Estimation of jump-diffusion processes via empirical characteristic functions

Preface The starting point for this work and eventually the subject of the whole thesis was the question: how to estimate parameters of the affine stochastic volatility jump-diffusion models. These models are very important for contingent claim pricing. Their major advantage, availability T of analytical solutions for characteristic functions, made them the models of choice for many theoretical constructions and practical applications. At the same time, estimation of parameters of stochastic volatility jump-diffusion models is not a straightforward task. The problem is coming from the variance process, which is non-observable. There are several estimation methodologies that deal with estimation problems of latent variables. One appeared to be particularly interesting. It proposes the estimator that in contrast to the other methods requires neither discretization nor simulation of the process: the Continuous Empirical Characteristic function estimator (EGF) based on the unconditional characteristic function. However, the procedure was derived only for the stochastic volatility models without jumps. Thus, it has become the subject of my research. This thesis consists of three parts. Each one is written as independent and self contained article. At the same time, questions that are answered by the second and third parts of this Work arise naturally from the issues investigated and results obtained in the first one. The first chapter is the theoretical foundation of the thesis. It proposes an estimation procedure for the stochastic volatility models with jumps both in the asset price and variance processes. The estimation procedure is based on the joint unconditional characteristic function for the stochastic process. The major analytical result of this part as well as of the whole thesis is the closed form expression for the joint unconditional characteristic function for the stochastic volatility jump-diffusion models. The empirical part of the chapter suggests that besides a stochastic volatility, jumps both in the mean and the volatility equation are relevant for modelling returns of the S&P500 index, which has been chosen as a general representative of the stock asset class. Hence, the next question is: what jump process to use to model returns of the S&P500. The decision about the jump process in the framework of the affine jump- diffusion models boils down to defining the intensity of the compound Poisson process, a constant or some function of state variables, and to choosing the distribution of the jump size. While the jump in the variance process is usually assumed to be exponential, there are at least three distributions of the jump size which are currently used for the asset log-prices: normal, exponential and double exponential. The second part of this thesis shows that normal jumps in the asset log-returns should be used if we are to model S&P500 index by a stochastic volatility jump-diffusion model. This is a surprising result. Exponential distribution has fatter tails and for this reason either exponential or double exponential jump size was expected to provide the best it of the stochastic volatility jump-diffusion models to the data. The idea of testing the efficiency of the Continuous ECF estimator on the simulated data has already appeared when the first estimation results of the first chapter were obtained. In the absence of a benchmark or any ground for comparison it is unreasonable to be sure that our parameter estimates and the true parameters of the models coincide. The conclusion of the second chapter provides one more reason to do that kind of test. Thus, the third part of this thesis concentrates on the estimation of parameters of stochastic volatility jump- diffusion models on the basis of the asset price time-series simulated from various "true" parameter sets. The goal is to show that the Continuous ECF estimator based on the joint unconditional characteristic function is capable of finding the true parameters. And, the third chapter proves that our estimator indeed has the ability to do so. Once it is clear that the Continuous ECF estimator based on the unconditional characteristic function is working, the next question does not wait to appear. The question is whether the computation effort can be reduced without affecting the efficiency of the estimator, or whether the efficiency of the estimator can be improved without dramatically increasing the computational burden. The efficiency of the Continuous ECF estimator depends on the number of dimensions of the joint unconditional characteristic function which is used for its construction. Theoretically, the more dimensions there are, the more efficient is the estimation procedure. In practice, however, this relationship is not so straightforward due to the increasing computational difficulties. The second chapter, for example, in addition to the choice of the jump process, discusses the possibility of using the marginal, i.e. one-dimensional, unconditional characteristic function in the estimation instead of the joint, bi-dimensional, unconditional characteristic function. As result, the preference for one or the other depends on the model to be estimated. Thus, the computational effort can be reduced in some cases without affecting the efficiency of the estimator. The improvement of the estimator s efficiency by increasing its dimensionality faces more difficulties. The third chapter of this thesis, in addition to what was discussed above, compares the performance of the estimators with bi- and three-dimensional unconditional characteristic functions on the simulated data. It shows that the theoretical efficiency of the Continuous ECF estimator based on the three-dimensional unconditional characteristic function is not attainable in practice, at least for the moment, due to the limitations on the computer power and optimization toolboxes available to the general public. Thus, the Continuous ECF estimator based on the joint, bi-dimensional, unconditional characteristic function has all the reasons to exist and to be used for the estimation of parameters of the stochastic volatility jump-diffusion models.

