Introduced ants in Galápagos (Floreana Island) : importance of competition, coexistence and agressive behaviors

Abstract Invasive species represent with fragmentation of habitat the most serious threats to biodiversity in the world. Galápagos Archipelago, as most oceanic islands, suffers a high rate of introduced animals and plants that affect equilibrium and biodiversity of this unique biota. Ants rank among the most devastating invaders. Their social organization confer them a high ability to adapt and to spread in new environments forming rapidly populous communities. We studied the ant community of Floreana Island composed mainly of introduced species (at least 1 S). Introduction events occurred successively during last century. The last record is Monomorium destructor arrived in the eighties. Our aim is to investigate the modalities of interaction and coexistence of these introduced species. We highlighted the competition hierarchy of the coexisting species using attractive food baits. Two species behave as competitively dominant by monopolizing an important part of resources. They are M. destructor restricted to a small area and the fire ant Solenopsis geminata widely distributed on the island. Then we evaluated the relative importance of abiotic factors and interspecific competition in structuring the community. Ecological data were collected and presence and abundance of species were estimated using different methods in a wide range of habitats. Several species showed preferences either for arid or for humid areas. The little fire ant Wasmannia auropunctata, awell-known devastating species when introduced, was exclusively found in moist habitat in and around the agricultural area situated in the upper and central part of thé island. It coexists with other species in several parts but in a restricted perimeter it excludes all other ants and worker's density on the ground is nearly 70 times higher than ant's density in similar habitats occupied by several species. But most opportunist tramp species establish everywhere without particular ecological requirement. Analyses of species co-occurrences at various levels didn't reveal any marked effect of competition in structuring ant's assemblages. We supposed that the lack ofcompetition-derived structure has to be attributed to the dynamic of the system. Indeed, across the successive census of 1996, 2003, 2004 and 2005, species distributions and abundances appeared to be highly variables. In particular harsh conditions occurring in dry season in certain parts seem to be limiting to S. geminatai. We suggest that huge variations in the local distribution of the dominant S. geminata disrupt the community organization. Finally we conducted artificial ant confrontations to evaluate to what extend an aggressive behavior at the worker level maybe linked to the ecological success of a species on the island. S. geminata was rather indifferent when confronted to a submissive species on food sources, suggesting that its competitive dominance is largely due to a numerical superiority. On the other hand M. destructor exhibits a strong agonistic behavior in similar confrontations. As soon as the presence of a competitor is detected, most workers were observed to abandon foraging and to take part in physical aggressions. Since it is still restricted nearby its introduction spot two decades after its arrival, we suggest that the energetic cost of such an aggressive behavior prevent it to spread on that island already highly colonized. Dominant invasive species such as the fire ants S. geminata and W. auropunctata have negative impacts on Galápagos fauna, disturbing the hatching of land tortoises and birds. But very little is known about the impact of other exotic ants. Indeed, impact on arthropods and generally on ground-dwelling organisms is very diffcult to evaluate. As a consequence of the dynamic character of Floreana I. ant community it is difficult to build models or to málce predictions on evolution of introduced ant fauna. But Camponotus macilentus, an abundant endemic species seems today to be little affected by introduced ant species thanks to its strong interference competition ability and its preference for arid and harsh environments. Résumé Les espèces envahissantes représentent, avec la fragmentation du paysage, la plus grande menace pour la biodiversité. L'archipel des Galápagos, comme la plupart des îles du Pacifique, compte un grand nombre d'espèces introduites qui menacent la biodiversité de ce milieu unique.. Les fourmis sont parmi les envahisseurs les plus dévastateurs. Leur organisation sociale leur permet de s'adapter et de se propager pour devenir rapidement abondantes. Nous avons étudié la communauté de fourmis sur l'île de Floreana principalement composée d'espèces introduites (au moins 15). Les introductions se sont succédées au cours du siècle précédent. La dernière espèce recensée est Monomorium destructor introduite dans les années 80. Notre objectif est de mettre à jour les modalités des interactions et de la coexistence de ces espèces introduites. Nous avons mis en évidence la hiérarchie de compétition des différentes espèces à l'aide d'appâts de nourriture. Deux espèces se comportent de façon dominante en monopolisant une part importante des ressources. Ce sont M. destructor, restreintes à un petit périmètre, et la fourmi de feu Solenopsis geminata, largement distribuée sur l'île. Nous avons évalué l'importance relative des facteurs abiotiques et de la compétition interspécifique dans la structuration des peuplements. Des données écologiques ont été collectées et la présence et l'abondance des espèces ont été estimées à l'aide de trois méthodes au sein d'une grande diversité d'habitats. Plusieurs espèces .montrent des préférences soit pour les milieux humides, soit pour les milieux arides. La petite fourmi de feu Wasmannia auropunctata, une espèce connue pour être dévastatrice dans ses sites d'introduction, est présente exclusivement dans les habitats humides dans et à proximité de la zone agricole située dans la partie centrale de l'île. Elle coexiste en plusieurs points avec d'autres espèces mais au sein d'un périmètre restreint elle exclut toute autre fourmi et atteint des densités record au sol presque 70 fois supérieures aux densités de fourmis observées sur les sites voisins occupés par plusieurs espèces. Mais la plupart des espèces vagabondes opportunistes s'établissent partout sans exigences écologiques particulières. Des analyses de cooccurrence d'espèces à plusieurs niveaux n'ont pas révélé de rôle marqué de la compétition dans la structuration des communautés. Nous supposons que l'absence