Systems biology of plants : from intraspecific genome variation to computational morphodynamics

Recently, the introduction of second generation sequencing and further advance-ments in confocal microscopy have enabled system-level studies for the functional characterization of genes. The degree of complexity intrinsic to these approaches needs the development of bioinformatics methodologies and computational models for extracting meaningful biological knowledge from the enormous amount of experi¬mental data which is continuously generated. This PhD thesis presents several novel bioinformatics methods and computational models to address specific biological questions in Plant Biology by using the plant Arabidopsis thaliana as a model system. First, a spatio-temporal qualitative analysis of quantitative transcript and protein profiles is applied to show the role of the BREVIS RADIX (BRX) protein in the auxin- cytokinin crosstalk for root meristem growth. Core of this PhD work is the functional characterization of the interplay between the BRX protein and the plant hormone auxin in the root meristem by using a computational model based on experimental evidence. Hyphotesis generated by the modelled to the discovery of a differential endocytosis pattern in the root meristem that splits the auxin transcriptional response via the plasma membrane to nucleus partitioning of BRX. This positional information system creates an auxin transcriptional pattern that deviates from the canonical auxin response and is necessary to sustain the expression of a subset of BRX-dependent auxin-responsive genes to drive root meristem growth. In the second part of this PhD thesis, we characterized the genome-wide impact of large scale deletions on four divergent Arabidopsis natural strains, through the integration of Ultra-High Throughput Sequencing data with data from genomic hybridizations on tiling arrays. Analysis of the identified deletions revealed a considerable portion of protein coding genes affected and supported a history of genomic rearrangements shaped by evolution. In the last part of the thesis, we showed that VIP3 gene in Arabidopsis has an evo-lutionary conserved role in the 3' to 5' mRNA degradation machinery, by applying a novel approach for the analysis of mRNA-Seq data from random-primed mRNA. Altogether, this PhD research contains major advancements in the study of natural genomic variation in plants and in the application of computational morphodynamics models for the functional characterization of biological pathways essential for the plant. - Récemment, l'introduction du séquençage de seconde génération et les avancées dans la microscopie confocale ont permis des études à l'échelle des différents systèmes cellulaires pour la caractérisation fonctionnelle de gènes. Le degrés de complexité intrinsèque à ces approches ont requis le développement de méthodologies bioinformatiques et de modèles mathématiques afin d'extraire de la masse de données expérimentale générée, des information biologiques significatives. Ce doctorat présente à la fois des méthodes bioinformatiques originales et des modèles mathématiques pour répondre à certaines questions spécifiques de Biologie Végétale en utilisant la plante Arabidopsis thaliana comme modèle. Premièrement, une analyse qualitative spatio-temporelle de profiles quantitatifs de transcripts et de protéines est utilisée pour montrer le rôle de la protéine BREVIS RADIX (BRX) dans le dialogue entre l'auxine et les cytokinines, des phytohormones, dans la croissance du méristème racinaire. Le noyau de ce travail de thèse est la caractérisation fonctionnelle de l'interaction entre la protéine BRX et la phytohormone auxine dans le méristème de la racine en utilisant des modèles informatiques basés sur des preuves expérimentales. Les hypothèses produites par le modèle ont mené à la découverte d'un schéma différentiel d'endocytose dans le méristème racinaire qui divise la réponse transcriptionnelle à l'auxine par le partitionnement de BRX de la membrane plasmique au noyau de la cellule. Cette information positionnelle crée une réponse transcriptionnelle à l'auxine qui dévie de la réponse canonique à l'auxine et est nécessaire pour soutenir l'expression d'un sous ensemble de gènes répondant à l'auxine et dépendant de BRX pour conduire la croissance du méristème. Dans la seconde partie de cette thèse de doctorat, nous avons caractérisé l'impact sur l'ensemble du génome des délétions à grande échelle sur quatre souches divergentes naturelles d'Arabidopsis, à travers l'intégration du séquençage à ultra-haut-débit avec l'hybridation génomique sur puces ADN. L'analyse des délétions identifiées a révélé qu'une proportion considérable de gènes codant était affectée, supportant l'idée d'un historique de réarrangement génomique modelé durant l'évolution. Dans la dernière partie de cette thèse, nous avons montré que le gène VÏP3 dans Arabidopsis a conservé un rôle évolutif dans la machinerie de dégradation des ARNm dans le sens 3' à 5', en appliquant une nouvelle approche pour l'analyse des données de séquençage d'ARNm issue de transcripts amplifiés aléatoirement. Dans son ensemble, cette recherche de doctorat contient des avancées majeures dans l'étude des variations génomiques naturelles des plantes et dans l'application de modèles morphodynamiques informatiques pour la caractérisation de réseaux biologiques essentiels à la plante. - Le développement des plantes est écrit dans leurs codes génétiques. Pour comprendre comment les plantes sont capables de s'adapter aux changements environnementaux, il est essentiel d'étudier comment leurs gènes gouvernent leur formation. Plus nous essayons de comprendre le fonctionnement d'une plante, plus nous réalisons la complexité des mécanismes biologiques, à tel point que l'utilisation d'outils et de modèles mathématiques devient indispensable. Dans ce travail, avec l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thalicinci nous avons résolu des problèmes biologiques spécifiques à travers le développement et l'application de méthodes informatiques concrètes. Dans un premier temps, nous avons investigué comment le gène BREVIS RADIX (BRX) régule le développement de la racine en contrôlant la réponse à deux hormones : l'auxine et la cytokinine. Nous avons employé une analyse statistique sur des mesures quantitatives de transcripts et de produits de gènes afin de démontrer que BRX joue un rôle antagonisant dans le dialogue entre ces deux hormones. Lorsque ce-dialogue moléculaire est perturbé, la racine primaire voit sa longueur dramatiquement réduite. Pour comprendre comment BRX répond à l'auxine, nous avons développé un modèle informatique basé sur des résultats expérimentaux. Les simulations successives ont mené à la découverte d'un signal positionnel qui contrôle la réponse de la racine à l'auxine par la régulation du mouvement intracellulaire de BRX. Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons analysé le génome entier de quatre souches naturelles d'Arabidopsis et nous avons trouvé qu'une grande partie de leurs gènes étaient manquant par rapport à la souche de référence. Ce résultat indique que l'historique des modifications génomiques conduites par l'évolution détermine une disponibilité différentielle des gènes fonctionnels dans ces plantes. Dans la dernière partie de ce travail, nous avons analysé les données du transcriptome de la plante où le gène VIP3 était non fonctionnel. Ceci nous a permis de découvrir le rôle double de VIP3 dans la régulation de l'initiation de la transcription et dans la dégradation des transcripts. Ce rôle double n'avait jusqu'alors été démontrée que chez l'homme. Ce travail de doctorat supporte le développement et l'application de méthodologies informatiques comme outils inestimables pour résoudre la complexité des problèmes biologiques dans la recherche végétale. L'intégration de la biologie végétale et l'informatique est devenue de plus en plus importante pour l'avancée de nos connaissances sur le fonctionnement et le développement des plantes.

