Artificial evolution on network structures : how time and space influence dynamics

Abstract The main objective of this work is to show how the choice of the temporal dimension and of the spatial structure of the population influences an artificial evolutionary process. In the field of Artificial Evolution we can observe a common trend in synchronously evolv¬ing panmictic populations, i.e., populations in which any individual can be recombined with any other individual. Already in the '90s, the works of Spiessens and Manderick, Sarma and De Jong, and Gorges-Schleuter have pointed out that, if a population is struc¬tured according to a mono- or bi-dimensional regular lattice, the evolutionary process shows a different dynamic with respect to the panmictic case. In particular, Sarma and De Jong have studied the selection pressure (i.e., the diffusion of a best individual when the only selection operator is active) induced by a regular bi-dimensional structure of the population, proposing a logistic modeling of the selection pressure curves. This model supposes that the diffusion of a best individual in a population follows an exponential law. We show that such a model is inadequate to describe the process, since the growth speed must be quadratic or sub-quadratic in the case of a bi-dimensional regular lattice. New linear and sub-quadratic models are proposed for modeling the selection pressure curves in, respectively, mono- and bi-dimensional regu¬lar structures. These models are extended to describe the process when asynchronous evolutions are employed. Different dynamics of the populations imply different search strategies of the resulting algorithm, when the evolutionary process is used to solve optimisation problems. A benchmark of both discrete and continuous test problems is used to study the search characteristics of the different topologies and updates of the populations. In the last decade, the pioneering studies of Watts and Strogatz have shown that most real networks, both in the biological and sociological worlds as well as in man-made structures, have mathematical properties that set them apart from regular and random structures. In particular, they introduced the concepts of small-world graphs, and they showed that this new family of structures has interesting computing capabilities. Populations structured according to these new topologies are proposed, and their evolutionary dynamics are studied and modeled. We also propose asynchronous evolutions for these structures, and the resulting evolutionary behaviors are investigated. Many man-made networks have grown, and are still growing incrementally, and explanations have been proposed for their actual shape, such as Albert and Barabasi's preferential attachment growth rule. However, many actual networks seem to have undergone some kind of Darwinian variation and selection. Thus, how these networks might have come to be selected is an interesting yet unanswered question. In the last part of this work, we show how a simple evolutionary algorithm can enable the emrgence o these kinds of structures for two prototypical problems of the automata networks world, the majority classification and the synchronisation problems. Synopsis L'objectif principal de ce travail est de montrer l'influence du choix de la dimension temporelle et de la structure spatiale d'une population sur un processus évolutionnaire artificiel. Dans le domaine de l'Evolution Artificielle on peut observer une tendence à évoluer d'une façon synchrone des populations panmictiques, où chaque individu peut être récombiné avec tout autre individu dans la population. Déjà dans les année '90, Spiessens et Manderick, Sarma et De Jong, et Gorges-Schleuter ont observé que, si une population possède une structure régulière mono- ou bi-dimensionnelle, le processus évolutionnaire montre une dynamique différente de celle d'une population panmictique. En particulier, Sarma et De Jong ont étudié la pression de sélection (c-à-d la diffusion d'un individu optimal quand seul l'opérateur de sélection est actif) induite par une structure régulière bi-dimensionnelle de la population, proposant une modélisation logistique des courbes de pression de sélection. Ce modèle suppose que la diffusion d'un individu optimal suit une loi exponentielle. On montre que ce modèle est inadéquat pour décrire ce phénomène, étant donné que la vitesse de croissance doit obéir à une loi quadratique ou sous-quadratique dans le cas d'une structure régulière bi-dimensionnelle. De nouveaux modèles linéaires et sous-quadratique sont proposés pour des structures mono- et bi-dimensionnelles. Ces modèles sont étendus pour décrire des processus évolutionnaires asynchrones. Différentes dynamiques de la population impliquent strategies différentes de recherche de l'algorithme résultant lorsque le processus évolutionnaire est utilisé pour résoudre des problèmes d'optimisation. Un ensemble de problèmes discrets et continus est utilisé pour étudier les charactéristiques de recherche des différentes topologies et mises à jour des populations. Ces dernières années, les études de Watts et Strogatz ont montré que beaucoup de réseaux, aussi bien dans les mondes biologiques et sociologiques que dans les structures produites par l'homme, ont des propriétés mathématiques qui les séparent à la fois des structures régulières et des structures aléatoires. En particulier, ils ont introduit la notion de graphe sm,all-world et ont montré que cette nouvelle famille de structures possède des intéressantes propriétés dynamiques. Des populations ayant ces nouvelles topologies sont proposés, et leurs dynamiques évolutionnaires sont étudiées et modélisées. Pour des populations ayant ces structures, des méthodes d'évolution asynchrone sont proposées, et la dynamique résultante est étudiée. Beaucoup de réseaux produits par l'homme se sont formés d'une façon incrémentale, et des explications pour leur forme actuelle ont été proposées, comme le preferential attachment de Albert et Barabàsi. Toutefois, beaucoup de réseaux existants doivent être le produit d'un processus de variation et sélection darwiniennes. Ainsi, la façon dont ces structures ont pu être sélectionnées est une question intéressante restée sans réponse. Dans la dernière partie de ce travail, on montre comment un simple processus évolutif artificiel permet à ce type de topologies d'émerger dans le cas de deux problèmes prototypiques des réseaux d'automates, les tâches de densité et de synchronisation.

