Time-lapse and probabilistic inversion strategies for plane-wave electromagnetic data.

L'utilisation efficace des systèmes géothermaux, la séquestration du CO2 pour limiter le changement climatique et la prévention de l'intrusion d'eau salée dans les aquifères costaux ne sont que quelques exemples qui démontrent notre besoin en technologies nouvelles pour suivre l'évolution des processus souterrains à partir de la surface. Un défi majeur est d'assurer la caractérisation et l'optimisation des performances de ces technologies à différentes échelles spatiales et temporelles. Les méthodes électromagnétiques (EM) d'ondes planes sont sensibles à la conductivité électrique du sous-sol et, par conséquent, à la conductivité électrique des fluides saturant la roche, à la présence de fractures connectées, à la température et aux matériaux géologiques. Ces méthodes sont régies par des équations valides sur de larges gammes de fréquences, permettant détudier de manières analogues des processus allant de quelques mètres sous la surface jusqu'à plusieurs kilomètres de profondeur. Néanmoins, ces méthodes sont soumises à une perte de résolution avec la profondeur à cause des propriétés diffusives du champ électromagnétique. Pour cette raison, l'estimation des modèles du sous-sol par ces méthodes doit prendre en compte des informations a priori afin de contraindre les modèles autant que possible et de permettre la quantification des incertitudes de ces modèles de façon appropriée. Dans la présente thèse, je développe des approches permettant la caractérisation statique et dynamique du sous-sol à l'aide d'ondes EM planes. Dans une première partie, je présente une approche déterministe permettant de réaliser des inversions répétées dans le temps (time-lapse) de données d'ondes EM planes en deux dimensions. Cette stratégie est basée sur l'incorporation dans l'algorithme d'informations a priori en fonction des changements du modèle de conductivité électrique attendus. Ceci est réalisé en intégrant une régularisation stochastique et des contraintes flexibles par rapport à la gamme des changements attendus en utilisant les multiplicateurs de Lagrange. J'utilise des normes différentes de la norme l2 pour contraindre la structure du modèle et obtenir des transitions abruptes entre les régions du model qui subissent des changements dans le temps et celles qui n'en subissent pas. Aussi, j'incorpore une stratégie afin d'éliminer les erreurs systématiques de données time-lapse. Ce travail a mis en évidence l'amélioration de la caractérisation des changements temporels par rapport aux approches classiques qui réalisent des inversions indépendantes à chaque pas de temps et comparent les modèles. Dans la seconde partie de cette thèse, j'adopte un formalisme bayésien et je teste la possibilité de quantifier les incertitudes sur les paramètres du modèle dans l'inversion d'ondes EM planes. Pour ce faire, je présente une stratégie d'inversion probabiliste basée sur des pixels à deux dimensions pour des inversions de données d'ondes EM planes et de tomographies de résistivité électrique (ERT) séparées et jointes. Je compare les incertitudes des paramètres du modèle en considérant différents types d'information a priori sur la structure du modèle et différentes fonctions de vraisemblance pour décrire les erreurs sur les données. Les résultats indiquent que la régularisation du modèle est nécessaire lorsqu'on a à faire à un large nombre de paramètres car cela permet d'accélérer la convergence des chaînes et d'obtenir des modèles plus réalistes. Cependent, ces contraintes mènent à des incertitudes d'estimations plus faibles, ce qui implique des distributions a posteriori qui ne contiennent pas le vrai modèledans les régions ou` la méthode présente une sensibilité limitée. Cette situation peut être améliorée en combinant des méthodes d'ondes EM planes avec d'autres méthodes complémentaires telles que l'ERT. De plus, je montre que le poids de régularisation des paramètres et l'écart-type des erreurs sur les données peuvent être retrouvés par une inversion probabiliste. Finalement, j'évalue la possibilité de caractériser une distribution tridimensionnelle d'un panache de traceur salin injecté dans le sous-sol en réalisant une inversion probabiliste time-lapse tridimensionnelle d'ondes EM planes. Etant donné que les inversions probabilistes sont très coûteuses en temps de calcul lorsque l'espace des paramètres présente une grande dimension, je propose une stratégie de réduction du modèle ou` les coefficients de décomposition des moments de Legendre du panache de traceur injecté ainsi que sa position sont estimés. Pour ce faire, un modèle de résistivité de base est nécessaire. Il peut être obtenu avant l'expérience time-lapse. Un test synthétique montre que la méthodologie marche bien quand le modèle de résistivité de base est caractérisé correctement. Cette méthodologie est aussi appliquée à un test de trac¸age par injection d'une solution saline et d'acides réalisé dans un système géothermal en Australie, puis comparée à une inversion time-lapse tridimensionnelle réalisée selon une approche déterministe. L'inversion probabiliste permet de mieux contraindre le panache du traceur salin gr^ace à la grande quantité d'informations a priori incluse dans l'algorithme. Néanmoins, les changements de conductivités nécessaires pour expliquer les changements observés dans les données sont plus grands que ce qu'expliquent notre connaissance actuelle des phénomenès physiques. Ce problème peut être lié à la qualité limitée du modèle de résistivité de base utilisé, indiquant ainsi que des efforts plus grands devront être fournis dans le futur pour obtenir des modèles de base de bonne qualité avant de réaliser des expériences dynamiques. Les études décrites dans cette thèse montrent que les méthodes d'ondes EM planes sont très utiles pour caractériser et suivre les variations temporelles du sous-sol sur de larges échelles. Les présentes approches améliorent l'évaluation des modèles obtenus, autant en termes d'incorporation d'informations a priori, qu'en termes de quantification d'incertitudes a posteriori. De plus, les stratégies développées peuvent être appliquées à d'autres méthodes géophysiques, et offrent une grande flexibilité pour l'incorporation d'informations additionnelles lorsqu'elles sont disponibles. -- The efficient use of geothermal systems, the sequestration of CO2 to mitigate climate change, and the prevention of seawater intrusion in coastal aquifers are only some examples that demonstrate the need for novel technologies to monitor subsurface processes from the surface. A main challenge is to assure optimal performance of such technologies at different temporal and spatial scales. Plane-wave electromagnetic (EM) methods are sensitive to subsurface electrical conductivity and consequently to fluid conductivity, fracture connectivity, temperature, and rock mineralogy. These methods have governing equations that are the same over a large range of frequencies, thus allowing to study in an analogous manner processes on scales ranging from few meters close to the surface down to several hundreds of kilometers depth. Unfortunately, they suffer from a significant resolution loss with depth due to the diffusive nature of the electromagnetic fields. Therefore, estimations of subsurface models that use these methods should incorporate a priori information to better constrain the models, and provide appropriate measures of model uncertainty. During my thesis, I have developed approaches to improve the static and dynamic characterization of the subsurface with plane-wave EM methods. In the first part of this thesis, I present a two-dimensional deterministic approach to perform time-lapse inversion of plane-wave EM data. The strategy is based on the incorporation of prior information into the inversion algorithm regarding the expected temporal changes in electrical conductivity. This is done by incorporating a flexible stochastic regularization and constraints regarding the expected ranges of the changes by using Lagrange multipliers. I use non-l2 norms to penalize the model update in order to obtain sharp transitions between regions that experience temporal changes and regions that do not. I also incorporate a time-lapse differencing strategy to remove systematic errors in the time-lapse inversion. This work presents improvements in the characterization of temporal changes with respect to the classical approach of performing separate inversions and computing differences between the models. In the second part of this thesis, I adopt a Bayesian framework and use Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations to quantify model parameter uncertainty in plane-wave EM inversion. For this purpose, I present a two-dimensional pixel-based probabilistic inversion strategy for separate and joint inversions of plane-wave EM and electrical resistivity tomography (ERT) data. I compare the uncertainties of the model parameters when considering different types of prior information on the model structure and different likelihood functions to describe the data errors. The results indicate that model regularization is necessary when dealing with a large number of model parameters because it helps to accelerate the convergence of the chains and leads to more realistic models. These constraints also lead to smaller uncertainty estimates, which imply posterior distributions that do not include the true underlying model in regions where the method has limited sensitivity. This situation can be improved by combining planewave EM methods with complimentary geophysical methods such as ERT. In addition, I show that an appropriate regularization weight and the standard deviation of the data errors can be retrieved by the MCMC inversion. Finally, I evaluate the possibility of characterizing the three-dimensional distribution of an injected water plume by performing three-dimensional time-lapse MCMC inversion of planewave EM data. Since MCMC inversion involves a significant computational burden in high parameter dimensions, I propose a model reduction strategy where the coefficients of a Legendre moment decomposition of the injected water plume and its location are estimated. For this purpose, a base resistivity model is needed which is obtained prior to the time-lapse experiment. A synthetic test shows that the methodology works well when the base resistivity model is correctly characterized. The methodology is also applied to an injection experiment performed in a geothermal system in Australia, and compared to a three-dimensional time-lapse inversion performed within a deterministic framework. The MCMC inversion better constrains the water plumes due to the larger amount of prior information that is included in the algorithm. The conductivity changes needed to explain the time-lapse data are much larger than what is physically possible based on present day understandings. This issue may be related to the base resistivity model used, therefore indicating that more efforts should be given to obtain high-quality base models prior to dynamic experiments. The studies described herein give clear evidence that plane-wave EM methods are useful to characterize and monitor the subsurface at a wide range of scales. The presented approaches contribute to an improved appraisal of the obtained models, both in terms of the incorporation of prior information in the algorithms and the posterior uncertainty quantification. In addition, the developed strategies can be applied to other geophysical methods, and offer great flexibility to incorporate additional information when available.

