GeoKernels: Modeling of Spatial Data on GeoManifolds

This paper presents a review of methodology for semi-supervised modeling with kernel methods, when the manifold assumption is guaranteed to be satisfied. It concerns environmental data modeling on natural manifolds, such as complex topographies of the mountainous regions, where environmental processes are highly influenced by the relief. These relations, possibly regionalized and nonlinear, can be modeled from data with machine learning using the digital elevation models in semi-supervised kernel methods. The range of the tools and methodological issues discussed in the study includes feature selection and semisupervised Support Vector algorithms. The real case study devoted to data-driven modeling of meteorological fields illustrates the discussed approach.

Développement d'une puce à ADN métabolique et application à l'étude d'un modèle murin d'obésité et de diabète de type II

Résumé tout public : Le développement du diabète de type II et de l'obésité est causé par l'interaction entre des gènes de susceptibilité et des facteurs environnementaux, en particulier une alimentation riche en calories et une activité physique insuffisante. Afín d'évaluer le rôle de l'alimentation en absence d'hétérogénéité génétique, nous avons nourri une lignée de souris génétiquement pure avec un régime extrêmement gras. Ce régime a conduit à l'établissement de différents phénotypes parmi ces souris, soit : un diabète et une obésité (ObD), un diabète mais pas d'obésité (LD) ou ni un diabète, ni une obésité (LnD). Nous avons fait l'hypothèse que ces adaptations différentes au stress nutritionnel induit par le régime gras étaient dues à l'établissement de programmes génétiques différents dans les principaux organes impliqués dans le maintien de l'équilibre énergétique. Afin d'évaluer cette hypothèse, nous avons développé une puce à ADN contenant approximativement 700 gènes du métabolisme. Cette puce à ADN, en rendant possible la mesure simultanée de l'expression de nombreux gènes, nous a permis d'établir les profils d'expression des gènes caractéristiques de chaque groupe de souris nourries avec le régime gras, dans le foie et le muscle squelettique. Les données que nous avons obtenues à partir de ces profils d'expression ont montré que des changements d'expression marqués se produisaient dans le foie et le muscle entre les différents groupes de souris nourries avec le régime gras. Dans l'ensemble, ces changements suggèrent que l'établissement du diabète de type II et de l'obésité induits par un régime gras est associé à une synthèse accrue de lipides par le foie et à un flux augmenté de lipides du foie jusqu'à la périphérie (muscles squelettiques). Dans un deuxième temps, ces profils d'expression des gènes ont été utilisés pour sélectionner un sous-ensemble de gènes suffisamment discriminants pour pouvoir distinguer entre les différents phénotypes. Ce sous-ensemble de gènes nous a permis de construire un classificateur phénotypique capable de prédire avec une précision relativement élevée le phénotype des souris. Dans le futur, de tels « prédicteurs » basés sur l'expression des gènes pourraient servir d'outils pour le diagnostic de pathologies liées au métabolisme. Summary: Aetiology of obesity and type II diabetes is multifactorial, involving both genetic and environmental factors, such as calory-rich diets or lack of exercice. Genetically homogenous C57BL/6J mice fed a high fat diet (HFD) up to nine months develop differential adaptation, becoming either obese and diabetic (ObD) or remaining lean in the presence (LD) or absence (LnD) of diabetes development. Each phenotype is associated with diverse metabolic alterations, which may result from diverse molecular adaptations of key organs involved in the control of energy homeostasis. In this study, we evaluated if specific patterns of gene expression could be associated with each different phenotype of HFD mice in the liver and the skeletal muscles. To perform this, we constructed a metabolic cDNA microarray containing approximately 700 cDNA representing genes involved in the main metabolic pathways of energy homeostasis. Our data indicate that the development of diet-induced obesity and type II diabetes is linked to some defects in lipid metabolism, involving a preserved hepatic lipogenesis and increased levels of very low density lipoproteins (VLDL). In skeletal muscles, an increase in fatty acids uptake, as suggested by the increased expression of lipoprotein lipase, would contribute to the increased level of insulin resistance observed in the ObD mice. Conversely, both groups of lean mice showed a reduced expression in lipogenic genes, particularly stearoyl-CoA desaturase 1 (Scd-1), a gene linked to sensitivity to diet-induced obesity. Secondly, we identified a subset of genes from expression profiles that classified with relative accuracy the different groups of mice. Such classifiers may be used in the future as diagnostic tools of each metabolic state in each tissue. Résumé Développement d'une puce à ADN métabolique et application à l'étude d'un modèle murin d'obésité et de diabète de type II L'étiologie de l'obésité et du diabète de type II est multifactorielle, impliquant à la fois des facteurs génétiques et environnementaux, tels que des régimes riches en calories ou un manque d'exercice physique. Des souris génétiquement homogènes C57BL/6J nourries avec un régime extrêmement gras (HFD) pendant 9 mois développent une adaptation métabolique différentielle, soit en devenant obèses et diabétiques (ObD), soit en restant minces en présence (LD) ou en absence (LnD) d'un diabète. Chaque phénotype est associé à diverses altérations métaboliques, qui pourraient résulter de diverses adaptations moléculaires des organes impliqués dans le contrôle de l'homéostasie énergétique. Dans cette étude, nous avons évalué si des profils d'expression des gènes dans le foie et le muscle squelettique pouvaient être associés à chacun des phénotypes de souris HFD. Dans ce but, nous avons développé une puce à ADN métabolique contenant approximativement 700 ADNc représentant des gènes impliqués dans les différentes voies métaboliques de l'homéostasie énergétique. Nos données indiquent que le développement de l'obésité et du diabète de type II induit par un régime gras est associé à certains défauts du métabolisme lipidique, impliquant une lipogenèse hépatique préservée et des niveaux de lipoprotéines de très faible densité (VLDL) augmentés. Au niveau du muscle squelettique, une augmentation du captage des acides gras, suggéré par l'expression augmentée de la lipoprotéine lipase, contribuerait à expliquer la résistance à l'insuline plus marquée observée chez les souris ObD. Au contraire, les souris minces ont montré une réduction marquée de l'expression des gènes lipogéniques, en particulier de la stéaroyl-CoA désaturase 1 (scd-1), un gène associé à la sensibilité au développement de l'obésité par un régime gras. Dans un deuxième temps, nous avons identifié un sous-ensemble de gènes à partir des profils d'expression, qui permettent de classifier avec une précision relativement élevée les différents groupes de souris. De tels classificateurs pourraient être utilisés dans le futur comme outils pour le diagnostic de l'état métabolique d'un tissu donné.

