download : chapter-x_english

1. Introduction

Formal neural networks have many applications. Applications of control of tasks (motor control) as well as speech generation have a certain number of common constraints. We are going to see seven main constraints that a system based on a neural network should follow in order to be able to produce that kind of control. Afterwards we will present the TempUnit model which is able to give some answers for all these seven criteria.


Abstract—We investigated spatio-temporal information processing in the primate motor system. Corticomotoneuronal (CM) cells provide monosynaptic excitatory connections from motor cortex to spinal motoneurons and contribute causally to the time-varying electromyogram (EMG) of their target muscle. A multilayer perceptron (MLP) was used to evaluate the transfer function between neural activity of single CM cells and their target muscle EMG, using data from in-vivo recordings in primate motor cortex. For an optimal MLP performance, i.e., minimal error between recorded target EMG and MLP-derived EMG, the CM cell input period had to span the latency observed between CM cell peak activity and EMG peak activity. We argue that the same spike train may code two types of information:

  1. rate coding within the input window accounted for large-amplitude variations in the EMG signal and
  2. temporal coding within a window of 40 ms just prior to the EMG output signal accounted or EMG variations of small amplitude.

The transfer function of the MLP, thus, combines rate and temporal coding and suggests that CM cell output may also combine these two forms of coding.

We predict that mutual constraints of rate and temporal coding would, however, would limit the CM output to code for particular temporal profiles of EMG, possibly adapted to bio-mechanical constraints.

Read the full PDF article here : Temporal Processing in Primate Motor Control


Abstract – We have developed and tested a novel artificial neural network for the processing of temporal signals. The working of the units (TempUnit) is based on the mechanism of temporal summation as observed in biological neurons. Its particularity is to adapt its basis function by supervised learning. The model was tested on cortical and associated muscular (EMG) recordings from the behaving primate.

  1. The TempUnit showed a 2.3 times better performance in mapping spiking to EMG activity than a time delay multi-layer perceptron.
  2. Data compression capacity of the TempUnit was tested on audio data and compared to the MP3 compression standard. For a similar reproduction quality, we found a compression rate 5 times higher than in MP3.

Read full PDF article here => TempUnit: A bio-inspired neural network model


Depuis mai 68, où sous les pressions étudiantes qui affichaient un certain mépris des conventions, cette cérémonie avait été supprimé. Nous assistons aujourd’hui à un certain retour à des valeurs traditionnelles.


Le réfrigérateur est utilisé pour rallonger « la vie » de vos aliments et une
nouvelle étude suggère qu’un principe similaire pourrait également prolonger
votre propre vie. Les chercheurs ont trouvé que baisser la température du
corps d’une souris de juste 0.5°C étend leurs vies d’environ 15%. La seule
méthode précédemment prouvée pour rallonger la vie d’un animal a été par un
régime de restriction calorique.

Bruno Conti de l’institut de recherche Scripps à La Jolla en Californie
(USA) et ses collègues ont par génie génétique réalisée une lignée de souris
ayant une défaillance dans une région spécifique du cerveau appelée
l’hypothalamus latéral. Cette défaillance force les cellules de cette région
a avoir un métabolisme au maximum, causant un réchauffement par rapport à
une souris normale. Chez la souris, l’hypothalamus latéral est situé à
seulement 0,8mm du thermostat de contrôle de la température du corps (l’aire
pré optique) qui est floué par l’excès de chaleur et déclenche le processus
de rafraichissement du corps.
Avantage féminin
La température du corps de cette souris génétiquement modifiée est ainsi
environ 0,6°C inférieure aux souris contrôle. Cette petite diminution de la
température du corps provoque un effet remarquable sur sa durée de vie,
l’étendant de 12 à 20%. Cette diminution de la température du corps prolonge
la vie des souris femelle encore plus que chez les males.
Les radicaux libres
Les restrictions caloriques, une autre méthode montrée pour étendre la vie
d’un animal, causent également une diminution de la température du corps.
Dans cette étude, les 2 groupes de souris mangent à peu près la même
quantité. En fait, les souris mâles génétiquement modifiées sont 10% plus
lourdes que les souris normales.

Conti dit que la recherche montre que c’est la baisse de la température du
corps, et pas nécessairement la consommation de peu de calories, qui joue le
rôle le plus important dans l’extension de la durée de vie.

La raison pourrait être parce que le corps fonctionne au ralenti lorsque sa
température baisse ce qui résulte d’une production de radicaux libres
diminuée. Ces derniers endommagent les cellules et participent ainsi à
l’apparition des signes liés à l’age.

Conti dit que dans le futur les gens seront capables de prendre une pilule
qui ciblera spécifiquement le thermostat de l’aire pré optique du cerveau
afin de réduire la température du corps. Revenir avec une telle pilule sera
un « véritable challenge », mais il espère que ça permettra aux gens de vivre
plus longtemps sans pour cela se résoudre à un régime hypo-calorique.

