Urban Governance und nachhaltige Quartiere: Ein Beitrag zur Förderung einer dauerhaft nachhaltigen Stadtentwicklung

Seit den 1990er Jahren werden zunehmend nachhaltige Quartiere realisiert. Dabei besteht häufig eine beachtliche Diskrepanz zwischen den Zielen, die von den beteiligten Akteuren angestrebt werden, deren Umsetzung (Realisierungsphase) und deren Erhalt auf Dauer (Nutzungsphase). Es stellt sich folglich die Frage, auf welche Weise die Projektqualität im Sinne einer nachhaltigen Quartiersentwicklung verbessert werden kann. Diese Projekte sind jedoch enorm komplex aufgrund der großen Interdisziplinarität und Interdependenz ihrer Ziele sowie der vielschichtigen Akteursstrukturen. Sie stellen daher be-sonders hohe Anforderungen an die Projektsteuerung. Das konkrete Ziel dieser Arbeit besteht darin, die Bedeutung einer Prozesssteuerung im Sinne von Urban Governance zur Realisierung und zum Erhalt nachhaltiger Quartiere zu untersuchen. Damit soll einen Beitrag zur Förderung einer nachhalti-gen Stadtentwicklung geleistet werden. Die Arbeit stützt sich auf ein umfassendes theoretisches Fundament zum Thema Governance, wobei die relevanten Elemente für den Kontext nachhaltiger Quartiere herausgearbeitet werden. Die Hypothesen prüfen die Bedeutung der Schlüsselcharakteristika von Urban Governance (Kooperation, Partizipation, Verhandlungen) für die Projektqualität während der Realisierungs- und Nutzungsphase. Eine erste empirische Untersuchung wurde an zwanzig europäischen nachhaltigen Modellquartieren vorgenommen. Stärken und Schwächen aus der Perspektive der Nachhaltigkeit werden analysiert, deren Ursachen identifiziert und Handlungsoptio-nen aufgezeigt. Die Erkenntnisse zeigen die Notwendigkeit einer Verbesserung der Projektsteuerung während der Realisierungs- und der Nutzungsphase. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wird ein umfassender Ansatz zur empirischen Untersuchung von Urban Governance im Kontext nachhaltiger Quartiere entwickelt. Dieser beruht auf dem akteurzentrierten Institutionalismus und den Merkmalen der Urban Governance. Anhand dieses Ansatzes wird mithilfe von Experteninterviews der Realisierungsprozess des nach-haltigen Quartiers Kronsberg (Hannover) analysiert. Betrachtet werden dabei die beteiligten Akteure und ihre Handlungso-rientierungen, die verwendeten Schlüsselinstrumente sowie aufgetretene Divergenzen zwischen Akteuren und deren Auswirkungen auf die Projekt- und Prozessqualität. Eine Vertiefung relevanter Themenfelder wird anhand der Fallstudie Neu-Oerlikon (Zürich) vorgenommen. Diese empirische Arbeit zeigt, dass eine Prozesssteuerung im Sinne von Urban Governance im Vergleich zu einer klassis-chen hierarchischen Steuerung eine notwendige aber nicht hinreichende Bedingung zur Verbesserung der Projektqualität nachhaltiger Quartiere darstellt. An konkreten Beispielen wird herausgearbeitet, dass der Mehrwert einer solchen Steuerung nur unter bestimmten Voraussetzungen erzielt werden kann: In manchen Situationen ist die Steuerungsform Kooperation und die Interaktionsform Verhandlung in ihrer Wirksamkeit zur Sicherung der Projektqualität begrenzt und hierarchische Interventionen sind notwendig. Nicht ein bestimmtes Steuerungsmodell per se ist geeignet, sondern es kommt auf den Ein-zelfall an: auf die Akteursstruktur, die individuellen und institutionellen Handlungsorientierungen der Akteure und deren Ver-haltensweisen, die Rahmenbedingungen und die Ausgestaltung des Urban Governance-Prozesses. Wenn die Spielregeln dieses Prozesses von den Akteuren nicht wirklich angenommen und gelebt werden, dominieren individuelle und institutio-nelle Akteursinteressen zu Lasten der Projektqualität. Ferner zeigen die Untersuchungen, dass die Partizipation der zukünftigen Quartiersnutzer in der Praxis häufig unzureichend ist. Dies führt zu Einbußen in der Projektqualität. Entscheidend ist auf jeden Fall, dass mindestens ein Akteur, in der Regel die öffentliche Hand, präsent ist, der die Definition anspruchsvoller Nachhaltigkeitsstandards, deren Umsetzung und deren Erhalt sichert sowie die notwendigen Rahmenbedingungen dafür schafft. Diese Arbeit belegt darüber hinaus, dass der Erhalt der Projektqualität während der Nutzungsphase (Faktor Zeit) bisher un-zureichend beachtet und in die Projektplanung einbezogen wird. Gerade dieser Aspekt bestimmt aber, ob das Quartier auch auf Dauer dem Nachhaltigkeitsanspruch gerecht werden kann! Tatsächlich handelt es sich um einen fortlaufenden Prozess, der nicht mit der Einweihung des Quartiers abgeschlossen ist. Vor diesem Hintergrund werden relevante Handlungsfelder beschrieben und die Notwendigkeit der langfristigen Fortsetzung einer Steuerung im Sinne von Urban Governance bzw. der Herausbildung einer Urban Governance-Kultur aufgezeigt. Aus den empirischen Erhebungen werden Erfolgs- und Risikofaktoren für Urban Governance-Prozesse während der Realisierungs- und der Nutzungsphase abgeleitet. Ferner werden bisher vernachlässigte Handlungsfelder (langfristiges Umwelt-management, ökologische Finanzierungsformen, urbane Landwirtschaft, Umweltkommunikation, etc.) eruiert. Die Berücksichtigung dieser Erkenntnisse ist unerlässlich für eine Verbesserung der Projektqualität nachhaltiger Quartiere. ---------------------------------------------- Gouvernance urbaine et quartiers durables: Entre intensions et mise en oeuvre --- Résumé --- Depuis les années 90, la thématique des quartiers durables a gagné en importance, même si leur développement s'est avéré difficile. Le décalage entre les objectifs, leur mise en oeuvre et le projet tel qu'il est vécu par ses habitants est souvent important et nécessite d'être réduit. Un quartier durable est par nature un projet complexe, aux objectifs ambitieux situé à la croisée de multiples champs disciplinaires, mobilisant de nombreux acteurs aux intérêts divergents. De plus, chaque projet, du fait des ses spécificités, requiert un pilotage adapté. L'objectif principal de la recherche vise à analyser la nature du pilotage du processus de conception, de réalisation et d'exploitation des quartiers durables. Ses résultats ont pour ambition de contribuer à optimiser et promouvoir le développement urbain durable. Le fondement théorique de la recherche se base sur le concept de gouvernance urbaine, adapté au contexte particulier de la gouvernance des quartiers durables. La gouvernance urbaine, au sens où nous l'entendons, est un mode de pilotage basé sur la coopération entre les acteurs publics et privés. Les hypothèses centrales du travail testent la portée et les limites des caractéristiques-clefs de la gouvernance urbaine (coopération, participation, négociation), ainsi que l'importance de la notion de pérennité pour la qualité du projet. Dans un premier temps, nous avons analysé vingt quartiers durables modèles européens et identifié leurs atouts et leurs faiblesses en termes de durabilité, ainsi que leurs divers modes de pilotage. Les enseignements tirés de ces exemples révèlent la nécessité d'améliorer le pilotage des projets. Dans un deuxième temps, nous avons élaboré une grille d'analyse fine fondée sur l'approche institutionnelle des acteurs et les caractéristiques-clefs de la gouvernance urbaine. En nous appuyant sur cette grille, nous avons analysé le processus de conception et de réalisation du quartier durable de « Kronsberg » (Hanovre) à l'aide des éléments suivants : les acteurs (avec leurs intérêts et objectifs propres), les instruments d'aménagement du territoire, les modes de pilotage, les zones de divergence et de convergence entre les acteurs, ainsi que leurs impacts sur le processus et le projet. Dans un troisième temps, les hypothèses centrales ont été testées sur le quartier de « Neu-Oerlikon » (Zurich) afin d'approfondir et d'élargir les enseignements tirés de celui de « Kronsberg ». Les résultats des analyses mettent en évidence le fait qu'un pilotage de projet selon le modèle de la gouvernance urbaine est certes une condition nécessaire mais non suffisante pour améliorer la qualité du projet. De plus, la valeur ajoutée de la gouvernance urbaine n'est valable qu'à certaines conditions. En effet, la coopération et la négociation peuvent même, dans certaines situations, réduire la qualité du projet ! Le principal enseignement de la recherche révèle qu'il n'y a pas de mode de pilotage idéal, mais que la qualité d'un projet dépend d'une multitude de facteurs, tels que les constellations d'acteurs, leurs intérêts personnels et institutionnels, les conditions cadres et les « règles du jeu » de la gouvernance urbaine. Si les « règles du jeu » en particulier ne sont pas réellement appropriées par l'ensemble des acteurs, les intérêts et les comportements personnels ou institutionnels prédominent au détriment de la qualité du projet. De même, si la participation des futurs usagers à l'élaboration du projet de quartier durable n'est pas assurée, tant la qualité du projet que sa pérennité en pâtissent. Nous avons également constaté que la présence d'un acteur (en règle générale les autorités publiques) qui veille à la définition d'objectifs ambitieux en matière de développement durable et à leur application constitue un apport essentiel à la qualité du projet. En outre, la recherche met en évidence les carences dans le suivi et le maintien à long terme des qualités de durabilité de la phase d'exploitation des projets de quartiers durables analysés. Dans la phase d'exploitation, le degré de coopération diminue généralement et les modes de fonctionnement et de pilotage sectoriels se mettent en place au détriment de la qualité du projet. Cela confirme la nécessité de poursuivre le processus de pilotage selon le modèle de la gouvernance urbaine au-delà de la phase de réalisation des projets. La recherche précise les enjeux des champs d'action de la phase d'exploitation (domaine encore peu étudié) et démontre la pertinence du mode de pilotage préconisé. Enfin, les analyses permettent d'identifier des facteurs de réussite et de risque susceptibles d'influencer les systèmes de gouvernance urbaine, ainsi que les enjeux des domaines de la durabilité encore négligés (agriculture urbaine, gestion environnementale dans la durée, comportement des usagers, financement équitable, etc.). La prise en compte de ces enseignements est essentielle à l'amélioration de la gestion de futurs projets de quartiers durables. ---------------------------------------------- Urban Governance and Sustainable Neighbourhoods: A Contribution to a Lasting Sustainable Development --- Abstract --- Since the 1990s, sustainable neighbourhoods have become an increasingly important topic. However, their development has proven to be difficult. There is an often considerable gap, which must be reduced, between the initial goals, the way they are implemented and how the project is finally inhabited. A sustainable neighbourhood is inherently a complex project, with ambitious goals that lie at the intersection of multiple disciplines, involving numerous stakeholders with diverging interests. Moreover, each project, due to its specific characteristics, requires an adapted steering. The main goal of this research is to analyse the nature of the steering process during the planning, realisation and use of sustainable neighbourhoods. The results aim to contribute to the promotion of sustainable urban development. The theoretical foundation of this research is based on the concept of urban governance, adapted to the particular context of sustainable neighbourhoods. Urban governance is understood in this work, as a mode of project steering based on the cooperation between public and private stakeholders. The central hypotheses of this work test the importance and the limits of the key characteristics of urban governance (cooperation, participation, negotiation) as well as the importance of continuity for the project quality. To begin with, we surveyed and analysed twenty exemplary European sustainable neighbourhoods and identified their strengths and weaknesses in terms of sustainability, as well as their diverse steering modes. The lessons learned from these examples reveal the need to improve the projects' steering. Secondly we elaborated a detailed framework for analysis founded on stakeholder-centred institutionalism and the key characteristics of urban governance. By systematically applying this framework, we analysed the planning and implementation process of the sustainable neighbourhood "Kronsberg" (Hannover). Our focus was on the following dimensions: the stakeholders (with their particular interests and goals), the instruments of spatial planning, the steering modes, the points of divergence and convergence amongst the stakeholders, as well as their impacts on the process and on the project. The final step was to test the core hypotheses on the neighbourhood "Neu-Oerlikon" (Zürich) in order to broaden the lessons learned from "Kronsberg". The results of the analysis highlight the fact that an urban governance type project steering is certainly a necessary but insufficient condition to improve the project quality. Moreover, the added value of urban governance is only valid under certain conditions. In fact, cooperation and negotiation can even in certain situations reduce the project's quality! The main lesson of this research is that there is not an ideal steering mode, but rather that the quality of the project depends on numerous factors, such as the stakeholder constellation, their individual and institutional interests, the general conditions and the "rules of the game" of urban governance. If these "rules of the game" are not really appropriated by all stakeholders, individual and institutional interests and behaviours predominate at the expense of the project's quality. Likewise, if the future users' participation in the project development is insufficient, both the project's quality and its continuity suffer. We have also observed that the presence of a stakeholder (in general the public authorities) who ensures the definition of ambitious goals in terms of sustainable development and their implementation is crucial for the project's quality. Furthermore, this research highlights the deficiencies in the follow-up and long-term preservation of the sustainability qualities in the neighbourhood projects which we have analysed. In the use phase, the degree of cooperation generally diminishes. Attitudes and project management become more sectorial at the expense of the project's quality. This confirms the need to continue the steering process according to the principles of urban governance beyond the project's implementation phase. This research specifies the challenges that affect the use phase (a still neglected area) and shows the relevance of the recommended steering mode. Finally, the analyses also identify the success and risk factors that may influence urban-governance systems, as well as the challenges of still neglected fields of sustainability (urban agriculture, long-term environmental management, user behaviour, fair funding, etc.). Taking into account these outcomes is essential to improve the management of future sustainable-neighbourhood projects.

