Turnover and accumulation of genetic diversity across large time-scale cycles of isolation and connection of populations.

Major climatic and geological events but also population history (secondary contacts) have generated cycles of population isolation and connection of long and short periods. Recent empirical and theoretical studies suggest that fast evolutionary processes might be triggered by such events, as commonly illustrated in ecology by the adaptive radiation of cichlid fishes (isolation and reconnection of lakes and watersheds) and in epidemiology by the fast adaptation of the influenza virus (isolation and reconnection in hosts). We test whether cyclic population isolation and connection provide the raw material (standing genetic variation) for species evolution and diversification. Our analytical results demonstrate that population isolation and connection can provide, to populations, a high excess of genetic diversity compared with what is expected at equilibrium. This excess is either cyclic (high allele turnover) or cumulates with time depending on the duration of the isolation and the connection periods and the mutation rate. We show that diversification rates of animal clades are associated with specific periods of climatic cycles in the Quaternary. We finally discuss the importance of our results for macroevolutionary patterns and for the inference of population history from genomic data.

SDF 1-alpha (CXCL12) triggers glutamate exocytosis from astrocytes on a millisecond time scale: Imaging analysis at the single-vesicle level with TIRF microscopy

Chemokines are small chemotactic molecules widely expressed throughout the central nervous system. A number of papers, during the past few years, have suggested that they have physiological functions in addition to their roles in neuroinflammatory diseases. In this context, the best evidence concerns the CXC-chemokine stromal cell-derived factor (SDF-1alpha or CXCL12) and its receptor CXCR4, whose signalling cascade is also implicated in the glutamate release process from astrocytes. Recently, astrocytic synaptic like microvesicles (SLMVs) that express vesicular glutamate transporters (VGLUTs) and are able to release glutamate by Ca(2+)-dependent regulated exocytosis, have been described both in tissue and in cultured astrocytes. Here, in order to elucidate whether SDF-1alpha/CXCR4 system can participate to the brain fast communication systems, we investigated whether the activation of CXCR4 receptor triggers glutamate exocytosis in astrocytes. By using total internal reflection (TIRF) microscopy and the membrane-fluorescent styryl dye FM4-64, we adapted an imaging methodology recently developed to measure exocytosis and recycling in synaptic terminals, and monitored the CXCR4-mediated exocytosis of SLMVs in astrocytes. We analyzed the co-localization of VGLUT with the FM dye at single-vesicle level, and observed the kinetics of the FM dye release during single fusion events. We found that the activation of CXCR4 receptors triggered a burst of exocytosis on a millisecond time scale that involved the release of Ca(2+) from internal stores. These results support the idea that astrocytes can respond to external stimuli and communicate with the neighboring cells via fast release of glutamate.

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.

Local-global splitting for spatiotemporal-adaptive multiscale methods

We present a novel spatiotemporal-adaptive Multiscale Finite Volume (MsFV) method, which is based on the natural idea that the global coarse-scale problem has longer characteristic time than the local fine-scale problems. As a consequence, the global problem can be solved with larger time steps than the local problems. In contrast to the pressure-transport splitting usually employed in the standard MsFV approach, we propose to start directly with a local-global splitting that allows to locally retain the original degree of coupling. This is crucial for highly non-linear systems or in the presence of physical instabilities. To obtain an accurate and efficient algorithm, we devise new adaptive criteria for global update that are based on changes of coarse-scale quantities rather than on fine-scale quantities, as it is routinely done before in the adaptive MsFV method. By means of a complexity analysis we show that the adaptive approach gives a noticeable speed-up with respect to the standard MsFV algorithm. In particular, it is efficient in case of large upscaling factors, which is important for multiphysics problems. Based on the observation that local time stepping acts as a smoother, we devise a self-correcting algorithm which incorporates the information from previous times to improve the quality of the multiscale approximation. We present results of multiphase flow simulations both for Darcy-scale and multiphysics (hybrid) problems, in which a local pore-scale description is combined with a global Darcy-like description. The novel spatiotemporal-adaptive multiscale method based on the local-global splitting is not limited to porous media flow problems, but it can be extended to any system described by a set of conservation equations.