Plant species richness and environmental heterogeneity in a mountain landscape: effects of variability and spatial configuration

The loss of biodiversity has become a matter of urgent concern and a better understanding of local drivers is crucial for conservation. Although environmental heterogeneity is recognized as an important determinant of biodiversity, this has rarely been tested using field data at management scale. We propose and provide evidence for the simple hypothesis that local species diversity is related to spatial environmental heterogeneity. Species partition the environment into habitats. Biodiversity is therefore expected to be influenced by two aspects of spatial heterogeneity: 1) the variability of environmental conditions, which will affect the number of types of habitat, and 2) the spatial configuration of habitats, which will affect the rates of ecological processes, such as dispersal or competition. Earlier, simulation experiments predicted that both aspects of heterogeneity will influence plant species richness at a particular site. For the first time, these predictions were tested for plant communities using field data, which we collected in a wooded pasture in the Swiss Jura mountains using a four-level hierarchical sampling design. Richness generally increased with increasing environmental variability and "roughness" (i.e. decreasing spatial aggregation). Effects occurred at all scales, but the nature of the effect changed with scale, suggesting a change in the underlying mechanisms, which will need to be taken into account if scaling up to larger landscapes. Although we found significant effects of environmental heterogeneity, other factors such as history could also be important determinants. If a relationship between environmental heterogeneity and species richness can be shown to be general, recently available high-resolution environmental data can be used to complement the assessment of patterns of local richness and improve the prediction of the effects of land use change based on mean site conditions or land use history.

SBML qualitative models: a model representation format and infrastructure to foster interactions between qualitative modelling formalisms and tools.

BACKGROUND: Qualitative frameworks, especially those based on the logical discrete formalism, are increasingly used to model regulatory and signalling networks. A major advantage of these frameworks is that they do not require precise quantitative data, and that they are well-suited for studies of large networks. While numerous groups have developed specific computational tools that provide original methods to analyse qualitative models, a standard format to exchange qualitative models has been missing. RESULTS: We present the Systems Biology Markup Language (SBML) Qualitative Models Package ("qual"), an extension of the SBML Level 3 standard designed for computer representation of qualitative models of biological networks. We demonstrate the interoperability of models via SBML qual through the analysis of a specific signalling network by three independent software tools. Furthermore, the collective effort to define the SBML qual format paved the way for the development of LogicalModel, an open-source model library, which will facilitate the adoption of the format as well as the collaborative development of algorithms to analyse qualitative models. CONCLUSIONS: SBML qual allows the exchange of qualitative models among a number of complementary software tools. SBML qual has the potential to promote collaborative work on the development of novel computational approaches, as well as on the specification and the analysis of comprehensive qualitative models of regulatory and signalling networks.