Voir le monde à travers les lunettes du métacontraste: un modèle mathématique inspiré de la psychologie sociale

La théorie de l'autocatégorisation est une théorie de psychologie sociale qui porte sur la relation entre l'individu et le groupe. Elle explique le comportement de groupe par la conception de soi et des autres en tant que membres de catégories sociales, et par l'attribution aux individus des caractéristiques prototypiques de ces catégories. Il s'agit donc d'une théorie de l'individu qui est censée expliquer des phénomènes collectifs. Les situations dans lesquelles un grand nombre d'individus interagissent de manière non triviale génèrent typiquement des comportements collectifs complexes qui sont difficiles à prévoir sur la base des comportements individuels. La simulation informatique de tels systèmes est un moyen fiable d'explorer de manière systématique la dynamique du comportement collectif en fonction des spécifications individuelles. Dans cette thèse, nous présentons un modèle formel d'une partie de la théorie de l'autocatégorisation appelée principe du métacontraste. À partir de la distribution d'un ensemble d'individus sur une ou plusieurs dimensions comparatives, le modèle génère les catégories et les prototypes associés. Nous montrons que le modèle se comporte de manière cohérente par rapport à la théorie et est capable de répliquer des données expérimentales concernant divers phénomènes de groupe, dont par exemple la polarisation. De plus, il permet de décrire systématiquement les prédictions de la théorie dont il dérive, notamment dans des situations nouvelles. Au niveau collectif, plusieurs dynamiques peuvent être observées, dont la convergence vers le consensus, vers une fragmentation ou vers l'émergence d'attitudes extrêmes. Nous étudions également l'effet du réseau social sur la dynamique et montrons qu'à l'exception de la vitesse de convergence, qui augmente lorsque les distances moyennes du réseau diminuent, les types de convergences dépendent peu du réseau choisi. Nous constatons d'autre part que les individus qui se situent à la frontière des groupes (dans le réseau social ou spatialement) ont une influence déterminante sur l'issue de la dynamique. Le modèle peut par ailleurs être utilisé comme un algorithme de classification automatique. Il identifie des prototypes autour desquels sont construits des groupes. Les prototypes sont positionnés de sorte à accentuer les caractéristiques typiques des groupes, et ne sont pas forcément centraux. Enfin, si l'on considère l'ensemble des pixels d'une image comme des individus dans un espace de couleur tridimensionnel, le modèle fournit un filtre qui permet d'atténuer du bruit, d'aider à la détection d'objets et de simuler des biais de perception comme l'induction chromatique. Abstract Self-categorization theory is a social psychology theory dealing with the relation between the individual and the group. It explains group behaviour through self- and others' conception as members of social categories, and through the attribution of the proto-typical categories' characteristics to the individuals. Hence, it is a theory of the individual that intends to explain collective phenomena. Situations involving a large number of non-trivially interacting individuals typically generate complex collective behaviours, which are difficult to anticipate on the basis of individual behaviour. Computer simulation of such systems is a reliable way of systematically exploring the dynamics of the collective behaviour depending on individual specifications. In this thesis, we present a formal model of a part of self-categorization theory named metacontrast principle. Given the distribution of a set of individuals on one or several comparison dimensions, the model generates categories and their associated prototypes. We show that the model behaves coherently with respect to the theory and is able to replicate experimental data concerning various group phenomena, for example polarization. Moreover, it allows to systematically describe the predictions of the theory from which it is derived, specially in unencountered situations. At the collective level, several dynamics can be observed, among which convergence towards consensus, towards frag-mentation or towards the emergence of extreme attitudes. We also study the effect of the social network on the dynamics and show that, except for the convergence speed which raises as the mean distances on the network decrease, the observed convergence types do not depend much on the chosen network. We further note that individuals located at the border of the groups (whether in the social network or spatially) have a decisive influence on the dynamics' issue. In addition, the model can be used as an automatic classification algorithm. It identifies prototypes around which groups are built. Prototypes are positioned such as to accentuate groups' typical characteristics and are not necessarily central. Finally, if we consider the set of pixels of an image as individuals in a three-dimensional color space, the model provides a filter that allows to lessen noise, to help detecting objects and to simulate perception biases such as chromatic induction.

