The functions of sleep remain enigmatic. One of the dominant, yet more contentious hypotheses is that sleep is involved in memory consolidation. A large body of evidence supports the role of rapid eye movement (REM) sleep in memory consolidation, especially in rodents. In humans, the role of REM sleep in memory consolidation has also been investigated, however it is unclear if it supports only one type of memory, or consolidation for several memory systems. Recent evidence suggests that non-REM is also involved in memory consolidation. The role of theta activity during REM and sleep spindles during non-REM may provide electrophysiological signatures reflecting memory consolidation processes. The studies presented here attempt to further investigate the electrophysiological characteristics of the learning-dependent changes in REM and slow wave sleep (SWS) in rats. A 2-stage model of memory consolidation is outlined here, and both steps of the model were investigated. Consistent with previous studies, REM increases were observed following avoidance training. During this period, theta power during REM sleep was increased compared to non-learning rats. Increased sleep spindle density during SWS was observed following REM increases. When REM sleep was suppressed by infusing the GABAB agonist baclofen into the pedunculopontine nucleus, avoidance performance acquisition was impaired. Baseline sleep spindles predicted whether rats were able to learn to make avoidance responses. Results suggest that both REM and SWS may be sequentially involved in memory consolidation processes. Discrete periods (windows) exist for REM and SWS when memory consolidation processes appear to take place. Theta activity during REM sleep from 17- 20 h on the first post-training day and sleep spindles during SWS from 21-24 h on the first post- training day are increased in learning rats and are related to memory performance. / Thesis (Ph.D, Neuroscience Studies) -- Queen's University, 2009-10-26 12:07:47.515

La présente thèse examine les liens entre le sommeil, la mémoire épisodique et les rêves. Dans une première étude, nous utilisons les technologies de la réalité virtuelle (RV) en liaison avec un paradigme de privation de sommeil paradoxal et de collecte de rêve en vue d'examiner l'hypothèse que le sommeil paradoxal et le rêve sont impliqués dans la consolidation de la mémoire épisodique. Le sommeil paradoxal a été associé au rappel des aspects spatiaux des éléments émotionnels de la tâche RV. De la même façon, l'incorporation de la tâche RV dans les rêves a été associée au rappel des aspects spatiaux de la tâche. De plus, le rappel des aspects factuels et perceptuels de la mémoire épisodique, formé lors de la tâche VR, a été associé au sommeil aux ondes lentes. Une deuxième étude examine l'hypothèse selon laquelle une fonction possible du rêve pourrait être de créer de nouvelles associations entre les éléments de divers souvenirs épisodiques. Un participant a été réveillé 43 fois lors de l'endormissement pour fournir des rapports détaillés de rêves. Les résultats suggèrent qu'un seul rêve peut comporter, dans un même contexte spatiotemporel, divers éléments appartenant aux multiples souvenirs épisodiques. Une troisième étude aborde la question de la cognition lors du sommeil paradoxal, notamment comment les aspects bizarres des rêves, qui sont formés grâce aux nouvelles combinaisons d'éléments de la mémoire épisodique, sont perçus par le rêveur. Les résultats démontrent une dissociation dans les capacités cognitives en sommeil paradoxal caractérisée par un déficit sélectif dans l'appréciation des éléments bizarres des rêves. Les résultats des quatre études suggèrent que le sommeil aux ondes lentes et le sommeil paradoxal sont différemment impliqués dans le traitement de la mémoire épisodique. Le sommeil aux ondes lentes pourrait être implique dans la consolidation de la mémoire épisodique, et le sommeil paradoxal, par l'entremise du rêve, pourrais avoir le rôle d'introduire de la flexibilité dans ce système mnémonique. / The present dissertation examines relationships between sleep, episodic memory and dreaming. In Articles I and II we use a novel virtual reality (VR) task in conjunction with a rapid eye movement (REM) sleep deprivation (REMD) paradigm and dream sampling to examine the hypothesis that REM sleep and dreaming are involved in the consolidation of episodic memory. REM sleep was associated with the successful recall of the spatial aspects of emotionally charged elements of the VR task. Similarly, dreaming was