Conservation of the Eurasian Lynx (Lynx lynx) in a fragmented landscape - habitat models, dispersal and potential distribution

Abstract: The expansion of a recovering population - whether re-introduced or spontaneously returning - is shaped by (i) biological (intrinsic) factors such as the land tenure system or dispersal, (ii) the distribution and availability of resources (e.g. prey), (iii) habitat and landscape features, and (iv) human attitudes and activities. In order to develop efficient conservation and recovery strategies, we need to understand all these factors and to predict the potential distribution and explore ways to reach it. An increased number of lynx in the north-western Swiss Alps in the nineties lead to a new controversy about the return of this cat. When the large carnivores were given legal protection in many European countries, most organizations and individuals promoting their protection did not foresee the consequences. Management plans describing how to handle conflicts with large predators are needed to find a balance between "overabundance" and extinction. Wildlife and conservation biologists need to evaluate the various threats confronting populations so that adequate management decisions can be taken. I developed a GIS probability model for the lynx, based on habitat information and radio-telemetry data from the Swiss Jura Mountains, in order to predict the potential distribution of the lynx in this mountain range, which is presently only partly occupied by lynx. Three of the 18 variables tested for each square kilometre describing land use, vegetation, and topography, qualified to predict the probability of lynx presence. The resulting map was evaluated with data from dispersing subadult lynx. Young lynx that were not able to establish home ranges in what was identified as good lynx habitat did not survive their first year of independence, whereas the only one that died in good lynx habitat was illegally killed. Radio-telemetry fixes are often used as input data to calibrate habitat models. Radio-telemetry is the only way to gather accurate and unbiased data on habitat use of elusive larger terrestrial mammals. However, it is time consuming and expensive, and can therefore only be applied in limited areas. Habitat models extrapolated over large areas can in turn be problematic, as habitat characteristics and availability may change from one area to the other. I analysed the predictive power of Ecological Niche Factor Analysis (ENFA) in Switzerland with the lynx as focal species. According to my results, the optimal sampling strategy to predict species distribution in an Alpine area lacking available data would be to pool presence cells from contrasted regions (Jura Mountains, Alps), whereas in regions with a low ecological variance (Jura Mountains), only local presence cells should be used for the calibration of the model. Dispersal influences the dynamics and persistence of populations, the distribution and abundance of species, and gives the communities and ecosystems their characteristic texture in space and time. Between 1988 and 2001, the spatio-temporal behaviour of subadult Eurasian lynx in two re-introduced populations in Switzerland was studied, based on 39 juvenile lynx of which 24 were radio-tagged to understand the factors influencing dispersal. Subadults become independent from their mothers at the age of 8-11 months. No sex bias neither in the dispersal rate nor in the distance moved was detected. Lynx are conservative dispersers, compared to bear and wolf, and settled within or close to known lynx occurrences. Dispersal distances reached in the high lynx density population - shorter than those reported in other Eurasian lynx studies - are limited by habitat restriction hindering connections with neighbouring metapopulations. I postulated that high lynx density would lead to an expansion of the population and validated my predictions with data from the north-western Swiss Alps where about 1995 a strong increase in lynx abundance took place. The general hypothesis that high population density will foster the expansion of the population was not confirmed. This has consequences for the re-introduction and recovery of carnivores in a fragmented landscape. To establish a strong source population in one place might not be an optimal strategy. Rather, population nuclei should be founded in several neighbouring patches. Exchange between established neighbouring subpopulations will later on take place, as adult lynx show a higher propensity to cross barriers than subadults. To estimate the potential population size of the lynx in the Jura Mountains and to assess possible corridors between this population and adjacent areas, I adapted a habitat probability model for lynx distribution in the Jura Mountains with new environmental data and extrapolated it over the entire mountain range. The model predicts a breeding population ranging from 74-101 individuals and from 51-79 individuals when continuous habitat patches < 50 km2 are disregarded. The Jura Mountains could once be part of a metapopulation, as potential corridors exist to the adjoining areas (Alps, Vosges Mountains, and Black Forest). Monitoring of the population size, spatial expansion, and the genetic surveillance in the Jura Mountains must be continued, as the status of the population is still critical. ENFA was used to predict the potential distribution of lynx in the Alps. The resulting model divided the Alps into 37 suitable habitat patches ranging from 50 to 18,711 km2, covering a total area of about 93,600 km2. When using the range of lynx densities found in field studies in Switzerland, the Alps could host a population of 961 to 1,827 residents. The results of the cost-distance analysis revealed that all patches were within the reach of dispersing lynx, as the connection costs were in the range of dispersal cost of radio-tagged subadult lynx moving through unfavorable habitat. Thus, the whole Alps could once be considered as a metapopulation. But experience suggests that only few disperser will cross unsuitable areas and barriers. This low migration rate may seldom allow the spontaneous foundation of new populations in unsettled areas. As an alternative to natural dispersal, artificial transfer of individuals across the barriers should be considered. Wildlife biologists can play a crucial role in developing adaptive management experiments to help managers learning by trial. The case of the lynx in Switzerland is a good example of a fruitful cooperation between wildlife biologists, managers, decision makers and politician in an adaptive management process. This cooperation resulted in a Lynx Management Plan which was implemented in 2000 and updated in 2004 to give the cantons directives on how to handle lynx-related problems. This plan was put into practice e.g. in regard to translocation of lynx into unsettled areas. Résumé: L'expansion d'une population en phase de recolonisation, qu'elle soit issue de réintroductions ou d'un retour naturel dépend 1) de facteurs biologiques tels que le système social et le mode de dispersion, 2) de la distribution et la disponibilité des ressources (proies), 3) de l'habitat et des éléments du paysage, 4) de l'acceptation de l'espèce par la population locale et des activités humaines. Afin de pouvoir développer des stratégies efficaces de conservation et de favoriser la recolonisation, chacun de ces facteurs doit être pris en compte. En plus, la distribution potentielle de l'espèce doit pouvoir être déterminée et enfin, toutes les