Multiple-scale hydrological and geophysical data integration through non-linear Bayesian sequential simulation

Significant progress has been made with regard to the quantitative integration of geophysical and hydrological data at the local scale. However, extending the corresponding approaches to the scale of a field site represents a major, and as-of-yet largely unresolved, challenge. To address this problem, we have developed downscaling procedure based on a non-linear Bayesian sequential simulation approach. The main objective of this algorithm is to estimate the value of the sparsely sampled hydraulic conductivity at non-sampled locations based on its relation to the electrical conductivity logged at collocated wells and surface resistivity measurements, which are available throughout the studied site. The in situ relationship between the hydraulic and electrical conductivities is described through a non-parametric multivariatekernel density function. Then a stochastic integration of low-resolution, large-scale electrical resistivity tomography (ERT) data in combination with high-resolution, local-scale downhole measurements of the hydraulic and electrical conductivities is applied. The overall viability of this downscaling approach is tested and validated by comparing flow and transport simulation through the original and the upscaled hydraulic conductivity fields. Our results indicate that the proposed procedure allows obtaining remarkably faithful estimates of the regional-scale hydraulic conductivity structure and correspondingly reliable predictions of the transport characteristics over relatively long distances.

Multiscale assessment of plant diversity in wooded pastures of the Jura mountains

Résumé La diminution de la biodiversité, à toutes les échelles spatiales et sur l'ensemble de la planète, compte parmi les problèmes les plus préoccupants de notre époque. En terme de conservation, il est aujourd'hui primordial de mieux comprendre les mécanismes qui créent et maintiennent la biodiversité dans les écosystèmes naturels ou anthropiques. La présente étude a pour principal objectif d'améliorer notre compréhension des patrons de biodiversité végétale et des mécanismes sous jacents, dans un écosystème complexe, riche en espèces et à forte valeur patrimoniale, les pâturages boisés jurassiens. Structure et échelle spatiales sont progressivement reconnues comme des dimensions incontournables dans l'étude des patrons de biodiversité. De plus, ces deux éléments jouent un rôle central dans plusieurs théories écologiques. Toutefois, peu d'hypothèses issues de simulations ou d'études théoriques concernant le lien entre structure spatiale du paysage et biodiversité ont été testées de façon empirique. De même, l'influence des différentes composantes de l'échelle spatiale sur les patrons de biodiversité est méconnue. Cette étude vise donc à tester quelques-unes de ces hypothèses et à explorer les patrons spatiaux de biodiversité dans un contexte multi-échelle, pour différentes mesures de biodiversité (richesse et composition en espèces) à l'aide de données de terrain. Ces données ont été collectées selon un plan d'échantillonnage hiérarchique. Dans un premier temps, nous avons testé l'hypothèse élémentaire selon laquelle la richesse spécifique (le nombre d'espèces sur une surface donnée) est liée à l'hétérogénéité environnementale quelque soit l'échelle. Nous avons décomposé l'hétérogénéité environnementale en deux parties, la variabilité des conditions environnementales et sa configuration spatiale. Nous avons montré que, en général, la richesse spécifique augmentait avec l'hétérogénéité de l'environnement : elle augmentait avec le nombre de types d'habitats et diminuait avec l'agrégation spatiale de ces habitats. Ces effets ont été observés à toutes les échelles mais leur nature variait en fonction de l'échelle, suggérant une modification des mécanismes. Dans un deuxième temps, la structure spatiale de la composition en espèces a été décomposée en relation avec 20 variables environnementales et 11 traits d'espèces. Nous avons utilisé la technique de partition de la variation et un descripteur spatial, récemment développé, donnant accès à une large gamme d'échelles spatiales. Nos résultats ont montré que la structure spatiale de la composition en espèces végétales était principalement liée à la topographie, aux échelles les plus grossières, et à la disponibilité en lumière, aux échelles les plus fines. La fraction non-environnementale de la variation spatiale de la composition spécifique avait une relation complexe avec plusieurs traits d'espèces suggérant un lien avec des processus biologiques tels que la dispersion, dépendant de l'échelle spatiale. Dans un dernier temps, nous avons testé, à plusieurs échelles spatiales, les relations entre trois composantes de la biodiversité : la richesse spécifique totale d'un échantillon (diversité gamma), la richesse spécifique moyenne (diversité alpha), mesurée sur des sous-échantillons, et les différences de composition spécifique entre les sous-échantillons (diversité beta). Les relations deux à deux entre les diversités alpha, beta et gamma ne suivaient pas les relations attendues, tout du moins à certaines échelles spatiales. Plusieurs de ces relations étaient fortement dépendantes de l'échelle. Nos résultats ont mis en évidence l'importance du rapport d'échelle (rapport entre la taille de l'échantillon et du sous-échantillon) lors de l'étude des patrons spatiaux de biodiversité. Ainsi, cette étude offre un nouvel aperçu des patrons spatiaux de biodiversité végétale et des mécanismes potentiels permettant la coexistence des espèces. Nos résultats suggèrent que les patrons de biodiversité ne peuvent être expliqués par une seule théorie, mais plutôt par une combinaison de théories. Ils ont également mis en évidence le rôle essentiel joué par la structure spatiale dans la détermination de la biodiversité, quelque soit le composant de la biodiversité considéré. Enfin, cette étude souligne l'importance de prendre en compte plusieurs échelles spatiales et différents constituants de l'échelle spatiale pour toute étude relative à la diversité spécifique. Abstract The world-wide loss of biodiversity at all scales has become a matter of urgent concern, and improving our understanding of local drivers of biodiversity in natural and anthropogenic ecosystems is now crucial for conservation. The main objective of this study was to further our comprehension of the driving forces controlling biodiversity patterns in a complex and diverse ecosystem of high conservation value, wooded pastures. Spatial pattern and scale are central to several ecological theories, and it is increasingly recognized that they must be taken -into consideration when studying biodiversity patterns. However, few hypotheses developed from simulations or theoretical studies have been tested using field data, and the evolution of biodiversity patterns with different scale components remains largely unknown. We test several such hypotheses and explore spatial patterns of biodiversity in a multi-scale context and using different measures of biodiversity (species richness and composition), with field data. Data were collected using a hierarchical sampling design. We first tested the simple hypothesis that species richness, the number of species in a given area, is related to environmental heterogeneity at all scales. We decomposed environmental heterogeneity into two parts: the variability of environmental conditions and its spatial configuration. We showed that species richness generally increased with environmental heterogeneity: species richness increased with increasing number of habitat types and with decreasing spatial aggregation of those habitats. Effects occurred at all scales but the nature of the effect changed with scale, suggesting a change in underlying mechanisms. We then decomposed the spatial structure of species composition in relation to environmental variables and species traits using variation partitioning and a recently developed spatial descriptor, allowing us to capture a wide range of spatial scales. We showed that the spatial structure of plant species composition was related to topography at the coarsest scales and insolation at finer scales. The non-environmental fraction of the spatial variation in species composition had a complex relationship with several species traits, suggesting a scale-dependent link to biological processes, particularly dispersal. Finally, we tested, at different spatial scales, the relationships between different components of biodiversity: total sample species richness (gamma diversity), mean species .richness (alpha diversity), measured in nested subsamples, and differences in species composition between subsamples (beta diversity). The pairwise relationships between alpha, beta and gamma diversity did not follow the expected patterns, at least at certain scales. Our result indicated a strong scale-dependency of several relationships, and highlighted the importance of the scale ratio when studying biodiversity patterns. Thus, our results bring new insights on the spatial patterns of biodiversity and the possible mechanisms allowing species coexistence. They suggest that biodiversity patterns cannot be explained by any single theory proposed in the literature, but a combination of theories is sufficient. Spatial structure plays a crucial role for all components of biodiversity. Results emphasize the importance of considering multiple spatial scales and multiple scale components when studying species diversity.

