Gain modulation is believed to be a common integration mechanism employed by neurons to combine information from various sources and modalities. Gain fields have been shown to widely exist in cortical and subcortical areas of the brain and are believed to be the basis for fundamental brain functions such as coordinate transformation. Nevertheless the existence of gain fields has not been explored in lower brain areas like the brainstem. In this thesis, a physiologically relevant control system model is developed for both the slow and quick phases of the angular horizontal vestibulo-ocular reflex (VOR). This model is then used as a framework to show that if nonlinear gain fields are embedded in the response of VOR premotor neurons (in contrast to generally assumed linear neurons) viewing-context-dependent behavior of the VOR results automatically. This shows that, in principle, reflex modulations with sensori-motor context could be the outcome of local premotor nonlinearities, and not complex cortical computations. Interestingly, similar nonlinearities have been previously discovered in the spinal circuits. Simulations of this hybrid nonlinear model predicts that disconjugate eye movements during the VOR would be an inevitable consequence of the existence of such gain fields in the central bilateral VOR pathway. Behavioral data collected from normal human subjects during the angular VOR in darkness confirm the presence of large disconjugate components which are fully compatible with the model predictions. These theoretical and experimental results have implications for the design of clinical protocols to test reflexes. / La modulation du gain est consideree comme un mecanisme general d'integration dans le cerveau, employee par les neurones pour combiner des informations provenant de diverses sources et modalites. Ces characteristiques de champs de gain se sont montrees souvent, repandues dans le cortex et sous-regions du cerveau. Elles sont soupconnees detre a la base de fonctions fondamentales comme la transformation de coordonnees spatiales. Neanmoins, l'existence de champs de gain n'a pas ete exploree dans les regions inferieures du cerveau, comme le tronc cerebral.Dans cette these, un modele du systeme de controle des yeux est developpe a la fois pour les phases lentes et rapides du reflexe vestibulo-oculaire (VOR) angulaire, tout en soutenant la compatibilite avec les donnees physiologiques pertinentes. Ce modele est ensuite utilise pour demontrer que si de tels champs de gain nonlineaires sont ancres dans le circuit du VOR sur les neurones premoteures (contrairement aux presumes neurones lineaires), le comportement et les aspects dynamiques du VOR dependraientt automatiquement du contexte binoculaire sans recours a d'autres calculs exterieurs. Ceci demontre que, en principe, les modulations du VOR et de plusieurs autres reflexes avec le contexte sensori-moteur pourrait etre le resultat de nonlinearites locales. Notons que des nonlinearites semblables ont deja ete decouvertes dans les circuits de la moelle epiniere. Des simulations de ce modele hybride non-lineaire predisent que les mouvements oculaires seraient disjoints pendant le VOR, en consequence inevitable de l'existence de tels champs de gain dans les centres premoteurs bilateraux. Les donnees experimentales recueillies ici chez l'homme et le singe soutiennent ces predictions: pendant le VOR angulaire dans l'obscurite, nous avons observe une importante reponse en vergence dans les movements binoculaires que ce soit en phase lentes ou rapides. Les resultat
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.66748 |
| Date | January 2009 |
| Creators | Khojasteh-Lakelayeh, Elham |
| Contributors | Henrietta L Galiana (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Biomedical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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