Aspergillus fumigatus is an opportunistic fungal pathogen responsible for invasive aspergillosis in immunocompromised individuals. Current detection and treatment strategies for invasive aspergillosis, as well as other invasive fungal infections, are poor. Iron has been shown to be essential for Aspergillus fumigatus virulence. Furthermore, mechanisms in the iron regulatory network are believed to be potential drug targets since iron management in fungi is vastly different from that in mammals and other eukaryotes. Therefore a better understanding of iron homeostasis in Aspergillus fumigatus could help improve drug therapies for invasive aspergillosis. In this research a discrete model of iron uptake, storage and utilization in Aspergillus fumigatus with particular focus on siderophore-mediated iron acquisition is constructed. The model predicts oscillations in gene expression as the fungus adapts to a switch from an iron depleted to an iron replete environment. The model is validated via in vitro experiments. / Master of Science

The study of quantum interference in solid-state systems yields insight in fundamental properties of mesoscopic systems. Electron quantum interference constitutes an important method to explore mesoscopic physics and quantum decoherence. This dissertation focuses on two-dimensional (2D) electron systems in $delta-$Si doped n-type In$_{0.64}$Ga$_{0.36}$As/In$_{0.45}$Al$_{0.55}$As, 2D hole systems in Si-doped p-type GaAs/Al$_{0.35}$Ga$_{0.65}$As and C-doped p-type GaAs/\Al$_{0.24}$Ga$_{0.76}$As heterostructures. The low temperature experiments study the magnetotransport of nano- and micro-scale lithographically defined devices fabricated on the heterostructures. These devices include a single ring interferometer and a ring interferometer array in 2D electron system, Hall bar geometries and narrow wires in 2D hole systems. The single ring interferometer yields pronounced Aharonov-Bohm (AB) oscillations with magnetic flux periodicity of h/e over a wide range of magnetic field. The periodicity was confirmed by Fourier transformation of the oscillations. The AB oscillation amplitude shows a quasi-periodic modulation over applied magnetic field due to local magnetic flux threading through the interferometer arms. Further study of current and temperature dependence of the amplitude of the oscillations indicates that the Thouless energy forms the measure of excitation energies giving quantum decoherence. An in-plane magnetic field was applied to the single ring interferometer to study the Berry's phase and the Aharonov-Casher effect. The ring interferometer array yields both AB oscillations and Altshuler-Aronov-Spivak (AAS) oscillations, the latter with magnetic flux periodicity of h/2e. The AAS oscillations require time-reversal symmetry and hence can be used to qualify time-reversal symmetry breaking. More importantly, the fundamental mesoscopic dephasing length associated with time-reversal symmetry breaking under applied magnetic field, an effective magnetic length, can be obtained by the analysis of the AAS oscillations over magnetic field. A theoretical model for confined ballistic system is confirmed by experimental data fitting. The AAS oscillations are barely resolved above 0.16 T and their amplitude decays with increasing magnetic field. The AB oscillations exist till above 2 T and their amplitude doesn't show the monotonic decay with increasing magnetic field. The different behavior of the AAS and AB oscillations originates in the different symmetries, respectively temporal and spatial, that they are sensitive to. The p-type 2D GaAs system has strong spin-orbit interaction (SOI). Antilocalization in a Hall bar geometry was analyzed by the 2D Hikami-Larkin-Nagaoka (HLN) theory to obtain the spin coherence time and phase coherence time. The 2D hole systems we studied have low density and high mobility, quite different from the 2D electron systems. These high-quality 2D hole systems demonstrate semi-classical ballistic phenomena in mesoscopic structures preferentially to quantum-coherence phenomena. / Ph. D.

