Brain-computer interfaces (BCI) have been used to control the gait of a virtual self-avatar with the aim of being used in gait rehabilitation. A BCI decodes the brain signals representing a desire to do something and transforms them into a control command for controlling external devices. The feelings described by the participants when they control a self-avatar in an immersive virtual environment (VE) demonstrate that humans can be embodied in the surrogate body of an avatar (ownership illusion). It has recently been shown that inducing the ownership illusion and then manipulating the movements of one’s self-avatar can lead to compensatory motor control strategies. In order to maximize this effect, there is a need for a method that measures and monitors embodiment levels of participants immersed in virtual reality (VR) to induce and maintain a strong ownership illusion. This is particularly true given that reaching a high level of both BCI performance and embodiment are inter-connected. To reach one of them, the second must be reached as well. Some limitations of many existing systems hinder their adoption for neurorehabilitation: 1- some use motor imagery (MI) of movements other than gait; 2- most systems allow the user to take single steps or to walk but do not allow both, which prevents users from progressing from steps to gait; 3- most of them function in a single BCI mode (cue-paced or self-paced), which prevents users from progressing from machine-dependent to machine-independent walking. Overcoming the aforementioned limitations can be done by combining different control modes and options in one single system. However, this would have a negative impact on BCI performance, therefore diminishing its usefulness as a potential rehabilitation tool. In this case, there will be a need to enhance BCI performance. For such purpose, many techniques have been used in the literature, such as providing modified feedback (whereby the presented feedback is not consistent with the user’s MI), sequential training (recalibrating the classifier as more data becomes available). This thesis was developed over 3 studies. The objective in study 1 was to investigate the possibility of measuring the level of embodiment of an immersive self-avatar, during the performing, observing and imagining of gait, using electroencephalogram (EEG) techniques, by presenting visual feedback that conflicts with the desired movement of embodied participants. The objective of study 2 was to develop and validate a BCI to control single steps and forward walking of an immersive virtual reality (VR) self-avatar, using mental imagery of these actions, in cue-paced and self-paced modes. Different performance enhancement strategies were implemented to increase BCI performance. The data of these two studies were then used in study 3 to construct a generic classifier that could eliminate offline calibration for future users and shorten training time. Twenty different healthy participants took part in studies 1 and 2. In study 1, participants wore an EEG cap and motion capture markers, with an avatar displayed in a head-mounted display (HMD) from a first-person perspective (1PP). They were cued to either perform, watch or imagine a single step forward or to initiate walking on a treadmill. For some of the trials, the avatar took a step with the contralateral limb or stopped walking before the participant stopped (modified feedback). In study 2, participants completed a 4-day sequential training to control the gait of an avatar in both BCI modes. In cue-paced mode, they were cued to imagine a single step forward, using their right or left foot, or to walk forward. In the self-paced mode, they were instructed to reach a target using the MI of multiple steps (switch control mode) or maintaining the MI of forward walking (continuous control mode). The avatar moved as a response to two calibrated regularized linear discriminant analysis (RLDA) classifiers that used the μ power spectral density (PSD) over the foot area of the motor cortex as features. The classifiers were retrained after every session. During the training, and for some of the trials, positive modified feedback was presented to half of the participants, where the avatar moved correctly regardless of the participant’s real performance. In both studies, the participants’ subjective experience was analyzed using a questionnaire. Results of study 1 show that subjective levels of embodiment correlate strongly with the power differences of the event-related synchronization (ERS) within the μ frequency band, and over the motor and pre-motor cortices between the modified and regular feedback trials. Results of study 2 show that all participants were able to operate the cued-paced BCI and the selfpaced BCI in both modes. For the cue-paced BCI, the average offline performance (classification rate) on day 1 was 67±6.1% and 86±6.1% on day 3, showing that the recalibration of the classifiers enhanced the offline performance of the BCI (p < 0.01). The average online performance was 85.9±8.4% for the modified feedback group (77-97%) versus 75% for the non-modified feedback group. For self-paced BCI, the average performance was 83% at switch control and 92% at continuous control mode, with a maximum of 12 seconds of control. Modified