Cost evaluation of cardiovascular magnetic resonance versus coronary angiography for the diagnostic work-up of coronary artery disease: Application of the European Cardiovascular Magnetic Resonance registry data to the German, United Kingdom, Swiss, and United States health care systems.

ABSTRACT: BACKGROUND: Cardiovascular magnetic resonance (CMR) has favorable characteristics for diagnostic evaluation and risk stratification of patients with known or suspected CAD. CMR utilization in CAD detection is growing fast. However, data on its cost-effectiveness are scarce. The goal of this study is to compare the costs of two strategies for detection of significant coronary artery stenoses in patients with suspected coronary artery disease (CAD): 1) Performing CMR first to assess myocardial ischemia and/or infarct scar before referring positive patients (defined as presence of ischemia and/or infarct scar to coronary angiography (CXA) versus 2) a hypothetical CXA performed in all patients as a single test to detect CAD. METHODS: A subgroup of the European CMR pilot registry was used including 2,717 consecutive patients who underwent stress-CMR. From these patients, 21% were positive for CAD (ischemia and/or infarct scar), 73% negative, and 6% uncertain and underwent additional testing. The diagnostic costs were evaluated using invoicing costs of each test performed. Costs analysis was performed from a health care payer perspective in German, United Kingdom, Swiss, and United States health care settings. RESULTS: In the public sectors of the German, United Kingdom, and Swiss health care systems, cost savings from the CMR-driven strategy were 50%, 25% and 23%, respectively, versus outpatient CXA. If CXA was carried out as an inpatient procedure, cost savings were 46%, 50% and 48%, respectively. In the United States context, cost savings were 51% when compared with inpatient CXA, but higher for CMR by 8% versus outpatient CXA. CONCLUSION: This analysis suggests that from an economic perspective, the use of CMR should be encouraged as a management option for patients with suspected CAD.

Cost evaluation of cardiac magnetic resonance imaging versus coronary angiography for the work-up of coronary artery disease

Background: CMR has recently emerged as a robust and reliable technique to assess coronary artery disease (CAD). A negative perfusion CMR test predicts low event rates of 0.3-0.5%/year. Invasive coronary angiography (CA) remains the "gold standard" for the evaluation of CAD in many countries.Objective: Assessing the costs of the two strategies in the European CMR registry for the work-up of known or suspected CAD from a health care payer perspective. Strategy 1) a CA to all patients or 2) a CA only to patients who are diagnosed positive for ischemia in a prior CMR.Method and results: Using data of the European CMR registry (20 hospitals, 11'040 consecutive patients) we calculated the proportion of patients who were diagnosed positive (20.6%), uncertain (6.5%), and negative (72.9%) after the CMR test in patients with known or suspected CAD (n=2'717). No other medical test was performed to patients who were negative for ischemia. Positive diagnosed patients had a coronary angiography. Those with uncertain diagnosis had additional tests (84.7%: stress echocardiography, 13.1%: CCT, 2.3% SPECT), these costs were added to the CMR strategy costs. Information from costs for tests in Germany and Switzerland were used. A sensibility analysis was performed for inpatient CA. For costs see figure. Results - costs.Discussion: The CMR strategy costs less than the CA strategy for the health insurance systems both, in Germany and Switzerland. While lower in costs, the CMR strategy is a non-invasive one, does not expose to radiation, and yields additional information on cardiac function, viability, valves, and great vessels. Developing the use of CMR instead of CA might imply some reduction in costs together with superior patient safety and comfort, and a better utilization of resources at the hospital level. Document introduit le : 01.12.2011

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

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

Militarism and Melodrama: The Cultural Work of Combat Death

This essay examines the role of melodrama in the American war film, focusing on three post-WWII examples. The main argument centers on the natural alliance between melodrama and militarism based on a shared intolerance for the notion of death as meaningless and in vain. Both melodrama and military ideology employ elaborate rhetorical and narrative strategies to enfold deaths into larger systems of meaning, such as the nation, or in more personal terms, as a rite of passage. One of the most common narrative devices present in the military melodrama is the death that converts survivors to the values of the virtuous victim. The essay examines the shared conventions and different strategies of the following three films: Sands of Iwo Jima (1949), Platoon (1986), and Top Gun (1986).