Une délicate rencontre entre savoirs autochtones "experts" : enjeux politiques interculturelles dans le domaine de la prévention de la violence à l'égard des femmes kichwa en Amazonie équatorienne

Cette thèse porte sur l'élaboration et la mise en pratique de politiques interculturelles dans le champ de la santé internationale, en se basant sur une ethnographie d'un programme de préven¬tion de la violence de genre dans le canton de Loreto, en Amazonie équatorienne, mis en place par la Croix-Rouge suisse et aujourd'hui géré de concert avec l'Etat équatorien et une organisation kichwa locale. Suivant une approche qui fait varier les échelles d'analyses pour articuler le niveau local, national et international, elle met en évidence les lieux d'intersection et les hiatus entre l'idéal d'interculturalité tel qu'il est conçu «par le haut» et les pratiques qui sont mises en oeuvre au quotidien par des professionnels de la santé et du développement métis équatoriens. Elle révèle ainsi qu'au-delà de l'idéal du respect des « différences culturelles autochtones » et de la symétrie entre les « cultures », les discours et les pratiques de ces professionnels consistent en une entreprise de normalisation et de moralisation des comportements des destinataires kichwa en matière de rapports de genre. Pour affiner ces analyses et dépasser une approche critique de la santé publique, cette thèse explore également les représentations et les pratiques des destinataires - femmes agents de santé et « bénéficiaires » kichwa du programme - en matière de violence et de rapports de genre. Elle montre ainsi que le transfert de normes et de valeurs via la santé publique fait l'objet de mul¬tiples processus d'appropriations, et explore les différentes d'interprétations, de négociations et d'instrumentalisations de la part des destinataires, tant au niveau individuel que collectif. -- Intercultural politics and the prevention of violence against kichwa women in the Ecuadorian Amazon This PhD thesis focuses on the development and application of intercultural policies in the field of international health. It is drawn on an ethnographic fieldwork conducted in canton Loreto, in the Ecuadorian Amazon, about a gender violence prevention program which was set up by the Swiss Red Cross and which is now managed in cooperation with the Ecuadorian State and a local kichwa organization. Following a multiple-scale analysis in order to articulate the local, national and international dynamics, it highlights the intersections and the gaps between, on the one hand, the the institutional prescriptions about the ideal of interculturality and on the other hand, the daily practices of Ecuadorian mestizo health and development profesionals. It reveals that beyond the ideal of respect for «indigenous cultural differences» and of symmetry between «cultures», the discourses and practices of these professionals consist of a normalizing and moralizing enter¬prise concerning the gendered and, more broadly, social behaviors of kichwa «beneficiaries». In order to refine the analysis and to go beyond a critical approach of public health, this thesis also explores the violence and gender relations representations and practices of kichwa women health workers and «beneficiaries», men and women. Thus it shows that the transfer of norms via public health is the subject of multiple processes of appropriation, interpretation, negotiation and instru¬mentalisation both on individual and collective levels by the «beneficiaries».