feedback enhanced BCI performances (p =0.001). Finally, results of study 3 show that the constructed generic models performed as well as models obtained from participant-specific offline data. The results show that there it is possible to design a participant-independent zero-training BCI. / Les interfaces cerveau-ordinateur (ICO) ont été utilisées pour contrôler la marche d'un égo-avatar virtuel dans le but d'être utilisées dans la réadaptation de la marche. Une ICO décode les signaux du cerveau représentant un désir de faire produire un mouvement et les transforme en une commande de contrôle pour contrôler des appareils externes. Les sentiments décrits par les participants lorsqu'ils contrôlent un égo-avatar dans un environnement virtuel immersif démontrent que les humains peuvent être incarnés dans un corps d'un avatar (illusion de propriété). Il a été récemment démontré que provoquer l’illusion de propriété puis manipuler les mouvements de l’égo-avatar peut conduire à des stratégies de contrôle moteur compensatoire. Afin de maximiser cet effet, il existe un besoin d'une méthode qui mesure et surveille les niveaux d’incarnation des participants immergés dans la réalité virtuelle (RV) pour induire et maintenir une forte illusion de propriété. D'autre part, atteindre un niveau élevé de performances (taux de classification) ICO et d’incarnation est interconnecté. Pour atteindre l'un d'eux, le second doit également être atteint. Certaines limitations de plusieurs de ces systèmes entravent leur adoption pour la neuroréhabilitation: 1- certains utilisent l'imagerie motrice (IM) des mouvements autres que la marche; 2- la plupart des systèmes permettent à l'utilisateur de faire des pas simples ou de marcher mais pas les deux, ce qui ne permet pas à un utilisateur de passer des pas à la marche; 3- la plupart fonctionnent en un seul mode d’ICO, rythmé (cue-paced) ou auto-rythmé (self-paced). Surmonter les limitations susmentionnées peut être fait en combinant différents modes et options de commande dans un seul système. Cependant, cela aurait un impact négatif sur les performances de l’ICO, diminuant ainsi son utilité en tant qu'outil potentiel de réhabilitation. Dans ce cas, il sera nécessaire d'améliorer les performances des ICO. À cette fin, de nombreuses techniques ont été utilisées dans la littérature, telles que la rétroaction modifiée, le recalibrage du classificateur et l'utilisation d'un classificateur générique. Le projet de cette thèse a été réalisé en 3 études, avec objectif d'étudier dans l'étude 1, la possibilité de mesurer le niveau d'incarnation d'un égo-avatar immersif, lors de l'exécution, de l'observation et de l'imagination de la marche, à l'aide des techniques encéphalogramme (EEG), en présentant une rétroaction visuelle qui entre en conflit avec la commande du contrôle moteur des sujets incarnés. L'objectif de l'étude 2 était de développer un BCI pour contrôler les pas et la marche vers l’avant d'un égo-avatar dans la réalité virtuelle immersive, en utilisant l'imagerie motrice de ces actions, dans des modes rythmés et auto-rythmés. Différentes stratégies d'amélioration des performances ont été mises en œuvre pour augmenter la performance (taux de classification) de l’ICO. Les données de ces deux études ont ensuite été utilisées dans l'étude 3 pour construire des classificateurs génériques qui pourraient éliminer la calibration hors ligne pour les futurs utilisateurs et raccourcir le temps de formation. Vingt participants sains différents ont participé aux études 1 et 2. Dans l'étude 1, les participants portaient un casque EEG et des marqueurs de capture de mouvement, avec un avatar affiché dans un casque de RV du point de vue de la première personne (1PP). Ils ont été invités à performer, à regarder ou à imaginer un seul pas en avant ou la marche vers l’avant (pour quelques secondes) sur le tapis roulant. Pour certains essais, l'avatar a fait un pas avec le membre controlatéral ou a arrêté de marcher avant que le participant ne s'arrête (rétroaction modifiée). Dans l'étude 2, les participants ont participé à un entrainement séquentiel de 4 jours pour contrôler la marche d'un avatar dans les deux modes de l’ICO. En mode rythmé, ils ont imaginé un seul pas en avant, en utilisant leur pied droit ou gauche, ou la marche vers l’avant . En mode auto-rythmé, il leur a été demandé d'atteindre une cible en utilisant l'imagerie motrice (IM) de plusieurs pas (mode de contrôle intermittent) ou en maintenir l'IM de marche vers l’avant (mode de contrôle continu). L'avatar s'est déplacé en réponse à deux classificateurs ‘Regularized Linear Discriminant Analysis’ (RLDA) calibrés qui utilisaient comme caractéristiques la densité spectrale de puissance (Power Spectral Density; PSD) des bandes de fréquences µ (8-12 Hz) sur la zone du pied du cortex moteur. Les classificateurs ont été recalibrés après chaque session. Au cours de l’entrainement et pour certains des essais, une rétroaction modifiée positive a été présentée à la moitié des participants, où l'avatar s'est déplacé correctement quelle que soit la performance réelle du participant. Dans les deux études, l'expérience subjective des participants a été analysée à l'aide d'un questionnaire. Les résultats de l'étude 1 montrent que les niveaux subjectifs d’incarnation sont fortement