Advanced mapping of environmental data: Geostatistics, Machine Learning and Bayesian Maximum Entropy

This book combines geostatistics and global mapping systems to present an up-to-the-minute study of environmental data. Featuring numerous case studies, the reference covers model dependent (geostatistics) and data driven (machine learning algorithms) analysis techniques such as risk mapping, conditional stochastic simulations, descriptions of spatial uncertainty and variability, artificial neural networks (ANN) for spatial data, Bayesian maximum entropy (BME), and more.

High number of CD56(bright) NK-cells and persistently low CD4+ T-cells in a hemophiliac HIV/HCV co-infected patient without opportunistic infections.

BACKGROUND: Both the human immunodeficiency virus (HIV) and hepatitis C virus (HCV), either alone or as coinfections, persist in their hosts by destroying and/or escaping immune defenses, with high morbidity as consequence. In some cases, however, a balance between infection and immunity is reached, leading to prolonged asymptomatic periods. We report a case of such an indolent co-infection, which could be explained by the development of a peculiar subset of Natural Killer (NK) cells. RESULTS: Persistently high peripheral levels of CD56+ NK cells were observed in a peculiar hemophiliac HIV/HCV co-infected patient with low CD4 counts, almost undetectable HIV viral load and no opportunistic infections. Thorough analysis of NK-subsets allowed to identify a marked increase in the CD56bright/dim cell ratio and low numbers of CD16+/CD56- cells. These cells have high levels of natural cytotoxicity receptors but low NCR2 and CD69, and lack both CD57 and CD25 expression. The degranulation potential of NK-cells which correlates with target cytolysis was atypically mainly performed by CD56bright NK-cells, whereas no production of interferon γ (IFN-γ) was observed following NK activation by K562 cells. CONCLUSIONS: These data suggest that the expansion and lytic capacity of the CD56bright NK subset may be involved in the protection of this « rare » HIV/HCV co-infected hemophiliac A patient from opportunistic infections and virus-related cancers despite very low CD4+ cell counts.

Functional mapping of the human visual cortex with intravoxel incoherent motion MRI.

Functional imaging with intravoxel incoherent motion (IVIM) magnetic resonance imaging (MRI) is demonstrated. Images were acquired at 3 Tesla using a standard Stejskal-Tanner diffusion-weighted echo-planar imaging sequence with multiple b-values. Cerebro-spinal fluid signal, which is highly incoherent, was suppressed with an inversion recovery preparation pulse. IVIM microvascular perfusion parameters were calculated according to a two-compartment (vascular and non-vascular) diffusion model. The results obtained in 8 healthy human volunteers during visual stimulation are presented. The IVIM blood flow related parameter fD* increased 170% during stimulation in the visual cortex, and 70% in the underlying white matter.

Gene expression mapping in neuropathic pain : molecular plasticity in nociceptors and superficial dorsal horn