Image quality assessment in digital mammography: part I. Technical characterization of the systems.

In many European countries, image quality for digital x-ray systems used in screening mammography is currently specified using a threshold-detail detectability method. This is a two-part study that proposes an alternative method based on calculated detectability for a model observer: the first part of the work presents a characterization of the systems. Eleven digital mammography systems were included in the study; four computed radiography (CR) systems, and a group of seven digital radiography (DR) detectors, composed of three amorphous selenium-based detectors, three caesium iodide scintillator systems and a silicon wafer-based photon counting system. The technical parameters assessed included the system response curve, detector uniformity error, pre-sampling modulation transfer function (MTF), normalized noise power spectrum (NNPS) and detective quantum efficiency (DQE). Approximate quantum noise limited exposure range was examined using a separation of noise sources based upon standard deviation. Noise separation showed that electronic noise was the dominant noise at low detector air kerma for three systems; the remaining systems showed quantum noise limited behaviour between 12.5 and 380 µGy. Greater variation in detector MTF was found for the DR group compared to the CR systems; MTF at 5 mm(-1) varied from 0.08 to 0.23 for the CR detectors against a range of 0.16-0.64 for the DR units. The needle CR detector had a higher MTF, lower NNPS and higher DQE at 5 mm(-1) than the powder CR phosphors. DQE at 5 mm(-1) ranged from 0.02 to 0.20 for the CR systems, while DQE at 5 mm(-1) for the DR group ranged from 0.04 to 0.41, indicating higher DQE for the DR detectors and needle CR system than for the powder CR phosphor systems. The technical evaluation section of the study showed that the digital mammography systems were well set up and exhibiting typical performance for the detector technology employed in the respective systems.

Echo-time independent signal modulations for strongly coupled systems in triple echo localization schemes: an extension of S-PRESS editing.

The double spin-echo point resolved spectroscopy sequence (PRESS) is a widely used method and standard in clinical MR spectroscopy. Existence of important J-modulations at constant echo times, depending on the temporal delays between the rf-pulses, have been demonstrated recently for strongly coupled spin systems and were exploited for difference editing, removing singlets from the spectrum (strong-coupling PRESS, S-PRESS). A drawback of this method for in vivo applications is that large signal modulations needed for difference editing occur only at relatively long echo times. In this work we demonstrate that, by simply adding a third refocusing pulse (3S-PRESS), difference editing becomes possible at substantially shorter echo times while, as applied to citrate, more favorable lineshapes can be obtained. For the example of an AB system an analytical description of the MR signal, obtained with this triple refocusing sequence (3S-PRESS), is provided.

Towards robust network based complex systems : from evolutionary cellular automata to biological models

Abstract Sitting between your past and your future doesn't mean you are in the present. Dakota Skye Complex systems science is an interdisciplinary field grouping under the same umbrella dynamical phenomena from social, natural or mathematical sciences. The emergence of a higher order organization or behavior, transcending that expected of the linear addition of the parts, is a key factor shared by all these systems. Most complex systems can be modeled as networks that represent the interactions amongst the system's components. In addition to the actual nature of the part's interactions, the intrinsic topological structure of underlying network is believed to play a crucial role in the remarkable emergent behaviors exhibited by the systems. Moreover, the topology is also a key a factor to explain the extraordinary flexibility and resilience to perturbations when applied to transmission and diffusion phenomena. In this work, we study the effect of different network structures on the performance and on the fault tolerance of systems in two different contexts. In the first part, we study cellular automata, which are a simple paradigm for distributed computation. Cellular automata are made of basic Boolean computational units, the cells; relying on simple rules and information from- the surrounding cells to perform a global task. The limited visibility of the cells can be modeled as a network, where interactions amongst cells are governed by an underlying structure, usually a regular one. In order to increase the performance of cellular automata, we chose to change its topology. We applied computational principles inspired by Darwinian evolution, called evolutionary algorithms, to alter the system's topological structure starting from either a regular or a random one. The outcome is remarkable, as the resulting topologies find themselves sharing properties of both regular and random network, and display similitudes Watts-Strogtz's small-world network found in social systems. Moreover, the performance and tolerance to probabilistic faults of our small-world like cellular automata surpasses that of regular ones. In the second part, we use the context of biological genetic regulatory networks and, in particular, Kauffman's random Boolean networks model. In some ways, this model is close to cellular automata, although is not expected to perform any task. Instead, it simulates the time-evolution of genetic regulation within living organisms under strict conditions. The original model, though very attractive by it's simplicity, suffered from important shortcomings unveiled by the recent advances in genetics and biology. We propose to use these new discoveries to improve the original model. Firstly, we have used artificial topologies believed to be closer to that of gene regulatory networks. We have also studied actual biological organisms, and used parts of their genetic regulatory networks in our models. Secondly, we have addressed the improbable full synchronicity of the event taking place on. Boolean networks and proposed a more biologically plausible cascading scheme. Finally, we tackled the actual Boolean functions of the model, i.e. the specifics of how genes activate according to the activity of upstream genes, and presented a new update function that takes into account the actual promoting and repressing effects of one gene on another. Our improved models demonstrate the expected, biologically sound, behavior of previous GRN model, yet with superior resistance to perturbations. We believe they are one step closer to the biological reality.