Effects of pro-cholinergic treatment in patients suffering from spatial neglect.

Spatial neglect is a neurological condition characterized by a breakdown of spatial cognition contralateral to hemispheric damage. Deficits in spatial attention toward the contralesional side are considered to be central to this syndrome. Brain lesions typically involve right fronto-parietal cortices mediating attentional functions and subcortical connections in underlying white matter. Convergent findings from neuroimaging and behavioral studies in both animals and humans suggest that the cholinergic system might also be critically implicated in selective attention by modulating cortical function via widespread projections from the basal forebrain. Here we asked whether deficits in spatial attention associated with neglect could partly result from a cholinergic deafferentation of cortical areas subserving attentional functions, and whether such disturbances could be alleviated by pro-cholinergic therapy. We examined the effect of a single-dose transdermal nicotine treatment on spatial neglect in 10 stroke patients in a double-blind placebo-controlled protocol, using a standardized battery of neglect tests. Nicotine-induced systematic improvement on cancellation tasks and facilitated orienting to single visual targets, but had no significant effect on other tests. These results support a global effect of nicotine on attention and arousal, but no effect on other spatial mechanisms impaired in neglect.

Dispersal strategies, few dominating or many coexisting: the effect of environmental spatial structure and multiple sources of mortality.

Interspecific competition, life history traits, environmental heterogeneity and spatial structure as well as disturbance are known to impact the successful dispersal strategies in metacommunities. However, studies on the direction of impact of those factors on dispersal have yielded contradictory results and often considered only few competing dispersal strategies at the same time. We used a unifying modeling approach to contrast the combined effects of species traits (adult survival, specialization), environmental heterogeneity and structure (spatial autocorrelation, habitat availability) and disturbance on the selected, maintained and coexisting dispersal strategies in heterogeneous metacommunities. Using a negative exponential dispersal kernel, we allowed for variation of both species dispersal distance and dispersal rate. We showed that strong disturbance promotes species with high dispersal abilities, while low local adult survival and habitat availability select against them. Spatial autocorrelation favors species with higher dispersal ability when adult survival and disturbance rate are low, and selects against them in the opposite situation. Interestingly, several dispersal strategies coexist when disturbance and adult survival act in opposition, as for example when strong disturbance regime favors species with high dispersal abilities while low adult survival selects species with low dispersal. Our results unify apparently contradictory previous results and demonstrate that spatial structure, disturbance and adult survival determine the success and diversity of coexisting dispersal strategies in competing metacommunities.

