Modular support for developing mobile ad hoc applications

Abstract This PhD thesis addresses the issue of alleviating the burden of developing ad hoc applications. Such applications have the particularity of running on mobile devices, communicating in a peer-to-peer manner and implement some proximity-based semantics. A typical example of such application can be a radar application where users see their avatar as well as the avatars of their friends on a map on their mobile phone. Such application become increasingly popular with the advent of the latest generation of mobile smart phones with their impressive computational power, their peer-to-peer communication capabilities and their location detection technology. Unfortunately, the existing programming support for such applications is limited, hence the need to address this issue in order to alleviate their development burden. This thesis specifically tackles this problem by providing several tools for application development support. First, it provides the location-based publish/subscribe service (LPSS), a communication abstraction, which elegantly captures recurrent communication issues and thus allows to dramatically reduce the code complexity. LPSS is implemented in a modular manner in order to be able to target two different network architectures. One pragmatic implementation is aimed at mainstream infrastructure-based mobile networks, where mobile devices can communicate through fixed antennas. The other fully decentralized implementation targets emerging mobile ad hoc networks (MANETs), where no fixed infrastructure is available and communication can only occur in a peer-to-peer fashion. For each of these architectures, various implementation strategies tailored for different application scenarios that can be parametrized at deployment time. Second, this thesis provides two location-based message diffusion protocols, namely 6Shot broadcast and 6Shot multicast, specifically aimed at MANETs and fine tuned to be used as building blocks for LPSS. Finally this thesis proposes Phomo, a phone motion testing tool that allows to test proximity semantics of ad hoc applications without having to move around with mobile devices. These different developing support tools have been packaged in a coherent middleware framework called Pervaho.

System-level Support for Mobile Ad hoc Communications: an Algorithmic & Practical Approach

A mobile ad hoc network (MANET) is a decentralized and infrastructure-less network. This thesis aims to provide support at the system-level for developers of applications or protocols in such networks. To do this, we propose contributions in both the algorithmic realm and in the practical realm. In the algorithmic realm, we contribute to the field by proposing different context-aware broadcast and multicast algorithms in MANETs, namely six-shot broadcast, six-shot multicast, PLAN-B and ageneric algorithmic approach to optimize the power consumption of existing algorithms. For each algorithm we propose, we compare it to existing algorithms that are either probabilistic or context-aware, and then we evaluate their performance based on simulations. We demonstrate that in some cases, context-aware information, such as location or signal-strength, can improve the effciency. In the practical realm, we propose a testbed framework, namely ManetLab, to implement and to deploy MANET-specific protocols, and to evaluate their performance. This testbed framework aims to increase the accuracy of performance evaluation compared to simulations, while keeping the ease of use offered by the simulators to reproduce a performance evaluation. By evaluating the performance of different probabilistic algorithms with ManetLab, we observe that both simulations and testbeds should be used in a complementary way. In addition to the above original contributions, we also provide two surveys about system-level support for ad hoc communications in order to establish a state of the art. The first is about existing broadcast algorithms and the second is about existing middleware solutions and the way they deal with privacy and especially with location privacy. - Un réseau mobile ad hoc (MANET) est un réseau avec une architecture décentralisée et sans infrastructure. Cette thèse vise à fournir un support adéquat, au niveau système, aux développeurs d'applications ou de protocoles dans de tels réseaux. Dans ce but, nous proposons des contributions à la fois dans le domaine de l'algorithmique et dans celui de la pratique. Nous contribuons au domaine algorithmique en proposant différents algorithmes de diffusion dans les MANETs, algorithmes qui sont sensibles au contexte, à savoir six-shot broadcast,six-shot multicast, PLAN-B ainsi qu'une approche générique permettant d'optimiser la consommation d'énergie de ces algorithmes. Pour chaque algorithme que nous proposons, nous le comparons à des algorithmes existants qui sont soit probabilistes, soit sensibles au contexte, puis nous évaluons leurs performances sur la base de simulations. Nous montrons que, dans certains cas, des informations liées au contexte, telles que la localisation ou l'intensité du signal, peuvent améliorer l'efficience de ces algorithmes. Sur le plan pratique, nous proposons une plateforme logicielle pour la création de bancs d'essai, intitulé ManetLab, permettant d'implémenter, et de déployer des protocoles spécifiques aux MANETs, de sorte à évaluer leur performance. Cet outil logiciel vise à accroître la précision desévaluations de performance comparativement à celles fournies par des simulations, tout en conservant la facilité d'utilisation offerte par les simulateurs pour reproduire uneévaluation de performance. En évaluant les performances de différents algorithmes probabilistes avec ManetLab, nous observons que simulateurs et bancs d'essai doivent être utilisés de manière complémentaire. En plus de ces contributions principales, nous fournissons également deux états de l'art au sujet du support nécessaire pour les communications ad hoc. Le premier porte sur les algorithmes de diffusion existants et le second sur les solutions de type middleware existantes et la façon dont elles traitent de la confidentialité, en particulier celle de la localisation.