d'une telle structure doit être attribuée à la dynamique du système. En effet, au cours des différents recensements de 1996-1997, 2003, 2004 et 2005, la distribution et l'abondance des espèces était très variable. En particulier, les conditions rudes qui règnent dans la zone aride durant la saison sèche semblent affecter particulièrement S. geminata. Nous suggérons que de fortes variations dans la distribution de l'espèce dominante perturbent l'orgaiùsation des communautés. Finalement nous avons effectué des confrontations artificielles pour évaluer dans quelle mesure un comportement agressif au niveau de l'ouvrière peut être lié au succès écologique d'une espèce sur l'île. S. geminata montre très peu de réaction face à une espèce subordonnée sur une même source de nourriture, ce qui laisse supposer que sa dominance est largement due à sa supériorité numérique. Par contre, dans des conditions similaires, M. destructor est fortement agressive. En présence d'un compétiteur, la plupart des ouvrières renoncent très vite à leur activité de fourragement pour agresser les individus de l'autre espèce. Puisque deux décennies après son introduction elle est toujours confinée à son point d'arrivée, nous supposons que le coût en énergie et en ouvrières de ce comportement très agressif est un obstacle à son expansion sur cette île déjà fortement colonisée. Les espèces envahissantes dominantes comme les fourmis de feu S. geminata et W. auropunctata sont connues pour leur impact négatif sur la faune des Galápagos, entre autre sur les jeunes des tortues terrestres et des oiseaux. Mais nous savons très peu de choses sur l'impact des autres espèces de fourmis introduites. En effet, l'impact sur les arthropodes, et plus généralement sur la faune du sol, est très difficile à évaluer. En raison du caractère dynamique de la communauté de fourmi de Floreana, il est difficile de construire des modèles et de faire des prédictions sur l'évolution des peuplements de fourmis introduites. Mais Camponotus macilentus, une espèce endémique abondante, semble aujourd'hui peu affectée par les espèces introduites grâce à ses capacités de compétition par interférence et sa préférence pour les milieux arides. Resumen Las, especies invasoras representan, junto con la fragmentación del paisaje, la mayor amenaza para la biodiversidad. El archipiélago de Galápagos, como la mayoría de las islas del Pacífico, cuenta con un gran número de especies introducidas que amenazan la biodiversidad de este lugar único. Las hormigas son uno de los invasores más devastadores. Su organización social les permite adaptarse y propagarse para ser rápidamente abundante. Estudiamos la comunidad de hormigas de la isla Floreana principalmente compuesta de especies introducidas (al menos 15). Las introducciones se sucedieron durante el siglo anterior. La última especie contabilizada es Monomorium destructor introducida en los años 80. Nuestro objetivo es poner al día las modalidades de las interacciones y de la coexistencia de estas especies introducidas. Pusimos de relieve la jerarquía de competencia de las distintas especies con ayuda de cebos de comida. Dos especies se implican de manera dominante monopolizando una parte importante de los recursos. Son M. destructor, limitado a un pequeño perímetro, y la hormiga de fuego Solenopsis geminata; ampliamente distribuida por la isla. Evaluamos la importancia relativa de los factores abióticos y de la competencia interespecífica en la estructuración de la communidad. Se recogieron algunos datos ecológicos y se consideraron la presencia y la abundancia de las especies con ayuda de tres métodos en una gran diversidad de hábitats. Varias especies muestran preferencias o por los medios húmedos, o por los medios áridos. La pequeña hormiga de fuego Wasmannia auropunctata, una especie conocida por ser devastadora en sus lugares de introducción, está presente exclusivamente en los hábitats húmedos y cerca de la zona agrícola situada en la parte central de la isla. Coexiste en varios puntos con otras especies pero en un perímetro limitado excluye a cualquier otra hormiga y alcanza densidades en el suelo casi 70 veces superiores a las densidades de hormigas observadas en los lugares vecinos ocupados por varias especies. Pero la mayoría de las especies vagabundas oportunistas se establecen por todas partes sin exigencias ecológicas particulares. Análisis de cooccurrencía de las especies a varios niveles no revelaron una grande importancía de la competencia en la estructuración de las comunidades. Suponemos que la ausencia de tal estructura Bebé ser por la dinámica del sistema. Efectivamente, durante los distintos censos de 1996-1997, 2003,.2004 y 2005, la distribución ? la abundancia de las especies eran muy variables. En particular, las condiciones drásticas que reinan en la zona árida durante la temporada seca parecen afectar especialmente a S. geminata. Sugerimos que fuertes variaciones en la distribución de la especie dominante perturben la organización de las comunidades. Finalmente efectuamos confrontaciones artificiales para evaluar hastá que punto un comportamiento agresivo a nivel de la obrera puede explicar el éxito ecológico de una especie en la isla. S. geminata muestra muy poca reacción ante una especie subordinada mientras comparten la misma comida, lo que deja suponer que su dominancia se debe a su superioridad numérica. Por el contrario, en condiciones similares, M. destructor es muy agresivo. En presencia de otra especie, la mayóría de las obreras renuncian muy rápidamente a alimentarse para atacar a los individuos de la otra especie. Puesto que dos décadas después de su introducción todavía se confina en su punto de llegada, suponemos que el coste en energía y en obreras de este comportamiento muy agresivo es un obstáculo a su extensión en esta isla ya muy colonizada. Las especiés invasoras dominantes como las hormigas de fuego S. geminata y W. auropunctata son conocidas por su impacto negativo en la fauna de Galápagos, entre otras cosas sobre los juveniles de las tortugas terrestres y pájaros. Pero sabemos muy poco sobre el impacto de las otras especies de hormigas introducidas. Efectivamente es muy difïcil de evaluar el impacto en los artrópodos, y más generalmente en la fauna del suelo. Debido al carácter dinámico de la comunidad de hormiga de Floreana, es diEcil construir modelos y hacer predicciones sobre la evolución de las poblaciones de hormigas introducidas. Pero Camponotus macilentus, una especie endémica abundante, parece poco afectadá hoy por las especies introducidas gracias a sus capacidades de competencia por interferencia y su preferencia por los medios áridos.

