Species distribution models for conservation-oriented studies in Switzerland : filling data and tools gaps

SUMMARYSpecies distribution models (SDMs) represent nowadays an essential tool in the research fields of ecology and conservation biology. By combining observations of species occurrence or abundance with information on the environmental characteristic of the observation sites, they can provide information on the ecology of species, predict their distributions across the landscape or extrapolate them to other spatial or time frames. The advent of SDMs, supported by geographic information systems (GIS), new developments in statistical models and constantly increasing computational capacities, has revolutionized the way ecologists can comprehend species distributions in their environment. SDMs have brought the tool that allows describing species realized niches across a multivariate environmental space and predict their spatial distribution. Predictions, in the form of probabilistic maps showing the potential distribution of the species, are an irreplaceable mean to inform every single unit of a territory about its biodiversity potential. SDMs and the corresponding spatial predictions can be used to plan conservation actions for particular species, to design field surveys, to assess the risks related to the spread of invasive species, to select reserve locations and design reserve networks, and ultimately, to forecast distributional changes according to scenarios of climate and/or land use change.By assessing the effect of several factors on model performance and on the accuracy of spatial predictions, this thesis aims at improving techniques and data available for distribution modelling and at providing the best possible information to conservation managers to support their decisions and action plans for the conservation of biodiversity in Switzerland and beyond. Several monitoring programs have been put in place from the national to the global scale, and different sources of data now exist and start to be available to researchers who want to model species distribution. However, because of the lack of means, data are often not gathered at an appropriate resolution, are sampled only over limited areas, are not spatially explicit or do not provide a sound biological information. A typical example of this is data on 'habitat' (sensu biota). Even though this is essential information for an effective conservation planning, it often has to be approximated from land use, the closest available information. Moreover, data are often not sampled according to an established sampling design, which can lead to biased samples and consequently to spurious modelling results. Understanding the sources of variability linked to the different phases of the modelling process and their importance is crucial in order to evaluate the final distribution maps that are to be used for conservation purposes.The research presented in this thesis was essentially conducted within the framework of the Landspot Project, a project supported by the Swiss National Science Foundation. The main goal of the project was to assess the possible contribution of pre-modelled 'habitat' units to model the distribution of animal species, in particular butterfly species, across Switzerland. While pursuing this goal, different aspects of data quality, sampling design and modelling process were addressed and improved, and implications for conservation discussed. The main 'habitat' units considered in this thesis are grassland and forest communities of natural and anthropogenic origin as defined in the typology of habitats for Switzerland. These communities are mainly defined at the phytosociological level of the alliance. For the time being, no comprehensive map of such communities is available at the national scale and at fine resolution. As a first step, it was therefore necessary to create distribution models and maps for these communities across Switzerland and thus to gather and collect the necessary data. In order to reach this first objective, several new developments were necessary such as the definition of expert models, the classification of the Swiss territory in environmental domains, the design of an environmentally stratified sampling of the target vegetation units across Switzerland, the development of a database integrating a decision-support system assisting in the classification of the relevés, and the downscaling of the land use/cover data from 100 m to 25 m resolution.The main contributions of this thesis to the discipline of species distribution modelling (SDM) are assembled in four main scientific papers. In the first, published in Journal of Riogeography different issues related to the modelling process itself are investigated. First is assessed the effect of five different stepwise selection methods on model performance, stability and parsimony, using data of the forest inventory of State of Vaud. In the same paper are also assessed: the effect of weighting absences to ensure a prevalence of 0.5 prior to model calibration; the effect of limiting absences beyond the environmental envelope defined by presences; four different methods for incorporating spatial autocorrelation; and finally, the effect of integrating predictor interactions. Results allowed to specifically enhance the GRASP tool (Generalized Regression Analysis and Spatial Predictions) that now incorporates new selection methods and the possibility of dealing with interactions among predictors as well as spatial autocorrelation. The contribution of different sources of remotely sensed information to species distribution models was also assessed. The second paper (to be submitted) explores the combined effects of sample size and data post-stratification on the accuracy of models using data on grassland distribution across Switzerland collected within the framework of the Landspot project and supplemented with other important vegetation databases. For the stratification of the data, different spatial frameworks were compared. In particular, environmental stratification by Swiss Environmental Domains was compared to geographical stratification either by biogeographic regions or political states (cantons). The third paper (to be submitted) assesses the contribution of pre- modelled vegetation communities to the modelling of fauna. It is a two-steps approach that combines the disciplines of community ecology and spatial ecology and integrates their corresponding concepts of habitat. First are modelled vegetation communities per se and then these 'habitat' units are used in order to model animal species habitat. A case study is presented with grassland communities and butterfly species. Different ways of integrating vegetation information in the models of butterfly distribution were also evaluated. Finally, a glimpse to climate change is given in the fourth paper, recently published in Ecological Modelling. This paper proposes a conceptual framework for analysing range shifts, namely a catalogue of the possible patterns of change in the distribution of a species along elevational or other environmental gradients and an improved quantitative methodology to identify and objectively describe these patterns. The methodology was developed using data from the Swiss national common breeding bird survey and the article presents results concerning the observed shifts in the elevational distribution of breeding birds in Switzerland.The overall objective of this thesis is to improve species distribution models as potential inputs for different conservation tools (e.g. red lists, ecological networks, risk assessment of the spread of invasive species, vulnerability assessment in the context of climate change). While no conservation issues or tools are directly tested in this thesis, the importance of the proposed improvements made in species distribution modelling is discussed in the context of the selection of reserve networks.RESUMELes modèles de distribution d'espèces (SDMs) représentent aujourd'hui un outil essentiel dans les domaines de recherche de l'écologie et de la biologie de la conservation. En combinant les observations de la présence des espèces ou de leur abondance avec des informations sur les caractéristiques environnementales des sites d'observation, ces modèles peuvent fournir des informations sur