In order to reduce the detrimental effects of inter-area oscillations on system stability, it is possible to use Linear Matrix Inequalities (LMIs) to design a multi-objective state feedback. The LMI optimization finds a control law that stabilizes several contingencies simultaneously using a polytopic model of the system. However, the number of cases to be considered is limited by computational complexity which increases the chances of infeasibility. In order to circumvent this problem, this paper presents a method for solving multiple polytopic problems having a common base case. The proposed algorithm determines the necessary polytopic control for a particular contingency and classifies the data as belonging to that polytopic domain. The technique has been tested on an 8-machine, 13 bus, system and has been found to give satisfactory results. / Master of Science

In this dissertation, I have addressed the question of how resting-state EEG markers primarily in the alpha frequency range are linked to general cognitive performance and age. In the three studies presented in the work, I show that alpha power, frequency, and temporal dynamics, have distinct contributions to cognitive control functions in different age groups. Moreover, individual alpha peak frequency as well as the slope of 1/f decay of the PSD shows consistent age-related alterations, while alpha power is linked to structural alterations in the white matter. Our research extends further existing literature by specifying relevant neural networks as well as important methodological considerations that should be taken into account when analysing properties of oscillations.

Les qubits de spin sont des candidats prometteurs pour le traitement de l’information quantique en raison de leurs longs temps de cohérence. Les deux principaux qubits présents dans un système à trois spins ont été démontré au cours des dernières années dans la boîte quantique latérale triple. Le diagramme des niveaux d’énergie de quelques électrons dans la boîte quantique triple est beaucoup plus complexe que son homologue à deux ou à une boîte. Il en résulte des possibilités de fuites hors des qubits ciblés. Dans ce mémoire, nous présenterons une nouvelles technologie pour améliorer le contrôle des états de spin et augmenter le temps de cohérence des qubits. Nous avons effectué des mesures préliminaires sur des échantillons sur lesquels a été incorporé un microaimant. Ce microaimant crée un champ magnétique non-uniforme au niveau des boîtes quantiques qui sera utilisé pour effectuer une rotation de spin et pour améliorer certains types d’oscillations. Nous avons optimisé la forme des géométries afin de créer des gradients de champ magnétique optimaux spécifiquement pour la boîte quantique triple. Différents problèmes ont été encourus et la stratégie que nous avons adoptée pour les régler sera présentée. De plus, nous avons analysé les phénomènes de fuites entre les états quantiques en étudiant la réponse d’un système à trois spins en fonction de différentes impulsions électriques. Nous présentons deux processus d’interférence jamais répertoriés entre les qubits de la boîte quantique triple. Afin d’identifier l’origine de ces interférences, nous avons utilisé leur dépendance en champ magnétique.

Diverses études se sont penchées sur les paramètres EEG du sommeil en ondes lentes, y compris l’activité en ondes lentes en lien avec le somnambulisme, mais les résultats se révèlent inconsistants et contradictoires. Le premier objectif de la présente étude était d’analyser quantitativement l’EEG en sommeil en mesurant les fluctuations de puissance spectrale en delta (1-4 Hz) et delta lent (0.5-1 Hz) avant des épisodes de somnambulisme. Le second était de détecter les oscillations lentes (> 75 μV, fréquence d'environ 0.7-0.8 Hz) et très lentes (> 140 μV, fréquence d'environ 0.7-0.8 Hz) afin d'examiner leur changement d'amplitude et de densité avant de tels épisodes. Suite à une privation de sommeil de 25 heures, les enregistrements polysomnographiques de 22 adultes atteints de somnambulisme ont été scrutés. L’analyse des 200 secondes avant les épisodes révèle que ceux-ci ne sont pas précédés d’une augmentation graduelle de puissance spectrale en delta ni en delta lent, tant sur les dérivations frontale, centrale que pariétale. Toutefois, une hausse statistiquement significative de la densité des oscillations lentes et des oscillations très lentes a été observée au cours des 20 sec immédiatement avant le début des épisodes. Reste à déterminer le rôle exact de ces paramètres de l’EEG en sommeil par rapport à la