possibilités pour atteindre les objectifs, examinées. La phase de haute densité que la population de lynx a connue dans les années nonante dans le nord-ouest des Alpes suisses a donné lieu à une controverse assez vive. La protection du lynx dans de nombreux pays européens, promue par différentes organisations, a entraîné des conséquences inattendues; ces dernières montrent que tout plan de gestion doit impérativement indiquer des pistes quant à la manière de gérer les conflits, tout en trouvant un équilibre entre l'extinction et la surabondance de l'espèce. Les biologistes de la conservation et de la faune sauvage doivent pour cela évaluer les différents risques encourus par les populations de lynx, afin de pouvoir rapidement prendre les meilleuresmdécisions de gestion. Un modèle d'habitat pour le lynx, basé sur des caractéristiques de l'habitat et des données radio télémétriques collectées dans la chaîne du Jura, a été élaboré afin de prédire la distribution potentielle dans cette région, qui n'est que partiellement occupée par l'espèce. Trois des 18 variables testées, décrivant pour chaque kilomètre carré l'utilisation du sol, la végétation ainsi que la topographie, ont été retenues pour déterminer la probabilité de présence du lynx. La carte qui en résulte a été comparée aux données télémétriques de lynx subadultes en phase de dispersion. Les jeunes qui n'ont pas pu établir leur domaine vital dans l'habitat favorable prédit par le modèle n'ont pas survécu leur première année d'indépendance alors que le seul individu qui est mort dans l'habitat favorable a été braconné. Les données radio-télémétriques sont souvent utilisées pour l'étalonnage de modèles d'habitat. C'est un des seuls moyens à disposition qui permette de récolter des données non biaisées et précises sur l'occupation de l'habitat par des mammifères terrestres aux moeurs discrètes. Mais ces méthodes de- mandent un important investissement en moyens financiers et en temps et peuvent, de ce fait, n'être appliquées qu'à des zones limitées. Les modèles d'habitat sont ainsi souvent extrapolés à de grandes surfaces malgré le risque d'imprécision, qui résulte des variations des caractéristiques et de la disponibilité de l'habitat d'une zone à l'autre. Le pouvoir de prédiction de l'Analyse Ecologique de la Niche (AEN) dans les zones où les données de présence n'ont pas été prises en compte dans le calibrage du modèle a été analysée dans le cas du lynx en Suisse. D'après les résultats obtenus, la meilleure mé- thode pour prédire la distribution du lynx dans une zone alpine dépourvue d'indices de présence est de combiner des données provenant de régions contrastées (Alpes, Jura). Par contre, seules les données sur la présence locale de l'espèce doivent être utilisées pour les zones présentant une faible variance écologique tel que le Jura. La dispersion influence la dynamique et la stabilité des populations, la distribution et l'abondance des espèces et détermine les caractéristiques spatiales et temporelles des communautés vivantes et des écosystèmes. Entre 1988 et 2001, le comportement spatio-temporel de lynx eurasiens subadultes de deux populations réintroduites en Suisse a été étudié, basé sur le suivi de 39 individus juvéniles dont 24 étaient munis d'un collier émetteur, afin de déterminer les facteurs qui influencent la dispersion. Les subadultes se sont séparés de leur mère à l'âge de 8 à 11 mois. Le sexe n'a pas eu d'influence sur le nombre d'individus ayant dispersés et la distance parcourue au cours de la dispersion. Comparé à l'ours et au loup, le lynx reste très modéré dans ses mouvements de dispersion. Tous les individus ayant dispersés se sont établis à proximité ou dans des zones déjà occupées par des lynx. Les distances parcourues lors de la dispersion ont été plus courtes pour la population en phase de haute densité que celles relevées par les autres études de dispersion du lynx eurasien. Les zones d'habitat peu favorables et les barrières qui interrompent la connectivité entre les populations sont les principales entraves aux déplacements, lors de la dispersion. Dans un premier temps, nous avons fait l'hypothèse que les phases de haute densité favorisaient l'expansion des populations. Mais cette hypothèse a été infirmée par les résultats issus du suivi des lynx réalisé dans le nord-ouest des Alpes, où la population connaissait une phase de haute densité depuis 1995. Ce constat est important pour la conservation d'une population de carnivores dans un habitat fragmenté. Ainsi, instaurer une forte population source à un seul endroit n'est pas forcément la stratégie la plus judicieuse. Il est préférable d'établir des noyaux de populations dans des régions voisines où l'habitat est favorable. Des échanges entre des populations avoisinantes pourront avoir lieu par la suite car les lynx adultes sont plus enclins à franchir les barrières qui entravent leurs déplacements que les individus subadultes. Afin d'estimer la taille de la population de lynx dans le Jura et de déterminer les corridors potentiels entre cette région et les zones avoisinantes, un modèle d'habitat a été utilisé, basé sur un nouveau jeu de variables environnementales et extrapolé à l'ensemble du Jura. Le modèle prédit une population reproductrice de 74 à 101 individus et de 51 à 79 individus lorsque les surfaces d'habitat d'un seul tenant de moins de 50 km2 sont soustraites. Comme des corridors potentiels existent effectivement entre le Jura et les régions avoisinantes (Alpes, Vosges, et Forêt Noire), le Jura pourrait faire partie à l'avenir d'une métapopulation, lorsque les zones avoisinantes seront colonisées par l'espèce. La surveillance de la taille de la population, de son expansion spatiale et de sa structure génétique doit être maintenue car le statut de cette population est encore critique. L'AEN a également été utilisée pour prédire l'habitat favorable du lynx dans les Alpes. Le modèle qui en résulte divise les Alpes en 37 sous-unités d'habitat favorable dont la surface varie de 50 à 18'711 km2, pour une superficie totale de 93'600 km2. En utilisant le spectre des densités observées dans les études radio-télémétriques effectuées en Suisse, les Alpes pourraient accueillir une population de lynx résidents variant de 961 à 1'827 individus. Les résultats des analyses de connectivité montrent que les sous-unités d'habitat favorable se situent à des distances telles que le coût de la dispersion pour l'espèce est admissible. L'ensemble des Alpes pourrait donc un jour former une métapopulation. Mais l'expérience montre que très peu d'individus traverseront des habitats peu favorables et des barrières au cours de leur dispersion. Ce faible taux de migration rendra difficile toute nouvelle implantation de populations dans des zones inoccupées. Une solution alternative existe cependant : transférer artificiellement des individus d'une zone à l'autre. Les biologistes spécialistes de la faune sauvage peuvent jouer un rôle important et complémentaire pour les gestionnaires de la faune, en les aidant à mener des expériences de gestion par essai. Le cas du lynx en Suisse est un bel exemple d'une collaboration fructueuse entre biologistes de la faune sauvage, gestionnaires, organes décisionnaires et politiciens. Cette coopération a permis l'élaboration du Concept Lynx Suisse qui est entré en vigueur en 2000 et remis à jour en 2004. Ce plan donne des directives aux cantons pour appréhender la problématique du lynx. Il y a déjà eu des applications concrètes sur le terrain, notamment par des translocations d'individus dans des zones encore inoccupées.

