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Ellucidating mechanisms of homotypic mitochondrial fusion
No full textMitochondrial fusion occurs in many eukaryotes including animals, plants, and fungi. It is essential for cellular homeostasis, and yet, the underlying mechanisms remain elusive. Fusion in all systems requires core fusion GTPases that reside in the outer mitochondrial membrane, called Fzo1 in yeast or Mfn1 and Mfn2 in mammalian systems. While post-translational ubiquitination of yeast Fzo1 was shown to drive fusion in yeast, a cell-free mitochondrial fusion assay using mitochondria from HeLa cells revealed that this modification is not required for fusion. Comparative analyses and phylogenetic reconstructions revealed further critical distinctions between the fungal Fzo1 and mammalian Mfns. These GTPases are highly diverged from one another, and lack strong sequence similarity. Bioinformatics analysis showed that fungal Fzo1 proteins exhibit two predicted transmembrane domains, whereas metazoan Mitofusins contain only a single transmembrane domain. This prediction contradicts the current models suggesting both animal and fungal proteins share one topology. This newly predicted topology of MFN1 and MFN2 was demonstrated biochemically, confirming that the C-terminal, redox-sensitive cysteine residues reside within the intermembrane space (IMS). Serial truncation mutants revealed that the ~15kDa C-terminus was required for targeting of MFN2. However the heptad repeat 2 (HR2) domains that reside within the intermembrane space of MFN1 and MFN2 were shown to be regulatory, but non-essential for mitochondrial fusion, since MFNs lacking HR2 partially rescued mitochondrial fragmentation morphology in cells lacking these GTPases. Functional experiments further established that redox-mediated disulfide modifications within the IMS domain are key modulators of reversible MFN oligomerization that drives fusion. Together, these results lead to a revised understanding of MFNs as single-spanning outer membrane proteins with an Nout-Cin orientation, providing functional insight into the IMS contribution to redox-regulated fusion events.La fusion mitochondriale se produit chez de nombreux eucaryotes, notamment les animaux, les plantes et les champignons. C'est essentiel pour l'homéostasie cellulaire, et pourtant, les mécanismes sous-jacents restent insaisissables. La fusion dans tous les systèmes nécessite des GTPases de fusion de base qui résident dans la membrane mitochondriale externe, appelée Fzo1 dans la levure ou Mfn1 et Mfn2 chez les mammifères. Alors qu'il a été démontré que l'ubiquitination post-traductionnelle de la Fzo1 chez les levures entraînait la fusion dans la levure, un test de fusion mitochondriale sans cellules utilisant des mitochondries de cellules HeLa a révélé que cette modification n'était pas nécessaire pour la fusion. Les analyses comparatives et les reconstitutions phylogénétiques ont révélé d'autres distinctions critiques entre le Fzo1 des levures et les Mfns des mammifères. Ces GTPases sont très différentes les unes des autres et n'ont pas de similarité de séquence. Une analyse bioinformatique a montré que les protéines fongiques Fzo1 présentaient deux domaines transmembranaires prédits, alors que les Mitofusins metazoans ne contiennent qu'un seul domaine transmembranaire. Cette prédiction contredit les modèles actuels suggérant que les protéines animales et fongiques partagent la même topologie. La topologie nouvellement prédite de MFN1 et MFN2 a été démontrée de manière biochimique, confirmant que les résidus de cystéine C-terminal sensibles au redox se trouvent dans l'espace intermembranaire (IMS). Des mutants de troncature en série ont révélé que l'extrémité C-terminale ~15 kDa était nécessaire pour cibler MFN2. Cependant, les domaines heptad repeat 2 (HR2) situés dans l'espace intermembranaire de MFN1 et MFN2 se sont avérés régulateurs, mais non essentiels pour la fusion mitochondriale, car les MFN dépourvues de HR2 ont partiellement sauvé la morphologie de la fragmentation mitochondriale dans les cellules dépourvues de ces GTPases. Des expériences fonctionnelles ont également démontré que les modifications au disulfure induites par l'oxydo-réduction dans le domaine IMS sont des modulateurs essentiels de l'oligomérisation réversible de MFN qui conduit à la fusion. Ensemble, ces résultats ont permis de mieux comprendre les MFNs en tant que protéines membranaires externes à orientation unique orientées vers Nout-Cin, offrant ainsi un aperçu fonctionnel de la contribution du système IMS aux événements de fusion régulés par l'oxydo-réduction
Identification of molecular changes during compaction in the preimplantation mouse embryo
No full textCompaction is the first morphogenetic event essential for the formation of the blastocyst during mouse preimplantation development. It is recognized as an increase in cell-cell contact and minimizing the exposed surface area of the embryo. However, the molecular mechanisms governing compaction have not been elucidated. To identify molecular changes before and after compaction, we investigated the distribution of the actomyosin network and the E-cadherin complex, which are major regulators of cell shape. We observed a reduction of both F-actin and phospho-Myosin Light Chain II (pMLCII) at cell-cell contacts, compared to the contact-free surface after compaction, suggesting the generation of two cortical subdomains with distinct biophysical properties within a cell. E-cadherin and β-catenin were evenly distributed across the cell-cell contact and non-contact surfaces before and after compaction. However, we found an increase of α-catenin and a decrease of p120-catenin at cell-cell contacts compared to the contact-free surface after compaction. This suggests that the stoichiometry of the members of the E-cadherin complex appears to be dynamically changing. Homodimer forms of α-catenin have been shown to suppress actin polymerization by blocking ARP2/3 activity at cell-cell contacts and p120-catenin also functions in recruiting ROCK1, a Rho effector