Spatially Structured Sparse Morphological Component Separation for Voltage-Sensitive Dye Optical Imaging

International audienceBackground. Voltage-sensitive dye optical imaging is a promising technique for studying in vivo neural assemblies dynamics where functional clustering can be visualized in the imaging plane. Its practical potential is however limited by many artifacts. New Method. We present a novel method, that we call "SMCS" (Spatially Structured Sparse Morphological Component Separation), to separate the relevant biological signal from noise and artifacts. It extends Generalized Linear Models (GLM) by using a set of convex non-smooth regularization priors adapted to the morphology of the sources and artifacts to capture. Results. We make use of first order proximal splitting algorithms to solve the corresponding large scale optimization problem. We also propose an automatic parameters selection procedure based on statistical risk estimation methods. Comparison with Existing Methods. We compare this method with blank subtraction and GLM methods on both synthetic and real data. It shows encouraging perspectives for the observation of complex cortical dynamics. Conclusions. This work shows how recent advances in source separation can be integrated into a biophysical model of VSDOI. Going beyond GLM methods is important to capture transient cortical events such as propagating waves

Design of Functionalized Lipids and Evidence for Their Binding to Photosystem II Core Complex by Oxygen Evolution Measurements, Atomic Force Microscopy, and Scanning Near-Field Optical Microscopy

AbstractPhotosystem II core complex (PSII CC) absorbs light energy and triggers a series of electron transfer reactions by oxidizing water while producing molecular oxygen. Synthetic lipids with different alkyl chains and spacer lengths bearing functionalized headgroups were specifically designed to bind the QB site and to anchor this large photosynthetic complex (240 kDa) in order to attempt two-dimensional crystallization. Among the series of different compounds that have been tested, oxygen evolution measurements have shown that dichlorophenyl urea (DCPU) binds very efficiently to the QB site of PSII CC, and therefore, that moiety has been linked covalently to the headgroup of synthetic lipids. The analysis of the monolayer behavior of these DCPU-lipids has allowed us to select ones bearing long spacers for the anchoring of PSII CC. Oxygen evolution measurements demonstrated that these long-spacer DCPU-lipids specifically bind to PSII CC and inhibit electron transfer. With the use of atomic force microscopy (AFM) and scanning near-field optical microscopy (SNOM), it was possible to visualize domains of PSII CC bound to DCPU-lipid monolayers. SNOM imaging has enabled us to confirm that domains observed by AFM were composed of PSII CC. Indeed, the SNOM topography images presented similar domains as those observed by AFM, but in addition, it allowed us to determine that these domains are fluorescent. Electron microscopy of these domains, however, has shown that the bound PSII CC was not crystalline

Carectéristiques spatiotemporelles de l'intégration interhémisphérique visuelle par le corps calleux