RESUME : La douleur neuropathique est le résultat d'une lésion ou d'un dysfonctionnement du système nerveux. Les symptômes qui suivent la douleur neuropathique sont sévères et leur traitement inefficace. Une meilleure approche thérapeutique peut être proposée en se basant sur les mécanismes pathologiques de la douleur neuropathique. Lors d'une lésion périphérique une douleur neuropathique peut se développer et affecter le territoire des nerfs lésés mais aussi les territoires adjacents des nerfs non-lésés. Une hyperexcitabilité des neurones apparaît au niveau des ganglions spinaux (DRG) et de la corne dorsale (DH) de la moelle épinière. Le but de ce travail consiste à mettre en évidence les modifications moléculaires associées aux nocicepteurs lésés et non-lésés au niveau des DRG et des laminae I et II de la corne dorsale, là où l'information nociceptive est intégrée. Pour étudier les changements moléculaires liés à la douleur neuropathique nous utilisons le modèle animal d'épargne du nerf sural (spared nerve injury model, SNI) une semaine après la lésion. Pour la sélection du tissu d'intérêt nous avons employé la technique de la microdissection au laser, afin de sélectionner une sous-population spécifique de cellules (notamment les nocicepteurs lésés ou non-lésés) mais également de prélever le tissu correspondant dans les laminae superficielles. Ce travail est couplé à l'analyse à large spectre du transcriptome par puce ADN (microarray). Par ailleurs, nous avons étudié les courants électriques et les propriétés biophysiques des canaux sodiques (Na,,ls) dans les neurones lésés et non-lésés des DRG. Aussi bien dans le système nerveux périphérique, entre les neurones lésés et non-lésés, qu'au niveau central avec les aires recevant les projections des nocicepteurs lésés ou non-lésés, l'analyse du transcriptome montre des différences de profil d'expression. En effet, nous avons constaté des changements transcriptionnels importants dans les nocicepteurs lésés (1561 gènes, > 1.5x et pairwise comparaison > 77%) ainsi que dans les laminae correspondantes (618 gènes), alors que ces modifications transcriptionelles sont mineures au niveau des nocicepteurs non-lésés (60 gènes), mais important dans leurs laminae de projection (459 gènes). Au niveau des nocicepteurs, en utilisant la classification par groupes fonctionnels (Gene Ontology), nous avons observé que plusieurs processus biologiques sont modifiés. Ainsi des fonctions telles que la traduction des signaux cellulaires, l'organisation du cytosquelette ainsi que les mécanismes de réponse au stress sont affectés. Par contre dans les neurones non-lésés seuls les processus biologiques liés au métabolisme et au développement sont modifiés. Au niveau de la corne dorsale de la moelle, nous avons observé des modifications importantes des processus immuno-inflammatoires dans l'aire affectée par les nerfs lésés et des changements associés à l'organisation et la transmission synaptique au niveau de l'aire des nerfs non-lésés. L'analyse approfondie des canaux sodiques a démontré plusieurs changements d'expression, principalement dans les neurones lésés. Les analyses fonctionnelles n'indiquent aucune différence entre les densités de courant tétrodotoxine-sensible (TTX-S) dans les neurones lésés et non-lésés même si les niveaux d'expression des ARNm des sous-unités TTX-S sont modifiés dans les neurones lésés. L'inactivation basale dépendante du voltage des canaux tétrodotoxine-insensible (TTX-R) est déplacée vers des potentiels positifs dans les cellules lésées et non-lésées. En revanche la vitesse de récupération des courants TTX-S et TTX-R après inactivation est accélérée dans les neurones lésés. Ces changements pourraient être à l'origine de l'altération de l'activité électrique des neurones sensoriels dans le contexte des douleurs neuropathiques. En résumé, ces résultats suggèrent l'existence de mécanismes différenciés affectant les neurones lésés et les neurones adjacents non-lésés lors de la mise en place la douleur neuropathique. De plus, les changements centraux au niveau de la moelle épinière qui surviennent après lésion sont probablement intégrés différemment selon la perception de signaux des neurones périphériques lésés ou non-lésés. En conclusion, ces modulations complexes et distinctes sont probablement des acteurs essentiels impliqués dans la genèse et la persistance des douleurs neuropathiques. ABSTRACT : Neuropathic pain (NP) results from damage or dysfunction of the peripheral or central nervous system. Symptoms associated with NP are severe and difficult to treat. Targeting NP mechanisms and their translation into symptoms may offer a better therapeutic approach.Hyperexcitability of the peripheral and central nervous system occurs in the dorsal root ganglia (DRG) and the dorsal horn (DH) of the spinal cord. We aimed to identify transcriptional variations in injured and in adjacent non-injured nociceptors as well as in corresponding laminae I and II of DH receiving their inputs.We investigated changes one week after the injury induced by the spared nerve injury model of NP. We employed the laser capture microdissection (LCM) for the procurement of specific cell-types (enrichment in nociceptors of injured/non-injured neurons) and laminae in combination with transcriptional analysis by microarray. In addition, we studied functionál properties and currents of sodium channels (Nav1s) in injured and neighboring non-injured DRG neurons.Microarray analysis at the periphery between injured and non-injured DRG neurons and centrally between the area of central projections from injured and non-injured neurons show significant and differential expression patterns. We reported changes in injured nociceptors (1561 genes, > 1.5 fold, >77% pairwise comparison) and in corresponding DH laminae (618 genes), while less modifications occurred in non-injured nociceptors (60 genes) and in corresponding DH laminae (459 genes). At the periphery, we observed by Gene Ontology the involvement of multiple biological processes in injured neurons such as signal transduction, cytoskeleton organization or stress responses. On contrast, functional overrepresentations in non-injured neurons were noted only in metabolic or developmentally related mechanisms. At the level of superficial laminae of the dorsal horn, we reported changes of immune and inflammatory processes in injured-related DH and changes associated with synaptic organization and transmission in DH corresponding to non-injured neurons. Further transcriptional analysis of Nav1s indicated several changes in injured neurons. Functional analyses of Nav1s have established no difference in tetrodotoxin-sensitive (TTX-S) current densities in both injured and non-injured neurons, despite changes in TTX-S Nav1s subunit mRNA levels. The tetrodotoxin-resistant (TTX-R) voltage dependence of steady state inactivation was shifted to more positive potentials in both injured and non-injured neurons, and the rate of recovery from inactivation of TTX-S and TTX-R currents was accelerated in injured neurons. These changes may lead to alterations in neuronal electrogenesis. Taken together, these findings suggest different mechanisms occurring in the injured neurons and the adjacent non-injured ones. Moreover, central changes after injury are probably driven in a different manner if they receive inputs from injured or non-injured neurons. Together, these distinct and complex modulations may contribute to NP.