Comparison of the polynomial model against explicit measurements of noise components for different mammography systems.

Given the adverse impact of image noise on the perception of important clinical details in digital mammography, routine quality control measurements should include an evaluation of noise. The European Guidelines, for example, employ a second-order polynomial fit of pixel variance as a function of detector air kerma (DAK) to decompose noise into quantum, electronic and fixed pattern (FP) components and assess the DAK range where quantum noise dominates. This work examines the robustness of the polynomial method against an explicit noise decomposition method. The two methods were applied to variance and noise power spectrum (NPS) data from six digital mammography units. Twenty homogeneously exposed images were acquired with PMMA blocks for target DAKs ranging from 6.25 to 1600 µGy. Both methods were explored for the effects of data weighting and squared fit coefficients during the curve fitting, the influence of the additional filter material (2 mm Al versus 40 mm PMMA) and noise de-trending. Finally, spatial stationarity of noise was assessed.Data weighting improved noise model fitting over large DAK ranges, especially at low detector exposures. The polynomial and explicit decompositions generally agreed for quantum and electronic noise but FP noise fraction was consistently underestimated by the polynomial method. Noise decomposition as a function of position in the image showed limited noise stationarity, especially for FP noise; thus the position of the region of interest (ROI) used for noise decomposition may influence fractional noise composition. The ROI area and position used in the Guidelines offer an acceptable estimation of noise components. While there are limitations to the polynomial model, when used with care and with appropriate data weighting, the method offers a simple and robust means of examining the detector noise components as a function of detector exposure.