which can regulate acto-myosin contractility. We speculate that the change in distribution of α-catenin and p120 catenin would contribute to the reduction of F-actin and pMLCII at cell-cell contacts during compaction. In E-cadherin null embryos, the actomyosin network at cell-cell contacts was not lowered at the 8-cell stage. As expected, cortical localization of p120-catenin and β-catenin, both at cell-cell contacts and contact-free surface, was E-cadherin dependent. Interestingly, while α-catenin localization at the non-contact surface is E-cadherin dependent like other catenins, its localization at cell-cell contacts is E-cadherin independent. These results suggest that E-cadherin regulates the actomyosin network through canonical and non-canonical means at cell-cell contacts and the non-contact surface, respectively.Pendant le développement du l'embryon de la souris, le compactage est le premier évènement essential pour the génération du blastocyste. Nous reconnaissons le compactage par le grandissent du contact entre les cellules et la diminution du surface du l'embryon. Toutefois, on ne connaît pas le mécanisme moléculaire qui gouverne le compactage du l'embryon. Pour identifier les changements moléculaires avant et après le compactage, nous avons examiné la distribution des molécules de la groupe actomyosine et le complexe de E-cadherin-catenin, qui sont importante pour régler la forme des cellules. Nous avons observé une réduction de F-actin et le phospho-Myosin Light Chain II au contact des cellules après le compactage. Ses résultats proposent que la production de deux différents domaines corticaux dans un cellule est nécessaire pour le compactage. Nous avons aussi observé que E-cadherin et β-catenin sont également distribué autour tout le cortex, avant et après le compactage. Toutefois, nous avons aussi observé une augmentation de α-catenin et une diminution de p120-catenin au contact des cellules après le compactage. Ça nous dit que la complexe de E-cadherin-catenin change avant and après le compactage. Le forme homodimère de α-catenin étouffe l'activité de ARP2/3, qui fonctionne à la polymérisation de F-actin. P120-catenin est aussi trouver de recruté ROCK1, une molécule qui control la fonction de phospho-Myosin Light Chain II. Nous proposons une théorie que la distribution de α-catenin et p120-catenin sont responsables pour la réduction de F-actin et phospho-Myosin Light Chain II au contact entre les cellules. Les embryons mutants qui manquent du E-cadherin, (MZ)Cdh1-/-, ne peuvent pas réduire le F-actin et phospho-Myosin Light Chain II a l'étape de 8-cellules. On a aussi observé que la localisation de β-catenin et p120-catenin sont dépendons à l'expression de E-cadherin. Curieusement, la localisation de α-catenin a la contacte entre les cellules est indépendant de l'expression de E-cadherin. Au total, ses résultats proposent que le E-cadherin fonction a réglé la distribution des protéines corticale pour encourager le compactage
Interplay between chromatin and transcription factors drives pituitary cell fate specification
No full textComplex organisms begin as a single undifferentiated cell, the zygote, which derives a multitude of highly specialized cell types through sequential rounds of differentiation. Cell fate specification is the fundamental process by which cells engage towards specialization. Cell fate transitions during normal development are poorly understood. My work focused on the role of pioneer factors during differentiation. These transcription factors find their target sites even concealed in closed chromatin leading to chromatin opening and binding of nonpioneer transcription factors.We first studied pioneer driven cell differentiation of two pituitary lineages, melanotropes and corticotropes, that both express the pro-opiomelanocortin (POMC) gene. We showed that Pax7 pioneer action drives melanotrope specification in vivo by opening a new enhancer repertoire. We uncovered pioneer action dynamics using an engineered inducible Pax7. Pax7 can locate its target rapidly (less than 30 minutes) but initially binds weakly. Then, Pax7 binds strongly in less than 24h while chromatin opening is slow and progressive over more than three days. Following Pax7 withdrawal, long-term memory of pioneer action is associated with loss of DNA methylation.We then, investigated the role of nonpioneers during pioneer driven chromatin opening. The typical model of pioneer factor action assumes that nonpioneers are passive in this process and that they opportunistically bind newly accessible chromatin, yet this was never tested. The pioneer factor Pax7 acts as the specifying factor for melanotropes fate while the nonpioneer Tpit acts as the determining factor of both melanotropes and corticotropes. Chromatin accessibility is affected in Pax7 or Tpit deficient mice; they are required for the opening of their cognate program. Strikingly, in the absence of Tpit, Pax7 fails to drive melanotrope chromatin opening. Ectopically expressed Pax7 confirmed that Pax7 bind closed chromatin regardless of Tpit expression while Tpit is unable to bind closed chromatin in absence of Pax7. However, in the absence of Tpit, Pax7 does not open chromatin. In summary, we propose that cooperation between a pioneer factor and a nonpioneer factor drives lineage specific chromatin opening.Tous les organismes multicellulaires débutent par le zygote, une cellule non différenciée qui dans le développement embryonnaire se différencie en multiples types cellulaires spécialisés. La spécification du destin cellulaire est un processus fondamental par lequel la cellule s'engage en différenciation. Les transitions de destin cellulaire durant le développement sont mal comprises. Mon travail s'est concentré sur le rôle des facteurs pionniers durant la différenciation. Ces facteurs sont capables de trouver leurs cibles même lorsque l'ADN est inaccessible dans de la chromatine fermée et permettent l'ouverture de la chromatine et la liaison de facteurs non-pionniers.D'abord, nous avons étudié l'implication de l'action pionnière lors de la différenciation