Melt topology and chemistry during partial melting in contact aureoles : an experimental study and field example

This study was initiated to investigate partial melting within the high-grade metamorphic rocks beneath the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA), in order to understand the melt generation, melt migration, and geometry of initial melt distribution on grain scale during crustal anatexis. The emplacement of the Little Cottonwood stock produced a contact aureole in the pelitic host rocks of the Big Cottonwood formation (BC). Metamorphic isogrades in pelitic rocks range form biotite to 2nd sillimanite grade as a function of distance from the contact. Migmatites are restricted to the highest grade and resulted form partial melting of the BC formation rocks. First melt was produced by a combined muscovite/biotite dehydration reaction in the sillimanite + k-feldspar stability field. Melt extraction from the pelites resulted in restites (magnetite + cordierite + alumosilicate ± biotite) surrounded by feldspar enriched quartzite zones. This texture is the result of gradual infiltration of partial melts into the quartzite. Larger, discrete melt accumulation occurred in extensional or transpressional domains such as boudin necks, veins, and ductile shear zones. Melt composition are Si02- rich, crystallized as pegmatites, and apparently were very mobile. They were able to infiltrate the quartzite pervaisivly. These melts are similar in composition to first melts produced in the hydrothermal partial melt experiments at 2kbar between 700 - 800°C on fine grained high metamorphic rocks (andalusite-cordierited-biotite-zone) of the BC formation. The experimental melts are water rich and in disequilibrium with the melting rock. Initial melt composition is heterogeneous for short run duration, reflective a lack of chemical equilibrium between individual melt pools. Rock core scale heterogeneity decreased with time indicating partial homogenization of melt compositions. A simultaneous shift of melt composition to higher silica content with time was observed. The silica content of the melt increased due to local melt/mineral reactions. Melt textures indicate that reactive melt transport is most efficient along grain boundaries rimmed by dissimilar grains. Melt heterogeneity resulted in chemical potential gradients which are major driving forces for initial melt migration and govern melt distribution during initial melting. An additional subject of the thesis is the crystal size distributions of opaque minerals in a fine-grained, high-grade meta-pelite of the Big Cottonwood which were obtained from 3D X-ray tomography (uCT) and 2D thin section analysis. µCT delivers accurate size distributions within a restricted range (~ a factor of 20 in size in a single 3D image), while the absolute number of crystals is difficult to obtain from these sparsely distributed, small crystals on the basis of 2D images. Crystal size distributions obtained from both methods are otherwise similar. - Ce travail de recherche a été entrepris dans le but d'étudier les processus de fusion partielle dans les roches fortement métamorphiques de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA) et ceci afin de comprendre la génération de liquide de fusion, la migration de ces liquides et la géométrie de la distribution initiale des liquides de fusion à l'échelle du grain durant l'anatexie de la croûte. L'emplacement du petit massif intrusif de Little Cottonwood a produit une auréole de contact dans les roches pélitiques encaissantes appartenant à la Foimation du Big Cottonwood (BC). Les isogrades métamorphiques dans les roches pélitiques varient de l'isograde de la biotite à la deuxième isograde de la sillimanite en fonction de la distance par rapport au massif intrusif. Les migmatites sont restreintes aux zones montrant le plus haut degré métamorphique et résultent de la fusion partielle des roches de la Formation de BC. Le premier liquide de fusion a été produit par la réaction de déshydratation combinée de la muscovite et de la biotite dans le champ de stabilité du feldspath potassique Pt de la sillimanite. L'extraction du liquide de fusion des pélites forme des restites (magnétites + cordiérite + aluminosilicate ± biotite) entourées par des zones de quartzites enrichies en feldspath. Cette texture est le résultat de l'infiltration graduelle du liquide de fusion partielle dans les quartzites. Des accumulations distinctes et plus larges de liquide de fusion ont lieu dans des domaines d'extension ou de transpression tels que les boudins, les veines, et les zones de cisaillement ductile. La composition des liquides de fusion est similaire à celle des liquides pegmatoïdes, et ces liquides sont apparemment très mobiles et capables d'infiltrer les quartzites. Ces liquides de fusion ont la même composition que les premiers liquides produits dans les expériences hydrotheunales de fusion partielle à 2kbar et entre 700-800° C sur les roches finement grenues et hautement métamorphiques (andalousite-cordiérite-biotite zone) de la Formation de BC. Les liquides de fusion obtenus expérimentalement sont riches en eau et sont en déséquilibre avec la roche en fusion. La composition initiale des liquides de fusion est hétérogène pour les expériences de courte durée et reflète l'absence d'équilibre chimique entre les différentes zones d'accumulation des liquides de fusion. L'hétérogénéité à l'échelle du noyau s'estompe avec le temps et témoigne de l'homogénéisation de la composition des liquides de fusion. Par ailleurs, on observe parallèlement un décalage de la composition des liquides vers des compositions plus riches en silice au cours du temps. Le contenu en silice des liquides de fusion évolue vers un liquide pegmatitique en raison des réactions liquides/minéraux. Les textures des liquides de fusion indiquent que le transport des liquides est plus efficace le long des bordures de grains bordés par des grains différents. Aucun changement apparent du volume total n'est visible. L'hétérogénéité des liquides s'accompagne d'un gradient de potentiel chimique qui sert de moteur principal à la migration des liquides et à la distribution des liquides durant la fusion. Un sujet complémentaire de ce travail de thèse réside dans l'étude de la distribution de la taille des cristaux opaques dans les pélites finement grenues et fortement métamorphiques de la Formation de Big Cottonwood. Les distributions de taille ont été obtenues suite à l'analyse d'images 3D acquise par tomographie ainsi que par analyse de lames minces. La microtomographie par rayon X fournit une distribution de taille précise sur une marge restreinte (- un facteur de taille 20 dans une seule image 3D), alors que le nombre absolu de cristaux est