Resting-state temporal synchronization networks emerge from connectivity topology and heterogeneity.

Spatial patterns of coherent activity across different brain areas have been identified during the resting-state fluctuations of the brain. However, recent studies indicate that resting-state activity is not stationary, but shows complex temporal dynamics. We were interested in the spatiotemporal dynamics of the phase interactions among resting-state fMRI BOLD signals from human subjects. We found that the global phase synchrony of the BOLD signals evolves on a characteristic ultra-slow (<0.01Hz) time scale, and that its temporal variations reflect the transient formation and dissolution of multiple communities of synchronized brain regions. Synchronized communities reoccurred intermittently in time and across scanning sessions. We found that the synchronization communities relate to previously defined functional networks known to be engaged in sensory-motor or cognitive function, called resting-state networks (RSNs), including the default mode network, the somato-motor network, the visual network, the auditory network, the cognitive control networks, the self-referential network, and combinations of these and other RSNs. We studied the mechanism originating the observed spatiotemporal synchronization dynamics by using a network model of phase oscillators connected through the brain's anatomical connectivity estimated using diffusion imaging human data. The model consistently approximates the temporal and spatial synchronization patterns of the empirical data, and reveals that multiple clusters that transiently synchronize and desynchronize emerge from the complex topology of anatomical connections, provided that oscillators are heterogeneous.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Resting-State Functional Connectivity Emerges from Structurally and Dynamically Shaped Slow Linear Fluctuations.

Brain fluctuations at rest are not random but are structured in spatial patterns of correlated activity across different brain areas. The question of how resting-state functional connectivity (FC) emerges from the brain's anatomical connections has motivated several experimental and computational studies to understand structure-function relationships. However, the mechanistic origin of resting state is obscured by large-scale models' complexity, and a close structure-function relation is still an open problem. Thus, a realistic but simple enough description of relevant brain dynamics is needed. Here, we derived a dynamic mean field model that consistently summarizes the realistic dynamics of a detailed spiking and conductance-based synaptic large-scale network, in which connectivity is constrained by diffusion imaging data from human subjects. The dynamic mean field approximates the ensemble dynamics, whose temporal evolution is dominated by the longest time scale of the system. With this reduction, we demonstrated that FC emerges as structured linear fluctuations around a stable low firing activity state close to destabilization. Moreover, the model can be further and crucially simplified into a set of motion equations for statistical moments, providing a direct analytical link between anatomical structure, neural network dynamics, and FC. Our study suggests that FC arises from noise propagation and dynamical slowing down of fluctuations in an anatomically constrained dynamical system. Altogether, the reduction from spiking models to statistical moments presented here provides a new framework to explicitly understand the building up of FC through neuronal dynamics underpinned by anatomical connections and to drive hypotheses in task-evoked studies and for clinical applications.

Deposits of the sandy braided South Saskatchewan River: Implications for the use of modern analogs in reconstructing channel dimensions in reservoir characterization

Estimation of the dimensions of fluvial geobodies from core data is a notoriously difficult problem in reservoir modeling. To try and improve such estimates and, hence, reduce uncertainty in geomodels, data on dunes, unit bars, cross-bar channels, and compound bars and their associated deposits are presented herein from the sand-bed braided South Saskatchewan River, Canada. These data are used to test models that relate the scale of the formative bed forms to the dimensions of the preserved deposits and, therefore, provide an insight as to how such deposits may be preserved over geologic time. The preservation of bed-form geometry is quantified by comparing the Alluvial architecture above and below the maximum erosion depth of the modem channel deposits. This comparison shows that there is no significant difference in the mean set thickness of dune cross-strata above and below the basal erosion surface of the contemporary channel, thus suggesting that dimensional relationships between dune deposits and the formative bed-form dimensions are likely to be valid from both recent and older deposits. The data show that estimates of mean bankfull flow depth derived from dune, unit bar, and cross-bar channel deposits are all very similar. Thus, the use of all these metrics together can provide a useful check that all components and scales of the alluvial architecture have been identified correctly when building reservoir models. The data also highlight several practical issues with identifying and applying data relating to cross-strata. For example, the deposits of unit bars were found to be severely truncated in length and width, with only approximately 10% of the mean bar-form length remaining, and thus making identification in section difficult. For similar reasons, the deposits of compound bars were found to be especially difficult to recognize, and hence, estimates of channel depth based on this method may be problematic. Where only core data are available (i.e., no outcrop data exist), formative flow depths are suggested to be best reconstructed using cross-strata formed by dunes. However, theoretical relationships between the distribution of set thicknesses and formative dune height are found to result in slight overestimates of the latter and, hence, mean bankfull flow depths derived from these measurements. This article illustrates that the preservation of fluvial cross-strata and, thus, the paleohydraulic inferences that can be drawn from them, are a function of the ratio of the size and migration rate of bed forms and the time scale of aggradation and channel migration. These factors must thus be considered when deciding on appropriate length:thickness ratios for the purposes of object-based modeling in reservoir characterization.