Effectiveness of interventions targeting frequent users of emergency departments: a systematic review

L'article publié de le cadre de cette thèse est intitulé "Effectiveness of interventions targeting frequent users of emergency departments: A systematic review." Il a été publié par les "Annals of Emergency Medicine (AEM)" en juillet 2011. Le titre en français pourrait être: "Efficacité des interventions ciblant les utilisateurs fréquents des services d'urgence: Une revue systématique." Le titre du journal américain pourrait être: "Annales de Médecine d'Urgence". Il s'agit du journal du "Collège Américain des Médecins d'Urgence", en anglais "American College of Emergency Physicians (ACEP)". L'article a été soumis à l'AEM en raison de l'intérêt que ses rédacteurs en chef portent pour le sujet des utilisateurs fréquents des services d'urgence, démontré depuis plus de dix ans par la publication de nombreux articles dans ce domaine. Le facteur d'impact de l'AEM est de surcroît le plus important des journaux d'urgence, assurant ainsi une large diffusion des articles publiés. Lors de sa publication, l'article a été accompagné d'un éditorial signé par le Docteur Maria C. Raven, médecin au Centre Hospitalier de Bellevue à New York, Etats-Unis.¦Contexte et enjeux¦La Direction Générale du Centre Hospitalier Vaudois (CHUV) finance, dans le cadre du plan stratégique 2009-2013, un axe "populations vulnérables". Cet axe est porté en grande partie par des projets développés au sein de la Policinlique Médicale Universitaire et l'Unité des Populations Vulnérables qui prend en charge, enseigne la prise en charge et s'interroge sur la prise en charge des personnes les plus vulnérables. C'est dans ce contexte que nous avons été amenés à réfléchir à l'existence éventuelle de marqueurs de vulnérabilité; l'utilisation fréquente des services d'urgence par certains individus constitue à n'en pas douter l'un de ces marqueurs. Il existe une importante littérature décrivant en détail ces utilisateurs fréquents des services d'urgence, raison pour laquelle nous avons décidé de faire un pas supplémentaire et de nous interroger sur l'efficacité des interventions (quelle qu'elles soient) ciblant cette population particulière. Nous avons ainsi entrepris une revue systématique de la littérature scientifique médicale et sociale pour approfondir cette question, et c'est précisément le résultat de cette recherche qui constitue ce travail de thèse.¦Conclusions et perspectives¦Les utilisateurs fréquents des services d'urgence sont des individus particulièrement vulnérables, et ce aussi bien aux Etats-Unis, qu'en Europe ou en Australie: ils présentent par exemple une mortalité supérieure aux autres utilisateurs des urgences; ils sont également plus à risque de présenter une consommation abusive d'alcool ou de drogues, une maladie mentale, ou une maladie chronique. Ils sont plus souvent sans abri, sans assurance et d'un statut socio-économique bas.¦De nombreuses interventions on été développées pour prendre en charge les utilisateurs fréquents des urgences. Le but de ces interventions est d'une part de réduire la consommation des services d'urgence et d'autre part d'améliorer la santé au sens large de ces patients vulnérables. C'est en ces termes (réduction de la fréquence d'utilisation des services d'urgence et amélioration de la santé) que l'efficacité d'une intervention est mesurée.¦Parmi l'ensemble des interventions étudiées, l'une semble particulièrement efficace pour réduire le nombre de visites aux urgences et améliorer un certain nombre de marqueurs sociaux (accès à un logement ou à une assurance-maladie). Cette intervention est appelée "case management" (ou "gestion de cas", difficile tentative de traduction de ce concept en français), et consiste en une approche multidisciplinaire (médecins, infirmiers, assistants sociaux) fournissant un service individualisé, dans le cadre de l'hôpital et souvent également dans la communauté. L'approche consiste à évaluer les besoins précis du patient, à l'accompagner dans son parcours de soin, à l'orienter si nécessaire et à mettre en place autour de lui un réseau communiquant de manière adaptée.¦Le "case management" ayant montré son efficacité dans la prise en charge des utilisateurs fréquents des services d'urgence, y-compris en termes de coûts, notre conclusion va dans le sens d'encourager les hôpitaux à évaluer l'importance de ce phénomène dans leur propre pratique et à mettre en place des équipes de prise en charge de ces patients, dans le double but de soutenir des patients particulièrement vulnérables et de réduire la consommation des services d'urgence. Suite à la réflexion suscitée par ce travail de thèse, une telle équipe a été mise en place en 2010, dans un cadre de recherche-action, au niveau du CHUV. Ce projet est dirigé par le Dr Patrick Bodenmann, responsable de l'Unité Populations Vulnérables de la Policlinique Médicale Universitaire de Lausanne. Le Dr Bodenmann est également le directeur de cette thèse et le dernier auteur de la revue systématique.

