Prospective sampling based on model ensembles improves the detection of rare species

Identifying the geographic distribution of populations is a basic, yet crucial step in many fundamental and applied ecological projects, as it provides key information on which many subsequent analyses depend. However, this task is often costly and time consuming, especially where rare species are concerned and where most sampling designs generally prove inefficient. At the same time, rare species are those for which distribution data are most needed for their conservation to be effective. To enhance fieldwork sampling, model-based sampling (MBS) uses predictions from species distribution models: when looking for the species in areas of high habitat suitability, chances should be higher to find them. We thoroughly tested the efficiency of MBS by conducting an important survey in the Swiss Alps, assessing the detection rate of three rare and five common plant species. For each species, habitat suitability maps were produced following an ensemble modeling framework combining two spatial resolutions and two modeling techniques. We tested the efficiency of MBS and the accuracy of our models by sampling 240 sites in the field (30 sitesx8 species). Across all species, the MBS approach proved to be effective. In particular, the MBS design strictly led to the discovery of six sites of presence of one rare plant, increasing chances to find this species from 0 to 50%. For common species, MBS doubled the new population discovery rates as compared to random sampling. Habitat suitability maps coming from the combination of four individual modeling methods predicted well the species' distribution and more accurately than the individual models. As a conclusion, using MBS for fieldwork could efficiently help in increasing our knowledge of rare species distribution. More generally, we recommend using habitat suitability models to support conservation plans.