How multiple repetitions influence the processing of self-, famous and unknown names and faces: an ERP study.

Because we live in an extremely complex social environment, people require the ability to memorize hundreds or thousands of social stimuli. The aim of this study was to investigate the effect of multiple repetitions on the processing of names and faces varying in terms of pre-experimental familiarity. We measured both behavioral and electrophysiological responses to self-, famous and unknown names and faces in three phases of the experiment (in every phase, each type of stimuli was repeated a pre-determined number of times). We found that the negative brain potential in posterior scalp sites observed approximately 170 ms after the stimulus onset (N170) was insensitive to pre-experimental familiarity but showed slight enhancement with each repetition. The negative wave in the inferior-temporal regions observed at approximately 250 ms (N250) was affected by both pre-experimental (famous>unknown) and intra-experimental familiarity (the more repetitions, the larger N250). In addition, N170 and N250 for names were larger in the left inferior-temporal region, whereas right-hemispheric or bilateral patterns of activity for faces were observed. The subsequent presentations of famous and unknown names and faces were also associated with higher amplitudes of the positive waveform in the central-parietal sites analyzed in the 320-900 ms time-window (P300). In contrast, P300 remained unchanged after the subsequent presentations of self-name and self-face. Moreover, the P300 for unknown faces grew more quickly than for unknown names. The latter suggests that the process of learning faces is more effective than learning names, possibly because faces carry more semantic information.

Mapping the human connectome at multiple scales with diffusion spectrum MRI.

The global structural connectivity of the brain, the human connectome, is now accessible at millimeter scale with the use of MRI. In this paper, we describe an approach to map the connectome by constructing normalized whole-brain structural connection matrices derived from diffusion MRI tractography at 5 different scales. Using a template-based approach to match cortical landmarks of different subjects, we propose a robust method that allows (a) the selection of identical cortical regions of interest of desired size and location in different subjects with identification of the associated fiber tracts (b) straightforward construction and interpretation of anatomically organized whole-brain connection matrices and (c) statistical inter-subject comparison of brain connectivity at various scales. The fully automated post-processing steps necessary to build such matrices are detailed in this paper. Extensive validation tests are performed to assess the reproducibility of the method in a group of 5 healthy subjects and its reliability is as well considerably discussed in a group of 20 healthy subjects.

Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.

Multiple sclerosis decreases explicit counterfactual processing and risk taking in decision making.

INTRODUCTION: Deficits in decision making (DM) are commonly associated with prefrontal cortical damage, but may occur with multiple sclerosis (MS). There are no data concerning the impact of MS on tasks evaluating DM under explicit risk, where different emotional and cognitive components can be distinguished. METHODS: We assessed 72 relapsing-remitting MS (RRMS) patients with mild to moderate disease and 38 healthy controls in two DM tasks involving risk with explicit rules: (1) The Wheel of Fortune (WOF), which probes the anticipated affects of decisions outcomes on future choices; and (2) The Cambridge Gamble Task (CGT) which measures risk taking. Participants also underwent a neuropsychological and emotional assessment, and skin conductance responses (SCRs) were recorded. RESULTS: In the WOF, RRMS patients showed deficits in integrating positive counterfactual information (p<0.005) and greater risk aversion (p<0.001). They reported less negative affect than controls (disappointment: p = 0.007; regret: p = 0.01), although their implicit emotional reactions as measured by post-choice SCRs did not differ. In the CGT, RRMS patients differed from controls in quality of DM (p = 0.01) and deliberation time (p = 0.0002), the latter difference being correlated with attention scores. Such changes did not result in overall decreases in performance (total gains). CONCLUSIONS: The quality of DM under risk was modified by MS in both tasks. The reduction in the expression of disappointment coexisted with an increased risk aversion in the WOF and alexithymia features. These concomitant emotional alterations may have implications for better understanding the components of explicit DM and for the clinical support of MS patients.

Epidemiology of multiple congenital anomalies in Europe: a EUROCAT population-based registry study.