associated with improved performance on the spatial aspects of the recall task. Recall of the factual and perceptual aspects of episodic memories formed with the VR task was associated with increased slow wave sleep (SWS) during the post-exposure night. Overall, the results suggest that SWS is associated with the perceptual and factual aspects of episodic memories while REM sleep is not, a finding which may relate to observations that REM sleep dreaming is composed of deconstructed fragments of loosely associated episodic memories. Study II examines the hypothesis that a function of dreaming may be to create new associations between previously unrelated memory items. A participant, highly trained in introspection and mentation reporting, was awakened 43 times during theta bursts at sleep onset and provided detailed reports of resulting imagery and associated memory sources. This technique provided evidence that elements of distally related memory sources are brought together in temporal and spatial proximity within a novel context provided by the dream, suggesting a role for dreaming in memory processing. To allow for this possibility, we speculate that dreaming experiences may be functionally equivalent to waking experiences in their ability to induce neural plasticity. Study III addresses an aspect of this functional equivalence by examining if dream bizarreness is incompatible with behavioral and cognitive features associated with waking state experience-driven plasticity, i.e., whether the dreamer can act upon, emote and be motivated towards an element of the dream that is bizarre and that violates basic assumptions of physical reality. The results demonstrate a dissociation in cognitive ability during dreaming characterized by a selective deficiency in appreciating bizarreness in face of a maintained ability for logical thought. This finding thus addresses the problem of the wake-like mind reflecting upon dream bizarreness and suggests that dreaming is a state in which the cognitive aspects associated with synaptic plasticity (attention, emotion and motivation associated with believing a situation to be reality) are present while allowing for the presentation of memory item combinations which may transcend the limits of physical reality. The results of the four studies are discussed in light of how REM and SWS sleep stages are differentially involved in specific aspects of episodic memory (episodic replay vs. episodic novelty) and the possible role that dreaming, as a driver of synaptic plasticity, may have in these relationships.

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Au cours des dernières années, la faisabilité des émetteurs-récepteurs millimétriques entièrement intégrés a été largement démontrée en technologies silicium CMOS et BiCMOS. Deux axes sont actuellement très porteurs dans ce domaine : (1) l’amélioration des performances à travers des boucles d’asservissement intégrées (ALC : Automatique Level Control), (2) le développement de solutions de caractérisation sur silicium des composants millimétriques (BIT : Built In Test). L’objectif principal de cette thèse est de développer les blocsde base (détecteurs de puissance et baluns) pour répondre aux besoins actuels des applications ALC et BIT. Les circuits réalisés combinent l’avantage de composants actifs de la technologie BiCMOS 55 nm, de STMicroelectronics, avec l’avantage des structures passives à ondes lentes développées à l’IMEP-LAHC. Ce travail permet un développement plus rapide et robuste pour la future génération de systèmes millimétriques. / In the past few years, the feasibility of high performance millimeter-wave(mmWave) fully-integrated transceivers has been widely demonstrated in both CMOS andBiCMOS silicon technologies. Nowadays, automatic level control (ALC) solutions and in-situtesting (BIT: Built in Testing) and characterization of mmWave components, constitute themajor research interest in mmWave domain. This work focus on the development of the mainbuilding blocks (power detectors and baluns) that meet the requirement of the today’smmWave ALC and BIT applications. The developed prototypes take advantage of the highperformances transistors offered by the BiCMOS 55 nm technology, from STMicroelectronics, aswell as the high performances of the slow-wave based passive components developed by theIMEP-LAHC laboratory. Several prototypes were developed as a proof of concept for thedesignated applications. This work helps future generation millimeter-wave systems to havefaster development and better robustness.