Spatial, temporal and subcellular localization of islet-brain 1 (IB1), a homologue of JIP-1, in mouse brain.

Islet-brain 1 (IB1) was recently identified as a DNA-binding protein of the GLUT2 gene promoter. The mouse IB1 is the rat and human homologue of the Jun-interacting protein 1 (JIP-1) which has been recognized as a key player in the regulation of c-Jun amino-terminal kinase (JNK) mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathways. JIP-1 is involved in the control of apoptosis and may play a role in brain development and aging. Here, IB1 was studied in adult and developing mouse brain tissue by in situ hybridization, Northern and Western blot analysis at cellular and subcellular levels, as well as by immunocytochemistry in brain sections and cell cultures. IB1 expression was localized in the synaptic regions of the olfactory bulb, retina, cerebral and cerebellar cortex and hippocampus in the adult mouse brain. IB1 was also detected in a restricted number of axons, as in the mossy fibres from dentate gyrus in the hippocampus, and was found in soma, dendrites and axons of cerebellar Purkinje cells. After birth, IB1 expression peaks at postnatal day 15. IB1 was located in axonal and dendritic growth cones in primary telencephalon cells. By biochemical and subcellular fractionation of neuronal cells, IB1 was detected both in the cytosolic and membrane fractions. Taken together with previous data, the restricted neuronal expression of IB1 in developing and adult brain and its prominent localization in synapses suggest that the protein may be critical for cell signalling in developing and mature nerve terminals.

Characterization of gravitational rock slope deformations at different spatial scales based on field, remote sensing and numerical approaches

Rock slope instabilities such as rock slides, rock avalanche or deep-seated gravitational slope deformations are widespread in Alpine valleys. These phenomena represent at the same time a main factor that control the mountain belts erosion and also a significant natural hazard that creates important losses to the mountain communities. However, the potential geometrical and dynamic connections linking outcrop and slope-scale instabilities are often unknown. A more detailed definition of the potential links will be essential to improve the comprehension of the destabilization processes and to dispose of a more complete hazard characterization of the rock instabilities at different spatial scales. In order to propose an integrated approach in the study of the rock slope instabilities, three main themes were analysed in this PhD thesis: (1) the inventory and the spatial distribution of rock slope deformations at regional scale and their influence on the landscape evolution, (2) the influence of brittle and ductile tectonic structures on rock slope instabilities development and (3) the characterization of hazard posed by potential rock slope instabilities through the development of conceptual instability models. To prose and integrated approach for the analyses of these topics, several techniques were adopted. In particular, high resolution digital elevation models revealed to be fundamental tools that were employed during the different stages of the rock slope instability assessment. A special attention was spent in the application of digital elevation model for detailed geometrical modelling of past and potential instabilities and for the rock slope monitoring at different spatial scales. Detailed field analyses and numerical models were performed to complete and verify the remote sensing approach. In the first part of this thesis, large slope instabilities in Rhone valley (Switzerland) were mapped in order to dispose of a first overview of tectonic and climatic factors influencing their distribution and their characteristics. Our analyses demonstrate the key influence of neotectonic activity and the glacial conditioning on the spatial distribution of the rock slope deformations. Besides, the volumes of rock instabilities identified along the main Rhone valley, were then used to propose the first estimate of the postglacial denudation and filling of the Rhone valley associated to large gravitational movements. In the second part of the thesis, detailed structural analyses of the Frank slide and the Sierre rock avalanche were performed to characterize the influence of brittle and ductile tectonic structures on the geometry and on the failure mechanism of large instabilities. Our observations indicated that the geometric characteristics and the variation of the rock mass quality associated to ductile tectonic structures, that are often ignored landslide study, represent important factors that can drastically influence the extension and the failure mechanism of rock slope instabilities. In the last part of the thesis, the failure mechanisms and the hazard associated to five potential instabilities were analysed in detail. These case studies clearly highlighted the importance to incorporate different analyses and monitoring techniques to dispose of reliable and hazard scenarios. This information associated to the development of a conceptual instability model represents the primary data for an integrated risk management of rock slope instabilities. - Les mouvements de versant tels que les chutes de blocs, les éboulements ou encore les phénomènes plus lents comme les déformations gravitaires profondes de versant représentent des manifestations courantes en régions montagneuses. Les mouvements de versant sont à la fois un des facteurs principaux contrôlant la destruction progressive des chaines orogéniques mais aussi un danger naturel concret qui peut provoquer des dommages importants. Pourtant, les phénomènes gravitaires sont rarement analysés dans leur globalité et les rapports géométriques et mécaniques qui lient les instabilités à l'échelle du versant aux instabilités locales restent encore mal définis. Une meilleure caractérisation de ces liens pourrait pourtant représenter un apport substantiel dans la compréhension des processus de déstabilisation des versants et améliorer la caractérisation des dangers gravitaires à toutes les échelles spatiales. Dans le but de proposer un approche plus globale à la problématique des mouvements gravitaires, ce travail de thèse propose trois axes de recherche principaux: (1) l'inventaire et l'analyse de la distribution spatiale des grandes instabilités rocheuses à l'échelle régionale, (2) l'analyse des structures tectoniques cassantes et ductiles en relation avec les mécanismes de rupture des grandes instabilités rocheuses et (3) la caractérisation des aléas rocheux par une approche multidisciplinaire visant à développer un modèle conceptuel de l'instabilité et une meilleure appréciation du danger . Pour analyser les différentes problématiques traitées dans cette thèse, différentes techniques ont été utilisées. En particulier, le modèle numérique de terrain s'est révélé être un outil indispensable pour la majorité des analyses effectuées, en partant de l'identification de l'instabilité jusqu'au suivi des mouvements. Les analyses de terrain et des modélisations numériques ont ensuite permis de compléter les informations issues du modèle numérique de terrain. Dans la première partie de cette thèse, les mouvements gravitaires rocheux dans la vallée du Rhône (Suisse) ont été cartographiés pour étudier leur répartition en fonction des variables géologiques et morphologiques régionales. En particulier, les analyses ont mis en évidence l'influence de l'activité néotectonique et des phases glaciaires sur la distribution des zones à forte densité d'instabilités rocheuses. Les volumes des instabilités rocheuses identifiées le long de la vallée principale ont été ensuite utilisés pour estimer le taux de dénudations postglaciaire et le remplissage de la vallée du Rhône lié aux grands mouvements gravitaires. Dans la deuxième partie, l'étude de l'agencement structural des avalanches rocheuses de Sierre (Suisse) et de Frank (Canada) a permis de mieux caractériser l'influence passive des structures tectoniques sur la géométrie des instabilités. En particulier, les structures issues d'une tectonique ductile, souvent ignorées dans l'étude des instabilités gravitaires, ont été identifiées comme des structures très importantes qui contrôlent les mécanismes de rupture des instabilités à différentes échelles. Dans la dernière partie de la thèse, cinq instabilités rocheuses différentes ont été étudiées par une approche multidisciplinaire visant à mieux caractériser l'aléa et à développer un modèle conceptuel trois dimensionnel de ces instabilités. A l'aide de ces analyses on a pu mettre en évidence la nécessité d'incorporer différentes techniques d'analyses et de surveillance pour une gestion plus objective du risque associée aux grandes instabilités rocheuses.