BACKGROUND: This study describes the prevalence, associated anomalies, and demographic characteristics of cases of multiple congenital anomalies (MCA) in 19 population-based European registries (EUROCAT) covering 959,446 births in 2004 and 2010. METHODS: EUROCAT implemented a computer algorithm for classification of congenital anomaly cases followed by manual review of potential MCA cases by geneticists. MCA cases are defined as cases with two or more major anomalies of different organ systems, excluding sequences, chromosomal and monogenic syndromes. RESULTS: The combination of an epidemiological and clinical approach for classification of cases has improved the quality and accuracy of the MCA data. Total prevalence of MCA cases was 15.8 per 10,000 births. Fetal deaths and termination of pregnancy were significantly more frequent in MCA cases compared with isolated cases (p < 0.001) and MCA cases were more frequently prenatally diagnosed (p < 0.001). Live born infants with MCA were more often born preterm (p < 0.01) and with birth weight < 2500 grams (p < 0.01). Respiratory and ear, face, and neck anomalies were the most likely to occur with other anomalies (34% and 32%) and congenital heart defects and limb anomalies were the least likely to occur with other anomalies (13%) (p < 0.01). However, due to their high prevalence, congenital heart defects were present in half of all MCA cases. Among males with MCA, the frequency of genital anomalies was significantly greater than the frequency of genital anomalies among females with MCA (p < 0.001). CONCLUSION: Although rare, MCA cases are an important public health issue, because of their severity. The EUROCAT database of MCA cases will allow future investigation on the epidemiology of these conditions and related clinical and diagnostic problems.

Perceived behavioral changes in early multiple sclerosis.

Acquired behavioral changes have essentially been described in advanced multiple sclerosis (MS). The present study was designed to determine whether behavioral modifications specifically related to the MS pathological process could be identified in the initial phase of the disease, as compared to control patients with chronic, relapsing and progressive inflammatory disorders not involving the central nervous system (CNS). Eighty-eight early MS patients (Expanded Disability Status Scale score <or= 2.5) and 48 controls were tested. Perceived changes by informants in behavioral control, goal-directed behavior, decision making, emotional expression, insight and interpersonal relationships were assessed using the Iowa Scale of Personality Change (ISPC). Executive behavioral disturbances were screened using the Dysexecutive Questionnaire (DEX). The mean change between the premorbid and postmorbid ISPC ratings was similar in the MS [12.2 (SD 15.6)] and in the control [11.5 (SD 15.1)] group. The perceived behavioral changes (PBCs) most frequently reported in both groups were lack of stamina, lability/moodiness, anxiety, vulnerability to stress and irritability. Pathological scores in the DEX were also similar in both groups. Correlations between PBCs and DEX scores were different in MS and control groups. MS patients with cognitive impairment had a marginally higher number of PBCs than control patients (p=0.056) and a significantly higher DEXp score (p=0.04). These results suggest that (1) PBCs occurring in early MS patients were not different from those induced by comparable chronic non-CNS disorders, (2) qualitative differences in the relationship between behavioral symptoms and executive-behavioral changes may exist between MS and control groups, and (3) behavioral symptoms seem associated with cognitive deficits in MS. We further plan to assess these observations longitudinally.

Etude des propriétés dynamiques de la sécrétion régulée des vésicules glutamatergiques des astrocytes