difficile à obtenir sur la base d'image 2D en raison de la petite taille et de la faible abondance de ces cristaux. Les distributions de taille obtenues par les deux méthodes sont sinon similaire. Abstact: Chemical differentiation of the primitive Earth was due to melting and separation of melts. Today, melt generation and emplacement is still the dominant process for the growth of the crust. Most granite formation is due to partial melting of the lower crust, followed by transport of magma through the crust to the shallow crust where it is emplaced. Partial melting and melt segregation are essential steps before such a granitic magma can ascent through the crust. The chemistry and physics of partial melting and segregation is complex. Hence detailed studies, in which field observations yield critical information that can be compared to experimental observations, are crucial to the understanding of these fundamental processes that lead and are leading to the chemical stratification of the Earth. The research presented in this thesis is a combined field and experimental study of partial melting of high-grade meta-pelitic rocks of the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA). Contact metamorphic rocks are ideal for textural studies of melt generation, since the relatively short times of the metamorphic event prevents much of the recrystallization which plagues textural studies of lower crustal rocks. The purpose of the study is to characterize melt generation, identify melting reactions, and to constrain melt formation, segregation and migration mechanisms. In parallel an experimental study was undertaken to investigate melt in the high grade meta pelitic rocks, to confirm melt composition, and to compare textures of the partial molten rock cores in the absence of deformation. Results show that a pegmatoidal melt is produced by partial melting of the pelitic rocks. This melt is highly mobile. It is capable of pervasive infiltration of the adjacent quartzite. Infiltration results in rounded quartz grains bordered by a thin feldspar rim. Using computed micro X-ray tomography these melt networks can be imaged. The infiltrated melt leads to rheological weakening and to a decompaction of the solid quartzite. Such decompaction can explain the recent discovery of abundant xenocrysts in many magmas, since it favors the isolation of mineral grains. Pervasive infiltration is apparently strongly influenced by melt viscosity and melt-crystal wetting behavior, both of which depend on the water content of melt and the temperature. In all experiments the first melt is produced on grain boundaries, dominantly by the local minerals. Grain scale heterogeneity of a melting rock leads thus to chemical concentration gradients in the melt, which are the driving force for initial melt migration. Pervasive melt films along grain boundaries leading to an interconnected network are immediately established. The initial chemical heterogeneities in the melt diminish with time. Résumé large public: La différenciation chimique de la Terre primitive est la conséquence de la fusion des roches et de la séparation des liquides qui en résultent. Aujourd'hui, la production de liquide magmatique est toujours le mécanisme dominant pour la croissance de la croûte terrestre. Ainsi la formation de la plupart des granites est un processus qui implique la production de magma par fusion partielle de la croûte inférieure, la migration de ces magmas à travers la croûte et finalement son emplacement dans les niveaux superficielle de la croûte terrestre. Au cours de cette évolution, les processus de fusion partielle et de ségrégation sont des étapes indispensables à l'ascension des granites à travers la croûte. Les conditions physico-chimiques nécessaires à la fusion partielle et à l'extraction de ces liquides sont complexes. C'est pourquoi des études détaillées des processus de fusion partielle sont cruciales pour la compréhension de ces mécanismes fondamentaux responsables de la stratification chimique de la Terre. Parmi ces études, les observations de terrain apportent notamment des informations déterminantes qui peuvent être comparées aux données expérimentales. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse associe études de terrain et données expérimentales sur la fusion partielle des roches pélitiques de haut degré métamorphiques provenant de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA). Les roches du métamorphisme de contact sont idéales pour l'étude de la folination de liquide de fusion. En effet, la durée relativement courte de ce type d'événement métamorphique prévient en grande partie la recristallisation qui perturbe les études de texture des roches dans la croûte inférieure. Le but de cette étude est de caractériser la génération des liquides de fusion, d'identifier les réactions responsables de la fusion de ces roches et de contraindre la formation de ces liquides et leur mécanisme de ségrégation et de migration. Parallèlement, des travaux expérimentaux ont été entrepris pour reproduire la fusion partielle de ces roches en laboratoire. Cette étude a été effectuée dans le but de confirmer la composition chimique des liquides, et de comparer les textures obtenues en l'absence de déformation. Les résultats montrent qu'un liquide de fusion pegmatoïde est produit par fusion partielle des roches pélitiques. La grande mobilité de ce liquide permet une infiltration pénétrative dans les quarzites. Ces infiltrations se manifestent par des grains de quartz arrondis entourés par une fine bordure de feldspath. L'utilisation de la tomography à rayons X a permis d'obtenir des images de ce réseau de liquide de fusion. L'infiltration de liquide de fusion entraîne un affaiblissement de la rhéologie de la roche ainsi qu'une décompaction des quartzites massifs. Une telle décompaction peut expliquer la découverte récente d'abondants xénocristaux dans beaucoup de magmas, puisque elle favorise l'isolation des minéraux. L'infiltration pénétrative est apparemment fortement influencée par la viscosité du fluide de fusion et le comportement de la tension superficielle entre les cristaux et le liquide, les deux étant dépendant du contenu en eau dans le liquide de fusion et de la température. Dans toutes les expériences, le premier liquide est produit sur les bordures de grains, principalement par les minéraux locaux. L'hétérogénéité à l'échelle des grains d'une roche en fusion conduit donc à un gradient de concentration chimique dans le liquide, qui sert de moteur à l'initiation de la migration du liquide. Des fines couches de liquide de fusion le long de bordures de grains formant un réseau enchevêtré s'établit immédiatement. Les hétérogénéités chimiques initiales dans le liquide s'estompent avec le temps.

