Simulation of stromatolite growth using diffusion-limited aggregation and a discrete model of biogeochemical exchanges in microbial mat

Resume : Mieux comprendre les stromatolithes et les tapis microbiens est un sujet important en biogéosciences puisque cela aide à l'étude des premières formes de vie sur Terre, a mieux cerner l'écologie des communautés microbiennes et la contribution des microorganismes a la biominéralisation, et même à poser certains fondements dans les recherches en exobiologie. D'autre part, la modélisation est un outil puissant utilisé dans les sciences naturelles pour appréhender différents phénomènes de façon théorique. Les modèles sont généralement construits sur un système d'équations différentielles et les résultats sont obtenus en résolvant ce système. Les logiciels disponibles pour implémenter les modèles incluent les logiciels mathématiques et les logiciels généraux de simulation. L'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles et des logiciels pour aider a comprendre, via la simulation, le fonctionnement des stromatolithes et des tapis microbiens. Ces logiciels ont été développés en C++ en ne partant d'aucun pré-requis de façon a privilégier performance et flexibilité maximales. Cette démarche permet de construire des modèles bien plus spécifiques et plus appropriés aux phénomènes a modéliser. Premièrement, nous avons étudié la croissance et la morphologie des stromatolithes. Nous avons construit un modèle tridimensionnel fondé sur l'agrégation par diffusion limitée. Le modèle a été implémenté en deux applications C++: un moteur de simulation capable d'exécuter un batch de simulations et de produire des fichiers de résultats, et un outil de visualisation qui permet d'analyser les résultats en trois dimensions. Après avoir vérifié que ce modèle peut en effet reproduire la croissance et la morphologie de plusieurs types de stromatolithes, nous avons introduit un processus de sédimentation comme facteur externe. Ceci nous a mené a des résultats intéressants, et permis de soutenir l'hypothèse que la morphologie des stromatolithes pourrait être le résultat de facteurs externes autant que de facteurs internes. Ceci est important car la classification des stromatolithes est généralement fondée sur leur morphologie, imposant que la forme d'un stromatolithe est dépendante de facteurs internes uniquement (c'est-à-dire les tapis microbiens). Les résultats avancés dans ce mémoire contredisent donc ces assertions communément admises. Ensuite, nous avons décidé de mener des recherches plus en profondeur sur les aspects fonctionnels des tapis microbiens. Nous avons construit un modèle bidimensionnel de réaction-diffusion fondé sur la simulation discrète. Ce modèle a été implémenté dans une application C++ qui permet de paramétrer et exécuter des simulations. Nous avons ensuite pu comparer les résultats de simulation avec des données du monde réel et vérifier que le modèle peut en effet imiter le comportement de certains tapis microbiens. Ainsi, nous avons pu émettre et vérifier des hypothèses sur le fonctionnement de certains tapis microbiens pour nous aider à mieux en comprendre certains aspects, comme la dynamique des éléments, en particulier le soufre et l'oxygène. En conclusion, ce travail a abouti à l'écriture de logiciels dédiés à la simulation de tapis microbiens d'un point de vue tant morphologique que fonctionnel, suivant deux approches différentes, l'une holistique, l'autre plus analytique. Ces logiciels sont gratuits et diffusés sous licence GPL (General Public License). Abstract : Better understanding of stromatolites and microbial mats is an important topic in biogeosciences as it helps studying the early forms of life on Earth, provides clues re- garding the ecology of microbial ecosystems and their contribution to biomineralization, and gives basis to a new science, exobiology. On the other hand, modelling is a powerful tool used in natural sciences for the theoretical approach of various phenomena. Models are usually built on a system of differential equations and results are obtained by solving that system. Available software to implement models includes mathematical solvers and general simulation software. The main objective of this thesis is to develop models and software able to help to understand the functioning of stromatolites and microbial mats. Software was developed in C++ from scratch for maximum performance and flexibility. This allows to build models much more specific to a phenomenon rather than general software. First, we studied stromatolite growth and morphology. We built a three-dimensional model based on diffusion-limited aggregation. The model was implemented in two C++ applications: a simulator engine, which can run a batch of simulations and produce result files, and a Visualization tool, which allows results to be analysed in three dimensions. After verifying that our model can indeed reproduce the growth and morphology of several types of stromatolites, we introduced a sedimentation process as an external factor. This lead to interesting results, and allowed to emit the hypothesis that stromatolite morphology may be the result of external factors as much as internal factors. This is important as stromatolite classification is usually based on their morphology, imposing that a stromatolite shape is dependant on internal factors only (i.e. the microbial mat). This statement is contradicted by our findings, Second, we decided to investigate deeper the functioning of microbial mats, We built a two-dimensional reaction-diffusion model based on discrete simulation, The model was implemented in a C++ application that allows setting and running simulations. We could then compare simulation results with real world data and verify that our model can indeed mimic the behaviour of some microbial mats. Thus, we have proposed and verified hypotheses regarding microbial mats functioning in order to help to better understand them, e.g. the cycle of some elements such as oxygen or sulfur. ln conclusion, this PhD provides a simulation software, dealing with two different approaches. This software is free and available under a GPL licence.

