Bilinear models for spatio-temporal point distribution analysis: application to extrapolation of left ventricular, biventricular and whole heart cardiac dynamics

In this work we describe the usage of bilinear statistical models as a means of factoring the shape variability into two components attributed to inter-subject variation and to the intrinsic dynamics of the human heart. We show that it is feasible to reconstruct the shape of the heart at discrete points in the cardiac cycle. Provided we are given a small number of shape instances representing the same heart atdifferent points in the same cycle, we can use the bilinearmodel to establish this. Using a temporal and a spatial alignment step in the preprocessing of the shapes, around half of the reconstruction errors were on the order of the axial image resolution of 2 mm, and over 90% was within 3.5 mm. From this, weconclude that the dynamics were indeed separated from theinter-subject variability in our dataset.

Front dynamics in the presence of spatio-temporal structured noises

Front dynamics modeled by a reaction-diffusion equation are studied under the influence of spatiotemporal structured noises. An effective deterministic model is analytical derived where the noise parameters, intensity, correlation time, and correlation length appear explicitly. The different effects of these parameters are discussed for the Ginzburg-Landau and Schlögl models. We obtain an analytical expression for the front velocity as a function of the noise parameters. Numerical simulation results are in a good agreement with the theoretical predictions.

Spatio-temporal variations in reproductive patterns and population structure of Pasiphaea multidentata (Decapoda: Caridea) in the Blanes canyon and adjacent margin, North-western Mediterranean Sea

The bathyal faunal communities of the NW Mediterranean slopes have been studied consistently in the last two decades, with a special focus on population structure, trophic dynamics and benthopelagic coupling of commercial deep-sea decapod crustaceans and fishes (reviewed in Sardà et al. 2004) and associated species (Cartes and Sardà, 1993; Company and Sardà, 1997, 2000; Cartes et al., 2001; Company et al., 2001, 2003, 2004). One of the major topographic features in the North-western Mediterranean slope is the presence of submarine canyons. Canyons play a major role in funnelling energy and organic matter from the shelf to bathyal and abyssal depths (Puig et al., 2000), but the implications of this enhanced organic supply in the deep-sea benthic communities is still mostly unknown. Trophic supply can follow two major pathways – vertical deposition in the water column (Billett et al., 1983; Baldwin et al., 1998; Lampitt et al., 2001) or down-slope advection on the margins (Puig et al., 2001; Bethoux et al., 2002; Canals et al., 2006) – and can be a limiting factor in the deep-sea, being especially important in the oligotrophic Mediterranean Sea (Sardà et al., 2004). Differences in the quantity, quality and timing of organic matter input to the deep seafloor have been used to explain patterns of biomass and abundance in benthic communities (Levin et al., 1994; Gooday & Turley, 1990; Billett et al., 2001; Galéron et al., 2001; Puig et al., 2001; Gage, 2003) as well as other biological process and in particular the existence of seasonal reproduction (Tyler et al., 1994; Company et al., 2004 (MEPS). Reproduction is a highly energetic process tightly linked to food availability and quality.

Monitoring spatial and temporal dynamics of bird communities in Mediterranean landscapes affected by largewildfires = Seguimiento de la dinámica espacial y temporal de comunidades de aves en paisajes mediterráneos afectados por grandes fuegos

We presented a bird-monitoring database inMediterranean landscapes (Catalonia, NE Spain) affected by wildfires and we evaluated: 1) the spatial and temporal variability in the bird community composition and 2) the influence of pre-fire habitat configuration in the composition of bird communities. The DINDIS database results fromthemonitoring of bird communities occupying all areas affected by large wildfires in Catalonia since 2000.We used bird surveys conducted from 2006 to 2009 and performed a principal components analysis to describe two main gradients of variation in the composition of bird communities, which were used as descriptors of bird communities in subsequent analyses. We then analysed the relationships of these community descriptors with bioclimatic regions within Catalonia, time since fire and pre-fire vegetation (forest or shrubland).We have conducted 1,918 bird surveys in 567 transects distributed in 56 burnt areas. Eight out of the twenty most common detected species have an unfavourable conservation status, most of them being associated to open-habitats. Both bird communities’ descriptors had a strong regional component and were related to pre-fire vegetation, and to a lesser extent to the time since fire.We came to the conclusion that the responses of bird communities to wildfires are heterogeneous, complex and context dependent. Large-scale monitoring datasets, such as DINDIS, might allow identifying factors acting at different spatial and temporal scales that affect the dynamics of species and communities, giving additional information on the causes under general trends observed using other monitoring systems