Preliminary regional rockfall hazard mapping using LIDAR-based slope frequency distribution and CONEFALL modeling

A factor limiting preliminary rockfall hazard mapping at regional scale is often the lack of knowledge of potential source areas. Nowadays, high resolution topographic data (LiDAR) can account for realistic landscape details even at large scale. With such fine-scale morphological variability, quantitative geomorphometric analyses become a relevant approach for delineating potential rockfall instabilities. Using digital elevation model (DEM)-based ?slope families? concept over areas of similar lithology and cliffs and screes zones available from the 1:25,000 topographic map, a susceptibility rockfall hazard map was drawn up in the canton of Vaud, Switzerland, in order to provide a relevant hazard overview. Slope surfaces over morphometrically-defined thresholds angles were considered as rockfall source zones. 3D modelling (CONEFALL) was then applied on each of the estimated source zones in order to assess the maximum runout length. Comparison with known events and other rockfall hazard assessments are in good agreement, showing that it is possible to assess rockfall activities over large areas from DEM-based parameters and topographical elements.

Maps as risk mitigation tools. Adaptation of the Swiss hazard assessment and mapping methodology to a Moroccan site: Beni Mellal

Dans le contexte climatique actuel, les régions méditerranéennes connaissent une intensification des phénomènes hydrométéorologiques extrêmes. Au Maroc, le risque lié aux inondations est devenu problématique, les communautés étant vulnérables aux événements extrêmes. En effet, le développement économique et urbain rapide et mal maîtrisé augmente l'exposition aux phénomènes extrêmes. La Direction du Développement et de la Coopération suisse (DDC) s'implique activement dans la réduction des risques naturels au Maroc. La cartographie des dangers et son intégration dans l'aménagement du territoire représentent une méthode efficace afin de réduire la vulnérabilité spatiale. Ainsi, la DDC a mandaté ce projet d'adaptation de la méthode suisse de cartographie des dangers à un cas d'étude marocain (la ville de Beni Mellal, région de Tadla-Azilal, Maroc). La méthode suisse a été adaptée aux contraintes spécifiques du terrain (environnement semi-aride, morphologie de piémont) et au contexte de transfert de connaissances (caractéristiques socio-économiques et pratiques). Une carte des phénomènes d'inondations a été produite. Elle contient les témoins morphologiques et les éléments anthropiques pertinents pour le développement et l'aggravation des inondations. La modélisation de la relation pluie-débit pour des événements de référence, et le routage des hydrogrammes de crue ainsi obtenus ont permis d'estimer quantitativement l'aléa inondation. Des données obtenues sur le terrain (estimations de débit, extension de crues connues) ont permis de vérifier les résultats des modèles. Des cartes d'intensité et de probabilité ont été obtenues. Enfin, une carte indicative du danger d'inondation a été produite sur la base de la matrice suisse du danger qui croise l'intensité et la probabilité d'occurrence d'un événement pour obtenir des degrés de danger assignables au territoire étudié. En vue de l'implémentation des cartes de danger dans les documents de l'aménagement du territoire, nous nous intéressons au fonctionnement actuel de la gestion institutionnelle du risque à Beni Mellal, en étudiant le degré d'intégration de la gestion et la manière dont les connaissances sur les risques influencent le processus de gestion. L'analyse montre que la gestion est marquée par une logique de gestion hiérarchique et la priorité des mesures de protection par rapport aux mesures passives d'aménagement du territoire. Les connaissances sur le risque restent sectorielles, souvent déconnectées. L'innovation dans le domaine de la gestion du risque résulte de collaborations horizontales entre les acteurs ou avec des sources de connaissances externes (par exemple les universités). Des recommandations méthodologiques et institutionnelles issues de cette étude ont été adressées aux gestionnaires en vue de l'implémentation des cartes de danger. Plus que des outils de réduction du risque, les cartes de danger aident à transmettre des connaissances vers le public et contribuent ainsi à établir une culture du risque. - Severe rainfall events are thought to be occurring more frequently in semi-arid