GENETIC ARCHITECTURE, EVOLUTION AND MAINTENANCE OF A COLOR CLINE AT A CONTINENTAL SCALE

On a geological time scale the conditions on earth are very variable and biological patterns (for example the distributions of species) are very dynamic. Understanding large scale patterns of variation observed today thus requires a deep understanding of the historical factors that drove their evolution. In this thesis, we reevaluated the evolution and maintenance of a continental color cline observed in the European barn owl (Tyto alba) using population genetic tools. The colour cline spans from south-est Europe where most individual have pure white underparts to north and east Europe where most individuals have rufous-brown underparts. Our results globally showed that the old scenario, stipulating that the color cline evolved by secondary contact of two color morphs (white and rufous) that evolved in allopatry during the last ice age has to be revised. We collected samples of about 700 barn owls from the Western Palearctic to establish the first population genetic data set for this species. Individuals were genotyped at 22 microsatellites markers, at one mitochondrial gene, and at a candidate color gene. The color of each individuals was assessed and their sex determined by molecular methods. We first showed that the genetic variation in Western Europe is very limited compared to the heritable color variation. We found no evidences of different glacial lineages, and showed that selection must be involved in the maintenance of the color cline (chapter 1). Using computer simulations, we demonstrated that the post-glacial colonization of Europe occurred from the Iberian Peninsula and that the color cline could not have evolved by neutral demographic processes during this colonization (chapter 2). Finally we reevaluated the whole history of the establishment of the Western Palearctic variation of the barn owl (chapter 3): This study showed that all Western European barn owls descend from white barn owls phenotypes from the Middle East that colonized the Iberian Peninsula via North-Africa. Following the end of the last ice age (20'000 years ago), these white barn owls colonized Western Europe and under selection a novel rufous phenotype evolved (during or after the colonization). An important part of the color variation could be explained by a single mutation in the melanocortin-1-receptor (MC1R) gene that appeared during or after the colonization. The colonization of Europe reached until Greece, where the rufous birds encountered white ones (which reached Greece from the Middle East over the Bosporus) in a secondary contact zone. Our analyses show that white and rufous barn owls in Greece interbreed only to a limited extent. This suggests that barn owls are at the verge of becoming two species in Greece and demonstrates that European barn owls represent an incipient ring species around the Mediterranean. The revisited history of the establishment of the European barn owl color cline makes this model system remarkable for several aspects. It is a very clear example of strong local adaptation that can be achieved despite high gene flow (strong color and MC1R differentiation despite almost no neutral genetic differentiation). It also offers a wonderful model system to study the interactions between colonization processes and selection processes which have, for now, been remarkably understudied despite their potentially ubiquitous importance. Finally it represents a very interesting case in the speciation continuum and appeals for further studying the amount of gene flow that occurs between the color morphs in Greece. -- Sur l'échelle des temps géologiques, les conditions sur terre sont très variables et les patrons biologiques (telle que la distribution des espèces) sont très dynamiques. Si l'on veut comprendre des patrons que l'on peut observer à large échelle aujourd'hui, il est nécessaire de d'abord comprendre les facteurs historiques qui ont gouverné leur établissement. Dans cette thèse, nous allons réévaluer, grâce à des outils modernes de génétique des populations, l'évolution et la maintenance d'un cline de couleur continental observé chez l'effraie des clochers européenne (Tyto alba). Globalement, nos résultats montrent que le scenario accepté jusqu'à maintenant, qui stipule que le cline de couleur a évolué à partir du contact secondaire de deux morphes de couleur (blanches et rousses) ayant évolué en allopatrie durant les dernières glaciations, est à revoir. Afin de constituer le premier jeu de