Budgeting rockfall and modeling sedimentary delivery in torrent systems

This thesis is a compilation of projects to study sediment processes recharging debris flow channels. These works, conducted during my stay at the University of Lausanne, focus in the geological and morphological implications of torrent catchments to characterize debris supply, a fundamental element to predict debris flows. Other aspects of sediment dynamics are considered, e.g. the coupling headwaters - torrent, as well as the development of a modeling software that simulates sediment transfer in torrent systems. The sediment activity at Manival, an active torrent system of the northern French Alps, was investigated using terrestrial laser scanning and supplemented with geostructural investigations and a survey of sediment transferred in the main torrent. A full year of sediment flux could be observed, which coincided with two debris flows and several bedload transport events. This study revealed that both debris flows generated in the torrent and were preceded in time by recharge of material from the headwaters. Debris production occurred mostly during winter - early spring time and was caused by large slope failures. Sediment transfers were more puzzling, occurring almost exclusively in early spring subordinated to runoffconditions and in autumn during long rainfall. Intense rainstorms in summer did not affect debris storage that seems to rely on the stability of debris deposits. The morpho-geological implication in debris supply was evaluated using DEM and field surveys. A slope angle-based classification of topography could characterize the mode of debris production and transfer. A slope stability analysis derived from the structures in rock mass could assess susceptibility to failure. The modeled rockfall source areas included more than 97% of the recorded events and the sediment budgets appeared to be correlated to the density of potential slope failure. This work showed that the analysis of process-related terrain morphology and of susceptibility to slope failure document the sediment dynamics to quantitatively assess erosion zones leading to debris flow activity. The development of erosional landforms was evaluated by analyzing their geometry with the orientations of potential rock slope failure and with the direction of the maximum joint frequency. Structure in rock mass, but in particular wedge failure and the dominant discontinuities, appear as a first-order control of erosional mechanisms affecting bedrock- dominated catchment. They represent some weaknesses that are exploited primarily by mass wasting processes and erosion, promoting not only the initiation of rock couloirs and gullies, but also their propagation. Incorporating the geological control in geomorphic processes contributes to better understand the landscape evolution of active catchments. A sediment flux algorithm was implemented in a sediment cascade model that discretizes the torrent catchment in channel reaches and individual process-response systems. Each conceptual element includes in simple manner geomorphological and sediment flux information derived from GIS complemented with field mapping. This tool enables to simulate sediment transfers in channels considering evolving debris supply and conveyance, and helps reducing the uncertainty inherent to sediment budget prediction in torrent systems. Cette thèse est un recueil de projets d'études des processus de recharges sédimentaires des chenaux torrentiels. Ces travaux, réalisés lorsque j'étais employé à l'Université de Lausanne, se concentrent sur les implications géologiques et morphologiques des bassins dans l'apport de sédiments, élément fondamental dans la prédiction de laves torrentielles. D'autres aspects de dynamique sédimentaire ont été abordés, p. ex. le couplage torrent - bassin, ainsi qu'un modèle de simulation du transfert sédimentaire en milieu torrentiel. L'activité sédimentaire du Manival, un système torrentiel actif des Alpes françaises, a été étudiée par relevés au laser scanner terrestre et complétée par une étude géostructurale ainsi qu'un suivi du transfert en sédiments du torrent. Une année de flux sédimentaire a pu être observée, coïncidant avec deux laves torrentielles et plusieurs phénomènes de charriages. Cette étude a révélé que les laves s'étaient générées dans le torrent et étaient précédées par une recharge de débris depuis les versants. La production de débris s'est passée principalement en l'hiver - début du printemps, causée par de grandes ruptures de pentes. Le transfert était plus étrange, se produisant presque exclusivement au début du printemps subordonné aux conditions d'écoulement et en automne lors de longues pluies. Les orages d'été n'affectèrent guère les dépôts, qui semblent dépendre de leur stabilité. Les implications morpho-géologiques dans l'apport sédimentaire ont été évaluées à l'aide de MNT et études de terrain. Une classification de la topographie basée sur la pente a permis de charactériser le mode de production et transfert. Une analyse de stabilité de pente à partir des structures de roches a permis d'estimer la susceptibilité à la rupture. Les zones sources modélisées comprennent plus de 97% des chutes de blocs observées et les bilans sédimentaires sont corrélés à la densité de ruptures potentielles. Ce travail d'analyses des morphologies du terrain et de susceptibilité à la rupture documente la dynamique sédimentaire pour l'estimation quantitative des zones érosives induisant l'activité torrentielle. Le développement des formes d'érosion a été évalué par l'analyse de leur géométrie avec celle des ruptures potentielles et avec la direction de la fréquence maximale des joints. Les structures de roches, mais en particulier les dièdres et les discontinuités dominantes, semblent être très influents dans les mécanismes d'érosion affectant les bassins rocheux. Ils représentent des zones de faiblesse exploitées en priorité par les processus de démantèlement et d'érosion, encourageant l'initiation de ravines et couloirs, mais aussi leur propagation. L'incorporation du control géologique dans les processus de surface contribue à une meilleure compréhension de l'évolution topographique de bassins actifs. Un algorithme de flux sédimentaire a été implémenté dans un modèle en cascade, lequel divise le bassin en biefs et en systèmes individuels répondant aux processus. Chaque unité inclut de façon simple les informations géomorpologiques et celles du flux sédimentaire dérivées à partir de SIG et de cartographie de terrain. Cet outil permet la simulation des transferts de masse dans les chenaux, considérants la variabilité de l'apport et son transport, et aide à réduire l'incertitude liée à la prédiction de bilans sédimentaires torrentiels. Ce travail vise très humblement d'éclairer quelques aspects de la dynamique sédimentaire en milieu torrentiel.