corrélés à la différence de la puissance de la synchronisation liée à l’événement (Event-Related Synchronization; ERS) sur la bande de fréquence μ et sur le cortex moteur et prémoteur entre les essais de rétroaction modifiés et réguliers. L'étude 2 a montré que tous les participants étaient capables d’utiliser le BCI rythmé et auto-rythmé dans les deux modes. Pour le BCI rythmé, la performance hors ligne moyenne au jour 1 était de 67±6,1% et 86±6,1% au jour 3, ce qui montre que le recalibrage des classificateurs a amélioré la performance hors ligne du BCI (p <0,01). La performance en ligne moyenne était de 85,9±8,4% pour le groupe de rétroaction modifié (77-97%) contre 75% pour le groupe de rétroaction non modifié. Pour le BCI auto-rythmé, la performance moyenne était de 83% en commande de commutateur et de 92% en mode de commande continue, avec un maximum de 12 secondes de commande. Les performances de l’ICO ont été améliorées par la rétroaction modifiée (p = 0,001). Enfin, les résultats de l'étude 3 montrent que pour la classification des initialisations des pas et de la marche, il a été possible de construire des modèles génériques à partir de données hors ligne spécifiques aux participants. Les résultats montrent la possibilité de concevoir une ICO ne nécessitant aucun entraînement spécifique au participant.

Cette thèse traite de l'identification des paramètres du point de vue de l'optimisation et du contrôle de suivi distribué des systèmes multi-agents d'ordre fractionnaire (FOMASs) en tenant compte des retards, des perturbations externes, de la non-linéarité inhérente, des incertitudes des paramètres et de l'hétérogénéité dans le cadre d'une topologie de communication fixe non dirigée / dirigée. Plusieurs contrôleurs efficaces sont conçus pour réaliser avec succès le contrôle de suivi distribué des FOMASs dans différentes conditions. Plusieurs types d'algorithmes d'optimisation de l'intelligence artificielle et leurs versions modifiées sont appliquées pour identifier les paramètres inconnus des FOMASs avec une grande précision, une convergence rapide et une grande robustesse. Il est à noter que cette thèse fournit un lien prometteur entre la technique d'intelligence artificielle et le contrôle distribué. / This thesis deals with the parameter identification from the viewpoint of optimization and distributed tracking control of fractional-order multi-agent systems (FOMASs) considering time delays, external disturbances, inherent nonlinearity, parameters uncertainties, and heterogeneity under fixed undirected/directed communication topology. Several efficient controllers are designed to achieve the distributed tracking control of FOMASs successfully under different conditions. Several kinds of artificial intelligence optimization algorithms andtheir modified versions are applied to identify the unknown parameters of the FOMASs with high accuracy, fast convergence and strong robustness. It should be noted that this thesis provides a promising link between the artificial intelligence technique and distributed control.

Cette thèse a pour objectif principal d'étudier et de proposer des techniques adéquates aux problématiques de détection et de localisation des sources de signaux transitoires dans un réseau de câbles de transport d'énergie. Ainsi, les méthodes proposées tiennent compte de l'ensemble des problématiques liées à la propagation des signaux dans les câbles, les aspects physiques étant pris en compte lors de la mise en place de ces méthodes. Nous proposons pour la détection, d'introduire un critère spécifique de détection de l'ensemble des transitoires du signal reçu. Ce point est très important car un enregistrement peut contenir le transitoire propagé par le trajet direct mais également des réflexions ainsi que d'autre type de transitoires. Pour l'étape d'analyse et de localisation, il est donc très important de pouvoir détecter tous les transitoires, indépendamment de leur énergie. Nous étudions, dans un premier temps, les méthodes les plus connues – la détection à partir du spectrogramme, des ondelettes et des statistiques d'ordre supérieur. Nous prouvons la robustesse de ces méthodes dans le contexte des transitoires électriques mais également leur difficulté à détecter les transitoires de faible amplitude. Nous proposons ainsi l'utilisation du concept de distribution à temps complexe qui effectue la détection des transitoires via la dérivation de la phase du signal. Nous montrons que cette technique fournit de bonnes performances de détection de l'ensemble des transitoires, grâce à l'étude de la phase instantanée qui constitue un très bon élément pertinent en raison de son invariance par rapport à l'amplitude. La phase de localisation repose sur la prise en compte de deux difficultés majeures. La première étant la complexité de propagation d'une impulsion dans un câble et la modélisation physique de cette propagation, la seconde étant la nécessité contraignante d'acquisition synchrone pour un diagnostique on-line multi-capteur. Notre contribution consiste à proposer une technique de localisation qui quantifie la déformation relative subie par les transitoires propagés, en fonction de leur durée de propagation. L'intérêt de cette technique peu coûteuse est prouvé par des tests en configuration simulée ainsi que réelle.