Intraoral open reduction and internal fixation of displaced mandibular angle fractures using a specific ad hoc reduction-compression forceps: a preliminary study

OBJECTIVES: To preliminarily evaluate prospectively the accuracy and reliability of a specific ad hoc reduction-compression forceps in intraoral open reduction of transverse and displaced mandibular angle fractures. STUDY DESIGN: We analyzed the clinical and radiologic data of 7 patients with 7 single transverse and displaced angle fractures. An intraoral approach was performed in all of the patients without using perioperative intermaxillary fixation. A single Arbeitsgemeinschaft Osteosynthese (AO) unilock reconstruction plate was fixed to each stable fragment with 3 locking screws (2.0 mm in 5 patients and 2.4 mm in 2 patients) at the basilar border of the mandible, according to AO/American Society of Internal Fixation (ASIF) principles. Follow-up was at 1, 3, 6, and 12 months, and we noted the status of healing and complications, if any. RESULTS: All of the patients had satisfactory fracture reduction as well as a successful treatment outcome without complications. CONCLUSION: This preliminary study demonstrated that the intraoral reduction of transverse and displaced angle fractures using a specific ad hoc reduction-forceps results in a high rate of success.

Functional analysis: evaluation of response intensities--tailoring ANOVA for lists of expression subsets.

Background: Microarray data is frequently used to characterize the expression profile of a whole genome and to compare the characteristics of that genome under several conditions. Geneset analysis methods have been described previously to analyze the expression values of several genes related by known biological criteria (metabolic pathway, pathology signature, co-regulation by a common factor, etc.) at the same time and the cost of these methods allows for the use of more values to help discover the underlying biological mechanisms. Results: As several methods assume different null hypotheses, we propose to reformulate the main question that biologists seek to answer. To determine which genesets are associated with expression values that differ between two experiments, we focused on three ad hoc criteria: expression levels, the direction of individual gene expression changes (up or down regulation), and correlations between genes. We introduce the FAERI methodology, tailored from a two-way ANOVA to examine these criteria. The significance of the results was evaluated according to the self-contained null hypothesis, using label sampling or by inferring the null distribution from normally distributed random data. Evaluations performed on simulated data revealed that FAERI outperforms currently available methods for each type of set tested. We then applied the FAERI method to analyze three real-world datasets on hypoxia response. FAERI was able to detect more genesets than other methodologies, and the genesets selected were coherent with current knowledge of cellular response to hypoxia. Moreover, the genesets selected by FAERI were confirmed when the analysis was repeated on two additional related datasets. Conclusions: The expression values of genesets are associated with several biological effects. The underlying mathematical structure of the genesets allows for analysis of data from several genes at the same time. Focusing on expression levels, the direction of the expression changes, and correlations, we showed that two-step data reduction allowed us to significantly improve the performance of geneset analysis using a modified two-way ANOVA procedure, and to detect genesets that current methods fail to detect.

On the convergence of EM-like algorithms for image segmentation using Markov random fields.

Inference of Markov random field images segmentation models is usually performed using iterative methods which adapt the well-known expectation-maximization (EM) algorithm for independent mixture models. However, some of these adaptations are ad hoc and may turn out numerically unstable. In this paper, we review three EM-like variants for Markov random field segmentation and compare their convergence properties both at the theoretical and practical levels. We specifically advocate a numerical scheme involving asynchronous voxel updating, for which general convergence results can be established. Our experiments on brain tissue classification in magnetic resonance images provide evidence that this algorithm may achieve significantly faster convergence than its competitors while yielding at least as good segmentation results.

Comparison between computational alanine scanning and per-residue binding free energy decomposition for protein-protein association using MM-GBSA: application to the TCR-p-MHC complex.