Detection of clusters using space-time scan statistics

This paper aims at detecting spatio-temporal clustering in fire sequences using space?time scan statistics, a powerful statistical framework for the analysis of point processes. The methodology is applied to active fire detection in the state of Florida (US) identified by MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) during the period 2003?06. Results of the present study show that statistically significant clusters can be detected and localized in specific areas and periods of the year. Three out of the five most likely clusters detected for the entire frame period are localized in the north of the state, and they cover forest areas; the other two clusters cover a large zone in the south, corresponding to agricultural land and the prairies in the Everglades. In order to analyze if the wildfires recur each year during the same period, the analyses have been performed separately for the 4 years: it emerges that clusters of forest fires are more frequent in hot seasons (spring and summer), while in the southern areas, they are widely present during the whole year. The recognition of overdensities of events and the ability to locate them in space and in time can help in supporting fire management and focussing on prevention measures.

Sex-chromosome evolution of Palearctic tree frogs in space and time

Sexual reproduction is nearly universal in eukaryotes and genetic determination of sex prevails among animals. The astonishing diversity of sex-determining systems and sex chromosomes is yet bewildering. Some taxonomic groups possess conserved and dimorphic sex chromosomes, involving a functional copy (e.g. mammals' X, birds' Z) and a degenerated copy (mammals' Y, birds' W), implying that sex- chromosomes are expected to decay. In contrast, others like amphibians, reptiles and fishes yet maintained undifferentiated sex chromosomes. Why such different evolutionary trajectories? In this thesis, we empirically test and characterize the main hypotheses proposed to prevent the genetic decay of sex chromosomes, namely occasional X-Y recombination and frequent sex-chromosome transitions, using the Palearctic radiation of Hyla tree frogs as a model system. We take a phylogeographic and phylogenetic approach to relate sex-chromosome recombination, differentiation, and transitions in a spatial and temporal framework. By reconstructing the recent evolutionary history of the widespread European tree frog H. arborea, we showed that sex chromosomes can recombine in males, preventing their differentiation, a situation that potentially evolves rapidly. At the scale of the entire radiation, X-Y recombination combines with frequent transitions to prevent sex-chromosome degeneration in Hyla: we traced several turnovers of sex-determining system within the last 10My. These rapid changes seem less random than usually assumed: we gathered evidences that one chromosome pair is a sex expert, carrying genes with key role in animal sex determination, and which probably specialized through frequent reuse as a sex chromosome in Hyla and other amphibians. Finally, we took advantage of secondary contact zones between closely-related Hyla lineages to evaluate the consequences of sex chromosome homomorphy on the genetics of speciation. In comparison with other systems, the evolution of sex chromosomes in Hyla emphasized the existence of consistent evolutionary patterns within the chaotic diversity of flexibility of cold-blooded vertebrates' sex-determining systems, and provides insights into the evolution of recombination. Beyond sex-chromosome evolution, this work also significantly contributed to speciation, phylogeography and applied conservation research. -- La reproduction sexuée est quasi-universelle chez les eucaryotes et le sexe est le plus souvent déterminé génétiquement au sein du règne animal. L'incroyable diversité des systèmes de reproduction et des chromosomes sexuels est particulièrement étonnante. Certains groupes taxonomiques possèdent des chromosomes sexuels dimorphiques et très conservés, avec une copie entièrement fonctionnelle (ex : le X des mammifères, le Z des oiseaux) et une copie dégénérée (ex : le Y des mammifères, le W des oiseaux), suggérant que les chromosomes sexuels sont voués à se détériorer. Cependant les chromosomes sexuels d'autres groupes tels que les amphibiens, les reptiles et les poissons sont pour la plupart indifférenciés. Comment expliquer des trajectoires évolutives si différentes? Au cours de cette thèse, nous avons étudié empiriquement les processus évolutifs pouvant maintenir les chromosomes sexuels intacts, à savoir la recombinaison X-Y occasionnel ainsi que les substitutions fréquentes de chromosomes sexuels, en utilisant les rainettes Paléarctiques du genre Hyla comme modèle d'étude. Nous avons adopté une approche phylogéographique et phylogénétique pour appréhender les événements de recombinaison, de différenciation et de transitions de chromosomes sexuels dans un contexte spatio-temporel. En retraçant l'histoire évolutive récente de la rainette verte H. arborea, nous avons mis en évidence que les chromosomes sexuels pouvaient recombiner chez les mâles, empêchant ainsi leur différenciation, et que ce processus avait le potentiel d'évoluer très rapidement. A l'échelle plus globale de la radiation, il apparait que les phénomènes de recombinaison X-Y soient également accompagnés de substitutions de chromosomes sexuels, et participent de concert au maintien de chromosomes sexuels intacts dans les populations: le système de détermination du sexe des rainettes a changé plusieurs fois au cours des 10 derniers millions d'années. Ces transitions fréquentes ne semblent pas aléatoires: nous avons identifié une paire de chromosomes qui présente des caractéristiques présageant d'une spécialisation dans le déterminisme du sexe (notamment car elle possède des gènes importants pour cette fonction), et qui a été réutilisée plusieurs fois comme tel chez les rainettes ainsi que d'autres amphibiens. Enfin, nous avons étudié l'hybridation entre différentes espèces dans leurs zones de contact, afin d'évaluer si l'absence de différenciation entre X et Y jouaient un rôle dans les processus génétiques de spéciation. Outre son intérêt pour la compréhension de l'évolution des chromosomes sexuels, ce travail contribue de manière significative à d'autres domaines de recherche tels que la spéciation, la phylogéographie, ainsi que la biologie de la conservation.