Molecular basis of interaction between Na,K-ATPase and FXYD proteins.

Résumé au large public Notre corps est constitué de différents types de cellules. La condition minimale ou primordiale pour la survie des cellules est d'avoir de l'énergie. Cette tâche est assumée en partie par une protéine qui se situe dans la membrane de chaque cellule. Nommé Na, K¬ATPase ou pompe à sodium, c'est une protéine pressente dans toutes les cellules chez les mammifères est composée de deux sous-unités, α et β. En transportant 3 ions de sodium hors de la cellule et 2 ions de potassium à l'intérieur de la cellule, elle transforme l'énergie chimique sous forme de l'ATP en énergie motrice, qui permet aux cellules par la suite d'échanger des matériaux entre l'espace intracellulaire et extracellulaire ainsi que d'ingérer des nutriments provenant de son environnement. Le manque de cette protéine chez la souris entraîne la mort de l'embryon. Des défauts fonctionnels de cette protéine sont responsables de plusieurs maladies humaines comme par exemple, un type de migraine. En dehors de sa fonction vitale, cette protéine est également engagée dans diverses activités physiologiques comme la contractilité musculaire, l'activité nerveuse et la régulation du volume sanguin. Vue l'importance de cette protéine, sa découverte par Jens C. Skou en 1957 a été honorée d'un Prix Noble de chimie quarante ans plus tard. Depuis lors, nous connaissons de mieux en mieux les mécanismes de fonctionnement de la Na, K-ATPase. Entre autre, sa régulation par une famille de protéines appelées protéines FXYD. Cette famille contient 7 membres (FXYD 1-7). L'un d'entre eux nommé FXYD 2 est lié à une maladie héréditaire connue sous le nom de hypomagnesemia. Nous disposons actuellement d'informations concernant les conséquences de la régulation par les protéines FXYD sur activité de la Na, K-ATPase, mais nous savons très peu sur le mode d'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans ce travail de thèse, nous avons réussi à localiser des zones d'interaction dans la sous- unité a de la Na, K-ATPase et dans FXYD 7. En même temps, nous avons déterminé un 3ème site de liaison spécifique au sodium de la Na, K-ATPase. Une partie de ce site se situe à l'intérieur d'un domaine protéique qui interagit avec les protéines FXYD. De plus, ce site a été démontré comme responsable d'un mécanisme de transport de la Na, K-ATPase caractérisé par un influx ionique. En conclusion, les résultats de ce travail de thèse fournissent de nouvelles preuves sur les régions d'interaction entre la Na, K-ATPase et les protéines FXYD. La détermination d'un 3ème site spécifique au sodium et sa relation avec un influx ionique offrent la possibilité 1) d'explorer les mécanismes avec lesquels les protéines FXYD régulent l'activité de la Na, ATPase et 2) de localiser un site à sodium qui est essentielle pour mieux comprendre l'organisation et le fonctionnement de la Na, K-ATPase. Résumé Les gradients de concentration de Na+ et de K+ à travers la membrane plasmatique des cellules animales sont cruciaux pour la survie et l'homéostasie de cellules. De plus, des fonctions cellulaires spécifiques telles que la reabsorption de Na dans le rein et le côlon, la contraction musculaire et l'excitabilité nerveuse dépendent de ces gradients. La Na, K¬ATPase ou pompe à sodium est une protéine membranaire ubiquitaire. Elle crée et maintient ces gradients en utilisant l'énergie obtenu par l'hydrolyse de l'adénosine triphosphate. L'unité fonctionnelle minimale de cette protéine se compose d'une sous-unité catalytique α et d'une sous-unité régulatrice β. Récemment, il a été montré que des membres de la famille FXYD, sont des régulateurs tissu-spécifiques de la Na, K-ATPase qui influencent ses propriétés de transport. Cependant, on connaît peu de chose au sujet de la nature moléculaire de l'interaction entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. Dans cette étude, nous fournissons, pour la première fois, l'évidence directe que des résidus du domaine transmembranaire (TM) 9 de la sous-unité α de la Na, K-ATPase sont impliqués dans l'interaction fonctionnelle et structurale avec les protéines FXYD. De plus nous avons identifié des régions dans le domaine transmembranaire de FXYD 7 qui sont importantes pour l'association stable avec la Na, K-ATPase et une série de résidus responsables des régulations fonctionnelles. Nous avons aussi montré les contributions fonctionnelles du TM 9 de la Na, K-ATPase à la translocation de Na + en déterminant un 3ème site spécifique au Na+. Ce site se situe probablement dans un espace entre TM 9, TM 6 et TM 5 de la sous-unité α de la pompe à sodium. De plus, nous avons constaté que le 3ème site de Na + est fonctionnellement lié à un courant entrant de la pompe sensible à l'ouabaïne et activé par le pH acide. En conclusion, ce travail donne de nouvelles perspectives de l'interaction structurale et fonctionnelle entre les protéines FXYD et la Na, K-ATPase. En outre, les contributions fonctionnelles de TM 9 offrent de nouvelles possibilités pour explorer le mécanisme par lequel les protéines FXYD régulent les propriétés fonctionnelles de la Na, K-ATPase. La détermination du 3ème site au Na + fournit une compréhension avancée du site spécifique au Na + de la Na, K-ATPase et du mécanisme de transport de la Na, K-ATPase. Summary The Na+ and K+ gradients across the plasma membrane of animal cells are crucial for cell survival and homeostasis. Moreover, specific tissue functions such as Na+ reabsorption in kidney and colon, muscle contraction and nerve excitability depend on the maintenance of these gradients. Na, K-ATPase or sodium pump, an ubiquitous membrane protein, creates and maintains these gradients by using the energy from the hydrolysis of ATP. The minimal functional unit of this protein is composed of a catalytic α subunit and a regulatory β subunit. Recently, members of the FXYD family, have been reported to be tissue-specific regulators of Na, K-ATPase by influencing its transport properties. However, little is known about the molecular nature of the interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. In this study, we provide, for the first time, direct evidence that residues from the transmembrane (TM) domain 9 of the α subunit of Na, K-ATPase are implicated in the functional and structural interaction with FXYD proteins. Moreover, we have identified regions in the TM domain of FXYD 7 important for the stable association with Na, K-ATPase and a stretch of residues responsible for the functional regulations. We have further revealed the functional contributions of TM 9 of the Na, K-ATPase α subunit to the Na+ translocation by determining a 3rd Na+-specific cation binding site. This site is likely in a space between TM 9, TM 6 and TM 5 of the a subunit of the sodium pump. Moreover, we have found that the 3rd Na+ binding site is functionally linked to an acidic pH- activated ouabain-sensitive inward pump current. In conclusion, this work gives new insights into the structural and functional interaction between FXYD proteins and Na, K-ATPase. Functional contributions of TM 9 offer new possibilities to explore the mechanism by which FXYD proteins regulate functional properties of Na, K-ATPase. The determination of the 3rd Na+ binding site provides an advanced understanding concerning the Na+ -specific binding site of Na, K-ATPase and the 3rd Na+ site related transport mechanism.