Recognition by the T-cell receptor (TCR) of immunogenic peptides (p) presented by Class I major histocompatibility complexes (MHC) is the key event in the immune response against virus-infected cells or tumor cells. A study of the 2C TCR/SIYR/H-2K(b) system using a computational alanine scanning and a much faster binding free energy decomposition based on the Molecular Mechanics-Generalized Born Surface Area (MM-GBSA) method is presented. The results show that the TCR-p-MHC binding free energy decomposition using this approach and including entropic terms provides a detailed and reliable description of the interactions between the molecules at an atomistic level. Comparison of the decomposition results with experimentally determined activity differences for alanine mutants yields a correlation of 0.67 when the entropy is neglected and 0.72 when the entropy is taken into account. Similarly, comparison of experimental activities with variations in binding free energies determined by computational alanine scanning yields correlations of 0.72 and 0.74 when the entropy is neglected or taken into account, respectively. Some key interactions for the TCR-p-MHC binding are analyzed and some possible side chains replacements are proposed in the context of TCR protein engineering. In addition, a comparison of the two theoretical approaches for estimating the role of each side chain in the complexation is given, and a new ad hoc approach to decompose the vibrational entropy term into atomic contributions, the linear decomposition of the vibrational entropy (LDVE), is introduced. The latter allows the rapid calculation of the entropic contribution of interesting side chains to the binding. This new method is based on the idea that the most important contributions to the vibrational entropy of a molecule originate from residues that contribute most to the vibrational amplitude of the normal modes. The LDVE approach is shown to provide results very similar to those of the exact but highly computationally demanding method.

