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Analytical and numerical studies of thalamo-cortical neural populationmodels during general anesthesia

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Bien que l’anesthésie générale est un outil indispensable dans la chirurgie médicale d’aujourd’hui,ses mécanismes sous-jacents précis sont encore inconnus. Au cours de la sédaction induite parle propofol les actions anesthésiques à l’échelle microscopique du neurone isolé conduisent àdes changements spécifiques à l’échelle macroscopique qui sont observables comme les signauxélectroencép-halogrammes (EEG). Pour une concentration faible en propofol, ces changementscaractéristiques comprennent une augmentation de l’activité dans les bandes de fréquence delta (0.5-4Hz) et alpha (8-13 Hz) dans la région frontal, une l’activité augmentée de delta et une l’activité diminuéede alpha dans la région occipital. Dans cette thèse, nous utilisons des modèles de populations neuronalesthalamo-corticales basés sur des données expérimentales. Les effets de propofol sur lessynapses et sur les récepteurs extra-synaptiques GABAergiques situés dans le cortex et le thalamussont modélisés afin de comprendre les mécanismes sous-jacents aux changements observésdans certains puissance de l’EEG-spectrale. Il est démontré que les modèles reproduisent bien lesspectrales caractéristiques observées expérimentalement. Une des conclusions principales de cetravail est que l’origine des delta rythmes est fondamentalement différente de celle des alpha rythmes.Nos résultats indiquent qu’en fonction des valeurs moyennes des potentiels de l’état du systèmeau repos, une augmentation ou une diminution des fonctions de gain thalamo-corticale résulte respectivementen une augmentation ou une diminution de alpha puissance. En revanche, l’évolutionde la delta puissance est plutôt indépendant de l’état du système au repos; la amélioration dela puissance spectrale de delta bande résulte de l’inhibition GABAergique synaptique ou extrasynaptiquepour les fonctions de gain non linéaire à la fois croissante et décroissante. De plus,nous cherchons à identifier les paramètres d’un modèle de thalamo-corticale en ajustant le spectrede puissance de modèle pour les enregistrements EEG. Pour ce faire, nous considérons la tâchede l’estimation des paramètres dans les modèles qui sont décrits par un ensemble d’équationsdifférentielles ordinaires ou bien stochastiques avec retard. Deux études de cas portant sur desdonnées pseudo-expérimentale bruyants sont d’abord effectuées pour comparer les performancesdes différentes méthodes d’optimisation. Les résultats de cette élaboration montrent que laméthode utilisée dans cette étude est capable d’estimer avec précision les paramètres indépendantsdu modèle et cela nous permet d’éviter les coûts de calcul des intégrations numériques.En considérant l’ensemble, les conclusions de cette thèse apportent de nouveaux éclairages surles mécanismes responsables des changements spécifiques qui sont observées pendant la sédationpropofol-induite dans les modèles de EEG.
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... Responses to stochastic forcing takes a form similar to the response to forcing of a single frequency as shown in Eq. (9) (Hashemi 2016;Masoliver and Porrà 1993). We demonstrate the damping effect on periods of the harmonic oscillator in the presence of Gaussian white noise forcing in Fig. 10. ...
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The Madden-Julian oscillation (MJO) is a large-scale eastward-moving system that dominates tropical subseasonal perturbations with far-reaching impacts on global weather- climate. For nearly a half century since its discovery, there has not been a consensus on the most fundamental dynamics of the MJO, despite intensive studies with a number of theories proposed. In this study, using a simple analytical approach, we found a solution to the linear equatorial shallow water equations with momentum damping that resembles a harmonic oscillator. This solution exhibits the key characteristics of the observed MJO: its intraseasonal periodicity at the planetary scale and eastward propagation. In contrast to theories that interpret the MJO as a new mode of variability emerging from the evolution in moisture, our solution emphasizes that the core of the MJO resides in the dynamics without explicit fluctuations in moisture. Moisture still plays a role in supplying energy to the core dynamics of the MJO, and determining the value of the equivalent depth required by the theory. The energy source may come from stochastic forcing in the tropics or from the extratropics. The scale selection for the MJO comes from scale-dependent responses to scale-independent Rayleigh damping. We also demonstrate that the MJO solution introduced here reproduces the observed swallowtail structure and the phase relation between zonal wind and geopotential of the MJO, and the continuum nature of the transition between the MJO and Kelvin waves. Roles of feedback mechanisms in the MJO are also discussed using the same simple mathematical framework.
Chapter
An overview of the methodologies and techniques of the emerging field of systems biology. The emerging field of systems biology involves the application of experimental, theoretical, and modeling techniques to the study of biological organisms at all levels, from the molecular, through the cellular, to the behavioral. Its aim is to understand biological processes as whole systems instead of as isolated parts. Developments in the field have been made possible by advances in molecular biology—in particular, new technologies for determining DNA sequence, gene expression profiles, protein-protein interactions, and so on. Foundations of Systems Biology provides an overview of the state of the art of the field. The book covers the central topics of systems biology: comprehensive and automated measurements, reverse engineering of genes and metabolic networks from experimental data, software issues, modeling and simulation, and system-level analysis.
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Particle swarm optimization (PSO) is a population-based stochastic optimization originating from artificial life and evolutionary computation. PSO is motivated by the social behavior of organisms, such as bird flocking, fish schooling and human social relations. Its properties of low constraint on the continuity of objective function and ability of adapting to the dynamic environment make PSO become one of the most important swarm intelligence algorithms. However, compared to the various version of modified PSO and the corresponding applications in many domains, there has been very little research on the PSO’s convergence analysis. So the current paper, to begin with, elaborates the basic principles of standard PSO. Then the existing work on the convergence analyses of PSO in the literatures is thoroughly surveyed, which plays an important role in establishing the solid theoretical foundation for PSO algorithm. In the end, some important conclusions and possible research directions of PSO that need to be studied in the future are proposed.
Article
Sleep is characterized by synchronized events in billions of synaptically coupled neurons in thalamocortical systems. The activation of a series of neuromodulatory transmitter systems during awakening blocks low-frequency oscillations, induces fast rhythms, and allows the brain to recover full responsiveness. Analysis of cortical and thalamic networks at many levels, from molecules to single neurons to large neuronal assemblies, with a variety of techniques, ranging from intracellular recordings in vivo and in vitro to computer simulations, is beginning to yield insights into the mechanisms of the generation, modulation, and function of brain oscillations