manifestation et au diagnostic des parasomnies en sommeil lent. / Several studies have investigated slow-wave sleep EEG parameters, including slow-wave activity (SWA) in relation to somnambulism, but results have been both inconsistent and contradictory. The first goal of the present study was to conduct a quantitative analysis of sleepwalkers’ sleep EEG by studying fluctuations in spectral power for delta (1-4 Hz) and slow delta (0.5-1 Hz) before the onset of somnambulistic episodes. A secondary aim was to detect slow wave oscillations to examine their changes in amplitude and density prior to behavioral episodes of somnambulism. Twenty-two adult sleepwalkers were investigated polysomnographically following 25 h of sleep deprivation. Analysis of patients’ sleep EEG over the 200 sec prior to the episodes’ onset revealed that the episodes were not preceded by a gradual increase in spectral power for either delta or slow delta over frontal, central, or parietal leads. However, time course comparisons revealed significant changes in the density of slow and very slow wave oscillations, with significant increases occurring during the final 20 sec immediately preceding episode onset. The specificity of these sleep EEG parameters for the occurrence and diagnosis of NREM parasomnias remains to be determined.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Contexte La connectomique, ou la cartographie des connexions neuronales, est un champ de recherche des neurosciences évoluant rapidement, promettant des avancées majeures en ce qui concerne la compréhension du fonctionnement cérébral. La formation de circuits neuronaux en réponse à des stimuli environnementaux est une propriété émergente du cerveau. Cependant, la connaissance que nous avons de la nature précise de ces réseaux est encore limitée. Au niveau du cortex visuel, qui est l’aire cérébrale la plus étudiée, la manière dont les informations se transmettent de neurone en neurone est une question qui reste encore inexplorée. Cela nous invite à étudier l’émergence des microcircuits en réponse aux stimuli visuels. Autrement dit, comment l’interaction entre un stimulus et une assemblée cellulaire est-elle mise en place et modulée? Méthodes En réponse à la présentation de grilles sinusoïdales en mouvement, des ensembles neuronaux ont été enregistrés dans la couche II/III (aire 17) du cortex visuel primaire de chats anesthésiés, à l’aide de multi-électrodes en tungstène. Des corrélations croisées ont été effectuées entre l’activité de chacun des neurones enregistrés simultanément pour mettre en évidence les liens fonctionnels de quasi-synchronie (fenêtre de ± 5 ms sur les corrélogrammes croisés corrigés). Ces liens fonctionnels dévoilés indiquent des connexions synaptiques putatives entre les neurones. Par la suite, les histogrammes peri-stimulus (PSTH) des neurones ont été comparés afin de mettre en évidence la collaboration synergique temporelle dans les réseaux fonctionnels révélés. Enfin, des spectrogrammes dépendants du taux de décharges entre neurones ou stimulus-dépendants ont été calculés pour observer les oscillations gamma dans les microcircuits émergents. Un indice de corrélation (Rsc) a également été calculé pour les neurones connectés et non connectés. Résultats Les neurones liés fonctionnellement ont une activité accrue durant une période de 50 ms contrairement aux neurones fonctionnellement non connectés. Cela suggère que les connexions entre neurones mènent à une synergie de leur inter-excitabilité. En outre, l’analyse du spectrogramme dépendant du taux de décharge entre neurones révèle que les neurones connectés ont une plus forte activité gamma que les neurones non connectés durant une fenêtre d’opportunité de 50ms. L’activité gamma de basse-fréquence (20-40 Hz) a été associée aux neurones à décharge régulière (RS) et l’activité de haute fréquence (60-80 Hz) aux neurones à décharge rapide (FS). Aussi, les neurones fonctionnellement connectés ont systématiquement un Rsc plus élevé que les neurones non connectés. Finalement, l’analyse des corrélogrammes croisés révèle que dans une assemblée neuronale, le réseau fonctionnel change selon l’orientation de la grille. Nous démontrons ainsi que l’intensité des relations fonctionnelles dépend de l’orientation de la grille sinusoïdale. Cette relation nous a amené à proposer l’hypothèse suivante : outre la sélectivité des neurones aux caractères spécifiques du stimulus, il y a aussi une sélectivité du connectome. En bref, les réseaux fonctionnels «signature » sont activés dans une assemblée qui est strictement associée à l’orientation