Behavioural queueing : cellular automata and a laboratory experiment

Dans cette thèse, nous étudions les aspects comportementaux d'agents qui interagissent dans des systèmes de files d'attente à l'aide de modèles de simulation et de méthodologies expérimentales. Chaque période les clients doivent choisir un prestataire de servivce. L'objectif est d'analyser l'impact des décisions des clients et des prestataires sur la formation des files d'attente. Dans un premier cas nous considérons des clients ayant un certain degré d'aversion au risque. Sur la base de leur perception de l'attente moyenne et de la variabilité de cette attente, ils forment une estimation de la limite supérieure de l'attente chez chacun des prestataires. Chaque période, ils choisissent le prestataire pour lequel cette estimation est la plus basse. Nos résultats indiquent qu'il n'y a pas de relation monotone entre le degré d'aversion au risque et la performance globale. En effet, une population de clients ayant un degré d'aversion au risque intermédiaire encoure généralement une attente moyenne plus élevée qu'une population d'agents indifférents au risque ou très averses au risque. Ensuite, nous incorporons les décisions des prestataires en leur permettant d'ajuster leur capacité de service sur la base de leur perception de la fréquence moyenne d'arrivées. Les résultats montrent que le comportement des clients et les décisions des prestataires présentent une forte "dépendance au sentier". En outre, nous montrons que les décisions des prestataires font converger l'attente moyenne pondérée vers l'attente de référence du marché. Finalement, une expérience de laboratoire dans laquelle des sujets jouent le rôle de prestataire de service nous a permis de conclure que les délais d'installation et de démantèlement de capacité affectent de manière significative la performance et les décisions des sujets. En particulier, les décisions du prestataire, sont influencées par ses commandes en carnet, sa capacité de service actuellement disponible et les décisions d'ajustement de capacité qu'il a prises, mais pas encore implémentées. - Queuing is a fact of life that we witness daily. We all have had the experience of waiting in line for some reason and we also know that it is an annoying situation. As the adage says "time is money"; this is perhaps the best way of stating what queuing problems mean for customers. Human beings are not very tolerant, but they are even less so when having to wait in line for service. Banks, roads, post offices and restaurants are just some examples where people must wait for service. Studies of queuing phenomena have typically addressed the optimisation of performance measures (e.g. average waiting time, queue length and server utilisation rates) and the analysis of equilibrium solutions. The individual behaviour of the agents involved in queueing systems and their decision making process have received little attention. Although this work has been useful to improve the efficiency of many queueing systems, or to design new processes in social and physical systems, it has only provided us with a limited ability to explain the behaviour observed in many real queues. In this dissertation we differ from this traditional research by analysing how the agents involved in the system make decisions instead of focusing on optimising performance measures or analysing an equilibrium solution. This dissertation builds on and extends the framework proposed by van Ackere and Larsen (2004) and van Ackere et al. (2010). We focus on studying behavioural aspects in queueing systems and incorporate this still underdeveloped framework into the operations management field. In the first chapter of this thesis we provide a general introduction to the area, as well as an overview of the results. In Chapters 2 and 3, we use Cellular Automata (CA) to model service systems where captive interacting customers must decide each period which facility to join for service. They base this decision on their expectations of sojourn times. Each period, customers use new information (their most recent experience and that of their best performing neighbour) to form expectations of sojourn time at the different facilities. Customers update their expectations using an adaptive expectations process to combine their memory and their new information. We label "conservative" those customers who give more weight to their memory than to the xiv Summary new information. In contrast, when they give more weight to new information, we call them "reactive". In Chapter 2, we consider customers with different degree of risk-aversion who take into account uncertainty. They choose which facility to join based on an estimated upper-bound of the sojourn time which they compute using their perceptions of the average sojourn time and the level of uncertainty. We assume the same exogenous service capacity for all facilities, which remains constant throughout. We first analyse the collective behaviour generated by the customers' decisions. We show that the system achieves low weighted average sojourn times when the collective behaviour results in neighbourhoods of customers loyal to a facility and the customers are approximately equally split among all facilities. The lowest weighted average sojourn time is achieved when exactly the same number of customers patronises each facility, implying that they do not wish to switch facility. In this case, the system has achieved the Nash equilibrium. We show that there is a non-monotonic relationship between the degree of risk-aversion and system performance. Customers with an intermediate degree of riskaversion typically achieve higher sojourn times; in particular they rarely achieve the Nash equilibrium. Risk-neutral customers have the highest probability of achieving the Nash Equilibrium. Chapter 3 considers a service system similar to the previous one but with risk-neutral customers, and relaxes the assumption of exogenous service rates. In this sense, we model a queueing system with endogenous service rates by enabling managers to adjust the service capacity of the facilities. We assume that managers do so based on their perceptions of the arrival rates and use the same principle of adaptive expectations to model these perceptions. We consider service systems in which the managers' decisions take time to be implemented. Managers are characterised by a profile which is determined by the speed at which they update their perceptions, the speed at which they take decisions, and how coherent they are when accounting for their previous decisions still to be implemented when taking their next decision. We find that the managers' decisions exhibit a strong path-dependence: owing to the initial conditions of the model, the facilities of managers with identical profiles can evolve completely differently. In some cases the system becomes "locked-in" into a monopoly or duopoly situation. The competition between managers causes the weighted average sojourn time of the system to converge to the exogenous benchmark value which they use to estimate their desired capacity. Concerning the managers' profile, we found that the more conservative Summary xv a manager is regarding new information, the larger the market share his facility achieves. Additionally, the faster he takes decisions, the higher the probability that he achieves a monopoly position. In Chapter 4 we consider a one-server queueing system with non-captive customers. We carry out an experiment aimed at analysing the way human subjects, taking on the role of the manager, take decisions in a laboratory regarding the capacity of a service facility. We adapt the model proposed by van Ackere et al (2010). This model relaxes the assumption of a captive market and allows current customers to decide whether or not to use the facility. Additionally the facility also has potential customers who currently do not patronise it, but might consider doing so in the future. We identify three groups of subjects whose decisions cause similar behavioural patterns. These groups are labelled: gradual investors, lumpy investors, and random investor. Using an autocorrelation analysis of the subjects' decisions, we illustrate that these decisions are positively correlated to the decisions taken one period early. Subsequently we formulate a heuristic to model the decision rule considered by subjects in the laboratory. We found that this decision rule fits very well for those subjects who gradually adjust capacity, but it does not capture the behaviour of the subjects of the other two groups. In Chapter 5 we summarise the results and provide suggestions for further work. Our main contribution is the use of simulation and experimental methodologies to explain the collective behaviour generated by customers' and managers' decisions in queueing systems as well as the analysis of the individual behaviour of these agents. In this way, we differ from the typical literature related to queueing systems which focuses on optimising performance measures and the analysis of equilibrium solutions. Our work can be seen as a first step towards understanding the interaction between customer behaviour and the capacity adjustment process in queueing systems. This framework is still in its early stages and accordingly there is a large potential for further work that spans several research topics. Interesting extensions to this work include incorporating other characteristics of queueing systems which affect the customers' experience (e.g. balking, reneging and jockeying); providing customers and managers with additional information to take their decisions (e.g. service price, quality, customers' profile); analysing different decision rules and studying other characteristics which determine the profile of customers and managers.

Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.

The VAD connection : connecting ventricular assist devices to the aorta in silico

Les systèmes d'assistance ventriculaire sont apparus durant la dernière décade comme une approche thérapeutique efficace du traitement de l'insuffisance cardiaque terminale, en particulier dans le contexte de manque de donneurs d'organes. Néanmoins, et ceci malgré les progrès techniques majeurs, les taux de complications restent élevés et sont en partie liés à la configuration géométrique, en particulier le site d'implantation de la cannule de sortie à l'aorte thoracique. Bien que l'anastomose à l'aorte descendante permette une chirurgie moins invasive, les bénéfices de cette technique sont toujours controversés, comparée à la méthode standard de l'aorte ascendante, en raison du risque thrombo-embolique possiblement augmenté et des modifications hémodynamiques induites au niveau de l'arc aortique. Dans ce travail, nous comparons in silico en terme de débit et pression les deux possibilités anastomotiques. Nous développons un réseau de modèles mathématiques unidimensionnels, et l'appliquons à diverses situations cliniques, pour différents stades d'insuffisance cardiaque et de vitesses de rotation de la machine. Les données initiales sont obtenues grâce à un modèle OD (c'est-à-dire qui dépend uniquement du temps mais pas de l'espace) du système cardiovasculaire comprenant une assistance circulatoire, validé avec des données cliniques. Les simulations réalisées montrent que les deux méthodes sont similaires, en terme de débit et courbes de pression, ceci pour tous les cas cliniques étudiés. Ces résultats numériques soutiennent la possibilité d'utiliser la technique d'anastomose à l'aorte thoracique descendante, permettant une chirurgie moins invasive. Sur un plan plus fondamental, le système cardiovasculaire peut être simulé par le biais de multiples modèles de niveau de complexité différents, au prix d'un coût computationnel toujours plus élevé. Nous évaluons les avantages de modèles géométriques à plusieurs échelles (uni- et tridimensionnelle) avec données provenant de patients, comparés à des modèles simplifiés. Les résultats montrent que ces modèles de dimensions hétérogènes apportent un bénéfice important en terme de ressources de calcul, tout en conservant une précision acceptable. En conclusion, ces résultats encourageant montrent la relevance des études numériques dans le domaine médical, tant sur le plan fondamental et la compréhension des mécanismes physiopathologiques, que sur le plan applicatif et le développement de nouvelles thérapeutiques.

Conformity, upstream reciprocity and social diversity: secondary mechanisms for the evolution of cooperation

Cooperation is ubiquitous in nature: genes cooperate in genomes, cells in muti- cellular organims, and individuals in societies. In humans, division of labor and trade are key elements of most known societies, where social life is regulated by- moral systems specifying rights and duties often enforced by third party punish¬ment. Over the last decades, several primary mechanisms, such as kin selection, direct and indirect reciprocity, have been advanced to explain the evolution of cooperation from a naturalistic approach. In this thesis, I focus on the study of three secondary mechanisms which, although insufficient to allow for the evo¬lution of cooperation, have been hypothesized to further promote it when they are linked to proper primary mechanisms: conformity (the tendency to imitate common behaviors), upstream reciprocity (the tendency to help somebody once help has been received from somebody else) and social diversity (heterogeneous social contexts). I make use of mathematical and computational models in the formal framework of evolutionary game theory in order to investigate the theoret¬ical conditions under which conformity, upstream reciprocity and social diversity are able to raise the levels of cooperation attained in evolving populations. - La coopération est ubiquitaire dans la nature: les gènes coopèrent dans les génomes, les cellules dans les organismes muticellulaires, et les organismes dans les sociétés. Chez les humains, la division du travail et le commerce sont des éléments centraux de la plupart des sociétés connues, où la vie sociale est régie par des systèmes moraux établissant des droits et des devoirs, souvent renforcés par la punition. Au cours des dernières décennies, plusieurs mécanismes pri¬maires, tels que la sélection de parentèle et les réciprocités directe et indirecte, ont été avancés pour expliquer l'évolution de la coopération d'un point de vue nat¬uraliste. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude de trois mécanismes secondaires qui, bien qu'insuffisants pour permettre l'évolution de la coopération, sont capables de la promouvoir davantage s'ils sont liés aux mécanismes primaires appropriés: la conformité (tendance à imiter des comportements en commun), la 'réciprocité en amont' (tendance à aider quelqu'un après avoir reçu l'aide de quelqu'un d'autre) et la diversité sociale (contextes sociaux hétérogènes). Nous faisons usage de modèles mathématiques et informatiques dans le cadre formel de la théorie des jeux évolutionnaires afin d'examiner les conditions théoriques dans lesquelles la conformité, la 'réciprocité en amont' et la diversité sociale sont capables d'élever le niveau de coopération des populations en évolution.

Les migrations internationales des médecins d'Afrique : entre stratégies d'acteurs, politiques nationales et débats internationaux : les cas du Royaume-Uni, de la France et de la Suisse

Résumé Le débat sur la migration des professionnels de santé issus des pays pauvres, et particulièrement des pays africains, date principalement des années 90. La mise sur agenda international du problème est liée d'une part aux inquiétudes vis-à-vis de la détérioration globale des conditions de santé en Afrique et à la péjoration du ratio personnel qualifié/population et d'autre part aux effets des politiques volontaristes d'appel aux spécialistes des pays en développement de la part de plusieurs pays du nord. Les experts soulignent le contraste entre le recrutement croissant de personnels de santé qualifiés (infirmières, médecins) par les pays riches et le déficit de personnels de santé dans les pays du sud et principalement en Afrique subsaharienne. Le discours dominant s'écrit sous le mode de la dramatisation. L'ampleur de l'exode du personnel de santé et ses conséquences pour l'Afrique suscitent un nouvel intérêt pour la recherche sur le « brain drain » dans le secteur de la santé. Un grand nombre d'analyse cherche à mieux comprendre les rapports entre le « push » (les motifs qui poussent les professionnels de santé à vouloir partir) et le « pull » (la demande des pays développés). Notre travail de recherche, suscité par les interrogations internationales vise également à mesurer et à comprendre les facteurs de la migration des médecins africains. Toutefois, il se distingue de la littérature dominante en accordant une place particulière aux arrangements institutionnels des pays d'accueil et à la manière dont ils régulent l'accueil des médecins africains. Après avoir analysé d'un point de vue statistique les flux migratoires des médecins et avoir approfondi par des entretiens les raisons qui poussent au départ, notre thèse vise à mettre en évidence l'importance considérable de l'héritage et des arrangements institutionnels dans la place accordée aux médecins africains dans la profession médicale des pays d'accueil. Pour approfondir le second aspect, notre thèse a opté pour la comparaison de trois cas de figures nationaux offrant des contrastes importants: le Royaume-Uni, la France et la Suisse. Les trois pays diffèrent de manière flagrante par la place qu'occupent les médecins étrangers dans le secteur de la santé et plus spécifiquement des médecins d'origine africaine. L'analyse des conditions de recrutement et de la place qui est accordé aux médecins africains dans les pays européens révèle que les migrations des professionnels de santé et l'insertion professionnelle des médecins africains sont avant tout déterminées par les arrangements institutionnels instaurés par les différents pays au cours de leur histoire. Chacun des trois pays a construit de manière spécifique sa relation avec les médecins formés à l'étranger et avec les médecins africains. Les trois pays choisis illustrent trois modèles d'emploi des médecins africains : un modèle libéral de recrutement (UK), un modèle corporatiste (France) et un modèle « conservateur » (Suisse). L'européanisation exerce des effets différents dans les trois systèmes. Le recrutement européen devient la règle privilégiée du recrutement qui renforce les tendances à l' « exclusion » en France et en Suisse et conforte un retournement de politiques publiques amorcé depuis plusieurs années au Royaume-Uni. L'analyse des trajectoires globales et des spécificités nationales d'emploi révèle également le caractère fortement réducteur du discours global sur les migrations internationales des médecins et les possibles contradictions entre une éthique dite du développement (« hostile aux migrations des médecins en provenance des pays pauvres ») et une éthique du droit de la personne (« le droit universel de migrer »).