Risk Factors for Incisional and Organ Space Surgical Site Infections After Liver Resection are Different.

BACKGROUND: Surgical site infection (SSI) is a common cause of major morbidity after liver resection. This study aimed to identify the risk factors for incisional and organ/space SSIs after liver resection. METHODS: Our liver surgery database was retrospectively analyzed for patients treated between January 2009 and November 2012 in a tertiary care Swiss hospital. Univariate and multivariate analyses were conducted on preoperative, intraoperative, and postoperative variables to identify risk factors for incisional and organ/space SSIs. RESULTS: In a total of 226 patients, SSI incidences were 12.8 % (incisional), 4.0 % (organ/space), and 1.8 % (both). Univariate analysis showed that incisional SSIs were associated with high American Society of Anesthesiologists (ASA) scores, preoperative anemia, hypoalbuminemia, low prothrombin time, viral or alcoholic chronic hepatitis, liver cirrhosis, and prolonged operation times. Organ/space SSIs were associated with high rates of red blood cell transfusions, concomitant bowel surgery, and prolonged operation times. Multivariate analysis revealed that risk factors for incisional SSIs were anemia [odds ratio (OR) 2.82], high ASA scores (OR 2.88), presence of hepatitis or cirrhosis (OR 5.07), and prolonged operation times (OR 9.61). The only risk factor for organ/space SSIs was concomitant bowel surgery (OR 5.53). Hospital stays were similar in organ/space and incisional SSI groups, but significantly longer for those with both organ/space and incisional SSIs. CONCLUSIONS: High ASA scores, anemia, chronic hepatitis or liver cirrhosis, and prolonged operations increased the risk of incisional SSIs; concomitant bowel surgery increased the risk of organ/space SSI. Specific precautions to prevent organ/space and incisional SSIs may shorten hospital stays.

The border of reproductive control: undocumented immigration as a risk factor for unintended pregnancy in Switzerland.

Unintended pregnancies reflect an unmet need for family planning, and are part of health disparities. Using the only database to inquire about pregnancy intention among women in Switzerland, this study examined the relationship between immigrant documentation and unintended pregnancy (UP). Among pregnant women presenting to a Swiss hospital, we compared pregnancy intention between documented and undocumented women. We used logistic regression to examine whether undocumented status was associated with UP after adjusting for other significant predictors. Undocumented women had more unintended pregnancies (75.2 vs. 20.6 %, p = 0.00). Undocumented status was associated with UP after adjustment (OR 6.23, 95 % CI 1.83-21.2), as was a history of psychological problems (OR 4.09, 95 % CI 1.32-12.7). Contraception non-use was notably associated with lower odds of UP (OR 0.01, 95 % CI 0.004-0.04). Undocumented status was significantly associated with UP, even after adjusting for well-recognized risk factors. This highlights the tremendous risk of undocumented status on UP among women in Switzerland.