présentée et plus généralement aux propriétés des stimuli. Conclusion Cette étude souligne le fait que l’assemblée cellulaire, plutôt que le neurone, est l'unité fonctionnelle fondamentale du cerveau. Cela dilue l'importance du travail isolé de chaque neurone, c’est à dire le paradigme classique du taux de décharge qui a été traditionnellement utilisé pour étudier l'encodage des stimuli. Cette étude contribue aussi à faire avancer le débat sur les oscillations gamma, en ce qu'elles surviennent systématiquement entre neurones connectés dans les assemblées, en conséquence d’un ajout de cohérence. Bien que la taille des assemblées enregistrées soit relativement faible, cette étude suggère néanmoins une intrigante spécificité fonctionnelle entre neurones interagissant dans une assemblée en réponse à une stimulation visuelle. Cette étude peut être considérée comme une prémisse à la modélisation informatique à grande échelle de connectomes fonctionnels. / Background ‘Connectomics’— the mapping of neural connections, is a rapidly advancing field in neurosciences and it promises significant insights into the brain functioning. The formation of neuronal circuits in response to the sensory environment is an emergent property of the brain; however, the knowledge about the precise nature of these sub-networks is still limited. Even at the level of the visual cortex, which is the most studied area in the brain, how sensory inputs are processed between its neurons, is a question yet to be completely explored. Heuristically, this invites an investigation into the emergence of micro-circuits in response to a visual input — that is, how the intriguing interplay between a stimulus and a cell assembly is engineered and modulated? Methods Neuronal assemblies were recorded in response to randomly presented drifting sine-wave gratings in the layer II/III (area 17) of the primary visual cortex (V1) in anaesthetized cats using tungsten multi-electrodes. Cross-correlograms (CCGs) between simultaneously recorded neural activities were computed to reveal the functional links between neurons that were indicative of putative synaptic connections between them. Further, the peristimulus time histograms (PSTH) of neurons were compared to divulge the epochal synergistic collaboration in the revealed functional networks. Thereafter, perievent spectrograms were computed to observe the gamma oscillations in emergent microcircuits. Noise correlation (Rsc) was calculated for the connected and unconnected neurons within these microcircuits. Results The functionally linked neurons collaborate synergistically with augmented activity in a 50-ms window of opportunity compared with the functionally unconnected neurons suggesting that the connectivity between neurons leads to the added excitability between them. Further, the perievent spectrogram analysis revealed that the connected neurons had an augmented power of gamma activity compared with the unconnected neurons in the emergent 50-ms window of opportunity. The low-band (20-40 Hz) gamma activity was linked to the regular-spiking (RS) neurons, whereas the high-band (60-80 Hz) activity was related to the fast-spiking (FS) neurons. The functionally connected neurons systematically displayed higher Rsc compared with the unconnected neurons in emergent microcircuits. Finally, the CCG analysis revealed that there is an activation of a salient functional network in an assembly in relation to the presented orientation. Closely tuned neurons exhibited more connections than the distantly tuned neurons. Untuned assemblies did not display functional linkage. In short, a ‘signature’ functional network was formed between neurons comprising an assembly that was strictly related to the presented orientation. Conclusion Indeed, this study points to the fact that a cell-assembly is the fundamental functional unit of information processing in the brain, rather than the individual neurons. This dilutes the importance of a neuron working in isolation, that is, the classical firing rate paradigm that has been traditionally used to study the encoding of a stimulus. This study also helps to reconcile the debate on gamma oscillations in that they systematically originate between the connected neurons in assemblies. Though the size of the recorded assemblies in the current investigation was relatively small, nevertheless, this study shows the intriguing functional specificity of interacting neurons in an assembly in response to a visual input. One may form this study as a premise to computationally infer the functional connectomes on a larger scale.