Valuing equity-linked death benefits in jump diffusion models

The paper is motivated by the valuation problem of guaranteed minimum death benefits in various equity-linked products. At the time of death, a benefit payment is due. It may depend not only on the price of a stock or stock fund at that time, but also on prior prices. The problem is to calculate the expected discounted value of the benefit payment. Because the distribution of the time of death can be approximated by a combination of exponential distributions, it suffices to solve the problem for an exponentially distributed time of death. The stock price process is assumed to be the exponential of a Brownian motion plus an independent compound Poisson process whose upward and downward jumps are modeled by combinations (or mixtures) of exponential distributions. Results for exponential stopping of a Lévy process are used to derive a series of closed-form formulas for call, put, lookback, and barrier options, dynamic fund protection, and dynamic withdrawal benefit with guarantee. We also discuss how barrier options can be used to model lapses and surrenders.

THE USE OF SIMULATIONS IN EVOLUTIONARY POPULATION GENETICS: APPLICATIONS ON HUMANS, OWLS AND VIRTUAL ORGANISMS

Summary (in English) Computer simulations provide a practical way to address scientific questions that would be otherwise intractable. In evolutionary biology, and in population genetics in particular, the investigation of evolutionary processes frequently involves the implementation of complex models, making simulations a particularly valuable tool in the area. In this thesis work, I explored three questions involving the geographical range expansion of populations, taking advantage of spatially explicit simulations coupled with approximate Bayesian computation. First, the neutral evolutionary history of the human spread around the world was investigated, leading to a surprisingly simple model: A straightforward diffusion process of migrations from east Africa throughout a world map with homogeneous landmasses replicated to very large extent the complex patterns observed in real human populations, suggesting a more continuous (as opposed to structured) view of the distribution of modern human genetic diversity, which may play a better role as a base model for further studies. Second, the postglacial evolution of the European barn owl, with the formation of a remarkable coat-color cline, was inspected with two rounds of simulations: (i) determine the demographic background history and (ii) test the probability of a phenotypic cline, like the one observed in the natural populations, to appear without natural selection. We verified that the modern barn owl population originated from a single Iberian refugium and that they formed their color cline, not due to neutral evolution, but with the necessary participation of selection. The third and last part of this thesis refers to a simulation-only study inspired by the barn owl case above. In this chapter, we showed that selection is, indeed, effective during range expansions and that it leaves a distinguished signature, which can then be used to detect and measure natural selection in range-expanding populations. Résumé (en français) Les simulations fournissent un moyen pratique pour répondre à des questions scientifiques qui seraient inabordable autrement. En génétique des populations, l'étude des processus évolutifs implique souvent la mise en oeuvre de modèles complexes, et les simulations sont un outil particulièrement précieux dans ce domaine. Dans cette thèse, j'ai exploré trois questions en utilisant des simulations spatialement explicites dans un cadre de calculs Bayésiens approximés (approximate Bayesian computation : ABC). Tout d'abord, l'histoire de la colonisation humaine mondiale et de l'évolution de parties neutres du génome a été étudiée grâce à un modèle étonnement simple. Un processus de diffusion des migrants de l'Afrique orientale à travers un monde avec des masses terrestres homogènes a reproduit, dans une très large mesure, les signatures génétiques complexes observées dans les populations humaines réelles. Un tel modèle continu (opposé à un modèle structuré en populations) pourrait être très utile comme modèle de base dans l'étude de génétique humaine à l'avenir. Deuxièmement, l'évolution postglaciaire d'un gradient de couleur chez l'Effraie des clocher (Tyto alba) Européenne, a été examiné avec deux séries de simulations pour : (i) déterminer l'histoire démographique de base et (ii) tester la probabilité qu'un gradient phénotypique, tel qu'observé dans les populations naturelles puisse apparaître sans sélection naturelle. Nous avons montré que la population actuelle des chouettes est sortie d'un unique refuge ibérique et que le gradient de couleur ne peux pas s'être formé de manière neutre (sans l'action de la sélection naturelle). La troisième partie de cette thèse se réfère à une étude par simulations inspirée par l'étude de l'Effraie. Dans ce dernier chapitre, nous avons montré que la sélection est, en effet, aussi efficace dans les cas d'expansion d'aire de distribution et qu'elle laisse une signature unique, qui peut être utilisée pour la détecter et estimer sa force.