Pore-scale modeling of two-phase flow instabilities in porous media

Les problèmes d'écoulements multiphasiques en média poreux sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications scientifiques et techniques ; comme la séquestration de C02, l'extraction de pétrole et la dépollution des aquifères. La complexité intrinsèque des systèmes multiphasiques et l'hétérogénéité des formations géologiques sur des échelles multiples représentent un challenge majeur pour comprendre et modéliser les déplacements immiscibles dans les milieux poreux. Les descriptions à l'échelle supérieure basées sur la généralisation de l'équation de Darcy sont largement utilisées, mais ces méthodes sont sujettes à limitations pour les écoulements présentant de l'hystérèse. Les avancées récentes en terme de performances computationnelles et le développement de méthodes précises pour caractériser l'espace interstitiel ainsi que la distribution des phases ont favorisé l'utilisation de modèles qui permettent une résolution fine à l'échelle du pore. Ces modèles offrent un aperçu des caractéristiques de l'écoulement qui ne peuvent pas être facilement observées en laboratoire et peuvent être utilisé pour expliquer la différence entre les processus physiques et les modèles à l'échelle macroscopique existants. L'objet premier de la thèse se porte sur la simulation numérique directe : les équations de Navier-Stokes sont résolues dans l'espace interstitiel et la méthode du volume de fluide (VOF) est employée pour suivre l'évolution de l'interface. Dans VOF, la distribution des phases est décrite par une fonction fluide pour l'ensemble du domaine et des conditions aux bords particulières permettent la prise en compte des propriétés de mouillage du milieu poreux. Dans la première partie de la thèse, nous simulons le drainage dans une cellule Hele-Shaw 2D avec des obstacles cylindriques. Nous montrons que l'approche proposée est applicable même pour des ratios de densité et de viscosité très importants et permet de modéliser la transition entre déplacement stable et digitation visqueuse. Nous intéressons ensuite à l'interprétation de la pression capillaire à l'échelle macroscopique. Nous montrons que les techniques basées sur la moyenne spatiale de la pression présentent plusieurs limitations et sont imprécises en présence d'effets visqueux et de piégeage. Au contraire, une définition basée sur l'énergie permet de séparer les contributions capillaires des effets visqueux. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'investigation des effets d'inertie associés aux reconfigurations irréversibles du ménisque causé par l'interface des instabilités. Comme prototype pour ces phénomènes, nous étudions d'abord la dynamique d'un ménisque dans un pore angulaire. Nous montrons que, dans un réseau de pores cubiques, les sauts et reconfigurations sont si fréquents que les effets d'inertie mènent à différentes configurations des fluides. A cause de la non-linéarité du problème, la distribution des fluides influence le travail des forces de pression, qui, à son tour, provoque une chute de pression dans la loi de Darcy. Cela suggère que ces phénomènes devraient être pris en compte lorsque que l'on décrit l'écoulement multiphasique en média poreux à l'échelle macroscopique. La dernière partie de la thèse s'attache à démontrer la validité de notre approche par une comparaison avec des expériences en laboratoire : un drainage instable dans un milieu poreux quasi 2D (une cellule Hele-Shaw avec des obstacles cylindriques). Plusieurs simulations sont tournées sous différentes conditions aux bords et en utilisant différents modèles (modèle intégré 2D et modèle 3D) afin de comparer certaines quantités macroscopiques avec les observations au laboratoire correspondantes. Malgré le challenge de modéliser des déplacements instables, où, par définition, de petites perturbations peuvent grandir sans fin, notre approche numérique apporte de résultats satisfaisants pour tous les cas étudiés. - Problems involving multiphase flow in porous media are of great interest in many scientific and engineering applications including Carbon Capture and Storage, oil recovery and groundwater remediation. The intrinsic complexity of multiphase systems and the multi scale heterogeneity of geological formations represent the major challenges to understand and model immiscible displacement in porous media. Upscaled descriptions based on generalization of Darcy's law are widely used, but they are subject to several limitations for flow that exhibit hysteric and history- dependent behaviors. Recent advances in high performance computing and the development of accurate methods to characterize pore space and phase distribution have fostered the use of models that allow sub-pore resolution. These models provide an insight on flow characteristics that cannot be easily achieved by laboratory experiments and can be used to explain the gap between physical processes and existing macro-scale models. We focus on direct numerical simulations: we solve the Navier-Stokes equations for mass and momentum conservation in the pore space and employ the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the interface. In the VOF the distribution of the phases is described by a fluid function (whole-domain formulation) and special boundary conditions account for the wetting properties of the porous medium. In the first part of this thesis we simulate drainage in a 2-D Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles. We show that the proposed approach can handle very large density and viscosity ratios and it is able to model the transition from stable displacement to viscous fingering. We then focus on the interpretation of the macroscopic capillary pressure showing that pressure average techniques are subject to several limitations and they are not accurate in presence of viscous effects and trapping. On the contrary an energy-based definition allows separating viscous and capillary contributions. In the second part of the thesis we investigate inertia effects associated with abrupt and irreversible reconfigurations of the menisci caused by interface instabilities. As a prototype of these phenomena we first consider the dynamics of a meniscus in an angular pore. We show that in a network of cubic pores, jumps and reconfigurations are so frequent that inertia effects lead to different fluid configurations. Due to the non-linearity of the problem, the distribution of the fluids influences the work done by pressure forces, which is in turn related to the pressure drop in Darcy's law. This suggests that these phenomena should be taken into account when upscaling multiphase flow in porous media. The last part of the thesis is devoted to proving the accuracy of the numerical approach by validation with experiments of unstable primary drainage in a quasi-2D porous medium (i.e., Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles). We perform simulations under different boundary conditions and using different models (2-D integrated and full 3-D) and we compare several macroscopic quantities with the corresponding experiment. Despite the intrinsic challenges of modeling unstable displacement, where by definition small perturbations can grow without bounds, the numerical method gives satisfactory results for all the cases studied.

Development and application of computational methodologies in qualitative modeling