SIMULIT : un modèle de simulation pour l'analyse et la planification de l'activité hospitalière

Le modèle développé à l'Institut universitaire de médecine sociale et préventive de Lausanne utilise un programme informatique pour simuler les mouvements d'entrées et de sorties des hôpitaux de soins généraux. Cette simulation se fonde sur les données récoltées de routine dans les hôpitaux; elle tient notamment compte de certaines variations journalières et saisonnières, du nombre d'entrées, ainsi que du "Case-Mix" de l'hôpital, c'est-à-dire de la répartition des cas selon les groupes cliniques et l'âge des patients.

A la recherche de symptômes de désorientation dépendant d'un déficit d'intégration multisensorielle chez l'animal : un éclairage sur les mécanismes fondamentaux de la schizophrénie

Abstract Fundamental research in psychiatric neurosciences assumes that psychiatric disorders are associated with neurobiological factors. Identification of these factors would provide therapeutic targets as well as a better understanding of the relationship between- brain and behaviour in pathological processes. We conducted experiments in an animal model of schizophrenia. Several behavioural tasks were used to evaluate spatial and working memory in these animals. The model is based on glutathione deficit during cerebral development. Indeed, a 50% decrease of glutathione has been reported in prefrontal cortex of patients with schizophrenia. Glutathione is a major antioxidant in the brain and its deficit could lead to abnormal brain connectivity. The glutathione deficit was induced in rats by perinatal (PS-P16) subcutaneous injections with Lbuthionine-(S,R)-sullfoximine (BSO), an inhibitor of glutathione synthesis. This treatment leads to a transitory 50% glutathione levels during brain development. In parallel, we conducted behavioural testing in rats with a medial prefrontal cortex lesion. This allowed us to compare early damage induced by BSO treatment with a focal lesion in adults of a brain area known to present anomalies in schizophrenia. Finally, we conducted a series of experiments in senescent rats to evaluate if cognitive deficits could be related to neurobiological changes. Our results show that an early glutathione deficit provokes cognitive deficits in adulthood. These spatial and working memory deficits resemble the cognitive deficits observed in schizophrenia. The comparison with prefrontal rats revealed that the early brain glutathione deficit provoked more severe cognitive deficits than the prefrontal lesion in adult rats. Moreover, in both cases, we observed a dissociation in memory deficits depending on the type of locomotion that was used in behavioural experiments. Indeed, BSO treated rats as well as prefrontal rats showed place learning or working memory deficits in tasks conducted on dry surfaces where they had to walk. In contrast, they showed no deficit when the same cognitive functions were tested in the water maze. This dissociation might be sustained by a difference in requirement of sensory integration between walking and swimming tasks. Résumé La recherche fondamentale en neurosciences psychiatriques repose sur le présupposé selon lequel les symptômes manifestés dans les troubles psychiatriques auraient des concomitants neurobiologiques. Ceux-ci, une fois identifiés, offriraient des cibles pour une démarche thérapeutique ainsi que des modèles permettant de mieux comprendre les soubassements biologiques du comportement et des activités mentales. Nos expériences s'articulent autour de la question de la modélisation de la schizophrénie chez l'animal. Nous avons recherché chez ces animaux des troubles cognitifs et sensoriels associés à la schizophrénie. En effet, chez l'homme comme chez l'animal, la mémoire spatiale et la mémoire de travail dépendent fortement de la capacité d'intégration et d'organisation des informations sensorielles. Les premières expériences ont été menées suite à une perturbation périnatale du développement cérébral. Celle-ci visait à reproduire une diminution du taux de glutathion dans le cerveau, des recherches précédentes ayant observé une diminution de 50% du taux de glutathion dans le cortex préfrontal de patients schizophrènes. Le glutathion étant un antioxydant majeur dans le cerveau, son déficit pourrait conduire à des perturbations de la circuiterie cérébrale. Nous avons reproduit ce déficit chez le rat, par injection de Lbuthionine-(S,R)-sullfoximine (BSO), un inhibiteur de la synthèse du glutathion... Ce traitement a été administré pendant la période périnatale (du jour postnatal 5 au jour 16) provoquant une diminution de 50% du taux de glutathion. Nous avons ensuite évalué lës répercussions de cette atteinte précoce sur le comportement des rats à l'âge adulte. Ce modèle s'inscrit donc dans l'hypothèse neurodéveloppementale qui associe la schizophrénie à une atteinte du développement cérébral normal. Nous avons ensuite conduit des expériences similaires chez des rats ayant subi une lésion du cortex préfrontal pour comparer les répercussions du traitement périnatal avec une lésion, à l'âge adulte, d'une aire cérébrale connue pour présenter des anomalies chez les patients. Finalement, nous avons évalué si les processus sensoriels et cognitifs précédemment étudiés pouvaient également être affectés lors du vieillissement normal en recherchant des corrélats biologiques des déficits de mémoire liés à l'âge avancé. Nos résultats montrent que ce déficit précoce en glutathion peut avoir des répercussions surale comportement à l'âge adulte. On a relevé une similarité avec les déficits cognitifs associés.à la schizophrénie, incluant des déficits de mémoire de travail ainsi que des déficits de mémoire spatiale. Ces déficits étaient fortement liés au type de locomotion utilisée et n'ont été observés que dans les tâches où les animaux devaient rejoindre un but en marchant mais pas dans lés tests dans lesquels ils devaient localiser une cible en nageant. Les déficits induits par la lésion préfrontale chez l'adulte étaient beaucoup plus légers que ceux découlant de l'atteinte périnatale mais présentaient une dissociation analogue en fonction du type de locomotion. De plus, des tests similaires menés au cours du vieillissement confirment que la mémoire de travail peut être affectée sélectivement par le vieillissement dans une tâche où les animaux doivent marcher, tout en restant intacte dans le bassin de Morris. Les déficits cognitifs liés au vieillissement étaient significativement corrélés à des différences de niveaux des protéines post-synaptiques PSD95 (postsynaptic density 95). L'ensemble des résultats montre que les tests qui sont fréquemment utilisés pour évaluer la mémoire chez l'animal pourraient faire appel à des processus différents. Cette différence pourrait notamment tenir au niveau d'intégration sensorielle requis pour résoudre la tâche, qui est particulièrement sollicitée au cours d'une locomotion intermittente.