A model for the evolution of reinforcement learning in fluctuating games

Many species are able to learn to associate behaviours with rewards as this gives fitness advantages in changing environments. Social interactions between population members may, however, require more cognitive abilities than simple trial-and-error learning, in particular the capacity to make accurate hypotheses about the material payoff consequences of alternative action combinations. It is unclear in this context whether natural selection necessarily favours individuals to use information about payoffs associated with nontried actions (hypothetical payoffs), as opposed to simple reinforcement of realized payoff. Here, we develop an evolutionary model in which individuals are genetically determined to use either trial-and-error learning or learning based on hypothetical reinforcements, and ask what is the evolutionarily stable learning rule under pairwise symmetric two-action stochastic repeated games played over the individual's lifetime. We analyse through stochastic approximation theory and simulations the learning dynamics on the behavioural timescale, and derive conditions where trial-and-error learning outcompetes hypothetical reinforcement learning on the evolutionary timescale. This occurs in particular under repeated cooperative interactions with the same partner. By contrast, we find that hypothetical reinforcement learners tend to be favoured under random interactions, but stable polymorphisms can also obtain where trial-and-error learners are maintained at a low frequency. We conclude that specific game structures can select for trial-and-error learning even in the absence of costs of cognition, which illustrates that cost-free increased cognition can be counterselected under social interactions.