CO2 production of the chick embryo during the first day of post-laying development.

The carbon dioxide production of the chick embryo cultured in vitro has been determined during the first 24 h of post-laying development using a non-invasive conductometric microtechnique. The mean CO2 production of the whole blastoderm (1) increased from 16 nmol/h at laying to 231 nmol/h at early neurulation, (2) became dependent on exogenous glucose and (3) was closely linked to mechanical tension generated in the blastoderm (loosening from vitelline membrane resulted in a decrease of 56%). In our experimental conditions, no significant influence of carbonic anhydrase on the CO2 production has been detected. The value of the respiratory exchange ratio varied from about 3 at pregastrular stages to 1 at neurula stage and CO2 was produced transiently in presence of antimycin A. Such results indicate that the source of CO2 is not exclusively mitochondrial and that the relative proportions of mitochondrial and non-mitochondrial CO2 productions might vary significantly throughout the early development. Our findings confirm that the metabolism of the chick embryo becomes more and more oxidative from laying onwards and suggest that the modifications of metabolism observed during the studied period of development could be associated with functional differentiation.

Sex differences: From mental rotation to object location memory, an ERP study

Sex differences in cognition have been largely investigated. The most consistent sex differences favoring females are observed in object location memory involving the left hemisphere whereas the most consistent sex differences favoring males are observed in tasks that require mental rotation involving the right hemisphere. Here we used a task involving these two abilities to see the impact of mental rotation on object location memory. To that end we used a combination of behavioral and event-related potential (ERP) electroencephalography (EEG) measures.A computer screen displayed a square frame of 4 pairs of images (a "teddy" bear, a shoe, an umbrella and a lamp) randomly arranged around a central fixation cross. After a 10-second interval for memorization, images disappeared and were replaced by a test frame with no image but a random pair of two locations marked in black. In addition, this test frame was randomly displayed either in the original orientation (0° rotation) or in the rotated one (90° clockwise - CW - or 90° counterclockwise - CCW). Preceding the test frame, an arrow indicating the presence or the absence of rotation of the frame was displayed on the screen. The task of the participants (15 females and 15 males) was to determine if two marked locations corresponded or not to a pair of identical images. Each response was followed by feedback.Findings showed no significant sex differences in the performance of the original orientation. In comparison with this position, the rotation of the frame produced an equal decrease of male and female performance. In addition, this decrease was significantly higher when the rotation of the frame was in a CCW direction. We further assessed the ERP when the arrow indicated the direction of rotation as stimulus-onset, during four time windows representing major components C1, P1, N1 and N2. Although no sex differences were observed in performance, brain activities differed according to sex. Enhanced amplitudes were found for the CCW compared to CW rotation over the right posterior areas for the P1, N1 and N2 components for men as well as for women. Major topographical differences related to sex were measured for the CW rotation condition as marked lateralized amplitude: left-hemisphere amplitude larger than right one was measured during P1 time range for men. These similar patterns prolonged from P1 to N1 for women. Early distinctions were found in interaction with sex between CCW and CW waveform amplitudes, expressing over anterior electrode sites during C1 time range (0-50 ms post-stimulus).In conclusion (i) women do not outperform men in object location memory in this study (absence of rotation condition); (ii) mental rotation, in particular the direction of rotation, influences performance on object location memory; (iii) CCW rotation is associated with activity in the right parietal hemisphere whereas the CW rotation involves the left parietal hemisphere; (iv) this last effect is less pronounced in males, which could explain why greater involvement of right parietal areas in men and of bilateral posterior areas in women is generally reported in mental rotation tasks; and (v) the early distinctions between both directions of rotation located over anterior sites could be related to sex differences in their respective involvement of control mechanisms.

Relatedness influences signal reliability in evolving robots.

Communication is an indispensable component of animal societies, yet many open questions remain regarding the factors affecting the evolution and reliability of signalling systems. A potentially important factor is the level of genetic relatedness between signallers and receivers. To quantitatively explore the role of relatedness in the evolution of reliable signals, we conducted artificial evolution over 500 generations in a system of foraging robots that can emit and perceive light signals. By devising a quantitative measure of signal reliability, and comparing independently evolving populations differing in within-group relatedness, we show a strong positive correlation between relatedness and reliability. Unrelated robots produced unreliable signals, whereas highly related robots produced signals that reliably indicated the location of the food source and thereby increased performance. Comparisons across populations also revealed that the frequency for signal production-which is often used as a proxy of signal reliability in empirical studies on animal communication-is a poor predictor of signal reliability and, accordingly, is not consistently correlated with group performance. This has important implications for our understanding of signal evolution and the empirical tools that are used to investigate communication.

Molecular epidemiology of pseudomonas aeruginosae in intensive care units (ICUs) over a 10-year period (1998-2007)