de deux lignées hypophysaires, les mélanotropes et les corticotropes, qui expriment toute deux le gène de la pro-opiomelanocortine. Nous avons montré que l'action pionnière de Pax7 dirige la spécification des mélanotropes in vivo en ouvrant un nouveau répertoire d'enhancers. Nous avons découvert la dynamique de l'action pionnière à l'aide d'une version inductible de Pax7. Pax7 trouve ses cibles rapidement (moins de 30 minutes) mais initialement les lie faiblement. Pax7 est ensuite stabilisé sur ses sites en moins de 24h alors que l'ouverture de la chromatine est lente et progressive sur plus de trois jours. Après retrait de Pax7, l'action pionnière de Pax7 est stable et associées à une perte de la méthylation de l'ADN.Nous avons ensuite étudié le rôle des facteurs non-pionniers dans l'ouverture de la chromatine dépendante des facteurs pionniers. Le modèle classique de l'action pionnière présume que les non-pionniers sont passifs dans le processus et lient la chromatine nouvellement accessible de manière opportuniste, mais cela n'a jamais été testé. Le facteur pionnier Pax7 agi comme spécificateur du destin mélanotrope alors que le facteur non pionnier Tpit agi comme facteur de détermination pour les mélanotropes et les corticotropes. L'accessibilité de la chromatine est affectée dans les souris déficientes pour Pax7 ou Tpit, chacun est requis pour l'ouverture de son programme respectif. De manière remarquable, Pax7 ne déclenche pas l'ouverture de ses régions cibles en l'absence de Tpit. L'expression ectopique de Pax7 en présence/absence de Tpit confirme que Pax7 lie de manière stable la chromatine fermée en présence/absence de Tpit alors que Tpit ne lie pas la chromatine fermée en l'absence de Pax7. En revanche, en l'absence de Tpit, la liaison de Pax7 ne permet pas l'ouverture de la chromatine. Nous proposons qu'une coopération entre pionniers et non-pionniers permet l'ouverture de la chromatine
Lighting and enlightening the Chemistry of the cell with Chemoselective BODIPY Dyes
No full textThe oxidation of polyunsaturated fatty acids, be it via enzymatic or free-radical pathways, results in a plethora of chemical species—lipid peroxyl radicals, hydroperoxides, and lipid-derived electrophiles (LDEs)—that are critical to cell signalling and function and a major driving force in human diseases marked by oxidative stress. The exact signalling roles of the lipid oxidation products remains elusive as reliable real-time detection and quantification of these chemical species presents a major hurdle. Fluorescence microscopy, including cutting-edge super-resolution microscopy, combined with the rational design of fluorescent probes provides a unique opportunity to study chemical processes inside live cellular systems in a minimally-invasive manner with unprecedented spatio-temporal resolution.This thesis describes the development and application of fluorogenic probes and fluorescence microscopy methodologies to rationalize the chemistry and biology of lipid oxidation at the cellular level. It further extends fluorogenic probe design concepts to activatable photosensitizers as a means to exacerbate and ultimately probe the role of lipid oxidation in biology. The work focuses on three major goals: 1) To improve on current methods of developing fluorogenic probes through a greater understanding of the fundamental photochemistry/photophysics underlying the sensing mechanisms; 2) to develop novel fluorogenic probes and imaging methodologies to study the chemistry of lipid oxidation products in cell signalling; and 3) to use our understanding of the mechanisms of lipid oxidation to develop novel chemically-activated photosensitizers as tools to probe lipid oxidation in live cell systems and to conduct chemically-controlled photodynamic therapy.Following an introduction on the topic of lipid oxidation, its chemical underpinning and biological implications, a methodology is first described toward improving fluorogenic probes relying on an intramolecular 'off–on' switch based on photo-induced electron transfer (PeT) mechanism. We next report a new rotamer-based mechanism for highly-efficient deactivation of electronically excited meso-unsaturated BODIPY dyes relying on energy dissipation via internal conversion. We subsequently describe a fluorogenic electrophile that utilizes the conversion of a meso-acrolein moiety AcroB with the goal of emulating the chemical reactivity and lipid specificity of lipid derived electrophiles (LDEs). Building upon the AcroB system, a chemically reversible fluorogenic-electrophile (cyanoAcroB) bearing a cyanoacrylate moiety is reported. We finally describe two BODIPY-based efficient singlet oxygen photosensitizers (Br2BOAc and I2BOAc) and a chemically-activated photosensitizer, BromoAcroB. The latter compound highlights the effective control of singlet oxygen production by modulation of an LDE warhead, which we envision will serve as a unique tool to probe lipid oxidation in live cell systems.Armed with the new probes and imaging techniques described in this thesis, we are poised to unravel the chemical processes related to cellular lipid oxidation in cell homeostasis and disease. The thesis is concluded with an outlook on new possibilities for probe design, synthesis, and optimization as we set off on this new frontier of visualizing the chemistry of lipid oxidation in yet unexplored dimensions.L'oxydation des acides gras polyinsaturés, soit par des voies enzymatiques ou radicalaires, conduit à une variété d'espèces chimiques—tels que les radicaux peroxydes lipidiques, les peroxydes lipidiques, et les électrophiles dérivés de lipides (EDL)—qui sont essentielles à la signalisation et au fonctionnement cellulaires ainsi qu'un moteur principal aux maladies humaines marquées par le stress oxydatif. Puisque la détection et quantification fiables en temps réel des produits d'oxydation lipidiques constituent un obstacle majeur, les rôles exactes de ces espèces chimiques dans la signalisation cellulaire restent inconnus. La combinaison de la microscopie de fluorescence, y compris la microscopie à