Prédiction des durées de séjour en réadaptation en fonction du statut fonctionnel. [Usefulness of functional status to predict length of stay in rehabilitation.]

Objectif : En Suisse, la réadaptation est financée en¦partie par l'assureur qui fixe préalablement à l'admission¦un nombre de jours (durée garantie) qu'il s'engage¦à rembourser. Lorsqu'une durée garantie est trop courte,¦une demande de prolongation est nécessaire, induisant¦des démarches administratives. Les objectifs de cette¦étude étaient a) d'étudier le lien entre durées garanties¦et caractéristiques du patient ; b) d'estimer les coûts¦liés aux demandes de prolongation ; c) d'évaluer¦l'impact de l'introduction d'un modèle d'attribution de¦durée garantie basé sur l'état fonctionnel du patient.¦Méthodes : Les corrélations entre état fonctionnel,¦durée effective et durée garantie ont été testées sur¦208 séjours représentatifs. Des durées garanties fictives¦ont été calculées à partir de la médiane de durée de¦séjour de 2 335 patients, groupés selon leur niveau¦fonctionnel (score des activités de base de la vie quotidienne¦(BAVQ) 0-1 vs 2-4 vs 5-6), puis comparées aux¦durées de séjour effectives et garanties.¦Résultats : L'état fonctionnel du patient n'est pas¦corrélé à la durée garantie, et 69 % des séjours nécessitent¦au moins une demande de prolongation, représentant¦2,6 équivalents temps plein en temps administratif¦projeté sur le canton. L'application du modèle proposé¦réduirait de 28 % les demandes de prolongation, et¦n'augmenterait que marginalement la proportion de¦jours garantis en surplus (11,2 % contre 6,5 % actuellement).¦Conclusion : L'utilisation systématique d'un modèle¦d'attribution de durées garanties basées sur l'état¦fonctionnel du patient permettrait de réduire sensiblement¦les coûts administratifs liés aux demandes de¦prolongation, sans entraîner de risque accru d'une augmentation¦de la durée de séjour.

L'Académie de Lausanne entre Humanisme et Réforme (ca. 1537-1560)

L'Académie de Lausanne est la première école supérieure protestante implantée en territoire francophone. Lausanne constitue ainsi, dès les années 1540, un pôle de première importance dans le monde réformé. De nombreux savants protestants, attirés par la liberté de pratiquer leur foi et par la présence de l'Académie, s'établissent dans cette ville et des étudiants affluent de toute l'Europe. Les structures de l'Académie de Lausanne et son programme d'enseignement, fixés par un règlement daté de 1547, condensent sous une forme nouvelle les réflexions pédagogiques de la Renaissance. Ils constituent un modèle, direct ou indirect, pour toutes les Académies calvinistes fondées aux XVIème et XVIIème siècles, que ce soit à Genève, en France, en Allemagne, aux Pays-Bas, en Écosse, en Pologne ou encore aux États-Unis, dont les trois premiers Colleges, Harvard, William and Mary et Yale, se situent dans la même tradition. Malgré la place fondamentale qu'occupe l'Académie de Lausanne dans l'histoire de l'éducation protestante, la phase de création et de développement de cette institution était encore très mal connue. Cette thèse comble cette lacune de l'historiographie par la mise au jour et par l'analyse de nombreux documents, en grande partie inédits. Elle détruit bon nombre de préjugés entourant la mise en place et les buts de l'Académie de Lausanne à ses débuts. Ainsi, l'Académie de Lausanne n'est pas uniquement une école de pasteurs, comme il a souvent été affirmé jusqu'à ce jour, mais plus largement une institution offrant une formation d'un niveau très élevé dans les trois langues anciennes, (latin, grec et hébreu), en arts libéraux, en philosophie naturelle et morale, et en théologie. Au milieu du XVIème siècle, l'Académie lausannoise est capable de rivaliser avec les meilleures institutions pédagogiques de la Renaissance et d'attirer, dans un rayon très large, non seulement des étudiants qui se destinent au pastorat, mais aussi ceux qui sont formés pour gouverner leurs cités. Plus généralement, cette thèse, qui combine des approches d'histoire intellectuelle, d'histoire politique et d'histoire sociale, reconstitue et analyse les structures de l'Académie de Lausanne jusqu'à 1560, ainsi que ses fonctions éducatives, confessionnelles et politiques.

Visual representation of food in the brain : effects of repeated exposure and gut hormone secretion