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La version intégrale de cette thèse est disponible uniquement pour consultation individuelle à la Bibliothèque de musique de l’Université de Montréal (www.bib.umontreal.ca/MU). / Cette thèse présente la démarche compositionnelle relative à six œuvres de musique mixte interactive pour hyper-flûtes, soit des flûtes traversières munies de capteurs gestuels électroniques reliés à un ordinateur. Le jeu instrumental est ainsi augmenté par des composantes électroacoustiques qui peuvent être contrôlées par l’interprète. Une grande partie de cet ouvrage est consacrée à la recherche autour de ces œuvres. On peut y lire un bref historique de la musique mixte qui souligne l'apport de la flûte à la musique électroacoustique. On se penche sur les défis de synchronisation du son instrumental et électronique auxquels font face les compositeurs depuis les années 1950, pour ensuite déterminer en quoi consiste la composition interactive. Après avoir défini la notion de geste instrumental, en particulier en ce qui concerne le jeu de la flûte traversière, on aborde les détails de la lutherie électronique de l’hyper-flûte et de l’hyper-flûte-basse. Ces descriptions techniques sont précédées de commentaires sur différents instruments augmentés et spécifiquement sur les différentes flûtes connues. Cette partie se termine par un exposé concernant l’interaction et les stratégies de mappage des données gestuelles vers les correspondances sonores. La suite est consacrée aux compositions. On peut d’abord y lire mon point de vue sur la composition interactive et l’improvisation. Six chapitres décrivent ensuite en détail chacune des œuvres. On y présente les sources d’inspiration et une analyse formelle sommaire de chaque pièce, puis on élabore sur les composantes instrumentales et électroacoustiques, en explicitant les types d’interactions utilisés. Soulignons que quatre de ces œuvres ont été élaborées autour de textes poétiques. Finalement, une courte conclusion résume les objectifs artistiques réalisés dans le cadre de ce doctorat et les pistes envisagées pour la poursuite de mon travail créateur avec les hyper-flûtes. / This dissertation presents the compositional processes of six pieces with live interactive electronics for hyper-flutes: flutes equipped with electronic motion sensors connected to a computer. Instrumental techniques are thus augmented by electroacoustic components that can be controlled by the performer. A significant portion of this document is focussed on the research framing these works. A brief history of «musique mixte» is presented, underlining the contribution of the flute to electroacoustic music. The challenges associated with the synchronization of instrumental and electronic sounds with which composers have been faced since the 1950’s are then addressed, providing the context for establishing the essential nature of interactive composition. After having defined the notion of instrumental gesture, particularly as it concerns flute techniques, details of the electronic design of the hyper-flute and the hyper-bass-flute are considered. The descriptions of these techniques are prefaced by observations about other augmented instruments and more specifically the different known flutes. This part concludes with a presentation of the interaction and mapping strategies of gestural data as it relates to the corresponding audio elements. The sections that follow focus attention on the compositions. I begin by elaborating my own perspective on interactive composition and improvisation. Six chapters then provide detailed descriptions of each of the pieces, starting with the sources of inspiration and a brief formal analysis. I go on to explain their instrumental and electroacoustic components, detailing the types of interactions used. Of particular note is the fact that four of these works were developed based on poetic texts. Lastly, a short conclusion summarizes the artistic objectives realized during my doctoral tenure as well as the potential opportunities for the continuation of my creative work with the hyper-flutes.