Pseudomonas aeruginosa, une bactérie environnementale ubiquitaire, est un des pathogènes nosocomiaux les plus fréquents aux soins intensifs. La source de ce microorganisme peut être soit endogène, 2,6 à 24 % des patients hospitalisés étant colonisés au niveau digestif, soit exogène. La proportion des cas d'infections à P. aeruginosa d'origine exogène, donc secondaires à une transmission par manuportage ou par l'eau du réseau utilisée pour la toilette ou d'autres soins, reste débattue. Or une meilleure évaluation du taux d'infections exogènes est importante pour la mise en place de mesures de contrôle appropriées. Le but de cette étude était de déterminer sur une période de 10 ans les rôles respectifs des sources exogènes (robinets, autres patients) et endogène dans la colonisation et/ou l'infection par P.aeruginosa chez les patients des Soins Intensifs, ainsi que de documenter les variations épidémiologiques au cours du temps. L'étude a été menée dans les unités de Soins Intensifs du Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV). Les patients colonisés et/ou infectés par P. aeruginosa entre 1998 et 2007ont été identifiés via la base de données du laboratoire de microbiologie. Ils ont été inclus dans l'étude s'ils étaient hospitalisés dans une des unités de Soins Intensifs, Durant cette période, des prélèvements pour recherche de P. aeruginosa ont été effectués sur des robinets des soins intensifs. Un typage moléculaire a été effectué sur toutes les souches cliniques et environnementales isolées en 1998, 2000, 2003, 2004 et 2007. Les patients inclus dans l'étude ont été répartis en quatre catégories (A-D) selon le résultat du typage moléculaire leur souche de P. aeruginosa. La catégorie A inclut les cas pour lesquels le génotype de P. aeruginosa est identique à un des génotypes retrouvé dans l'environnement. La catégorie B comprend les cas pour lesquels le génotype est identique à celui d'au moins un autre patient. La catégorie C comprend les cas avec un génotype unique et la catégorie D comprend les cas pour lesquels la souche était non disponible pour le typage. Les cas des catégories A et B sont considérés comme ayant une origine exogène. Au cours des années de l'étude, le nombre d'admissions aux soins intensifs est resté stable. En moyenne, 86 patients par année ont été identifiés colonisés ou infectés par P. aeruginosa aux Soins Intensifs. Durant la première année d'investigation, un grand nombre de patients colonisés par une souche de P. aeruginosa identique à une de celles retrouvées dans l'environnement a été mis en évidence. Par la suite, possiblement suite à l'augmentation de la température du réseau d'eau chaude, le nombre de cas dans la catégorie A a diminué. Dans la catégorie B, le nombre de cas varie de 1,9 à 20 cas/1000 admissions selon les années. Ce nombre est supérieur à 10 cas/1000 admissions en 1998, 2003 et 2007 et correspond à des situations épidémiques transitoires. Tout au long des 10 ans de l'étude, le nombre de cas dans la catégorie C (source endogène) est demeuré stable et indépendant des variations du nombre de cas dans les catégories A et B. En conclusion, la contribution relative des réservoirs endogène et exogène dans la colonisation et/ou l'infection des patients de soins Intensifs varie au cours du temps. Les facteurs principaux qui contribuent à de telles variations sont probablement le degré de contamination de l'environnement, la compliance des soignants aux mesures de contrôle des infections et la génétique du pathogène lui-même. Etant donné que ce germe est ubiquitaire dans l'environnement aqueux et colonise jusqu'à 15% des patients hospitalisés, la disparition de son réservoir endogène semble difficile. Cependant, cette étude démontre que son contrôle est possible dans l'environnement, notamment dans les robinets en augmentant la température de l'eau. De plus, si une souche multi-résistante est retrouvée de manière répétée dans l'environnement, des efforts doivent être mis en place pour éliminer cette souche. Des efforts doivent être également entrepris afin de limiter la transmission entre les patients, qui est une cause importante et récurrente de contamination exogène. - Pseudomonas aeruginosa is one of the leading nosocomial pathogens in intensive care units (ICUs). The source of this microorganism can be either endogenous or exogenous. The proportion of cases as a result of transmission is still debated, and its elucidation is important for implementing appropriate control measures. To understand the relative importance of exogenous vs. endogenous sources of P. aeru¬ginosa, molecular typing was performed on all available P. aeruginosa isolated from ICU clinical and environmental specimens in 1998, 2000, 2003, 2004 and 2007. Patient samples were classified according to their P. aeruginosa genotypes into three categories: (A) identical to isolate from faucet; (B) identical to at least one other patient sample and not found in faucet; and (C) unique genotype. Cases in cat¬egories A and Β were considered as possibly exogenous, and cases in category C as possibly endogenous. A mean of 34 cases per 1000 admissions per year were found to be colonized or infected by P. aeruginosa. Higher levels of faucet contamination were correlated with a higher number of cases in category A. The number of cases in category Β varied from 1.9 to 20 cases per 1000 admissions. This num¬ber exceeded 10/1000 admissions on three occasions and was correlated with an outbreak on one occasion. The number of cases con¬sidered as endogenous (category C) was stable and independent of the number of cases in categories A and B. The present study shows that repeated molecular typing can help identify variations in the epidemiology of P. aeruginosa in ICU patients and guide infection control measures.