Genome reconstruction and comparative genomics of pneumocystis jirovecii

Pneumocystis jirovecii is a fungus belonging to a basal lineage of the Ascomycotina, the Taphrinomycotina subphylum. It is a parasite specific to humans that dwells primarily in the lung and can cause severe pneumonia in individuals with debilitated immune system. Despite its clinical importance, many aspects of its biology remain poorly understood, at least in part because of the lack of a continuous in vitro cultivation system. The present thesis consists in the genome reconstruction and comparative genomics of P. jirovecii. It is made of three parts: (i) the de novo sequencing of P. jirovecii genome starting from a single broncho- alveolar lavage fluid of a single patient (ii) the de novo sequencing of the genome of the plant pathogen Taphrina deformans, a fungus closely related to P. jirovecii, and (iii) the genome scale comparison of P. jirovecii to other Taphrinomycotina members. Enrichment in P. jirovecii cells by immuno-precipitation, whole DNA random amplification, two complementary high throughput DNA sequencing methods, and in silico sorting and assembly of sequences were used for the de novo reconstruction of P. jirovecii genome from the microbiota of a single clinical specimen. An iterative ad hoc pipeline as well as numerical simulations was used to recover P. jirovecii sequences while purging out contaminants and assembly or amplification chimeras. This strategy produced a 8.1 Mb assembly, which encodes 3,898 genes. Homology searches, mapping on biochemical pathways atlases, and manual validations revealed that this genome lacks (i) most of the enzymes dedicated to the amino acids biosyntheses, and (ii) most virulence factors observed in other fungi, e.g. the glyoxylate shunt pathway and specific peptidases involved in the degradation of the host cell membrane. The same analyses applied to the available genomic sequences from Pneumocystis carinii the species infecting rats and Pneumocystis murina the species infecting mice revealed the same deficiencies. The genome sequencing of T. deformans yielded a 13 Mb assembly, which encodes 5,735 genes. T. deformans possesses enzymes involved plant cell wall degradation, secondary metabolism, the glyoxylate cycle, detoxification, sterol biosynthesis, as well as the biosyntheses of plant hormones such as abscisic acid or indole-3-acetic acid. T. deformans also harbors gene subsets that have counterparts in plant saprophytes or pathogens, which is consistent with its alternate saprophytic and pathogenic lifestyles. Mating genes were also identified. The homothallism of this fungus suggests a mating-type switching mechanism. Comparative analyses indicated that 81% of P. jirovecii genes are shared with eight other Taphrinomycotina members, including T. deformans, P. carinii and P. murina. These genes are mostly involved in housekeeping activities. The genes specific to the Pneumocystis genus represent 8%, and are involved in RNA metabolism and signaling. The signaling is known to be crucial for interaction of Pneumocystis spp with their environment. Eleven percent are unique to P. jirovecii and encode mostly proteins of unknown function. These genes in conjunction with other ones (e.g. the major surface glycoproteins) might govern the interaction of P. jirovecii with its human host cells, and potentially be responsible of the host specificity. P. jirovecii exhibits a reduced genome in size with a low GC content, and most probably scavenges vital compounds such as amino acids and cholesterol from human lungs. Consistently, its genome encodes a large set of transporters (ca. 22% of its genes), which may play a pivotal role in the acquisition of these compounds. All these features are generally observed in obligate parasite of various kingdoms (bacteria, protozoa, fungi). Moreover, epidemiological studies failed to evidence a free-living form of the fungus and Pneumocystis spp were shown to co-evolved with their hosts. Given also the lack of virulence factors, our observations strongly suggest that P. jirovecii is an obligate parasite specialized in the colonization of human lungs, and which causes disease only in individuals with compromised immune system. The same conclusion is most likely true for all other Pneumocystis spp in their respective mammalian host. - Pneumocystis jirovecii est un champignon appartenant à ine branche basale des Ascomycotina, le sous-embranchement des Taphrinomycotina. C'est un parasite spécifique aux humains qui réside principalement dans les poumons, et qui peut causer des pneumonies sévères chez des individus ayant un système immunitaire déficient. En dépit de son importance clinique, de nombreux aspects de sa biologie demeurent,largement méconnus, au moins en partie à cause de l'absence d'un système de culture in vitro continu. Cette thèse traite de la reconstruction du génome et de la génomique comparative de P. jirovecii. Elle comporte trois parties: (i) le séquençage de novo du génome de P. jirovecii à partir d'un lavage broncho-alvéolaire provenant d'un seul patient, (ii) le séquençage de novo du génome d'un champignon pathogène de plante Taphrina deformans qui est phylogénétiquement proche de P. jirovecii, et (iii) la comparaison du génome de P. jirovecii à celui d'autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Un enrichissement en cellules de P. jirovecii par immuno-précipitation, une amplification aléatoire des molécules d'ADN, deux méthodes complémentaires de séquençage à haut débit, un tri in silico et un assemblage des séquences ont été utilisés pour reconstruire de novo le génome de P. jirovecii à partir du microbiote d'un seul échantillon clinique. Un pipeline spécifique ainsi que des simulations numériques ont été utilisés pour récupérer les séquences de P. jirovecii tout en éliminant les séquences contaminants et les chimères d'amplification ou d'assemblage. Cette stratégie a produit un assemblage de 8.1 Mb, qui contient 3898 gènes. Les recherches d'homologies, de cartographie des voies métaboliques et des validations manuelles ont révélé que ce génome est dépourvu (i) de la plupart des enzymes dédiées à la biosynthèse des acides aminés, et (ii) de la plupart des facteurs de virulence observés chez d'autres champignons, par exemple, le cycle du glyoxylate ainsi que des peptidases spécifiques impliquées dans la dégradation de la membrane de la cellule hôte. Les analyses appliquées aux données génomiques disponibles de Pneumocystis carinii, l'espèce infectant les rats, et de Pneumocystis murina, l'espèce infectant les souris, ont révélé les mêmes déficiences. Le séquençage du génome de T. deformans a généré un assemblage de 13.3 Mb qui contient 5735 gènes. T. deformans possède les gènes codant pour les enzymes impliquées dans la dégradation des parois cellulaires des plantes, le métabolisme secondaire, le cycle du glyoxylate, la détoxification, la biosynthèse des stérols ainsi que la biosynthèse d'hormones de plantes telles que l'acide abscissique ou l'acide indole 3-acétique. T. deformans possède également des sous-ensembles de gènes présents exclusivement chez des saprophytes ou des pathogènes de plantes, ce qui est consistent avec son mode de vie alternatif saprophyte et pathogène. Des gènes impliqués dans la conjugaison ont été identifiés. L'homothallisme de ce champignon suggère mécanisme de permutation du type conjuguant. Les analyses comparatives ont démontré que 81% des gènes de P. jirovecii sont présent chez les autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Ces gènes sont essentiellement impliqués dans le métabolisme basai. Les gènes spécifiques au genre Pneumocystis représentent 8%, et sont impliqués dans le métabolisme de l'ARN et la signalisation. La signalisation est connue pour être cruciale pour l'interaction des espèces de Pneumocystis avec leur environnement. Les gènes propres à P. jirovecii représentent 11% et codent en majorité pour des protéines dont la fonction est inconnue. Ces gènes en conjonction avec d'autres (par exemple, les glycoprotéines de surface), pourraient être déterminants dans l'interaction de P. jirovecii avec les cellules de l'hôte humain, et être potentiellement responsable de la spécificité d'hôte. P. jirovecii possède un génome de taille réduite à faible pourcentage en GC et récupère très probablement des composés vitaux comme les acides aminés et le cholestérol à partir des poumons humains. De manière consistante, son génome code pour de nombreux transporteurs (22% de ses gènes), qui pourraient jouer un rôle essentiel dans l'acquisition de ces composés. Ces caractéristiques sont généralement observées chez les parasites obligatoires de plusieurs règnes (bactéries, protozoaires, champignons). De plus, les études épidémiologiques n'ont pas réussi à prouver l'existence d'ime forme vivant librement du champignon. Etant donné également l'absence de facteurs de virulence, nos observations suggèrent que P. jirovecii est un parasite obligatoire spécialisé dans la colonisation des poumons humains, ne causant une maladie que chez des individus ayant un système immunitaire compromis. La même conclusion est très probablement applicable à toutes les autres espèces de Pneumocystis dans leur hôte mammifère respectif.