l'écologie des espèces, prédire leur distribution à travers le paysage ou l'extrapoler dans l'espace et le temps. Le déploiement des SDMs, soutenu par les systèmes d'information géographique (SIG), les nouveaux développements dans les modèles statistiques, ainsi que la constante augmentation des capacités de calcul, a révolutionné la façon dont les écologistes peuvent comprendre la distribution des espèces dans leur environnement. Les SDMs ont apporté l'outil qui permet de décrire la niche réalisée des espèces dans un espace environnemental multivarié et prédire leur distribution spatiale. Les prédictions, sous forme de carte probabilistes montrant la distribution potentielle de l'espèce, sont un moyen irremplaçable d'informer chaque unité du territoire de sa biodiversité potentielle. Les SDMs et les prédictions spatiales correspondantes peuvent être utilisés pour planifier des mesures de conservation pour des espèces particulières, pour concevoir des plans d'échantillonnage, pour évaluer les risques liés à la propagation d'espèces envahissantes, pour choisir l'emplacement de réserves et les mettre en réseau, et finalement, pour prévoir les changements de répartition en fonction de scénarios de changement climatique et/ou d'utilisation du sol. En évaluant l'effet de plusieurs facteurs sur la performance des modèles et sur la précision des prédictions spatiales, cette thèse vise à améliorer les techniques et les données disponibles pour la modélisation de la distribution des espèces et à fournir la meilleure information possible aux gestionnaires pour appuyer leurs décisions et leurs plans d'action pour la conservation de la biodiversité en Suisse et au-delà. Plusieurs programmes de surveillance ont été mis en place de l'échelle nationale à l'échelle globale, et différentes sources de données sont désormais disponibles pour les chercheurs qui veulent modéliser la distribution des espèces. Toutefois, en raison du manque de moyens, les données sont souvent collectées à une résolution inappropriée, sont échantillonnées sur des zones limitées, ne sont pas spatialement explicites ou ne fournissent pas une information écologique suffisante. Un exemple typique est fourni par les données sur 'l'habitat' (sensu biota). Même s'il s'agit d'une information essentielle pour des mesures de conservation efficaces, elle est souvent approximée par l'utilisation du sol, l'information qui s'en approche le plus. En outre, les données ne sont souvent pas échantillonnées selon un plan d'échantillonnage établi, ce qui biaise les échantillons et par conséquent les résultats de la modélisation. Comprendre les sources de variabilité liées aux différentes phases du processus de modélisation s'avère crucial afin d'évaluer l'utilisation des cartes de distribution prédites à des fins de conservation.La recherche présentée dans cette thèse a été essentiellement menée dans le cadre du projet Landspot, un projet soutenu par le Fond National Suisse pour la Recherche. L'objectif principal de ce projet était d'évaluer la contribution d'unités 'd'habitat' pré-modélisées pour modéliser la répartition des espèces animales, notamment de papillons, à travers la Suisse. Tout en poursuivant cet objectif, différents aspects touchant à la qualité des données, au plan d'échantillonnage et au processus de modélisation sont abordés et améliorés, et leurs implications pour la conservation des espèces discutées. Les principaux 'habitats' considérés dans cette thèse sont des communautés de prairie et de forêt d'origine naturelle et anthropique telles que définies dans la typologie des habitats de Suisse. Ces communautés sont principalement définies au niveau phytosociologique de l'alliance. Pour l'instant aucune carte de la distribution de ces communautés n'est disponible à l'échelle nationale et à résolution fine. Dans un premier temps, il a donc été nécessaire de créer des modèles de distribution de ces communautés à travers la Suisse et par conséquent de recueillir les données nécessaires. Afin d'atteindre ce premier objectif, plusieurs nouveaux développements ont été nécessaires, tels que la définition de modèles experts, la classification du territoire suisse en domaines environnementaux, la conception d'un échantillonnage environnementalement stratifié des unités de végétation cibles dans toute la Suisse, la création d'une base de données intégrant un système d'aide à la décision pour la classification des relevés, et le « downscaling » des données de couverture du sol de 100 m à 25 m de résolution. Les principales contributions de cette thèse à la discipline de la modélisation de la distribution d'espèces (SDM) sont rassemblées dans quatre articles scientifiques. Dans le premier article, publié dans le Journal of Biogeography, différentes questions liées au processus de modélisation sont étudiées en utilisant les données de l'inventaire forestier de l'Etat de Vaud. Tout d'abord sont évalués les effets de cinq méthodes de sélection pas-à-pas sur la performance, la stabilité et la parcimonie des modèles. Dans le même article sont également évalués: l'effet de la pondération des absences afin d'assurer une prévalence de 0.5 lors de la calibration du modèle; l'effet de limiter les absences au-delà de l'enveloppe définie par les présences; quatre méthodes différentes pour l'intégration de l'autocorrélation spatiale; et enfin, l'effet de l'intégration d'interactions entre facteurs. Les résultats présentés dans cet article ont permis d'améliorer l'outil GRASP qui intègre désonnais de nouvelles méthodes de sélection et la possibilité de traiter les interactions entre variables explicatives, ainsi que l'autocorrélation spatiale. La contribution de différentes sources de données issues de la télédétection a également été évaluée. Le deuxième article (en voie de soumission) explore les effets combinés de la taille de l'échantillon et de la post-stratification sur le la précision des modèles. Les données utilisées ici sont celles concernant la répartition des prairies de Suisse recueillies dans le cadre du projet Landspot et complétées par d'autres sources. Pour la stratification des données, différents cadres spatiaux ont été comparés. En particulier, la stratification environnementale par les domaines environnementaux de Suisse a été comparée à la stratification géographique par les régions biogéographiques ou par les cantons. Le troisième article (en voie de soumission) évalue la contribution de communautés végétales pré-modélisées à la modélisation de la faune. C'est une approche en deux étapes qui combine les disciplines de l'écologie des communautés et de l'écologie spatiale en intégrant leurs concepts de 'habitat' respectifs. Les communautés végétales sont modélisées d'abord, puis ces unités de 'habitat' sont utilisées pour modéliser les espèces animales. Une étude de cas est présentée avec des communautés prairiales et des espèces de papillons. Différentes façons d'intégrer l'information sur la végétation dans les modèles de répartition des papillons sont évaluées. Enfin, un clin d'oeil aux changements climatiques dans le dernier article, publié dans Ecological Modelling. Cet article propose un cadre conceptuel pour l'analyse des changements dans la distribution des espèces qui comprend notamment un catalogue des différentes formes possibles de changement le long d'un gradient d'élévation ou autre gradient environnemental, et une méthode quantitative améliorée pour identifier et décrire ces déplacements. Cette méthodologie a été développée en utilisant des données issues du monitoring des oiseaux nicheurs répandus et l'article présente les résultats concernant les déplacements observés dans la distribution altitudinale des oiseaux nicheurs en Suisse.L'objectif général de cette thèse est d'améliorer les modèles de distribution des espèces en tant que source d'information possible pour les différents outils de conservation (par exemple, listes rouges, réseaux écologiques, évaluation des risques de propagation d'espèces envahissantes, évaluation de la vulnérabilité des espèces dans le contexte de changement climatique). Bien que ces questions de conservation ne soient pas directement testées dans cette thèse, l'importance des améliorations proposées pour la modélisation de la distribution des espèces est discutée à la fin de ce travail dans le contexte de la sélection de réseaux de réserves.