super-résolution de pointe, avec la conception rationnelle des sondes fluorescentes fournit une opportunité unique d'étudier les processus chimiques au sein de systèmes cellulaire vivants d'une façon mini-invasive et avec une résolution spatio-temporelle sans-précédente. Cette thèse décrit le développement et l'application des sondes fluorogéniques et des méthodologies de microscopie de fluorescence afin de rationaliser la chimie et la biologie de l'oxydation lipidique au niveau cellulaire. Elle améliore en outre les concepts de conception des sondes fluorogéniques à celle des photosensibilisateurs activables comme moyens d'exacerber l'oxydation lipidique et finalement de sonder son rôle biologique. L'œuvre se concentre sur trois objectifs principaux. Premièrement, l'amélioration des méthodes courantes de développement des sondes fluorogéniques à travers une meilleure compréhension des principes de photochimie / photophysique sous-jacents aux mécanismes de détection. Deuxièmement, le développement de sondes fluorogéniques nouvelles ainsi que des méthodologies d'imageries nouvelles pour étudier la chimie de signalisation cellulaire des produits de l'oxydation des lipides. Finalement, l'emploi de notre compréhension des mécanismes d'oxydation lipidique pour développer des photosensibilisateurs activables chimiquement comme outils permettant de sonder l'oxydation lipidique dans des systèmes de cellules vivantes et de mener une thérapie photodynamique à contrôle chimique.Suite à une introduction sur le thème de l'oxydation des lipides, ses fondements chimiques, et ses implications biologiques, une méthodologie est tout d'abord décrite vers l'amélioration des sondes fluorogéniques qui se fie à une commutation intramoléculaire allumée / éteinte basée sur un mécanisme de transfert d'électrons photo-induit (TeP). Nous rapportons ensuite un nouveau mécanisme basé sur le rotamère pour la désactivation très efficace des colorants BODIPY méso-insaturés et excités électroniquement fondée sur la dissipation d'énergie par voie de conversion interne. Nous décrivons ensuite un électrophile fluorogène, AcroB, qui utilise la conversion chimique d'un fragment méso-acroléine dans le but d'émuler la réactivité chimique et la spécificité lipidique des électrophiles dérivés de lipides (EDL). Sur la base du système AcroB, nous décrivons un électrophile fluorogène chimiquement réversible (cyanoAcroB) portant un groupement fonctionnel cyanoacrylate. Nous décrivons enfin deux photosensibilisateurs d'oxygène singulet efficaces basés sur BODIPY (Br2BOAc et I2BOAc) ainsi qu'un photosensibilisateurs activé chimiquement, BromoAcroB. Le dernier composé met en évidence le contrôle efficace de la production d'oxygène singulet à travers la modulation d'une ogive EDL.Equipés des nouvelles sondes et techniques d'imagerie décrites dans cette thèse, nous sommes prêts à dénouer les processus chimiques liés à l'oxydation lipidique cellulaire dans l'homéostasie et les maladies cellulaire. La thèse conclue par une perspective sur des nouvelles possibilités de conception, de synthèse et d'optimisation de sondes alors que nous abordons cette nouvelle frontière de la visualisation de la chimie de l'oxydation des lipides dans des dimensions encore inexplorées
Permeability of ultra thin porous materials by poro-elastic response
No full textThin porous materials frequently make up important components in electrochemical systems. For example, fuel cell catalyst layer electrodes are thin (≈ 10 μm) porous layers that have high surface area to volume ratios, efficient mass transport, and lower material requirements. Accurate measurements of material properties are essential for understanding current and designing new electrochemical systems. However, these catalyst layers are often delicate and awkward to handle making it difficult to characterize them using conventional experimental methods. Therefore, it is important to develop new experimental techniques specific for thin porous materials.This work explored nanoindentation as a method to estimate the properties of thin porous materials. By fitting poroelastic finite element models to experimental stress relaxation curves, permeabilities of thin (300 – 2000 μm) agar gels of varying concentrations were determined and found to agree with reported literature values. However, similar measurements for fuel cell catalyst layers did not produce reliable permeability estimates. Stress relaxations were not present in saturated catalyst layer indentation measurements, indicating the experimental setup used in this project was unable to capture the dynamics of fluid movement in the layers. Poroelastic finite element models also showed the duration of stress relaxations decreased as indentation depths became large with respect to the total thickness of the sample. The reasons nanoindentation didn't successfully characterize the poroelastic behavior of catalyst layers are discussed and suggestions for future experimental designs are provided.Les matériaux minces poreux sont fréquemment utilisés dans la fabrication des composantes importantes des systèmes électrochimiques. Par exemple, les électrodes de la membrane catalytique des piles à combustible sont de minces membranes (≈ 10 μm) poreuses qui présentent des rapports surface / volume élevés, un transport de masse efficace et des besoins en matériaux plus faibles. Des mesures précises des propriétés des matériaux sont essentielles à la compréhension du courant et à la conception de nouveaux systèmes électrochimiques. Cependant, ces membranes de catalyseur sont souvent délicates et difficiles à manipuler, ce qui rend difficile leur caractérisation au moyen de méthodes expérimentales conventionnelles. Il est donc important de développer de nouvelles techniques expérimentales spécifiques aux matériaux poreux minces.Ce travail a exploré la nanoindentation comme méthode pour estimer les propriétés des matériaux poreux minces. En adaptant les modèles par éléments finis poroélastiques aux courbes expérimentales de relaxation de contrainte, les perméabilités de gels d'agar minces (300 - 2000 