areas. In Morocco, flood hazard has become an important topic, notably as rapid economic development and high urbanization rates have increased the exposure of people and assets in hazard-prone areas. The Swiss Agency for Development and Cooperation (SADC) is active in natural hazard mitigation in Morocco. As hazard mapping for urban planning is thought to be a sound tool for vulnerability reduction, the SADC has financed a project aimed at adapting the Swiss approach for hazard assessment and mapping to the case of Morocco. In a knowledge transfer context, the Swiss method was adapted to the semi-arid environment, the specific piedmont morphology and to socio-economic constraints particular to the study site. Following the Swiss guidelines, a hydro-geomorphological map was established, containing all geomorphic elements related to known past floods. Next, rainfall / runoff modeling for reference events and hydraulic routing of the obtained hydrographs were carried out in order to assess hazard quantitatively. Field-collected discharge estimations and flood extent for known floods were used to verify the model results. Flood hazard intensity and probability maps were obtained. Finally, an indicative danger map as defined within the Swiss hazard assessment terminology was calculated using the Swiss hazard matrix that convolves flood intensity with its recurrence probability in order to assign flood danger degrees to the concerned territory. Danger maps become effective, as risk mitigation tools, when implemented in urban planning. We focus on how local authorities are involved in the risk management process and how knowledge about risk impacts the management. An institutional vulnerability "map" was established based on individual interviews held with the main institutional actors in flood management. Results show that flood hazard management is defined by uneven actions and relationships, it is based on top-down decision-making patterns, and focus is maintained on active mitigation measures. The institutional actors embody sectorial, often disconnected risk knowledge pools, whose relationships are dictated by the institutional hierarchy. Results show that innovation in the risk management process emerges when actors collaborate despite the established hierarchy or when they open to outer knowledge pools (e.g. the academia). Several methodological and institutional recommendations were addressed to risk management stakeholders in view of potential map implementation to planning. Hazard assessment and mapping is essential to an integrated risk management approach: more than a mitigation tool, danger maps represent tools that allow communicating on hazards and establishing a risk culture.

MP2RAGE, a self bias-field corrected sequence for improved segmentation and T-1-mapping at high field

The large spatial inhomogeneity in transmit B, field (B-1(+)) observable in human MR images at hi h static magnetic fields (B-0) severely impairs image quality. To overcome this effect in brain T-1-weighted images the, MPRAGE sequence was modified to generate two different images at different inversion times MP2RAGE By combining the two images in a novel fashion, it was possible to create T-1-weigthed images where the result image was free of proton density contrast, T-2* contrast, reception bias field, and, to first order transmit field inhomogeneity. MP2RAGE sequence parameters were optimized using Bloch equations to maximize contrast-to-noise ratio per unit of time between brain tissues and minimize the effect of B-1(+) variations through space. Images of high anatomical quality and excellent brain tissue differentiation suitable for applications such as segmentation and voxel-based morphometry were obtained at 3 and 7 T. From such T-1-weighted images, acquired within 12 min, high-resolution 3D T-1 maps were routinely calculated at 7 T with sub-millimeter voxel resolution (0.65-0.85 mm isotropic). T-1 maps were validated in phantom experiments. In humans, the T, values obtained at 7 T were 1.15 +/- 0.06 s for white matter (WM) and 1.92 +/- 0.16 s for grey matter (GM), in good agreement with literature values obtained at lower spatial resolution. At 3 T, where whole-brain acquisitions with 1 mm isotropic voxels were acquired in 8 min the T-1 values obtained (0.81 +/- 0.03 S for WM and 1.35 +/- 0.05 for GM) were once again found to be in very good agreement with values in the literature. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.