Evaluating the ability of habitat suitability models to predict species presences.

Models predicting species spatial distribution are increasingly applied to wildlife management issues, emphasising the need for reliable methods to evaluate the accuracy of their predictions. As many available datasets (e.g. museums, herbariums, atlas) do not provide reliable information about species absences, several presence-only based analyses have been developed. However, methods to evaluate the accuracy of their predictions are few and have never been validated. The aim of this paper is to compare existing and new presenceonly evaluators to usual presence/absence measures. We use a reliable, diverse, presence/absence dataset of 114 plant species to test how common presence/absence indices (Kappa, MaxKappa, AUC, adjusted D-2) compare to presenceonly measures (AVI, CVI, Boyce index) for evaluating generalised linear models (GLM). Moreover we propose a new, threshold-independent evaluator, which we call "continuous Boyce index". All indices were implemented in the B10MAPPER software. We show that the presence-only evaluators are fairly correlated (p > 0.7) to the presence/absence ones. The Boyce indices are closer to AUC than to MaxKappa and are fairly insensitive to species prevalence. In addition, the Boyce indices provide predicted-toexpected ratio curves that offer further insights into the model quality: robustness, habitat suitability resolution and deviation from randomness. This information helps reclassifying predicted maps into meaningful habitat suitability classes. The continuous Boyce index is thus both a complement to usual evaluation of presence/absence models and a reliable measure of presence-only based predictions.

Sensitivity of predictive species distribution models to change in grain size

Predictive species distribution modelling (SDM) has become an essential tool in biodiversity conservation and management. The choice of grain size (resolution) of environmental layers used in modelling is one important factor that may affect predictions. We applied 10 distinct modelling techniques to presence-only data for 50 species in five different regions, to test whether: (1) a 10-fold coarsening of resolution affects predictive performance of SDMs, and (2) any observed effects are dependent on the type of region, modelling technique, or species considered. Results show that a 10 times change in grain size does not severely affect predictions from species distribution models. The overall trend is towards degradation of model performance, but improvement can also be observed. Changing grain size does not equally affect models across regions, techniques, and species types. The strongest effect is on regions and species types, with tree species in the data sets (regions) with highest locational accuracy being most affected. Changing grain size had little influence on the ranking of techniques: boosted regression trees remain best at both resolutions. The number of occurrences used for model training had an important effect, with larger sample sizes resulting in better models, which tended to be more sensitive to grain. Effect of grain change was only noticeable for models reaching sufficient performance and/or with initial data that have an intrinsic error smaller than the coarser grain size.

Evaluation of tumor vascularisation in two rat sarcoma models for studying isolated lung perfusion : Injection route determines the origin of tumour vessels

Résumé Introduction: La perfusion isolée cytostatique du poumon est une technique attractive qui permet l'administration des doses élevées d'un agent cytostatique tout en épargnant dans la mesure du possible la circulation systémique. Cependant, la perfusion de l'artère pulmonaire risque d'épargner le territoire pulmonaire vascularisé par l'intermédiaire des artères bronchiques, ce qui pourrait diminuer l'efficacité de ce traitement au cas où la lésion ciblée est vascularisée par les artères bronchiques. Ce travail est destiné au développement d'un modèle tumoral au niveau des poumons de rongeur (rat) porteur d'un sarcome pulmonaire afin de déterminer si la voie d'injection des cellules tumorales (intraveineuse, versus intratumorale) influencera la vascularisation des tumeurs (provenant du système artères pulmonaires ou artères bronchiques). Méthod: Des tumeurs de sarcomes pulmonaires ont été générées par injection d'une suspension cellulaire de sarcome, soit par injection intraveineuse, soit directement dans le parenchyme pulmonaire par thoracotomie. Ensuite, une perfusion isolée du poumon porteur de la tumeur à l'aide de l'encre a été effectuée, soit par l'artère pulmonaire, soit par le système des artères bronchiques. La distribution de l'encre dans les vaisseaux tumoraux ainsi que dans les vaisseaux non tumoraux du poumon adjacent a été investiguée à l'aide d'une analyse histologique des poumons perfusés. Résultat: L'administration intraveineuse et intratumorale de la suspension de cellules tumorales résulte en des tumeurs similaires sur le plan histologique. Néanmoins, l'injection intra-parenchymateuse démontre des tumeurs plus homogènes et avec un développement plus prédictible, était associée à une survie plus longue qu'après injection intraveineuse. Les analyses histologiques après perfusion isolée à l'aide de l'encre démontre que les tumeurs résultant de l'injection intraveineuse ont développé une vascularisation se basant sur le système d'artères pulmonaires tandis que les tumeurs émergeant après injection intraparenchymateuse ont développé une vascularisation provenant du système des artères bronchiques. Conclusion: Ce travail démontre pour la première fois l'importance du mode de génération de tumeurs pulmonaires en ce qui concerne leur future vascularisation, ce qui pourrait avoir un impact sur leur traitement par perfusion isolée du poumon. Abstract Isolated cytostatic lung perfusion (ILP) is an attractive technique allowing delivery of a high-dose of cytostatic agents to the lungs while limiting systemic toxicity. In developing a rat model of ILP, we have analysed the effect of the route of tumour cell injection on the source of tumour vessels. Pulmonary sarcomas were estab¬lished by injecting a sarcoma cell suspension either by the intravenous (i.v.) route or directly into the lung paren¬chyma. Ink perfusion through either pulmonary artery (PA) or bronchial arteries (BA) was performed and the characteristics of the tumour deposits defined. i.v. and direct injection methods induced pulmonary sarcoma nodules, with similar histological features. The intraparenchymal injection of tumour cells resulted in more reli¬able and reproducible tumour growth and was associat¬ed with a longer survival of the animals. i.v. injected tumours developed a PA-derived vascular tree whereas directly injected tumours developed a BA-derived vasculature.