μm) de concentrations variées ont été déterminées et se sont avérées conformes aux valeurs de la littérature. Cependant, des mesures similaires pour les membrane catalytique de piles à combustible n'ont pas permis d'obtenir des estimations de perméabilité fiables. Les relaxations sous contrainte n'étaient pas présentes dans les mesures d'indentation de membranes catalytiques saturées, indiquant que les échantillons étaient trop perméables pour l'installation expérimentale utilisée dans ce projet. Les modèles d'éléments finis poroélastiques ont également montré que la durée des relaxations de contrainte diminuait à mesure que les profondeurs d'indentation devenaient importantes par rapport à l'épaisseur totale de l'échantillon. Ce projet a examiné les raisons pour lesquelles la nanoindentation n'a pas réussi à caractériser le comportement poroélastique des membranes catalytiques et a fourni des suggestions pour de futures conceptions expérimentales
Response of variable-depth reinforced concrete pier cap beams
No full textFour variable-depth pier cap beams were constructed and tested. These specimens were designed to have reinforcement details similar to types 04A and 168 pier cap beams used in the existing Champlain Bridge. The primary objectives were to examine and compare the behavior of variable depth cap beams at service loading and at failure, to analyze the effectiveness of crack control reinforcement, and to investigate the influence of external horizontal post-tensioning. Additionally, the observed cap beam responses were compared with three prediction models: sectional analyses, strut-and-tie models, and non-linear finite element analyses. It was concluded that the amount of crack control reinforcement was important in controlling crack widths at service load level. The inclined shear reinforcement was found to be effective in resisting shear. Horizontal post-tensioning was effective in reducing crack widths and the overall stiffness of the pier cap beams, but did not lead to significant increases in strength. Failure shears predicted by the sectional analyses were conservative and better than those predicted by the strut-and-tie model. Non-linear finite element analyses gave very good predictions of the complete behavior and strength of the pier cap beams.Quatre chevêtres en poutre de profondeur variable ont été construites et testées. Ces spécimens ont été construits avec des armatures semblables à celles utilisées dans les chevêtres du pont Champlain existant, spécifiquement 04A et 168. Un des objectifs était d'examiner et de comparer le comportement des chevêtres lors des chargements de service et au moment de la rupture. De plus, l'efficacité de l'armature pour contrôler la fissuration et l'influence de la précontrainte horizontale externe ont été examinées. Les réponses observées des spécimens ont été comparées à trois modèles de prédiction : les analyses en coupe, les modèles bielle-tirant, et les analyses par éléments finis non linéaires.En conclusion, la quantité d'armature pour contrôler la fissuration était performante dans la maîtrise de la largeur des fissures lors de chargements de service. L'armature de cisaillement inclinée s'est avérée efficace pour résister au cisaillement. La précontrainte horizontale a été efficace pour réduire la largeur des fissures et la rigidité des chevêtres en poutre, mais sans augmentation de la résistance. Les cisaillements maximaux prédits par les analyses en coupe étaient conservateurs et meilleurs à ceux prédits par le modèle bielle-tirant. Les analyses des éléments finis non linéaires ont très bien prédit le comportement et la résistance des chevêtres en poutre
On the neuronal mechanisms of visuomotor transformations in humans
No full textSince the publication of Gustav Fechner's Element der Psychophysik in 1860, psychophysics approaches have been used to understand the relationship between sensory inputs and human perception and action. The discovered characteristics of the stimulus-behavior relationship have led to crucial insights about the underlying neuronal circuitry that transforms sensory input to perception or motor output. The architecture of neuronal circuitries can now be inferred more directly thanks to the state-of-the-art technologies of invasive and non-invasive neuronal recordings and genetic manipulations, though a comprehensive understanding of stimulus-brain-behavior relationship still requires precise investigation of behavior. Carefully designed psychophysics experiments combined with analysis of behavioral components and computational modeling can develop theories of the stimulus-brain-behavior relationship which can then be complemented and validated by neural recording and manipulation experiments.This thesis is a continuation of two-century-old psychophysics approach to understand the neuronal mechanism of visuomotor transformation. I combined psychophysics experiments and computational modeling and analysis to infer the neuronal basis of sensory representation, motor readout, and cognitive control in visuomotor transformation. In Chapter 2, I study the trial-to-trial variability of visuomotor transformation using smooth pursuit eye movements as the behavioral model. I hypothesize that the pattern of pursuit variability across stimulus sizes reflects the contribution of only a subtype of MT neurons in smooth pursuit initiation. Combining behavioral measurements with electrophysiology recordings from monkeys through computational modeling corroborate our hypothesis, showing that only a subset of MT neurons (i.e. neurons with surround suppression) mainly contribute in the initiation of smooth pursuit. As this subset of MT neurons is the less noisy subpopulation of area MT, the behavioral variability in smooth pursuit cannot be completely due to sensory variability, and is, at least partially, caused by areas downstream of visual cortex that read out sensory information to motor output. In Chapter 3, I study perceptual learning as the plasticity in the readout component of visuomotor transformation. It has been shown that perceptual