Spatial pattern of floral morphology: a possible insight into the effects of pollinators on plant distribution

Pollination syndromes involve convergent evolution towards phenotypes composed of specific scents, colours or floral morphologies that attract or restrict pollinator access to reward. How these traits might influence the distributions of plant species in interaction with pollinators has rarely been investigated. We sampled 870 vegetation plots in the western Swiss Alps and classified the plant species into seven blossom types according to their floral morphology (wind, disk, funnel, tube, bilabiate, head or brush). We investigated the environmental features of plots with functional diversity (FD) lower than expected by chance alone to detect potential pollination filtering and related the proportions of the seven blossom types to a combination of environmental descriptors. From these results, we inferred the potential effect of the pollinator on the spatial distribution of plant species. The vegetation plots with significantly lower FD of blossom types than expected by chance were found at higher altitudes, and the proportions of blossom types were strongly patterned along the same gradient. These results support a biotic filtering effect on plant species assemblages through pollination: disk blossoms became dominant at higher altitudes, resulting in a lower FD. In harsh conditions at high altitudes, pollinators usually decrease in activity, and the openness of the disk blossom grants access to any available pollinator. Inversely, bilabiate blossoms, which are mostly pollinated by bees, were more abundant at lower elevations, which are characterised by greater abundance and diversity of bees. Generalisation through openness of the blossom could be advantageous at high elevations, while specialisation could be a successful alternative strategy at lower elevations. The approach used in this study is purely correlative, and further investigations should be conducted to infer the nature of the causal relationship between plant and pollinator distributions.