Source wavelet estimation for waveform inversion of crosshole georadar data

AbstractFor a wide range of environmental, hydrological, and engineering applications there is a fast growing need for high-resolution imaging. In this context, waveform tomographic imaging of crosshole georadar data is a powerful method able to provide images of pertinent electrical properties in near-surface environments with unprecedented spatial resolution. In contrast, conventional ray-based tomographic methods, which consider only a very limited part of the recorded signal (first-arrival traveltimes and maximum first-cycle amplitudes), suffer from inherent limitations in resolution and may prove to be inadequate in complex environments. For a typical crosshole georadar survey the potential improvement in resolution when using waveform-based approaches instead of ray-based approaches is in the range of one order-of- magnitude. Moreover, the spatial resolution of waveform-based inversions is comparable to that of common logging methods. While in exploration seismology waveform tomographic imaging has become well established over the past two decades, it is comparably still underdeveloped in the georadar domain despite corresponding needs. Recently, different groups have presented finite-difference time-domain waveform inversion schemes for crosshole georadar data, which are adaptations and extensions of Tarantola's seminal nonlinear generalized least-squares approach developed for the seismic case. First applications of these new crosshole georadar waveform inversion schemes on synthetic and field data have shown promising results. However, there is little known about the limits and performance of such schemes in complex environments. To this end, the general motivation of my thesis is the evaluation of the robustness and limitations of waveform inversion algorithms for crosshole georadar data in order to apply such schemes to a wide range of real world problems.One crucial issue to making applicable and effective any waveform scheme to real-world crosshole georadar problems is the accurate estimation of the source wavelet, which is unknown in reality. Waveform inversion schemes for crosshole georadar data require forward simulations of the wavefield in order to iteratively solve the inverse problem. Therefore, accurate knowledge of the source wavelet is critically important for successful application of such schemes. Relatively small differences in the estimated source wavelet shape can lead to large differences in the resulting tomograms. In the first part of my thesis, I explore the viability and robustness of a relatively simple iterative deconvolution technique that incorporates the estimation of the source wavelet into the waveform inversion procedure rather than adding additional model parameters into the inversion problem. Extensive tests indicate that this source wavelet estimation technique is simple yet effective, and is able to provide remarkably accurate and robust estimates of the source wavelet in the presence of strong heterogeneity in both the dielectric permittivity and electrical conductivity as well as significant ambient noise in the recorded data. Furthermore, our tests also indicate that the approach is insensitive to the phase characteristics of the starting wavelet, which is not the case when directly incorporating the wavelet estimation into the inverse problem.Another critical issue with crosshole georadar waveform inversion schemes which clearly needs to be investigated is the consequence of the common assumption of frequency- independent electromagnetic constitutive parameters. This is crucial since in reality, these parameters are known to be frequency-dependent and complex and thus recorded georadar data may show significant dispersive behaviour. In particular, in the presence of water, there is a wide body of evidence showing that the dielectric permittivity can be significantly frequency dependent over the GPR frequency range, due to a variety of relaxation processes. The second part of my thesis is therefore dedicated to the evaluation of the reconstruction limits of a non-dispersive crosshole georadar waveform inversion scheme in the presence of varying degrees of dielectric dispersion. I show that the inversion algorithm, combined with the iterative deconvolution-based source wavelet estimation procedure that is partially able to account for the frequency-dependent effects through an "effective" wavelet, performs remarkably well in weakly to moderately dispersive environments and has the ability to provide adequate tomographic reconstructions.

On the origin of the MR image phase contrast: an in vivo MR microscopy study of the rat brain at 14.1 T.

Recent studies at high magnetic fields using the phase of gradient-echo MR images have shown the ability to unveil cortical substructure in the human brain. To investigate the contrast mechanisms in phase imaging, this study extends, for the first time, phase imaging to the rodent brain. Using a 14.1 T horizontal bore animal MRI scanner for in vivo micro-imaging, images with an in-plane resolution of 33 microm were acquired. Phase images revealed, often more clearly than the corresponding magnitude images, hippocampal fields, cortical layers (e.g. layer 4), cerebellar layers (molecular and granule cell layers) and small white matter structures present in the striatum and septal nucleus. The contrast of the phase images depended in part on the orientation of anatomical structures relative to the magnetic field, consistent with bulk susceptibility variations between tissues. This was found not only for vessels, but also for white matter structures, such as the anterior commissure, and cortical layers in the cerebellum. Such susceptibility changes could result from variable blood volume. However, when the deoxyhemoglobin content was reduced by increasing cerebral blood flow (CBF) with a carbogen breathing challenge, contrast between white and gray matter and cortical layers was not affected, suggesting that tissue cerebral blood volume (and therefore deoxyhemoglobin) is not a major source of the tissue phase contrast. We conclude that phase variations in gradient-echo images are likely due to susceptibility shifts of non-vascular origin.

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

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

Structure et évolution thermique de la croûte supérieure des chaînes de subduction : approches thermologique et modélisation numérique, dans les North Cascades (U.S.A) et de la zone de faille Motagua (Guatemala)