données de génétique des populations pour cette espèce, nous avons récolté des échantillons d'environ 700 effraies de l'ouest Paléarctique. Nous avons génotypé tous les individus à 22 loci microsatellites, sur un gène mitochondrial et sur un autre gène participant au déterminisme de la couleur. Nous avons aussi mesuré la couleur de tous les individus et déterminé leur sexe génétiquement. Nous avons tout d'abord pu montrer que la variation génétique neutre est négligeable en comparaison avec la variation héritable de couleur, qu'il n'existe qu'une seule lignée européenne et que de la sélection doit être impliquée dans le maintien du cline de couleur (chapitre 1). Grâce à des simulations informatiques, nous avons démontré que l'ensemble de l'Europe de l'ouest a été recolonisé depuis la Péninsule Ibérique après les dernières glaciations et que le cline de couleur ne peut pas avoir évolué par des processus neutre durant cette colonisation (chapitre 2). Finalement, nous avons réévalué l'ensemble de l'histoire postglaciaire de l'espèce dans l'ouest Paléarctique (chapitre 3): l'ensemble des effraies du Paléarctique descendent d'effraie claire du Moyen-Orient qui ont colonisé la péninsule ibérique en passant par l'Afrique du nord. Après la fin de la dernière glaciation (il y a 20'000 ans), ces effraies claires ont colonisé l'Europe de l'ouest et ont évolués par sélection le phénotype roux (durant ou après la colonisation). Une part importante de la variation de couleur peut être expliquée par une mutation sur le gène MC1R qui est apparue durant ou juste après la colonisation. Cette vague de colonisation s'est poursuivie jusqu'en Grèce où ces effraies rousses ont rencontré dans une zone de contact secondaire des effraies claires (qui sont remontées en Grèce depuis le Moyen-Orient via le Bosphore). Nos analyses montrent que le flux de gènes entre effraies blanches et rousses est limité en Grèce, ce qui suggère qu'elles sont en passe de former deux espèces et ce qui montre que les effraies constituent un exemple naissant de spéciation en anneaux autour de la Méditerranée. L'histoire revisitée des effraies des clochers de l'ouest Paléarctique en fait un système modèle remarquable pour plusieurs aspects. C'est un exemple très claire de forte adaptation locale maintenue malgré un fort flux de gènes (différenciation forte de couleur et sur le gène MC1R malgré presque aucune structure neutre). Il offre également un très bon système pour étudier l'interaction entre colonisation et sélection, un thème ayant été remarquablement peu étudié malgré son importance. Et il offre finalement un cas très intéressant dans le « continuum de spéciation » et il serait très intéressant d'étudier plus en détail l'importance du flux de gènes entre les morphes de couleur en Grèce.

Mass effects mediate coexistence in competing shrews.

Recent developments in metacommunity theory have raised awareness that processes occurring at regional scales might interfere with local dynamics and affect conditions for the local coexistence of competing species. Four main paradigms are recognized in this context (namely, neutral, patch-dynamics, species-sorting, and mass-effect), which differ according to the role assigned to ecological or life-history differences among competing species, as well as to the relative time scale of regional vs. local dynamics. We investigated the patterns of regional and local coexistence of two species of shrews (Crocidura russula and Sorex coronatus) sharing a similar diet (generalist insectivores) over four generations, in a spatially structured habitat at the altitudinal limit of their distributions. Local populations were small, and regional dynamics were strong, with high rates of extinction and recolonization. Niche analysis revealed significant habitat differentiation on a few important variables, including temperature and availability of winter resting sites. In sites suitable for both species, we found instances of local coexistence with no evidence of competitive exclusion. Patterns of temporal succession did not differ from random, with no suggestion of a colonization-competition trade-off. Altogether, our data provide support for the mass-effect paradigm, where regional coexistence is mediated by specialization on different habitat types, and local coexistence by rescue effects from source sites. The strong regional dynamics and demographic stochasticity, together with high dispersal rates, presumably contributed to mass effects by overriding local differences in specific competitive abilities.