The temporal dynamics of resource use by frugivorous birds: a network approach

Ecological network patterns are influenced by diverse processes that operate at different temporal rates. Here we analyzed whether the coupled effect of local abundance variation, seasonally phenotypic plastic responses, and species evolutionary adaptations might act in concert to shape network patterns. We studied the temporal variation in three interaction properties of bird species (number of interactions per species, interaction strength, and interaction asymmetry) in a temporal sequence of 28 plant frugivore interaction networks spanning two years in a Mediterranean shrubland community. Three main hypotheses dealing with the temporal variation of network properties were tested, examining the effects of abundance, switching behavior between alternative food resources, and morphological traits in determining consumer interaction patterns. Our results demonstrate that temporal variation in consumer interaction patterns is explained by short-term variation in resource and bird abundances and seasonal dietary switches between alternative resources (fleshy fruits and insects). Moreover, differences in beak morphology are associated with differences in switching behavior between resources, suggesting an important role of foraging adaptations in determining network patterns. We argue that beak shape adaptations might determine generalist and specialist feeding behaviors and thus the positions of consumer species within the network. Finally, we provide a preliminary framework to interpret phylogenetic signal in plant animal networks. Indeed, we show that the strength of the phylogenetic signal in networks depends on the relative importance of abundance, behavioral, and morphological variables. We show that these variables strongly differ in their phylogenetic signal. Consequently, we suggest that moderate and significant phylogenetic effects should be commonly observed in networks of species interactions. Read More: http://www.esajournals.org/doi/abs/10.1890/07-1939.1

Investigació integrada amb EPs i RMf de la interacció entre la memòria de treball i la distracció

Estudi elaborat a partir d’una estada a la University of Wales, Bangor, Regne Unit entre setembre i desembre del 2006. Els sons distractors augmenten el temps de reacció i el nombre de respostes incorrectes en una tasca de classificació visual, demostrant que hi ha distracció conductual durant la realització de la tasca visual. L’enregistrament concomitant de potencials evocats durant la distracció mostra un patró neuroelèctric característic, el potencial de distracció, que es caracteritza per una ona trifàsica. Darrerament, s’ha demostrat que factors “des de dalt” associats al muntatge experimental tindrien una gran influència en els efectes que els estímuls distractors tindrien en la tasca. Estudis recents mostrarien que aquesta resposta d’atenció exògena es pot modular per la càrrega en memòria de treball, reduint-ne la distracció amb la càrrega, fet que contradiu altres dades que mostraven l’efecte oposat. L’objectiu d’aquest estudi ha estat investigar en quines condicions la càrrega en memòria de treball pot exercir un efecte modulador en les respostes conductuals i cerebrals als sons novedosos distractors, i establir la dinàmica espacio-temporal d’aquesta modulació.

Dinàmica de sistemes mesoscòpics amb correlacions quàntiques mitjançant la formulació de de Broglie-Bohm

Per a determinar la dinàmica espai-temporal completa d’un sistema quàntic tridimensional de N partícules cal integrar l’equació d’Schrödinger en 3N dimensions. La capacitat dels ordinadors actuals permet fer-ho com a molt en 3 dimensions. Amb l’objectiu de disminuir el temps de càlcul necessari per a integrar l’equació d’Schrödinger multidimensional, es realitzen usualment una sèrie d’aproximacions, com l’aproximació de Born–Oppenheimer o la de camp mig. En general, el preu que es paga en realitzar aquestes aproximacions és la pèrdua de les correlacions quàntiques (o entrellaçament). Per tant, és necessari desenvolupar mètodes numèrics que permetin integrar i estudiar la dinàmica de sistemes mesoscòpics (sistemes d’entre tres i unes deu partícules) i en els que es tinguin en compte, encara que sigui de forma aproximada, les correlacions quàntiques entre partícules. Recentment, en el context de la propagació d’electrons per efecte túnel en materials semiconductors, X. Oriols ha desenvolupat un nou mètode [Phys. Rev. Lett. 98, 066803 (2007)] per al tractament de les correlacions quàntiques en sistemes mesoscòpics. Aquesta nova proposta es fonamenta en la formulació de la mecànica quàntica de de Broglie– Bohm. Així, volem fer notar que l’enfoc del problema que realitza X. Oriols i que pretenem aquí seguir no es realitza a fi de comptar amb una eina interpretativa, sinó per a obtenir una eina de càlcul numèric amb la que integrar de manera més eficient l’equació d’Schrödinger corresponent a sistemes quàntics de poques partícules. En el marc del present projecte de tesi doctoral es pretén estendre els algorismes desenvolupats per X. Oriols a sistemes quàntics constituïts tant per fermions com per bosons, i aplicar aquests algorismes a diferents sistemes quàntics mesoscòpics on les correlacions quàntiques juguen un paper important. De forma específica, els problemes a estudiar són els següents: (i) Fotoionització de l’àtom d’heli i de l’àtom de liti mitjançant un làser intens. (ii) Estudi de la relació entre la formulació de X. Oriols amb la aproximació de Born–Oppenheimer. (iii) Estudi de les correlacions quàntiques en sistemes bi- i tripartits en l’espai de configuració de les partícules mitjançant la formulació de de Broglie–Bohm.