RESUME GRAND PUBLICLe cerveau est composé de différents types cellulaires, dont les neurones et les astrocytes. Faute de moyens pour les observer, les astrocytes sont très longtemps restés dans l'ombre alors que les neurones, bénéficiant des outils ad hoc pour être stimulés et étudiés, ont fait l'objet de toutes les attentions. Le développement de l'imagerie cellulaire et des outils fluorescents ont permis d'observer ces cellules non électriquement excitables et d'obtenir des informations qui laissent penser que ces cellules sont loin d'être passives et participent activement au fonctionnement cérébral. Cette participation au fonctionnement cérébral se fait en partie par le biais de la libération de substances neuro-actives (appellées gliotransmetteurs) que les astrocytes libèrent à proximité des synapses permettant ainsi de moduler le fonctionnement neuronal. Cette libération de gliotransmetteurs est principalement causée par l'activité neuronale que les astrocytes sont capables de sentir. Néanmoins, nous savons encore peu de chose sur les propriétés précises de la libération des gliotransmetteurs. Comprendre les propriétés spatio-temporelles de cette libération est essentiel pour comprendre le mode de communication de ces cellules et leur implication dans la transmission de l'information cérébrale. En utilisant des outils fluorescents récemment développés et en combinant différentes techniques d'imagerie cellulaire, nous avons pu obtenir des informations très précises sur la libération de ces gliotransmetteurs par les astrocytes. Nous avons ainsi confirmé que cette libération était un processus très rapide et qu'elle était contrôlée par des augmentations de calcium locales et rapides. Nous avons également décrit une organisation complexe de la machinerie supportant la libération des gliotransmetteurs. Cette organisation complexe semble être à la base de la libération extrêmement rapide des gliotransmetteurs. Cette rapidité de libération et cette complexité structurelle semblent indiquer que les astrocytes sont des cellules particulièrement adaptées à une communication rapide et qu'elles peuvent, au même titre que les neurones dont elles seraient les partenaires légitimes, participer à la transmission et à l'intégration de l'information cérébrale.RESUMEDe petites vésicules, les « SLMVs » ou « Synaptic Like MicroVesicles », exprimant des transporteurs vésiculaires du glutamate (VGluTs) et libérant du glutamate par exocytose régulée, ont récemment été décrites dans les astrocytes en culture et in situ. Néanmoins, nous savons peu de chose sur les propriétés précises de la sécrétion de ces SLMVs. Contrairement aux neurones, le couplage stimulussécrétion des astrocytes n'est pas basé sur l'ouverture des canaux calciques membranaires mais nécessite l'intervention de seconds messagers et la libération du calcium par le reticulum endoplasmique (RE). Comprendre les propriétés spatio-temporelles de la sécrétion astrocytaire est essentiel pour comprendre le mode de communication de ces cellules et leur implication dans la transmission de l'information cérébrale. Nous avons utilisé des outils fluorescents récemment développés pour étudier le recyclage des vésicules synaptiques glutamatergiques comme les colorants styryles et la pHluorin afin de pouvoir suivre la sécrétion des SLMVs à l'échelle de la cellule mais également à l'échelle des évènements. L'utilisation combinée de l'épifluorescence et de la fluorescence à onde évanescente nous a permis d'obtenir une résolution temporelle et spatiale sans précédent. Ainsi avons-nous confirmé que la sécrétion régulée des astrocytes était un processus très rapide (de l'ordre de quelques centaines de millisecondes). Nous avons découvert que cette sécrétion est contrôlée par des augmentations de calcium locales et rapides. Nous avons également décrit des compartiments cytosoliques délimités par le RE à proximité de la membrane plasmique et contenant les SLMVs. Cette organisation semble être à la base du couplage rapide entre l'activation des GPCRs et la sécrétion. L'existence de compartiments subcellulaires indépendants permettant de contenir les messagers intracellulaires et de limiter leur diffusion semble compenser de manière efficace la nonexcitabilité électrique des astrocytes. Par ailleurs, l'existence des différents pools de vésicules recrutés séquentiellement et fusionnant selon des modalités distinctes ainsi que l'existence de mécanismes permettant le renouvellement de ces pools lors de la stimulation suggèrent que les astrocytes peuvent faire face à une stimulation soutenue de leur sécrétion. Ces données suggèrent que la libération de gliotransmetteurs par exocytose régulée n'est pas seulement une propriété des astrocytes en culture mais bien le résultat d'une forte spécialisation de ces cellules pour la sécrétion. La rapidité de cette sécrétion donne aux astrocytes toutes les compétences pour pouvoir intervenir de manière active dans la transmission et l'intégration de l'information.ABSTRACTRecently, astrocytic synaptic like microvesicles (SLMVs), that express vesicular glutamate transporters (VGluTs) and are able to release glutamate by Ca2+-dependent regulated exocytosis, have been described both in tissue and in cultured astrocytes. Nevertheless, little is known about the specific properties of regulated secretion in astrocytes. Important differences may exist between astrocytic and neuronal exocytosis, starting from the fact that stimulus-secretion coupling in astrocytes is voltage independent, mediated by G-protein-coupled receptors and the release of Ca2+ from internal stores. Elucidating the spatiotemporal properties of astrocytic exo-endocytosis is, therefore, of primary importance for understanding the mode of communication of these cells and their role in brain signaling. We took advantage of fluorescent tools recently developed for studying recycling of glutamatergic vesicles at synapses like styryl dyes and pHluorin in order to follow exocytosis and endocytosis of SLMVs at the level of the entire cell or at the level of single event. We combined epifluorescence and total internal reflection fluorescence imaging to investigate, with unprecedented temporal and spatial resolution, the events underlying the stimulus-secretion in astrocytes. We confirmed that exo-endocytosis process in astrocytes proceeds with a time course on the millisecond time scale. We discovered that SLMVs exocytosis is controlled by local and fast Ca2+ elevations; indeed submicrometer cytosolic compartments delimited by endoplasmic reticulum (ER) tubuli reaching beneath the plasma membrane and containing SLMVs. Such complex organization seems to support the fast stimulus-secretion coupling reported here. Independent subcellular compartments formed by ER, SLMVs and plasma membrane containing intracellular messengers and limiting their diffusion seem to compensate efficiently the non-electrical excitability of astrocytes. Moreover, the existence of two pools of SLMVs which are sequentially recruited suggests a compensatory mechanisms allowing the refill of SLMVs and supporting exocytosis process over a wide range of multiple stimuli. These data suggest that regulated secretion is not only a feature of cultured astrocytes but results from a strong specialization of these cells. The rapidity of secretion demonstrates that astrocytes are able to actively participate in brain information transmission and processing.