La présente thèse s'intitule "Développent et Application des Méthodologies Computationnelles pour la Modélisation Qualitative". Elle comprend tous les différents projets que j'ai entrepris en tant que doctorante. Plutôt qu'une mise en oeuvre systématique d'un cadre défini a priori, cette thèse devrait être considérée comme une exploration des méthodes qui peuvent nous aider à déduire le plan de processus regulatoires et de signalisation. Cette exploration a été mue par des questions biologiques concrètes, plutôt que par des investigations théoriques. Bien que tous les projets aient inclus des systèmes divergents (réseaux régulateurs de gènes du cycle cellulaire, réseaux de signalisation de cellules pulmonaires) ainsi que des organismes (levure à fission, levure bourgeonnante, rat, humain), nos objectifs étaient complémentaires et cohérents. Le projet principal de la thèse est la modélisation du réseau de l'initiation de septation (SIN) du S.pombe. La cytokinèse dans la levure à fission est contrôlée par le SIN, un réseau signalant de protéines kinases qui utilise le corps à pôle-fuseau comme échafaudage. Afin de décrire le comportement qualitatif du système et prédire des comportements mutants inconnus, nous avons décidé d'adopter l'approche de la modélisation booléenne. Dans cette thèse, nous présentons la construction d'un modèle booléen étendu du SIN, comprenant la plupart des composantes et des régulateurs du SIN en tant que noeuds individuels et testable expérimentalement. Ce modèle utilise des niveaux d'activité du CDK comme noeuds de contrôle pour la simulation d'évènements du SIN à différents stades du cycle cellulaire. Ce modèle a été optimisé en utilisant des expériences d'un seul "knock-out" avec des effets phénotypiques connus comme set d'entraînement. Il a permis de prédire correctement un set d'évaluation de "knock-out" doubles. De plus, le modèle a fait des prédictions in silico qui ont été validées in vivo, permettant d'obtenir de nouvelles idées de la régulation et l'organisation hiérarchique du SIN. Un autre projet concernant le cycle cellulaire qui fait partie de cette thèse a été la construction d'un modèle qualitatif et minimal de la réciprocité des cyclines dans la S.cerevisiae. Les protéines Clb dans la levure bourgeonnante présentent une activation et une dégradation caractéristique et séquentielle durant le cycle cellulaire, qu'on appelle communément les vagues des Clbs. Cet évènement est coordonné avec la courbe d'activation inverse du Sic1, qui a un rôle inhibitoire dans le système. Pour l'identification des modèles qualitatifs minimaux qui peuvent expliquer ce phénomène, nous avons sélectionné des expériences bien définies et construit tous les modèles minimaux possibles qui, une fois simulés, reproduisent les résultats attendus. Les modèles ont été filtrés en utilisant des simulations ODE qualitatives et standardisées; seules celles qui reproduisaient le phénotype des vagues ont été gardées. L'ensemble des modèles minimaux peut être utilisé pour suggérer des relations regulatoires entre les molécules participant qui peuvent ensuite être testées expérimentalement. Enfin, durant mon doctorat, j'ai participé au SBV Improver Challenge. Le but était de déduire des réseaux spécifiques à des espèces (humain et rat) en utilisant des données de phosphoprotéines, d'expressions des gènes et des cytokines, ainsi qu'un réseau de référence, qui était mis à disposition comme donnée préalable. Notre solution pour ce concours a pris la troisième place. L'approche utilisée est expliquée en détail dans le dernier chapitre de la thèse. -- The present dissertation is entitled "Development and Application of Computational Methodologies in Qualitative Modeling". It encompasses the diverse projects that were undertaken during my time as a PhD student. Instead of a systematic implementation of a framework defined a priori, this thesis should be considered as an exploration of the methods that can help us infer the blueprint of regulatory and signaling processes. This exploration was driven by concrete biological questions, rather than theoretical investigation. Even though the projects involved divergent systems (gene regulatory networks of cell cycle, signaling networks in lung cells), as well as organisms (fission yeast, budding yeast, rat, human), our goals were complementary and coherent. The main project of the thesis is the modeling of the Septation Initiation Network (SIN) in S.pombe. Cytokinesis in fission yeast is controlled by the SIN, a protein kinase signaling network that uses the spindle pole body as scaffold. In order to describe the qualitative behavior of the system and predict unknown mutant behaviors we decided to adopt a Boolean modeling approach. In this thesis, we report the construction of an extended, Boolean model of the SIN, comprising most SIN components and regulators as individual, experimentally testable nodes. The model uses CDK activity levels as control nodes for the simulation of SIN related events in different stages of the cell cycle. The model was optimized using single knock-out experiments of known phenotypic effect as a training set, and was able to correctly predict a double knock-out test set. Moreover, the model has made in silico predictions that have been validated in vivo, providing new insights into the regulation and hierarchical organization of the SIN. Another cell cycle related project that is part of this thesis was to create a qualitative, minimal model of cyclin interplay in S.cerevisiae. CLB proteins in budding yeast present a characteristic, sequential activation and decay during the cell cycle, commonly referred to as Clb waves. This event is coordinated with the inverse activation curve of Sic1, which has an inhibitory role in the system. To generate minimal qualitative models that can explain this phenomenon, we selected well-defined experiments and constructed all possible minimal models that, when simulated, reproduce the expected results. The models were filtered using standardized qualitative ODE simulations; only the ones reproducing the wave-like phenotype were kept. The set of minimal models can be used to suggest regulatory relations among the participating molecules, which will subsequently be tested experimentally. Finally, during my PhD I participated in the SBV Improver Challenge. The goal was to infer species-specific (human and rat) networks, using phosphoprotein, gene expression and cytokine data and a reference network provided as prior knowledge. Our solution to the challenge was selected as in the final chapter of the thesis.