MOLECULAR MECHANISMS OF A ROOT SYSTEM TO SOIL ADAPTATION

Contrairement aux animaux, les plantes sont des organismes sessiles qui ne possèdent pas de mécanismes de fuite quand les conditions environnementales ne sont plus optimales. Les plantes sont physiquement ancrées à l'endroit où elles ont germées et aux conditions environnementales qui parfois peuvent être extrêmes. Les possibilités d'acclimatation de différentes espèces, parfois même de groupes de plantes au sein d'une même espèce, peuvent varier mais repose sur une adaptation génétique de la plante. L'adaptation est un long processus qui repose sur l'apparition spontanée de mutations génétiques, leur mise à l'épreuve face aux conditions environnementales, et dans le cas où la mutation a un impact positif sur la survie dans cet habitat particulier, elle sera maintenue dans une population donnée de plantes. De telles populations, appelées écotypes, sont le matériel de départ pour la découverte de gènes qui induisent un bénéfice pour la plante dans un environnement donné. La plante la plus étudiée en biologie moléculaire est Arabidopsis thaliana, l'arabette des prés. Dans une étude précédente, les racines d'écotypes naturels d'Arabidopsis ont été comparées et un écotype, Uk-1, avait le système racinaire le plus particulier. Cet écotype possède des racines beaucoup plus courtes et plus ramifiées que tous les autres écotypes. Des analyses plus poussées ont montré qu'une seule mutation dans un gène était la cause de ce phénotype, le gène BREVIS RADIX (BRX), mot latin signifiant 'racine courte'. Bien que l'on connaisse le gène BRX, on connaît finalement peu de choses sur son importance adaptative. Dans cette étude, nous avons montré que la mutation dans le gène BRX rend la plante plus résistante aux sols acides. Dans l'optique de mieux comprendre cette valeur adaptative du mutant brx, nous avons analysé dans quels tissus le gène BRX jouait un rôle important. Nous avons pu mettre en évidence que BRX est important pour le développement du protophloème. Le protophloème est un élément du système vasculaire de la plante. En général, les plantes supérieures possèdent deux systèmes de transport à longue distance. L'un d'eux, appelé xylème, transporte l'eau et les nutriments absorbés du sol par les racines vers les feuilles. Les feuilles sont le siège du processus de photosynthèse au cours duquel sont produits des sucres qui devront être distribués partout dans les autres parties de la plante. Le tissu cellulaire chargé de livrer les produits de la photosynthèse, ainsi que les régulateurs de croissance, est le phloème. Ce dernier regroupe le métaphloème et le protophloème. Le protophloème est essentiel pour la livraison des sucres synthétisés ainsi que des signaux de croissance aux pointes des racines, centres organogéniques responsables de la production de nouvelles cellules durant la phase de croissance de la racine. La structure du protophloème peut être décrite comme des tubes continus, vides et résistants, faits de cellules spécialisées qui permettent un transport efficace et rapide. Nous avons montré que dans les mutants brx ces canaux de transports sont discontinus car certaines cellules n'ont pas terminé leur cycle de différenciation. Ces cellules obstruent le conduit ce qui fait que les sucres et les signaux de croissance, comme l'auxine, ne peuvent plus être transportés aux méristèmes. En conséquence, la prolifération de l'activité des méristèmes est compromise, ce qui explique les racines courtes. Au lieu d'être délivré aux méristèmes, l'auxine se concentre en amont des méristèmes où cela provoque l'apparition de nouvelles racines branchées et, très probablement, l'activation des pompes à protons. Sur des sols acides, la concentration en ion H+ est très élevée. Ces ions entrent dans les cellules de la racine par diffusion et perturbent notablement la croissance des racines et de la plante en général. Si les cellules de la racine possédaient des pompes à protons hyperactives, elles seraient capable d'évacuer le surplus d'ions H+ en dehors de la cellule, ce qui leur assurerait de meilleures chances de survie sur sols acides. De fait, le mutant brx est capable d'acidifier le milieu de culture dans lequel il est cultivé plus efficacement que la plante sauvage. Ce mutant est également capable de donner plus de progéniture sur ce type de milieu de croissance que les plantes sauvages. Finalement, nous avons trouvé d'autres mutants brx en milieu naturel poussant sur sols acides, ce qui suggère fortement que la mutation du gène BRX est une des causes de l'adaptation aux sols acides. -- Plants as sessile organisms have developed different mechanisms to cope with the complex environmental conditions in which they live. Adaptation is the process through which traits evolve by natural selection to functionally improve in a given environmental context. An adaptation to the environment is characterized by the genetic changes in the entire populations that have been fixed by natural selection over many generations. BREVIS RADIX (BRX) gene was found through natural Arabidopsis accessions screen and was characterized as a root growth regulator since loss-of-function mutants exhibit arrested post-embryonic primary root growth in addition to a more branched root system. Although brx loss-of-function causes a complete alteration in root architecture, BRX activity is only required in the root vasculature, in particular in protophloem cell file. Protophloem is a part of the phloem transport network and is responsible for delivery of photo-assimilates and growth regulators, coming from the shoot through mature phloem component - metaphloem, to the all plant primary meristems. In order to perform its function, protophloem is the first cell file to differentiate within the root meristem. During this process, protophloem cells undergo a partial programmed cell death, during which they build a thicker cell wall, degrade nucleus and tonoplast while plasma membrane stays functional. Interestingly, protophloem cells enter elongation process only after differentiation into sieve elements is completed. Here we show that brx mutants fail to differentiate protophloem cell file properly, a phenotype that can be distinguished by a presence of a "gap" cells, non-differentiated cells between two flanking differentiated cells. Discontinuity of protophloem differentiation in brx mutants is considered to be a consequence of local hyperactivity of CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) signaling module. Interestingly, a CLE45 activity, most probably at the level of receptor binding, can be modulated by apoplastic pH. Altogether, our results imply that the activity of proton pumps, expressed in non-differentiated cells of protophloem, must be maintained under certain threshold, otherwise CLE45-BAM3 signaling pathway will be stimulated and in turn protophloem will not differentiate. Based on vacuolar morphology, a premature cell wall acidification in brx mutants stochastically prevents the protophloem differentiation. Only after protophloem differentiates, proton pumps can be activated in order to acidify apoplast and to support enucleated protophloem multifold elongation driven by surrounding cells growth. Finally, the protophloem differentiation failure would result in an auxin "traffic jam" in the upper parts of the root, created from the phloem-transported auxin that cannot be efficiently delivered to the meristem. Physiologically, auxin "leakage" from the plant vasculature network could have various consequences, since auxin is involved in the regulation of almost every aspect of plant growth and development. Thus, given that auxin stimulates lateral roots initiation and growth, this scenario explains more branched brx root system. Nevertheless, auxin is considered to activate plasma membrane proton pumps. Along with this, it has been shown that brx mutants acidify media much more than the wild type plants do, a trait that was proposed as an adaptive feature of naturally occurring brx null alleles in Arabidopsis populations found on acidic soils. Additionally, in our study we found that most of accessions originally collected from acidic sampling sites exhibit hypersensitivity to CLE45 treatment. This implies that adaptation of plants to acidic soil involves a positive selection pressure against upstream negative regulators of CLE45-BAM3 signaling, such as BRX. Perspective analysis of these accessions would provide more profound understanding of molecular mechanisms underlying plant adaptation to acidic soils. All these results are suggesting that targeting of the factors that affect protophloem differentiation is a good strategy of natural selection to change the root architecture and to develop an adaptation to a certain environment. -- Les plantes comme organismes sessiles ont développé différents mécanismes pour s'adapter aux conditions environnementales complexes dans lesquelles elles vivent. L'adaptation est le processus par lequel des traits vont évoluer via la sélection naturelle vers une amélioration fonctionnelle dans un contexte environnemental donné. Une adaptation à l'environnement est caractérisée par des changements génétiques dans des populations entières qui ont été fixés par la sélection naturelle sur plusieurs générations. Le gène BREVIS RADIX (BRX) a été identifié dans le crible d'une collection d'accessions naturelles d'Arabidopsis et a été caractérisé comme un régulateur de la croissance racinaire étant donné que le mutant perte-de-fonction montre une croissance racinaire primaire arrêtée au stade post-embryonnaire et présente de plus un système racinaire plus ramifié que la plante sauvage. Bien que le mutant perte-de-fonction brx cause une altération complète de l'architecture racinaire, l'activité de BRX n'est requise que dans la vascularisation racinaire, en particulier au niveau du protophloème. Le protophloème est un composant du réseau de transport du phloème et est responsable du transit des dérivés de la photosynthèse ainsi que des régulateurs de croissances, venant de la partie aérienne par le phloème mature (métaphloème) vers tous les méristèmes primaires de la plante. Pour pouvoir réaliser sa fonction, le protophloème est la première file de cellules à se différencier à l'intérieur du méristème de la racine. Pendant ce processus, les cellules du protophloème subissent une mort cellulaire programmée partielle durant laquelle elles épaississent leur paroi cellulaire, dégradent le noyau et le tonoplaste tandis que la membrane plasmique demeure fonctionnelle. De manière intéressante, les cellules du protophloème entament le processus d'allongement seulement après que la différenciation en tubes criblés soit complète. Ce travail montre que le mutant brx est incapable de mener à bien la différenciation de la file de cellules du protophloème, phénotype qui peut être visualisé par la présence de cellules 'trous', de cellules non différenciées entourées de deux cellules différenciées. La discontinuité de la différenciation du phloème dans le mutant brx est considérée comme la conséquence de l'hyperactivité localisée du module de signalisation CLA VA TA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45) - BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3). De manière intéressante, l'activité de CLE45, très probablement au niveau de la liaison avec le récepteur, peut être modulé par le pH apoplastique. Pris ensemble, nos résultats impliquent que l'activité des pompes à protons, actives dans les cellules non différenciées du protophloème, doit être maintenue en dessous d'un certain seuil autrement la cascade de signalisation CLE45-BAM3 serait stimulée, en conséquence de quoi le protophloème ne pourrait se différencier. D'après la morphologie vacuolaire, une acidification prématurée de la paroi cellulaire dans le mutant brx empêche la différenciation du protophloème de manière stochastique. Une fois que le protophloème se différencie, les pompes à protons peuvent alors être activées afin d'acidifier l'apoplaste et ainsi faciliter l'allongement des cellules énuclées du protophloème, entraînées par la croissance des cellules environnantes. Finalement, la différenciation défectueuse du protophloème produit une accumulation d'auxine dans la partie supérieure de la racine car le phloème ne peut plus acheminer efficacement l'auxine au méristème. Physiologiquement, la 'fuite' d'auxine à partir du réseau vasculaire de la plante peut avoir des conséquences variées puisque l'auxine est impliquée dans la régulation de la majorité des aspects de la croissance et développement de la plante. Etant donné que l'auxine stimule l'initiation et développement des racines latérales, ce scénario pourrait expliquer le système racinaire plus ramifié du mutant brx. En plus, l'auxine est considérée comme un activateur des pompes à protons. Par ailleurs, nous avons montré que les mutants brx ont la capacité d'acidifier le milieu plus efficacement que les plantes sauvages, une caractéristique des populations sauvages <¥Arabidopsis poussant sur des sols acides et contenant les allèles délétés brx. De plus, dans nos résultats nous avons mis en évidence que la plupart des accessions collectées originellement sur des sites acidophiles montre une hypersensibilité au traitement par CLE45. Ceci implique que l'adaptation des plantes aux sols acides repose sur la pression de sélection positive à rencontre des régulateurs négatifs de CLE45- BAM3, situés en amont de la cascade, tel le produit du gène BRX. Les analyses de ces accessions pourraient aboutir à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires responsables de l'adaptation des plantes aux sols acides. Tous nos résultats suggèrent que le ciblage des facteurs affectant la différenciation du protophloème serait une stratégie gagnante dans la sélection naturelle pour changer l'architecture de la racine et ainsi s'adapter efficacement à un nouvel environnement.