Assessment of adipose tissue metabolism by means of subcutaneous mircrodialysis in patients with sepsis of circulatory failure

Summary: To evaluate the role of adipose tissue in the metabolic stress response of critically ill patients, the release of glycerol and lactate by subcutaneous adipose tissue was assessed by means of microdialysis in patients with sepsis or circulatory failure and in healthy subjects. Patients with sepsis had lower plasma free fatty acid concentrations and non-significant elevations of plasma glycerol concentrations, but higher adipose-systemic glycerol concentrations gradients than healthy subjects or patients with circulatory failure, indicating a stimulation of subcutaneous adipose lipolysis. They also had a higher lipid oxidation. Lipid metabolism (adipose-systemic glycerol gradients, lipid oxidation) was not altered in patients with circulatory failure. These observations highlight major differences in lipolysis and lipid utilization between patients with sepsis and circulatory failure. Hyperlactataemia was present in both groups of patients, but the adipose-systemic lactate concentration gradient was not increased, indicating that lactate production by adipose tissue was not involved. This speaks against a role of adipose tissue in the development of hyperlactataemia in critically ill patients.

3-d residual eddy current field characterisation: applied to diffusion weighted magnetic resonance imaging.

Clinical use of the Stejskal-Tanner diffusion weighted images is hampered by the geometric distortions that result from the large residual 3-D eddy current field induced. In this work, we aimed to predict, using linear response theory, the residual 3-D eddy current field required for geometric distortion correction based on phantom eddy current field measurements. The predicted 3-D eddy current field induced by the diffusion-weighting gradients was able to reduce the root mean square error of the residual eddy current field to ~1 Hz. The model's performance was tested on diffusion weighted images of four normal volunteers, following distortion correction, the quality of the Stejskal-Tanner diffusion-weighted images was found to have comparable quality to image registration based corrections (FSL) at low b-values. Unlike registration techniques the correction was not hindered by low SNR at high b-values, and results in improved image quality relative to FSL. Characterization of the 3-D eddy current field with linear response theory enables the prediction of the 3-D eddy current field required to correct eddy current induced geometric distortions for a wide range of clinical and high b-value protocols.