The behavioral relevance and top-down susceptibility of early, low level multisensory interactions in humans

Abstract (English)General backgroundMultisensory stimuli are easier to recognize, can improve learning and a processed faster compared to unisensory ones. As such, the ability an organism has to extract and synthesize relevant sensory inputs across multiple sensory modalities shapes his perception of and interaction with the environment. A major question in the scientific field is how the brain extracts and fuses relevant information to create a unified perceptual representation (but also how it segregates unrelated information). This fusion between the senses has been termed "multisensory integration", a notion that derives from seminal animal single-cell studies performed in the superior colliculus, a subcortical structure shown to create a multisensory output differing from the sum of its unisensory inputs. At the cortical level, integration of multisensory information is traditionally deferred to higher classical associative cortical regions within the frontal, temporal and parietal lobes, after extensive processing within the sensory-specific and segregated pathways. However, many anatomical, electrophysiological and neuroimaging findings now speak for multisensory convergence and interactions as a distributed process beginning much earlier than previously appreciated and within the initial stages of sensory processing.The work presented in this thesis is aimed at studying the neural basis and mechanisms of how the human brain combines sensory information between the senses of hearing and touch. Early latency non-linear auditory-somatosensory neural response interactions have been repeatedly observed in humans and non-human primates. Whether these early, low-level interactions are directly influencing behavioral outcomes remains an open question as they have been observed under diverse experimental circumstances such as anesthesia, passive stimulation, as well as speeded reaction time tasks. Under laboratory settings, it has been demonstrated that simple reaction times to auditory-somatosensory stimuli are facilitated over their unisensory counterparts both when delivered to the same spatial location or not, suggesting that audi- tory-somatosensory integration must occur in cerebral regions with large-scale spatial representations. However experiments that required the spatial processing of the stimuli have observed effects limited to spatially aligned conditions or varying depending on which body part was stimulated. Whether those divergences stem from task requirements and/or the need for spatial processing has not been firmly established.Hypotheses and experimental resultsIn a first study, we hypothesized that auditory-somatosensory early non-linear multisensory neural response interactions are relevant to behavior. Performing a median split according to reaction time of a subset of behavioral and electroencephalographic data, we found that the earliest non-linear multisensory interactions measured within the EEG signal (i.e. between 40-83ms post-stimulus onset) were specific to fast reaction times indicating a direct correlation of early neural response interactions and behavior.In a second study, we hypothesized that the relevance of spatial information for task performance has an impact on behavioral measures of auditory-somatosensory integration. Across two psychophysical experiments we show that facilitated detection occurs even when attending to spatial information, with no modulation according to spatial alignment of the stimuli. On the other hand, discrimination performance with probes, quantified using sensitivity (d'), is impaired following multisensory trials in general and significantly more so following misaligned multisensory trials.In a third study, we hypothesized that behavioral improvements might vary depending which body part is stimulated. Preliminary results suggest a possible dissociation between behavioral improvements andERPs. RTs to multisensory stimuli were modulated by space only in the case when somatosensory stimuli were delivered to the neck whereas multisensory ERPs were modulated by spatial alignment for both types of somatosensory stimuli.ConclusionThis thesis provides insight into the functional role played by early, low-level multisensory interac-tions. Combining psychophysics and electrical neuroimaging techniques we demonstrate the behavioral re-levance of early and low-level interactions in the normal human system. Moreover, we show that these early interactions are hermetic to top-down influences on spatial processing suggesting their occurrence within cerebral regions having access to large-scale spatial representations. We finally highlight specific interactions between auditory space and somatosensory stimulation on different body parts. Gaining an in-depth understanding of how multisensory integration normally operates is of central importance as it will ultimately permit us to consider how the impaired brain could benefit from rehabilitation with multisensory stimula-Abstract (French)Background théoriqueDes stimuli multisensoriels sont plus faciles à reconnaître, peuvent améliorer l'apprentissage et sont traités plus rapidement comparé à des stimuli unisensoriels. Ainsi, la capacité qu'un organisme possède à extraire et à synthétiser avec ses différentes modalités sensorielles des inputs sensoriels pertinents, façonne sa perception