Optimization strategies for fast detection of positive selection on phylogenetic trees.

MOTIVATION: The detection of positive selection is widely used to study gene and genome evolution, but its application remains limited by the high computational cost of existing implementations. We present a series of computational optimizations for more efficient estimation of the likelihood function on large-scale phylogenetic problems. We illustrate our approach using the branch-site model of codon evolution. RESULTS: We introduce novel optimization techniques that substantially outperform both CodeML from the PAML package and our previously optimized sequential version SlimCodeML. These techniques can also be applied to other likelihood-based phylogeny software. Our implementation scales well for large numbers of codons and/or species. It can therefore analyse substantially larger datasets than CodeML. We evaluated FastCodeML on different platforms and measured average sequential speedups of FastCodeML (single-threaded) versus CodeML of up to 5.8, average speedups of FastCodeML (multi-threaded) versus CodeML on a single node (shared memory) of up to 36.9 for 12 CPU cores, and average speedups of the distributed FastCodeML versus CodeML of up to 170.9 on eight nodes (96 CPU cores in total).Availability and implementation: ftp://ftp.vital-it.ch/tools/FastCodeML/. CONTACT: selectome@unil.ch or nicolas.salamin@unil.ch.

Cognitive anatomy of the temporal lobe: Effect of personality in population with mild cognitive impairment & Functional specialization for memory systems in healthy individuals.