Le cerveau des mammifères est composé de deux hémisphères. Bien qu'anatomiquement séparés, ceux-ci coopèrent l'un avec l'autre par l'intermédiaire de faisceaux de fibres qui constituent les commissures cérébrales. Parmi ces commissures, le corps calleux est la plus importante, tout au moins par le nombre de fibres qui la constitue (200 à 800 millions suivant les espèces). Bien que le rôle de cette commissure soit resté longtemps inconnu, il est maintenant bien établi qu'elle transporte des messages aussi divers que des messages visuels, limbiques, auditifs, somesthésiques et moteurs d'un hémisphère à l'autre. En conséquence, le corps calleux s'est révélé être impliqué dans des fonctions cognitives supérieures telles la perception sensorielle, l'apprentissage, la mémoire et la motricité. En dépit de l'établissement de ces concepts importants, la connaissance du corps calleux et de son rôle dans les fonctions cognitives supérieures restent encore extrêmement incomplètes que ce soit au cours du développement ou chez l'adulte. Or, ces questions sont essentielles puisqu'elles posent directement le problème du rôle de l'intégration interhémisphérique dans l'élaboration des fonctions cognitives dans les conditions normales; elles touchent également le problème du rôle de cette même intégration dans les processus de réorganisation et de compensation qui peuvent se développer dans les conditions pathologiques, conduisant à une restructuration des fonctions cognitives. Ce travail de thèse a été réalisé dans le contexte expérimental de C. Milleret et de ses collaborateurs qui étudient les caractéristiques anatomo-fonctionnelles et topographiques des cartes corticales calleuses localisées au niveau des aires visuelles corticales primaires 17 et 18 de chaque hémisphère chez le mammifère et qui sont associées au traitement de la région médiane verticale centrale du champ visuel. Cette région centrale du champ visuel est des plus stratégiques d'un point de vue perceptif puisqu'elle participe à la fusion des deux hémichamps visuels. En utilisant les techniques d'électrophysiologies in vivo et anatomiques (reconstructions 3D d'axones marqués à la biocytine), il a déjà été montré que ces connexions interhémisphériques sont presque exclusivement limitées à la bordure de transition entre les aires visuelle primaires A17 et A18. De plus, les neurones des aires visuels primaires qui sont activés par les axones interhémisphériques présentent des caractéristiques fonctionnelles bien précises. Certaines caractéristiques anatomo-fonctionnelles et topographiques des cartes corticales calleuses sont déjà bien identifiées mais elle se révèlent encore insuffisantes pour préciser le rôle du corps calleux dans les processus d'intégration visuelle interhémisphérique, en particulier en l'absence de données précises des caractéristiques dans les domaines temporels et spatiaux et la façon dont elles sont modifiées dans des conditions de développent visuel asymétriques. Ceci résulte aussi du faible nombre de travaux faisant appel à une approche computationnelle et la modélisation pour aborder ces questions. En particulier, les relations entre les caractéristiques morphologiques des axones calleux et les propriétés spatiales (cartes fonctionnelles) et temporelles (latences de transfert et propriétés spectrales) des populations neurales qu'elle mettent en relation sont encore très imprécises. Caractérisation quantitative des distributions des terminaisons d'axones calleux. Dans sa première partie, notre étude propose de préciser les extensions spatiales et les caractéristiques morphologiques des arborisations d'axones calleux obtenus dans les conditions de développement visuel normal (NR) et dans les conditions de déprivation monoculaire précoces (MD) afin de les différentier quantitativement. Dans cet objectif, deux groupes d'axones reconstruits en 3D sont tout d'abord décrits qualitativement par les méthodes conventionnelles d'anatomie. Cette méthode rencontre néanmoins des difficultés pour caractériser précisément les morphologies des axones, en particulier l'extension de leur terminaisons sur la surface du cortex, leur orientation et leur degré de fragmentation. Pour répondre à ces questions, deux méthodes computationnelles complémentaires et de complexité croissante ont été développées pour caractériser les distributions de terminaison axonales calleuses et mettre en évidences les différences entre les deux groupes. Celles-ci nous ont permis de montrer les plus grandes extensions spatiales ainsi que le plus grand degré de fragmentation des distributions des terminaisons des axones calleux du groupe MD. Dans un dernier chapitre, la simulation de propagation de potentiel d'action dans les structures axonales a permis de montrer que les différences morphologiques constatées dans le groupe MD, ne semblent pas se répercuter sur la dispersion temporelle du signal entre les terminaisons. Ainsi, la distribution temporelle du signal controlatéral demeure pour la grande majorité confinée dans un intervalle inférieur à 2ms, dispersion compatible avec des hypothèses de synchronisation. Développement de la technique d'imagerie optique par colorant sensibles au potentiels Avec la perspective d'explorer expérimentalement les propriétés spatio-temporelles de l'intégration visuelle interhémisphérique et afin de corroborer les résultats présenté dans la première partie de la thèse, la mise en place d'un poste expérimental d'imagerie optique au sein de notre laboratoire est présentée dans la deuxième partie. Cette méthode permet de visualiser in vivo les domaines d'activation spécifique à différents attributs au sein des cartes corticales calleuses et d'approcher certaines caractéristiques temporelles de l'activité neuronale. Réalisé en parallèle avec les travaux de modélisation des axones calleux, le montage complet du poste a montré d'abord permis de cerner les limitations du système initial. Dans un deuxième temps l'adaptation du système à la problématique interhémisphérique, réalisée au fils des mois, a montré d'importants progrès après plusieurs modifications spécifiques. La mise en place du poste expérimental a pu bénéficier de l'expertise en imagerie optique de l'équipe de recherche du Dr. S. Tanaka au RIKEN Brain Science Institute au Japon, où l'auteur a effectué plusieurs séjours au cours desquelles ont pu être initiées un certain nombres d'adaptation importantes comme le développement du protocole d'enregistrement en Voltage Sensitive Dye (VSD), permettant l'enregistrement de l'activité neurale avec un grande précision temporelle, ainsi que le développement de techniques de traitement des signaux appropriées. La mise en place du poste expérimental dans les locaux parisiens a pu être achevée fin 2006 avec l'obtention de données prometteuses pour la poursuite du programme expérimental, comme l'enregistrement à 3 ms/image de l'activation corticale bilatérale et ainsi que celle du transfert interhémisphérique. Ces résultats ouvrent les perspectives de recherche visant la combinaison des données anatomiques morphologiques avec les données d'enregistrement d'activations spatio-temporelles in vivo de l'intégration visuelle hémisphérique au sein des cortex visuels primaires.no dat

Carectéristiques spatiotemporelles de l intégration interhémisphérique visuelle par le corps calleux

PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Optimising the administration and therapeutic use of inhaled nitric oxide

Diss. doct. medische wetenschappe