et son interaction avec l'environnement. Une question majeure dans le domaine scientifique est comment le cerveau parvient à extraire et à fusionner des stimuli pour créer une représentation percep- tuelle cohérente (mais aussi comment il isole les stimuli sans rapport). Cette fusion entre les sens est appelée "intégration multisensorielle", une notion qui provient de travaux effectués dans le colliculus supérieur chez l'animal, une structure sous-corticale possédant des neurones produisant une sortie multisensorielle différant de la somme des entrées unisensorielles. Traditionnellement, l'intégration d'informations multisen- sorielles au niveau cortical est considérée comme se produisant tardivement dans les aires associatives supérieures dans les lobes frontaux, temporaux et pariétaux, suite à un traitement extensif au sein de régions unisensorielles primaires. Cependant, plusieurs découvertes anatomiques, électrophysiologiques et de neuroimageries remettent en question ce postulat, suggérant l'existence d'une convergence et d'interactions multisensorielles précoces.Les travaux présentés dans cette thèse sont destinés à mieux comprendre les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans la combinaison d'informations sensorielles entre les sens de l'audition et du toucher chez l'homme. Des interactions neuronales non-linéaires précoces audio-somatosensorielles ont été observées à maintes reprises chez l'homme et le singe dans des circonstances aussi variées que sous anes- thésie, avec stimulation passive, et lors de tâches nécessitant un comportement (une détection simple de stimuli, par exemple). Ainsi, le rôle fonctionnel joué par ces interactions à une étape du traitement de l'information si précoce demeure une question ouverte. Il a également été démontré que les temps de réaction en réponse à des stimuli audio-somatosensoriels sont facilités par rapport à leurs homologues unisensoriels indépendamment de leur position spatiale. Ce résultat suggère que l'intégration audio- somatosensorielle se produit dans des régions cérébrales possédant des représentations spatiales à large échelle. Cependant, des expériences qui ont exigé un traitement spatial des stimuli ont produits des effets limités à des conditions où les stimuli multisensoriels étaient, alignés dans l'espace ou encore comme pouvant varier selon la partie de corps stimulée. Il n'a pas été établi à ce jour si ces divergences pourraient être dues aux contraintes liées à la tâche et/ou à la nécessité d'un traitement de l'information spatiale.Hypothèse et résultats expérimentauxDans une première étude, nous avons émis l'hypothèse que les interactions audio- somatosensorielles précoces sont pertinentes pour le comportement. En effectuant un partage des temps de réaction par rapport à la médiane d'un sous-ensemble de données comportementales et électroencépha- lographiques, nous avons constaté que les interactions multisensorielles qui se produisent à des latences précoces (entre 40-83ms) sont spécifique aux temps de réaction rapides indiquant une corrélation directe entre ces interactions neuronales précoces et le comportement.Dans une deuxième étude, nous avons émis l'hypothèse que si l'information spatiale devient perti-nente pour la tâche, elle pourrait exercer une influence sur des mesures comportementales de l'intégration audio-somatosensorielles. Dans deux expériences psychophysiques, nous montrons que même si les participants prêtent attention à l'information spatiale, une facilitation de la détection se produit et ce toujours indépendamment de la configuration spatiale des stimuli. Cependant, la performance de discrimination, quantifiée à l'aide d'un index de sensibilité (d') est altérée suite aux essais multisensoriels en général et de manière plus significative pour les essais multisensoriels non-alignés dans l'espace.Dans une troisième étude, nous avons émis l'hypothèse que des améliorations comportementales pourraient différer selon la partie du corps qui est stimulée (la main vs. la nuque). Des résultats préliminaires suggèrent une dissociation possible entre une facilitation comportementale et les potentiels évoqués. Les temps de réactions étaient influencés par la configuration spatiale uniquement dans le cas ou les stimuli somatosensoriels étaient sur la nuque alors que les potentiels évoqués étaient modulés par l'alignement spatial pour les deux types de stimuli somatosensorielles.ConclusionCette thèse apporte des éléments nouveaux concernant le rôle fonctionnel joué par les interactions multisensorielles précoces de bas niveau. En combinant la psychophysique et la neuroimagerie électrique, nous démontrons la pertinence comportementale des ces interactions dans le système humain normal. Par ailleurs, nous montrons que ces interactions précoces sont hermétiques aux influences dites «top-down» sur le traitement spatial suggérant leur occurrence dans des régions cérébrales ayant accès à des représentations spatiales de grande échelle. Nous soulignons enfin des interactions spécifiques entre l'espace auditif et la stimulation somatosensorielle sur différentes parties du corps. Approfondir la connaissance concernant les bases neuronales et les mécanismes impliqués dans l'intégration multisensorielle dans le système normale est d'une importance centrale car elle permettra d'examiner et de mieux comprendre comment le cerveau déficient pourrait bénéficier d'une réhabilitation avec la stimulation multisensorielle.