Interaccions arbre-arbust al límit superior del bosc i efectes de gradients bioclimàtics en la vegetació

Durant el periode d’elaboració d’aquesta tesi hem aprofundit en el coneixement dels factors que controlen les dinàmiques espacio-temporals del límit superior del bosc. Aquest ecotò se situa entre el límit superior del bosc i els prats alpins i és susceptible a canvis ambientals, fet que provoca que fluctuï altitudinalment i latitudinalment en funció d’aquests canvis. Els motius d’aquesta dinàmica s’ha estudiat sovint des d’un punt de vista climàtic, però mai fins ara s’havia estudiat des d’un punt de vista de les interaccions entre organismes. Per aquest fet hem estat evaluant l’efecte de les interaccions planta-planta en la regulació de la dinàmica supraforestal. L’estudi l’hem emmarcat en un context alpí (als Pirineus Catalans) i en un context subàrtic (Lapònia, Suècia), fet que ens ha permès fer un estudi comparatiu en dos ecotons contrastats però homòlegs ecològicament. Hem desenvolupat una sèrie d’experiments considerant diversos factors (augment de temperatura, quantitat de nutrients, presència d’arbust, posició en l’ecotò); en les dues zones d’estudi hem fet una plantació de plançons dels arbres formadors del límit del bosc en les diverses situacions derivades de la combinació d’aquests factors, i hem fet el seguiment fenològic dels plançons durant tres periodes de creixement. Els resultats dels experiments ens han permès veure que les interaccions entre organismes tenen una gran importància en la regulació de la dinàmica supraforestal, tant als Pirineus com a Lapònia. Les interaccions planta-planta i planta-herbívors determinen el reclutament de plançons i per tant l’estructuració de les comunitats supraforestals. Per altra banda, la posició en l’ecotò evidencia la presència d’un gradient bioclimàtic; les manipulacions ambientals de temperatura i nutrients originen una resposta generalment positiva en el desenvolupament dels plançons, indicant que canvis en aquestes variables pot suposar alteracions notables de l’estructura forestal del límit del bosc. Per altra banda en aquest projecte també hem aprofundit en temes relacionats amb l'efecte dels gradients altitudinals en la distribució de plantes vasculars als Pirineus Catalans.

Interaccions arbre-arbust al límit superior del bosc i efectes de gradients bioclimàtics en la vegetació

Durant el periode d’elaboració d’aquesta tesi hem aprofundit en el coneixement dels factors que controlen les dinàmiques espacio-temporals del límit superior del bosc. Aquest ecotò se situa entre el límit superior del bosc i els prats alpins i és susceptible a canvis ambientals, fet que provoca que fluctuï altitudinalment i latitudinalment en funció d’aquests canvis. Els motius d’aquesta dinàmica s’ha estudiat sovint des d’un punt de vista climàtic, però mai fins ara s’havia estudiat des d’un punt de vista de les interaccions entre organismes. Per aquest fet hem estat evaluant l’efecte de les interaccions planta-planta en la regulació de la dinàmica supraforestal. L’estudi l’hem emmarcat en un context alpí (als Pirineus Catalans) i en un context subàrtic (Lapònia, Suècia), fet que ens ha permès fer un estudi comparatiu en dos ecotons contrastats però homòlegs ecològicament. Hem desenvolupat una sèrie d’experiments considerant diversos factors (augment de temperatura, quantitat de nutrients, presència d’arbust, posició en l’ecotò); en les dues zones d’estudi hem fet una plantació de plançons dels arbres formadors del límit del bosc en les diverses situacions derivades de la combinació d’aquests factors, i hem fet el seguiment fenològic dels plançons durant tres periodes de creixement. Els resultats dels experiments ens han permès veure que les interaccions entre organismes tenen una gran importància en la regulació de la dinàmica supraforestal, tant als Pirineus com a Lapònia. Les interaccions planta-planta i planta-herbívors determinen el reclutament de plançons i per tant l’estructuració de les comunitats supraforestals. Per altra banda, la posició en l’ecotò evidencia la presència d’un gradient bioclimàtic; les manipulacions ambientals de temperatura i nutrients originen una resposta generalment positiva en el desenvolupament dels plançons, indicant que canvis en aquestes variables pot suposar alteracions notables de l’estructura forestal del límit del bosc. Per altra banda en aquest projecte també hem aprofundit en temes relacionats amb l'efecte dels gradients altitudinals en la distribució de plantes vasculars als Pirineus Catalans.

