Environmental factors in multiple sclerosis [Environmental factors in multiple sclerosis]

Although multiple sclerosis (MS) is recognized as a disorder involving the immune system, the interplay of environmental factors and individual genetic susceptibility seems to influence MS onset and clinical expression, as well as therapeutic responsiveness. Multiple human epidemiological and animal model studies have evaluated the effect of different environmental factors, such as viral infections, vitamin intake, sun exposure, or still dietary and life habits on MS prevalence. Previous Epstein-Barr virus infection, especially if this infection occurs in late childhood, and lack of vitamin D (VitD) currently appear to be the most robust environmental factors for the risk of MS, at least from an epidemiological standpoint. Ultraviolet radiation (UVR) activates VitD production but there are also some elements supporting the fact that insufficient UVR exposure during childhood may represent a VitD-independent risk factor of MS development, as well as negative effect on the clinical and radiological course of MS. Recently, there has been a growing interest in the gut-brain axis, a bidirectional neuro-hormonal communication system between the intestinal microbiota and the central nervous system (CNS). Indeed, components of the intestinal microbiota may be pro-inflammatory, promote the migration of immune cells into the CNS, and thus be a key parameter for the development of autoimmune disorders such as MS. Interestingly most environmental factors seem to play a role during childhood. Thus, if childhood is the most fragile period to develop MS later in life, preventive measures should be applied early in life. For example, adopting a diet enriched in VitD, playing outdoor and avoiding passive smoking would be extremely simple measures of primary prevention for public health strategies. However, these hypotheses need to be confirmed by prospective evaluations, which are obviously difficult to conduct. In addition, it remains to be determined whether and how VitD supplementation in adult life would be useful in alleviating the course of MS, once this disease has already started. A better knowledge of the influence of various environmental stimuli on MS risk and course would certainly allow the development of add-on therapies or measures in parallel to the immunotherapies currently used in MS.

Environmental influence on the phenotype of ant workers revealed by common garden experiment

Many organism traits vary along environmental gradients. Common garden experiments provide powerful means to disentangle the role of intrinsic factors, such as genetic or maternal effects, from extrinsic environmental factors in shaping phenotypic variation. Here, we investigate body size and lipid content variation in workers of the socially polymorphic ant Formica selysi along several independent elevation gradients in Switzerland. We compare field-collected workers and workers sampled as eggs from the same colonies but reared in common laboratory conditions. Overall, field-collected workers from high elevation are larger than those from low elevation, but the trend varies substantially among valleys. The same pattern is recovered when the eggs are reared in a common garden, which indicates that body size variation along elevation gradients and valleys is partly explained by genetic or maternal effects. However, both body size and lipid content exhibit significantly greater variation in field-collected workers than in laboratory-reared workers. Hence, much of the phenotypic variation results from a plastic response to the environment, rather than from genetic differences. Eggs from different elevations also show no significant difference in development time in the common garden. Overall, selection on individual worker phenotypes is unlikely to drive the altitudinal distribution of single- and multiple-queen colonies in this system, as phenotypic variation tends to be plastic and can be decoupled from social structure. This study provides insights into the interplay between individual phenotypic variation and social organization and how the two jointly respond to differing environmental conditions.