Information, learning, and risk in financial markets

Cette thèse comprend trois essais qui abordent l'information le processus d'ap-prentissage ainsi que le risque dans les marchés finances. Elle se concentre d'abord sur les implications à l'équilibre de l'hétérogénéité des agents à travers un processus d'apprentissage comprtemental et de mise à jour de l'information. De plus, elle examine les effets du partage des risques dans un reseau entreprise-fournisseur. Le premier chapitre étudie les effets du biais de disponibili sur l'évaluation des actifs. Ce biais décrit le fait que les agents surestiment l'importance de l'information acquise via l'expérience personnelle. L'hétérogénéité restante des différentes perceptions individuelles amène à une volonté d'échanges. Conformé¬ment aux données empiriques, les jeunes agents échangent plus mais en même temps souffrent d'une performance inférieure. Le deuxième chapitre se penche sur l'impact qu'ont les différences de modelisation entre les agents sur leurs percevons individuelles du processus de prix, dans le contexte des projections de modèles. Les agents sujets à un biais de projection pensent être représentatifs et interprètent les opinions des autres agents comme du bruit. Les agents, avec des modèles plus persistants, perçoivent que les prix réagissent de façon excessive lors des périodes de turbulence. Le troisième chapitre analyse l'impact du partage des risques dans la relation entreprise-fournisseur sur la décision optimale de financement de l'entreprise. Il étudie l'impact sur l'optimisation de la structure du capital ainsi que sur le coût du capital. Les résultats indiquent en particulier qu'un fournisseur avec un effet de levier faible est utile pour le financement d'un nouveau projet d'investissement. Pour des projets très rentables et des fournisseurs à faible effet de levier, le coût des capitaux propres de l'entreprise peut diminuer.

Transforming scientific information with everyday thinking: A social representations perspective

Cette thèse examine la circulation et l'intégration des informations scientifiques dans la pensée quotidienne d'après la théorie des représentations sociales (TRS). En tant qu'alternative aux approches traditionnelles de la communication de la science, les transformations survenant entre le discours scientifique et le discours de sens commun sont considérées comme adaptatives. Deux études sur la circulation des informations dans les media (études 1 et 2) montrent des variations dans les thèmes de discours exposés aux profanes, et parmi les discours de ceux-ci, en fonction de différentes sources. Ensuite, le processus d'ancrage dans le positionnement préalable envers la science est étudié, pour l'explication qu'il fournit de la réception et de la transmission d'informations scientifiques dans le sens commun. Les effets d'ancrage dans les attitudes et croyances préexistants sont reportés dans différents contextes de circulation des informations scientifiques (études 3 à 7), incluant des études de type corrélationnel, experimental et de terrain. Globalement, cette thèse procure des arguments en faveur de la pertinence de la TRS pour la recherche sur la communication de la science, et suggère des développements théoriques et méthodologiques pour ces deux domaines de recherche. Drawing on the social representations theory (SRT), this thesis examines the circulation and integration of scientific information into everyday thinking. As an alternative to the traditional approaches of science communication, it considers transformations between scientific and common-sense discourses as adaptive. Two studies, focused on the spreading of information into the media (Studies 1 and 2), show variations in the themes of discourses introduced to laypersons and in the themes among laypersons' discourses, according to different sources. Anchoring in prior positioning toward science is then studied for the explanation it provides on the reception and transmission of scientific information into common sense. Anchoring effects in prior attitudes and beliefs are reported in different contexts of circulation of scientific information (Studies 3 to 7) by using results from correlational, field, and experimental studies. Overall, this thesis provides arguments for the relevance of SRT in science communication research and suggests theoretical and methodological developments for both domains of research.

Olfactory traces and spatial learning in rats.

We conducted an experiment to assess the use of olfactory traces for spatial orientation in an open environment in rats, Rattus norvegicus. We trained rats to locate a food source at a fixed location from different starting points, in the presence or absence of visual information. A single food source was hidden in an array of 19 petri dishes regularly arranged in an open-field arena. Rats were trained to locate the food source either in white light (with full access to distant visuospatial information) or in darkness (without any visual information). In both cases, the goal was in a fixed location relative to the spatial frame of reference. The results of this experiment revealed that the presence of noncontrolled olfactory traces coherent with the spatial frame of reference enables rats to locate a unique position as accurately in darkness as with full access to visuospatial information. We hypothesize that the olfactory traces complement the use of other orientation mechanisms, such as path integration or the reliance on visuospatial information. This experiment demonstrates that rats can rely on olfactory traces for accurate orientation, and raises questions about the establishment of such traces in the absence of any other orientation mechanism. Copyright 1998 The Association for the Study of Animal Behaviour.

Membrane potential dynamics of neocortical projection neurons driving target-specific signals.

Primary sensory cortex discriminates incoming sensory information and generates multiple processing streams toward other cortical areas. However, the underlying cellular mechanisms remain unknown. Here, by making whole-cell recordings in primary somatosensory barrel cortex (S1) of behaving mice, we show that S1 neurons projecting to primary motor cortex (M1) and those projecting to secondary somatosensory cortex (S2) have distinct intrinsic membrane properties and exhibit markedly different membrane potential dynamics during behavior. Passive tactile stimulation evoked faster and larger postsynaptic potentials (PSPs) in M1-projecting neurons, rapidly driving phasic action potential firing, well-suited for stimulus detection. Repetitive active touch evoked strongly depressing PSPs and only transient firing in M1-projecting neurons. In contrast, PSP summation allowed S2-projecting neurons to robustly signal sensory information accumulated during repetitive touch, useful for encoding object features. Thus, target-specific transformation of sensory-evoked synaptic potentials by S1 projection neurons generates functionally distinct output signals for sensorimotor coordination and sensory perception.