The thesis at hand is concerned with the spatio-temporal brain mechanisms of visual food perception as investigated by electrical neuroimaging. Due to the increasing prevalence of obesity and its associated challenges for public health care, there is a need to better understand behavioral and brain processes underlying food perception and food-based decision-making. The first study (Study A) of this thesis was concerned with the role of repeated exposure to visual food cues. In our everyday lives we constantly and repeatedly encounter food and these exposures influence our food choices and preferences. In Study A, we therefore applied electrical neuroimaging analyses of visual evoked potentials to investigate the spatio-temporal brain dynamics linked to the repeated viewing of high- and low-energy food cues (published manuscript: "The role of energetic value in dynamic brain response adaptation during repeated food image viewing" (Lietti et al., 2012)). In this study, we found that repetitions differentially affect behavioral and brain mechanisms when high-energy, as opposed to low-energy foods and non-food control objects, were viewed. The representation of high-energy food remained invariant between initial and repeated exposures indicating that the sight of high-energy dense food induces less behavioral and neural adaptation than the sight of low-energy food and non-food control objects. We discuss this finding in the context of the higher salience (due to greater motivation and higher reward or hedonic valuation) of energy- dense food that likely generates a more mnemonically stable representation. In turn, this more invariant representation of energy-dense food is supposed to (partially) explain why these foods are over-consumed despite of detrimental health consequences. In Study Β we investigated food responsiveness in patients who had undergone Roux-en-Y gastric bypass surgery to overcome excessive obesity. This type of gastric bypass surgery is not only known to alter food appreciation, but also the secretion patterns of adipokines and gut peptides. Study Β aimed at a comprehensive and interdisciplinary investigation of differences along the gut-brain axis in bypass-operated patients as opposed to weight-matched non-operated controls. On the one hand, the spatio-temporal brain dynamics to the visual perception of high- vs. low-energy foods under differing states of motivation towards food intake (i.e. pre- and post-prandial) were assessed and compared between groups. On the other hand, peripheral gut hormone measures were taken in pre- and post-prandial nutrition state and compared between groups. In order to evaluate alterations in the responsiveness along the gut-brain-axis related to gastric bypass surgery, correlations between both measures were compared between both participant groups. The results revealed that Roux-en- Y gastric bypass surgery alters the spatio-temporal brain dynamics to the perception of high- and low-energy food cues, as well as the responsiveness along the gut-brain-axis. The potential role of these response alterations is discussed in relation to previously observed changes in physiological factors and food intake behavior post-Roux-en-Y gastric bypass surgery. By doing so, we highlight potential behavioral, neural and endocrine (i.e. gut hormone) targets for the future development of intervention strategies for deviant eating behavior and obesity. Together, the studies showed that the visual representation of foods in the brain is plastic and that modulations in neural activity are already noted at early stages of visual processing. Different factors of influence such as a repeated exposure, Roux-en-Y gastric bypass surgery, motivation (nutrition state), as well as the energy density of the visually perceived food were identified. En raison de la prévalence croissante de l'obésité et du défi que cela représente en matière de santé publique, une meilleure compréhension des processus comportementaux et cérébraux liés à la nourriture sont nécessaires. En particulier, cette thèse se concentre sur l'investigation des mécanismes cérébraux spatio-temporels liés à la perception visuelle de la nourriture. Nous sommes quotidiennement et répétitivement exposés à des images de nourriture. Ces expositions répétées influencent nos choix, ainsi que nos préférences alimentaires. La première étude (Study A) de cette thèse investigue donc l'impact de ces exposition répétée à des stimuli visuels de nourriture. En particulier, nous avons comparé la dynamique spatio-temporelle de l'activité cérébrale induite par une exposition répétée à des images de nourriture de haute densité et de basse densité énergétique. (Manuscrit publié: "The role of energetic value in dynamic brain response adaptation during repeated food image viewing" (Lietti et al., 2012)). Dans cette étude, nous avons pu constater qu'une exposition répétée à des images représentant de la nourriture de haute densité énergétique, par opposition à de la nourriture de basse densité énergétique, affecte les mécanismes comportementaux et cérébraux de manière différente. En particulier, la représentation neurale des images de nourriture de haute densité énergétique est similaire lors de l'exposition initiale que lors de l'exposition répétée. Ceci indique que la perception d'images de nourriture de haute densité énergétique induit des adaptations comportementales et neurales de moindre ampleur par rapport à la perception d'images de nourriture de basse densité énergétique ou à la perception d'une « catégorie contrôle » d'objets qui ne sont pas de la nourriture. Notre discussion est orientée sur les notions prépondérantes de récompense et de motivation qui sont associées à la nourriture de haute densité énergétique. Nous suggérons que la nourriture de haute densité énergétique génère une représentation mémorielle plus stable et que ce mécanisme pourrait (partiellement) être sous-jacent au fait que la nourriture de haute densité énergétique soit préférentiellement consommée. Dans la deuxième étude (Study Β) menée au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux mécanismes de perception de la nourriture chez des patients ayant subi un bypass gastrique Roux- en-Y, afin de réussir à perdre du poids et améliorer leur santé. Ce type de chirurgie est connu pour altérer la perception de la nourriture et le comportement alimentaire, mais également la sécrétion d'adipokines et de peptides gastriques. Dans une approche interdisciplinaire et globale, cette deuxième étude investigue donc les différences entre les patients opérés et des individus « contrôles » de poids similaire au niveau des interactions entre leur activité cérébrale et les mesures de leurs hormones gastriques. D'un côté, nous avons investigué la dynamique spatio-temporelle cérébrale de la perception visuelle de nourriture de haute et de basse densité énergétique dans deux états physiologiques différent (pre- et post-prandial). Et de l'autre, nous avons également investigué les mesures physiologiques des hormones gastriques. Ensuite, afin d'évaluer les altérations liées à l'intervention chirurgicale au niveau des interactions entre la réponse cérébrale et la sécrétion d'hormone, des corrélations entre ces deux mesures ont été comparées entre les deux groupes. Les résultats révèlent que l'intervention chirurgicale du bypass gastrique Roux-en-Y altère la dynamique spatio-temporelle de la perception visuelle de la nourriture de haute et de basse densité énergétique, ainsi que les interactions entre cette dernière et les mesures périphériques des hormones gastriques. Nous discutons le rôle potentiel de ces altérations en relation avec les modulations des facteurs physiologiques et les changements du comportement alimentaire préalablement déjà démontrés. De cette manière, nous identifions des cibles potentielles pour le développement de stratégies d'intervention future, au niveau comportemental, cérébral et endocrinien (hormones gastriques) en ce qui concerne les déviances du comportement alimentaire, dont l'obésité. Nos deux études réunies démontrent que la représentation visuelle de la nourriture dans le cerveau est plastique et que des modulations de l'activité neurale apparaissent déjà à un stade très précoce des mécanismes de perception visuelle. Différents facteurs d'influence comme une exposition repetee, le bypass gastrique Roux-en-Y, la motivation (état nutritionnel), ainsi que la densité énergétique de la nourriture qui est perçue ont pu être identifiés.