Nucleation and growth of metamorphic minerals in contact aureoles

THESIS ABSTRACT Nucleation and growth of metamorphic minerals are the consequence of changing P-T-X-conditions. The thesis presented here focuses on processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments using a combination of geochemical analytics (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data, and numerical models. It is shown, that a combination of textural modeling and stable isotope analysis allows a distinction between several possible reaction paths for olivine growth in a siliceous dolomite contact aureole. It is suggested that olivine forms directly from dolomite and quartz. The formation of olivine from this metastable reaction implies metamorphic crystallization far from equilibrium. As a major consequence, the spatial distribution of metamorphic mineral assemblages in a contact aureole cannot be interpreted as a proxy for the temporal evolution of a single rock specimen, because each rock undergoes a different reaction path, depending on temperature, heating rate, and fluid-infiltration rate. A detailed calcite-dolomite thermometry study was initiated on multiple scales ranging from aureole scale to the size of individual crystals. Quantitative forward models were developed to evaluate the effect of growth zoning, volume diffusion and the formation of submicroscopic exsolution lamellae (<1 µm) on the measured Mg-distribution in individual calcite crystals and compare the modeling results to field data. This study concludes that Mg-distributions in calcite grains of the Ubehebe Peak contact aureole are the consequence of rapid crystal growth in combination with diffusion and exsolution. The crystallization history of a rock is recorded in the chemical composition, the size and the distribution of its minerals. Near the Cima Uzza summit, located in the southern Adamello massif (Italy), contact metamorphic brucite bearing dolomite marbles are exposed as xenoliths surrounded by mafic intrusive rocks. Brucite is formed retrograde pseudomorphing spherical periclase crystals. Crystal size distributions (CSD's) of brucite pseudomorphs are presented for two profiles and combined with geochemistry data and petrological information. Textural analyses are combined with geochemistry data in a qualitative model that describes the formation periclase. As a major outcome, this expands the potential use of CSD's to systems of mineral formation driven by fluid-infiltration. RESUME DE LA THESE La nucléation et la croissance des minéraux métamorphiques sont la conséquence de changements des conditions de pression, température et composition chimique du système (PT-X). Cette thèse s'intéresse aux processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux au cours d'un épisode de métamorphisme de contact, en utilisant la géochimie analytique (composition chimique, isotopique et en éléments traces), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique. Il est montré que la combinaison d'un modèle textural avec des analyses en isotopes stables permet de distinguer plusieurs chemins de réactions possibles conduisant à la croissance de l'olivine dans une auréole de contact riche en Silice et dolomite. Il est suggéré que l'olivine se forme directement à partir de la dolomie et du quartz. Cette réaction métastable de formation de l'olivine implique une cristallisation métamorphique loin de l'équilibre. La principale conséquence est que la distribution spatiale des assemblages de minéraux métamorphiques dans une auréole de contact ne peut pas être considérée comme un témoin de l'évolution temporelle d'un type de roche donné, puisque chaque type de roche suit différents chemins de réactions, en fonction de la température, la vitesse de réchauffement et le taux d'infiltration du fluide. Une étude thermométrique calcite-dolomite détaillée a été réalisée à diverses échelles, depuis l'échelle de l'auréole de contact jusqu'à l'échelle du cristal. Des modèles numériques quantitatifs ont été développés pour évaluer l'effet des zonations de croissance, de la diffusion volumique et de la formation de lamelles d'exsolution submicroscopiques (<1µm) sur la distribution du magnésium mesuré dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats de ce modèle ont été comparés ä des échantillons naturels. Cette étude montre que la distribution du Mg dans les grains de calcite de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA) résulte d'une croissance cristalline rapide, associée aux processus de diffusion et d'exsolution. L'histoire de cristallisation d'une roche est enregistrée dans la composition chimique, la taille et la distribution de ses minéraux. Près du sommet Cima Uzza situé au sud du massif d'Adamello (Italie), des marbres dolomitiques à brucite du métamorphisme