Geological realism in hydrogeological and geophysical inverse modeling: A review

Scientific curiosity, exploration of georesources and environmental concerns are pushing the geoscientific research community toward subsurface investigations of ever-increasing complexity. This review explores various approaches to formulate and solve inverse problems in ways that effectively integrate geological concepts with geophysical and hydrogeological data. Modern geostatistical simulation algorithms can produce multiple subsurface realizations that are in agreement with conceptual geological models and statistical rock physics can be used to map these realizations into physical properties that are sensed by the geophysical or hydrogeological data. The inverse problem consists of finding one or an ensemble of such subsurface realizations that are in agreement with the data. The most general inversion frameworks are presently often computationally intractable when applied to large-scale problems and it is necessary to better understand the implications of simplifying (1) the conceptual geological model (e.g., using model compression); (2) the physical forward problem (e.g., using proxy models); and (3) the algorithm used to solve the inverse problem (e.g., Markov chain Monte Carlo or local optimization methods) to reach practical and robust solutions given today's computer resources and knowledge. We also highlight the need to not only use geophysical and hydrogeological data for parameter estimation purposes, but also to use them to falsify or corroborate alternative geological scenarios.

Ab initio modeling and molecular dynamics simulation of the alpha 1b-adrenergic receptor activation.

This work describes the ab initio procedure employed to build an activation model for the alpha 1b-adrenergic receptor (alpha 1b-AR). The first version of the model was progressively modified and complicated by means of a many-step iterative procedure characterized by the employment of experimental validations of the model in each upgrading step. A combined simulated (molecular dynamics) and experimental mutagenesis approach was used to determine the structural and dynamic features characterizing the inactive and active states of alpha 1b-AR. The latest version of the model has been successfully challenged with respect to its ability to interpret and predict the functional properties of a large number of mutants. The iterative approach employed to describe alpha 1b-AR activation in terms of molecular structure and dynamics allows further complications of the model to allow prediction and interpretation of an ever-increasing number of experimental data.

Modeling sequencing errors by combining Hidden Markov models.

Among the largest resources for biological sequence data is the large amount of expressed sequence tags (ESTs) available in public and proprietary databases. ESTs provide information on transcripts but for technical reasons they often contain sequencing errors. Therefore, when analyzing EST sequences computationally, such errors must be taken into account. Earlier attempts to model error prone coding regions have shown good performance in detecting and predicting these while correcting sequencing errors using codon usage frequencies. In the research presented here, we improve the detection of translation start and stop sites by integrating a more complex mRNA model with codon usage bias based error correction into one hidden Markov model (HMM), thus generalizing this error correction approach to more complex HMMs. We show that our method maintains the performance in detecting coding sequences.

Modeling of in-situ crystallization processes in the Permian mafic layered intrusion of Mont Collon (Dent Blanche nappe, western Alps)

The Mont Collon mafic complex is one of the best preserved examples of the Early Permian magmatism in the Central Alps, related to the intra-continental collapse of the Variscan belt. It mostly consists (> 95 vol.%) of ol+hy-nonnative plagioclase-wehrlites, olivine- and cpx-gabbros with cumulitic structures, crosscut by acid dikes. Pegmatitic gabbros, troctolites and anorthosites outcrop locally. A well-preserved cumulative, sequence is exposed in the Dents de Bertol area (center of intrusion). PT-calculations indicate that this layered magma chamber emplaced at mid-crustal levels at about 0.5 GPa and 1100 degrees C. The Mont Collon cumulitic rocks record little magmatic differentiation, as illustrated by the restricted range of clinopyroxene mg-number (Mg#(cpx)=83-89). Whole-rock incompatible trace-element contents (e.g. Nb, Zr, Ba) vary largely and without correlation with major-element composition. These features are characteristic of an in-situ crystallization process with variable amounts of interstitial liquid L trapped between the cumulus mineral phases. LA-ICPMS measurements show that trace-element distribution in the latter is homogeneous, pointing to subsolidus re-equilibration between crystals and interstitial melts. A quantitative modeling based on Langmuir's in-situ crystallization equation successfully duplicated the REE concentrations in cumulitic minerals of all rock facies of the intrusion. The calculated amounts of interstitial liquid L vary between 0 and 35% for degrees of differentiation F of 0 to 20%, relative to the least evolved facies of the intrusion. L values are well correlated with the modal proportions of interstitial amphibole and whole-rock incompatible trace-element concentrations (e.g. Zr, Nb) of the tested samples. However, the in-situ crystallization model reaches its limitations with rock containing high modal content of REE-bearing minerals (i.e. zircon), such as pegmatitic gabbros. Dikes of anorthositic composition, locally crosscutting the layered lithologies, evidence that the Mont Collon rocks evolved in open system with mixing of intercumulus liquids of different origins and possibly contrasting compositions. The proposed model is not able to resolve these complex open systems, but migrating liquids could be partly responsible for the observed dispersion of points in some correlation diagrams. Absence of significant differentiation with recurrent lithologies in the cumulitic pile of Dents de Bertol points to an efficiently convective magma chamber, with possible periodic replenishment, (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Pratiquer la religion ensemble : analyse des paroisses et communautés religieuses en Suisse dans une perspective de sociologie des organisations