Evolution of intraspecific variation : a comparative phylogenetic approach

Understanding the evolution of intraspecific variance is a major research question in evolutionary biology. While its importance to processes operating at individual and population levels is well-documented, much less is known about its role in macroevolutionary patterns. Nevertheless, both experimental and theoretical evidence suggest that the intraspecific variance is susceptible to selection, can transform into interspecific variation and, therefore, is crucial for macroevolutionary processes. The main objectives of this thesis were: (l) to investigate which factors impact evolution of intraspecific variation in Polygonaceae and determine if evolution of intraspecific variation influences species diversification; and (2) to develop a novel comparative phylogenetic method to model evolution of intraspecific variation. Using the buckwheat family, Polygonaceae, as a study system, I demonstrated which life-history and ecological traits are relevant to the evolution of intraspecific variation. I analyzed how differential intraspecific variation drives species diversification patterns. I showed with computer simulations the shortcomings of existing comparative methods with respect to intraspecific variation. I developed a novel comparative model that readily incorporates the intraspecific variance into phylogenetic comparative methods. The obtained results are complimentary, because they affect both empirical and methodological aspects of comparative analysis. Overall, I highlight that intraspecific variation is an important contributor to the macroevolutionary patterns and it should be explicitly considered in the comparative phylogenetic analysis. - En biologie évolutive comprendre l'évolution de la variance intraspécifique est un axe de recherche majeur. Bien que l'importance de cette variation soit bien documentée au niveau individuel et populationnel, on en sait beaucoup moins sur son rôle au niveau macroévolutif. Néanmoins, des preuves expérimentales et théoriques suggèrent que la variance intraspécifique est sensible à la sélection et peut se transformer en variation interspécifique. Par conséquent, elle est cruciale pour mieux comprendre les processus macroévolutifs. Les principaux objectifs de ma thèse étaient : (i) d'enquêter sur les facteurs qui affectent l'évolution de la variation intraspécifique chez les Polygonaceae et de déterminer si l'évolution de cette dernière influence la diversification des espèces, et (2) de développer une nouvelle méthode comparative permettant de modéliser l'évolution de la variation intraspécifique dans un cadre phylogénétique. En utilisant comme système d'étude la famille du sarrasin, les Polygonacées, je démontre que les traits d'histoire de vie sont pertinents pour comprendre l'évolution de la variation intraspécifique. J'ai également analysé l'influence de la variation intraspécifique au niveau de la diversification des espèces. J'ai ensuite démontré avec des données simulées les limites des méthodes comparatives existantes vis à vis de la variation intraspécifique. Finalement, j'ai développé un modèle comparatif qui intègre facilement la variance intraspécifique dans les méthodes comparatives phylogénétiques existantes. Les résultats obtenus lors de ma thèse sont complémentaires car ils abordent aspects empiriques et méthodologiques de l'analyse comparative. En conclusion, je souligne que la variation intraspécifique est un facteur important en macroévolution et qu'elle doit être explicitement considérée lors d'analyses comparatives phylogénétiques.

Testing Spatial Autocorrelation in Weighted Networks : the Modes Permutation Test

In a weighted spatial network, as specified by an exchange matrix, the variances of the spatial values are inversely proportional to the size of the regions. Spatial values are no more exchangeable under independence, thus weakening the rationale for ordinary permutation and bootstrap tests of spatial autocorrelation. We propose an alternative permutation test for spatial autocorrelation, based upon exchangeable spatial modes, constructed as linear orthogonal combinations of spatial values. The coefficients obtain as eigenvectors of the standardised exchange matrix appearing in spectral clustering, and generalise to the weighted case the concept of spatial filtering for connectivity matrices. Also, two proposals aimed at transforming an acessibility matrix into a exchange matrix with with a priori fixed margins are presented. Two examples (inter-regional migratory flows and binary adjacency networks) illustrate the formalism, rooted in the theory of spectral decomposition for reversible Markov chains.