Cette thèse cible l'étude de la structure thermique de la croûte supérieure (<10km) dans les arcs magmatiques continentaux, et son influence sur l'enregistrement thermochronologique de leur exhumation et de leur évolution topographique. Nous portons notre regard sur deux chaînes de montagne appartenant aux Cordillères Américaines : Les Cascades Nord (USA) et la zone de faille Motagua (Guatemala). L'approche utilisée est axée sur la thermochronologie (U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon, couplée avec la modélisation numérique de la structure thermique de la croûte. Nous mettons en évidence la variabilité à la fois spatiale et temporelle du gradient géothermique, et attirons l'attention du lecteur sur l'importance de prendre en compte la multitude des processus géologiques perturbant la structure thermique dans les chaînes de type cordillère, c'est à dire formées lors de la subduction océanique sous un continent.Une nouvelle approche est ainsi développée pour étudier et contraindre la perturbation thermique autour des chambres magmatiques. Deux profiles âge-elevation (U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon, ont été collectées 7 km au sud du batholithe de Chilliwack, Cascades Nord. Les résultats montrent une variabilité spatiale et temporelle du gradient géothermique lors de l'emplacement magmatique qui peut être contrainte et séparé de l'exhumation. Durant l'emplacement de l'intrusion, la perturbation thermique y atteint un état d'équilibre (-80-100 °C/km) qui est fonction du flux de magma et de ia distance à la source du magma, puis rejoint 40 °C/km à la fin du processus d'emplacement magmatique.Quelques nouvelles données (U-Th)/He, replacées dans une compilation des données existantes dans les Cascades Nord, indiquent une vitesse d'exhumation constante (-100 m/Ma) dans le temps et l'espace entre 35 Ma et 2 Ma, associée à un soulèvement uniforme de la chaîne contrôlé par l'emplacement de magma dans la croûte durant toute l'activité de l'arc. Par contre, après ~2 Ma, le versant humide de la chaîne est affecté par une accélération des taux d'exhumation, jusqu'à 3 km de croûte y sont érodés. Les glaciations ont un triple effet sur l'érosion de cette chaîne: (1) augmentation des vitesses d'érosion, d'exhumation et de soulèvement la où les précipitations sont suffisantes, (2) limitation de l'altitude contrôlé par la position de Γ Ε LA, (3) élargissement du versant humide et contraction du versant aride de la chaîne.Les modifications des réseaux de drainage sont des processus de surface souvent sous-estimés au profil d'événements climatiques ou tectoniques. Nous proposons une nouvelle approche couplant une analyse géomorphologique, des données thermochronologiques de basse température ((U-Th-Sm)/He sur apatite et zircon), et l'utilisation de modélisation numérique thermo-cinématique pour les mettre en évidence et les dater; nous testons cette approche sur la gorge de la Skagit river dans les North Cascades.De nouvelles données (U-Th)/He sur zircons, complétant les données existantes, montrent que le déplacement horizontal le long de la faille transformante continentale Motagua, la limite des plaques Caraïbe/Amérique du Nord, a juxtaposé un bloc froid, le bloc Maya (s.s.), contre un bloque chaud, le bloc Chortis (s.s.) originellement en position d'arc. En plus de donner des gammes d'âges thermochronologiques très différents des deux côtés de la faille, le déplacement horizontal rapide (~2 cm/a) a produit un fort échange thermique latéral, résultant en un réchauffement du côté froid et un refroidissement du côté chaud de la zone de faille de Motagua.Enfin des données (U-Th-Sm)/He sur apatite témoignent d'un refroidissement Oligocène enregistré uniquement dans la croûte supérieure de la bordure nord de la zone de faille Motagua. Nous tenterons ultérieurement de reproduire ce découplage vertical de la structure thermique par la modélisation de la formation d'un bassin transtensif et de circulation de fluides le long de la faille