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.

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.

Spatial and temporal variation of natural toxicity in cnidarians, bryozoans and tunicates in Mediterranean caves

The natural toxicity of cnidarians, bryozoans and tunicates in two caves was assessed using the Microtox® technique in spring and autumn. One cave was located in the Cabrera Archipelago (Balearic Islands) and the other in the Medes Islands (Catalan littoral). The organisms analysed were good representatives of the coverage of each Phylum in the communities; however, these Phyla are less abundant than sponges which are the dominant group in these caves. Seventy-one percent of the species of cnidarians and bryozoans analysed were toxic in one of the caves, communities or seasons, which indicates the relevance of bioactive species in these groups. The tunicate Lissoclinum perforatum was the most toxic species. Although all three Phyla had some highly toxic species, a common pattern that related the caves, communities and seasons was not found. Seasonal variation of toxicity in cnidarians and bryozoans was higher in the Cabrera than in the Medes cave. Moreover, variation in toxicity either between communities or between seasons was a common trait for most cnidarians and bryozoans, whereas tunicates remained toxic throughout communities and seasons.

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.

Temporal variation of the biomass and structure of Caulerpa prolifera (Forsskal) Lamouroux meadows in the Mar Menor lagoon (SE Spain).

The temporal changes in the structure, biomass and C, N and P content of meadows of Caulerpa prolifera (Forsskal) Lamouroux in the Mar Menor coastal lagoon (SE Spain) are described over the period from November 1986 to March 1989. C. prolifera meadows showed a unimodal pattern of vegetative development with maximum biomass values (168-173 g d.w. m-2) reached in summer and maintained during autumn, and minimum biomass values (0-57 g d.w. m-2) during late winter and early spring. Leaf area index values changed between 0.37-0.40 m2 m-2 in January-February and 2.60-7.06 m2 m-2 in July. The seasonality in the biomass and structure of the meadow was mainly related to the vegetative development of the secondary fronds. Carbon and phosphorus content of the thallus (32.5-34.8% d.w. and 0.065-0.069% d.w., respectively) had no seasonality, but nitrogen content showed a bimodal annual pattern with higher values in spring and fall (>2.5% d.w.) than in summer and winter (<2.5% d.w.).

Multi-scale effects of nestling diet on breeding performance in a terrestrial top predator inferred from stable isotope analysis

Inter-individual diet variation within populations is likely to have important ecological and evolutionary implications. The diet-fitness relationships at the individual level and the emerging population processes are, however, poorly understood for most avian predators inhabiting complex terrestrial ecosystems. In this study, we use an isotopic approach to assess the trophic ecology of nestlings in a long-lived raptor, the Bonelli"s eagle Aquila fasciata, and investigate whether nestling dietary breath and main prey consumption can affect the species" reproductive performance at two spatial scales: territories within populations and populations over a large geographic area. At the territory level, those breeding pairs whose nestlings consumed similar diets to the overall population (i.e. moderate consumption of preferred prey, but complemented by alternative prey categories) or those disproportionally consuming preferred prey were more likely to fledge two chicks. An increase in the diet diversity, however, related negatively with productivity. The age and replacements of breeding pair members had also an influence on productivity, with more fledglings associated to adult pairs with few replacements, as expected in long-lived species. At the population level, mean productivity was higher in those population-years with lower dietary breadth and higher diet similarity among territories, which was related to an overall higher consumption of preferred prey. Thus, we revealed a correspondence in diet-fitness relationships at two spatial scales: territories and populations. We suggest that stable isotope analyses may be a powerful tool to monitor the diet of terrestrial avian predators on large spatio-temporal scales, which could serve to detect potential changes in the availability of those prey on which predators depend for breeding. We encourage ecologists and evolutionary and conservation biologists concerned with the multi-scale fitness consequences of inter-individual variation in resource use to employ similar stable isotope-based approaches, which can be successfully applied to complex ecosystems such as the Mediterranean.

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.

Vulnerabilidad costera a múltiples agentes : aplicación al litoral catalán

El proyecto “Vulnerabilidad costera a múltiples agentes. Aplicación al litoral Catalán” tiene como objetivo general desarrollar y validar una metodología para evaluar cuantitativamente la vulnerabilidad de las costas sedimentarias a los principales procesos que rigen su comportamiento. Dentro de este contexto y durante un periodo de 6 meses se ha estado trabajando en el principal objetivo parcial del proyecto: el desarrollo de una serie de indicadores de vulnerabilidad costera a procesos físicos, más específicamente en la obtención de un índice de vulnerabilidad costera a temporales. Para ello se ha analizado la variabilidad espacial y temporal de la intensidad de los procesos costeros inducidos por temporales a lo largo de la costa Catalana, teniendo en cuenta únicamente la contribución de las características del oleaje. Se han integrado datos reales y simulados de oleaje de tres sitios distribuidos a lo largo del litoral Catalán para obtener las series temporales de intensidad de los tres procesos costeros derivados de la acción de temporales más relevantes (transporte de sedimentos, erosión e inundación). Los resultados muestran que no existen tendencias significativas en las series temporales de los procesos estudiados. Por otro lado, el análisis de las series de la media móvil de 5 años de las anomalías de dichos procesos refleja tendencias positivas significativas en el transporte de sedimentos y la erosión para las zonas norte y sur de la costa, y en la inundación para la zona sur. En relación a la variabilidad espacial, los resultados muestran que la zona sur es la más vulnerable a los procesos de erosión costera y transporte de sedimentos, mientras que la parte norte es la más vulnerable al proceso de inundación.

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.

Application of compositional data analysis to geochemical data of marine sediments

In an earlier investigation (Burger et al., 2000) five sediment cores near the RodriguesTriple Junction in the Indian Ocean were studied applying classical statistical methods(fuzzy c-means clustering, linear mixing model, principal component analysis) for theextraction of endmembers and evaluating the spatial and temporal variation ofgeochemical signals. Three main factors of sedimentation were expected by the marinegeologists: a volcano-genetic, a hydro-hydrothermal and an ultra-basic factor. Thedisplay of fuzzy membership values and/or factor scores versus depth providedconsistent results for two factors only; the ultra-basic component could not beidentified. The reason for this may be that only traditional statistical methods wereapplied, i.e. the untransformed components were used and the cosine-theta coefficient assimilarity measure.During the last decade considerable progress in compositional data analysis was madeand many case studies were published using new tools for exploratory analysis of thesedata. Therefore it makes sense to check if the application of suitable data transformations,reduction of the D-part simplex to two or three factors and visualinterpretation of the factor scores would lead to a revision of earlier results and toanswers to open questions . In this paper we follow the lines of a paper of R. Tolosana-Delgado et al. (2005) starting with a problem-oriented interpretation of the biplotscattergram, extracting compositional factors, ilr-transformation of the components andvisualization of the factor scores in a spatial context: The compositional factors will beplotted versus depth (time) of the core samples in order to facilitate the identification ofthe expected sources of the sedimentary process.Kew words: compositional data analysis, biplot, deep sea sediments

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.