Providing more informative projections of climate change impact on plant distribution in a mountain environment

Summary Due to their conic shape and the reduction of area with increasing elevation, mountain ecosystems were early identified as potentially very sensitive to global warming. Moreover, mountain systems may experience unprecedented rates of warming during the next century, two or three times higher than that records of the 20th century. In this context, species distribution models (SDM) have become important tools for rapid assessment of the impact of accelerated land use and climate change on the distribution plant species. In my study, I developed and tested new predictor variables for species distribution models (SDM), specific to current and future geographic projections of plant species in a mountain system, using the Western Swiss Alps as model region. Since meso- and micro-topography are relevant to explain geographic patterns of plant species in mountain environments, I assessed the effect of scale on predictor variables and geographic projections of SDM. I also developed a methodological framework of space-for-time evaluation to test the robustness of SDM when projected in a future changing climate. Finally, I used a cellular automaton to run dynamic simulations of plant migration under climate change in a mountain landscape, including realistic distance of seed dispersal. Results of future projections for the 21st century were also discussed in perspective of vegetation changes monitored during the 20th century. Overall, I showed in this study that, based on the most severe A1 climate change scenario and realistic dispersal simulations of plant dispersal, species extinctions in the Western Swiss Alps could affect nearly one third (28.5%) of the 284 species modeled by 2100. With the less severe 61 scenario, only 4.6% of species are predicted to become extinct. However, even with B1, 54% (153 species) may still loose more than 80% of their initial surface. Results of monitoring of past vegetation changes suggested that plant species can react quickly to the warmer conditions as far as competition is low However, in subalpine grasslands, competition of already present species is probably important and limit establishment of newly arrived species. Results from future simulations also showed that heavy extinctions of alpine plants may start already in 2040, but the latest in 2080. My study also highlighted the importance of fine scale and regional. assessments of climate change impact on mountain vegetation, using more direct predictor variables. Indeed, predictions at the continental scale may fail to predict local refugees or local extinctions, as well as loss of connectivity between local populations. On the other hand, migrations of low-elevation species to higher altitude may be difficult to predict at the local scale. Résumé La forme conique des montagnes ainsi que la diminution de surface dans les hautes altitudes sont reconnues pour exposer plus sensiblement les écosystèmes de montagne au réchauffement global. En outre, les systèmes de montagne seront sans doute soumis durant le 21ème siècle à un réchauffement deux à trois fois plus rapide que celui mesuré durant le 20ème siècle. Dans ce contexte, les modèles prédictifs de distribution géographique de la végétation se sont imposés comme des outils puissants pour de rapides évaluations de l'impact des changements climatiques et de la transformation du paysage par l'homme sur la végétation. Dans mon étude, j'ai développé de nouvelles variables prédictives pour les modèles de distribution, spécifiques à la projection géographique présente et future des plantes dans un système de montagne, en utilisant les Préalpes vaudoises comme zone d'échantillonnage. La méso- et la microtopographie étant particulièrement adaptées pour expliquer les patrons de distribution géographique des plantes dans un environnement montagneux, j'ai testé les effets d'échelle sur les variables prédictives et sur les projections des modèles de distribution. J'ai aussi développé un cadre méthodologique pour tester la robustesse potentielle des modèles lors de projections pour le futur. Finalement, j'ai utilisé un automate cellulaire pour simuler de manière dynamique la migration future des plantes dans le paysage et dans quatre scénarios de changement climatique pour le 21ème siècle. J'ai intégré dans ces simulations des mécanismes et des distances plus réalistes de dispersion de graines. J'ai pu montrer, avec les simulations les plus réalistes, que près du tiers des 284 espèces considérées (28.5%) pourraient être menacées d'extinction en 2100 dans le cas du plus sévère scénario de changement climatique A1. Pour le moins sévère des scénarios B1, seulement 4.6% des espèces sont menacées d'extinctions, mais 54% (153 espèces) risquent de perdre plus 80% de leur habitat initial. Les résultats de monitoring des changements de végétation dans le passé montrent que les plantes peuvent réagir rapidement au réchauffement climatique si la compétition est faible. Dans les prairies subalpines, les espèces déjà présentes limitent certainement l'arrivée de nouvelles espèces par effet de compétition. Les résultats de simulation pour le futur prédisent le début d'extinctions massives dans les Préalpes à partir de 2040, au plus tard en 2080. Mon travail démontre aussi l'importance d'études régionales à échelle fine pour évaluer l'impact des changements climatiques sur la végétation, en intégrant des variables plus directes. En effet, les études à échelle continentale ne tiennent pas compte des micro-refuges, des extinctions locales ni des pertes de connectivité entre populations locales. Malgré cela, la migration des plantes de basses altitudes reste difficile à prédire à l'échelle locale sans modélisation plus globale.

Maintenance of polymorphism : a theoretical approach using multilocus systems

Résumé La thématique de cette thèse peut être résumée par le célèbre paradoxe de biologie évolutive sur le maintien du polymorphisme face à la sélection et par l'équation du changement de fréquence gamétique au cours du temps dû, à la sélection. La fréquence d'un gamète xi à la génération (t + 1) est: !!!Equation tronquée!!! Cette équation est utilisée pour générer des données utlisée tout au long de ce travail pour 2, 3 et 4 locus dialléliques. Le potentiel de l'avantage de l'hétérozygote pour le maintien du polymorphisme est le sujet de la première partie. La définition commune de l'avantage de l'hétérozygote n'etant applicable qu'a un locus ayant 2 allèles, cet avantage est redéfini pour un système multilocus sur les bases de précédentes études. En utilisant 5 définitions différentes de l'avantage de l'hétérozygote, je montre que cet avantage ne peut être un mécanisme général dans le maintien du polymorphisme sous sélection. L'étude de l'influence de locus non-détectés sur les processus évolutifs, seconde partie de cette thèse, est motivée par les travaux moléculaires ayant pour but de découvrir le nombre de locus codant pour un trait. La plupart de ces études sous-estiment le nombre de locus. Je montre que des locus non-détectés augmentent la probabilité d'observer du polymorphisme sous sélection. De plus, les conclusions sur les facteurs de maintien du polymorphisme peuvent être trompeuses si tous les locus ne sont pas détectés. Dans la troisième partie, je m'intéresse à la valeur attendue de variance additive après un goulot d'étranglement pour des traits sélectionés. Une études précédente montre que le niveau de variance additive après goulot d'étranglement augmente avec le nombre de loci. Je montre que le niveau de variance additive après un goulot d'étranglement augmente (comparé à des traits neutres), mais indépendamment du nombre de loci. Par contre, le taux de recombinaison a une forte influence, entre autre en regénérant les gamètes disparus suite au goulot d'étranglement. La dernière partie de ce travail de thèse décrit un programme pour le logiciel de statistique R. Ce programme permet d'itérer l'équation ci-dessus en variant les paramètres de sélection, recombinaison et de taille de populations pour 2, 3 et 4 locus dialléliques. Cette thèse montre qu'utiliser un système multilocus permet d'obtenir des résultats non-conformes à ceux issus de systèmes rnonolocus (la référence en génétique des populations). Ce programme ouvre donc d'intéressantes perspectives en génétique des populations. Abstract The subject of this PhD thesis can be summarized by one famous paradox of evolu-tionary biology: the maintenance of polymorphism in the face of selection, and one classical equation of theoretical population genetics: the changes in gametic frequencies due to selection and recombination. The frequency of gamete xi at generation (t + 1) is given by: !!! Truncated equation!!! This equation is used to generate data on selection at two, three, and four diallelic loci for the different parts of this work. The first part focuses on the potential of heterozygote advantage to maintain genetic polymorphism. Results of previous studies are used to (re)define heterozygote advantage for multilocus systems, since the classical definition is for one diallelic locus. I use 5 different definitions of heterozygote advantage. And for these five definitions, I show that heterozygote advantage is not a general mechanism for the maintenance of polymorphism. The study of the influence of undetected loci on evolutionary processes (second part of this work) is motivated by molecular works which aim at discovering the loci coding for a trait. For most of these works, some coding loci remains undetected. I show that undetected loci increases the probability of maintaining polymorphism under selection. In addition, conclusions about the factor that maintain polymorphism can be misleading if not all loci are considered. This is, therefore, only when all loci are detected that exact conclusions on the level of maintained polymorphism or on the factor(s) that maintain(s) polymorphism could be drawn. In the third part, the focus is on the expected release of additive genetic variance after bottleneck for selected traits. A previous study shows that the expected release of additive variance increases with an increase in the number of loci. I show that the expected release of additive variance after bottleneck increases for selected traits (compared with neutral), but this increase is not a function of the number of loci, but function of the recombination rate. Finally, the last part of this PhD thesis is a description of a package for the statistical software R that implements the Equation given above. It allows to generate data for different scenario regarding selection, recombination, and population size. This package opens perspectives for the theoretical population genetics that mainly focuses on one locus, while this work shows that increasing the number of loci leads not necessarily to straightforward results.