Binary classification of dyslipidemia from the waist-to-hip ratio and body mass index: a comparison of linear, logistic, and CART models.

BACKGROUND: We sought to improve upon previously published statistical modeling strategies for binary classification of dyslipidemia for general population screening purposes based on the waist-to-hip circumference ratio and body mass index anthropometric measurements. METHODS: Study subjects were participants in WHO-MONICA population-based surveys conducted in two Swiss regions. Outcome variables were based on the total serum cholesterol to high density lipoprotein cholesterol ratio. The other potential predictor variables were gender, age, current cigarette smoking, and hypertension. The models investigated were: (i) linear regression; (ii) logistic classification; (iii) regression trees; (iv) classification trees (iii and iv are collectively known as "CART"). Binary classification performance of the region-specific models was externally validated by classifying the subjects from the other region. RESULTS: Waist-to-hip circumference ratio and body mass index remained modest predictors of dyslipidemia. Correct classification rates for all models were 60-80%, with marked gender differences. Gender-specific models provided only small gains in classification. The external validations provided assurance about the stability of the models. CONCLUSIONS: There were no striking differences between either the algebraic (i, ii) vs. non-algebraic (iii, iv), or the regression (i, iii) vs. classification (ii, iv) modeling approaches. Anticipated advantages of the CART vs. simple additive linear and logistic models were less than expected in this particular application with a relatively small set of predictor variables. CART models may be more useful when considering main effects and interactions between larger sets of predictor variables.

The serine repeat antigen (SERA) gene family phylogeny in Plasmodium: the impact of GC content and reconciliation of gene and species trees.

Plasmodium falciparum is the parasite responsible for the most acute form of malaria in humans. Recently, the serine repeat antigen (SERA) in P. falciparum has attracted attention as a potential vaccine and drug target, and it has been shown to be a member of a large gene family. To clarify the relationships among the numerous P. falciparum SERAs and to identify orthologs to SERA5 and SERA6 in Plasmodium species affecting rodents, gene trees were inferred from nucleotide and amino acid sequence data for 33 putative SERA homologs in seven different species. (A distance method for nucleotide sequences that is specifically designed to accommodate differing GC content yielded results that were largely compatible with the amino acid tree. Standard-distance and maximum-likelihood methods for nucleotide sequences, on the other hand, yielded gene trees that differed in important respects.) To infer the pattern of duplication, speciation, and gene loss events in the SERA gene family history, the resulting gene trees were then "reconciled" with two competing Plasmodium species tree topologies that have been identified by previous phylogenetic studies. Parsimony of reconciliation was used as a criterion for selecting a gene tree/species tree pair and provided (1) support for one of the two species trees and for the core topology of the amino acid-derived gene tree, (2) a basis for critiquing fine detail in a poorly resolved region of the gene tree, (3) a set of predicted "missing genes" in some species, (4) clarification of the relationship among the P. falciparum SERA, and (5) some information about SERA5 and SERA6 orthologs in the rodent malaria parasites. Parsimony of reconciliation and a second criterion--implied mutational pattern at two key active sites in the SERA proteins-were also seen to be useful supplements to standard "bootstrap" analysis for inferred topologies.

Incompletely resolved phylogenetic trees inflate estimates of phylogenetic conservatism.

The tendency for more closely related species to share similar traits and ecological strategies can be explained by their longer shared evolutionary histories and represents phylogenetic conservatism. How strongly species traits co-vary with phylogeny can significantly impact how we analyze cross-species data and can influence our interpretation of assembly rules in the rapidly expanding field of community phylogenetics. Phylogenetic conservatism is typically quantified by analyzing the distribution of species values on the phylogenetic tree that connects them. Many phylogenetic approaches, however, assume a completely sampled phylogeny: while we have good estimates of deeper phylogenetic relationships for many species-rich groups, such as birds and flowering plants, we often lack information on more recent interspecific relationships (i.e., within a genus). A common solution has been to represent these relationships as polytomies on trees using taxonomy as a guide. Here we show that such trees can dramatically inflate estimates of phylogenetic conservatism quantified using S. P. Blomberg et al.'s K statistic. Using simulations, we show that even randomly generated traits can appear to be phylogenetically conserved on poorly resolved trees. We provide a simple rarefaction-based solution that can reliably retrieve unbiased estimates of K, and we illustrate our method using data on first flowering times from Thoreau's woods (Concord, Massachusetts, USA).