Analysis of space-time environmental data in complex regions

This thesis develops a comprehensive and a flexible statistical framework for the analysis and detection of space, time and space-time clusters of environmental point data. The developed clustering methods were applied in both simulated datasets and real-world environmental phenomena; however, only the cases of forest fires in Canton of Ticino (Switzerland) and in Portugal are expounded in this document. Normally, environmental phenomena can be modelled as stochastic point processes where each event, e.g. the forest fire ignition point, is characterised by its spatial location and occurrence in time. Additionally, information such as burned area, ignition causes, landuse, topographic, climatic and meteorological features, etc., can also be used to characterise the studied phenomenon. Thereby, the space-time pattern characterisa- tion represents a powerful tool to understand the distribution and behaviour of the events and their correlation with underlying processes, for instance, socio-economic, environmental and meteorological factors. Consequently, we propose a methodology based on the adaptation and application of statistical and fractal point process measures for both global (e.g. the Morisita Index, the Box-counting fractal method, the multifractal formalism and the Ripley's K-function) and local (e.g. Scan Statistics) analysis. Many measures describing the space-time distribution of environmental phenomena have been proposed in a wide variety of disciplines; nevertheless, most of these measures are of global character and do not consider complex spatial constraints, high variability and multivariate nature of the events. Therefore, we proposed an statistical framework that takes into account the complexities of the geographical space, where phenomena take place, by introducing the Validity Domain concept and carrying out clustering analyses in data with different constrained geographical spaces, hence, assessing the relative degree of clustering of the real distribution. Moreover, exclusively to the forest fire case, this research proposes two new methodologies to defining and mapping both the Wildland-Urban Interface (WUI) described as the interaction zone between burnable vegetation and anthropogenic infrastructures, and the prediction of fire ignition susceptibility. In this regard, the main objective of this Thesis was to carry out a basic statistical/- geospatial research with a strong application part to analyse and to describe complex phenomena as well as to overcome unsolved methodological problems in the characterisation of space-time patterns, in particular, the forest fire occurrences. Thus, this Thesis provides a response to the increasing demand for both environmental monitoring and management tools for the assessment of natural and anthropogenic hazards and risks, sustainable development, retrospective success analysis, etc. The major contributions of this work were presented at national and international conferences and published in 5 scientific journals. National and international collaborations were also established and successfully accomplished. -- Cette thèse développe une méthodologie statistique complète et flexible pour l'analyse et la détection des structures spatiales, temporelles et spatio-temporelles de données environnementales représentées comme de semis de points. Les méthodes ici développées ont été appliquées aux jeux de données simulées autant qu'A des phénomènes environnementaux réels; nonobstant, seulement le cas des feux forestiers dans le Canton du Tessin (la Suisse) et celui de Portugal sont expliqués dans ce document. Normalement, les phénomènes environnementaux peuvent être modélisés comme des processus ponctuels stochastiques ou chaque événement, par ex. les point d'ignition des feux forestiers, est déterminé par son emplacement spatial et son occurrence dans le temps. De plus, des informations tels que la surface bru^lée, les causes d'ignition, l'utilisation du sol, les caractéristiques topographiques, climatiques et météorologiques, etc., peuvent aussi être utilisées pour caractériser le phénomène étudié. Par conséquent, la définition de la structure spatio-temporelle représente un outil puissant pour compren- dre la distribution du phénomène et sa corrélation avec des processus sous-jacents tels que les facteurs socio-économiques, environnementaux et météorologiques. De ce fait, nous proposons une méthodologie basée sur l'adaptation et l'application de mesures statistiques et fractales des processus ponctuels d'analyse global (par ex. l'indice de Morisita, la dimension fractale par comptage de boîtes, le formalisme multifractal et la fonction K de Ripley) et local (par ex. la statistique de scan). Des nombreuses mesures décrivant les structures spatio-temporelles de phénomènes environnementaux peuvent être trouvées dans la littérature. Néanmoins, la plupart de ces mesures sont de caractère global et ne considèrent pas de contraintes spatiales com- plexes, ainsi que la haute variabilité et la nature multivariée des événements. A cet effet, la méthodologie ici proposée prend en compte les complexités de l'espace géographique ou le phénomène a lieu, à travers de l'introduction du concept de Domaine de Validité et l'application des mesures d'analyse spatiale dans des données en présentant différentes contraintes géographiques. Cela permet l'évaluation du degré relatif d'agrégation spatiale/temporelle des structures du phénomène observé. En plus, exclusif au cas de feux forestiers, cette recherche propose aussi deux nouvelles méthodologies pour la définition et la cartographie des zones périurbaines, décrites comme des espaces anthropogéniques à proximité de la végétation sauvage ou de la forêt, et de la prédiction de la susceptibilité à l'ignition de feu. A cet égard, l'objectif principal de cette Thèse a été d'effectuer une recherche statistique/géospatiale avec une forte application dans des cas réels, pour analyser et décrire des phénomènes environnementaux complexes aussi bien que surmonter des problèmes méthodologiques non résolus relatifs à la caractérisation des structures spatio-temporelles, particulièrement, celles des occurrences de feux forestières. Ainsi, cette Thèse fournit une réponse à la demande croissante de la gestion et du monitoring environnemental pour le déploiement d'outils d'évaluation des risques et des dangers naturels et anthro- pogéniques. Les majeures contributions de ce travail ont été présentées aux conférences nationales et internationales, et ont été aussi publiées dans 5 revues internationales avec comité de lecture. Des collaborations nationales et internationales ont été aussi établies et accomplies avec succès.