Influence of local environmental olfactory cues on place learning in rats

The aim of the present study was to assess the influence of local environmental olfactory cues on place learning in rats. We developed a new experimental design allowing the comparison of the use of local olfactory and visual cues in spatial and discrimination learning. We compared the effect of both types of cues on the discrimination of a single food source in an open-field arena. The goal was either in a fixed or in a variable location, and could be indicated by local olfactory and/or visual cues. The local cues enhanced the discrimination of the goal dish, whether it was in a fixed or in a variable location. However, we did not observe any overshadowing of the spatial information by the local olfactory or visual cue. Rats relied primarily on distant visuospatial information to locate the goal, neglecting local information when it was in conflict with the spatial information.

Learning-induced plasticity in human audition: Objects, time, and space.

The human auditory system is comprised of specialized but interacting anatomic and functional pathways encoding object, spatial, and temporal information. We review how learning-induced plasticity manifests along these pathways and to what extent there are common mechanisms subserving such plasticity. A first series of experiments establishes a temporal hierarchy along which sounds of objects are discriminated along basic to fine-grained categorical boundaries and learned representations. A widespread network of temporal and (pre)frontal brain regions contributes to object discrimination via recursive processing. Learning-induced plasticity typically manifested as repetition suppression within a common set of brain regions. A second series considered how the temporal sequence of sound sources is represented. We show that lateralized responsiveness during the initial encoding phase of pairs of auditory spatial stimuli is critical for their accurate ordered perception. Finally, we consider how spatial representations are formed and modified through training-induced learning. A population-based model of spatial processing is supported wherein temporal and parietal structures interact in the encoding of relative and absolute spatial information over the initial ∼300ms post-stimulus onset. Collectively, these data provide insights into the functional organization of human audition and open directions for new developments in targeted diagnostic and neurorehabilitation strategies.

The dynamics of yeast telomeres and silencing proteins through the cell cycle.

Genes integrated near the telomeres of budding yeast have a variegated pattern of gene repression that is mediated by the silent information regulatory proteins Sir2p, Sir3p, and Sir4p. Immunolocalization and fluorescence in situ hybridization (FISH) reveal 6-10 perinuclear foci in which silencing proteins and subtelomeric sequences colocalize, suggesting that these are sites of Sir-mediated repression. Telomeres lacking subtelomeric repeat elements and the silent mating locus, HML, also localize to the periphery of the nucleus. Conditions that disrupt telomere proximal repression disrupt the focal staining pattern of Sir proteins, but not necessarily the localization of telomeric DNA. To monitor the telomere-associated pools of heterochromatin-binding proteins (Sir and Rap1 proteins) during mitotic cell division, we have performed immunofluorescence and telomeric FISH on populations of yeast cells synchronously traversing the cell cycle. We observe a partial release of Rap1p from telomeres in late G2/M, although telomeres appear to stay clustered during G2-phase and throughout mitosis. A partial release of Sir3p and Sir4p during mitosis also occurs. This is not observed upon HU arrest, although other types of DNA damage cause a dramatic relocalization of Sir and Rap1 proteins. The observed cell cycle dynamics were confirmed by direct epifluorescence of a GFP-Rap1p fusion. Using live GFP fluorescence we show that the diffuse mitotic distribution of GFP-Rap1p is restored to the interphase pattern of foci in early G1-phase.

Effects of anxiety on visuospatial pattern discrimination and decision-making processes: what can we learn from brain dynamics ?

Detection and discrimination of visuospatial input involve at least extracting, selecting and encoding relevant information and decision-making processes allowing selecting a response. These two operations are altered, respectively, by attentional mechanisms that change discrimination capacities, and by beliefs concerning the likelihood of uncertain events. Information processing is tuned by the attentional level that acts like a filter on perception, while decision-making processes are weighed by subjective probability of risk. In addition, it has been shown that anxiety could affect the detection of unexpected events through the modification of the level of arousal. Consequently, purpose of this study concerns whether and how decision-making and brain dynamics are affected by anxiety. To investigate these questions, the performance of women with either a high (12) or a low (12) STAI-T (State-Trait Anxiety Inventory, Spielberger, 1983) was examined in a decision-making visuospatial task where subjects have to recognize a target visual pattern from non-target patterns. The target pattern was a schematic image of furniture arranged in such a way as to give the impression of a living room. Non-target patterns were created by either the compression or the dilatation of the distances between objects. Target and non-target patterns were always presented in the same configuration. Preliminary behavioral results show no group difference in reaction time. In addition, visuo-spatial abilities were analyzed trough the signal detection theory for quantifying perceptual decisions in the presence of uncertainty (Green and Swets, 1966). This theory treats detection of a stimulus as a decision-making process determined by the nature of the stimulus and cognitive factors. Astonishingly, no difference in d' (corresponding to the distance between means of the distributions) and c (corresponds to the likelihood ratio) indexes was observed. Comparison of Event-related potentials (ERP) reveals that brain dynamics differ according to anxiety. It shows differences in component latencies, particularly a delay in anxious subjects over posterior electrode sites. However, these differences are compensated during later components by shorter latencies in anxious subjects compared to non-anxious one. These inverted effects seem indicate that the absence of difference in reaction time rely on a compensation of attentional level that tunes cortical activation in anxious subjects, but they have to hammer away to maintain performance.