Support informatique à l'enseignement prégradué de la dermatologie CD-Rom : ''Le petit Rouvé : atlas de dermatologie''

Résumé L'arrivée en force de l'imagerie numérique de bonne qualité à un prix abordable m'a fait réfléchir à la meilleure manière de l'intégrer dans la pratique courante de l'enseignement de la dermatologie, spécialité très visuelle. Comment mettre à profit la richesse des images et les nombreuses possibilités pédagogiques que l'informatique offre. J'ai étudié quelques produits existant sur le marché; je constate que les possibilités offertes par l'informatique restent souvent sous exploitées. Les réalisations manquent de liens hypertextes et la facilité d'accès aux images que permet l'informatique n'est pas appliquée. Les images sont trop souvent présentées avec une légende trop brève, ne soulignant pas les points importants pour le diagnostic. Certains outils ne proposent même pas de diagnostics différentiels. Ma réflexion me pousse à croire que l'apprentissage doit se faire par l'image. L'étudiant doit y apprendre les bases du diagnostic morphologique, trouver ce qui lui permet de poser le diagnostic. Compte tenu de mes observations, j'ai développé à Lausanne mon propre atlas interactif de diagnostics différentiels, basé sur la comparaison d'images. Mon projet n'a donc pas pour but de remplacer un livre ou un atlas, mais je souhaite compléter les moyens d'apprentissage basés sur l'image. Sa particularité tient dans la manière dont on a sélectionné les diagnostics différentiels; mon critère principal n'a pas été un choix théorique, mais la ressemblance entre deux images de ma bibliothèque. Cette manière de procéder m'a forcé à résoudre quelques questions fondamentales à propos des diagnostics différentiels. J'ai prêté une attention particulière à ce que l'utilisateur replace aisément les 850 images dans une structure que j'ai voulue claire. Cela m'a poussé à réfléchir sur la manière dont on aborde la dermatologie: par localisation, d'après les lésions, selon l'âge ou d'après des critères de physiopathologie ? Chaque image est accessible par la table des matières originale, soit par un module de recherche multicritère. Mon produit est personnalisable grâce à la présence de plusieurs outils. "Le Petit Rouvé", première version, est maintenant disponible pour une phase de test. Dans un second temps, l'atlas sera distribué aux étudiants de 4ème et 6ème année de la Faculté de médecine de Lausanne pour la rentrée de 2004-2005.

Fluid dynamics simulation of right ventricular outflow tract oversizing.

OBJECTIVES: Repair of the right ventricular outflow tract (RVOT) in paediatric cardiac surgery remains challenging due to the high reoperation rate. Intimal hyperplasia and consequent arteriosclerosis is one of the most important limitation factors for graft durability. Since local shear stress and pressure are predictive elements for intimal hyperplasia and wall degeneration, we sought to determine in an oversized 12-mm RVOT model, with computed fluid dynamics simulation, the local haemodynamical factors that may explain intimal hyperplasia. This was done with the aim of identifying the optimal degree of oversizing for a 12-mm native RVOT. METHODS: Twenty domestic pigs, with a weight of 24.6 ± 0.89 kg and a native RVOT diameter of 12 ± 1.7 mm, had valve conduits of 12, 16, 18 and 20 mm implanted. Pressure and flow were measured at 75, 100 and 125% of normal flow at RVOT at the pulmonary artery, pulmonary artery bifurcation and at the left and right pulmonary arteries. Three-dimensional computed fluid dynamics (CFD) simulation in all four geometries in all flow modalities was performed. Local shear stress and pressure conditions were investigated. RESULTS: Corresponding to 75, 100 and 125% of steady-state flow, three inlet velocity profiles were obtained, 0.2, 0.29 and 0.36 m/s, respectively. At inflow velocity profiles, low shear stress areas, ranged from 0 to 2 Pa, combined with high-pressure areas ranging from 11.5 to 12.1 mmHg that were found at distal anastomosis, at bifurcation and at the ostia of the left and right pulmonary arteries in all geometries. CONCLUSIONS: In all three oversized geometries, the local reparation of shear stress and pressure in the 16-mm model showed a similar local profile as in the native 12 mm RVOT. According to these findings, we suggest oversizing the natural 12-mm RVOT by not more than 4 mm. The elements responsible for wall degeneration and intimal hyperplasia remain very similar to the conditions present in native RVOT.

The effect of learning on the evolution of new courtship behavior: a simulation model

The fact that individuals learn can change the relationship between genotype and phenotype in the population, and thus affect the evolutionary response to selection. Here we ask how male ability to learn from female response affects the evolution of a novel male behavioral courtship trait under pre-existing female preference (sensory drive). We assume a courtship trait which has both a genetic and a learned component, and a two-level female response to males. With individual-based simulations we show that, under this scenario, learning generally increases the strength of selection on the genetic component of the courtship trait, at least when the population genetic mean is still low. As a consequence, learning not only accelerates the evolution of the courtship trait, but also enables it when the trait is costly, which in the absence of learning results in an adaptive valley. Furthermore, learning can enable the evolution of the novel trait in the face of gene flow mediated by immigration of males that show superior attractiveness to females based on another, non-heritable trait. However, rather than increasing monotonically with the speed of learning, the effect of learning on evolution is maximized at intermediate learning rates. This model shows that, at least under some scenarios, the ability to learn can drive the evolution of mating behaviors through a process equivalent to Waddington's genetic assimilation.

L'informatique: un outil remarquable pour l'enseignement de la médecine interne générale [The informatics: a remarkable tool for teaching general internal medicine].

INTERMED training implies a three week course, integrated in the "primary care module" for medical students in the first master year at the school of medicine in Lausanne. INTERMED uses an innovative teaching method based on repetitive sequences of e-learning-based individual learning followed by collaborative learning activities in teams, named Team-based learning (TBL). The e-learning takes place in a web-based virtual learning environment using a series of interactive multimedia virtual patients. By using INTERMED students go through a complete medical encounter applying clinical reasoning and choosing the diagnostic and therapeutic approach. INTERMED offers an authentic experience in an engaging and safe environment where errors are allowed and without consequences.