Hybrid Multiscale Finite Volume method for two-phase flow in porous media

We present a novel hybrid (or multiphysics) algorithm, which couples pore-scale and Darcy descriptions of two-phase flow in porous media. The flow at the pore-scale is described by the Navier?Stokes equations, and the Volume of Fluid (VOF) method is used to model the evolution of the fluid?fluid interface. An extension of the Multiscale Finite Volume (MsFV) method is employed to construct the Darcy-scale problem. First, a set of local interpolators for pressure and velocity is constructed by solving the Navier?Stokes equations; then, a coarse mass-conservation problem is constructed by averaging the pore-scale velocity over the cells of a coarse grid, which act as control volumes; finally, a conservative pore-scale velocity field is reconstructed and used to advect the fluid?fluid interface. The method relies on the localization assumptions used to compute the interpolators (which are quite straightforward extensions of the standard MsFV) and on the postulate that the coarse-scale fluxes are proportional to the coarse-pressure differences. By numerical simulations of two-phase problems, we demonstrate that these assumptions provide hybrid solutions that are in good agreement with reference pore-scale solutions and are able to model the transition from stable to unstable flow regimes. Our hybrid method can naturally take advantage of several adaptive strategies and allows considering pore-scale fluxes only in some regions, while Darcy fluxes are used in the rest of the domain. Moreover, since the method relies on the assumption that the relationship between coarse-scale fluxes and pressure differences is local, it can be used as a numerical tool to investigate the limits of validity of Darcy's law and to understand the link between pore-scale quantities and their corresponding Darcy-scale variables.

Fast subplasma membrane Ca2+ transients control exo-endocytosis of synaptic-like microvesicles in astrocytes

Astrocytes are the most abundant glial cell type in the brain. Although not apposite for long-range rapid electrical communication, astrocytes share with neurons the capacity of chemical signaling via Ca(2+)-dependent transmitter exocytosis. Despite this recent finding, little is known about the specific properties of regulated secretion and vesicle recycling in astrocytes. Important differences may exist with the 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 Ca(2+) 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 here take advantage of fluorescent tools recently developed for studying recycling of glutamatergic vesicles at synapses (Voglmaier et al., 2006; Balaji and Ryan, 2007); we combine epifluorescence and total internal reflection fluorescence imaging to investigate with unprecedented temporal and spatial resolution, the stimulus-secretion coupling underlying exo-endocytosis of glutamatergic synaptic-like microvesicles (SLMVs) in astrocytes. Our main findings indicate that (1) exo-endocytosis in astrocytes proceeds with a time course on the millisecond time scale (tau(exocytosis) = 0.24 +/- 0.017 s; tau(endocytosis) = 0.26 +/- 0.03 s) and (2) exocytosis is controlled by local Ca(2+) microdomains. We identified submicrometer cytosolic compartments delimited by endoplasmic reticulum tubuli reaching beneath the plasma membrane and containing SLMVs at which fast (time-to-peak, approximately 50 ms) Ca(2+) events occurred in precise spatial-temporal correlation with exocytic fusion events. Overall, the above characteristics of transmitter exocytosis from astrocytes support a role of this process in fast synaptic modulation.

Recent Progress and Perspectives in Digital Holographic Microscopy

Digital Holographic Microscopy (DHM), is a new imaging technique allowing to provide quantitative phase images with a high accuracy and stability making possible to explore a large variety of relevant processes, occurring on the p.s to day time scale, in the fields including material research as well as cell biology. As a non invasive and real time imaging technique, DHM is particularly well suited for high throughput screening