Pore-scale modeling of two-phase flow instabilities in porous media

Les problèmes d'écoulements multiphasiques en média poreux sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications scientifiques et techniques ; comme la séquestration de C02, l'extraction de pétrole et la dépollution des aquifères. La complexité intrinsèque des systèmes multiphasiques et l'hétérogénéité des formations géologiques sur des échelles multiples représentent un challenge majeur pour comprendre et modéliser les déplacements immiscibles dans les milieux poreux. Les descriptions à l'échelle supérieure basées sur la généralisation de l'équation de Darcy sont largement utilisées, mais ces méthodes sont sujettes à limitations pour les écoulements présentant de l'hystérèse. Les avancées récentes en terme de performances computationnelles et le développement de méthodes précises pour caractériser l'espace interstitiel ainsi que la distribution des phases ont favorisé l'utilisation de modèles qui permettent une résolution fine à l'échelle du pore. Ces modèles offrent un aperçu des caractéristiques de l'écoulement qui ne peuvent pas être facilement observées en laboratoire et peuvent être utilisé pour expliquer la différence entre les processus physiques et les modèles à l'échelle macroscopique existants. L'objet premier de la thèse se porte sur la simulation numérique directe : les équations de Navier-Stokes sont résolues dans l'espace interstitiel et la méthode du volume de fluide (VOF) est employée pour suivre l'évolution de l'interface. Dans VOF, la distribution des phases est décrite par une fonction fluide pour l'ensemble du domaine et des conditions aux bords particulières permettent la prise en compte des propriétés de mouillage du milieu poreux. Dans la première partie de la thèse, nous simulons le drainage dans une cellule Hele-Shaw 2D avec des obstacles cylindriques. Nous montrons que l'approche proposée est applicable même pour des ratios de densité et de viscosité très importants et permet de modéliser la transition entre déplacement stable et digitation visqueuse. Nous intéressons ensuite à l'interprétation de la pression capillaire à l'échelle macroscopique. Nous montrons que les techniques basées sur la moyenne spatiale de la pression présentent plusieurs limitations et sont imprécises en présence d'effets visqueux et de piégeage. Au contraire, une définition basée sur l'énergie permet de séparer les contributions capillaires des effets visqueux. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'investigation des effets d'inertie associés aux reconfigurations irréversibles du ménisque causé par l'interface des instabilités. Comme prototype pour ces phénomènes, nous étudions d'abord la dynamique d'un ménisque dans un pore angulaire. Nous montrons que, dans un réseau de pores cubiques, les sauts et reconfigurations sont si fréquents que les effets d'inertie mènent à différentes configurations des fluides. A cause de la non-linéarité du problème, la distribution des fluides influence le travail des forces de pression, qui, à son tour, provoque une chute de pression dans la loi de Darcy. Cela suggère que ces phénomènes devraient être pris en compte lorsque que l'on décrit l'écoulement multiphasique en média poreux à l'échelle macroscopique. La dernière partie de la thèse s'attache à démontrer la validité de notre approche par une comparaison avec des expériences en laboratoire : un drainage instable dans un milieu poreux quasi 2D (une cellule Hele-Shaw avec des obstacles cylindriques). Plusieurs simulations sont tournées sous différentes conditions aux bords et en utilisant différents modèles (modèle intégré 2D et modèle 3D) afin de comparer certaines quantités macroscopiques avec les observations au laboratoire correspondantes. Malgré le challenge de modéliser des déplacements instables, où, par définition, de petites perturbations peuvent grandir sans fin, notre approche numérique apporte de résultats satisfaisants pour tous les cas étudiés. - Problems involving multiphase flow in porous media are of great interest in many scientific and engineering applications including Carbon Capture and Storage, oil recovery and groundwater remediation. The intrinsic complexity of multiphase systems and the multi scale heterogeneity of geological formations represent the major challenges to understand and model immiscible displacement in porous media. Upscaled descriptions based on generalization of Darcy's law are widely used, but they are subject to several limitations for flow that exhibit hysteric and history- dependent behaviors. Recent advances in high performance computing and the development of accurate methods to characterize pore space and phase distribution have fostered the use of models that allow sub-pore resolution. These models provide an insight on flow characteristics that cannot be easily achieved by laboratory experiments and can be used to explain the gap between physical processes and existing macro-scale models. We focus on direct numerical simulations: we solve the Navier-Stokes equations for mass and momentum conservation in the pore space and employ the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the interface. In the VOF the distribution of the phases is described by a fluid function (whole-domain formulation) and special boundary conditions account for the wetting properties of the porous medium. In the first part of this thesis we simulate drainage in a 2-D Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles. We show that the proposed approach can handle very large density and viscosity ratios and it is able to model the transition from stable displacement to viscous fingering. We then focus on the interpretation of the macroscopic capillary pressure showing that pressure average techniques are subject to several limitations and they are not accurate in presence of viscous effects and trapping. On the contrary an energy-based definition allows separating viscous and capillary contributions. In the second part of the thesis we investigate inertia effects associated with abrupt and irreversible reconfigurations of the menisci caused by interface instabilities. As a prototype of these phenomena we first consider the dynamics of a meniscus in an angular pore. We show that in a network of cubic pores, jumps and reconfigurations are so frequent that inertia effects lead to different fluid configurations. Due to the non-linearity of the problem, the distribution of the fluids influences the work done by pressure forces, which is in turn related to the pressure drop in Darcy's law. This suggests that these phenomena should be taken into account when upscaling multiphase flow in porous media. The last part of the thesis is devoted to proving the accuracy of the numerical approach by validation with experiments of unstable primary drainage in a quasi-2D porous medium (i.e., Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles). We perform simulations under different boundary conditions and using different models (2-D integrated and full 3-D) and we compare several macroscopic quantities with the corresponding experiment. Despite the intrinsic challenges of modeling unstable displacement, where by definition small perturbations can grow without bounds, the numerical method gives satisfactory results for all the cases studied.

ACID-SENSING ION CHANNELS: functional and molecular characterization in putative nociceptors, and modulation by nerve injury and serine protease