RESUMÉ DE LA THÈSE EN FRANÇAIS La présente recherche se veut être un examen de la première enquête quantitative menée en Suisse sur les paroisses et communautés religieuses. La recherche vise de à appréhender la dynamique institutionnelle du champ religieux de ce pays. En relation avec une enquête similaire menée aux États-Unis (National Congregations Study, Chaves, 2004) la présente recherche analyse les données récoltées auprès d'un échantillon représentatif de plus de mille responsables spirituels des communautés religieuses de Suisse. Dans la perspective de la sociologie des organisations, elle examine le positionnement des communautés dans le champ institutionnel pour comprendre comment elles s'activent pour se maintenir dans la durée. Les communautés, pour assurer leurs services sur le long terme, sont imbriquées dans des structures confessionnelles avec des contraintes administratives diverses selon leur reconnaissance légale. En conséquence, la dynamique du champ religieux institutionnel est différenciée en trois environnements, selon leur degré de reconnaissance, qui demandent des réponses particulières à chacun pour pouvoir s'adapter et perdurer. Ces trois environnements poussent les groupes qui s'y logent à adopter des structures identiques. Pratiquer la religion ensemble, c'est ainsi se rendre dans une communauté avec une forme de rituel et d'engagement des membres correspondant à la reconnaissance du groupe par la société. Même pratiquée fortuitement, la religion collective est loin d'être un acte fortuit. RESUMÉ DE LA THÈSE EN ANGLAIS Practice the religion together Analysis of parishes and religious congregations in Switzerland in a perspective of sociology of organization This research is intended as a review of the first quantitative survey conducted in Switzerland on parishes and religious communities. The research aims to understand the dynamics of institutional religious field in this country. In connection with a similar survey conducted in the U.S. (National Congregations Study, Chaves, 2004) this research examines data gathered from a representative sample of over a thousand spiritual leaders of religious communities in Switzerland. From the perspective of sociology of organization, it examines the position of communities in the institutional field to understand how they are activated to maintain over time. Communities to ensure their services over the long term, are nested within denominational structures with different administrative constraints according to their legal recognition. Consequently, the dynamics of the religious field is differentiated into three institutional environments according to their degree of recognition, which require specific responses to each in order to adapt and endure. These three environments grow groups staying there to adopt identical structures.

Modeling resting-state functional networks when the cortex falls asleep: local and global changes.

The transition from wakefulness to sleep represents the most conspicuous change in behavior and the level of consciousness occurring in the healthy brain. It is accompanied by similarly conspicuous changes in neural dynamics, traditionally exemplified by the change from "desynchronized" electroencephalogram activity in wake to globally synchronized slow wave activity of early sleep. However, unit and local field recordings indicate that the transition is more gradual than it might appear: On one hand, local slow waves already appear during wake; on the other hand, slow sleep waves are only rarely global. Studies with functional magnetic resonance imaging also reveal changes in resting-state functional connectivity (FC) between wake and slow wave sleep. However, it remains unclear how resting-state networks may change during this transition period. Here, we employ large-scale modeling of the human cortico-cortical anatomical connectivity to evaluate changes in resting-state FC when the model "falls asleep" due to the progressive decrease in arousal-promoting neuromodulation. When cholinergic neuromodulation is parametrically decreased, local slow waves appear, while the overall organization of resting-state networks does not change. Furthermore, we show that these local slow waves are structured macroscopically in networks that resemble the resting-state networks. In contrast, when the neuromodulator decrease further to very low levels, slow waves become global and resting-state networks merge into a single undifferentiated, broadly synchronized network.