de Motagua. - This thesis focuses on the influence of the dynamic thermal structure of the upper crust (<10km) on the thermochronologic record of the exhumational and topographic history of magmatic continental arcs. Two mountain belts from the American Cordillera are studied: the North Cascades (USA) and the Motagua fault zone (Guatemala). I use a combined approach coupling apatite and zircon (U-Th-Sm}/He thermochronology and thermo- kinematic numerical modelling. This study highlights the temporal and spatial variability of the geothermal gradient and the importance to take into account the different geological processes that perturb the thermal structure of Cordilleran-type mountain belts (i.e. mountain belts related to oceanic subduction underneath a continent}.We integrate apatite and zircon (U-Th)/He data with numerical thermo-kinematic models to study the relative effects of magmatic and surface processes on the thermal evolution of the crust and cooling patterns in the Cenozoic North Cascades arc (Washington State, USA). Two age-elevation profiles that are located 7 km south of the well-studied Chiliiwack intrusions shows that spatial and temporal variability in geothermal gradients linked to magma emplacement can be contrained and separated from exhumation processes. During Chiliiwack batholith emplacement at -35-20 Ma, the geothermal gradient of the country rocks increased to a very high steady-state value (80-100°C/km), which is likely a function of magma flux and the distance from the magma source area. Including temporally varying geothermal gradients in the analysis allows quantifying the thermal perturbation around magmatic intrusions and retrieving a relatively simple denudation history from the data.The synthesis of new and previously published (U-Th)/He data reveals that denudation of the Northern Cascades is spatially and temporally constant at -100 m/Ma between ~32 and ~2 Ma, which likely reflects uplift due to magmatic crustal thickening since the initiation of the Cenozoic stage of the continental magmatic arc. In contrast, the humid flank of the North Cascades is affected by a ten-fold acceleration in exhumation rate at ~2 Ma, which we interpret as forced by the initiation of glaciations; around 3 km of crust have been eroded since that time. Glaciations have three distinct effects on the dynamics of this mountain range: (1) they increase erosion, exhumation and uplift rates where precipitation rates are sufficient to drive efficient glacial erosion; (2) they efficiently limit the elevation of the range; (3) they lead to widening of the humid flank and contraction of the arid flank of the belt.Drainage reorganizations constitute an important agent of landscape evolution that is often underestimated to the benefit of tectonic or climatic events. We propose a new method that integrates geomorphology, low-temperature thermochronometry (apatite and zircon {U-Th-Sm)/He), and 3D numerical thermal-kinematic modelling to detect and date drainage instability producing recent gorge incision, and apply this approach to the Skagit River Gorge, North Cascades.Two zircon (U-Th)/He age-elevation profiles sampled on both sides of the Motagua Fault Zone (MFZ), the boundary between the North American and the Caribbean plates, combined with published thermochronological data show that strike-slip displacement has juxtaposed the cold Maya block (s.s.) against the hot, arc derived, Chortis block (s.s ), producing different age patterns on both sides of the fault and short-wavelength lateral thermal exchange, resulting in recent heating of the cool side and cooling of the hot side of the MFZ.Finally, an apatite (U-Th-Sm)/He age-elevation profile records rapid cooling at -35 Ma localized only in the upper crust along the northern side of the Motagua fault zone. We will try to reproduce these data by modeling the thermal perturbation resulting from the formation of a transtensional basin and of fluid flow activity along a crustal- scale strike-slip fault.