Résumé: L'impact de la maladie d'Alzheimer (MA) est dévastateur pour la vie quotidienne de la personne affectée, avec perte progressive de la mémoire et d'autres facultés cognitives jusqu'à la démence. Il n'existe toujours pas de traitement contre cette maladie et il y a aussi une grande incertitude sur le diagnostic des premiers stades de la MA. La signature anatomique de la MA, en particulier l'atrophie du lobe temporal moyen (LTM) mesurée avec la neuroimagerie, peut être utilisée comme un biomarqueur précoce, in vivo, des premiers stades de la MA. Toutefois, malgré le rôle évident du LMT dans les processus de la mémoire, nous savons que les modèles anatomiques prédictifs de la MA basés seulement sur des mesures d'atrophie du LTM n'expliquent pas tous les cas cliniques. Au cours de ma thèse, j'ai conduit trois projets pour comprendre l'anatomie et le fonctionnement du LMT dans (1) les processus de la maladie et dans (2) les processus de mémoire ainsi que (3) ceux de l'apprentissage. Je me suis intéressée à une population avec déficit cognitif léger (« Mild Cognitive Impairment », MCI), à risque pour la MA. Le but du premier projet était de tester l'hypothèse que des facteurs, autres que ceux cognitifs, tels que les traits de personnalité peuvent expliquer les différences interindividuelles dans le LTM. De plus, la diversité phénotypique des manifestations précliniques de la MA provient aussi d'une connaissance limitée des processus de mémoire et d'apprentissage dans le cerveau sain. L'objectif du deuxième projet porte sur l'investigation des sous-régions du LTM, et plus particulièrement de leur contribution dans différentes composantes de la mémoire de reconnaissance chez le sujet sain. Pour étudier cela, j'ai utilisé une nouvelle méthode multivariée ainsi que l'IRM à haute résolution pour tester la contribution de ces sous-régions dans les processus de familiarité (« ou Know ») et de remémoration (ou « Recollection »). Finalement, l'objectif du troisième projet était de tester la contribution du LTM en tant que système de mémoire dans l'apprentissage et l'interaction dynamique entre différents systèmes de mémoire durant l'apprentissage. Les résultats du premier projet montrent que, en plus du déficit cognitif observé dans une population avec MCI, les traits de personnalité peuvent expliquer les différences interindividuelles du LTM ; notamment avec une plus grande contribution du neuroticisme liée à une vulnérabilité au stress et à la dépression. Mon étude a permis d'identifier un pattern d'anormalité anatomique dans le LTM associé à la personnalité avec des mesures de volume et de diffusion moyenne du tissu. Ce pattern est caractérisé par une asymétrie droite-gauche du LTM et un gradient antéro-postérieur dans le LTM. J'ai interprété ce résultat par des propriétés tissulaires et neurochimiques différemment sensibles au stress. Les résultats de mon deuxième projet ont contribué au débat actuel sur la contribution des sous-régions du LTM dans les processus de familiarité et de remémoration. Utilisant une nouvelle méthode multivariée, les résultats supportent premièrement une dissociation des sous-régions associées aux différentes composantes de la mémoire. L'hippocampe est le plus associé à la mémoire de type remémoration et le cortex parahippocampique, à la mémoire de type familiarité. Deuxièmement, l'activation correspondant à la trace mnésique pour chaque type de mémoire est caractérisée par une distribution spatiale distincte. La représentation neuronale spécifique, « sparse-distributed», associée à la mémoire de remémoration dans l'hippocampe serait la meilleure manière d'encoder rapidement des souvenirs détaillés sans interférer les souvenirs précédemment stockés. Dans mon troisième projet, j'ai mis en place une tâche d'apprentissage en IRM fonctionnelle pour étudier les processus d'apprentissage d'associations probabilistes basé sur le feedback/récompense. Cette étude m'a permis de mettre en évidence le rôle du LTM dans l'apprentissage et l'interaction entre différents systèmes de mémoire comme la mémoire procédurale, perceptuelle ou d'amorçage et la mémoire de travail. Nous avons trouvé des activations dans le LTM correspondant à un processus de mémoire épisodique; les ganglions de la base (GB), à la mémoire procédurale et la récompense; le cortex occipito-temporal (OT), à la mémoire de représentation perceptive ou l'amorçage et le cortex préfrontal, à la mémoire de travail. Nous avons également observé que ces régions peuvent interagir; le type de relation entre le LTM et les GB a été interprété comme une compétition, ce qui a déjà été reporté dans des études récentes. De plus, avec un modèle dynamique causal, j'ai démontré l'existence d'une connectivité effective entre des régions. Elle se caractérise par une influence causale de type « top-down » venant de régions corticales associées avec des processus de plus haut niveau venant du cortex préfrontal sur des régions corticales plus primaires comme le OT cortex. Cette influence diminue au cours du de l'apprentissage; cela pourrait correspondre à un mécanisme de diminution de l'erreur de prédiction. Mon interprétation est que cela est à l'origine de la connaissance sémantique. J'ai également montré que les choix du sujet et l'activation cérébrale associée sont influencés par les traits de personnalité et des états affectifs négatifs. Les résultats de cette thèse m'ont amenée à proposer (1) un modèle expliquant les mécanismes possibles liés à l'influence de la personnalité sur le LTM dans une population avec MCI, (2) une dissociation des sous-régions du LTM dans différents types de mémoire et une représentation neuronale spécifique à ces régions. Cela pourrait être une piste pour résoudre les débats actuels sur la mémoire de reconnaissance. Finalement, (3) le LTM est aussi un système de mémoire impliqué dans l'apprentissage et qui peut interagir avec les GB par une compétition. Nous avons aussi mis en évidence une interaction dynamique de type « top -down » et « bottom-up » entre le cortex préfrontal et le cortex OT. En conclusion, les résultats peuvent donner des indices afin de mieux comprendre certains dysfonctionnements de la mémoire liés à l'âge et la maladie d'Alzheimer ainsi qu'à améliorer le développement de traitement. Abstract: The impact of Alzheimer's disease is devastating for the daily life of the affected patients, with progressive loss of memory and other cognitive skills until dementia. We still lack disease modifying treatment and there is also a great amount of uncertainty regarding the accuracy of diagnostic classification in the early stages of AD. The anatomical signature of AD, in particular the medial temporal lobe (MTL) atrophy measured with neuroimaging, can be used as an early in vivo biomarker in early stages of AD. However, despite the evident role of MTL in memory, we know that the derived predictive anatomical model based only on measures of brain atrophy in MTL does not explain all clinical cases. Throughout my thesis, I have conducted three projects to understand the anatomy and the functioning of MTL on (1) disease's progression, (2) memory process and (3) learning process. I was interested in a population with mild cognitive impairment (MCI), at risk for AD. The objective of the first project was to test the hypothesis that factors, other than the cognitive ones, such as the personality traits, can explain inter-individual differences in the MTL. Moreover, the phenotypic diversity in the manifestations of preclinical AD arises also from the limited knowledge of memory and learning processes in healthy brain. The objective of the second project concerns the investigation of sub-regions of the MTL, and more particularly their contributions in the different components of recognition memory in healthy subjects. To study that, I have used a new multivariate method as well as MRI at high resolution to test the contribution of those sub-regions in the processes of familiarity and recollection. Finally, the objective of the third project was to test the contribution of the MTL as a memory system in learning and the dynamic interaction between memory systems during learning. The results of the first project show that, beyond cognitive state of impairment observed in the population with MCI, the personality traits can explain the inter-individual differences in the MTL; notably with a higher contribution of neuroticism linked to proneness to stress and depression. My study has allowed identifying a pattern of anatomical abnormality in the MTL related to personality with measures of volume and mean diffusion of the tissue. That pattern is characterized by right-left asymmetry in MTL and an anterior to posterior gradient within MTL. I have interpreted that result by tissue and neurochemical properties differently sensitive to stress. Results of my second project have contributed to the actual debate on the contribution of MTL sub-regions in the processes of familiarity and recollection. Using a new multivariate method, the results support firstly a dissociation of the subregions associated with different memory components. The hippocampus was mostly associated with recollection and the surrounding parahippocampal cortex, with familiarity type of memory. Secondly, the activation corresponding to the mensic trace for each type of memory is characterized by a distinct spatial distribution. The specific neuronal representation, "sparse-distributed", associated with recollection in the hippocampus would be the best way to rapidly encode detailed memories without overwriting previously stored memories. In the third project, I have created a learning task with functional MRI to sudy the processes of learning of probabilistic associations based on feedback/reward. That study allowed me to highlight the role of the MTL in learning and the interaction between different memory systems such as the procedural memory, the perceptual memory or priming and the working memory. We have found activations in the MTL corresponding to a process of episodic memory; the basal ganglia (BG), to a procedural memory and reward; the occipito-temporal (OT) cortex, to a perceptive memory or priming and the prefrontal cortex, to working memory. We have also observed that those regions can interact; the relation type between the MTL and the BG has been interpreted as a competition. In addition, with a dynamic causal model, I have demonstrated a "top-down" influence from cortical regions associated with high level cortical area such as the prefrontal cortex on lower level cortical regions such as the OT cortex. That influence decreases during learning; that could correspond to a mechanism linked to a diminution of prediction error. My interpretation is that this is at the origin of the semantic knowledge. I have also shown that the subject's choice and the associated brain activation are influenced by personality traits and negative affects. Overall results of this thesis have brought me to propose (1) a model explaining the possible mechanism linked to the influence of personality on the MTL in a population with MCI, (2) a dissociation of MTL sub-regions in different memory types and a neuronal representation specific to each region. This could be a cue to resolve the actual debates on recognition memory. Finally, (3) the MTL is also a system involved in learning and that can interact with the BG by a competition. We have also shown a dynamic interaction of « top -down » and « bottom-up » types between the pre-frontal cortex and the OT cortex. In conclusion, the results could give cues to better understand some memory dysfunctions in aging and Alzheimer's disease and to improve development of treatment.