Body mass index, cigarette smoking, and alcohol consumption and cancers of the oral cavity, pharynx, and larynx: modeling odds ratios in pooled case-control data.

Odds ratios for head and neck cancer increase with greater cigarette and alcohol use and lower body mass index (BMI; weight (kg)/height(2) (m(2))). Using data from the International Head and Neck Cancer Epidemiology Consortium, the authors conducted a formal analysis of BMI as a modifier of smoking- and alcohol-related effects. Analysis of never and current smokers included 6,333 cases, while analysis of never drinkers and consumers of < or =10 drinks/day included 8,452 cases. There were 8,000 or more controls, depending on the analysis. Odds ratios for all sites increased with lower BMI, greater smoking, and greater drinking. In polytomous regression, odds ratios for BMI (P = 0.65), smoking (P = 0.52), and drinking (P = 0.73) were homogeneous for oral cavity and pharyngeal cancers. Odds ratios for BMI and drinking were greater for oral cavity/pharyngeal cancer (P < 0.01), while smoking odds ratios were greater for laryngeal cancer (P < 0.01). Lower BMI enhanced smoking- and drinking-related odds ratios for oral cavity/pharyngeal cancer (P < 0.01), while BMI did not modify smoking and drinking odds ratios for laryngeal cancer. The increased odds ratios for all sites with low BMI may suggest related carcinogenic mechanisms; however, BMI modification of smoking and drinking odds ratios for cancer of the oral cavity/pharynx but not larynx cancer suggests additional factors specific to oral cavity/pharynx cancer.