Pattern recognition ecological niche models fit to presence-only and presence-absence data

1. Identifying the boundary of a species' niche from observational and environmental data is a common problem in ecology and conservation biology and a variety of techniques have been developed or applied to model niches and predict distributions. Here, we examine the performance of some pattern-recognition methods as ecological niche models (ENMs). Particularly, one-class pattern recognition is a flexible and seldom used methodology for modelling ecological niches and distributions from presence-only data. The development of one-class methods that perform comparably to two-class methods (for presence/absence data) would remove modelling decisions about sampling pseudo-absences or background data points when absence points are unavailable. 2. We studied nine methods for one-class classification and seven methods for two-class classification (five common to both), all primarily used in pattern recognition and therefore not common in species distribution and ecological niche modelling, across a set of 106 mountain plant species for which presence-absence data was available. We assessed accuracy using standard metrics and compared trade-offs in omission and commission errors between classification groups as well as effects of prevalence and spatial autocorrelation on accuracy. 3. One-class models fit to presence-only data were comparable to two-class models fit to presence-absence data when performance was evaluated with a measure weighting omission and commission errors equally. One-class models were superior for reducing omission errors (i.e. yielding higher sensitivity), and two-classes models were superior for reducing commission errors (i.e. yielding higher specificity). For these methods, spatial autocorrelation was only influential when prevalence was low. 4. These results differ from previous efforts to evaluate alternative modelling approaches to build ENM and are particularly noteworthy because data are from exhaustively sampled populations minimizing false absence records. Accurate, transferable models of species' ecological niches and distributions are needed to advance ecological research and are crucial for effective environmental planning and conservation; the pattern-recognition approaches studied here show good potential for future modelling studies. This study also provides an introduction to promising methods for ecological modelling inherited from the pattern-recognition discipline.

Community Policing in Switzerland's Major Urban Areas: An Observational Study of the Implementation and Impact Using Geospatial Data Mining