Evolution of decision-making and learning under fluctuating social environments

The capacity to learn to associate sensory perceptions with appropriate motor actions underlies the success of many animal species, from insects to humans. The evolutionary significance of learning has long been a subject of interest for evolutionary biologists who emphasize the bene¬fit yielded by learning under changing environmental conditions, where it is required to flexibly switch from one behavior to another. However, two unsolved questions are particularly impor¬tant for improving our knowledge of the evolutionary advantages provided by learning, and are addressed in the present work. First, because it is possible to learn the wrong behavior when a task is too complex, the learning rules and their underlying psychological characteristics that generate truly adaptive behavior must be identified with greater precision, and must be linked to the specific ecological problems faced by each species. A framework for predicting behavior from the definition of a learning rule is developed here. Learning rules capture cognitive features such as the tendency to explore, or the ability to infer rewards associated to unchosen actions. It is shown that these features interact in a non-intuitive way to generate adaptive behavior in social interactions where individuals affect each other's fitness. Such behavioral predictions are used in an evolutionary model to demonstrate that, surprisingly, simple trial-and-error learn¬ing is not always outcompeted by more computationally demanding inference-based learning, when population members interact in pairwise social interactions. A second question in the evolution of learning is its link with and relative advantage compared to other simpler forms of phenotypic plasticity. After providing a conceptual clarification on the distinction between genetically determined vs. learned responses to environmental stimuli, a new factor in the evo¬lution of learning is proposed: environmental complexity. A simple mathematical model shows that a measure of environmental complexity, the number of possible stimuli in one's environ¬ment, is critical for the evolution of learning. In conclusion, this work opens roads for modeling interactions between evolving species and their environment in order to predict how natural se¬lection shapes animals' cognitive abilities. - La capacité d'apprendre à associer des sensations perceptives à des actions motrices appropriées est sous-jacente au succès évolutif de nombreuses espèces, depuis les insectes jusqu'aux êtres hu¬mains. L'importance évolutive de l'apprentissage est depuis longtemps un sujet d'intérêt pour les biologistes de l'évolution, et ces derniers mettent l'accent sur le bénéfice de l'apprentissage lorsque les conditions environnementales sont changeantes, car dans ce cas il est nécessaire de passer de manière flexible d'un comportement à l'autre. Cependant, deux questions non résolues sont importantes afin d'améliorer notre savoir quant aux avantages évolutifs procurés par l'apprentissage. Premièrement, puisqu'il est possible d'apprendre un comportement incorrect quand une tâche est trop complexe, les règles d'apprentissage qui permettent d'atteindre un com¬portement réellement adaptatif doivent être identifiées avec une plus grande précision, et doivent être mises en relation avec les problèmes écologiques spécifiques rencontrés par chaque espèce. Un cadre théorique ayant pour but de prédire le comportement à partir de la définition d'une règle d'apprentissage est développé ici. Il est démontré que les caractéristiques cognitives, telles que la tendance à explorer ou la capacité d'inférer les récompenses liées à des actions non ex¬périmentées, interagissent de manière non-intuitive dans les interactions sociales pour produire des comportements adaptatifs. Ces prédictions comportementales sont utilisées dans un modèle évolutif afin de démontrer que, de manière surprenante, l'apprentissage simple par essai-et-erreur n'est pas toujours battu par l'apprentissage basé sur l'inférence qui est pourtant plus exigeant en puissance de calcul, lorsque les membres d'une population interagissent socialement par pair. Une deuxième question quant à l'évolution de l'apprentissage concerne son lien et son avantage relatif vis-à-vis d'autres formes plus simples de plasticité phénotypique. Après avoir clarifié la distinction entre réponses aux stimuli génétiquement déterminées ou apprises, un nouveau fac¬teur favorisant l'évolution de l'apprentissage est proposé : la complexité environnementale. Un modèle mathématique permet de montrer qu'une mesure de la complexité environnementale - le nombre de stimuli rencontrés dans l'environnement - a un rôle fondamental pour l'évolution de l'apprentissage. En conclusion, ce travail ouvre de nombreuses perspectives quant à la mo¬délisation des interactions entre les espèces en évolution et leur environnement, dans le but de comprendre comment la sélection naturelle façonne les capacités cognitives des animaux.