Paleontological research on late Triassic radiolarians from Oman and Sicily

Les radiolaires sont des unicellulaires planctoniques qui peuplent nos océans depuis plus de 500 millions d'années. Ces microorganismes développent un squelette en silice ayant des géométries extrêmement diversifiées et sophistiqués qui varient rapidement à l'échelle géologique et permettent de construire des échelles biochronologiques basées sur les différents assemblages qui se succèdent dans le temps. On retrouve ces organismes à l'état fossile dans les roches ma¬rines siliceuse desquelles on peut les extraire avec de l'acide. Des échantillons provenant du sultanat d'Oman et de Sicile ont été étudiés afin de mieux com¬prendre les relations de parenté entre les groupes et de comparer les faunes avec celles du même âge venant de Colombie britannique, du Japon et de Turquie, qui sont représentatives de divers domaines océaniques de l'époque. Certains radiolaires possèdent un anneau autour de leur coque centrale sphérique et ont ainsi été baptisés Saturnalides. Il y a 215 millions d'années, au Norien moyen, ce groupe se diversifie soudainement et donne naissance à une multitude d'espèces qui évoluent rapidement ce qui a permis d'établir des subdivisions temporelles supplémentaires et d'affiner les zonations exis¬tantes. L'étude détaillée de formes intermédiaires entre les espèces a permis d'établir de nouveaux liens de parenté et de considérer le genre Praehexasaturnalis comme l'ancêtre probable de nom¬breuses formes dans le Norien moyen et supérieur. Grâce à l'étude comparative des espèces de Saturnalidae allant du Mésozoïque au Cénozoïque, un certain type d'asymétrie de l'anneau a pu être identifiée comme étant propre à cette famille et plus précisément liée à la disposition de la coque la plus interne (microsphère). Deux nouveaux genres, Blechschmidtia et Tjerkium, s'inscrivent dans une lignée parallèle au Saturnalidae. Cette lignée met en évidence la formation au cours du temps d'un anneau à partir de la fusion de deux épines opposées. -- Late Triassic marine deposits of the Tethyan realm have been investigated in the Sultanate of Oman and in Sicily in order to contribute to the knowledge of radiolarian taxonomy and bio- stratigraphy of this key period preceding the Triassic-Jurassic boundary. In the middle Norian, the saturnalid radiolarians display intense diversification. This blooming of fast evolving spe¬cies has been used to establish a new zonation based on evolutionary successions that refine the existing zonal schemes. One new genus and 16 new species are described. The chronologic distribution of 172 species belonging to 72 genera is established from five sections in the Umar and Al Aridh units of the Hawasina Basin. Many Late Triassic saturnalid species are interpreted to originate from the genus Praehexasaturnalis Kozur & Mostler, which shows strong morpho¬logical diversification patterns. Detailed comparative studies of different types of asymmetric ring morphologies of Mesozoic to Cainozoic saturnalid species permitted to relate the origin of the asymmetry to the disposition of the initial skeletal structure and to gain new insight on the internal and external geometrical transformations of this group trough time and how the emergence of new families is induced by environmental stress. RÉSUMÉ Les formations marines du Trias supérieur du domaine téthysien ont été étudiées dans le Sultanat d'Oman et en Sicile afin de contribuer à la connaissance et au développement de la taxonomie et de la biostratigraphie des radiolaires de cette période clé qui précède la crise de la limite Trias-Jurassique. Au Norien moyen, les radiolaires Saturnalides montrent une intense diversi¬fication. Ce véritable "bloom" d'espèces qui évoluent rapidement a été utilisé pour l'établisse¬ment d'une nouvelle zonation basée sur les successions évolutives de ce groupe qui permettent d'affiner les subdivisions biochronologiques existantes. Un nouveau genre et seize nouvelles espèces sont décrits. La distribution stratigraphique de 172 espèces appartenant à 72 genres est établie pour 5 sections dans les unités d'Umar et d'Al Aridh du bassin de Hawasina. Un essai d'établissement d'une phylogénèse des Saturnalidae du Trias supérieur mène à proposer que le genre Praehexasaturnalis Kozur & Mostler est l'ancêtre de beaucoup d'espèces de Saturnalidae du Trias supérieur. L'étude comparative détaillée des différents types d'asymétrie de l'anneau chez les Saturnali¬dae du Mésozoïque au Cénozoïque a permis de lier l'origine de ce phénomène à la disposition de la structure initiale de leur squelette et par ce fait d'avoir une meilleure compréhension des transformations géométriques internes et externes subies par ce groupe au cours du temps et de concevoir comment l'émergence de nouvelles familles est induite lors de périodes de stress environnemental.