La présente étude est à la fois une évaluation du processus de la mise en oeuvre et des impacts de la police de proximité dans les cinq plus grandes zones urbaines de Suisse - Bâle, Berne, Genève, Lausanne et Zurich. La police de proximité (community policing) est à la fois une philosophie et une stratégie organisationnelle qui favorise un partenariat renouvelé entre la police et les communautés locales dans le but de résoudre les problèmes relatifs à la sécurité et à l'ordre public. L'évaluation de processus a analysé des données relatives aux réformes internes de la police qui ont été obtenues par l'intermédiaire d'entretiens semi-structurés avec des administrateurs clés des cinq départements de police, ainsi que dans des documents écrits de la police et d'autres sources publiques. L'évaluation des impacts, quant à elle, s'est basée sur des variables contextuelles telles que des statistiques policières et des données de recensement, ainsi que sur des indicateurs d'impacts construit à partir des données du Swiss Crime Survey (SCS) relatives au sentiment d'insécurité, à la perception du désordre public et à la satisfaction de la population à l'égard de la police. Le SCS est un sondage régulier qui a permis d'interroger des habitants des cinq grandes zones urbaines à plusieurs reprises depuis le milieu des années 1980. L'évaluation de processus a abouti à un « Calendrier des activités » visant à créer des données de panel permettant de mesurer les progrès réalisés dans la mise en oeuvre de la police de proximité à l'aide d'une grille d'évaluation à six dimensions à des intervalles de cinq ans entre 1990 et 2010. L'évaluation des impacts, effectuée ex post facto, a utilisé un concept de recherche non-expérimental (observational design) dans le but d'analyser les impacts de différents modèles de police de proximité dans des zones comparables à travers les cinq villes étudiées. Les quartiers urbains, délimités par zone de code postal, ont ainsi été regroupés par l'intermédiaire d'une typologie réalisée à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique (machine learning). Des algorithmes supervisés et non supervisés ont été utilisés sur les données à haute dimensionnalité relatives à la criminalité, à la structure socio-économique et démographique et au cadre bâti dans le but de regrouper les quartiers urbains les plus similaires dans des clusters. D'abord, les cartes auto-organisatrices (self-organizing maps) ont été utilisées dans le but de réduire la variance intra-cluster des variables contextuelles et de maximiser simultanément la variance inter-cluster des réponses au sondage. Ensuite, l'algorithme des forêts d'arbres décisionnels (random forests) a permis à la fois d'évaluer la pertinence de la typologie de quartier élaborée et de sélectionner les variables contextuelles clés afin de construire un modèle parcimonieux faisant un minimum d'erreurs de classification. Enfin, pour l'analyse des impacts, la méthode des appariements des coefficients de propension (propensity score matching) a été utilisée pour équilibrer les échantillons prétest-posttest en termes d'âge, de sexe et de niveau d'éducation des répondants au sein de chaque type de quartier ainsi identifié dans chacune des villes, avant d'effectuer un test statistique de la différence observée dans les indicateurs d'impacts. De plus, tous les résultats statistiquement significatifs ont été soumis à une analyse de sensibilité (sensitivity analysis) afin d'évaluer leur robustesse face à un biais potentiel dû à des covariables non observées. L'étude relève qu'au cours des quinze dernières années, les cinq services de police ont entamé des réformes majeures de leur organisation ainsi que de leurs stratégies opérationnelles et qu'ils ont noué des partenariats stratégiques afin de mettre en oeuvre la police de proximité. La typologie de quartier développée a abouti à une réduction de la variance intra-cluster des variables contextuelles et permet d'expliquer une partie significative de la variance inter-cluster des indicateurs d'impacts avant la mise en oeuvre du traitement. Ceci semble suggérer que les méthodes de géocomputation aident à équilibrer les covariables observées et donc à réduire les menaces relatives à la validité interne d'un concept de recherche non-expérimental. Enfin, l'analyse des impacts a révélé que le sentiment d'insécurité a diminué de manière significative pendant la période 2000-2005 dans les quartiers se trouvant à l'intérieur et autour des centres-villes de Berne et de Zurich. Ces améliorations sont assez robustes face à des biais dus à des covariables inobservées et covarient dans le temps et l'espace avec la mise en oeuvre de la police de proximité. L'hypothèse alternative envisageant que les diminutions observées dans le sentiment d'insécurité soient, partiellement, un résultat des interventions policières de proximité semble donc être aussi plausible que l'hypothèse nulle considérant l'absence absolue d'effet. Ceci, même si le concept de recherche non-expérimental mis en oeuvre ne peut pas complètement exclure la sélection et la régression à la moyenne comme explications alternatives. The current research project is both a process and impact evaluation of community policing in Switzerland's five major urban areas - Basel, Bern, Geneva, Lausanne, and Zurich. Community policing is both a philosophy and an organizational strategy that promotes a renewed partnership between the police and the community to solve problems of crime and disorder. The process evaluation data on police internal reforms were obtained through semi-structured interviews with key administrators from the five police departments as well as from police internal documents and additional public sources. The impact evaluation uses official crime records and census statistics as contextual variables as well as Swiss Crime Survey (SCS) data on fear of crime, perceptions of disorder, and public attitudes towards the police as outcome measures. The SCS is a standing survey instrument that has polled residents of the five urban areas repeatedly since the mid-1980s. The process evaluation produced a "Calendar of Action" to create panel data to measure community policing implementation progress over six evaluative dimensions in intervals of five years between 1990 and 2010. The impact evaluation, carried out ex post facto, uses an observational design that analyzes the impact of the different community policing models between matched comparison areas across the five cities. Using ZIP code districts as proxies for urban neighborhoods, geospatial data mining algorithms serve to develop a neighborhood typology in order to match the comparison areas. To this end, both unsupervised and supervised algorithms are used to analyze high-dimensional data on crime, the socio-economic and demographic structure, and the built environment in order to classify urban neighborhoods into clusters of similar type. In a first step, self-organizing maps serve as tools to develop a clustering algorithm that reduces the within-cluster variance in the contextual variables and simultaneously maximizes the between-cluster variance in survey responses. The random forests algorithm then serves to assess the appropriateness of the resulting neighborhood typology and to select the key contextual variables in order to build a parsimonious model that makes a minimum of classification errors. Finally, for the impact analysis, propensity score matching methods are used to match the survey respondents of the pretest and posttest samples on age, gender, and their level of education for each neighborhood type identified within each city, before conducting a statistical test of the observed difference in the outcome measures. Moreover, all significant results were subjected to a sensitivity analysis to assess the robustness of these findings in the face of potential bias due to some unobserved covariates. The study finds that over the last fifteen years, all five police departments have undertaken major reforms of their internal organization and operating strategies and forged strategic partnerships in order to implement community policing. The resulting neighborhood typology reduced the within-cluster variance of the contextual variables and accounted for a significant share of the between-cluster variance in the outcome measures prior to treatment, suggesting that geocomputational methods help to balance the observed covariates and hence to reduce threats to the internal validity of an observational design. Finally, the impact analysis revealed that fear of crime dropped significantly over the 2000-2005 period in the neighborhoods in and around the urban centers of Bern and Zurich. These improvements are fairly robust in the face of bias due to some unobserved covariate and covary temporally and spatially with the implementation of community policing. The alternative hypothesis that the observed reductions in fear of crime were at least in part a result of community policing interventions thus appears at least as plausible as the null hypothesis of absolutely no effect, even if the observational design cannot completely rule out selection and regression to the mean as alternative explanations.

Visuo-spatial processing in a dynamic and a static working memory paradigm in schizophrenia.

Recent findings suggest that the visuo-spatial sketchpad (VSSP) may be divided into two sub-components processing dynamic or static visual information. This model may be useful to elucidate the confusion of data concerning the functioning of the VSSP in schizophrenia. The present study examined patients with schizophrenia and matched controls in a new working memory paradigm involving dynamic (the Ball Flight Task - BFT) or static (the Static Pattern Task - SPT) visual stimuli. In the BFT, the responses of the patients were apparently based on the retention of the last set of segments of the perceived trajectory, whereas control subjects relied on a more global strategy. We assume that the patients' performances are the result of a reduced capacity in chunking visual information since they relied mainly on the retention of the last set of segments. This assumption is confirmed by the poor performance of the patients in the static task (SPT), which requires a combination of stimulus components into object representations. We assume that the static/dynamic distinction may help us to understand the VSSP deficits in schizophrenia. This distinction also raises questions about the hypothesis that visuo-spatial working memory can simply be dissociated into visual and spatial sub-components.