L'interface cerveau-ordinateur (ICO) décode les signaux électriques du cerveau requise par l’électroencéphalographie et transforme ces signaux en commande pour contrôler un appareil ou un logiciel. Un nombre limité de tâches mentales ont été détectés et classifier par différents groupes de recherche. D’autres types de contrôle, par exemple l’exécution d'un mouvement du pied, réel ou imaginaire, peut modifier les ondes cérébrales du cortex moteur. Nous avons utilisé un ICO pour déterminer si nous pouvions faire une classification entre la navigation de type marche avant et arrière, en temps réel et en temps différé, en utilisant différentes méthodes. Dix personnes en bonne santé ont participé à l’expérience sur les ICO dans un tunnel virtuel. L’expérience fut a était divisé en deux séances (48 min chaque). Chaque séance comprenait 320 essais. On a demandé au sujets d’imaginer un déplacement avant ou arrière dans le tunnel virtuel de façon aléatoire d’après une commande écrite sur l'écran. Les essais ont été menés avec feedback. Trois électrodes ont été montées sur le scalp, vis-à-vis du cortex moteur. Durant la 1re séance, la classification des deux taches (navigation avant et arrière) a été réalisée par les méthodes de puissance de bande, de représentation temporel-fréquence, des modèles autorégressifs et des rapports d’asymétrie du rythme β avec classificateurs d’analyse discriminante linéaire et SVM. Les seuils ont été calculés en temps différé pour former des signaux de contrôle qui ont été utilisés en temps réel durant la 2e séance afin d’initier, par les ondes cérébrales de l'utilisateur, le déplacement du tunnel virtuel dans le sens demandé. Après 96 min d'entrainement, la méthode « online biofeedback » de la puissance de bande a atteint une précision de classification moyenne de 76 %, et la classification en temps différé avec les rapports d’asymétrie et puissance de bande, a atteint une précision de classification d’environ 80 %. / A Brain-Computer Interface (BCI) decodes the brain signals representing a desire to do something, and transforms those signals into a control command. However, only a limited number of mental tasks have been previously detected and classified. Performing a real or imaginary navigation movement can similarly change the brainwaves over the motor cortex. We used an ERS-BCI to see if we can classify between movements in forward and backward direction offline and then online using different methods. Ten healthy people participated in BCI experiments comprised two-sessions (48 min each) in a virtual environment tunnel. Each session consisted of 320 trials where subjects were asked to imagine themselves moving in the tunnel in a forward or backward motion after a randomly presented (forward versus backward) command on the screen. Three EEG electrodes were mounted bilaterally on the scalp over the motor cortex. Trials were conducted with feedback. In session 1, Band Power method, Time-frequency representation, Autoregressive models and asymmetry ratio were used in the β rhythm range with a Linear-Discriminant-analysis classifier and a Support Vector Machine classifier to discriminate between the two mental tasks. Thresholds for both tasks were computed offline and then used to form control signals that were used online in session 2 to trigger the virtual tunnel to move in the direction requested by the user's brain signals. After 96 min of training, the online band-power biofeedback training achieved an average classification precision of 76 %, whereas the offline classification with asymmetrical ratio and band-power achieved an average classification precision of 80%.

Les nano-Oscillateurs à transfert de spin (STNOs) sont des dispositifs capables d'émettre une onde hyperfréquence lorsqu'ils sont pompés par un courant polarisé grâce au couple de transfert de spin. Bien qu'ils offrent de nombreux avantages (agilité spectrale, intégrabilité, etc.) pour les applications, leur puissance d'émission et leur pureté spectrale sont en général faibles. Une stratégie pour améliorer ces propriétés est de synchroniser plusieurs oscillateurs entre eux. Une première étape est de comprendre la synchronisation d'un STNO unique à une source externe. Pour cela, nous avons étudié une vanne de spin Cu60|NiFe15|Cu10|NiFe4| Au25 (épaisseurs en nm) de section circulaire de 200 nm. Dans l'état saturé perpendiculaire (champ appliqué > 0.8 T), nous avons déterminé la nature du mode qui auto-Oscille et son couplage à une source externe grâce à un microscope de force par résonance magnétique (MRFM). Seul un champ micro-Onde uniforme permet de synchroniser le mode oscillant de la couche fine car il possède la bonne symétrie spatiale, au contraire du courant micro-Onde traversant l'échantillon. Ce même échantillon a ensuite été étudié sous faible champ perpendiculaire, les deux couches magnétiques étant alors dans l'état vortex. Dans ce cas, il est possible d'exciter un mode de grande cohérence (F/ ∆F >15000) avec une largeur de raie inférieure à 100 kHz. En analysant le contenu harmonique du spectre, nous avons déterminé que le couplage non-Linéaire amplitude-Phase du mode excité est quasi nul, ce qui explique la grande pureté spectrale observée, et qu'en parallèle, la fréquence d'oscillation reste ajustable sur une grande gamme grâce au champ d'Oersted créé par le courant injecté. De plus, la synchronisation de ce mode à une source de champ micro-Onde est très robuste, la largeur de raie mesurée diminuant de plus de cinq ordres de grandeur par rapport au régime autonome. Nous concluons de cette étude que le couplage magnéto-Dipolaire entre STNOs à base de vortex est très prometteur pour obtenir une synchronisation mutuelle, le champ dipolaire rayonné par un STNO sur ses voisins jouant alors le rôle de la source micro-Onde. Nous sommes donc passés à l'étape suivante, à savoir la mesure expérimentale de deux STNOs similaires séparés latéralement de 100 nm. En jouant sur les différentes configurations de polarités des vortex, nous avons réussi à observer la synchronisation mutuelle de ces deux oscillateurs. / Spin transfer nano-Oscillators (STNOs) are nanoscale devices capable of generating high frequency microwave signals through spin momentum transfer. Although they offer decisive advantages compared to existing technology (spectral agility, integrability, etc.), their emitted power and spectral purity are quite poor. In view of their applications, a promising strategy to improve the coherence and increase the emitted microwave power of these devices is to mutually synchronize several of them. A first step is to understand the synchronization of a single STNO to an external source. For this, we have studied a circular nanopillar of diameter 200~nm patterned from a Cu60|Py15|Cu10|Py4|Au25 stack, where thicknesses are in nm. In the saturated state (bias magnetic field > 0.8 T), we have identified the auto-Oscillating mode and its coupling to an external source by using a magnetic resonance force microscope (MRFM). Only the uniform microwave field applied perpendicularly to the bias field is efficient to synchronize the STNO because it shares the spatial symmetry of the auto-Oscillation mode, in contrast to the microwave current passing through the device. The same sample was then studied under low perpendicular magnetic field, with the two magnetic layers in the vortex state. In this case, it is possible to excite a highly coherent mode (F/∆F>15000) with a linewidth below 100 kHz. By analyzing the harmonic content of the spectrum, we have determined that the non-Linear amplitude-Phase coupling of the excited mode is almost vanishing, which explains the high spectral purity observed. Moreover, the oscillation frequency can still be widely tuned thanks to the Oersted field created by the dc current. We have also shown that the synchronization of this mode to a microwave field source is very robust, the generation linewidth decreasing by more than five orders of magnitude compared to the autonomous regime. From these findings we conclude that the magneto-Dipolar interaction is promising to achieve mutual coupling of vortex based STNOs, the dipolar field from a neighboring oscillator playing the role of the microwave source. We have thus experimentally measured a system composed of two STNOs laterally separated by 100 nm. By varying the different configurations of vortex polarities, we have observed the mutual synchronization of these two oscillators.

Ce travail avait pour objet d’étudier les propriétés d’horloge et de synchronisation de la peau, un modèle potentiel d’horloge périphérique. L’activité rythmique a été analysée par bioluminescence en temps réel, sur des explants de peau abdominale et des fibroblastes dermiques primaires, isolés à partir de rats transgéniques Per1-luciférase. Nous avons montré que des explants de peau présentent une activité rythmique soutenue en culture, indiquant une importante synchronisation interne dans le tissu. Cette synchronisation se manifeste au cours du développement post-natal à partir de 1 mois et augmente jusqu’à 6 mois, avant de décroître, laissant place à des rythmes altérés à l’âge de 2 ans. Nous avons aussi établi que les fibroblastes dermiques présentent la propriété de compensation thermique commune à toutes les horloges circadiennes, et qu’ils sont potentiellement synchronisables par la mélatonine puisque celle-ci augmente leur amplitude en culture. Nous avons aussi préparé un vecteur lentiviral exprimant le gène rapporteur luciférase sous le contrôle du promoteur du gène horloge Bmal1, un nouvel outil pour compléter l’étude des rythmes dans les cellules de la peau. / This work aimed to investigate the skin as a potential model of peripheral clock by characterizing its rhythmic and synchronization properties. Circadian activity was examined in abdominal skin explants and fibroblasts derived from Per1-Luciferase transgenic rats by real-time recording of bioluminescence. First, the skin clock was characterized from early postnatal to old age. Low amplitude oscillations appeared at 1 month only and their robustness increased until 6 months. In 1-2 year-old rats, skin circadian rhythms showed decreasing amplitude and abnormal cycles. Primary fibroblasts derived from the skin at the same ages demonstrated similar pattern of clock activity. Temperature compensation, an intrinsic clock feature, was shown the first time in skin and primary fibroblasts. Secondly, we demonstrated a phase-dependent effect of melatonin to increase the amplitude of oscillations in skin primary fibroblasts, indicating it displays a synchronising role in the circadiansystem. Finally, to facilitate our studies on the multioscillatory skin tissue, we constructed a lentivirus carrying a Bmal1-luciferase reporter, to measure clock genes activities in human skin cells.

