôler des systèmes linéaires sur des réseaux de tailles arbitraires ou croissantes. La caractérisation des réseaux sous-jacents par des graphons permet de comparer des réseaux de tailles et de connections différentes. Puisques les propriétés spectrales des graphons sont importantes pour la conception du contrôle, la décomposition spectrale des graphons est étudiée, une procédure systématique pour identifier les fonctions propres des opérateurs graphiques est mise au point et les approximations spectrales des opérateurs de graphons sont analysées. Ensuite, les équations différentielles des graphons sont formulées dans un espace de dimension infinie dûment choisi. Grâce à cela, les modèles de systèmes dynamiques de graphons sont formulés pour permettre de représenter des réseaux de systèmes linéaires dynamiques de tailles arbitraires. Ils permettent aussi d'obtenir la limite vers laquelle des séquences de systèmes de réseaux peuvent converger. Suite à cela, une étude est conduite sur les contrôlabilités exactes et approximatives des systèmes dynamiques de graphons. Le contrôle entre deux états à énergie minimale et le régulateur quadratique linéaire (LQR) sont formulés pour de tels systèmes dynamiques à graphons. Le contrôle en régime limite de graphons est résolu dans chaque cas grâce à la théorie des systèmes à dimensions infinies. Les lois de contrôle respectives sont alors approximées pour obtenir les lois de contrôle pour les systèmes de réseaux à taille finie. En outre, les propriétés de convergence des méthodes d'approximation sont établies. De plus, afin d'obtenir les lois de contrôle décentralisées pour les problèmes LQR de systèmes à réseaux complexes, des solutions optimales par équipe sont développés en usant de méthodes à découplage où chaque agent calcule ses actions de contrôle sur la base de ses propres observations d'état, de certaines informations globales relatives aux spectres et des conditions initiales du réseau. Les solutions par équipe garantissent que lorsque tous les agents résolvent de manière optimale leurs problèmes LQR locaux, ils résolvent collectivement le problème de contrôle optimal global. Pour les systèmes à plusieurs agents sur des réseaux avec des stratégies de contrôle décentralisées ou distribuées, les agents peuvent rester dans le réseau ou le quitter, soit intentionnellement soit en raison de défaillances. Ceci influence la performance du contrôle. Afin de quantifier cette incidence, la mesure de centralité induite par consensus pour les réseaux de systèmes est proposée, pour laquelle des bornes inférieures et supérieures sont établies
NOPAIN: a method for efficient evaluation of quantum Nonlocal operators with applications to solids
No full textThe computation efficiency of numerical atomic orbitals (NAOs) is high due to its localized property, i.e., the orbital spatial value is strictly zero beyond a given radius cutoff. If two NAOs do not spatially overlap, the matrix element of any local operator is zero. This makes NAOs attractive for the research of order-N methods, for which the computational scaling is linear with the basis size N. However, the matrix element of a nonlocal operator is not always zero if two NAOs do not spatially overlap. Thus all matrix elements should be calculated to ensure accuracy. While this is not a problem for isolated systems like molecules, an artificial distance truncation is usually applied for periodic systems. The artificial distance truncation assumes that if the distance between two atoms is larger than a manually defined distance, the corresponding matrix element is zero. This assumption is in general not true since the Coulomb operator, as well as many other nonlocal operators, are long-range. Its spatial interaction strength decays slowly and such approximation degrades accuracy. In this thesis, we solve the problem by developing a novel method which combines plane waves (PWs) and NAOs to efficiently evaluate nonlocal operators under periodic boundary conditions. Our method is denoted as NOPAIN (Nonlocal Operators with Plane wAves Integrated into Numerical atomic orbitals). Nonlocal operators are first expanded using PWs and then transformed to an NAO representation so that the problem of distance-truncation is avoided. In the meantime, the computation complexity is reduced due to NAO basis sets, thus makes this method applicable to large systems. The general formalism has been implemented in the RESCU package, a MATLAB-based density-functional theory (DFT) software, within the hybrid functional approach where the nonlocal operator is the (short-range) Fock exchange. Comparison of electronic structures of a wide range of semiconductors to a pure PW scheme validates the accuracy of NOPAIN. The computational complexity is asymptotically quadratic to the number of electrons. We apply our method to two realistic systems which require the hybrid-functional to accurately calculate the band gap and the