Exploiter des effets dépendants du temps pour induire et contrôler des courants à travers des conducteurs mésoscopiques et nanoscopiques est un enjeu majeur dans le domaine du transport quantique. Dans cette thèse, nous considérons deux systèmes de taille nanométrique pour lesquels un courant est induit grâce au couplage entre champs extérieurs dépendants du temps et le transport d'électrons. Nous étudions d'abord un problème de pompage quantique au sein d'un système à trois sites en configuration d'anneau, en considérant la possibilité d'induire un courant continu par modulation temporelle des paramètres de contrôle. Nous nous intéressons en particulier à la transition entre régime adiabatique et antiadiabatique en présence d'un mécanisme de dissipation modélisé par un couplage entre le système et un bain extérieur.Nous montrons que le modèle dissipatif admet une solution analytique complète valable pour la composante DC du courant à fréquence arbitraire. Ceci nous permet de bien comprendre comment le courant induit dépend de la fréquence de pompage. Nous nous concentrons ensuite sur un autre système de contrôle du courant exploitant le phénomène des oscillations tunnel à un électron (SETOs). Contrairement au cas précédent, ici la circulation d'un courant continu à travers un circuit comportant une jonction tunnel produit, pour le régime approprié, un courant quasi-périodique d'électrons. On étudie le spectre de bruit à température nulle d'une jonction tunnel dans différents environnements résistifs dans le but de déterminer les limites du régime des SETOs et de quantifier leur degré de périodicité. Nous généralisons par la suite les résultats à température finie et discutons des effets des fluctuations quantiques. / Exploiting time-dependent effects to induce and control currents through mesoscopic and nano\-scopic conductors is a major challenge in the field of quantum transport. In this dissertation we consider two nanoscale systems in which a current can be induced through intriguing mechanisms of coupling between excitations by external fields and electron transport.We first study a quantum pumping problem, analyzing the possibility to induce a DC response to an AC parametric driving through a three-site system in a ring configuration. We are interested in particular in the crossover between adiabatic and antiadiabatic driving regimes and in the presence of dissipation, which is accounted for by coupling with an external bath. We show that for a clever choice of this coupling the dissipative model admits a full analytical solution for the steady state current valid at arbitrary frequency, which allows us to fully understand the pumping-frequency dependence of the induced current. We then focus on a different current-controlling scheme exploiting the phenomenon of single-electron tunneling oscillations (SETOs). In this case, opposite to what happens for pumping, an AC effect, an almost periodic current of single electrons, arises through a tunnel junction circuit as a consequence of a DC bias. We study the zero-temperature noise spectrum of a tunnel junction in different resistive environments with the aim to determine the boundaries of the SETOs regime and quantify their quality in terms of periodicity. We then discuss the finite-temperature generalization and the possibility to account for the effects of quantum fluctuations.