What can ecosystems learn? Expanding evolutionary ecology with learning theory.

BACKGROUND: The structure and organisation of ecological interactions within an ecosystem is modified by the evolution and coevolution of the individual species it contains. Understanding how historical conditions have shaped this architecture is vital for understanding system responses to change at scales from the microbial upwards. However, in the absence of a group selection process, the collective behaviours and ecosystem functions exhibited by the whole community cannot be organised or adapted in a Darwinian sense. A long-standing open question thus persists: Are there alternative organising principles that enable us to understand and predict how the coevolution of the component species creates and maintains complex collective behaviours exhibited by the ecosystem as a whole? RESULTS: Here we answer this question by incorporating principles from connectionist learning, a previously unrelated discipline already using well-developed theories on how emergent behaviours arise in simple networks. Specifically, we show conditions where natural selection on ecological interactions is functionally equivalent to a simple type of connectionist learning, 'unsupervised learning', well-known in neural-network models of cognitive systems to produce many non-trivial collective behaviours. Accordingly, we find that a community can self-organise in a well-defined and non-trivial sense without selection at the community level; its organisation can be conditioned by past experience in the same sense as connectionist learning models habituate to stimuli. This conditioning drives the community to form a distributed ecological memory of multiple past states, causing the community to: a) converge to these states from any random initial composition; b) accurately restore historical compositions from small fragments; c) recover a state composition following disturbance; and d) to correctly classify ambiguous initial compositions according to their similarity to learned compositions. We examine how the formation of alternative stable states alters the community's response to changing environmental forcing, and we identify conditions under which the ecosystem exhibits hysteresis with potential for catastrophic regime shifts. CONCLUSIONS: This work highlights the potential of connectionist theory to expand our understanding of evo-eco dynamics and collective ecological behaviours. Within this framework we find that, despite not being a Darwinian unit, ecological communities can behave like connectionist learning systems, creating internal conditions that habituate to past environmental conditions and actively recalling those conditions. REVIEWERS: This article was reviewed by Prof. Ricard V Solé, Universitat Pompeu Fabra, Barcelona and Prof. Rob Knight, University of Colorado, Boulder.

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 PRINTO criteria for clinically inactive disease in juvenile dermatomyositis.