Local-global splitting for spatiotemporal-adaptive multiscale methods

We present a novel spatiotemporal-adaptive Multiscale Finite Volume (MsFV) method, which is based on the natural idea that the global coarse-scale problem has longer characteristic time than the local fine-scale problems. As a consequence, the global problem can be solved with larger time steps than the local problems. In contrast to the pressure-transport splitting usually employed in the standard MsFV approach, we propose to start directly with a local-global splitting that allows to locally retain the original degree of coupling. This is crucial for highly non-linear systems or in the presence of physical instabilities. To obtain an accurate and efficient algorithm, we devise new adaptive criteria for global update that are based on changes of coarse-scale quantities rather than on fine-scale quantities, as it is routinely done before in the adaptive MsFV method. By means of a complexity analysis we show that the adaptive approach gives a noticeable speed-up with respect to the standard MsFV algorithm. In particular, it is efficient in case of large upscaling factors, which is important for multiphysics problems. Based on the observation that local time stepping acts as a smoother, we devise a self-correcting algorithm which incorporates the information from previous times to improve the quality of the multiscale approximation. We present results of multiphase flow simulations both for Darcy-scale and multiphysics (hybrid) problems, in which a local pore-scale description is combined with a global Darcy-like description. The novel spatiotemporal-adaptive multiscale method based on the local-global splitting is not limited to porous media flow problems, but it can be extended to any system described by a set of conservation equations.