Imaging Properties of MS Lesions Correlate with Attention Deficits in Early Multiple Sclerosis

Introduction: Cognitive impairment affects 40-65% of multiple sclerosis (MS) patients, often since early stages of the disease (relapsing remitting MS, RRMS). Frequently affected functions are memory, attention or executive abilities but the most sensitive measure of cognitive deficits in early MS is the information processing speed (Amato, 2008). MRI has been extensively exploited to investigate the substrate of cognitive dysfunction in MS but the underlying physiopathological mechanisms remain unclear. White matter lesion load, whole-brain atrophy and cortical lesions' number play a role but correlations are in some cases modest (Rovaris, 2006; Calabrese, 2009). In this study, we aimed at characterizing and correlating the T1 relaxation times of cortical and sub-cortical lesions with cognitive deficits detected by neuropsychological tests in a group of very early RR MS patients. Methods: Ten female patients with very early RRMS (age: 31.6 ±4.7y; disease duration: 3.8 ±1.9y; EDSS disability score: 1.8 ±0.4) and 10 age- and gender-matched healthy volunteers (mean age: 31.2 ±5.8y) were included in the study. All participants underwent the following neuropsychological tests: Rao's Brief Repeatable Battery of Neuropsychological tests (BRB-N), Stockings of Cambridge, Trail Making Test (TMT, part A and B), Boston Naming Test, Hooper Visual Organization Test and copy of the Rey-Osterrieth Complex Figure. Within 2 weeks from neuropsychological assessment, participants underwent brain MRI at 3T (Magnetom Trio a Tim System, Siemens, Germany) using a 32-channel head coil. The imaging protocol included 3D sequences with 1x1x1.2 mm3 resolution and 256x256x160 matrix, except for axial 2D-FLAIR: -DIR (T2-weighted, suppressing both WM and CSF; Pouwels, 2006) -MPRAGE (T1-weighted; Mugler, 1991) -MP2RAGE (T1-weighted with T1 maps; Marques, 2010) -FLAIR SPACE (only for patient 4-10, T2-weighted; Mugler, 2001) -2D Axial FLAIR (0.9x0.9x2.5 mm3, 256x256x44 matrix). Lesions were identified by one experienced neurologist and radiologist using all contrasts, manually contoured and assigned to regional locations (cortical or sub-cortical). Lesion number, volume and T1 relaxation time were calculated for lesions in each contrast and in a merged mask representing the union of the lesions from all contrasts. T1 relaxation times of lesions were normalized with the mean T1 value in corresponding control regions of the healthy subjects. Statistical analysis was performed using GraphPad InStat software. Cognitive scores were compared between patients and controls with paired t-tests; p values ≤ 0.05 were considered significant. Spearmann correlation tests were performed between the cognitive tests, which differed significantly between patients and controls, and lesions' i) number ii) volume iii) T1 relaxation time iv) disease duration and v) years of study. Results: Cortical and sub-cortical lesions count, T1 values and volume are reported in Table 1 (A and B). All early RRMS patients showed cortical lesions (CLs) and the majority consisted of CLs type I (lesions with a cortical component extending to the sub-cortical tissue). The rest of cortical lesions were characterized as type II (intra-cortical lesions). No type III/IV lesions (large sub-pial lesions) were detected. RRMS patients were slightly less educated (13.5±2.5y vs. 16.3±1.8y of study, p=0.02) than the controls. Signs of cortical dysfunction (i.e. impaired learning, language, visuo-spatial skills or gnosis) were rare in all patients. However, patients showed on average lower scores on measures of visual attention and information processing speed (TMT-part A: p=0.01; TMT-part B: p=0.006; PASAT-included in the BRB-N: p=0.04). The T1 relaxation values of CLs type I negatively correlated with the TMT-part A score (r=0.78, p<0.01). The correlations of TMT-part B score and PASAT score with T1 relaxation time of lesions as well and the correlation between TMT-part A, TMT-part B and PASAT score with lesions' i) number ii) volume iii) disease duration and iv) years of study did not reach significance. In order to preclude possible influences from partial volume effects on the T1 values, the correlation between lesion volume and T1 value of CLs type I was calculated; no correlation was found, suggesting that partial volume effects did not affect the statistics. Conclusions: The present pilot study reports for the first time the presence and the T1 characteristics at 3 T of cortical lesions in very early RRMS (< 6 y disease duration). It also shows that CLS type I represents the most frequent cortical lesion type in this cohort of RRMS patients. In addition, it reveals a negative correlation between the attentional test TMT-part A and the T1 properties of cortical lesions type I. In other words, lower attention deficits are concomitant with longer T1-relaxation time in cortical lesions. In respect to this last finding, it could be speculated that long relaxation time correspond to a certain degree of tissue loss that is enough to stimulate compensatory mechanisms. This hypothesis is in line with previous fMRI studies showing functional compensatory mechanisms to help maintaining normal or sub-normal attention performances in RR MS patients (Penner, 2003).

Debris flow hazard modelling on medium scale: Valtellina di Tirano, Italy

Debris flow hazard modelling at medium (regional) scale has been subject of various studies in recent years. In this study, hazard zonation was carried out, incorporating information about debris flow initiation probability (spatial and temporal), and the delimitation of the potential runout areas. Debris flow hazard zonation was carried out in the area of the Consortium of Mountain Municipalities of Valtellina di Tirano (Central Alps, Italy). The complexity of the phenomenon, the scale of the study, the variability of local conditioning factors, and the lacking data limited the use of process-based models for the runout zone delimitation. Firstly, a map of hazard initiation probabilities was prepared for the study area, based on the available susceptibility zoning information, and the analysis of two sets of aerial photographs for the temporal probability estimation. Afterwards, the hazard initiation map was used as one of the inputs for an empirical GIS-based model (Flow-R), developed at the University of Lausanne (Switzerland). An estimation of the debris flow magnitude was neglected as the main aim of the analysis was to prepare a debris flow hazard map at medium scale. A digital elevation model, with a 10 m resolution, was used together with landuse, geology and debris flow hazard initiation maps as inputs of the Flow-R model to restrict potential areas within each hazard initiation probability class to locations where debris flows are most likely to initiate. Afterwards, runout areas were calculated using multiple flow direction and energy based algorithms. Maximum probable runout zones were calibrated using documented past events and aerial photographs. Finally, two debris flow hazard maps were prepared. The first simply delimits five hazard zones, while the second incorporates the information about debris flow spreading direction probabilities, showing areas more likely to be affected by future debris flows. Limitations of the modelling arise mainly from the models applied and analysis scale, which are neglecting local controlling factors of debris flow hazard. The presented approach of debris flow hazard analysis, associating automatic detection of the source areas and a simple assessment of the debris flow spreading, provided results for consequent hazard and risk studies. However, for the validation and transferability of the parameters and results to other study areas, more testing is needed.