A comparison of the performance of modern screen-film and digital mammography systems.

This work compares the detector performance and image quality of the new Kodak Min-R EV mammography screen-film system with the Fuji CR Profect detector and with other current mammography screen-film systems from Agfa, Fuji and Kodak. Basic image quality parameters (MTF, NPS, NEQ and DQE) were evaluated for a 28 kV Mo/Mo (HVL = 0.646 mm Al) beam using different mAs exposure settings. Compared with other screen-film systems, the new Kodak Min-R EV detector has the highest contrast and a low intrinsic noise level, giving better NEQ and DQE results, especially at high optical density. Thus, the properties of the new mammography film approach those of a fine mammography detector, especially at low frequency range. Screen-film systems provide the best resolution. The presampling MTF of the digital detector has a value of 15% at the Nyquist frequency and, due to the spread size of the laser beam, the use of a smaller pixel size would not permit a significant improvement of the detector resolution. The dual collection reading technology increases significantly the low frequency DQE of the Fuji CR system that can at present compete with the most efficient mammography screen-film systems.

Maintenance of polymorphism : a theoretical approach using multilocus systems

Résumé La thématique de cette thèse peut être résumée par le célèbre paradoxe de biologie évolutive sur le maintien du polymorphisme face à la sélection et par l'équation du changement de fréquence gamétique au cours du temps dû, à la sélection. La fréquence d'un gamète xi à la génération (t + 1) est: !!!Equation tronquée!!! Cette équation est utilisée pour générer des données utlisée tout au long de ce travail pour 2, 3 et 4 locus dialléliques. Le potentiel de l'avantage de l'hétérozygote pour le maintien du polymorphisme est le sujet de la première partie. La définition commune de l'avantage de l'hétérozygote n'etant applicable qu'a un locus ayant 2 allèles, cet avantage est redéfini pour un système multilocus sur les bases de précédentes études. En utilisant 5 définitions différentes de l'avantage de l'hétérozygote, je montre que cet avantage ne peut être un mécanisme général dans le maintien du polymorphisme sous sélection. L'étude de l'influence de locus non-détectés sur les processus évolutifs, seconde partie de cette thèse, est motivée par les travaux moléculaires ayant pour but de découvrir le nombre de locus codant pour un trait. La plupart de ces études sous-estiment le nombre de locus. Je montre que des locus non-détectés augmentent la probabilité d'observer du polymorphisme sous sélection. De plus, les conclusions sur les facteurs de maintien du polymorphisme peuvent être trompeuses si tous les locus ne sont pas détectés. Dans la troisième partie, je m'intéresse à la valeur attendue de variance additive après un goulot d'étranglement pour des traits sélectionés. Une études précédente montre que le niveau de variance additive après goulot d'étranglement augmente avec le nombre de loci. Je montre que le niveau de variance additive après un goulot d'étranglement augmente (comparé à des traits neutres), mais indépendamment du nombre de loci. Par contre, le taux de recombinaison a une forte influence, entre autre en regénérant les gamètes disparus suite au goulot d'étranglement. La dernière partie de ce travail de thèse décrit un programme pour le logiciel de statistique R. Ce programme permet d'itérer l'équation ci-dessus en variant les paramètres de sélection, recombinaison et de taille de populations pour 2, 3 et 4 locus dialléliques. Cette thèse montre qu'utiliser un système multilocus permet d'obtenir des résultats non-conformes à ceux issus de systèmes rnonolocus (la référence en génétique des populations). Ce programme ouvre donc d'intéressantes perspectives en génétique des populations. Abstract The subject of this PhD thesis can be summarized by one famous paradox of evolu-tionary biology: the maintenance of polymorphism in the face of selection, and one classical equation of theoretical population genetics: the changes in gametic frequencies due to selection and recombination. The frequency of gamete xi at generation (t + 1) is given by: !!! Truncated equation!!! This equation is used to generate data on selection at two, three, and four diallelic loci for the different parts of this work. The first part focuses on the potential of heterozygote advantage to maintain genetic polymorphism. Results of previous studies are used to (re)define heterozygote advantage for multilocus systems, since the classical definition is for one diallelic locus. I use 5 different definitions of heterozygote advantage. And for these five definitions, I show that heterozygote advantage is not a general mechanism for the maintenance of polymorphism. The study of the influence of undetected loci on evolutionary processes (second part of this work) is motivated by molecular works which aim at discovering the loci coding for a trait. For most of these works, some coding loci remains undetected. I show that undetected loci increases the probability of maintaining polymorphism under selection. In addition, conclusions about the factor that maintain polymorphism can be misleading if not all loci are considered. This is, therefore, only when all loci are detected that exact conclusions on the level of maintained polymorphism or on the factor(s) that maintain(s) polymorphism could be drawn. In the third part, the focus is on the expected release of additive genetic variance after bottleneck for selected traits. A previous study shows that the expected release of additive variance increases with an increase in the number of loci. I show that the expected release of additive variance after bottleneck increases for selected traits (compared with neutral), but this increase is not a function of the number of loci, but function of the recombination rate. Finally, the last part of this PhD thesis is a description of a package for the statistical software R that implements the Equation given above. It allows to generate data for different scenario regarding selection, recombination, and population size. This package opens perspectives for the theoretical population genetics that mainly focuses on one locus, while this work shows that increasing the number of loci leads not necessarily to straightforward results.