OBJECTIVES: To develop data-driven criteria for clinically inactive disease on and off therapy for juvenile dermatomyositis (JDM). METHODS: The Paediatric Rheumatology International Trials Organisation (PRINTO) database contains 275 patients with active JDM evaluated prospectively up to 24 months. Thirty-eight patients off therapy at 24 months were defined as clinically inactive and included in the reference group. These were compared with a random sample of 76 patients who had active disease at study baseline. Individual measures of muscle strength/endurance, muscle enzymes, physician's and parent's global disease activity/damage evaluations, inactive disease criteria derived from the literature and other ad hoc criteria were evaluated for sensitivity, specificity and Cohen's κ agreement. RESULTS: The individual measures that best characterised inactive disease (sensitivity and specificity >0.8 and Cohen's κ >0.8) were manual muscle testing (MMT) ≥78, physician global assessment of muscle activity=0, physician global assessment of overall disease activity (PhyGloVAS) ≤0.2, Childhood Myositis Assessment Scale (CMAS) ≥48, Disease Activity Score ≤3 and Myositis Disease Activity Assessment Visual Analogue Scale ≤0.2. The best combination of variables to classify a patient as being in a state of inactive disease on or off therapy is at least three of four of the following criteria: creatine kinase ≤150, CMAS ≥48, MMT ≥78 and PhyGloVAS ≤0.2. After 24 months, 30/31 patients (96.8%) were inactive off therapy and 69/145 (47.6%) were inactive on therapy. CONCLUSION: PRINTO established data-driven criteria with clearly evidence-based cut-off values to identify JDM patients with clinically inactive disease. These criteria can be used in clinical trials, in research and in clinical practice.

Gene flow among wild and domesticated almond species: insights from chloroplast and nuclear markers

Hybridization has played a central role in the evolutionary history of domesticated plants. Notably, several breeding programs relying on gene introgression from the wild compartment have been performed in fruit tree species within the genus Prunus but few studies investigated spontaneous gene flow among wild and domesticated Prunus species. Consequently, a comprehensive understanding of genetic relationships and levels of gene flow between domesticated and wild Prunus species is needed. Combining nuclear and chloroplastic microsatellites, we investigated the gene flow and hybridization among two key almond tree species, the cultivated Prunus dulcis and one of the most widespread wild relative Prunus orientalis in the Fertile Crescent. We detected high genetic diversity levels in both species along with substantial and symmetric gene flow between the domesticated P. dulcis and the wild P. orientalis. These results were discussed in light of the cultivated species diversity, by outlining the frequent spontaneous genetic contributions of wild species to the domesticated compartment. In addition, crop-to-wild gene flow suggests that ad hoc transgene containment strategies would be required if genetically modified cultivars were introduced in the northwestern Mediterranean.

Le profilage forensique des fausses pièces d'identité: une méthode de renseignement prometteuse pour lutter contre la fraude documentaire

En parallèle à l'avènement des modèles policiers guidés par le renseignement, les méthodes d'analyse criminelle et de renseignement forensique ont connu des développements importants ces dernières années. Des applications ont été proposées dans divers domaines des sciences forensiques afin d'exploiter et de gérer différents types de traces matérielles de façon systématique et plus performante. A cet égard, le domaine des faux documents d'identité n'a été l'objet que de peu d'attention bien qu'il s'agisse d'une criminalité grave dans laquelle le crime organisé est impliqué.La présente étude cherche à combler cette lacune en proposant une méthode de profilage des fausses pièces d'identité simple et généralisable qui vise à découvrir des liens existants sur la base des caractéristiques matérielles analysables visuellement. Ces caractéristiques sont considérées comme constituant la marque de fabrique particulière du faussaire et elle peuvent ainsi être exploitées pour inférer des liens entre fausses pièces d'identité provenant d'une même source.Un collectif de plus de 200 fausses pièces d'identité composé de trois types de faux documents a été récolté auprès des polices de neuf cantons suisses et a été intégré dans une banque de données ad hoc. Les liens détectés de façon systématique et automatique par cette banque de données ont été exploités et analysés afin de produire des renseignements d'ordre stratégique et opérationnel utiles à la lutte contre la fraude documentaire.Les démarches de profilage et de renseignement mises en place pour les trois types de fausses pièces d'identité étudiées se sont révélées efficaces, un fort pourcentage des documents s'avérant liés (de 30 % à 50 %). La fraude documentaire apparaît comme une criminalité structurée et interrégionale, pour laquelle les liens établis entre fausses pièces d'identité peuvent servir d'aide à l'enquête et de soutien aux décisions stratégiques. Les résultats suggèrent le développement d'approches préventives et répressives pour lutter contre la fraude documentaire.