Treeline and climate change : analyzing and modeling patterns and shifts in the Swiss Alps

Summary: Global warming has led to an average earth surface temperature increase of about 0.7 °C in the 20th century, according to the 2007 IPCC report. In Switzerland, the temperature increase in the same period was even higher: 1.3 °C in the Northern Alps anal 1.7 °C in the Southern Alps. The impacts of this warming on ecosystems aspecially on climatically sensitive systems like the treeline ecotone -are already visible today. Alpine treeline species show increased growth rates, more establishment of young trees in forest gaps is observed in many locations and treelines are migrating upwards. With the forecasted warming, this globally visible phenomenon is expected to continue. This PhD thesis aimed to develop a set of methods and models to investigate current and future climatic treeline positions and treeline shifts in the Swiss Alps in a spatial context. The focus was therefore on: 1) the quantification of current treeline dynamics and its potential causes, 2) the evaluation and improvement of temperaturebased treeline indicators and 3) the spatial analysis and projection of past, current and future climatic treeline positions and their respective elevational shifts. The methods used involved a combination of field temperature measurements, statistical modeling and spatial modeling in a geographical information system. To determine treeline shifts and assign the respective drivers, neighborhood relationships between forest patches were analyzed using moving window algorithms. Time series regression modeling was used in the development of an air-to-soil temperature transfer model to calculate thermal treeline indicators. The indicators were then applied spatially to delineate the climatic treeline, based on interpolated temperature data. Observation of recent forest dynamics in the Swiss treeline ecotone showed that changes were mainly due to forest in-growth, but also partly to upward attitudinal shifts. The recent reduction in agricultural land-use was found to be the dominant driver of these changes. Climate-driven changes were identified only at the uppermost limits of the treeline ecotone. Seasonal mean temperature indicators were found to be the best for predicting climatic treelines. Applying dynamic seasonal delimitations and the air-to-soil temperature transfer model improved the indicators' applicability for spatial modeling. Reproducing the climatic treelines of the past 45 years revealed regionally different attitudinal shifts, the largest being located near the highest mountain mass. Modeling climatic treelines based on two IPCC climate warming scenarios predicted major shifts in treeline altitude. However, the currently-observed treeline is not expected to reach this limit easily, due to lagged reaction, possible climate feedback effects and other limiting factors. Résumé: Selon le rapport 2007 de l'IPCC, le réchauffement global a induit une augmentation de la température terrestre de 0.7 °C en moyenne au cours du 20e siècle. En Suisse, l'augmentation durant la même période a été plus importante: 1.3 °C dans les Alpes du nord et 1.7 °C dans les Alpes du sud. Les impacts de ce réchauffement sur les écosystèmes - en particuliers les systèmes sensibles comme l'écotone de la limite des arbres - sont déjà visibles aujourd'hui. Les espèces de la limite alpine des forêts ont des taux de croissance plus forts, on observe en de nombreux endroits un accroissement du nombre de jeunes arbres s'établissant dans les trouées et la limite des arbres migre vers le haut. Compte tenu du réchauffement prévu, on s'attend à ce que ce phénomène, visible globalement, persiste. Cette thèse de doctorat visait à développer un jeu de méthodes et de modèles pour étudier dans un contexte spatial la position présente et future de la limite climatique des arbres, ainsi que ses déplacements, au sein des Alpes suisses. L'étude s'est donc focalisée sur: 1) la quantification de la dynamique actuelle de la limite des arbres et ses causes potentielles, 2) l'évaluation et l'amélioration des indicateurs, basés sur la température, pour la limite des arbres et 3) l'analyse spatiale et la projection de la position climatique passée, présente et future de la limite des arbres et des déplacements altitudinaux de cette position. Les méthodes utilisées sont une combinaison de mesures de température sur le terrain, de modélisation statistique et de la modélisation spatiale à l'aide d'un système d'information géographique. Les relations de voisinage entre parcelles de forêt ont été analysées à l'aide d'algorithmes utilisant des fenêtres mobiles, afin de mesurer les déplacements de la limite des arbres et déterminer leurs causes. Un modèle de transfert de température air-sol, basé sur les modèles de régression sur séries temporelles, a été développé pour calculer des indicateurs thermiques de la limite des arbres. Les indicateurs ont ensuite été appliqués spatialement pour délimiter la limite climatique des arbres, sur la base de données de températures interpolées. L'observation de la dynamique forestière récente dans l'écotone de la limite des arbres en Suisse a montré que les changements étaient principalement dus à la fermeture des trouées, mais aussi en partie à des déplacements vers des altitudes plus élevées. Il a été montré que la récente déprise agricole était la cause principale de ces changements. Des changements dus au climat n'ont été identifiés qu'aux limites supérieures de l'écotone de la limite des arbres. Les indicateurs de température moyenne saisonnière se sont avérés le mieux convenir pour prédire la limite climatique des arbres. L'application de limites dynamiques saisonnières et du modèle de transfert de température air-sol a amélioré l'applicabilité des indicateurs pour la modélisation spatiale. La reproduction des limites climatiques des arbres durant ces 45 dernières années a mis en évidence des changements d'altitude différents selon les régions, les plus importants étant situés près du plus haut massif montagneux. La modélisation des limites climatiques des arbres d'après deux scénarios de réchauffement climatique de l'IPCC a prédit des changements majeurs de l'altitude de la limite des arbres. Toutefois, l'on ne s'attend pas à ce que la limite des arbres actuellement observée atteigne cette limite facilement, en raison du délai de réaction, d'effets rétroactifs du climat et d'autres facteurs limitants.