New genetic models and mesenchymal cells as tools to ameliorate anti-tumor immunity

Résumé Le but final de ce projet est d'utiliser des cellules T ou des cellules souches mésenchymateuses modifiées génétiquement afin de surexprimer localement les deux chémokines CXCL13 et CCL2 ensemble ou chacune séparément à l'intérieur d'une tumeur solide. CXCL13 est supposé induire des structures lymphoïdes ectopiques. Un niveau élevé de CCL2 est présumé initier une inflammation aiguë. La combinaison des deux effets amène à un nouveau modèle d'étude des mécanismes régulateur de la tolérance périphérique et de l'immunité tumorale. Les connaissances acquises grâce à ce modèle pourraient permettre le développement ou l'amélioration des thérapies immunes du cancer. Le but premier de ce travail a été l'établissement d'un modèle génétique de la souris permettant d'exprimer spécifiquement dans la tumeur les deux chémokines d'intérêt à des niveaux élevés. Pour accomplir cette tâche, qui est en fait une thérapie génétique de tumeurs solides, deux types de cellules porteuses potentielles ont été évaluées. Des cellules CD8+ T et des cellules mésenchymateuses de la moelle osseuse transférées dans des receveurs portant une tumeur. Si on pouvait répondre aux besoins de la thérapie génétique, indépendamment de la thérapie immune envisagée, on posséderait là un outil précieux pour bien d'autres approches thérapeutiques. Plusieurs lignées de souris transgéniques ont été générées comme source de cellules CD8+ T modifiées afin d'exprimer les chémokines d'intérêt. Dans une approche doublement transgénique les propriétés de deux promoteurs spécifiques de cellules T ont été combinées en utilisant la technologie Cre-loxP. Le promoteur de granzyme B confère une dépendance d'activation et le promoteur distal de lck assure une forte expression constitutive dès que les cellules CD8+ T ont été activées. Les transgènes construits ont montré une bonne performance in vivo et des souris qui expriment CCL2 dans des cellules CD8+ T activées ont été obtenues. Ces cellules peuvent maintenant être utilisées avec différents protocoles pour transférer des cellules T cytotoxiques (CTL) dans des receveurs porteur d'une tumeur, permettant ainsi d'évaluer leur capacité en tant que porteuse de chémokine d'infiltrer la tumeur. L'établissement de souris transgéniques, qui expriment pareillement CXCL13 est prévu dans un avenir proche. L'évaluation de cellules mésenchymateuses de la moelle osseuse a démontré que ces cellules se greffent efficacement dans le stroma tumoral suite à la co-injection avec des cellules tumorales. Cela représente un outil précieux pour la recherche, vu qu'il permet d'introduire des cellules manipulées dans un modèle tumoral. Les résultats confirment partiellement d'autres résultats rapportés dans un modèle amélioré. Cependant, l'efficacité et la spécificité suggérées de la migration systémique de cellules mésenchymateuses de la moelle osseuse dans une tumeur n'ont pas été observées dans notre modèle, ce qui indique, que ces cellules ne se prêtent pas à une utilisation thérapeutique. Un autre résultat majeur de ce travail est l'établissement de cultures de cellules mésenchymateuses de la moelle osseuse in vitro conditionnées par des tumeurs, ce qui a permis à ces cellules de s'étendre plus rapidement en gardant leur capacité de migration et de greffe. Cela offre un autre outil précieux, vu que la culture in vitro est un pas nécessaire pour une manipulation thérapeutique. Abstract The ultimate aim of the presented project is to use genetically modified T cells or mesenchymal stem cells to locally overexpress the two chemokines CXCL13 and CCL2 together or each one alone inside a solid tumor. CXCL13 is supposed to induce ectopic lymphoid structures and a high level of CCL2 is intended to trigger acute inflamation. The combination of these two effects represents a new model for studying mechanisms that regulate peripheral tolerance and tumor immunity. Gained insights may help developing or improving immunotherapy of cancer. The primary goal of the executed work was the establishment of a genetic mouse model that allows tumor-specific expression of high levels of the two chemokines of interest. For accomplishing this task, which represents gene therapy of solid tumors, two types of potentially useful carrier cells were evaluated. CD8+ T cells and mesenchymal bone marrow cells to be used in adoptive cell transfers into tumor-bearing mice. Irrespectively of the envisaged immunotherapy, satisfaction of so far unmet needs of gene therapy would be a highly valuable tool that may be employed by many other therapeutic approaches, too. Several transgenic mouse lines were generated as a source of CD8+ T cells modified to express the chemokines of interest. In a double transgenic approach the properties of two T cell-specific promoters were combined using Cre-loxP technology. The granzyme B promoter confers activation-dependency and the lck distal promoter assures strong constitutive expression once the CD8+ T cell has been activated. The constructed transgenes showed a good performance in vivo and mice expressing CCL2 in activated CD8+ T cells were obtained. These cells can now be used with different protocols for adoptively transferring cytotoxic T cells (CTL) into tumor-bearing recipients, thus allowing to study their capacity as tumor-infiltrating chemokine carrier. The establishment of transgenic mice likewisely expressing CXCL13 is expected in the near future. In addition, T cells from generated single transgenic mice that have high expression of an EGFP reporter in both CD4+ and CD8+ cells can be easily traced in vivo when setting up adoptive transfer conditions. The evaluation of mesenchymal bone marrow cells demonstrated that these cells can efficiently engraft into tumor stroma upon local coinjection with tumor cells. This represents a valuable tool for research purposes as it allows to introduce manipulated stromal cells into a tumor model. Therefore, the established engraftment model is suited for studying the envisaged immunotherapy. These results confirm to some extend previously reported results in an improved model, however, the suggested systemic tumor homing efficiency and specificity of mesenchymal bone marrow cells was not observed in our model indicating that these cells may not be suited for therapeutic use. Another major result of the presented work is the establishment oftumor-conditioned in vitro culture of mesenchymal bone marrow cells, which allowed to more rapidly expand these cells while maintaining their tumor homing and engrafting capacities. This offers another valuable tool as in vitro culture is a necessary step for therapeutic manipulations.