Functional MRI Mapping of the Human Auditory Cortex

Mapping the human auditory cortex with standard functional imaging techniques is difficult because of its small size and angular position along the Sylvian fissure. As a result, the exact number and location of auditory cortex areas in the human remains unknown. In a first experiment, we measured the two largest tonotopic areas of primary auditory cortex (PAC, Al and R) using high-resolution functional MRI at 7 Tesla relative to the underlying anatomy of Heschl's gyrus (HG). The data reveals a clear anatomical- functional relationship that indicates the location of PAC across the range of common morphological variants of HG (single gyri, partial duplication and complete duplication). Human PAC tonotopic areas are oriented along an oblique posterior-to-anterior axis with mirror-symmetric frequency gradients perpendicular to HG, as in the macaque. In a second experiment, we tested whether these primary frequency-tuned units were modulated by selective attention to preferred vs. non-preferred sound frequencies in the dynamic manner needed to account for human listening abilities in noisy environments, such as cocktail parties or busy streets. We used a dual-stream selective attention experiment where subjects attended to one of two competing tonal streams presented simultaneously to different ears. Attention to low-frequency tones (250 Hz) enhanced neural responses within low-frequency-tuned voxels relative to high (4000 Hz), and vice versa when at-tention switched from high to low. Human PAC is able to tune into attended frequency channels and can switch frequencies on demand, like a radio. In a third experiment, we investigated repetition suppression effects to environmental sounds within primary and non-primary early-stage auditory areas, identified with the tonotopic mapping design. Repeated presentations of sounds from the same sources, as compared to different sources, gave repetition suppression effects within posterior and medial non-primary areas of the right hemisphere, reflecting their potential involvement in semantic representations. These three studies were conducted at 7 Tesla with high-resolution imaging. However, 7 Tesla scanners are, for the moment, not yet used for clinical diagnosis and mostly reside in institutions external to hospitals. Thus, hospital-based clinical functional and structural studies are mainly performed using lower field systems (1.5 or 3 Tesla). In a fourth experiment, we acquired tonotopic maps at 3 and 7 Tesla and evaluated the consistency of a tonotopic mapping paradigm between scanners. Mirror-symmetric gradients within PAC were highly similar at 7 and 3 Tesla across renderings at different spatial resolutions. We concluded that the tonotopic mapping paradigm is robust and suitable for definition of primary tonotopic areas, also at 3 Tesla. Finally, in a fifth study, we considered whether focal brain lesions alter tonotopic representations in the intact ipsi- and contralesional primary auditory cortex in three patients with hemispheric or cerebellar lesions, without and with auditory complaints. We found evidence for tonotopic reorganisation at the level of the primary auditory cortex in cases of brain lesions independently of auditory complaints. Overall, these results reflect a certain degree of plasticity within primary auditory cortex in different populations of subjects, assessed at different field strengths. - La cartographie du cortex auditif chez l'humain est difficile à réaliser avec des techniques d'imagerie fonctionnelle standard, étant donné sa petite taille et position angulaire le long de la fissure sylvienne. En conséquence, le nombre et l'emplacement exacts des différentes aires du cortex auditif restent inconnus chez l'homme. Lors d'une première expérience, nous avons mesuré, avec de l'imagerie par résonance magnétique à haute intensité (IRMf à 7 Tesla) chez des sujets humains sains, deux larges aires au sein du cortex auditif primaire (PAC; Al et R) avec une représentation spécifique des fréquences pures préférées - ou tonotopie. Nos résultats ont démontré une relation anatomico- fonctionnelle qui définit clairement la position du PAC à travers toutes les variantes du gyrus d'Heschl's (HG). Les aires tonotopiques du PAC humain sont orientées le long d'un axe postéro-antérieur oblique avec des gradients de fréquences spécifiques perpendiculaires à HG, d'une manière similaire à celles mesurées chez le singe. Dans une deuxième expérience, nous avons testé si ces aires primaires pouvaient être modulées, de façon dynamique, par une attention sélective pour des fréquences préférées par rapport à celles non-préférées. Cette modulation est primordiale lors d'interactions sociales chez l'humain en présence de bruits distracteurs tels que d'autres discussions ou un environnement sonore nuisible (comme par exemple, dans la circulation routière). Dans cette étude, nous avons utilisé une expérience d'attention sélective où le sujet devait être attentif à une des deux voies sonores présentées simultanément à chaque oreille. Lorsque le sujet portait était attentif aux sons de basses fréquences (250 Hz), la réponse neuronale relative à ces fréquences augmentait par rapport à celle des hautes fréquences (4000 Hz), et vice versa lorsque l'attention passait des hautes aux basses fréquences. De ce fait, nous pouvons dire que PAC est capable de focaliser sur la fréquence attendue et de changer de canal selon la demande, comme une radio. Lors d'une troisième expérience, nous avons étudié les effets de suppression due à la répétition de sons environnementaux dans les aires auditives primaires et non-primaires, d'abord identifiées via le protocole de la première étude. La présentation répétée de sons provenant de la même source sonore, par rapport à de sons de différentes sources sonores, a induit un effet de suppression dans les aires postérieures et médiales auditives non-primaires de l'hémisphère droite, reflétant une implication de ces aires dans la représentation de la catégorie sémantique. Ces trois études ont été réalisées avec de l'imagerie à haute résolution à 7 Tesla. Cependant, les scanners 7 Tesla ne sont pour le moment utilisés que pour de la recherche fondamentale, principalement dans des institutions externes, parfois proches du patient mais pas directement à son chevet. L'imagerie fonctionnelle et structurelle clinique se fait actuellement principalement avec des infrastructures cliniques à 1.5 ou 3 Tesla. Dans le cadre dune quatrième expérience, nous avons avons évalués la cohérence du paradigme de cartographie tonotopique à travers différents scanners (3 et 7 Tesla) chez les mêmes sujets. Nos résultats démontrent des gradients de fréquences définissant PAC très similaires à 3 et 7 Tesla. De ce fait, notre paradigme de définition des aires primaires auditives est robuste et applicable cliniquement. Finalement, nous avons évalués l'impact de lésions focales sur les représentations tonotopiques des aires auditives primaires des hémisphères intactes contralésionales et ipsilésionales chez trois patients avec des lésions hémisphériques ou cérébélleuses avec ou sans plaintes auditives. Nous avons trouvé l'évidence d'une certaine réorganisation des représentations topographiques au niveau de PAC dans le cas de lésions cérébrales indépendamment des plaintes auditives. En conclusion, nos résultats démontrent une certaine plasticité du cortex auditif primaire avec différentes populations de sujets et différents champs magnétiques.

Harmonic active contours.

We propose a segmentation method based on the geometric representation of images as 2-D manifolds embedded in a higher dimensional space. The segmentation is formulated as a minimization problem, where the contours are described by a level set function and the objective functional corresponds to the surface of the image manifold. In this geometric framework, both data-fidelity and regularity terms of the segmentation are represented by a single functional that intrinsically aligns the gradients of the level set function with the gradients of the image and results in a segmentation criterion that exploits the directional information of image gradients to overcome image inhomogeneities and fragmented contours. The proposed formulation combines this robust alignment of gradients with attractive properties of previous methods developed in the same geometric framework: 1) the natural coupling of image channels proposed for anisotropic diffusion and 2) the ability of subjective surfaces to detect weak edges and close fragmented boundaries. The potential of such a geometric approach lies in the general definition of Riemannian manifolds, which naturally generalizes existing segmentation methods (the geodesic active contours, the active contours without edges, and the robust edge integrator) to higher dimensional spaces, non-flat images, and feature spaces. Our experiments show that the proposed technique improves the segmentation of multi-channel images, images subject to inhomogeneities, and images characterized by geometric structures like ridges or valleys.