Leveraging explicitly disclosed location information to understand tourist dynamics: a case study

In recent years, the large deployment of mobile devices has led to a massiveincrease in the volume of records of where people have been and when they were there.The analysis of these spatio-temporal data can supply high-level human behaviorinformation valuable to urban planners, local authorities, and designer of location-basedservices. In this paper, we describe our approach to collect and analyze the history ofphysical presence of tourists from the digital footprints they publicly disclose on the web.Our work takes place in the Province of Florence in Italy, where the insights on thevisitors’ flows and on the nationalities of the tourists who do not sleep in town has beenlimited to information from survey-based hotel and museums frequentation. In fact, mostlocal authorities in the world must face this dearth of data on tourist dynamics. In thiscase study, we used a corpus of geographically referenced photos taken in the provinceby 4280 photographers over a period of 2 years. Based on the disclosure of the locationof the photos, we design geovisualizations to reveal the tourist concentration and spatiotemporalflows. Our initial results provide insights on the density of tourists, the points ofinterests they visit as well as the most common trajectories they follow.

L’impacte de les institucions internacionals sobre la Unió Europea: presa de decisions, integració i europeïtzació

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Center for European Integration de la Freie Universität Berlin, Alemania, entre 2007 i 2009. El tema central del projecte consisteix en la descripció matemàtica de processos espai-temporals mitjançant la teoria dels Continuous-Time Random Walks. L'aportació més significativa del nostre treball en aquest camp consisteix en considerar per primera vegada la interacció entre diversos processos actuant de manera acoblada, ja que fins ara els models existents es limitaven a l'estudi de processos individuals o independents. Aquesta idea fa possible, per exemple, plantejar un sistema de transport en l'espai i a la vegada un procés de reacció (una reacció química, per exemple), i estudiar estadísticament com cada un pot alterar el comportament de l'altre. Això suposa un salt qualitatiu important en la descripció de processos de reacció-dispersió, ja que els nostres models permeten incorporar patrons de dispersió i comportaments temporals (cicles de vida) força realistes en comparació amb els models convencionals. Per tal de completar aquest treball teòric ha estat necessari també desenvolupar algunes eines numèriques (models de xarxa) per facilitar la implementació dels models. En la vessant pràctica, hem aplicat aquestes idees al cas de la dinàmica entre virus i el sistema immunològic que té lloc quan es produeix una infecció a l'organisme. Diferents estudis experimentals portats a terme els últims anys mostren com la resposta immunològica dels organismes superiors presenta una dinàmica temporal força complexa (per exemple, en el cas de la resposta programada). Per aquest motiu, les nostres tècniques matemàtiques són d'especial utilitat per a l'anàlisi d'aquests sistemes. Finalment, altres possibles aplicacions dels models, com ara l'estudi d'invasions biològiques, també han estat considerades.

Pattern selection in a lattice of pulse-coupled oscillators

We study spatio-temporal pattern formation in a ring of N oscillators with inhibitory unidirectional pulselike interactions. The attractors of the dynamics are limit cycles where each oscillator fires once and only once. Since some of these limit cycles lead to the same pattern, we introduce the concept of pattern degeneracy to take it into account. Moreover, we give a qualitative estimation of the volume of the basin of attraction of each pattern by means of some probabilistic arguments and pattern degeneracy, and show how they are modified as we change the value of the coupling strength. In the limit of small coupling, our estimative formula gives a pefect agreement with numerical simulations.