Effect of spatial processes on the evolution of ecological niches and dispersal in metacommunity systems

RésuméLa coexistence de nombreuses espèces différentes a de tout temps intrigué les biologistes. La diversité et la composition des communautés sont influencées par les perturbations et l'hétérogénéité des conditions environnementales. Bien que dans la nature la distribution spatiale des conditions environnementales soit généralement autocorrélée, cet aspect est rarement pris en compte dans les modèles étudiant la coexistence des espèces. Dans ce travail, nous avons donc abordé, à l'aide de simulations numériques, la coexistence des espèces ainsi que leurs caractéristiques au sein d'un environnement autocorrélé.Afin de prendre en compte cet élément spatial, nous avons développé un modèle de métacommunauté (un ensemble de communautés reliées par la dispersion des espèces) spatialement explicite. Dans ce modèle, les espèces sont en compétition les unes avec les autres pour s'établir dans un nombre de places limité, dans un environnement hétérogène. Les espèces sont caractérisées par six traits: optimum de niche, largeur de niche, capacité de dispersion, compétitivité, investissement dans la reproduction et taux de survie. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'influence de l'autocorrélation spatiale et des perturbations sur la diversité des espèces et sur les traits favorisés dans la métacommunauté. Nous avons montré que l'autocorrélation spatiale peut avoir des effets antagonistes sur la diversité, en fonction du taux de perturbations considéré. L'influence de l'autocorrélation spatiale sur la capacité de dispersion moyenne dans la métacommunauté dépend également des taux de perturbations et survie. Nos résultats ont aussi révélé que de nombreuses espèces avec différents degrés de spécialisation (i.e. différentes largeurs de niche) peuvent coexister. Toutefois, les espèces spécialistes sont favorisées en absence de perturbations et quand la dispersion est illimitée. A l'opposé, un taux élevé de perturbations sélectionne des espèces plus généralistes, associées avec une faible compétitivité.L'autocorrélation spatiale de l'environnement, en interaction avec l'intensité des perturbations, influence donc de manière considérable la coexistence ainsi que les caractéristiques des espèces. Ces caractéristiques sont à leur tour souvent impliquées dans d'importants processus, comme le fonctionnement des écosystèmes, la capacité des espèces à réagir aux invasions, à la fragmentation de l'habitat ou aux changements climatiques. Ce travail a permis une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la coexistence et des caractéristiques des espèces, ce qui est crucial afin de prédire le devenir des communautés naturelles dans un environnement changeant.AbstractUnderstanding how so many different species can coexist in nature is a fundamental and long-standing question in ecology. Community diversity and composition are known to be influenced by heterogeneity in environmental conditions and disturbance. Though in nature the spatial distribution of environmental conditions is frequently autocorrelated, this aspect is seldom considered in models investigating species coexistence. In this work, we thus addressed several questions pertaining to species coexistence and composition in spatially autocorrelated environments, with a numerical simulations approach.To take into account this spatial aspect, we developed a spatially explicit model of metacommunity (a set of communities linked by dispersal of species). In this model, species are trophically equivalent, and compete for space in a heterogeneous environment. Species are characterized by six life-history traits: niche optimum, niche breadth, dispersal, competitiveness, reproductive investment and survival rate. We were particularly interested in the influence of environmental spatial autocorrelation and disturbance on species diversity and on the traits of the species favoured in the metacommunity. We showed that spatial autocorrelation can have antagonistic effects on diversity depending on disturbance rate. Similarly, spatial autocorrelation interacted with disturbance rate and survival rate to shape the mean dispersal ability observed in the metacommunity. Our results also revealed that many species with various degrees of specialization (i.e. different niche breadths) can coexist together. However specialist species were favoured in the absence of disturbance, and when dispersal was unlimited. In contrast, high disturbance rate selected for more generalist species, associated with low competitive ability.The spatial structure of the environment, together with disturbance and species traits, thus strongly impacts species diversity and, more importantly, species composition. Species composition is known to affect several important metacommunity properties such as ecosystem functioning, resistance and reaction to invasion, to habitat fragmentation and to climate changes. This work allowed a better understanding of the mechanisms responsible for species composition, which is of crucial importance to predict the fate of natural metacommunities in changing environments