Species distributions and interactions in a changing world : from understanding to forecasting

Les écosystèmes fournissent de nombreuses ressources et services écologiques qui sont utiles à la population humaine. La biodiversité est une composante essentielle des écosystèmes et maintient de nombreux services. Afin d'assurer la permanence des services écosystémiques, des mesures doivent être prises pour conserver la biodiversité. Dans ce but, l'acquisition d'informations détaillées sur la distribution de la biodiversité dans l'espace est essentielle. Les modèles de distribution d'espèces (SDMs) sont des modèles empiriques qui mettent en lien des observations de terrain (présences ou absences d'une espèce) avec des descripteurs de l'environnement, selon des courbes de réponses statistiques qui décrive la niche réalisée des espèces. Ces modèles fournissent des projections spatiales indiquant les lieux les plus favorables pour les espèces considérées. Le principal objectif de cette thèse est de fournir des projections plus réalistes de la distribution des espèces et des communautés en montagne pour le climat présent et futur en considérant non-seulement des variables abiotiques mais aussi biotiques. Les régions de montagne et l'écosystème alpin sont très sensibles aux changements globaux et en même temps assurent de nombreux services écosystémiques. Cette thèse est séparée en trois parties : (i) fournir une meilleure compréhension du rôle des interactions biotiques dans la distribution des espèces et l'assemblage des communautés en montagne (ouest des Alpes Suisses), (ii) permettre le développement d'une nouvelle approche pour modéliser la distribution spatiale de la biodiversité, (iii) fournir des projections plus réalistes de la distribution future des espèces ainsi que de la composition des communautés. En me focalisant sur les papillons, bourdons et plantes vasculaires, j'ai détecté des interactions biotiques importantes qui lient les espèces entre elles. J'ai également identifié la signature du filtre de l'environnement sur les communautés en haute altitude confirmant l'utilité des SDMs pour reproduire ce type de processus. A partir de ces études, j'ai contribué à l'amélioration méthodologique des SDMs dans le but de prédire les communautés en incluant les interactions biotiques et également les processus non-déterministes par une approche probabiliste. Cette approche permet de prédire non-seulement la distribution d'espèces individuelles, mais également celle de communautés dans leur entier en empilant les projections (S-SDMs). Finalement, j'ai utilisé cet outil pour prédire la distribution d'espèces et de communautés dans le passé et le futur. En particulier, j'ai modélisé la migration post-glaciaire de Trollius europaeus qui est à l'origine de la structure génétique intra-spécifique chez cette espèce et évalué les risques de perte face au changement climatique. Finalement, j'ai simulé la distribution des communautés de bourdons pour le 21e siècle afin d'évaluer les changements probables dans ce groupe important de pollinisateurs. La diversité fonctionnelle des bourdons va être altérée par la perte d'espèces spécialistes de haute altitude et ceci va influencer la pollinisation des plantes en haute altitude. - Ecosystems provide a multitude of resources and ecological services, which are useful to human. Biodiversity is an essential component of those ecosystems and guarantee many services. To assure the permanence of ecosystem services for future generation, measure should be applied to conserve biodiversity. For this purpose, the acquisition of detailed information on how biodiversity implicated in ecosystem function is distributed in space is essential. Species distribution models (SDMs) are empirical models relating field observations to environmental predictors based on statistically-derived response surfaces that fit the realized niche. These models result in spatial predictions indicating locations of the most suitable environment for the species and may potentially be applied to predict composition of communities and their functional properties. The main objective of this thesis was to provide more accurate projections of species and communities distribution under current and future climate in mountains by considering not solely abiotic but also biotic drivers of species distribution. Mountain areas and alpine ecosystems are considered as particularly sensitive to global changes and are also sources of essential ecosystem services. This thesis had three main goals: (i) a better ecological understanding of biotic interactions and how they shape the distribution of species and communities, (ii) the development of a novel approach to the spatial modeling of biodiversity, that can account for biotic interactions, and (iii) ecologically more realistic projections of future species distributions, of future composition and structure of communities. Focusing on butterfly and bumblebees in interaction with the vegetation, I detected important biotic interactions for species distribution and community composition of both plant and insects along environmental gradients. I identified the signature of environmental filtering processes at high elevation confirming the suitability of SDMs for reproducing patterns of filtering. Using those case-studies, I improved SDMs by incorporating biotic interaction and accounting for non-deterministic processes and uncertainty using a probabilistic based approach. I used improved modeling to forecast the distribution of species through the past and future climate changes. SDMs hindcasting allowed a better understanding of the spatial range dynamic of Trollius europaeus in Europe at the origin of the species intra-specific genetic diversity and identified the risk of loss of this genetic diversity caused by climate change. By simulating the future distribution of all bumblebee species in the western Swiss Alps under nine climate change scenarios for the 21st century, I found that the functional diversity of this pollinator guild will be largely affected by climate change through the loss of high elevation specialists. In turn, this will have important consequences on alpine plant pollination.

Experience and intermediate-term results using the Contegra heterograft for right ventricular outflow reconstruction in adults.