Surrogate markers for atheriosclerosis in overweight subjects with atherogenic dyslipidemia : the GEMS project

Rapport de synthèseLe syndrome métabolique (défini par les critères ATP III par la présence au minimum de 3 des facteurs suivants : taux plasmatiques d'HDL-cholestérol < 1,04 mmol/1 chez l'homme et < 1.29 mmol/1 chez la femme, taux plasmatiques de triglycérides > 1,69 mmol/1, tension artérielle > 130/85 mmHg, glycémie >6,1 mmol/1, tour de taille > 108 cm chez l'homme et > 88 cm chez la femme) représente une constellation de facteurs de risque majeurs pour le développement de maladies cardiovascu-laires. Il n'est pas encore établi actuellement quelle composante de ce syndrome contribue de manière plus marquée au risque de développer une athérosclérose. Dans le but d'éclaircir la pathogenèse de ce syndrome, une étude multicentrique intitulée GEMS (« Genetic Epidemiology of Metabolic Syndrome ») a été initiée afin de déterminer si la constellation d'une dyslipidémie avec HDL-C bas et TG élevé est un marqueur sensible de l'homogénéité génétique chez les individus atteints de syndrome métabolique.Dans l'étude menée à Lausanne (multicentrique), la contribution de la dyslipidémie avec HDL-C bas et TG élevé dans la pathogenèse de l'athérosclérose a été évaluée par 2 examens, reconnus comme marqueurs fiables de la vasculopathie : la mesure de l'épaisseur intima média carotidienne par ultrasonographic et l'évaluation de la dysfonction endothéliale de la microcirculation cutanée. Deux groupes de sujets comparables en terme d'âge et de sexe et souffrant d'un excès pondéral (BMI > 25 kg/m2) mais normoglycémiques ont été comparés. Ces deux groupes (étude cas-témoins) étaient uniquement discordants quant à leurs profils lipidiques. Ainsi, 120 cas, définis comme ayant un HDL-cholestérol bas (< 25 percentile pour l'âge et le sexe dans la population générale) et des TG élevés (> 75 percentile) ont été comparés à 120 contrôles avec un HDL-cholestérol haut (> 50 percentile) et des TG bas (< 50 percentile). Un doppler des artères carotides et fémorales a été effectué pour déterminer l'épaisseur de l'intima média et la présence ou non de plaques d'athérome. La fonction endothéliale a été évaluée par un laser doppler sur la micro-circulation cutanée (réponse hyperémique à une occlusion transitoire de la circulation de l'avant-bras par une manchette à pression et mesure de la vasodilatation induite par un échauffement local de la peau avec de l'eau). Un enregistrement de la pression artérielle ambulatoire sur la journée (Remler) a été pratiqué chez tous les sujets.Les résultats obtenus montrent que les cas ont une prévalence plus élevée de plaques d'athérome (médiane 1,5 ± 0,15 vs 0,8 > 0,15, p<.001), une épaisseur intima média plus importante (médiane 0,66 ± 0,15 vs 0,61 ± 0,15, p<.01), ainsi qu'une réduction significative de la vasodilatation endothéliale induite par la chaleur et post-ischémique comparativement aux contrôles.En conclusion, le profil lipidique associant un HDL-cholestérol bas et des triglycérides élevés représente un risque majeur de développer une maladie athéromateuse périphérique et est associée à une augmentation de l'épaisseur intima média et une altération de la fonction endothéliale chez les individus en surcharge pondérale. Bien qu'un HDL-cholestérol bas soit fréquemment associé à une hypertriglycéridémie, les résultats de notre étude peuvent suggérer un rôle potentiel de la fraction HDL-cholestérol comme un puissant agent anti-athérogénique.

Interpretation of partial fingermarks using an automated fingerprint identification system