Nucleation and growth of metamorphic minerals in contact aureoles

THESIS ABSTRACT Nucleation and growth of metamorphic minerals are the consequence of changing P-T-X-conditions. The thesis presented here focuses on processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments using a combination of geochemical analytics (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data, and numerical models. It is shown, that a combination of textural modeling and stable isotope analysis allows a distinction between several possible reaction paths for olivine growth in a siliceous dolomite contact aureole. It is suggested that olivine forms directly from dolomite and quartz. The formation of olivine from this metastable reaction implies metamorphic crystallization far from equilibrium. As a major consequence, the spatial distribution of metamorphic mineral assemblages in a contact aureole cannot be interpreted as a proxy for the temporal evolution of a single rock specimen, because each rock undergoes a different reaction path, depending on temperature, heating rate, and fluid-infiltration rate. A detailed calcite-dolomite thermometry study was initiated on multiple scales ranging from aureole scale to the size of individual crystals. Quantitative forward models were developed to evaluate the effect of growth zoning, volume diffusion and the formation of submicroscopic exsolution lamellae (<1 µm) on the measured Mg-distribution in individual calcite crystals and compare the modeling results to field data. This study concludes that Mg-distributions in calcite grains of the Ubehebe Peak contact aureole are the consequence of rapid crystal growth in combination with diffusion and exsolution. The crystallization history of a rock is recorded in the chemical composition, the size and the distribution of its minerals. Near the Cima Uzza summit, located in the southern Adamello massif (Italy), contact metamorphic brucite bearing dolomite marbles are exposed as xenoliths surrounded by mafic intrusive rocks. Brucite is formed retrograde pseudomorphing spherical periclase crystals. Crystal size distributions (CSD's) of brucite pseudomorphs are presented for two profiles and combined with geochemistry data and petrological information. Textural analyses are combined with geochemistry data in a qualitative model that describes the formation periclase. As a major outcome, this expands the potential use of CSD's to systems of mineral formation driven by fluid-infiltration. RESUME DE LA THESE La nucléation et la croissance des minéraux métamorphiques sont la conséquence de changements des conditions de pression, température et composition chimique du système (PT-X). Cette thèse s'intéresse aux processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux au cours d'un épisode de métamorphisme de contact, en utilisant la géochimie analytique (composition chimique, isotopique et en éléments traces), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique. Il est montré que la combinaison d'un modèle textural avec des analyses en isotopes stables permet de distinguer plusieurs chemins de réactions possibles conduisant à la croissance de l'olivine dans une auréole de contact riche en Silice et dolomite. Il est suggéré que l'olivine se forme directement à partir de la dolomie et du quartz. Cette réaction métastable de formation de l'olivine implique une cristallisation métamorphique loin de l'équilibre. La principale conséquence est que la distribution spatiale des assemblages de minéraux métamorphiques dans une auréole de contact ne peut pas être considérée comme un témoin de l'évolution temporelle d'un type de roche donné, puisque chaque type de roche suit différents chemins de réactions, en fonction de la température, la vitesse de réchauffement et le taux d'infiltration du fluide. Une étude thermométrique calcite-dolomite détaillée a été réalisée à diverses échelles, depuis l'échelle de l'auréole de contact jusqu'à l'échelle du cristal. Des modèles numériques quantitatifs ont été développés pour évaluer l'effet des zonations de croissance, de la diffusion volumique et de la formation de lamelles d'exsolution submicroscopiques (<1µm) sur la distribution du magnésium mesuré dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats de ce modèle ont été comparés ä des échantillons naturels. Cette étude montre que la distribution du Mg dans les grains de calcite de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA) résulte d'une croissance cristalline rapide, associée aux processus de diffusion et d'exsolution. L'histoire de cristallisation d'une roche est enregistrée dans la composition chimique, la taille et la distribution de ses minéraux. Près du sommet Cima Uzza situé au sud du massif d'Adamello (Italie), des marbres dolomitiques à brucite du métamorphisme de contact forment des xénolithes dans une intrusion mafique. La brucite constitue des pseudomorphes rétrogrades du périclase. Les distributions de taille des cristaux (CSD) des pseudomorphes de brucite sont présentées pour deux profiles et sont combinées aux données géochimiques et pétrologiques. Les analyses textorales sont combinées aux données géochimiques dans un modèle qualitatif qui décrit la formation du périclase. Ceci élargit l'utilisation potentielle de la C5D aux systèmes de formation de minéraux controlés par les infiltrations fluides. THESIS ABSTRACT (GENERAL PUBLIC) Rock textures are essentially the result of a complex interaction of nucleation, growth and deformation as a function of changing physical conditions such as pressure and temperature. Igneous and metamorphic textures are especially attractive to study the different mechanisms of texture formation since most of the parameters like pressure-temperature-paths are quite well known for a variety of geological settings. The fact that textures are supposed to record the crystallization history of a rock traditionally allowed them to be used for geothermobarometry or dating. During the last decades the focus of metamorphic petrology changed from a static point of view, i.e. the representation of a texture as one single point in the petrogenetic grid towards a more dynamic view, where multiple metamorphic processes govern the texture formation, including