Basierend auf der Theorie von Netzwerken wird ein allgemeines Rahmenwerk entwickelt, um kollektive Synchronisationsphänome von Extremereignissen in komplexen Systemen zu studieren. Die Methode vergleicht die Variabilität der einzelnen Teile des Systems auf Grundlage von Beobachtungszeitreihen mit dem Ziel, emergente Synchronisationsmuster von Extremereignissen auf makroskopischer Ebene aufzudecken. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Zeitreihen eines interaktiven Systems mit den Knoten eines Netzwerks identifiziert und die Abhängigkeiten zwischen diesen durch die Kanten des Netzwerks dargestellt. Die komplexe interne Synchronisationsstruktur des Systems wird so in Form der Netzwerktopologie mathematisch zugänglich gemacht und kann durch die Einführung geeigneter Netzwerkmaße analysiert werden. Die Methode wird im Folgenden auf räumlich und zeitlich hochaufgelöste Regendaten aus Satellitenmessungen angewendet, um die kollektive Dynamik extremer Regenereignisse in Südamerika zu untersuchen. Diese Anwendung verfolgt drei Ziele: Erstens wird gezeigt, wie die hier entwickelte Methode zur klimatologischen Analyse verwendet werden kann. Zweitens können Quellen und Senken von Extremereignissen durch die Einführung des Konzeptes der Netzwerkdivergenz identifiziert werden. Dies erlaubt es, die gerichteten Netzwerkpfade, entlang derer Extremereignisse synchronisieren, nachzuverfolgen. Auf dieser Grundlage wird eine statistische Regel gewonnen, die beträchtliche Anteile der extremen Regenereignisse in den Zentralanden vorhersagt. Drittens werden die bis dahin entwickelten Methoden und gewonnenen Einsichten dazu verwendet, die Darstellung extre- mer Regenereignisse in verschiedenen Datensätzen zu vergleichen. Insbesondere wird in diesem Kontext die Implementierung solcher Ereignisse in drei gängigen Klimamodellen evaluiert. / Based on the theory of networks, a general framework is developed to study collective synchronization phenomena of extreme events in complex systems. The method relies on observational time series encoding the variability of the single parts of the system, and is intended to reveal emerging patterns of extreme event synchronization on the macroscopic level. For this purpose, the time series obtained from an interactive system under consideration are identified with network nodes, and the possibly delayed and non-linear interdependence of extreme events in different time series is represented by network links connecting the nodes. In this way, the complex internal synchronization structure of the system becomes accessible in terms of the topology of the network, which can be analyzed by introducing suitable network measures. The methodology is applied to satellite-derived rainfall time series of high spatiotemporal resolution in order to investigate the collective dynamics of extreme rainfall events in South America. The purpose of this application is threefold: First, it is shown how the methodology can be used for climatic analysis by revealing climatological mechanism from the spatial patterns exhibited by different network measures. Second, by introducing the concept of network divergence, sink and source regions of extreme events can be identified, allowing to track their directed synchronization pathways through the network. A simple statistical forecast rule is derived on this basis, predicting substantial fractions of extreme rainfall events in the Central Andes. Third, the methodology and the insights developed in the first two steps are used to evaluate the dynamical representation of extreme events in different datasets, and in particular their dynamical implementation in three state of the art climate models.