Les populations neuronales ont la capacité de s’organiser en réseaux qui produisent spontanément différents patterns d’activité électrique coordonnée. Au travers de leur activité synchrone, les réseaux immatures combinent les informations génétiques et les influences environnementales et contrôlent plusieurs processus neuro-développementaux dont la plasticité synaptique. Pendant le développement prénatal et post-natal précoce, ces activités électriques synchrones peuvent être générées au sein des cortex sensoriels eux-mêmes, des structures sous-corticales ou être évoquées par l’activité des organes sensoriels, elle-même spontanée ou provoquée par les stimuli sensoriels. Dans des travaux antérieurs, nous avons montré qu’un pattern EEG typique du prématuré, le « Delta-brush » (DB), qui associe une onde lente et des oscillations rapides, pouvait être évoqué dans les cortex primaires sensori-moteur, visuel et auditif par les mouvements spontanés et par les stimuli sensoriels correspondants. L’objectif de la présente étude, dédiée aux réponses corticales aux stimuli auditifs (click), était de préciser les caractéristiques spatio-temporelles des DBs évoqués ainsi que leur rapport avec des potentiels évoqués auditifs corticaux. Pour cela, les enregistrements EEG ont été réalisés en haute résolution (32 électrodes) chez 30 nouveau-nés prématurés de 30 à 38 semaines d’âge gestationnel sans risque neurologique et la position des électrodes a été recalée sur des IRM 3D acquises chez d’autres prématurés représentatifs des âges étudiés. L’analyse de population a montré une augmentation significative de la puissance spectrale après le stimulus dans toutes les bandes de fréquence allant du delta à gamma et située au niveau de la partie moyenne et postérieure du lobe temporal. Ces réponses du cortex temporal avaient une prédominance droite, étaient plus amples dans le sommeil calme et diminuaient en puissance avec l’âge. Le moyennage des réponses EEG a révélé que la composante lente du DB était une onde lente négative de grande amplitude qui culminait dans les régions temporales moyenne et postérieure à environ 550 et 700 ms respectivement. L’analyse temps-fréquence a confirmé la présence d’oscillations rapides dont les oscillations gamma, à partir du pic de l’onde lente et cohabitant avec cette dernière durant environ 700 ms. Ces résultats suggèrent que le DB évoqué par les stimuli auditifs correspond en fait à la composante lente tardive du potentiel évoqué auditif cortical du prématuré et qu’il regroupe des oscillations dans toutes les bandes de fréquence, gamma y compris, fréquence identifiée ici pour la première fois en réponse à un stimulus sensoriel chez le prématuré humain. Nous avons obtenu des résultats préliminaires similaires aussi dans une autre modalité sensorielle ; l’activité oscillatoire du DB évoqué contribue donc probablement à la maturation des cartes corticales et représente un biomarqueur potentiel du fonctionnement normal des cortex sensoriels chez le prématuré. / At the early developmental stages, during the third trimester of gestation in humans and the first post-natal weeks in rodents, sensory neocortical areas reveal similar patterns of spontaneous correlated neuronal activity. In vitro and in vivo experiments indicate that these spontaneous activities are generated from neuronal networks in the cerebral cortex, in subcortical structures or in the sensory periphery (retina, limb jerks, whiskers). Spontaneous, periphery-driven and also sensory evoked activity is relayed to the developing cerebral cortex via the thalamus and the neocortical subplate, which amplifies the afferent sensory input. The patterns of sensory evoked activity were extensively studied in rodents, but in humans their spatiotemporal dynamics still remain elusive. In humans this developmental process happens during the second half of gestation: the major growing afferents from the thalamus spread within the transient subplate zone, relocate in the cortical plate, and form functional synapses with both transient and permanent neuronal populations. Characteristic immature activity patterns of “delta-brushes” (DBs) have been reported in the preterm temporal cortex following auditory stimuli. However, the spatiotemporal dynamics of these auditory-evoked DBs remain elusive. Here, we explored the electrophysiological responses evoked by click stimuli using 32-electrode EEG recordings in thirty premature infants from 30 to 38 postmenstrual weeks (PMW) of age. Electrodes position was digitalized and registered to 3D reconstructions of preterm heads and brains computed from MRI images of other age-matched groups. Population power spectrum analysis within the 2 seconds after stimulation revealed significant increase in all frequency bands from delta to gamma, located on the middle and posterior temporal regions with a right predominance and higher power increase in the quiet sleep. Time-frequency wavelet analysis also showed fast oscillations including gamma that begin at the peak of the delta waves and co-occur with it during a period of around 700 ms. Power of auditory evoked responses significantly decreased from 30 to 38 WPM in delta to alpha bands. These are the first report of gamma oscillations in preterm sensory evoked responses. Furthermore, average cortical auditory evoked potentials (CAEP) (processed with a mean reference and a 0.16 Hz high-pass filter) revealed high amplitude delta negative waves peaking successively from the middle to posterior temporal regions at around 550 and 700 ms. Altogether these results suggest that the auditory-evoked DBs in premature infants are a slow late component of the CAEP covering temporal regions and grouping fast oscillations notably gamma oscillations.