OBJECTIVES: The Contegra bioprosthesis (valved heterologous bovine jugular vein) is used for reconstruction of the right ventricular outflow tract (RVOT) in congenital heart malformations and pulmonary valve replacement in different settings. Compared to pulmonary homografts, the Contegra conduit is readily available 'on the shelf'. So far, its use was mainly described in children. The aim of this study is to evaluate the feasibility and the outcome of Contegra graft implantation in the adult. METHODS: Between November 1999 and December 2007, a total of 32 Contegra grafts were implanted in 31 patients (24 men and 7 women), with a mean age of 35.7+/-10.5 years (range 18-54 years). All operations have been completed through median sternotomy with cardiopulmonary bypass. Indications included: Ross procedure for aortic valve disease (n=22); re-operation of corrected Fallot-tetralogy (n=5); isolated pulmonary valve disease (n=2); re-operation of double outlet right ventricle (DORV) (n=1); pulmonary stenosis in congenital dilated cardiomyopathy (DCM) (n=1). Conduit sizes included 22 mm (n=31), 20 mm (n=1). RESULTS: There was no hospital mortality and no valved conduit related early morbidity. In the median follow-up of 38 months (range 1-99 months) of 28 patients there was one late death, not conduit related (total mortality 3.6%). Re-operation for symptomatic graft stenosis was realised in two patients, 7 and 16 months after primo-implantation, corresponding to graft related late morbidity of 7.1%. CONCLUSIONS: In this small review of 32 operations using the Contegra graft for RVOT reconstruction in adult cardiac surgery for different indications, we observed good postoperative mid-term results concerning conduit function. Mean transpulmonary pressure gradients remain low (13.3+/-6.6 mmHg postoperative, 14.5+/-7.9 mmHg at follow-up). The use of the Contegra graft seems to be a good alternative to the homograft with low operative mortality and morbidity. Long-term outcome data are not available and further investigations must be performed to evaluate results.

Synthesis of bone-like structured foams

Here we present a processing route to produce multi-structured ceramic foams based on the combination of particle-stabilized foams with polymeric sponges to produce positive and negative templating structures. Polyester sponges are infiltrated with freshly produced calcium aluminate alumina foams and upon sintering either positive templating structures are produced when wetting the sponges, or negative templating foams with a percolating pore network are obtained when completely filling the sponges. Additionally, by combining different layers of these particle-stabilized foam infiltrated sponges, various different structures can be produced, including sandwich structures, pore size gradients, and ceramic bone-like structures applying to different types of bone. The particle-stabilized foams used were in situ self-hardening calcium aluminate cement enriched alumina foams to obtain crack-free samples with pore interconnections and tailorable pore sizes.

Selection on a eumelanic ornament is stronger in the tropics than in temperate zones in the worldwide-distributed barn owl.

Spatial variation in the pattern of natural selection can promote local adaptation and genetic differentiation between populations. Because heritable melanin-based ornaments can signal resistance to environmentally mediated elevation in glucocorticoids, to oxidative stress and parasites, populations may vary in the mean degree of melanic coloration if selection on these phenotypic aspects varies geographically. Within a population of Swiss barn owls (Tyto alba), the size of eumelanic spots is positively associated with survival, immunity and resistance to stress, but it is yet unknown whether Tyto species that face stressful environments evolved towards a darker eumelanic plumage. Because selection regimes vary along environmental gradients, we examined whether melanin-based traits vary clinally and are expressed to a larger extent in the tropics where parasites are more abundant than in temperate zones. To this end, we considered 39 barn owl species distributed worldwide. Barn owl species living in the tropics displayed larger eumelanic spots than those found in temperate zones. This was, however, verified in the northern hemisphere only. Parasites being particularly abundant in the tropics, they may promote the evolution of darker eumelanic ornaments.

Eddy current effects on a clinical 7T-68 cm bore scanner.

INTRODUCTION: Eddy currents induced by switching of magnetic field gradients can lead to distortions in short echo-time spectroscopy or diffusion weighted imaging. In small bore magnets, such as human head-only systems, minimization of eddy current effects is more demanding because of the proximity of the gradient coil to conducting structures. METHODS: In the present study, the eddy current behavior achievable on a recently installed 7 tesla-68 cm bore head-only magnet was characterized. RESULTS: Residual effects after compensation were shown to be on the same order of magnitude as those measured on two whole body systems (3 and 4.7 T), while using two to three fold increased gradient slewrates.

Lipoprotein lipase and leptin are accumulated in different secretory compartments in rat adipocytes.

Adipose cells produce and secrete several physiologically important proteins, such as lipoprotein lipase (LPL), leptin, adipsin, Acrp30, etc. However, secretory pathways in adipocytes have not been characterized, and vesicular carriers responsible for the accumulation and transport of secreted proteins have not been identified. We have compared the intracellular localization of two proteins secreted from adipose cells: leptin and LPL. Adipocytes accumulate large amounts of both proteins, suggesting that neither of them is targeted to the constitutive secretory pathway. By means of velocity centrifugation in sucrose gradients, equilibrium density centrifugation in iodixanol gradients, and immunofluorescence confocal microscopy, we determined that LPL and leptin were localized in different membrane structures. LPL was found mainly in the endoplasmic reticulum with a small pool being present in low density membrane vesicles that may represent a secretory compartment in adipose cells. Virtually all intracellular leptin was localized in these low density secretory vesicles. Insulin-sensitive Glut4 vesicles did not contain either LPL or leptin. Thus, secretion from adipose cells is controlled both at the exit from the endoplasmic reticulum as well as at the level of "downstream" secretory vesicles.