training changes the readout weight of sensory neurons, but the effect of different training stimuli on the reorganization of readout weights is not yet clear. We show that the complexity of the training stimulus is a determining factor in reweighting of the sensory readout to perceptual decisions. After training human subjects on simple and complex motion stimuli, we show that, unlike simple motion training, complex motion increases the contribution of a higher motion sensitivity area (known as area MST) in perceptual decision making. In Chapter 4, I study the neuronal correlate of cognitive control in visuomotor transformation using the anti-saccade task. Parkinson's disease patients with implanted deep brain stimulation provide us with a unique opportunity to investigate the role of basal ganglia, and specifically, subthalamic nucleus, in cognitive control in visuomotor transformation. We show that stimulation of subthalamic nucleus causes deficiencies in inhibitory control in the anti-saccade task, and this deficiency is more severe when patients have not taken their regular dose of levodopa medication. These results emphasize the crucial role of subthalamic nucleus in context-dependent control of visuomotor transformation. Put together, this thesis provides novel insights into different components of visuomotor transformations in the brain. I show that the structure of sensory representation, the plastic nature of motor readout, and the contribution of subcortical structures in cognitive control can all influence different aspects of generating motor output based on visual sensory input.Depuis la publication Element der Psychophysik en 1860 par Gustav Fechner, la discipline de la psychophysique a été utilisée afin de mieux comprendre le lien entre les informations sensorielles, la perception, et l'action humaine. La découverte des caractéristiques du lien entre stimuli et comportements humains a conduit à des observations clés sur les circuits neuronaux de base qui transforment l'information sensorielle en perception ou en réaction motrice. L'architecture des circuits neuronaux peut maintenant être déduite directement grâce aux technologies de pointe, incluant des enregistrements invasifs et non invasifs de neurones et des manipulations génétiques. Cependant, une compréhension complète de la relation entre les stimuli, le cerveau et les comportements nécessite encore une investigation précise du comportement. Cette thèse s'inscrit dans la continuité d'une approche psychophysique vieille de deux siècles visant à comprendre le mécanisme neuronal de la transformation visuomotrice. La psychophysique a été combinée à la modélisation et à l'analyse computationnelle afin de déduire la base neuronale de la représentation sensorielle, de sa traduction motrice et du contrôle cognitif dans la transformation visuomotrice.Dans le deuxième chapitre de cette thèse, la variabilité de la transformation est évaluée d'un essai à l'autre en utilisant la poursuite visuelle lente comme modèle comportemental. L'hypothèse que la tendance de variabilité de la poursuite visuelle selon la taille du stimulus reflète la contribution d'un seul sous-type de neurones de la région MT du cortex visuel dans l'initiation de la poursuite visuelle lente est émise. La combinaison de mesures comportementales et d'enregistrements électrophysiologiques chez les singes par le biais d'un modèle computationnel corrobore notre hypothèse, montrant qu'un seul sous-type de neurones de la région MT (c'est-à-dire les neurones avec une suppression du surround) contribue principalement à l'initiation de la poursuite visuelle lente. Dans le troisième chapitre, l'apprentissage perceptif est analysé en démontrant son rôle dans la plasticité de la composante de lecture de la transformation visuomotrice. Il a été démontré que l'entraînement perceptif modifiait la pondération de l'interprétation des différents neurones sensoriels, mais l'effet de l'entrainement avec différents stimuli sur cette réorganisation n'est pas encore clair. Nous démontrons que la complexité du stimulus pendant l'apprentissage est un facteur déterminant de la pondération de l'interprétation sensorielle pour la décision perceptuelle. Après avoir entraîné des sujets humains avec des stimuli de mouvement simples et complexes, nous montrons que, contrairement à l'entrainement avec des mouvements simples, l'entrainement avec les mouvements complexes augmentent la contribution d'une zone de sensibilité au mouvement située en amont de la zone MT (appelée zone MST) dans la prise de décision perceptuelle. Dans le quatrième chapitre, le rôle neuronal du contrôle cognitif dans la transformation visuomotrice à l'aide de la tâche 'anti-saccade' est étudiée. Les patients atteints de la maladie de Parkinson ayant une stimulation cérébrale profonde implantée nous offrent une opportunité unique pour étudier le rôle des ganglions de la base, et plus particulièrement du noyau sous-thalamique, dans le contrôle cognitif de la transformation visuomotrice. Nous montrons que la stimulation du noyau sous-thalamique entraine une diminution du contrôle inhibiteur dans la tâche 'anti-saccade', et cette déficience est plus grave lorsque les patients ne prennent pas leur dose régulière de lévodopa. Ces résultats soulignent le rôle crucial du noyau sous-thalamique dans le contrôle contextuel de la transformation visuomotrice
Physics-based audio synthesis in computer graphics