Interactions between learning and immunity in Drosophila melanogaster

Learning and immunity are two adaptive traits with roles in central aspects of an organism's life: learning allows adjusting behaviours in changing environments, while immunity protects the body integrity against parasites and pathogens. While we know a lot about how these two traits interact in vertebrates, the interactions between learning and immunity remain poorly explored in insects. During my PhD, I studied three possible ways in which these two traits interact in the model system Drosophila melanogaster, a model organism in the study of learning and in the study of immunity. Learning can affect the behavioural defences against parasites and pathogens through the acquisition of new aversions for contaminated food for instance. This type of learning relies on the ability to associate a food-related cue with the visceral sickness following ingestion of contaminated food. Despite its potential implication in infection prevention, the existence of pathogen avoidance learning has been rarely explored in invertebrates. In a first part of my PhD, I tested whether D. melanogaster, which feed on food enriched in microorganisms, innately avoid the orally-acquired 'novel' virulent pathogen Pseudomonas entomophila, and whether it can learn to avoid it. Although flies did not innately avoid this pathogen, they decreased their preference for contaminated food over time, suggesting the existence of a form of learning based likely on infection-induced sickness. I further found that flies may be able to learn to avoid an odorant which was previously associated with the pathogen, but this requires confirmation with additional data. If this is confirmed, this would be the first time, to my knowledge, that pathogen avoidance learning is reported in an insect. The detrimental effect of infection on cognition and more specifically on learning ability is well documented in vertebrates and in social insects. While the underlying mechanisms are described in detail in vertebrates, experimental investigations are lacking in invertebrates. In a second part of my PhD, I tested the effect of an oral infection with natural pathogens on associative learning of D. melanogaster. By contrast with previous studies in insects, I found that flies orally infected with the virulent P. entomophila learned better the association of an odorant with mechanical shock than uninfected flies. The effect seems to be specific to a gut infection, and so far I have not been able to draw conclusions on the respective contributions of the pathogen's virulence and of the flies' immune activity in this effect. Interestingly, infected flies may display an increased sensitivity to physical pain. If the learning improvement observed in infected flies was due partially to the activity of the immune system, my results would suggest the existence of physiological connections between the immune system and the nervous system. The basis of these connections would then need to be addressed. Learning and immunity are linked at the physiological level in social insects. Physiological links between traits often result from the expression of genetic links between these traits. However, in social insects, there is no evidence that learning and immunity may be involved in an evolutionary trade-off. I previously reported a positive effect of infection on learning in D. melanogaster. This might suggest that a positive genetic link could exist between learning and immunity. We tested this hypothesis with two approaches: the diallel cross design with inbred lines, and the isofemale lines design. The two approaches provided consistent results: we found no additive genetic correlation between learning and resistance to infection with the diallel cross, and no genetic correlation in flies which are not yet adapted to laboratory conditions in isofemale lines. Consistently with the literature, the two studies suggested that the positive effect of infection on learning I observed might not be reflected by a positive evolutionary link between learning and immunity. Nevertheless, the existence of complex genetic relationships between the two traits cannot be excluded. - L'apprentissage et l'immunité sont deux caractères à valeur adaptative impliqués dans des aspects centraux de la vie d'un organisme : l'apprentissage permet d'ajuster les comportements pour faire face aux changements de l'environnement, tandis que l'immunité protège l'intégrité corporelle contre les attaques des parasites et des pathogènes. Alors que les interactions entre l'apprentissage et l'immunité sont bien documentées chez les vertébrés, ces interactions ont été très peu étudiées chez les insectes. Pendant ma thèse, je me suis intéressée à trois aspects des interactions possibles entre l'apprentissage et l'immunité chez la mouche du vinaigre Drosophila melanogaster, qui est un organisme modèle dans l'étude à la fois de l'apprentissage et de l'immunité. L'apprentissage peut affecter les défenses comportementales contre les parasites et les pathogènes par l'acquisition de nouvelles aversions pour la nourriture contaminée par exemple. Ce type d'apprentissage repose sur la capacité à associer une caractéristique de la nourriture avec la maladie qui suit l'ingestion de cette nourriture. Malgré les implications potentielles pour la prévention des infections, l'évitement appris des pathogènes a été rarement étudié chez les invertébrés. Dans une première partie de ma thèse, j'ai testé si les mouches, qui se nourrissent sur des milieux enrichis en micro-organismes, évitent de façon innée un 'nouveau' pathogène virulent Pseudomonas entomophila, et si elles ont la capacité d'apprendre à l'éviter. Bien que les mouches ne montrent pas d'évitement inné pour ce pathogène, elles diminuent leur préférence pour de la nourriture contaminée dans le temps, suggérant l'existence d'une forme d'apprentissage basée vraisemblablement sur la maladie générée par l'infection. J'ai ensuite observé que les mouches semblent être capables d'apprendre à éviter une odeur qui était au préalable associée avec ce pathogène, mais cela reste à confirmer par la collecte de données supplémentaires. Si cette observation est confirmée, cela sera la première fois, à ma connaissance, que l'évitement appris des pathogènes est décrit chez un insecte. L'effet détrimental des infections sur la cognition et plus particulièrement sur les capacités d'apprentissage est bien documenté chez les vertébrés et les insectes sociaux. Alors que les mécanismes sous-jacents sont détaillés chez les vertébrés, des études expérimentales font défaut chez les insectes. Dans une seconde partie de ma thèse, j'ai mesuré les effets d'une infection orale par des pathogènes naturels sur les capacités d'apprentissage associatif de la drosophile. Contrairement aux études précédentes chez les insectes, j'ai trouvé que les mouches infectées par le pathogène virulent P. entomophila apprennent mieux à associer une odeur avec des chocs mécaniques que des mouches non infectées. Cet effet semble spécifique à l'infection orale, et jusqu'à présent je n'ai pas pu conclure sur les contributions respectives de la virulence du pathogène et de l'activité immunitaire des mouches dans cet effet. De façon intéressante, les mouches infectées pourraient montrer une plus grande réactivité à la douleur physique. Si l'amélioration de l'apprentissage observée chez les mouches infectées était due en partie à l'activité du système immunitaire, mes résultats suggéreraient l'existence de connections physiologiques entre le système immunitaire et le système nerveux. Les mécanismes de ces connections seraient à explorer. L'apprentissage et l'immunité sont liés sur un plan physiologique chez les insectes sociaux. Les liens physiologiques entre les caractères résultent souvent de l'expression de liens entre ces caractères au niveau génétique. Cependant, chez les insectes sociaux, il n'y a pas de preuve que l'apprentissage et l'immunité soient liés par un compromis évolutif. J'ai précédemment rapporté un effet positif de l'infection sur l'apprentissage chez la drosophile. Cela pourrait suggérer qu'une relation génétique positive existerait entre l'apprentissage et l'immunité. Nous avons testé cette hypothèse par deux approches : le croisement diallèle avec des lignées consanguines, et les lignées isofemelles. Les deux approches ont fournies des résultats similaires : nous n'avons pas détecté de corrélation génétique additive entre l'apprentissage et la résistance à l'infection avec le croisement diallèle, et pas de corrélation génétique chez des mouches non adaptées aux conditions de laboratoire avec les lignées isofemelles. En ligne avec la littérature, ces deux études suggèrent que l'effet positif de l'infection sur l'apprentissage que j'ai précédemment observé ne refléterait pas un lien évolutif positif entre l'apprentissage et l'immunité. Néanmoins, l'existence de relations génétiques complexes n'est pas exclue.

Activity in inferior parietal and medial prefrontal cortex signals the accumulation of evidence in a probability learning task.

In an uncertain environment, probabilities are key to predicting future events and making adaptive choices. However, little is known about how humans learn such probabilities and where and how they are encoded in the brain, especially when they concern more than two outcomes. During functional magnetic resonance imaging (fMRI), young adults learned the probabilities of uncertain stimuli through repetitive sampling. Stimuli represented payoffs and participants had to predict their occurrence to maximize their earnings. Choices indicated loss and risk aversion but unbiased estimation of probabilities. BOLD response in medial prefrontal cortex and angular gyri increased linearly with the probability of the currently observed stimulus, untainted by its value. Connectivity analyses during rest and task revealed that these regions belonged to the default mode network. The activation of past outcomes in memory is evoked as a possible mechanism to explain the engagement of the default mode network in probability learning. A BOLD response relating to value was detected only at decision time, mainly in striatum. It is concluded that activity in inferior parietal and medial prefrontal cortex reflects the amount of evidence accumulated in favor of competing and uncertain outcomes.