Generation and interconnection capacity expansion in cross-border electricity markets : the need for policy coordination

Electricity is a strategic service in modern societies. Thus, it is extremely important for governments to be able to guarantee an affordable and reliable supply, which depends to a great extent on an adequate expansion of the generation and transmission capacities. Cross- border integration of electricity markets creates new challenges for the regulators, since the evolution of the market is now influenced by the characteristics and policies of neighbouring countries. There is still no agreement on why and how regions should integrate their electricity markets. The aim of this thesis is to improve the understanding of integrated electricity markets and how their behaviour depends on the prevailing characteristics of the national markets and the policies implemented in each country. We developed a simulation model to analyse under what circumstances integration is desirable. This model is used to study three cases of interconnection between two countries. Several policies regarding interconnection expansion and operation, combined with different generation capacity adequacy mechanisms, are evaluated. The thesis is composed of three papers. The first paper presents a detailed description of the model and an analysis of the case of Colombia and Ecuador. It shows that market coupling can bring important benefits, but the relative size of the countries can lead to import dependency issues in the smaller country. The second paper compares the case of Colombia and Ecuador with the case of Great Britain and France. These countries are significantly different in terms of electricity sources, hydro- storage capacity, complementarity and demand growth. We show that complementarity is essential in order to obtain benefits from integration, while higher demand growth and hydro- storage capacity can lead to counterintuitive outcomes, thus complicating policy design. In the third paper, an extended version of the model presented in the first paper is used to analyse the case of Finland and its interconnection with Russia. Different trading arrangements are considered. We conclude that unless interconnection capacity is expanded, the current trading arrangement, where a single trader owns the transmission rights and limits the flow during peak hours, is beneficial for Finland. In case of interconnection expansion, market coupling would be preferable. We also show that the costs of maintaining a strategic reserve in Finland are justified in order to limit import dependency, while still reaping the benefits of interconnection. In general, we conclude that electricity market integration can bring benefits if the right policies are implemented. However, a large interconnection capacity is only desirable if the countries exhibit significant complementarity and trust each other. The outcomes of policies aimed at guaranteeing security of supply at a national level can be quite counterintuitive due to the interactions between neighbouring countries and their effects on interconnection and generation investments. Thus, it is important for regulators to understand these interactions and coordinate their decisions in order to take advantage of the interconnection without putting security of supply at risk. But it must be taken into account that even when integration brings benefits to the region, some market participants lose and might try to hinder the integration process. -- Dans les sociétés modernes, l'électricité est un service stratégique. Il est donc extrêmement important pour les gouvernements de pouvoir garantir la sécurité d'approvisionnement à des prix abordables. Ceci dépend en grande mesure d'une expansion adéquate des capacités de génération et de transmission. L'intégration des marchés électriques pose des nouveaux défis pour les régulateurs, puisque l'évolution du marché est maintenant influencée par les caractéristiques et les politiques des pays voisins. Il n'est pas encore claire pourquoi ni comment les marches électriques devraient s'intégrer. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension des marchés intégrés d'électricité et de leur comportement en fonction des caractéristiques et politiques de chaque pays. Un modèle de simulation est proposé pour étudier les conditions dans lesquelles l'intégration est désirable. Ce modèle est utilisé pour étudier trois cas d'interconnexion entre deux pays. Plusieurs politiques concernant l'expansion et l'opération de l'interconnexion, combinées avec différents mécanismes de rémunération de la capacité, sont évalués. Cette thèse est compose de trois articles. Le premier présente une description détaillée du modèle et une analyse du cas de la Colombie et de l'Equateur. Il montre que le couplage de marchés peut amener des bénéfices importants ; cependant, la différence de taille entre pays peut créer des soucis de dépendance aux importations pour le pays le plus petit. Le second papier compare le cas de la Colombie et l'Equateur avec le cas de la Grande Bretagne et de la France. Ces pays sont très différents en termes de ressources, taille des réservoirs d'accumulation pour l'hydro, complémentarité et croissance de la demande. Nos résultats montrent que la complémentarité joue un rôle essentiel dans l'obtention des bénéfices potentiels de l'intégration, alors qu'un taux élevé de croissance de la demande, ainsi qu'une grande capacité de stockage, mènent à des résultats contre-intuitifs, ce qui complique les décisions des régulateurs. Dans le troisième article, une extension du modèle présenté dans le premier article est utilisée pour analyser le cas de la Finlande et de la Russie. Différentes règles pour les échanges internationaux d'électricité sont considérées. Nos résultats indiquent qu'à un faible niveau d'interconnexion, la situation actuelle, où un marchand unique possède les droits de transmission et limite le flux pendant les heures de pointe, est bénéfique pour la Finlande. Cependant, en cas d'expansion de la capacité d'interconnexion, «market coupling» est préférable. préférable. Dans tous les cas, la Finlande a intérêt à garder une réserve stratégique, car même si cette politique entraine des coûts, elle lui permet de profiter des avantages de l'intégration tout en limitant ca dépendance envers les importations. En général, nous concluons que si les politiques adéquates sont implémentées, l'intégration des marchés électriques peut amener des bénéfices. Cependant, une grande capacité d'interconnexion n'est désirable que si les pays ont une complémentarité importante et il existe une confiance mutuelle. Les résultats des politiques qui cherchent à préserver la sécurité d'approvisionnement au niveau national peuvent être très contre-intuitifs, étant données les interactions entre les pays voisins et leurs effets sur les investissements en génération et en interconnexion. Il est donc très important pour les régulateurs de comprendre ces interactions et de coordonner décisions à fin de pouvoir profiter de l'interconnexion sans mettre en danger la sécurité d'approvisionnement. Mais il faut être conscients que même quand l'intégration amène de bénéfices pour la région, certains participants au marché sont perdants et pourraient essayer de bloquer le processus d'intégration.