Abstract : In the subject of fingerprints, the rise of computers tools made it possible to create powerful automated search algorithms. These algorithms allow, inter alia, to compare a fingermark to a fingerprint database and therefore to establish a link between the mark and a known source. With the growth of the capacities of these systems and of data storage, as well as increasing collaboration between police services on the international level, the size of these databases increases. The current challenge for the field of fingerprint identification consists of the growth of these databases, which makes it possible to find impressions that are very similar but coming from distinct fingers. However and simultaneously, this data and these systems allow a description of the variability between different impressions from a same finger and between impressions from different fingers. This statistical description of the withinand between-finger variabilities computed on the basis of minutiae and their relative positions can then be utilized in a statistical approach to interpretation. The computation of a likelihood ratio, employing simultaneously the comparison between the mark and the print of the case, the within-variability of the suspects' finger and the between-variability of the mark with respect to a database, can then be based on representative data. Thus, these data allow an evaluation which may be more detailed than that obtained by the application of rules established long before the advent of these large databases or by the specialists experience. The goal of the present thesis is to evaluate likelihood ratios, computed based on the scores of an automated fingerprint identification system when the source of the tested and compared marks is known. These ratios must support the hypothesis which it is known to be true. Moreover, they should support this hypothesis more and more strongly with the addition of information in the form of additional minutiae. For the modeling of within- and between-variability, the necessary data were defined, and acquired for one finger of a first donor, and two fingers of a second donor. The database used for between-variability includes approximately 600000 inked prints. The minimal number of observations necessary for a robust estimation was determined for the two distributions used. Factors which influence these distributions were also analyzed: the number of minutiae included in the configuration and the configuration as such for both distributions, as well as the finger number and the general pattern for between-variability, and the orientation of the minutiae for within-variability. In the present study, the only factor for which no influence has been shown is the orientation of minutiae The results show that the likelihood ratios resulting from the use of the scores of an AFIS can be used for evaluation. Relatively low rates of likelihood ratios supporting the hypothesis known to be false have been obtained. The maximum rate of likelihood ratios supporting the hypothesis that the two impressions were left by the same finger when the impressions came from different fingers obtained is of 5.2 %, for a configuration of 6 minutiae. When a 7th then an 8th minutia are added, this rate lowers to 3.2 %, then to 0.8 %. In parallel, for these same configurations, the likelihood ratios obtained are on average of the order of 100,1000, and 10000 for 6,7 and 8 minutiae when the two impressions come from the same finger. These likelihood ratios can therefore be an important aid for decision making. Both positive evolutions linked to the addition of minutiae (a drop in the rates of likelihood ratios which can lead to an erroneous decision and an increase in the value of the likelihood ratio) were observed in a systematic way within the framework of the study. Approximations based on 3 scores for within-variability and on 10 scores for between-variability were found, and showed satisfactory results. Résumé : Dans le domaine des empreintes digitales, l'essor des outils informatisés a permis de créer de puissants algorithmes de recherche automatique. Ces algorithmes permettent, entre autres, de comparer une trace à une banque de données d'empreintes digitales de source connue. Ainsi, le lien entre la trace et l'une de ces sources peut être établi. Avec la croissance des capacités de ces systèmes, des potentiels de stockage de données, ainsi qu'avec une collaboration accrue au niveau international entre les services de police, la taille des banques de données augmente. Le défi actuel pour le domaine de l'identification par empreintes digitales consiste en la croissance de ces banques de données, qui peut permettre de trouver des impressions très similaires mais provenant de doigts distincts. Toutefois et simultanément, ces données et ces systèmes permettent une description des variabilités entre différentes appositions d'un même doigt, et entre les appositions de différents doigts, basées sur des larges quantités de données. Cette description statistique de l'intra- et de l'intervariabilité calculée à partir des minuties et de leurs positions relatives va s'insérer dans une approche d'interprétation probabiliste. Le calcul d'un rapport de vraisemblance, qui fait intervenir simultanément la comparaison entre la trace et l'empreinte du cas, ainsi que l'intravariabilité du doigt du suspect et l'intervariabilité de la trace par rapport à une banque de données, peut alors se baser sur des jeux de données représentatifs. Ainsi, ces données permettent d'aboutir à une évaluation beaucoup plus fine que celle obtenue par l'application de règles établies bien avant l'avènement de ces grandes banques ou par la seule expérience du spécialiste. L'objectif de la présente thèse est d'évaluer des rapports de vraisemblance calcul és à partir des scores d'un système automatique lorsqu'on connaît la source des traces testées et comparées. Ces rapports doivent soutenir l'hypothèse dont il est connu qu'elle est vraie. De plus, ils devraient soutenir de plus en plus fortement cette hypothèse avec l'ajout d'information sous la forme de minuties additionnelles. Pour la modélisation de l'intra- et l'intervariabilité, les données nécessaires ont été définies, et acquises pour un doigt d'un premier donneur, et deux doigts d'un second donneur. La banque de données utilisée pour l'intervariabilité inclut environ 600000 empreintes encrées. Le nombre minimal d'observations nécessaire pour une estimation robuste a été déterminé pour les deux distributions utilisées. Des facteurs qui influencent ces distributions ont, par la suite, été analysés: le nombre de minuties inclus dans la configuration et la configuration en tant que telle pour les deux distributions, ainsi que le numéro du doigt et le dessin général pour l'intervariabilité, et la orientation des minuties pour l'intravariabilité. Parmi tous ces facteurs, l'orientation des minuties est le seul dont une influence n'a pas été démontrée dans la présente étude. Les résultats montrent que les rapports de vraisemblance issus de l'utilisation des scores de l'AFIS peuvent être utilisés à des fins évaluatifs. Des taux de rapports de vraisemblance relativement bas soutiennent l'hypothèse que l'on sait fausse. Le taux maximal de rapports de vraisemblance soutenant l'hypothèse que les deux impressions aient été laissées par le même doigt alors qu'en réalité les impressions viennent de doigts différents obtenu est de 5.2%, pour une configuration de 6 minuties. Lorsqu'une 7ème puis une 8ème minutie sont ajoutées, ce taux baisse d'abord à 3.2%, puis à 0.8%. Parallèlement, pour ces mêmes configurations, les rapports de vraisemblance sont en moyenne de l'ordre de 100, 1000, et 10000 pour 6, 7 et 8 minuties lorsque les deux impressions proviennent du même doigt. Ces rapports de vraisemblance peuvent donc apporter un soutien important à la prise de décision. Les deux évolutions positives liées à l'ajout de minuties (baisse des taux qui peuvent amener à une décision erronée et augmentation de la valeur du rapport de vraisemblance) ont été observées de façon systématique dans le cadre de l'étude. Des approximations basées sur 3 scores pour l'intravariabilité et sur 10 scores pour l'intervariabilité ont été trouvées, et ont montré des résultats satisfaisants.

L'apport d'une approche criminalistique pour lutter contre la contrefaçon de médicaments

Dans le domaine de l'analyse et la détection de produits pharmaceutiques contrefaits, différentes techniques analytiques ont été appliquées afin de discriminer les produits authentiques des contrefaçons. Parmi celles-ci, les spectroscopies proche infrarouge (NIR) et Raman ont fourni des résultats prometteurs. L'objectif de cette étude était de développer une méthodologie, basée sur l'établissement de liens chimiques entre les saisies de produits contrefaits, permettant de fournir des informations utiles pour les acteurs impliqués dans la lutte à la prolifération de ces produits. Une banque de données de spectres NIR et Raman a été créée et différents algorithmes de classification non-supervisée (i.e., analyse en composantes principales (ACP) et analyse factorielle discriminante (AFD) - elus ter onolysis) ont été utilisées afin d'identifier les différents groupes de produits présents. Ces classes ont été comparées aux profils chimiques mis en évidence par la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) et par la chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC -MS). La stratégie de classification proposée, fondée sur les classes identifiées par spectroscopie NIR et Raman, utilise un algorithme de classification basé sur des mesures de distance et des courbes Receiver Operating Characteristics (ROC). Le modèle est capable de comparer le spectre d'une nouvelle contrefaçon à ceux des saisies précédemment analysées afin de déterminer si le nouveau spécimen appartient à l'une des classes existantes, permettant ainsi de le lier à d'autres saisies dans la base de données.