band alignment. Both systems contain hundreds to a thousand atoms in the supercell which could hardly be investigated at the hybrid-functional level before even using supercomputers. The first is concerning band engineering of GaSbN alloy for solar fuel applications. We show that the band gap of GaN can be efficiently reduced by a dilute Sb-doping. The microscopic physics of such behavior is shown by investigating the atom-dependent density of states. The second is the interface between a single layer black phosphorous (sBP) and c-HfO2. We predict the band offset is 1.29/2.18 eV for the valence/conduction band edge, thus suitable for 2D field-effect transistors applications.Finally a derivation of many-body GW approach using NOPAIN to cope with periodic systems is presented, where the nonlocal operator is the dynamical screened interaction. The GW approach provides an ab-initio, parameter-free description for both the ground state and excited states of materials. Currently, most of the GW approaches under PBCs are implemented under the PW basis. The computation cost is even heavier than hybrid-functional calculations, thus large systems can become intractable due to the very large PW basis size. We provide a complete derivation and demonstrate that the computation burden is theoretically reduced significantly using NOPAIN.L'efficacité de calcul des orbitales atomiques numériques (NAO) est élevée en raison de sa propriété localisée, c'est-à-dire que la valeur spatiale orbitale est strictement nulle au-delà d'une limite de rayon donnée. Si deux NAO ne se chevauchent pas spatialement, l'élément matriciel de tout opérateur local est zéro. Cela rend les NAO attrayants pour la recherche des méthodes order-N. Cependant, l'élément matriciel d'un opérateur non local n'est pas toujours nul si deux NAO ne se chevauchent pas spatialement. Tous les éléments de la matrice doivent être calculés pour assurer la précision. Bien que ce ne soit pas un problème pour les systèmes isolés comme les molécules, une troncature de distance artificielle est généralement appliquée pour les systèmes périodiques. La troncature de distance artificielle suppose que si la distance entre deux atomes est plus grande qu'une distance définie manuellement, l'élément de matrice correspondant est nul. Cette hypothèse n'est en général pas vraie puisque l'opérateur de Coulomb, ainsi que de nombreux autres opérateurs non locaux, sont à longue portée. Sa force d'interaction spatiale décroît lentement excepte approximation dégrade la précision.Dans cette thèse, nous résolvons le problème en développant une nouvelle méthode qui combine des ondes planes (PW) et des NAO pour évaluer efficacement les opérateurs non locaux dans des conditions aux limites périodiques. Notre méthode est dénommée NOPAIN. Les opérateurs non locaux sont d'abord développés en utilisant des PW, puis transformés en une représentation NAO afin d'éviter le problème de la troncature de distance. La complexité du calcul est réduite en raison des ensembles de base NAO, ce qui rend cette méthode applicable aux grands systèmes. Le formalisme général a été implémenté dans le package RESCU, un logiciel de théorie fonctionnelle fonctionnelle basé sur MATLAB, dans l'approche fonctionnelle hybride où l'opérateur non local est l'échange de Fock. La comparaison des structures électroniques d'un large éventail de semi-conducteurs avec un schéma PW pur valide la précision de NOPAIN. La complexité de calcul est asymptotiquement quadratique au nombre d'électrons.Nous appliquons notre méthode à deux systèmes réalistes qui nécessitent la fonctionnalité hybride pour calculer avec précision la bande interdite et l'alignement de la bande. Les deux systèmes contiennent des centaines à un millier d'atomes dans la supercellule qui pourrait difficilement être étudiée au niveau fonctionnel hybride avant même d'utiliser des superordinateurs. Le premier concerne l'ingénierie des bandes d'alliage GaSbN pour les applications solaires. Nous montrons que la bande interdite de GaN peut être efficacement réduite par un dopage Sb dilué. La physique microscopique d'un tel comportement est montrée en étudiant la densité d'états dépendante de l'atome. La seconde est l'interface entre un phosphore noir monocouche (sBP) et c-HfO2. Nous prédisons que le décalage de bande est de 1.29/2.18 eV pour le bord de la bande de valence/conduction, donc adapté aux applications de transistors à effet de champ 2D.Une dérivation de l'approche GW à plusieurs corps utilisant NOPAIN pour faire face aux PBC est alors présentée, où l'opérateur non local est l'interaction criblée dynamique. L'approche GW fournit une description sans paramètre ab-initio pour l'état fondamental et les états excités des matériaux. Actuellement, la plupart des approches GW dans le cadre des PBC sont mises en œuvre dans le cadre du PW. Le coût de calcul est même plus lourd que les calculs hybrides-fonctionnels, de sorte que les grands systèmes peuvent devenir intraitables en raison de la trés grande taille de base PW. Nous fournissons une dérivation complète et démontrons que la charge de calcul est théoriquement réduite significativement en utilisant NOPAIN