Cross-Border Place Branding : The Case of Geneva Highlighting Multidimensionality of Places and the Potential Role of Politico-Institutional Aspects

Place branding is not a new phenomenon. The emphasis placed on place branding has recently become particularly strong and explicit to both practitioners and scholars, in the current context of a growing mobility of capital and people. On the one hand, there is a need for practitioners to better understand place brands and better implement place branding strategies. In this respect, this domain of study can be currently seen as 'practitioner led', and in this regard many contributions assess specific cases in order to find success factors and best practices for place branding. On the other hand, at a more analytical level, recent studies show the complexity of the concept of place branding and argue that place branding works as a process including various stakeholders, in which culture and identity play a crucial role. In the literature, tourists, companies and residents represent the main target groups of place branding. The issues regarding tourists and companies have been examined since long by place promoters, location branders, economists or other scholars. However, the analysis of residents' role in place branding has been overlooked until recently and represents a new interest for researchers. The present research aims to further develop the concept of place branding, both theoretically and empirically. First of all, the paper presents a theoretical overview of place branding, from general basic questions (definition of place, brand and place brand) to specific current debates of the literature. Subsequently, the empirical part consists in a case study of the Grand Genève (Great Geneva).

Task-Driven Activity Reduces the Cortical Activity Space of the Brain: Experiment and Whole-Brain Modeling.

How a stimulus or a task alters the spontaneous dynamics of the brain remains a fundamental open question in neuroscience. One of the most robust hallmarks of task/stimulus-driven brain dynamics is the decrease of variability with respect to the spontaneous level, an effect seen across multiple experimental conditions and in brain signals observed at different spatiotemporal scales. Recently, it was observed that the trial-to-trial variability and temporal variance of functional magnetic resonance imaging (fMRI) signals decrease in the task-driven activity. Here we examined the dynamics of a large-scale model of the human cortex to provide a mechanistic understanding of these observations. The model allows computing the statistics of synaptic activity in the spontaneous condition and in putative tasks determined by external inputs to a given subset of brain regions. We demonstrated that external inputs decrease the variance, increase the covariances, and decrease the autocovariance of synaptic activity as a consequence of single node and large-scale network dynamics. Altogether, these changes in network statistics imply a reduction of entropy, meaning that the spontaneous synaptic activity outlines a larger multidimensional activity space than does the task-driven activity. We tested this model's prediction on fMRI signals from healthy humans acquired during rest and task conditions and found a significant decrease of entropy in the stimulus-driven activity. Altogether, our study proposes a mechanism for increasing the information capacity of brain networks by enlarging the volume of possible activity configurations at rest and reliably settling into a confined stimulus-driven state to allow better transmission of stimulus-related information.