Résumé Les canaux ioniques ASICs (acid-sensing ion channels) appartiennent à la famille des canaux ENaC/Degenerin. Pour l'instant, quatre gènes (1 à 4) ont été clonés dont certains présentent des variants d'épissage. Leur activation par une acidification rapide du milieu extracellulaire génère un courant entrant transitoire essentiellement sodique accompagné pour certains types d'ASICs d'une phase soutenue. Les ASICs sont exprimés dans le système nerveux, central (SNC) et périphérique (SNP). On leur attribue un rôle dans l'apprentissage, la mémoire et l'ischémie cérébrale au niveau central ainsi que dans la nociception (douleur aiguë et inflammatoire) et la méchanotransduction au niveau périphérique. Toutefois, les données sont parfois contradictoires. Certaines études suggèrent qu'ils sont des senseurs primordiaux impliqués dans la détection de l'acidification et la douleur. D'autres études suggèrent plutôt qu'ils ont un rôle modulateur inhibiteur dans la douleur. De plus, le fait que leur activation génère majoritairement un courant transitoire alors que les fibres nerveuses impliquées dans la douleur répondent à un stimulus nocif avec une adaptation lente suggère que leurs propriétés doivent être modulés par des molécules endogènes. Dans une première partie de ma thèse, nous avons abordé la question de l'expression fonctionnelle des ASICs dans les neurones sensoriels primaires afférents du rat adulte pour clarifier le rôle des ASICs dans les neurones sensoriels. Nous avons caractérisé leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques par la technique du patch-clamp en configuration « whole-cell ». Nous avons pu démontrer que près de 60% des neurones sensoriels de petit diamètre expriment des courants ASICs. Nous avons mis en évidence trois types de courant ASIC dans ces neurones. Les types 1 et 3 ont des propriétés compatibles avec un rôle de senseur du pH alors que le type 2 est majoritairement activé par des pH inférieurs à pH6. Le type 1 est médié par des homomers de la sous-unité ASIC1 a qui sont perméables aux Ca2+. Nous avons étudié leur co-expression avec des marqueurs des nocicepteurs ainsi que la possibilité d'induire une activité neuronale suite à une acidification qui soit dépendante des ASICs. Le but était d'associer un type de courant ASIC avec une fonction potentielle dans les neurones sensoriels. Une majorité des neurones exprimant les courants ASIC co-expriment des marqueurs des nocicepteurs. Toutefois, une plus grande proportion des neurones exprimant le type 1 n'est pas associée à la nociception par rapport aux types 2 et 3. Nous avons montré qu'il est possible d'induire des potentiels d'actions suite à une acidification. La probabilité d'induction est proportionnelle à la densité des courants ASIC et à l'acidité de la stimulation. Puis, nous avons utilisé cette classification comme un outil pour appréhender les potentielles modulations fonctionnelles des ASICs dans un model de neuropathie (spared nerve injury). Cette approche fut complétée par des expériences de «quantitative RT-PCR ». En situation de neuropathie, les courants ASIC sont dramatiquement changés au niveau de leur expression fonctionnelle et transcriptionnelle dans les neurones lésés ainsi que non-lésés. Dans une deuxième partie de ma thèse, suite au test de différentes substances sécrétées lors de l'inflammation et l'ischémie sur les propriétés des ASICs, nous avons caractérisé en détail la modulation des propriétés des courants ASICs notamment ASIC1 par les sérines protéases dans des systèmes d'expression recombinants ainsi que dans des neurones d'hippocampe. Nous avons montré que l'exposition aux sérine-protéases décale la dépendance au pH de l'activation ainsi que la « steady-state inactivation »des ASICs -1a et -1b vers des valeurs plus acidiques. Ainsi, l'exposition aux serine protéases conduit à une diminution du courant quand l'acidification a lieu à partir d'un pH7.4 et conduit à une augmentation du courant quand l'acidification alleu à partir d'un pH7. Nous avons aussi montré que cette régulation a lieu des les neurones d'hippocampe. Nos résultats dans les neurones sensoriels suggèrent que certains courants ASICs sont impliqués dans la transduction de l'acidification et de la douleur ainsi que dans une des phases du processus conduisant à la neuropathie. Une partie des courants de type 1 perméables au Ca 2+ peuvent être impliqués dans la neurosécrétion. La modulation par les sérines protéases pourrait expliquer qu'en situation d'acidose les canaux ASICs soient toujours activables. Résumé grand publique Les neurones sont les principales cellules du système nerveux. Le système nerveux est formé par le système nerveux central - principalement le cerveau, le cervelet et la moelle épinière - et le système nerveux périphérique -principalement les nerfs et les neurones sensoriels. Grâce à leur nombreux "bras" (les neurites), les neurones sont connectés entre eux, formant un véritable réseau de communication qui s'étend dans tout le corps. L'information se propage sous forme d'un phénomène électrique, l'influx nerveux (ou potentiels d'actions). A la base des phénomènes électriques dans les neurones il y a ce que l'on appelle les canaux ioniques. Un canal ionique est une sorte de tunnel qui traverse l'enveloppe qui entoure les cellules (la membrane) et par lequel passent les ions. La plupart de ces canaux sont normalement fermés et nécessitent d'être activés pour s'ouvrire et générer un influx nerveux. Les canaux ASICs sont activés par l'acidification et sont exprimés dans tout le système nerveux. Cette acidification a lieu notamment lors d'une attaque cérébrale (ischémie cérébrale) ou lors de l'inflammation. Les expériences sur les animaux ont montré que les canaux ASICs avaient entre autre un rôle dans la mort des neurones lors d'une attaque cérébrale et dans la douleur inflammatoire. Lors de ma thèse je me suis intéressé au rôle des ASICs dans la douleur et à l'influence des substances produites pendant l'inflammation sur leur activation par l'acidification. J'ai ainsi pu montrer chez le rat que la majorité des neurones sensoriels impliqués dans la douleur ont des canaux ASICs et que l'activation de ces canaux induit des potentiels d'action. Nous avons opéré des rats pour qu'ils présentent les symptômes d'une maladie chronique appelée neuropathie. La neuropathie se caractérise par une plus grande sensibilité à la douleur. Les rats neuropathiques présentent des changements de leurs canaux ASICs suggérant que ces canaux ont une peut-être un rôle dans la genèse ou les symptômes de cette maladie. J'ai aussi montré in vitro qu'un type d'enryme produit lors de l'inflammation et l'ischémie change les propriétés des ASICs. Ces résultats confirment un rôle des ASICs dans la douleur suggérant notamment un rôle jusque là encore non étudié dans la douleur neuropathique. De plus, ces résultats mettent en évidence une régulation des ASICs qui pourrait être importante si elle se confirmait in vivo de part les différents rôles des ASICs. Abstract Acid-sensing ion channels (ASICs) are members of the ENaC/Degenerin superfamily of ion channels. Their activation by a rapid extracellular acidification generates a transient and for some ASIC types also a sustained current mainly mediated by Na+. ASICs are expressed in the central (CNS) and in the peripheral (PNS) nervous system. In the CNS, ASICs have a putative role in learning, memory and in neuronal death after cerebral ischemia. In the PNS, ASICs have a putative role in nociception (acute and inflammatory pain) and in mechanotransduction. However, studies on ASIC function are somewhat controversial. Some studies suggest a crucial role of ASICs in transduction of acidification and in pain whereas other studies suggest rather a modulatory inhibitory role of ASICs in pain. Moreover, the basic property of ASICs, that they are activated only transiently is irreconcilable with the well-known property of nociception that the firing of nociceptive fibers demonstrated very little adaptation. Endogenous molecules may exist that can modulate ASIC properties. In a first part of my thesis, we addressed the question of the functional expression of ASICs in adult rat dorsal root ganglion (DRG) neurons. Our goal was to elucidate ASIC roles in DRG neurons. We characterized biophysical and pharmacological properties of ASIC currents using the patch-clamp technique in the whole-cell configuration. We observed that around 60% of small-diameter sensory neurons express ASICs currents. We described in these neurons three ASIC current types. Types 1 and 3 have properties compatible with a role of pH-sensor whereas type 2 is mainly activated by pH lower than pH6. Type 1 is mediated by ASIC1a homomultimers which are permeable to Ca 2+. We studied ASIC co-expression with nociceptor markers. The goal was to associate an ASIC current type with a potential function in sensory neurons. Most neurons expressing ASIC currents co-expressed nociceptor markers. However, a higher proportion of the neurons expressing type 1 was not associated with nociception compared to type 2 and -3. We completed this approach with current-clamp measurements of acidification-induced action potentials (APs). We showed that activation of ASICs in small-diameter neurons can induce APs. The probability of AP induction is positively correlated with the ASIC current density and the acidity of stimulation. Then, we used this classification as a tool to characterize the potential functional modulation of ASICs in the spared nerve injury model of neuropathy. This approach was completed by quantitative RT-PCR experiments. ASICs current expression was dramatically changed at the functional and transcriptional level in injured and non-injured small-diameter DRG neurons. In a second part of my thesis, following an initial screening of the effect of various substances secreted during inflammation and ischemia on ASIC current properties, we characterized in detail the modulation of ASICs, in particular of ASIC1 by serine proteases in a recombinant expression system as well as in hippocampal neurons. We showed that protease exposure shifts the pH dependence of ASIC1 activation and steady-state inactivation to more acidic pH. As a consequence, protease exposure leads to a decrease in the current response if ASIC1 is activated by a pH drop from pH 7.4. If, however, acidification occurs from a basal pH of 7, protease-exposed ASIC1a shows higher activity than untreated ASIC1a. We provided evidence that this bi-directional regulation of ASIC1a function also occurs in hippocampal neurons. Our results in DRG neurons suggest that some ASIC currents are involved in the transduction of peripheral acidification and pain. Furthermore, ASICs may participate to the processes leading to neuropathy. Some Ca 2+-permeable type 1 currents may be involved in neurosecretion. ASIC modulation by serine proteases may be physiologically relevant, allowing ASIC activation under sustained slightly acidic conditions.

Zugang zu geistigem Eigentum nach europäischem Kartellrecht : eine Darstellung der rechtlichen, technischen und wirtschaftlichen Grundlagen für die Offenlegung von Softwareschnittstellen anhand des Microsoft-Verfahrens