non-equilibrium processes. This thesis tries to advance our understanding on the processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments and their dynamic interplay by using a combination of geochemical analyses (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data and numerical models. In a first part the thesis describes the formation of metamorphic olivine porphyroblast in the Ubehebe Peak contact aureole (USA). It is shown that not the commonly assumed succession of equilibrium reactions along a T-t-path formed the textures present in the rocks today, but rather the presence of a meta-stable reaction is responsible for forming the olivine porphyroblast. Consequently, the spatial distribution of metamorphic minerals within a contact aureole can no longer be regarded as a proxy for the temporal evolution of a single rock sample. Metamorphic peak temperatures for samples of the Ubehebe Peak contact aureole were determined using calcite-dolomite. This geothermometer is based on the temperature-dependent exchange of Mg between calcite and dolomite. The purpose of the second part of this thesis was to explain the interfering systematic scatter of measured Mg-content on different scales and thus to clarify the interpretation of metamorphic temperatures recorded in carbonates. Numerical quantitative forward models are used to evaluate the effect of several processes on the distribution of magnesium in individual calcite crystals and the modeling results were then compared to measured field. Information about the crystallization history is not only recorded in the chemical composition of grains, like isotope composition or mineral zoning. Crystal size distributions (CSD's) provide essential information about the complex interaction of nucleation and growth of minerals. CSD's of brucite pseudomorphs formed retrograde after periclase of the southern Adamello massif (Italy) are presented. A combination of the textural 3D-information with geochemistry data is then used to evaluate reaction kinetics and to constrain the actual reaction mechanism for the formation of periclase. The reaction is shown to be the consequence of the infiltration of a limited amount of a fluid phase at high temperatures. The composition of this fluid phase is in large disequilibrium with the rest of the rock resulting in very fast reaction rates. RESUME DE LA THESE POUR LE GRAND PUBLIC: La texture d'une roche résulte de l'interaction complexe entre les processus de nucléation, croissance et déformation, en fonction des variations de conditions physiques telles que la pression et la température. Les textures ignées et métamorphiques présentent un intérêt particulier pour l'étude des différents mécanismes à l'origine de ces textures, puisque la plupart des paramètres comme les chemin pression-température sont relativement bien contraints dans la plupart des environnements géologiques. Le fait que les textures soient supposées enregistrer l'histoire de cristallisation des roches permet leur utilisation pour la datation et la géothermobarométrie. Durant les dernières décennies, la recherche en pétrologie métamorphique a évolué depuis une visualisation statique, c'est-à-dire qu'une texture donnée correspondait à un point unique de la grille pétrogénétique, jusqu'à une visualisation plus dynamique, où les multiples processus métamorphiques qui gouvernent 1a formation d'une texture incluent des processus hors équilibre. Cette thèse a pour but d'améliorer les connaissances actuelles sur les processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux lors d'épisodes de métamorphisme de contact et l'interaction dynamique existant entre nucléation et croissance. Pour cela, les analyses géochimiques (compositions chimiques en éléments majeurs et traces et composition isotopique), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique ont été combinés. Dans la première partie, cette thèse décrit la formation de porphyroblastes d'olivine métamorphique dans l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA). Il est montré que la succession généralement admise des réactions d'équilibre le long d'un chemin T-t ne peut pas expliquer les textures présentes dans les roches aujourd'hui. Cette thèse montre qu'il s'agirait plutôt d'une réaction métastable qui soit responsable de la formation des porphyroblastes d'olivine. En conséquence, la distribution spatiale des minéraux métamorphiques dans l'auréole de contact ne peut plus être interprétée comme le témoin de l'évolution temporelle d'un échantillon unique de roche. Les pics de température des échantillons de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak ont été déterminés grâce au géothermomètre calcite-dolomite. Celui-ci est basé sur l'échange du magnésium entre la calcite et la dolomite, qui est fonction de la température. Le but de la deuxième partie de cette thèse est d'expliquer la dispersion systématique de la composition en magnésium à différentes échelles, et ainsi d'améliorer l'interprétation des températures du métamorphisme enregistrées dans les carbonates. Des modèles numériques quantitatifs ont permis d'évaluer le rôle de différents processus sur la distribution du magnésium dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats des modèles ont été comparés aux échantillons naturels. La composition chimique des grains, comme la composition isotopique ou la zonation minérale, n'est pas le seul témoin de l'histoire de la cristallisation. La distribution de la taille des cristaux (CSD) fournit des informations essentielles sur les interactions entre nucléation et croissance des minéraux. La CSD des pseudomorphes de brucite retrograde formés après le périclase dans le sud du massif Adamello (Italie) est présentée dans la troisième partie. La combinaison entre les données textorales en trois dimensions et les données géochimiques a permis d'évaluer les cinétiques de réaction et de contraindre les mécanismes conduisant à la formation du périclase. Cette réaction est présentée comme étant la conséquence de l'infiltration d'une quantité limitée d'une phase fluide à haute température. La composition de cette phase fluide est en grand déséquilibre avec le reste de la roche, ce qui permet des cinétiques de réactions très rapides.