Du fait de nombreuses avancées technologiques et scientifiques, l'ensemble du réseau de télécommunications a évolué vers une complexité croissante intégrant désormais des débits très importants. Grâce aux larges bandes passantes offertes par les bandes de fréquences millimétriques, les prochaines générations visent à permettre l'augmentation du nombre de services multimédias et de partage de contenus en haute définition. Cette évolution pose la problématique de concevoir des systèmes sans-fils capables de fonctionner en haute fréquence avec des rendements et coûts acceptables, ainsi qu'un encombrement minimum. Ce travail se situe dans le cadre du développement de circuits passifs, de types filtres, coupleurs et guides d'ondes qui répondent à ces défis. Nous avons développé une technique de miniaturisation pour des dispositifs en technologie imprimée, dans un premier temps dédiée aux fréquences inférieures à 20 GHz. Celle-ci repose sur la notion d'onde lente, définie comme la capacité d’une structure à ralentir la propagation des ondes la traversant. Une analyse théorique ainsi que des méthodes de conception ont été développées, puis validées par des mesures. Dans un second temps, nous avons proposé deux technologies distinctes permettant l'intégration de guides d'ondes performants en bande millimétrique en collaboration avec deux laboratoires partenaires. Une étude théorique, la conception de motifs de test et les résultats de mesure sont présentés. Ces travaux constituent une base pour la réalisation ultérieure en bande millimétrique de topologies miniaturisées grâce aux ondes lentes. / The last decades have seen the evolution of communication networks towardgreater complexity and efficiency, being now able to carry significant data rates. This evolution is the result of both scientific and technological breakthroughs. Thanks to the wide bandwidths available at millimeter-wave frequencies, the future generations will be able to supply for the the increasing demand in multimedia services, especially high-definition videos. The design of wireless systems which operate at high frequencies with acceptable efficiency, costs, and minimum size thus constitute a decisive challenge. In this context, this work focuses on the development of passive circuits such as filters, couplers and waveguides which address these issues. We developed a miniaturization technique for printed circuits technology, which in a first step is dedicated to frequencies below 20 GHz. This technique is based on a slow-wave concept, defined as the property of any structure which impose lower velocities to the electromagnetic waves. A theoretical analysis, as well as design methods were established and confirmed by measurements. Secondly, we proposed two distinct technological solutions for the integration of efficient waveguides at millimeter-wave frequencies. This work was achieved in collaboration with two other laboratories. A theoretical study, design of test features and measurementswere performed. These results intend to constitute a basis for the future realization of miniaturized slow-wave circuits at millimeter-wave frequency bands.

L’objectif de ces travaux est le développement en technologie intégrée standard d’une topologiede ligne de propagation optimisée en termes de pertes, d’encombrement et de facteur de qualitéaux fréquences millimétriques. Cette topologie nommée S-CPW (Shielded CoPlanarWaveguide) utilise le phénomène d’ondes lentes afin de miniaturiser longitudinalement la ligned’un facteur compris entre 1,3 et 3,2 par rapport à des topologies classiques. Disposantégalement de faibles pertes, les lignes développées présentent un facteur de qualité élevé parfoissupérieur à 40, à 60 GHz. A partir de l’étude du champ électromagnétique dans la structure, unmodèle électrique a été développé. C’est le premier modèle dans la littérature prenant en compteles pertes dans ce type de guide d’onde. Plusieurs dispositifs passifs intégrés réalisés avec deslignes S-CPW dans différentes technologies CMOS ont été caractérisés jusqu’à 110GHz. Lacompacité et les faibles pertes d’insertion obtenues pour la mesure de filtres à stubs et dediviseurs de puissance permettent de réussir l’intégration de circuits passifs compacts entechnologie microélectronique CMOS standard aux fréquences millimétriques. / This work focuses on high-performance S-CPW (Shielded CoPlanar Waveguide) transmissionlines in classical CMOS integrated technologies for the millimeter-wave frequency band.Thanks to an important slow-wave phenomenon, the physical length of S-CPW decreases by afactor from 1.3 to 3.2 compared with classical transmission lines. Presenting also lowattenuation loss, the developed transmission lines show very high quality factor (higher than 40at 60 GHz). The precise study of the electromagnetism field leads to an electrical model forS-CPWs. This is the first model that takes the losses in this topology into account. Then, somebasic passive circuits designed with S-CPWs and characterized up to 110 GHz are presented invarious CMOS technologies. The low insertion losses and relative low surfaces of a powerdivider and a passband filter show the great interest of S-CPW to integrate compact passivecircuits in classical CMOS technologies at millimeter-wave frequencies.