Résumé sous forme de thèses 1. La présente thèse de doctorat traite de la problématique des licences obligatoires en droit communautaire de la concurrence. Plus précisément, il s'agit d'examiner si et sous quelles conditions le refus de licencier un droit de propriété intellectuelle par une entreprise peut constituer un abus d'une position dominante selon l'article 82 du Traité CE. L'étude fait notamment référence aux marchés de haute technologie et ici à la décision Microsoft, qui a été publiée par la Commission européenne en mars 2004 et qui porte, dans sa deuxième partie, sur la possibilité de rendre interopérables différents composants, via des informations appelées interfaces. 2. La question d'une licence obligatoire ne se pose que si l'information recherchée est protégée par un droit de propriété intellectuelle et si cette information ne peut être obtenue par d'autres moyens. C'est pourquoi la première partie de l'étude examine deux sujets importants concernant l'interopérabilité: d'une part la méthode de décompilation permet-elle d'obtenir des interfaces de logiciel, d'autre part, les interfaces sont-elles protégées par le droit d'auteur. 3. En ce qui concerne la décompilation des programmes d'ordinateur, l'étude démontre que cette méthode ne permet pas de rendre interopérables différents programmes d'ordinateur de manière efficace. Le droit européen a légalisé cette méthode, après des débats publics très vifs, par l'article 6 de la directive concernant la protection juridique des programmes d'ordinateur (91/250/CEE). Il semble néanmoins que la lutte pour un tel droit de décompilation a été vaine :Tout d'abord, l'article 6 est rédigé d'une façon très complexe et autorise une décompilation seulement selon des conditions très restrictives. En plus, la décompilation en elle-même est un travail très complexe qui peut durer des années et qui ne garantit pas de trouver les informations recherchées. 4. En outre, une réglementation de décompilation n'existe jusqu'à présent que dans le domaine du droit d'auteur, tandis qu'une règlementation pour la protection juridique des brevets fait défaut. La question concernant la protection juridique des brevets pour les inventions mises en rouvre par ordinateur restera aussi dans le futur sans réponse, étant donné que le Parlement européen a rejeté une telle proposition de directive en juillet 2005. Ceci est regrettable, parce que la proposition de directive prévoyait explicitement un droit de décompilation. La Commission européenne projette, cependant, de réexaminer les dispositions de décompilation relatives au droit d'auteur. Dans ce contexte, il devrait notamment être examiné si les dispositions de décompilation de l'article 6 de la directive des programmes d'ordinateur sont satisfaisantes afin de garantir une (certaine) interopérabilité. 5. Un réexamen de la directive concernant la protection juridique des programmes d'ordinateur pourrait aussi servir à clarifier l'existence et l'étendue de la protection d'interfaces. L'article 1, paragraphe 2, 2ième phrase se réfère dans ce contexte uniquement à un principe reconnu en droit international du droit d'auteur, dénommé «dichotomie d'idée/d'expression» : seul l'expression individuelle est protégée, mais pas l'idée en tant que telle. La rédaction de l'article devrait ainsi préciser qu'une spécification d'une interface constitue toujours une idée, qui ne peut pas être protégée, alors que l'implémentation de l'interface dans un programme d'ordinateur représente son expression et devrait ainsi bénéficier d'une protection selon le droit d'auteur. Or, dans la plupart des cas, la spécification d'une interface est suffisante pour rendre interopérables différents programmes d'ordinateur. 6. La Commission dans sa décision Microsoft a pourtant supposé que les interfaces recherchées par les concurrents de Microsoft pouvaient être protégées par des droits de propriété intellectuelle. En effet, le seul moyen à disposition pour ceux qui veulent rendre interopérables leur programme d'ordinateur et avec celui d'une entreprise dominante est le recours à l'article 82 CE. Ici, la question qui se pose est celle de savoir si le refus de fournir des interfaces constitue un abus d'une position dominante et donc mène à l'octroi d'une licence obligatoire. 7. Dans le contexte des licences obligatoires selon l'article 82 CE, il est courant d'invoquer la relation de conflit entre la propriété intellectuelle et le droit de la concurrence. Or, l'étude démontre que ces deux institutions de droit poursuivent le même but, à savoir l'encouragement au bien-être des consommateurs en stimulant l'innovation. Les objectifs convergent notamment si on définit la concurrence plutôt en tant que concept dynamique. Par conséquent, des restrictions temporaires à la concurrence peuvent être acceptées, si ceci mène à la création de la concurrence à long terme. Pourtant, des conflits potentiels persistent, étant donné qu'on ne peut pas argumenter que chaque restriction à la concurrence effectuée par le titulaire d'un droit de propriété intellectuelle mène à l'incitation de l'innovation à long terme. 8. En réfutant ce dernier argument, l'étude démontre que les droits de propriété intellectuelle ne peuvent pas être généralement exemptés de l'application du droit de la concurrence. Notamment, selon l'état actuel de la jurisprudence, il ne peut être soutenu qu'il existe un noyau dur spécifique du droit de la propriété intellectuelle, qui ne devrait pas être affecté par le droit de la concurrence. L'ordonnance d'une licence obligatoire peut être justifiée sur la base de l'article 82 CE, dans la mesure où la balance d'intérêts démontre un effet positif au bien-être des consommateurs résultant d'une telle licence. En même temps, les droits individuels du propriétaire d'un droit de propriété intellectuelle sont à respecter, surtout la liberté contractuelle et la protection de la propriété. 9. Le droit de la liberté contractuelle et le droit de la propriété sont atteints, si le propriétaire d'un droit, de nature matérielle ou immatérielle, n'a exercé son droit de propriété que pour lui-même, exclusivement, sans jamais avoir démontré la volonté de s'acquitter de ses droits. C'est donc surtout pour protéger ces deux principes de droit que la présente étude fait une distinction majeure entre le refus de contracter et la rupture d'une relation contractuelle. 10. Le premier cas est traité de manière détaillée sous le chapitre de la doctrine des facilités essentielles (EFD). Selon la position prise ici, cette constellation est caractérisée par l'obligation du propriétaire de contracter et ainsi d'établir des relations d'affaires avec ses concurrents. Or, un principe selon lequel les entreprises en position dominante sont obligées d'encourager la concurrence, n'existe pas en droit communautaire. Il est toutefois nécessaire de pouvoir imposer une telle obligation, notamment dans les cas où la concurrence sur un marché ne peut être mise en oeuvre à long terme par un autre moyen et où cette ouverture du marché n'entraîne pas d'obstacles à l'innovation. 11. La constellation particulière des facilités essentielles exige néanmoins un contrôle plus prudent que dans les cas constituant une rupture de relation d'affaires. Cette exigence a été respectée sur base des conditions que l'arrêt Bronner a établit concernant l'essentialité d'une facilité. Même si l'établissement en question remplit toutes les conditions afin d'être qualifié d'essentiel, l'ordonnance d'un accès obligé doit encore passer l'examen d'une balance d'intérêts. Celle-ci mène encore plus rarement à l'octroi d'une licence dans les cas où la facilité est protégée par un droit de propriété intellectuelle. Des exceptions à cette règle existent si le droit de la propriété intellectuelle n'a pas été obtenu par des moyens basés sur le mérite ou si la fonction d'incitation à l'innovation est en doute. 12. L'affaire IMS Health présente un tel cas exceptionnel. La structure recherchée par les concurrents de IMS remplissait, au moment de l'examen de l'affaire par la Commission européenne, tous les critères d'un standard de facto. En outre, au moment du développement de la structure, celle-ci ne bénéficiait pas d'une protection de droit immatérielle. Une telle protection ne lui a été accordée que depuis la transposition de la directive concernant la protection juridique des bases de données en droit d'auteur allemand. Par conséquent, IMS ne pouvait avoir entrepris des investissements dans la construction de la structure, afin de profiter ultérieurement de la protection du droit d'auteur. Ceci affaiblit la présomption selon laquelle l'utilisation exclusive du droit aurait dû être préservée afin de ne pas faire obstacle à l'innovation. 13. Le cas européen de Microsoft se distingue de cette constellation. Les conditions qui ont mené à la décision de la Commission européenne quant à l'attribution d'interopérabilité et ainsi à une licence obligatoire d'interfaces, ont été présenté de manière détaillée dans cette étude. Elles fournissent les meilleures preuves que les «circonstances exceptionnelles », qui ont été déterminantes dans l'affaire Magill de la Cour de justice, à savoir «l'empêchement de la création d'un nouveau produit », le «manque de justification objective » et «l'empêchement de toute concurrence sur un marché en aval distinct », ne peuvent constituer une énumération exhaustive pour l'ordonnance d'une licence obligatoire. 14. En effet, dans l'affaire Microsoft, l'intersection progressive d'interopérabilité entre les systèmes d'exploitation étrangers à Microsoft et des systèmes d'exploitation de Microsoft n'a pas empêché la création de nouveaux produits. Le marché en question, celui des systèmes d'exploitation pour serveur de groupe de travail, avait été créé par l'entreprise Novell. Par conséquent, quand Microsoft a accédé à ce marché, d'autres entreprises en situation d'offre s'y trouvaient déjà avec leurs produits. Il s'en suit que, en 'exigeant de Microsoft des interfaces correspondantes, il s'agissait d'assurer l'interopérabilité avec les produits de Microsoft, et surtout avec l'omniprésent système d'exploitation pour ordinateur PC, afin de maintenir des produits déjà existants sur le marché, et notamment des produits «pionniers »qui avaient pris le risque d'exploiter le marché des systèmes d'exploitation pour serveur de groupe de travail. 15. Une autre circonstance exceptionnelle que celle d'un nouveau produit empêché donne l'impulsion à la thèse qu'une intersection progressive aux interfaces de Microsoft constitue un abus d'une position dominante selon l'article 82 CE : celle du transfert du pouvoir de marché. L'intégration verticale d'une entreprise en position dominante sur un marché qui n'a jusqu'à ce jour été que fourni par celle-ci, et qui rompt des relations contractuelles avec des entreprises agissant sur ce marché, afin d'évincer de la concurrence, constitue un cas de type connu de l'abus, reconnue pour la première fois dans l'arrêt Commercial Solvents de la CJCE: L'entreprise en position dominante utilise son pouvoir sur un marché initial et stratégiquement important et se sert ainsi des avantages, qui ne peuvent être conciliés avec le concept de concurrence par le mérite. 16. Il doit être de même si le bien en question bénéficie d'un droit immatériel, et qu'il s'agit ainsi d'un arrêt d'une licence. En effet, les fonctions, en principe supposées, d'incitation et de mérite, perdent de leur importance si le bien en question a déjà fait objet d'une licence: Il ne peut pas alors être argumenté que le propriétaire d'un droit immatériel doit l'utiliser exclusivement lui-même, afin de profiter des fruits de son mérite. Cet argument particulier de la prise en compte de l'effet d'incitation et de mérite perd d'autant plus de sa pertinence, si l'entreprise en cause ne fournit pas sur le marché dérivé une innovation, mais ne sert juste qu'à vendre un produit déjà préexistant. 17. Dans le domaine de licence de propriété intellectuelle obligatoire selon l'article 82 CE, les juridictions européennes n'ont jusqu'à présent uniquement eu à décider sur des constellations de cas, dans lesquelles le droit n'avait pas été l'objet d'une licence antérieure. Avec le cas Microsoft, le Tribunal de Première Instance a maintenant la possibilité de décider d'une distinction importante à faire en droit de la concurrence entre, d'une part, les cas dans lesquels un droit de propriété intellectuelle n'a pas encore été l'objet d'une licence et de l'autre, ceux dans lesquels il s'agit d'une rupture de licence.