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.

ENFIN--A European network for integrative systems biology.

Integration of biological data of various types and the development of adapted bioinformatics tools represent critical objectives to enable research at the systems level. The European Network of Excellence ENFIN is engaged in developing an adapted infrastructure to connect databases, and platforms to enable both the generation of new bioinformatics tools and the experimental validation of computational predictions. With the aim of bridging the gap existing between standard wet laboratories and bioinformatics, the ENFIN Network runs integrative research projects to bring the latest computational techniques to bear directly on questions dedicated to systems biology in the wet laboratory environment. The Network maintains internally close collaboration between experimental and computational research, enabling a permanent cycling of experimental validation and improvement of computational prediction methods. The computational work includes the development of a database infrastructure (EnCORE), bioinformatics analysis methods and a novel platform for protein function analysis FuncNet.

Angiogenic activity of breast cancer patients' monocytes reverted by combined use of systems modeling and experimental approaches.

Angiogenesis plays a key role in tumor growth and cancer progression. TIE-2-expressing monocytes (TEM) have been reported to critically account for tumor vascularization and growth in mouse tumor experimental models, but the molecular basis of their pro-angiogenic activity are largely unknown. Moreover, differences in the pro-angiogenic activity between blood circulating and tumor infiltrated TEM in human patients has not been established to date, hindering the identification of specific targets for therapeutic intervention. In this work, we investigated these differences and the phenotypic reversal of breast tumor pro-angiogenic TEM to a weak pro-angiogenic phenotype by combining Boolean modelling and experimental approaches. Firstly, we show that in breast cancer patients the pro-angiogenic activity of TEM increased drastically from blood to tumor, suggesting that the tumor microenvironment shapes the highly pro-angiogenic phenotype of TEM. Secondly, we predicted in silico all minimal perturbations transitioning the highly pro-angiogenic phenotype of tumor TEM to the weak pro-angiogenic phenotype of blood TEM and vice versa. In silico predicted perturbations were validated experimentally using patient TEM. In addition, gene expression profiling of TEM transitioned to a weak pro-angiogenic phenotype confirmed that TEM are plastic cells and can be reverted to immunological potent monocytes. Finally, the relapse-free survival analysis showed a statistically significant difference between patients with tumors with high and low expression values for genes encoding transitioning proteins detected in silico and validated on patient TEM. In conclusion, the inferred TEM regulatory network accurately captured experimental TEM behavior and highlighted crosstalk between specific angiogenic and inflammatory signaling pathways of outstanding importance to control their pro-angiogenic activity. Results showed the successful in vitro reversion of such an activity by perturbation of in silico predicted target genes in tumor derived TEM, and indicated that targeting tumor TEM plasticity may constitute a novel valid therapeutic strategy in breast cancer.