Understanding the disparity in financial capability across individuals' social locations: A new dimension of inequality
No full textIn recent years, social work scholars have focused on financial capability to help individuals and families experiencing increasing disparities in wealth and income. Although a number of studies have examined the association between individuals' levels of financial knowledge and their financial behaviour and practices, we know little about how financial knowledge varies across individuals living in different social locations, including age, gender, and income statuses. In this dissertation, I used quantitative data from the 2009 and 2014 Canadian Financial Capability Survey and qualitative data collected from key informants to examine the disparity in financial knowledge and confidence and to identify groups that are disadvantaged. Findings suggest that older adults significantly overestimate their levels of financial knowledge, which implies vulnerability to financial fraud, exploitation, and abuse. Findings also suggest that individuals living in low-income have significantly lower levels of financial knowledge than their non-low-income counterparts. But no gender gap in financial knowledge was found within both low-income and non-low-income groups. The findings of the qualitative inquiry complemented the findings of the quantitative studies. In addition, the findings of the qualitative inquiry suggest that financial knowledge is contextual and driven by financial practices. Findings also suggest that financial knowledge alone is not sufficient to make informed financial decisions; individuals need financial confidence, access to financial products and services, and sufficient income to achieve financial wellbeing.Building financial knowledge among vulnerable groups such as older adults and those in poverty needs to be a policy and practice priority. Because social workers work closely with vulnerable and disadvantaged groups, they can help older adults, and individuals and families in poverty enhance financial wellbeing through building awareness, financial knowledge, and confidence and advocate for policies.Au cours des dernières années, les spécialistes du travail social se sont concentrés sur la capacité financière afin d'aider les individus et les familles confrontés à des disparités croissantes en termes de richesse et de revenus. Bien qu'un certain nombre d'études aient examiné l'association entre le niveau de connaissances financières des individus et leurs comportements et pratiques au niveau financier, nous en savons peu sur la manière dont les connaissances financières varient selon la situation et les caractéristiques sociales des personnes, tel que le revenu, l'âge ou le genre. Dans cette thèse, j'ai utilisé des données quantitatives provenant de l'Enquête canadienne sur les capacités financières de 2009 et de 2014 ainsi que des données qualitatives recueillies auprès d'informateurs clés afin d'examiner la disparité des connaissances et de la confiance financière et pour identifier les groupes défavorisés.Les conclusions de cette thèse suggèrent que les personnes âgées surestiment significativement leur niveau de connaissances financières, ce qui implique une vulnérabilité à la fraude financière, à l'exploitation et aux abus. Les résultats suggèrent également que les personnes à faibles revenus ont des niveaux de connaissances financières nettement inférieurs à ceux des individus ayant de meilleurs revenus. Cependant, aucun écart entre les genres en matière de connaissances financières n'a été constaté à l'intérieur des groupes de revenu. Les résultats de l'enquête qualitative sont complémentaires aux conclusions des études quantitatives. Ces résultats ont mis de l'avant que les connaissances financières sont contextuelles et dictées par les pratiques financières. Les connaissances financières seules ne suffisent pas pour prendre des décisions financières éclairées; les individus ont besoin de confiance financière, d'avoir accès à des produits et services financiers, et de revenus suffisants pour atteindre le bien-être financier.Le développement de connaissances financières parmi les groupes vulnérables tels que les personnes âgées et les personnes vivant dans la pauvreté doit être une priorité au plan des politiques sociales et de la pratique du travail social. Puisque les travailleurs sociaux œuvrent auprès des personnes vulnérables et de groupes désavantagés, ils peuvent contribuer à améliorer le bien-être financier des personnes âgées et des personnes et familles pauvres en les sensibilisant, en les aidant à améliorer leurs confiance et connaissances financières et en soutenant des politiques sociales