Formation of a spatial memory trace : a behavioral, cellular and molecular study

THESIS ABSTRACTThis thesis project was aimed at studying the molecular mechanisms underlying learning and memory formation, in particular as they relate to the metabolic coupling between astrocytes and neurons. For that, changes in the metabolic activity of different mice brain regions after 1 or 9 days of training in an eight-arm radial maze were assessed by (14C) 2-deoxyglucose (2DG) autoradiography. Significant differences in the areas engaged during the behavioral task at day 1 (when animals are confronted for the first time to the learning task) and at day 9 (when animals are highly performing) have been identified. These areas include the hippocampus, the fornix, the parietal cortex, the laterodorsal thalamic nucleus and the mammillary bodies at day 1 ; and the anterior cingulate, the retrosplenial cortex and the dorsal striatum at day 9. Two of these cerebral regions (those presenting the greatest changes at day 1 and day 9: the hippocampus and the retrosplenial cortex, respectively) were microdissected by laser capture microscopy and selected genes related to neuron-glia metabolic coupling, glucose metabolism and synaptic plasticity were analyzed by RT-PCR. 2DG and gene expression analysis were performed at three different times: 1) immediately after the end of the behavioral paradigm, 2) 45 minutes and 3) 6 hours after training. The main goal of this study was the identification of the metabolic adaptations following the learning task. Gene expression results demonstrate that the learning task profoundly modulates the pattern of gene expression in time, meaning that these two cerebral regions with high 2DG signal (hippocampus and retrosplenial cortex) have adapted their metabolic molecular machinery in consequence. Almost all studied genes show a higher expression in the hippocampus at day 1 compared to day 9, while an increased expression was found in the retrosplenial cortex at day 9. We can observe these molecular adaptations with a short delay of 45 minutes after the end of the task. However, 6 hours after training a high gene expression was found at day 9 (compared to day 1) in both regions, suggesting that only one day of training is not sufficient to detect transcriptional modifications several hours after the task. Thus, gene expression data match 2DG results indicating a transfer of information in time (from day 1 to day 9) and in space (from the hippocampus to the retrosplenial cortex), and this at a cellular and a molecular level. Moreover, learning seems to modify the neuron-glia metabolic coupling, since several genes involved in this coupling are induced. These results also suggest a role of glia in neuronal plasticity.RESUME DU TRAVAIL DE THESECe projet de thèse a eu pour but l'étude des mécanismes moléculaires qui sont impliqués dans l'apprentissage et la mémoire et, en particulier, à les mettre en rapport avec le couplage métabolique existant entre les astrocytes et les neurones. Pour cela, des changements de l'activité métabolique dans différentes régions du cerveau des souris après 1 ou 9 jours d'entraînement dans un labyrinthe radial à huit-bras ont été évalués par autoradiographie au 2-désoxyglucose (2DG). Des différences significatives dans les régions engagées pendant la tâche comportementale au jour 1 (quand les animaux sont confrontés pour la première fois à la tâche) et au jour 9 (quand les animaux ont déjà appris) ont été identifiés. Ces régions incluent, au jour 1, l'hippocampe, le fornix, le cortex pariétal, le noyau thalamic laterodorsal et les corps mamillaires; et, au jour 9, le cingulaire antérieur, le cortex retrosplenial et le striatum dorsal. Deux de ces régions cérébrales (celles présentant les plus grands changements à jour 1 et à jour 9: l'hippocampe et le cortex retrosplenial, respectivement) ont été découpées par microdissection au laser et quelques gènes liés au couplage métabolique neurone-glie, au métabolisme du glucose et à la plasticité synaptique ont été analysées par RT-PCR. L'étude 2DG et l'analyse de l'expression de gènes ont été exécutés à trois temps différents: 1) juste après entraînement, 2) 45 minutes et 3) 6 heures après la fin de la tâche. L'objectif principal de cette étude était l'identification des adaptations métaboliques suivant la tâche d'apprentissage. Les résultats de l'expression de gènes démontrent que la tâche d'apprentissage module profondément le profile d'expression des gènes dans le temps, signifiant que ces deux régions cérébrales avec un signal 2DG élevé (l'hippocampe et le cortex retrosplenial) ont adapté leurs « machines moléculaires » en conséquence. Presque tous les gènes étudiés montrent une expression plus élevée dans l'hippocampe au jour 1 comparé au jour 9, alors qu'une expression accrue a été trouvée dans le cortex retrosplenial au jour 9. Nous pouvons observer ces adaptations moléculaires avec un retard court de 45 minutes après la fin de la tâche. Cependant, 6 heures après l'entraînement, une expression de gènes élevée a été trouvée au jour 9 (comparé à jour 1) dans les deux régions, suggérant que seulement un jour d'entraînement ne suffit pas pour détecter des modifications transcriptionelles plusieurs heures après la tâche. Ainsi, les données d'expression de gènes corroborent les résultats 2DG indiquant un transfert d'information dans le temps (de jour 1 à jour 9) et dans l'espace (de l'hippocampe au cortex retrosplenial), et ceci à un niveau cellulaire et moléculaire. D'ailleurs, la tâche d'apprentissage semble modifier le couplage métabolique neurone-glie, puisque de nombreux gènes impliqués dans ce couplage sont induits. Ces observations suggèrent un rôle important de la glie dans les mécanismes de plasticité du système nerveux.

Estimation of the correlation structure of crustal velocity heterogeneity from seismic reflection data

Numerous sources of evidence point to the fact that heterogeneity within the Earth's deep crystalline crust is complex and hence may be best described through stochastic rather than deterministic approaches. As seismic reflection imaging arguably offers the best means of sampling deep crustal rocks in situ, much interest has been expressed in using such data to characterize the stochastic nature of crustal heterogeneity. Previous work on this problem has shown that the spatial statistics of seismic reflection data are indeed related to those of the underlying heterogeneous seismic velocity distribution. As of yet, however, the nature of this relationship has remained elusive due to the fact that most of the work was either strictly empirical or based on incorrect methodological approaches. Here, we introduce a conceptual model, based on the assumption of weak scattering, that allows us to quantitatively link the second-order statistics of a 2-D seismic velocity distribution with those of the corresponding processed and depth-migrated seismic reflection image. We then perform a sensitivity study in order to investigate what information regarding the stochastic model parameters describing crustal velocity heterogeneity might potentially be recovered from the statistics of a seismic reflection image using this model. Finally, we present a Monte Carlo inversion strategy to estimate these parameters and we show examples of its application at two different source frequencies and using two different sets of prior information. Our results indicate that the inverse problem is inherently non-unique and that many different combinations of the vertical and lateral correlation lengths describing the velocity heterogeneity can yield seismic images with the same 2-D autocorrelation structure. The ratio of all of these possible combinations of vertical and lateral correlation lengths, however, remains roughly constant which indicates that, without additional prior information, the aspect ratio is the only parameter describing the stochastic seismic velocity structure that can be reliably recovered.