No full textPhysics-based audio synthesis is finding increasingly diverse applications within computer graphics and animation. Conventional approaches based in modal synthesis are appropriate for simulations of rigid body contact sounds and large deformable objects, but are ill-suited for other primitives such as elastic rods and thin shells due to the non-linear effects that come with large displacements and the computational cost associated with highly refined meshes. In this thesis, we describe a software framework for the simulation of elastic rods and generation of sound from their motion that overcomes these limitations. A discrete elastic rod model based in Kirchhoff theory is used in simulating the rod dynamics, and a dipole source model is used to compute acoustic pressure values in the far-field. We consider a number of test systems to illustrate the fundamentals of the rod model and the variety of sounds that may be produced with a few free parameters.La synthèse audio basée sur la physique trouve des applications de plus en plus diverses dans les domaines de l'infographie et de l'animation. Les approches classiques basées sur la synthèse modale sont appropriées pour les simulations de sons de contact corps rigide et de grands objets déformables, mais sont mal adaptées à d'autres primitives telles que les tiges élastiques et les coques minces en raison des effets non linéaires liés aux grands déplacements et aux contraintes de calcul. coût associé à des mailles très raffinées. Dans cette thèse, nous décrivons un framework logiciel pour la simulation de tiges élastiques et la génération de son à partir de leur mouvement qui surmonte ces limitations. Un modèle de tige élastique discret basé sur la théorie de Kirchhoff simule la dynamique de la tige, et un modèle source dipolaire est utilisé pour calculer les valeurs de pression acoustique dans le champ lointain. Nous examinons un certain nombre de systèmes de test pour illustrer les principes fondamentaux du modèle à barres et la variété de sons pouvant être produits avec quelques paramètres libres
A voice of English-Montreal: the first twenty years of Véhicule Press, 1973-1993
No full textVéhicule Press is a small book publishing company in Montreal that specializes in poetry, fiction, and social history and publishes in the English-language. Directed by Simon Dardick and Nancy Marrelli, the Press celebrated its forty-fifth-year anniversary in 2018. Drawing on data collected from the Véhicule Press and Véhicule Art (Montreal) Inc. fonds stored in the Concordia University Library Special Collections, this thesis explores the first twenty years (1973–1993) of Véhicule Press and follows the evolution of the company from a commercial printing operation in the back room of a gallery, Véhicule Art Inc., to a book publisher that has contributed greatly to the communities of Montreal. The thesis argues that, through the publication of poetry, artist books, and books on the history of Montreal and Quebec, a continual policy of inclusivity and diversity, and a gradually expanding outreach, Véhicule Press has sought to educate the world about the unique and diverse histories and peoples of Montreal and Quebec. The thesis also acknowledges the impact that funding, especially from the Canada Council for the Arts, has had on the publishing house over the years, as well as various other events that helped shape the press into the company that it is today.Véhicule Press est une petite compagnie d'Edition de livres à Montréal qui se spécialise en poésie et en histoire sociale et qui publie principalement en anglais. La compagnie est dirigée par Simon Dardick et Nancy Marrelli et a célébré son quarante-cinquième anniversaire pendant l'été 2018. Ce mémoire, en examinant les archives de Véhicule Press et Véhicule Art (Montreal) Inc. qui sont conservées dans les collections spéciales de la bibliothèque de l'Université Concordia, enquête sur les vingt premières années (1973–1993) de Véhicule Press. Le mémoire suit l'évolution de la compagnie de ses débuts, comme une opération d'impression commerciale dans la salle arrière de la galerie Véhicule Art Inc., à une Maison d'Edition de livres qui a grandement contribué aux communautés de Montréal. L'argument soutient que Véhicule Press, à travers la publication de poésie montréalaise et de plusieurs livres sur l'histoire de Montréal et du Québec, et à travers le maintien d'une orientation très inclusive et diversifiée, travaillait pour éduquer le reste du Canada sur les histoires et les peuples uniques de Montréal. De plus, le mémoire reconnaît l'impact de divers événements et du financement externe, notamment du Conseils des Arts du Canada, dans le façonnement de la compagnie telle qu'elle existe encore aujourd'hui
Development and validation of structural Magnetic Resonance Imaging (MRI)-based biomarkers for diagnosis and prognosis of prodromal Alzheimer's disease
No full textAlzheimer's disease (AD) is a neurodegenerative disease and the most common cause of dementia. Currently in Canada, there are about 750,000 people living with dementia with more than 60,000 new cases diagnosed each year. Considering the relative failures in recent clinical trials, combined with the promising prospect of life-style changes, early prediction of the future onset of dementia in the early stages of Alzheimer's disease continuum can be highly beneficial. Advances in better identifying future progressors may both enhance population design for clinical trials and better identify the at-risk populations for life-style interventions. This thesis focuses on enhancement of dementia onset in patients with Mild Cognitive Impairment (MCI) using structural Magnetic Resonance Images (MRI) driven markers. The volume of the hippocampus is one of the best-known MRI-based biomarkers for Alzheimer's disease. Here, it is investigated using four different automatic hippocampus segmentation methods, each enhanced with bias error correction. Results show that multi-atlas-based hippocampus segmentation methods are accurate and show high conformity with manual delineation, and they can be further enhanced using a bias correction technique. The methods compared are not significantly different in their ability to capture AD related pathology. The Cohen's d group difference in hippocampal volume between patients with Alzheimer's dementia and healthy controls is high for all the methods and is of medium size between patients with MCI who convert to dementia in the near future and to those who remain stable for all the methods.Due to the wide-spread use of hippocampal volume a recent effort has been made by researchers in the field to harmonize the hippocampus segmentation protocol. The resulting new protocol, known as the