Carotid Dose Spring in Definitive Irradiation of T1N0 Squamous Cell Laryngeal Carcinoma Using Helical Tomotherapy

Purpose/Objective(s): To implement a carotid dose sparing protocol using helical Tomotherapy in T1N0 squamous cell laryngeal carcinoma.Materials/Methods: Between July and August 2010, 7 men with stage T1N0 laryngeal carcinoma were included in this study. Age ranged from 47 - 74 years. Staging included endoscopic examination, CT-scan and MRI when indicated. Planned irradiation dose was 70 Gy in 35 fractions over 7 weeks. A simple treatment planning algorithm for carotid sparing was used: maximum point dose to the carotids 35 Gy, to the spinal cord 30 Gy, and 100% PTV volume to be covered with 95% of the prescribed dose. Carotid volume of interest extended to 1 cm above and below of the PTV. Doses to the carotid arteries, to the critical organs, and to the planned target volume (PTV) with our standard laryngeal irradiation protocol was compared. Daily megavoltage scans were obtained before each fraction. When necessary, the Planned Adaptive software (TomoTherapy Inc., Madison, WI) was used to evaluatethe need for a re-planning, which has never been indicated. Dose data were extracted using the VelocityAI software (Atlanta, GA), and data normalization and dose-volume histogram (DVH) interpolation were realized using the Igor Pro software (Portland, OR).Results:A significant (p\0.05) carotid dose sparing compared to our standard protocol with an average maximum point dose of 38.3 Gy (standard deviation [SD] 4.05 Gy), average mean dose of 18.59 Gy (SD 0.83 Gy) was achieved. In all patients, 95% of the carotid volume received less than 28.4 Gy (SD 0.98 Gy). The average maximum point dose to the spinal cord was 25.8 Gy (SD 3.24 Gy). PTV was fully covered with more than 95% of the prescribed dose for all patients with an average maximum point dose of 74.1 Gy and the absolute maximum dose in a single patient of 75.2 Gy. To date, the clinical outcomes have been excellent. Three patients (42%) developed stage 1 mucositis that was conservatively managed, and all the patients presented a mild to moderate dysphonia. All adverse effects resolved spontaneously in the month following the end of treatment. Early local control rate is 100% considering a 4 - 5 months post treatment follow-up.Conclusions: Helical Tomotherapy allows a clinically significant decrease of carotid irradiation dose compared to standard irradiation protocols with an acceptable spinal cord dose tradeoff. Moreover, this technique allows the PTV to be homogenously covered with a curative irradiation dose. Daily control imaging brings added security margins especially when working with high dose gradients. Further investigations and follow-up are underway to better evaluate the late clinical outcomes especially the local control rate, late laryngeal and vascular toxicity, and expected potential impact on cerebrovascular events.

Electrophoretic characteristics of monoclonal immunoglobulin G of different subclasses.

Monoclonal IgG are commonly observed in various B cell disorders, of which multiple myeloma is the most clinically relevant. In a series of serum samples, we identified by immunofixation 73 monoclonal IgG, including 63 IgG(1), 4 IgG(2), 5 IgG(3), and 1 IgG(4). The light chains were of kappa type in 45 cases, and of lambda type in 28 cases. These monoclonal IgG were further characterized by high resolution two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis (2-DE) in various isoelectric focusing conditions, as well as by 3-DE (2-DE of the proteins extracted from agarose after serum protein agarose electrophoresis). After 2-DE, 38 out of 73 monoclonal gamma chains (52%) were visualized using immobilized pH 3-10 gradients for isoelectric focusing. In 6 cases (8%), gamma chains were only detected using alkaline immobilized pH 6-11 gradients. In 3 cases (4%), 3-DE revealed monoclonal gamma chains hidden by polyclonal gamma chains. Finally, in 26 cases (36%), no monoclonal gamma chains were clearly visualized. Sixty-one monoclonal light chains (84%) were detected using immobilized pH 3-10 gradients, whereas 12 (16%) were not. Monoclonal gamma chains and light chains were highly heterogeneous in terms of pI and M(r). However, a statistically significant correlation (P<0.05) was observed between the position of the monoclonal IgG in agarose gel and the pI of their heavy and light chains (R=0.733, multiple linear regression). Because of the extreme diversity of their heavy and light chains, it appears that a classification of monoclonal IgG based only on their electrophoretic properties is not possible.

Contrasting spatio-temporal climatic niche dynamics during the eastern and western invasions of spotted knapweed in North America

Aim The spotted knapweed (Centaurea stoebe), a plant native to south-east and central Europe, is highly invasive in North America. We investigated the spatio-temporal climatic niche dynamics of the spotted knapweed in North America along two putative eastern and western invasion routes. We then considered the patterns observed in the light of historical, ecological and evolutionary factors. Location Europe and North America. Methods The niche characteristics of the east and west invasive populations of spotted knapweed in North America were determined from documented occurrences over 120 consecutive years (1890-2010). The 2.5 and 97.5 percentiles of values along temperature and precipitation gradients, as given by the two first axes of a principal component axis (PCA), were then calculated. We additionally measured the climatic dissimilarity between invaded and native niches using a multivariate environmental similarity surface (MESS) analysis. Results Along both invasion routes, the species established in regions with climatic conditions that were similar to those in the native range in Europe. An initial spread in ruderal habitats always preceded spread in (semi-)natural habitats. In the east, the niche gradually increased over time until it reached limits similar to the native niche. Conversely, in the west the niche abruptly expanded after an extended time lag into climates not occupied in the native range; only the native cold niche limit was conserved. Main conclusions Our study reveals that different niche dynamics have taken place during the eastern and western invasions. This pattern indicates different combinations of historical, ecological and evolutionary factors in the two ranges. We hypothesize that the lack of a well-developed transportation network in the west at the time of the introduction of spotted knapweed confined the species to a geographically and climatically isolated region. The invasion of dry rangelands may have been favoured during the agricultural transition in the 1930s by release from natural enemies, local adaptation and less competitive vegetation, but further experimental and molecular studies are needed to explain these contrasting niche patterns fully. Our study illustrates the need and benefit of applying large-scale, temporally explicit approaches to understanding biological invasions.