Redox dysregulation in the pathophysiology of schizophrenia and bipolar disorder: insights from animal models.

Abstract Significance: Schizophrenia (SZ) and bipolar disorder (BD) are classified as two distinct diseases. However, accumulating evidence shows that both disorders share genetic, pathological, and epidemiological characteristics. Based on genetic and functional findings, redox dysregulation due to an imbalance between pro-oxidants and antioxidant defense mechanisms has been proposed as a risk factor contributing to their pathophysiology. Recent Advances: Altered antioxidant systems and signs of increased oxidative stress are observed in peripheral tissues and brains of SZ and BD patients, including abnormal prefrontal levels of glutathione (GSH), the major cellular redox regulator and antioxidant. Here we review experimental data from rodent models demonstrating that permanent as well as transient GSH deficit results in behavioral, morphological, electrophysiological, and neurochemical alterations analogous to pathologies observed in patients. Mice with GSH deficit display increased stress reactivity, altered social behavior, impaired prepulse inhibition, and exaggerated locomotor responses to psychostimulant injection. These behavioral changes are accompanied by N-methyl-D-aspartate receptor hypofunction, elevated glutamate levels, impairment of parvalbumin GABA interneurons, abnormal neuronal synchronization, altered dopamine neurotransmission, and deficient myelination. Critical Issues: Treatment with the GSH precursor and antioxidant N-acetylcysteine normalizes some of those deficits in mice, but also improves SZ and BD symptoms when given as adjunct to antipsychotic medication. Future Directions: These data demonstrate the usefulness of GSH-deficient rodent models to identify the mechanisms by which a redox imbalance could contribute to the development of SZ and BD pathophysiologies, and to develop novel therapeutic approaches based on antioxidant and redox regulator compounds. Antioxid. Redox Signal. 18, 1428-1443.

Generalized linear and generalized additive models in studies of species distributions: setting the scene

An important statistical development of the last 30 years has been the advance in regression analysis provided by generalized linear models (GLMs) and generalized additive models (GAMs). Here we introduce a series of papers prepared within the framework of an international workshop entitled: Advances in GLMs/GAMs modeling: from species distribution to environmental management, held in Riederalp, Switzerland, 6-11 August 2001.We first discuss some general uses of statistical models in ecology, as well as provide a short review of several key examples of the use of GLMs and GAMs in ecological modeling efforts. We next present an overview of GLMs and GAMs, and discuss some of their related statistics used for predictor selection, model diagnostics, and evaluation. Included is a discussion of several new approaches applicable to GLMs and GAMs, such as ridge regression, an alternative to stepwise selection of predictors, and methods for the identification of interactions by a combined use of regression trees and several other approaches. We close with an overview of the papers and how we feel they advance our understanding of their application to ecological modeling.

Towards robust network based complex systems : from evolutionary cellular automata to biological models

Abstract Sitting between your past and your future doesn't mean you are in the present. Dakota Skye Complex systems science is an interdisciplinary field grouping under the same umbrella dynamical phenomena from social, natural or mathematical sciences. The emergence of a higher order organization or behavior, transcending that expected of the linear addition of the parts, is a key factor shared by all these systems. Most complex systems can be modeled as networks that represent the interactions amongst the system's components. In addition to the actual nature of the part's interactions, the intrinsic topological structure of underlying network is believed to play a crucial role in the remarkable emergent behaviors exhibited by the systems. Moreover, the topology is also a key a factor to explain the extraordinary flexibility and resilience to perturbations when applied to transmission and diffusion phenomena. In this work, we study the effect of different network structures on the performance and on the fault tolerance of systems in two different contexts. In the first part, we study cellular automata, which are a simple paradigm for distributed computation. Cellular automata are made of basic Boolean computational units, the cells; relying on simple rules and information from- the surrounding cells to perform a global task. The limited visibility of the cells can be modeled as a network, where interactions amongst cells are governed by an underlying structure, usually a regular one. In order to increase the performance of cellular automata, we chose to change its topology. We applied computational principles inspired by Darwinian evolution, called evolutionary algorithms, to alter the system's topological structure starting from either a regular or a random one. The outcome is remarkable, as the resulting topologies find themselves sharing properties of both regular and random network, and display similitudes Watts-Strogtz's small-world network found in social systems. Moreover, the performance and tolerance to probabilistic faults of our small-world like cellular automata surpasses that of regular ones. In the second part, we use the context of biological genetic regulatory networks and, in particular, Kauffman's random Boolean networks model. In some ways, this model is close to cellular automata, although is not expected to perform any task. Instead, it simulates the time-evolution of genetic regulation within living organisms under strict conditions. The original model, though very attractive by it's simplicity, suffered from important shortcomings unveiled by the recent advances in genetics and biology. We propose to use these new discoveries to improve the original model. Firstly, we have used artificial topologies believed to be closer to that of gene regulatory networks. We have also studied actual biological organisms, and used parts of their genetic regulatory networks in our models. Secondly, we have addressed the improbable full synchronicity of the event taking place on. Boolean networks and proposed a more biologically plausible cascading scheme. Finally, we tackled the actual Boolean functions of the model, i.e. the specifics of how genes activate according to the activity of upstream genes, and presented a new update function that takes into account the actual promoting and repressing effects of one gene on another. Our improved models demonstrate the expected, biologically sound, behavior of previous GRN model, yet with superior resistance to perturbations. We believe they are one step closer to the biological reality.