EADC-ADNI harmonized protocol or the HarP, needs more validation. I validate the protocol using a large multi-center database designed for AD biomarker research. The results show that the HarP-based automatic segmentation is an accurate hippocampal segmentation which can be used in AD-related research to capture the Alzheimer's pathology. The methods described above are used in a novel model to predict the onset of dementia in an MCI population during different follow-up periods. The model combines information from MRI-driven markers from the hippocampus and entorhinal cortex with cognitive scores at baseline and tries to predict the diagnostic stage of each subject in different time intervals following the baseline visit. The model produces promising results using information from both cognitive scores and MRI markers to reach higher performance. MRI markers are more sensitive, while cognitive scores bring specificity to the prediction. Furthermore, for a follow-up period of 5 years, the model reaches an area under the receiver operating curve of 0.92 and an accuracy of 87%. Therefore, the prognostic model demonstrates promise as a candidate to be used in the clinic to identify subjects with prodromal Alzheimer's dementia at the MCI stage. Finally, I show that the AD-related atrophy pattern is even present in cognitively normal subjects and can be captured through hippocampal-based markers. I show that there is a small effect size (as measured by Cohen's d) between hippocampal volume in subjects who progress to MCI and/or dementia or subjects who maintain their normal cognition, while the effect is of medium size for the hippocampal grade. This thesis evaluates different automatic and manual hippocampus segmentation techniques and validates hippocampus volume as the most widely used AD marker. Moreover, I present a model to predict the onset of dementia in subjects MCI. I further validate hippocampal driven markers as an Alzheimer's biomarker in very early stages of the disease. Therefore, the results of this work will improve early detection of Alzheimer's leading to decrease the prevalence of the disease.La maladie d'Alzheimer (MA) est une maladie neurodégénérative et la cause la plus fréquente de la démence. Compte tenu du vieillissement de la population, le fardeau social et économique de MA augmente chaque jour. Les échecs relatifs des récents essais cliniques et la perspective prometteuse de changements de mode de vie indiquent que la prédiction précoce de l'apparition future de la démence aux premiers stades de MA peut être très bénéfique. Cette thèse vise à améliorer la prédiction de l'apparition de démence chez les patients atteints de troubles légers de la cognition (TLC) à l'aide de marqueurs structurels de l'imagerie par résonance magnétique (IRM).Le volume de l'hippocampe est l'un des biomarqueurs les plus connus de MA. Dans cette étude, il est évalué à l'aide de quatre méthodes différentes de segmentation automatique de l'hippocampe. Les résultats montrent que les méthodes de segmentation de l'hippocampe sont précises, en comparaison a plusieurs atlas d'imagerie. Elles paraissent conformes à la délimitation manuelle et peuvent être améliorées par la technique de correction de biais. Cependant, les différentes méthodes ne montrent pas de différences significatives dans leur capacité à identifier des modifications pathologiques liées à MA. En raison de l'utilisation répandue du volume de l'hippocampe en IRM en tant que biomarqueur de choix de MA des chercheurs ont récemment tenté d'harmoniser le protocole de segmentation de l'hippocampe. Le protocole proposé, appelé protocole d'harmonisation EADC-ADNI ou le HarP, nécessite davantage de validation. Cette thèse valide le protocole en utilisant une grande base de données multicentriques conçue pour la recherche de biomarqueurs de MA. Les résultats montrent que la segmentation automatique basée sur le HarP est une segmentation précise de l'hippocampe qui peut être utilisée dans la recherche liée à la MA pour identifier des modifications pathologiques induites par la MA. En plus, un nouveau modèle est proposé pour prédire l'apparition de démence dans la population TLC au cours de différentes périodes de suivi. Le modèle combine des informations provenant de marqueurs IRM de l'hippocampe et du cortex entorhinal avec des scores cognitifs au départ. Le modèle intègre des informations provenant de scores cognitifs et de marqueurs d'IRM pour atteindre des performances plus élevées. Les marqueurs d'IRM sont plus sensibles, alors que les scores cognitifs apportent une meilleure spécificité à la prédiction. Pour une période de suivi de 5 ans, le modèle atteint une aire sous la courbe ROC de 0,92 et une précision de 87%. Par conséquent, le modèle pronostique s'avère prometteur en tant que candidat à une utilisation en clinique pour identifier les sujets atteints de démence d'Alzheimer débutante au stade TLC.Enfin, le modèle d'atrophie liée à la MA est enfin retrouvé chez les sujets ayant des fonctions cognitives normales et peut être identifiée avec les marqueurs IRM de l'hippocampe. Un effet taille de faible ampleur (mesuré par le d de Cohen) est retrouvé entre le volume de l'hippocampe chez les sujets évoluant vers le TLC et/ou la démence ou les sujets conservant leur cognition normale, alors que l'effet est d'ampleur moyenne pour le grade hippocampique. Cette thèse évalue différentes techniques de segmentation automatique et manuelle de l'hippocampe et valide le volume de l'hippocampe en tant que marqueur MA le plus largement utilisé. De plus, un modèle permettant de prédire l'apparition de démence chez les sujets présentant une déficience cognitive légère est présentée dans cette thèse. Les marqueurs IRM de l'hippocampe en tant que biomarqueurs de MA sont valides aux tout premiers stades de la maladie. Par conséquent, les résultats de ces travaux amélioreront la détection précoce de la démence d'Alzheimer, ce qui, avec des interventions efficaces, pourrait permettre de réduire la prévalence de la démence et de réduire le fardeau social et économique de la maladie