Temporal and spatial dynamics of benthic invertebrate communities in an alpine glacier-fed alluvial system

Summary The present thesis work focused on the ecology of benthic invertebrates in the proglacial floodplain of the Rhone in the Swiss Alps. The main glacial Rhone River and a smaller glacial tributary, the Mutt River, joined and entered a braiding multi-thread area. A first part concentrated on the disruption of the longitudinal patterns of environmental conditions and benthic invertebrate fauna in the Rhone by its tributary the Mutt. The Mutt had less harsh environmental conditions, higher taxonomic richness and more abundant zoobenthos compared to the Rhone upstream of the confluence. Although the habitat conditions in the main stream were little modified by the tributary, the fauna was richer and more diverse below the confluence. Colonisation from the Mutt induced the occurrence of faunal elements uncommon of glacial streams in the upper Rhone, where water temperature remains below 4°C. Although the glacial Rhone dominated the system with regard to hydrology and certain environmental conditions, the Mutt tributary has to be seen as the faunal driver of the system. The second part of the study concerned the spatio-temporal differentiation of the habitats and the benthic communities along and across the flood plain. No longitudinal differentiation was found. The spatial transversal differentiation of three habitat types with different environmental characteristics was successfully reflected in the spatial variability of benthic assemblages. This typology separated marginal sites of the flood plain, left bank sites under the influence of the Mutt, and the right bank sites under the influence of the Rh6ne. Faunistic spatial differences were emphasized by the quantitative structure of the fauna, richness, abundances and Simpson index of diversity. Seasonal environmental variability was positively related with Simpson index of diversity and the total richness per site. Low flow conditions were the most favourable season for the fauna and November was characterized by low spatial environmental heterogeneity, high spatial heterogeneity of faunal assemblage, maximum taxonomic richness, a particular taxonomic composition, highest abundances, as well as the highest primary food resources. The third part studied the egg development of three species of Ephemeroptera in the laboratory at 1.5 to 7°C and the ecological implications in the field. Species revealed very contrasting development strategies. Baetis alpinus has a synchronous and efficient egg development, which is faster in warmer habitats, enabling it to exploit short periods of favourable conditions in the floodplain. Ecdyonurus picteti has a very long development time slightly decreasing in warmer conditions. The high degree of individual variation suggests a genetic determination of the degree-days demand. Combined with the glacial local conditions, this strategy leads to an extreme delay of hatching and allows it to develop in very unpredictable habitats. Rhithrogena nivata is the second cold adapted species in Ephemeroptera. The incubation duration is long and success largely depends on the timing of hatching and the discharge conditions. This species is able to exploit extremely unstable and cold habitats where other species are limited by low water temperatures. The fourth part dealt with larval development in different habitats of the floodplain. Addition of data on egg development allowed the description of the life histories of the species from oviposition until emergence. Rhithrogena nivata and loyolaea generally have a two-year development, with the first winter passed as eggs and the second one as larvae. Development of Ecdyonurus picteti is difficult to document but appears to be efficient in a harsh and unpredictable environment. Baetis alpinus was studied separately in four habitats of the floodplain system with contrasting thermal regimes. Differences in success and duration of larval development and in growth rates are emphasised. Subvention mechanisms between habitats by migration of young or grown larvae were demonstrated. Development success and persistence of the populations in the system were thus increased. Emergence was synchronised to the detriment of the optimisation of the adult's size and fecundity. These very different development strategies induce a spatial and temporal distribution in the use of food resources and ecological niches. The last part of this work aimed at the synthesis of the characteristics and the ecological features of three distinct compartments of the system that are the upper Rhone, the Mutt and the floodplain. Their particular role as well as their inter-dependence concerning the structure and the dynamics of the benthic communities was emphasised. Résumé Ce travail de thèse est consacré à l'écologie des invertébrés benthiques dans la zone alluviale proglaciaire du Rhône dans les Alpes suisses. Le Rhône, torrent glaciaire principal, reçoit les eaux de la Mutt, affluent glaciaire secondaire, puis pénètre dans une zone de tressage formée de plusieurs bras. La première partie de l'étude se concentre sur la disruption par la Mutt des processus longitudinaux, tant environnementaux que faunistiques, existants dans le Rhône. Les conditions environnementales régnant dans la Mutt sont moins rudes, la richesse taxonomique plus élevée et le zoobenthos plus abondant que dans le Rhône en amont de la confluence. Bien que les conditions environnementales dans le torrent principal soient peu modifiées par l'affluent, la faune s'avère être plus riche et plus diversifiée en aval de la confluence. La colonisation depuis la Mutt permet l'occurrence de taxons inhabituels dans le Rhône en amont de la confluence, où la température de l'eau se maintient en dessous de 4°C. Bien que le Rhône, torrent glaciaire principal, domine le système du point de vu de l'hydrologie et de certains paramètres environnementaux, l'affluent Mutt doit être considéré comme l'élément structurant la faune dans le système. La deuxième partie concerne la différentiation spatiale et temporelle des habitats et des communautés benthiques à travers la plaine alluviale. Aucune différentiation longitudinale n'a été mise en évidence. La différentiation transversale de trois types d'habitats sur la base des caractéristiques environnementales a été confirmée par la variabilité spatiale de la faune. Cette typologie sépare les sites marginaux de la plaine alluviale, ceux sous l'influence de la Mutt (en rive gauche) et ceux sous l'influence du Rhône amont (en rive droite). Les différences spatiales de la faune sont mises en évidence par la structure quantitative de la faune, la richesse, les abondances et l'indice de diversité de Simpson. La variabilité saisonnière du milieu est positivement liée avec l'indice de diversité de Simpson et la richesse totale par site. L'étiage correspond à la période la plus favorable pour la faune et novembre réunit des conditions de faible hétérogénéité spatiale du milieu, de forte hétérogénéité spatiale de la faune, une richesse taxonomique maximale, une composition faunistique particulière, les abondances ainsi que les ressources primaires les plus élevées. La troisième partie est consacrée à l'étude du développement des oeufs de trois espèces d'Ephémères au laboratoire à des températures de 1.5 à 7°C, ainsi qu'aux implications écologiques sur le terrain. Ces espèces présentent des stratégies de développement très contrastées. Baetis alpinus a un développement synchrone et efficace, plus rapide en milieu plus chaud et lui permettant d'exploiter les courtes périodes de conditions favorables. Ecdyonurus picteti présente une durée de développement très longue, diminuant légèrement dans des conditions plus chaudes. L'importante variation interindividuelle suggère un déterminisme génétique de la durée de développement. Cette stratégie, associée aux conditions locales, conduit à un décalage extrême des éclosions et permet à l'espèce de se développer dans des habitats imprévisibles. Rhithrogena nivata est la seconde espèce d'Ephémères présentant une adaptation au froid. L'incubation des oeufs est longue et son succès dépend de la période des éclosions et des conditions hydrologiques. Cette espèce est capable d'exploiter des habitats extrêmement instables et froids, où la température est facteur limitant pour d'autres espèces. La quatrième partie traite du développement larvaire dans différents habitats de la plaine alluviale. Le développement complet est décrit pour les espèces étudiées de la ponte jusqu'à l'émergence. Rhithrogena nivata et loyolaea atteignent généralement le stade adulte en deux ans, le premier hiver étant passé sous forme d'oeuf et le second sous forme de larve. Le développement de Ecdyonurus picteti est difficile à documenter, mais s'avère cependant efficace dans un environnement rude et imprévisible. Baetis alpinus a été étudié séparément dans quatre habitats de la plaine ayant des régimes thermiques contrastés. La réussite et la durée du développement embryonnaire ainsi que les taux de croissance y sont variables. Des mécanismes de subvention entre habitats sont possibles par la migration de larves juvéniles ou plus développées, augmentant ainsi la réussite du développement et le maintien des populations dans le système. L'émergence devient synchrone, au détriment de l'optimisation de la taille et de la fécondité des adultes. Ces stratégies très différentes induisent une distribution spatiale et temporelle dans l'usage des ressources et des niches écologiques. La dernière partie synthétise les caractéristiques écologiques des trois compartiments du système que sont le Rhône amont, la Mutt et la zone alluviale. Leurs rôles particuliers et leurs interdépendances du point de vue de la structure et de la dynamique des communautés benthiques sont mis en avant.