Dynamics of the recruitment of lateral amygdala neurons following successive fear learning to different conditional stimuli

In fear conditioning, an animal learns to associate an unconditioned stimulus (US), such as a shock, and a conditioned stimulus (CS), such as a tone, so that the presentation of the CS alone can trigger conditioned responses. Recent research on the lateral amygdala has shown that following cued fear conditioning, only a subset of higher-excitable neurons are recruited in the memory trace. Their selective deletion after fear conditioning results in a selective erasure of the fearful memory. I hypothesize that the recruitment of highly excitable neurons depends on responsiveness to stimuli, intrinsic excitability and local connectivity. In addition, I hypothesize that neurons recruited for an initial memory also participate in subsequent memories, and that changes in neuronal excitability affect secondary fear learning. To address these hypotheses, I will show that A) a rat can learn to associate two successive short-term fearful memories; B) neuronal populations in the LA are competitively recruited in the memory traces depending on individual neuronal advantages, as well as advantages granted by the local network. By performing two successive cued fear conditioning experiments, I found that rats were able to learn and extinguish the two successive short-term memories, when tested 1 hour after learning for each memory. These rats were equipped with a system of stable extracellular recordings that I developed, which allowed to monitor neuronal activity during fear learning. 233 individual putative pyramidal neurons could modulate their firing rate in response to the conditioned tone (conditioned neurons) and/or non- conditioned tones (generalizing neurons). Out of these recorded putative pyramidal neurons 86 (37%) neurons were conditioned to one or both tones. More precisely, one population of neurons encoded for a shared memory while another group of neurons likely encoded the memories' new features. Notably, in spite of a successful behavioral extinction, the firing rate of those conditioned neurons in response to the conditioned tone remained unchanged throughout memory testing. Furthermore, by analyzing the pre-conditioning characteristics of the conditioned neurons, I determined that it was possible to predict neuronal recruitment based on three factors: 1) initial sensitivity to auditory inputs, with tone-sensitive neurons being more easily recruited than tone- insensitive neurons; 2) baseline excitability levels, with more highly excitable neurons being more likely to become conditioned; and 3) the number of afferent connections received from local neurons, with neurons destined to become conditioned receiving more connections than non-conditioned neurons. - En conditionnement de la peur, un animal apprend à associer un stimulus inconditionnel (SI), tel un choc électrique, et un stimulus conditionné (SC), comme un son, de sorte que la présentation du SC seul suffit pour déclencher des réflexes conditionnés. Des recherches récentes sur l'amygdale latérale (AL) ont montré que, suite au conditionnement à la peur, seul un sous-ensemble de neurones plus excitables sont recrutés pour constituer la trace mnésique. Pour apprendre à associer deux sons au même SI, je fais l'hypothèse que les neurones entrent en compétition afin d'être sélectionnés lors du recrutement pour coder la trace mnésique. Ce recrutement dépendrait d'un part à une activation facilité des neurones ainsi qu'une activation facilité de réseaux de neurones locaux. En outre, je fais l'hypothèse que l'activation de ces réseaux de l'AL, en soi, est suffisante pour induire une mémoire effrayante. Pour répondre à ces hypothèses, je vais montrer que A) selon un processus de mémoire à court terme, un rat peut apprendre à associer deux mémoires effrayantes apprises successivement; B) des populations neuronales dans l'AL sont compétitivement recrutées dans les traces mnésiques en fonction des avantages neuronaux individuels, ainsi que les avantages consentis par le réseau local. En effectuant deux expériences successives de conditionnement à la peur, des rats étaient capables d'apprendre, ainsi que de subir un processus d'extinction, pour les deux souvenirs effrayants. La mesure de l'efficacité du conditionnement à la peur a été effectuée 1 heure après l'apprentissage pour chaque souvenir. Ces rats ont été équipés d'un système d'enregistrements extracellulaires stables que j'ai développé, ce qui a permis de suivre l'activité neuronale pendant l'apprentissage de la peur. 233 neurones pyramidaux individuels pouvaient moduler leur taux d'activité en réponse au son conditionné (neurones conditionnés) et/ou au son non conditionné (neurones généralisant). Sur les 233 neurones pyramidaux putatifs enregistrés 86 (37%) d'entre eux ont été conditionnés à un ou deux tons. Plus précisément, une population de neurones code conjointement pour un souvenir partagé, alors qu'un groupe de neurones différent code pour de nouvelles caractéristiques de nouveaux souvenirs. En particulier, en dépit d'une extinction du comportement réussie, le taux de décharge de ces neurones conditionné en réponse à la tonalité conditionnée est resté inchangée tout au long de la mesure d'apprentissage. En outre, en analysant les caractéristiques de pré-conditionnement des neurones conditionnés, j'ai déterminé qu'il était possible de prévoir le recrutement neuronal basé sur trois facteurs : 1) la sensibilité initiale aux entrées auditives, avec les neurones sensibles aux sons étant plus facilement recrutés que les neurones ne répondant pas aux stimuli auditifs; 2) les niveaux d'excitabilité des neurones, avec les neurones plus facilement excitables étant plus susceptibles d'être conditionnés au son ; et 3) le nombre de connexions reçues, puisque les neurones conditionné reçoivent plus de connexions que les neurones non-conditionnés. Enfin, nous avons constaté qu'il était possible de remplacer de façon satisfaisante le SI lors d'un conditionnement à la peur par des injections bilatérales de bicuculline, un antagoniste des récepteurs de l'acide y-Aminobutirique.