Méthodes sismiques actives adaptées à l'étude de milieux hétérogènes : application aux glissements de terrain

Résumé Les glissements de terrain représentent un des principaux risques naturels dans les régions montagneuses. En Suisse, chaque année les glissements de terrains causent des dégâts qui affectent les infrastructures et ont des coûts financiers importants. Une bonne compréhension des mécanismes des glissements peut permettre d'atténuer leur impact. Celle-ci passe notamment par la connaissance de la structure interne du glissement, la détermination de son volume et de son ou ses plans de glissement. Dans un glissement de terrain, la désorganisation et la présence de fractures dans le matériel déplacé engendre un changement des paramètres physiques et en particulier une diminution des vitesses de propagation des ondes sismiques ainsi que de la densité du matériel. Les méthodes sismiques sont de ce fait bien adaptées à l'étude des glissements de terrain. Parmi les méthodes sismiques, l'analyse de la dispersion des ondes de surface est une méthode simple à mettre en oeuvre. Elle présente l'avantage d'estimer les variations des vitesses de cisaillement avec la profondeur sans avoir spécifiquement recours à l'utilisation d'une source d'onde S et de géophones horizontaux. Sa mise en oeuvre en trois étapes implique la mesure de la dispersion des ondes de surface sur des réseaux étendus, la détermination des courbes de dispersion pour finir par l'inversion de ces courbes. Les modèles de vitesse obtenus à partir de cette procédure ne sont valides que lorsque les milieux explorés ne présentent pas de variations latérales. En pratique cette hypothèse est rarement vérifiée, notamment pour un glissement de terrain dans lequel les couches remaniées sont susceptibles de présenter de fortes hétérogénéités latérales. Pour évaluer la possibilité de déterminer des courbes de dispersion à partir de réseaux de faible extension des mesures testes ont été effectuées sur un site (Arnex, VD) équipé d'un forage. Un profil sismique de 190 m de long a été implanté dans une vallée creusée dans du calcaire et remplie par des dépôts glacio-lacustres d'une trentaine de mètres d'épaisseur. Les données acquises le long de ce profil ont confirmé que la présence de variations latérales sous le réseau de géophones affecte l'allure des courbes de dispersion jusqu'à parfois empêcher leur détermination. Pour utiliser l'analyse de la dispersion des ondes de surface sur des sites présentant des variations latérales, notre approche consiste à déterminer les courbes de dispersions pour une série de réseaux de faible extension, à inverser chacune des courbes et à interpoler les différents modèles de vitesse obtenus. Le choix de la position ainsi que de l'extension des différents réseaux de géophones est important. Il tient compte de la localisation des hétérogénéités détectées à partir de l'analyse de sismique réfraction, mais également d'anomalies d'amplitudes observées sur des cartes qui représentent dans le domaine position de tir - position du récepteur, l'amplitude mesurée pour différentes fréquences. La procédure proposée par Lin et Lin (2007) s'est avérée être une méthode efficace permettant de déterminer des courbes de dispersion à partir de réseaux de faible extension. Elle consiste à construire à partir d'un réseau de géophones et de plusieurs positions de tir un enregistrement temps-déports qui tient compte d'une large gamme de distances source-récepteur. Au moment d'assembler les différentes données une correction de phase est appliquée pour tenir compte des hétérogénéités situées entre les différents points de tir. Pour évaluer cette correction nous suggérons de calculer pour deux tir successif la densité spectrale croisée des traces de même offset: Sur le site d'Arnex, 22 courbes de dispersions ont été déterminées pour de réseaux de géophones de 10 m d'extension. Nous avons également profité du forage pour acquérir un profil de sismique verticale en ondes S. Le modèle de vitesse S déduit de l'interprétation du profil de sismique verticale est utilisé comme information à priori lors l'inversion des différentes courbes de dispersion. Finalement, le modèle en deux dimension qui a été établi grâce à l'analyse de la dispersion des ondes de surface met en évidence une structure tabulaire à trois couches dont les limites coïncident bien avec les limites lithologiques observées dans le forage. Dans celui-ci des argiles limoneuses associées à une vitesse de propagation des ondes S de l'ordre de 175 m/s surmontent vers 9 m de profondeur des dépôts de moraine argilo-sableuse caractérisés par des vitesses de propagation des ondes S de l'ordre de 300 m/s jusqu'à 14 m de profondeur et supérieur ou égal à 400 m/s entre 14 et 20 m de profondeur. Le glissement de la Grande Combe (Ballaigues, VD) se produit à l'intérieur du remplissage quaternaire d'une combe creusée dans des calcaires Portlandien. Comme dans le cas du site d'Arnex les dépôts quaternaires correspondent à des dépôts glacio-lacustres. Dans la partie supérieure la surface de glissement a été localisée à une vingtaine de mètres de profondeur au niveau de l'interface qui sépare des dépôts de moraine jurassienne et des dépôts glacio-lacustres. Au pied du glissement 14 courbes de dispersions ont été déterminées sur des réseaux de 10 m d'extension le long d'un profil de 144 m. Les courbes obtenues sont discontinues et définies pour un domaine de fréquence de 7 à 35 Hz. Grâce à l'utilisation de distances source-récepteur entre 8 et 72 m, 2 à 4 modes de propagation ont été identifiés pour chacune des courbes. Lors de l'inversion des courbes de dispersion la prise en compte des différents modes de propagation a permis d'étendre la profondeur d'investigation jusqu'à une vingtaine de mètres de profondeur. Le modèle en deux dimensions permet de distinguer 4 couches (Vs1 < 175 m/s, 175 m/s < Vs2 < 225 m/s, 225 m/s < Vs3 < 400 m/s et Vs4 >.400 m/s) qui présentent des variations d'épaisseur. Des profils de sismiques réflexion en ondes S acquis avec une source construite dans le cadre de ce travail, complètent et corroborent le modèle établi à partir de l'analyse de la dispersion des ondes de surface. Un réflecteur localisé entre 5 et 10 m de profondeur et associé à une vitesse de sommation de 180 m/s souligne notamment la géométrie de l'interface qui sépare la deuxième de la troisième couche du modèle établi à partir de l'analyse de la dispersion des ondes de surface. Abstract Landslides are one of the main natural hazards in mountainous regions. In Switzerland, landslides cause damages every year that impact infrastructures and have important financial costs. In depth understanding of sliding mechanisms may help limiting their impact. In particular, this can be achieved through a better knowledge of the internal structure of the landslide, the determination of its volume and its sliding surface or surfaces In a landslide, the disorganization and the presence of fractures in the displaced material generate a change of the physical parameters and in particular a decrease of the seismic velocities and of the material density. Therefoe, seismic methods are well adapted to the study of landslides. Among seismic methods, surface-wave dispersion analysis is a easy to implement. Through it, shearwave velocity variations with depth can be estimated without having to resort to an S-wave source and to horizontal geophones. Its 3-step implementation implies measurement of surface-wave dispersion with long arrays, determination of the dispersion curves and finally inversion of these curves. Velocity models obtained through this approach are only valid when the investigated medium does not include lateral variations. In practice, this assumption is seldom correct, in particular for landslides in which reshaped layers likely include strong lateral heterogeneities. To assess the possibility of determining dispersion curves from short array lengths we carried out tests measurements on a site (Arnex, VD) that includes a borehole. A 190 m long seismic profile was acquired in a valley carved into limestone and filled with 30 m of glacio-lacustrine sediments. The data acquired along this profile confirmed that the presence of lateral variations under the geophone array influences the dispersion-curve shape so much that it sometimes preventes the dispersion curves determination. Our approach to use the analysis of surface-wave dispersion on sites that include lateral variations consists in obtaining dispersion curves for a series of short length arrays; inverting each so obtained curve and interpolating the different obtained velocity model. The choice of the location as well as the geophone array length is important. It takes into account the location of the heterogeneities that are revealed by the seismic refraction interpretation of the data but also, the location of signal amplitude anomalies observed on maps that represent, for a given frequency, the measured amplitude in the shot position - receiver position domain. The procedure proposed by Lin and Lin (2007) turned out to be an efficient one to determine dispersion curves using short extension arrays. It consists in building a time-offset from an array of geophones with a wide offset range by gathering seismograms acquired with different source-to-receiver offsets. When assembling the different data, a phase correction is applied in order to reduce static phase error induced by lateral variation. To evaluate this correction, we suggest to calculate, for two successive shots, the cross power spectral density of common offset traces. On the Arnex site, 22 curves were determined with 10m in length geophone-arrays. We also took advantage of the borehole to acquire a S-wave vertical seismic profile. The S-wave velocity depth model derived from the vertical seismic profile interpretation is used as prior information in the inversion of the dispersion-curves. Finally a 2D velocity model was established from the analysis of the different dispersion curves. It reveals a 3-layer structure in good agreement with the observed lithologies in the borehole. In it a clay layer with a shear-wave of 175 m/s shear-wave velocity overlies a clayey-sandy till layer at 9 m depth that is characterized down to 14 m by a 300 m/s S-wave velocity; these deposits have a S-wave velocity of 400 m/s between depths of 14 to 20 m. The La Grand Combe landslide (Ballaigues, VD) occurs inside the Quaternary filling of a valley carved into Portlandien limestone. As at the Arnex site, the Quaternary deposits correspond to glaciolacustrine sediments. In the upper part of the landslide, the sliding surface is located at a depth of about 20 m that coincides with the discontinuity between Jurassian till and glacio-lacustrine deposits. At the toe of the landslide, we defined 14 dispersion curves along a 144 m long profile using 10 m long geophone arrays. The obtained curves are discontinuous and defined within a frequency range of 7 to 35 Hz. The use of a wide range of offsets (from 8 to 72 m) enabled us to determine 2 to 4 mode of propagation for each dispersion curve. Taking these higher modes into consideration for dispersion curve inversion allowed us to reach an investigation depth of about 20 m. A four layer 2D model was derived (Vs1< 175 m/s, 175 m/s <Vs2< 225 m/s, 225 m/s < Vs3 < 400 m/s, Vs4> 400 m/s) with variable layer thicknesses. S-wave seismic reflection profiles acquired with a source built as part of this work complete and the velocity model revealed by surface-wave analysis. In particular, reflector at a depth of 5 to 10 m associated with a 180 m/s stacking velocity image the geometry of the discontinuity between the second and third layer of the model derived from the surface-wave dispersion analysis.