Multiple Kernel Learning of Environmental Data. Case study: Analysis and Mapping of Wind Fields

The paper presents the Multiple Kernel Learning (MKL) approach as a modelling and data exploratory tool and applies it to the problem of wind speed mapping. Support Vector Regression (SVR) is used to predict spatial variations of the mean wind speed from terrain features (slopes, terrain curvature, directional derivatives) generated at different spatial scales. Multiple Kernel Learning is applied to learn kernels for individual features and thematic feature subsets, both in the context of feature selection and optimal parameters determination. An empirical study on real-life data confirms the usefulness of MKL as a tool that enhances the interpretability of data-driven models.

Individual prediction of cognitive decline in mild cognitive impairment using support vector machine-based analysis of diffusion tensor imaging data.

Although cross-sectional diffusion tensor imaging (DTI) studies revealed significant white matter changes in mild cognitive impairment (MCI), the utility of this technique in predicting further cognitive decline is debated. Thirty-five healthy controls (HC) and 67 MCI subjects with DTI baseline data were neuropsychologically assessed at one year. Among them, there were 40 stable (sMCI; 9 single domain amnestic, 7 single domain frontal, 24 multiple domain) and 27 were progressive (pMCI; 7 single domain amnestic, 4 single domain frontal, 16 multiple domain). Fractional anisotropy (FA) and longitudinal, radial, and mean diffusivity were measured using Tract-Based Spatial Statistics. Statistics included group comparisons and individual classification of MCI cases using support vector machines (SVM). FA was significantly higher in HC compared to MCI in a distributed network including the ventral part of the corpus callosum, right temporal and frontal pathways. There were no significant group-level differences between sMCI versus pMCI or between MCI subtypes after correction for multiple comparisons. However, SVM analysis allowed for an individual classification with accuracies up to 91.4% (HC versus MCI) and 98.4% (sMCI versus pMCI). When considering the MCI subgroups separately, the minimum SVM classification accuracy for stable versus progressive cognitive decline was 97.5% in the multiple domain MCI group. SVM analysis of DTI data provided highly accurate individual classification of stable versus progressive MCI regardless of MCI subtype, indicating that this method may become an easily applicable tool for early individual detection of MCI subjects evolving to dementia.

Evaluating effects of spectral training data distribution on continuous field mapping performance

Continuous field mapping has to address two conflicting remote sensing requirements when collecting training data. On one hand, continuous field mapping trains fractional land cover and thus favours mixed training pixels. On the other hand, the spectral signature has to be preferably distinct and thus favours pure training pixels. The aim of this study was to evaluate the sensitivity of training data distribution along fractional and spectral gradients on the resulting mapping performance. We derived four continuous fields (tree, shrubherb, bare, water) from aerial photographs as response variables and processed corresponding spectral signatures from multitemporal Landsat 5 TM data as explanatory variables. Subsequent controlled experiments along fractional cover gradients were then based on generalised linear models. Resulting fractional and spectral distribution differed between single continuous fields, but could be satisfactorily trained and mapped. Pixels with fractional or without respective cover were much more critical than pure full cover pixels. Error distribution of continuous field models was non-uniform with respect to horizontal and vertical spatial distribution of target fields. We conclude that a sampling for continuous field training data should be based on extent and densities in the fractional and spectral, rather than the real spatial space. Consequently, adequate training plots are most probably not systematically distributed in the real spatial space, but cover the gradient and covariate structure of the fractional and spectral space well. (C) 2009 International Society for Photogrammetry and Remote Sensing, Inc. (ISPRS). Published by Elsevier B.V. All rights reserved.