Sex differences: From mental rotation to object location memory, an ERP study

Sex differences in cognition have been largely investigated. The most consistent sex differences favoring females are observed in object location memory involving the left hemisphere whereas the most consistent sex differences favoring males are observed in tasks that require mental rotation involving the right hemisphere. Here we used a task involving these two abilities to see the impact of mental rotation on object location memory. To that end we used a combination of behavioral and event-related potential (ERP) electroencephalography (EEG) measures.A computer screen displayed a square frame of 4 pairs of images (a "teddy" bear, a shoe, an umbrella and a lamp) randomly arranged around a central fixation cross. After a 10-second interval for memorization, images disappeared and were replaced by a test frame with no image but a random pair of two locations marked in black. In addition, this test frame was randomly displayed either in the original orientation (0° rotation) or in the rotated one (90° clockwise - CW - or 90° counterclockwise - CCW). Preceding the test frame, an arrow indicating the presence or the absence of rotation of the frame was displayed on the screen. The task of the participants (15 females and 15 males) was to determine if two marked locations corresponded or not to a pair of identical images. Each response was followed by feedback.Findings showed no significant sex differences in the performance of the original orientation. In comparison with this position, the rotation of the frame produced an equal decrease of male and female performance. In addition, this decrease was significantly higher when the rotation of the frame was in a CCW direction. We further assessed the ERP when the arrow indicated the direction of rotation as stimulus-onset, during four time windows representing major components C1, P1, N1 and N2. Although no sex differences were observed in performance, brain activities differed according to sex. Enhanced amplitudes were found for the CCW compared to CW rotation over the right posterior areas for the P1, N1 and N2 components for men as well as for women. Major topographical differences related to sex were measured for the CW rotation condition as marked lateralized amplitude: left-hemisphere amplitude larger than right one was measured during P1 time range for men. These similar patterns prolonged from P1 to N1 for women. Early distinctions were found in interaction with sex between CCW and CW waveform amplitudes, expressing over anterior electrode sites during C1 time range (0-50 ms post-stimulus).In conclusion (i) women do not outperform men in object location memory in this study (absence of rotation condition); (ii) mental rotation, in particular the direction of rotation, influences performance on object location memory; (iii) CCW rotation is associated with activity in the right parietal hemisphere whereas the CW rotation involves the left parietal hemisphere; (iv) this last effect is less pronounced in males, which could explain why greater involvement of right parietal areas in men and of bilateral posterior areas in women is generally reported in mental rotation tasks; and (v) the early distinctions between both directions of rotation located over anterior sites could be related to sex differences in their respective involvement of control mechanisms.