The evolution of helping and harming on graphs: the return of the inclusive fitness effect.

Evolutionary graph theory has been proposed as providing new fundamental rules for the evolution of co-operation and altruism. But how do these results relate to those of inclusive fitness theory? Here, we carry out a retrospective analysis of the models for the evolution of helping on graphs of Ohtsuki et al. [Nature (2006) 441, 502] and Ohtsuki & Nowak [Proc. R. Soc. Lond. Ser. B Biol. Sci (2006) 273, 2249]. We show that it is possible to translate evolutionary graph theory models into classical kin selection models without disturbing at all the mathematics describing the net effect of selection on helping. Model analysis further demonstrates that costly helping evolves on graphs through limited dispersal and overlapping generations. These two factors are well known to promote relatedness between interacting individuals in spatially structured populations. By allowing more than one individual to live at each node of the graph and by allowing interactions to vary with the distance between nodes, our inclusive fitness model allows us to consider a wider range of biological scenarios leading to the evolution of both helping and harming behaviours on graphs.

Predicting species distribution: offering more than simple habitat models

n the last two decades, interest in species distribution models (SDMs) of plants and animals has grown dramatically. Recent advances in SDMs allow us to potentially forecast anthropogenic effects on patterns of biodiversity at different spatial scales. However, some limitations still preclude the use of SDMs in many theoretical and practical applications. Here, we provide an overview of recent advances in this field, discuss the ecological principles and assumptions underpinning SDMs, and highlight critical limitations and decisions inherent in the construction and evaluation of SDMs. Particular emphasis is given to the use of SDMs for the assessment of climate change impacts and conservation management issues. We suggest new avenues for incorporating species migration, population dynamics, biotic interactions and community ecology into SDMs at multiple spatial scales. Addressing all these issues requires a better integration of SDMs with ecological theory.