A carboxylesterase, Esterase-6, modulates sensory physiological and behavioural response dynamics to pheromone in Drosophila

Background: Insects respond to the spatial and temporal dynamics of a pheromone plume, which implies not only a strong response to"odor on", but also to"odor off". This requires mechanisms geared toward a fast signal termination. Several mechanisms may contribute to signal termination, among which odorant-degrading enzymes. These enzymes putatively play a role in signal dynamics by a rapid inactivation of odorants in the vicinity of the sensory receptors, although direct in vivo experimental evidences are lacking. Here we verified the role of an extracellular carboxylesterase, esterase-6 (Est-6), in the sensory physiological and behavioral dynamics of Drosophila melanogaster response to its pheromone, cis-vaccenyl acetate (cVA). Est-6 was previously linked to post-mating effects in the reproductive system of females. As Est-6 is also known to hydrolyze cVA in vitro and is expressed in the main olfactory organ, the antenna, we tested here its role in olfaction as a putative odorant-degrading enzyme. Results: We first confirm that Est-6 is highly expressed in olfactory sensilla, including cVA-sensitive sensilla, and we show that expression is likely associated with non-neuronal cells. Our electrophysiological approaches show that the dynamics of olfactory receptor neuron (ORN) responses is strongly influenced by Est-6, as in Est-6° null mutants (lacking the Est-6 gene) cVA-sensitive ORN showed increased firing rate and prolonged activity in response to cVA. Est-6° mutant males had a lower threshold of behavioral response to cVA, as revealed by the analysis of two cVAinduced behaviors. In particular, mutant males exhibited a strong decrease of male-male courtship, in association with a delay in courtship initiation. Conclusions: Our study presents evidence that Est-6 plays a role in the physiological and behavioral dynamics of sex pheromone response in Drosophila males and supports a role of Est-6 as an odorant-degrading enzyme (ODE) in male antennae. Our results also expand the role of Est-6 in Drosophila biology, from reproduction to olfaction, and highlight the role of ODEs in insect olfaction. Keywords: carboxylesterase, esterase 6, olfaction, pheromone, signal termination

Homogenization Dynamics and Introduction Routes of Invasive Freshwater Fish in the Iberian Peninsula

Nonnative invasive species are one of the main global threats to biodiversity. The understanding of the traits characterizing successful invaders and invasion-prone ecosystems is increasing, but our predictive ability is still limited. Quantitative information on biotic homogenization and particularly its temporal dynamics is even scarcer. We used freshwater fish distribution data in the Iberian Peninsula in four periods (before human intervention, 1991, 1995, and 2001) to assess the temporal dynamics of biotic homogenization among river basins. The percentage of introduced species among fish faunas has increased in recent times (from 41.8% in 1991 to 52.5% in 2001), leading to a clear increase in the similarity of community composition among basins. The mean Jaccard's index increase (a measure of biotic homogenization) from the pristine situation to the present (17.1%) was similar to that for Californian fish but higher than for other studies. However, biotic homogenization was found to be a temporally dynamic process, with finer temporal grain analyses detecting transient stages of biotic differentiation. Introduced species assemblages were spatially structured along a latitudinal gradient in the Iberian Peninsula, with species related to sport fishing being characteristic of northern basins. Although the comparison of fish distributions in the Iberian Peninsula and France showed significant and generalized biotic homogenization, nonnative assemblages of northeastern Iberian basins were more similar to those of France than to those of the rest of the Iberian Peninsula, indicating a main introduction route. Species introduced to the Iberian Peninsula tended to be mainly piscivores or widely introduced species that previously had been introduced to France. Our results indicate that the simultaneous analysis of the spatial distribution of introduced assemblages (excluding native species that reflect other biogeographical patterns) and their specific traits can be an effective tool to detect introduction and invasion routes and to predict future invaders from donor regions

Community structure in mediterranean shallow lentic ecosystems: size-based vs. taxon-based approaches

The main environmental variables determining the community structure and the functioning of Mediterranean shallow lentic ecosystems are described. These ecosystems are characterized by the unpredictability of their water inputs and the high variability in their water level and physical and chemical composition. Variations in flooding, salinity, and water turnover are determinant in species composition and nutrient dynamics. Taxon-based and size-based approaches to the study of the community structure of aquatic organisms that colonise these ecosystems are also compared. The conventional taxonomic approach, based on the determination of species composition, has been used for the identification of patterns in species richness, distribution and temporal dynamics, and for ecological requirements of species and their potential use as ecological indicators. This taxonbased approach has been compared with a size-based approach, where individuals are classified by their size. Size-based approach gives complementary information about community structure and dynamics, especially when communities are dominated by a single species. The use of size diversity combined with species diversity is suggested for a more complete understanding of community structuring in this type of ecosystem. Detailed examples of two Mediterranean shallow lentic ecosystems, the salt marshes of the Empordà wetlands and the Espolla temporary karstic pond, which differ in hydrology and water origin, are used to discuss the suitability of these different approaches