Wahrnehmung ist kein vollständig durch sensorische Reize determinierter bottom-up Prozeß, sondern wird stark beeinflußt durch von diesen Reizen unabhängige top-down Prozesse wie etwa Aufmerksamkeit oder Erwartungen. Welche neuronalen Mechanismen liegen der Integration von bottom-up und top-down gerichteter Verarbeitung sensorischer Information zu Grunde? Im ersten Teil dieser Arbeit wurde diese Frage an Hand von Simulationen eines neuronales Netzwerks zweier vereinfachter kortikaler Areale untersucht. Dieses Netzwerk berücksichtigt hierbei jüngste zellphysiologische Befunde über die stark asymmetrischen funktionellen Eigenschaften kortikaler Neurone. Das simulierte Netzwerk repliziert zentrale neurophysiologische Befunde: 1) Top-down Signale erhöhen die Feuerraten der Neurone sowohl in einem hierarchisch hohen als auch tiefen kortikalen Areal. 2) Durch selektive top-down Signale wird die Verarbeitung simultaner Reize zu Gunsten eines faszilitierten Reizes moduliert. 3) Durch die reziproke Netzwerkarchitektur kommt es zu einem bidirektionalen Informationsfluß zwischen Arealen. Diese kooperative Verarbeitung bedingt gemeinsam mit einer nichtlinearen somato-dendritischen Interaktion neuronale Salvenentladungen, die ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen. Das simulierte Netzwerk demonstriert, welche zentrale Rolle die komplexen nichtlinearen Eigenschaften kortikaler Neurone bei der Integration bottom-up und top-down gerichteter Verarbeitung sensorischer Information spielen. Im Mittelpunkt der im zweiten Abschnitt vorgestellten experimentellen Studie steht die hochfrequente Synchronisation neuronaler Aktivität. Das große neurowissenschaftliche Interesse an der zeitlichen Struktur neuronaler Aktivität liegt insbesondere in der kontrovers diskutierten Hypothese eines „Synchronisationscodes“ begründet, gemäß welcher Information nicht nur durch die Feuerraten kortikaler Neurone, sondern auch durch die Synchronisation der Aktionspotentiale einer Neuronenpopulation codiert wird. Finden sich solche Synchronisationsphänomene in wachen, sich unter möglichst natürlichen Bedingungen verhaltenden Tieren wieder? Sind diese Synchronisationen selektiv für Eigenschaften des Reizes? Gelingt es, an Hand eines objektiven Kriteriums ein funktionelles Frequenzband neuronaler Synchronisation zu definieren? Diese Fragestellungen wurden mittels chronischer extrazellulärer Ableitungen im primären visuellen Kortex wacher, sich verhaltender Katzen untersucht: 1) Visuelle Stimulation induziert einen breitbandigen hochfrequenten Anstieg neuronaler Synchronisation. 2) Diese Synchronisation ist selektiv für die Orientierung visueller Reize. 3) Durch Analyse dieser Stimulusselektivität kann ein funktionelles Band neuronaler Synchronisation von etwa 45 Hz bis 120 Hz definiert werden. Diese Untersuchungen an wachen, sich unter vergleichsweise natürlichen Bedingungen verhaltenden Tieren demonstrieren eine überraschend breite Frequenzverteilung neuronaler Synchronisation, die im hochfrequenten Bereich weit über die üblicherweise untersuchten Frequenzbänder hinausreicht. Diese Befunde sprechen gegen die Hypothese hochfrequenter kortikaler Synchronisation als einem schmalbandigen statischen Phänomen. / Sensory perception is not purely a bottom-up process determined only by sensory stimuli, but is strongly dependent on top-down factors such as attention or expectations.Which neuronal mechanisms underlie the integration of bottom-up and top-down directed processing of sensory information? In the first part of this study this question was addressed by numerical simulations of a neural network model of two simplified cortical areas. The simulated network takes into account recent findings concerning the pronounced functional asymmetry of cortical neurons.The network replicates several important neurophysiological findings: 1) Top-down signals enhance firing rates in hierarchically high and low cortical areas. 2) The processing of two competing stimuli is biased towards one stimulus by selective top-down signals. 3) The reciprocal network architecture results in a bidirectional flow of information. Together with the implemented non-linear somato-dendritic interaction this leads to neuronal bursting behaviour with a high signal to noise ratio. The simulated network demonstrates the critical role of the complex non-linear properties of cortical neurons for the integration of bottom-up and top-down directed sensory processing. The central question of the second part of this study is the functional role of high-frequency synchronization of neuronal activity. The strong interest in the temporal dynamics of neuronal activity is particularly due to the hypothesis of a “synchronization-code” according to which information is not solely encoded by firing rates but also by the synchronization of neuronal ensembles. Is such synchronization observed in awake animals behaving under natural conditions? Are these synchronizations stimulus selective? Is it possible to define a functional frequency band of synchronization based on an objective criterion? These questions were addressed by chronic extracellular recordings of neuronal activity in primary visual cortex of awake behaving cats: 1) Visual stimulation induces neuronal synchronization in a broad and high frequency range. 2) This synchronization is selective for the orientation of a visual stimulus. 3) By analyzing the stimulus selectivity of synchronization a functional band of neuronal synchronization can be defined from about 45 to 120 Hz. These results from animals behaving under natural conditions show a surprisingly broad spectral distribution of synchronization that extends well beyond typically investigated frequency ranges. These results cast doubt on the hypothesis of cortical high-frequency synchronizations as a spectrally sharp and static phenomenon.