Référence : Science (DOI: 10.1126/science.1132191)


La faute n’est pas seulement a rejeter sur la sur pêche mais également à l’attaque généralisée de la santé des écosystème marin, par exemple par la pollution.
D’après Steve Palumbi de l’université de Stanford en Californie (USA) : « A moins que nous changions fondamentalement notre façon de gérer l’éco-système, ce siècle est le dernier avec des poissons sauvages ».
Il a travaillé pendant 4 ans avec ses collègues et l’étude réalisée est la plus grande et la plus complète permettant de comprendre la productivité des océans et prédire leur futur. Pour la première fois, une étude combine des données historiques sur les prises de pêche et des essais d’expérimentations de retour de la vie marine dans des zones protégées.
Les auteurs, de 5 pays, ont synthétisé des centaines d’études couvrant chaque échelle depuis la totalité des océans à des « points » marins de quelques mètre carrés. Et toutes ces études aboutissent à la même conclusion : les écosystèmes riches avec beaucoup d’espèces peuvent survivre malgré la pêche et d’autres menaces, mais dès le moment où la bio-diversité est perdue, la totalité du système, y compris les stocks de pêche, vont vers un déclin exponentiel.
 
Un écosystème sain garde les poissons en bonne santé et bien nourris et maintien les nurseries à poisson tels que les récifs coralliens et les herbes marines. Mais de tels systèmes sont moins nombreux chaque année. Depuis 1950, 29% des espèces commerciales ont souffert d’un effondrement de leur effectif (défini par une chute de 90% ou plus).
 
Et le rythme s’accélère. L’étude extrapole que la dernière espèce de poisson commerciale sera perdu en 2048.
 
Mais le rapport a également montré que la vulnérabilité à l’effondrement du stock de poisson dépend de la diversité biologique générale : les zones de l’océan avec une diversité faible ont souffert d’un effondrement de 34% de leurs stocks de poissons commerciaux comparé à une chute de 24% dans les zones ayant une bio-diversité plus élevée. Cette étude démontrant que même les espèces non péchés ont un impact sur la pêche à cause des liens entres espèces.
 
La bonne nouvelle est que les stocks de poissons peuvent se rétablir si des écosystèmes sont protégés et que la bio-diversité est préservée. Boris Worm, un conservateur marin de l’université Dalhousie à Halifax au Canada, qui a dirigé l’étude, dit qu’à l’intérieur des 44 aires protégées étudiées, « les espèces reviennent plus rapidement que les gens avaient anticipés – en 3 ou 5 ou 10 ans. Et là où ça a été fait, nous avons immédiatement eu un bénéfice économique ».
 
« Une zone de conservation marine classique peut accroître la bio-diversité de plus de 1/5 et accroître les prises de pêche d’un quart. Or moins de 1% de la surface globale des océans est actuellement protégée. »
 
« La conservation de la bio-diversité et un développement économique à long terme doivent être vu comme interdépendant » ont conclu les chercheurs.
 
Référence : Science (vol 314, p 787)

powered by performancing firefox

powered by performancing firefox


Résumé thèse

01Nov06

Le système Cortico-Motoneuronal (CM) est composé de populations de neurones situées dans le cortex moteur réalisant des prolongements axoniques directs vers les motoneurones de la moelle épinière. Il est impliqué dans la réalisation de mouvements volontaires de la main et particulièrement pour les mouvements nécessitant un haut degré de dextérité. Les cellules CM réalisent des connexions monosynaptiques avec les motoneurones impliqués dans ces mouvements. Il est par conséquent particulièrement pertinent de s’intéresser au codage de l’information en relation avec l’activité musculaire dans l’activité de ces neurones.

Le but de mon travail a donc été de comprendre à la fois, i) Quelle est l’information transmise par le système CM ? ii) Comment est codée cette information ? Pour cela nous avons utilisé des enregistrements de neurones CM et des enregistrements de l’activité musculaire (EMG) chez le macaque lors de la réalisation d’une tâche de préhension entre le pouce et l’index. Pour déterminer le codage utilisé par les neurones CM, nous avons suivi une méthode se servant d’un perceptron multicouches à délai temporel (TDMLP) que nous avons entraîné afin de déterminer la fonction de transfert donnant l’EMG à partir de l’activité CM.

Les résultats trouvés nous montrent qu’il existe 2 types de codage de l’activité EMG par le neurone CM : Un codage en fréquence et un codage temporel. Le codage en fréquence a la particularité d’être défini dans l’activité binaire du neurone avec un délai correspondant à la latence entre le pic d’activité CM et le pic EMG. Le codage en fréquence défini les grandes variations de l’activité EMG. A cela s’ajoute un codage temporel des petites variations de l’EMG avec un délai de l’ordre du délai de transmission. En effet, de nombreux indices ont corrélé la fréquence moyenne des spikes dans une fenêtre avec les grandes variations de l’EMG. De plus, nous avons trouvé des patrons temporels de spikes en relation avec la taille des petites variations de l’EMG mesuré par le post-spike variation (PSV). Le PSV est la dérivée de l’EMG centrée sur un spike. Un codage temporel a été trouvé dans l’activité de 28 neurones CM sur les 45 analysés. Ces patrons, une fois utilisés comme entrée de TDMLP entraînés ont influencé l’EMG d’une manière prédictible en fonction du type de patron. L’occurrence des patrons s’est retrouvée plus importante pendant la période de maintient. Ceci révélant une certaine indépendance dans la modulation en temporel et en fréquence de l’activité CM. De plus, une meilleure utilisation du codage temporel par les neurones CM peut être la source d’une plus grande quantité d’information transmise par ces neurones à chaque instant de temps et donc être mise en relation avec une meilleure réalisation de la tâche comportementale. Tous ces résultats expérimentaux ont été regroupés dans un modèle formel et explicatif, le TempUnit, se basant sur le principe de la sommation temporelle. Le modèle TempUnit a montré de meilleures capacités que le TDMLP pour prédire l’activité EMG à partir de l’activité CM.

powered by performancing firefox