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L’objectif de cette thèse a été premièrement de réaliser des dispositifs passifs intégrés à base de lignes à onde lentes nommées S-CPW (pour « Slow-wave CoPlanar Waveguide ») aux fréquences millimétriques. Plusieurs technologies CMOS ou BiCMOS ont été utilisées: CMOS 65 nm et 28 nm ainsi que BiCMOS 55 nm. Deux baluns, le premier basé sur une topologie de rat-race et le second basé sur un diviseur de puissance de Wilkinson modifié, ainsi qu’un inverseur de phase, ont été réalisés et mesurés dans la technologie CMOS 65 nm. Les résultats expérimentaux obtenus se situent à l’état de l’art en termes de performances électriques. Un coupler hybride et un diviseur de puissance avec des sorties en phase sans isolation ont été conçus en technologie CMOS 28 nm. Les simulations montrent de très bonnes performances pour des dispositifs compacts. Les circuits sont en cours de fabrication et pourront très bientôt être caractérisés. Ensuite, une nouvelle topologie de diviseurs de puissance, avec sorties en phase et isolé a été développée, offrant une grande flexibilité et compacité en comparaison des diviseurs de puissance traditionnels. Cette topologie est parfaitement adaptée pour les technologies silicium. Comme preuve de concept, deux diviseurs de puissance avec des caractéristiques différentes ont été réalisés en technologie PCB microruban à la fréquence de 2.45 GHz. Un composent a été conçu à 60 GHz en technologie BiCMOS 55 nm utilisant des lignes S CPW. Les simulations prouvent que le dispositif est faibles pertes, adapté et isolé. Les circuits sont également en cours de fabrication. Enfin, deux topologies de « reflection type phase shifter » ont été développées, la première dans la bande RF et la seconde aux fréquences millimétrique. Pour la bande RF, le déphasage atteint plus de 360° avec une figure de mérite très élevée en comparaison avec l’état de l’art. En ce qui concerne le déphaseur dans la bande millimétrique, la simulation montre un déphasage de 341° avec également une figure de mérite élevée. / The first purpose of this work was the use of slow-wave coplanar waveguides (S CPW) to achieve various passive components with the aim to show their great potential and interest at millimetre-waves. Several CMOS or BiCMOS technologies were used: CMOS 65 nm and 28 nm, and BiCMOS 55 nm. Two baluns, one based on a rat-race topology and the other based on a modified Wilkinson power divider, and a phase inverter, were achieved and measured in a 65 nm CMOS technology. State-of-the-art results were achieved. A branch-line coupler and an in phase power divider without isolation were designed in a 28 nm CMOS technology. Really good performances are expected for these compact devices being yet under fabrication. Then, a new topology of in phase and isolated power divider was developed, leading to more flexibility and compactness, well suited to millimetre-wave frequencies. Two power dividers with different characteristics were realized in a PCB technology at 2.45 GHz by using microstrip lines, as a proof-of-concept. After that, a power divider was designed at the working frequency of 60 GHz in the 55 nm BiCMOS technology with S CPWs. The simulation results showed a low loss, full-matched and isolated component, which is also under fabrication and will be characterized as soon as possible. Finally, two new topologies of reflection type phase shifters were presented, one for the RF band and one for the millimetre-wave one. For the one in RF band, the phase shift can reach more than 360° with a great figure-of-merit as compared to the state-of-the-art. Concerning the phase shifter in the millimetre-wave band, the simulation results show a phase shift of 341° with also a high figure-of-merit.

Slow light effect based rib silicon waveguide structures are studied in this paper to enhance modulation efficiency of an optoelectronic carrier plasma dispersion effect based phase modulator. Center frequency to achieve desired slow down factor and band width limitations of the structures are investigated through finite element method simulations. Optical modulation efficiency is modeled and the effects of doping, bias voltage and slow light on its performance are studied.