Combined analysis of grey matter voxel-based morphometry and white matter tract-based spatial statistics in late-life bipolar disorder.

Background: Previous magnetic resonance imaging (MRI) studies in young patients with bipolar disorder indicated the presence of grey matter concentration changes as well as microstructural alterations in white matter in various neocortical areas and the corpus callosum. Whether these structural changes are also present in elderly patients with bipolar disorder with long-lasting clinical evolution remains unclear. Methods: We performed a prospective MRI study of consecutive elderly, euthymic patients with bipolar disorder and healthy, elderly controls. We conducted a voxel-based morphometry (VBM) analysis and a tract-based spatial statistics (TBSS) analysis to assess fractional anisotropy and longitudinal, radial and mean diffusivity derived by diffusion tensor imaging (DTI). Results: We included 19 patients with bipolar disorder and 47 controls in our study. Fractional anisotropy was the most sensitive DTI marker and decreased significantly in the ventral part of the corpus callosum in patients with bipolar disorder. Longitudinal, radial and mean diffusivity showed no significant between-group differences. Grey matter concentration was reduced in patients with bipolar disorder in the right anterior insula, head of the caudate nucleus, nucleus accumbens, ventral putamen and frontal orbital cortex. Conversely, there was no grey matter concentration or fractional anisotropy increase in any brain region in patients with bipolar disorder compared with controls. Limitations: The major limitation of our study is the small number of patients with bipolar disorder. Conclusion: Our data document the concomitant presence of grey matter concentration decreases in the anterior limbic areas and the reduced fibre tract coherence in the corpus callosum of elderly patients with long-lasting bipolar disorder.

Improving generalized regression analysis for the spatial prediction of forest communities

Aim This study used data from temperate forest communities to assess: (1) five different stepwise selection methods with generalized additive models, (2) the effect of weighting absences to ensure a prevalence of 0.5, (3) the effect of limiting absences beyond the environmental envelope defined by presences, (4) four different methods for incorporating spatial autocorrelation, and (5) the effect of integrating an interaction factor defined by a regression tree on the residuals of an initial environmental model. Location State of Vaud, western Switzerland. Methods Generalized additive models (GAMs) were fitted using the grasp package (generalized regression analysis and spatial predictions, http://www.cscf.ch/grasp). Results Model selection based on cross-validation appeared to be the best compromise between model stability and performance (parsimony) among the five methods tested. Weighting absences returned models that perform better than models fitted with the original sample prevalence. This appeared to be mainly due to the impact of very low prevalence values on evaluation statistics. Removing zeroes beyond the range of presences on main environmental gradients changed the set of selected predictors, and potentially their response curve shape. Moreover, removing zeroes slightly improved model performance and stability when compared with the baseline model on the same data set. Incorporating a spatial trend predictor improved model performance and stability significantly. Even better models were obtained when including local spatial autocorrelation. A novel approach to include interactions proved to be an efficient way to account for interactions between all predictors at once. Main conclusions Models and spatial predictions of 18 forest communities were significantly improved by using either: (1) cross-validation as a model selection method, (2) weighted absences, (3) limited absences, (4) predictors accounting for spatial autocorrelation, or (5) a factor variable accounting for interactions between all predictors. The final choice of model strategy should depend on the nature of the available data and the specific study aims. Statistical evaluation is useful in searching for the best modelling practice. However, one should not neglect to consider the shapes and interpretability of response curves, as well as the resulting spatial predictions in the final assessment.