Contact metamorphism and emplacement of the western Adamello tonalite

The geodynamic forces acting in the Earth's interior manifest themselves in a variety of ways. Volcanoes are amongst the most impressive examples in this respect, but like with an iceberg, they only represent the tip of a more extensive system hidden underground. This system consists of a source region where melt forms and accumulates, feeder connections in which magma is transported towards the surface, and different reservoirs where it is stored before it eventually erupts to form a volcano. A magma represents a mixture of melt and crystals. The latter can be extracted from the source region, or form anywhere along the path towards their final crystallization place. They will retain information of the overall plumbing system. The host rocks of an intrusion, in contrast, provide information at the emplacement level. They record the effects of thermal and mechanical forces imposed by the magma. For a better understanding of the system, both parts - magmatic and metamorphic petrology - have to be integrated. I will demonstrate in my thesis that information from both is complementary. It is an iterative process, using constraints from one field to better constrain the other. Reading the history of the host rocks is not always straightforward. This is shown in chapter two, where a model for the formation of clustered garnets observed in the contact aureole is proposed. Fragments of garnets, older than the intrusive rocks are overgrown by garnet crystallizing due to the reheating during emplacement of the adjacent pluton. The formation of the clusters is therefore not a single event as generally assumed but the result of a two-stage process, namely the alteration of the old grains and the overgrowth and amalgamation of new garnet rims. This makes an important difference when applying petrological methods such as thermobarometry, geochronology or grain size distributions. The thermal conditions in the aureole are a strong function of the emplacement style of the pluton. therefore it is necessary to understand the pluton before drawing conclusions about its aureole. A study investigating the intrusive rocks by means of field, geochemical, geochronologi- cal and structural methods is presented in chapter three. This provided important information about the assembly of the intrusion, but also new insights on the nature of large, homogeneous plutons and the structure of the plumbing system in general. The incremental nature of the emplacement of the Western Adamello tonalité is documented, and the existence of an intermediate reservoir beneath homogeneous plutons is proposed. In chapter four it is demonstrated that information extracted from the host rock provides further constraints on the emplacement process of the intrusion. The temperatures obtain by combining field observations with phase petrology modeling are used together with thermal models to constrain the magmatic activity in the immediate intrusion. Instead of using the thermal models to control the petrology result, the inverse is done. The model parameters were changed until a match with the aureole temperatures was obtained. It is shown, that only a few combinations give a positive match and that temperature estimates from the aureole can constrain the frequency of ancient magmatic systems. In the fifth chapter, the Anisotropy of Magnetic Susceptibility of intrusive rocks is compared to 3D tomography. The obtained signal is a function of the shape and distribution of ferromagnetic grains, and is often used to infer flow directions of magma. It turns out that the signal is dominated by the shape of the magnetic crystals, and where they form tight clusters, also by their distribution. This is in good agreement with the predictions made in the theoretical and experimental literature. In the sixth chapter arguments for partial melting of host rock carbonates are presented. While at first very surprising, this is to be expected when considering the prior results from the intrusive study and experiments from the literature. Partial melting is documented by compelling microstructures, geochemical and structural data. The necessary conditions are far from extreme and this process might be more frequent than previously thought. The carbonate melt is highly mobile and can move along grain boundaries, infiltrating other rocks and ultimately alter the existing mineral assemblage. Finally, a mineralogical curiosity is presented in chapter seven. The mineral assemblage magne§site and calcite is in apparent equilibrium. It is well known that these two carbonates are not stable together in the system Ca0-Mg0-Fe0-C02. Indeed, magnesite and calcite should react to dolomite during metamorphism. The presented explanation for this '"forbidden" assemblage is, that a calcite melt infiltrated the magnesite bearing rock along grain boundaries and caused the peculiar microstructure. This is supported by isotopie disequilibrium between calcite and magnesite. A further implication of partially molten carbonates is, that the host rock drastically looses its strength so that its physical properties may be comparable to the ones of the intrusive rocks. This contrasting behavior of the host rock may ease the emplacement of the intrusion. We see that the circle closes and the iterative process of better constraining the emplacement could start again. - La Terre est en perpétuel mouvement et les forces tectoniques associées à ces mouvements se manifestent sous différentes formes. Les volcans en sont l'un des exemples les plus impressionnants, mais comme les icebergs, les laves émises en surfaces ne représentent que la pointe d'un vaste système caché dans les profondeurs. Ce système est constitué d'une région source, région où la roche source fond et produit le magma ; ce magma peut s'accumuler dans cette région source ou être transporté à travers différents conduits dans des réservoirs où le magma est stocké. Ce magma peut cristalliser in situ et produire des roches plutoniques ou alors être émis en surface. Un magma représente un mélange entre un liquide et des cristaux. Ces cristaux peuvent être extraits de la source ou se former tout au long du chemin jusqu'à l'endroit final de cristallisation. L'étude de ces cristaux peut ainsi donner des informations sur l'ensemble du système magmatique. Au contraire, les roches encaissantes fournissent des informations sur le niveau d'emplacement de l'intrusion. En effet ces roches enregistrent les effets thermiques et mécaniques imposés par le