La présente thèse examine les liens entre le sommeil, la mémoire épisodique et les rêves. Dans une première étude, nous utilisons les technologies de la réalité virtuelle (RV) en liaison avec un paradigme de privation de sommeil paradoxal et de collecte de rêve en vue d'examiner l'hypothèse que le sommeil paradoxal et le rêve sont impliqués dans la consolidation de la mémoire épisodique. Le sommeil paradoxal a été associé au rappel des aspects spatiaux des éléments émotionnels de la tâche RV. De la même façon, l'incorporation de la tâche RV dans les rêves a été associée au rappel des aspects spatiaux de la tâche. De plus, le rappel des aspects factuels et perceptuels de la mémoire épisodique, formé lors de la tâche VR, a été associé au sommeil aux ondes lentes. Une deuxième étude examine l'hypothèse selon laquelle une fonction possible du rêve pourrait être de créer de nouvelles associations entre les éléments de divers souvenirs épisodiques. Un participant a été réveillé 43 fois lors de l'endormissement pour fournir des rapports détaillés de rêves. Les résultats suggèrent qu'un seul rêve peut comporter, dans un même contexte spatiotemporel, divers éléments appartenant aux multiples souvenirs épisodiques. Une troisième étude aborde la question de la cognition lors du sommeil paradoxal, notamment comment les aspects bizarres des rêves, qui sont formés grâce aux nouvelles combinaisons d'éléments de la mémoire épisodique, sont perçus par le rêveur. Les résultats démontrent une dissociation dans les capacités cognitives en sommeil paradoxal caractérisée par un déficit sélectif dans l'appréciation des éléments bizarres des rêves. Les résultats des quatre études suggèrent que le sommeil aux ondes lentes et le sommeil paradoxal sont différemment impliqués dans le traitement de la mémoire épisodique. Le sommeil aux ondes lentes pourrait être implique dans la consolidation de la mémoire épisodique, et le sommeil paradoxal, par l'entremise du rêve, pourrais avoir le rôle d'introduire de la flexibilité dans ce système mnémonique. / The present dissertation examines relationships between sleep, episodic memory and dreaming. In Articles I and II we use a novel virtual reality (VR) task in conjunction with a rapid eye movement (REM) sleep deprivation (REMD) paradigm and dream sampling to examine the hypothesis that REM sleep and dreaming are involved in the consolidation of episodic memory. REM sleep was associated with the successful recall of the spatial aspects of emotionally charged elements of the VR task. Similarly, dreaming was associated with improved performance on the spatial aspects of the recall task. Recall of the factual and perceptual aspects of episodic memories formed with the VR task was associated with increased slow wave sleep (SWS) during the post-exposure night. Overall, the results suggest that SWS is associated with the perceptual and factual aspects of episodic memories while REM sleep is not, a finding which may relate to observations that REM sleep dreaming is composed of deconstructed fragments of loosely associated episodic memories. Study II examines the hypothesis that a function of dreaming may be to create new associations between previously unrelated memory items. A participant, highly trained in introspection and mentation reporting, was awakened 43 times during theta bursts at sleep onset and provided detailed reports of resulting imagery and associated memory sources. This technique provided evidence that elements of distally related memory sources are brought together in temporal and spatial proximity within a novel context provided by the dream, suggesting a role for dreaming in memory processing. To allow for this possibility, we speculate that dreaming experiences may be functionally equivalent to waking experiences in their ability to induce neural plasticity. Study III addresses an aspect of this functional equivalence by examining if dream bizarreness is incompatible with behavioral and cognitive features associated with waking state experience-driven plasticity, i.e., whether the dreamer can act upon, emote and be motivated towards an element of the dream that is bizarre and that violates basic assumptions of physical reality. The results demonstrate a dissociation in cognitive ability during dreaming characterized by a selective deficiency in appreciating bizarreness in face of a maintained ability for logical thought. This finding thus addresses the problem of the wake-like mind reflecting upon dream bizarreness and suggests that dreaming is a state in which the cognitive aspects associated with synaptic plasticity (attention, emotion and motivation associated with believing a situation to be reality) are present while allowing for the presentation of memory item combinations which may transcend the limits of physical reality. The results of the four studies are discussed in light of how REM and SWS sleep stages are differentially involved in specific aspects of episodic memory (episodic replay vs. episodic novelty) and the possible role that dreaming, as a driver of synaptic plasticity, may have in these relationships.