magma. Pour une meilleure compréhension du système, les deux parties, magmatique et métamorphique, doivent être intégrées. Cette thèse a pour but de montrer que les informations issues de l'étude des roches magmatiques et des roches encaissantes sont complémentaires. C'est un processus itératif qui utilise les contraintes d'un domaine pour améliorer la compréhension de l'autre. Comprendre l'histoire des roches encaissantes n'est pas toujours aisé. Ceci est démontré dans le chapitre deux, où un modèle de formation des grenats observés sous forme d'agrégats dans l'auréole de contact est proposé. Des fragments de grenats plus vieux que les roches intru- sives montrent une zone de surcroissance générée par l'apport thermique produit par la mise en place du pluton adjacent. La formation des agrégats de grenats n'est donc pas le résultat d'un seul événement, comme on le décrit habituellement, mais d'un processus en deux phases, soit l'altération de vieux grains engendrant une fracturation de ces grenats, puis la formation de zone de surcroissance autour de ces différents fragments expliquant la texture en agrégats observée. Cette interprétation en deux phases est importante, car elle engendre des différences notables lorsque l'on applique des méthodes pétrologiques comme la thermobarométrie, la géochronologie ou encore lorsque l'on étudie la distribution relative de la taille des grains. Les conditions thermales dans l'auréole de contact dépendent fortement du mode d'emplacement de l'intrusion et c'est pourquoi il est nécessaire de d'abord comprendre le pluton avant de faire des conclusions sur son auréole de contact. Une étude de terrain des roches intrusives ainsi qu'une étude géochimique, géochronologique et structurale est présente dans le troisième chapitre. Cette étude apporte des informations importantes sur la formation de l'intrusion mais également de nouvelles connaissances sur la nature de grands plutons homogènes et la structure de système magmatique en général. L'emplacement incrémental est mis en évidence et l'existence d'un réservoir intermédiaire en-dessous des plutons homogènes est proposé. Le quatrième chapitre de cette thèse illustre comment utiliser l'information extraite des roches encaissantes pour expliquer la mise en place de l'intrusion. Les températures obtenues par la combinaison des observations de terrain et l'assemblage métamorphique sont utilisées avec des modèles thermiques pour contraindre l'activité magmatique au contact directe de cette auréole. Au lieu d'utiliser le modèle thermique pour vérifier le résultat pétrologique, une approche inverse a été choisie. Les paramètres du modèle ont été changés jusqu'à ce qu'on obtienne une correspondance avec les températures observées dans l'auréole de contact. Ceci montre qu'il y a peu de combinaison qui peuvent expliquer les températures et qu'on peut contraindre la fréquence de l'activité magmatique d'un ancien système magmatique de cette manière. Dans le cinquième chapitre, les processus contrôlant l'anisotropie de la susceptibilité magnétique des roches intrusives sont expliqués à l'aide d'images de la distribution des minéraux dans les roches obtenues par tomographie 3D. Le signal associé à l'anisotropie de la susceptibilité magnétique est une fonction de la forme et de la distribution des grains ferromagnétiques. Ce signal est fréquemment utilisé pour déterminer la direction de mouvement d'un magma. En accord avec d'autres études de la littérature, les résultats montrent que le signal est dominé par la forme des cristaux magnétiques, ainsi que par la distribution des agglomérats de ces minéraux dans la roche. Dans le sixième chapitre, une étude associée à la fusion partielle de carbonates dans les roches encaissantes est présentée. Si la présence de liquides carbonatés dans les auréoles de contact a été proposée sur la base d'expériences de laboratoire, notre étude démontre clairement leur existence dans la nature. La fusion partielle est documentée par des microstructures caractéristiques pour la présence de liquides ainsi que par des données géochimiques et structurales. Les conditions nécessaires sont loin d'être extrêmes et ce processus pourrait être plus fréquent qu'attendu. Les liquides carbonatés sont très mobiles et peuvent circuler le long des limites de grain avant d'infiltrer d'autres roches en produisant une modification de leurs assemblages minéralogiques. Finalement, une curiosité minéralogique est présentée dans le chapitre sept. L'assemblage de minéraux de magnésite et de calcite en équilibre apparent est observé. Il est bien connu que ces deux carbonates ne sont pas stables ensemble dans le système CaO-MgO-FeO-CO.,. En effet, la magnésite et la calcite devraient réagir et produire de la dolomite pendant le métamorphisme. L'explication présentée pour cet assemblage à priori « interdit » est que un liquide carbonaté provenant des roches adjacentes infiltre cette roche et est responsable pour cette microstructure. Une autre implication associée à la présence de carbonates fondus est que la roche encaissante montre une diminution drastique de sa résistance et que les propriétés physiques de cette roche deviennent comparables à celles de la roche intrusive. Cette modification des propriétés rhéologiques des roches encaissantes peut faciliter la mise en place des roches intrusives. Ces différentes études démontrent bien le processus itératif utilisé et l'intérêt d'étudier aussi bien les roches intrusives que les roches encaissantes pour la compréhension des mécanismes de mise en place des magmas au sein de la croûte terrestre.

Fusion of Multi-Atlas Segmentations with Spatial Distribution Modeling

In recent years, multi-atlas fusion methods have gainedsignificant attention in medical image segmentation. Inthis paper, we propose a general Markov Random Field(MRF) based framework that can perform edge-preservingsmoothing of the labels at the time of fusing the labelsitself. More specifically, we formulate the label fusionproblem with MRF-based neighborhood priors, as an energyminimization problem containing a unary data term and apairwise smoothness term. We present how the existingfusion methods like majority voting, global weightedvoting and local weighted voting methods can be reframedto profit from the proposed framework, for generatingmore accurate segmentations as well as more contiguoussegmentations by getting rid of holes and islands. Theproposed framework is evaluated for segmenting lymphnodes in 3D head and neck CT images. A comparison ofvarious fusion algorithms is also presented.