de contact forment des xénolithes dans une intrusion mafique. La brucite constitue des pseudomorphes rétrogrades du périclase. Les distributions de taille des cristaux (CSD) des pseudomorphes de brucite sont présentées pour deux profiles et sont combinées aux données géochimiques et pétrologiques. Les analyses textorales sont combinées aux données géochimiques dans un modèle qualitatif qui décrit la formation du périclase. Ceci élargit l'utilisation potentielle de la C5D aux systèmes de formation de minéraux controlés par les infiltrations fluides. THESIS ABSTRACT (GENERAL PUBLIC) Rock textures are essentially the result of a complex interaction of nucleation, growth and deformation as a function of changing physical conditions such as pressure and temperature. Igneous and metamorphic textures are especially attractive to study the different mechanisms of texture formation since most of the parameters like pressure-temperature-paths are quite well known for a variety of geological settings. The fact that textures are supposed to record the crystallization history of a rock traditionally allowed them to be used for geothermobarometry or dating. During the last decades the focus of metamorphic petrology changed from a static point of view, i.e. the representation of a texture as one single point in the petrogenetic grid towards a more dynamic view, where multiple metamorphic processes govern the texture formation, including non-equilibrium processes. This thesis tries to advance our understanding on the processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments and their dynamic interplay by using a combination of geochemical analyses (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data and numerical models. In a first part the thesis describes the formation of metamorphic olivine porphyroblast in the Ubehebe Peak contact aureole (USA). It is shown that not the commonly assumed succession of equilibrium reactions along a T-t-path formed the textures present in the rocks today, but rather the presence of a meta-stable reaction is responsible for forming the olivine porphyroblast. Consequently, the spatial distribution of metamorphic minerals within a contact aureole can no longer be regarded as a proxy for the temporal evolution of a single rock sample. Metamorphic peak temperatures for samples of the Ubehebe Peak contact aureole were determined using calcite-dolomite. This geothermometer is based on the temperature-dependent exchange of Mg between calcite and dolomite. The purpose of the second part of this thesis was to explain the interfering systematic scatter of measured Mg-content on different scales and thus to clarify the interpretation of metamorphic temperatures recorded in carbonates. Numerical quantitative forward models are used to evaluate the effect of several processes on the distribution of magnesium in individual calcite crystals and the modeling results were then compared to measured field. Information about the crystallization history is not only recorded in the chemical composition of grains, like isotope composition or mineral zoning. Crystal size distributions (CSD's) provide essential information about the complex interaction of nucleation and growth of minerals. CSD's of brucite pseudomorphs formed retrograde after periclase of the southern Adamello massif (Italy) are presented. A combination of the textural 3D-information with geochemistry data is then used to evaluate reaction kinetics and to constrain the actual reaction mechanism for the formation of periclase. The reaction is shown to be the consequence of the infiltration of a limited amount of a fluid phase at high temperatures. The composition of this fluid phase is in large disequilibrium with the rest of the rock resulting in very fast reaction rates. RESUME DE LA THESE POUR LE GRAND PUBLIC: La texture d'une roche résulte de l'interaction complexe entre les processus de nucléation, croissance et déformation, en fonction des variations de conditions physiques telles que la pression et la température. Les textures ignées et métamorphiques présentent un intérêt particulier pour l'étude des différents mécanismes à l'origine de ces textures, puisque la plupart des paramètres comme les chemin pression-température sont relativement bien contraints dans la plupart des environnements géologiques. Le fait que les textures soient supposées enregistrer l'histoire de cristallisation des roches permet leur utilisation pour la datation et la géothermobarométrie. Durant les dernières décennies, la recherche en pétrologie métamorphique a évolué depuis une visualisation statique, c'est-à-dire qu'une texture donnée correspondait à un point unique de la grille pétrogénétique, jusqu'à une visualisation plus dynamique, où les multiples processus métamorphiques qui gouvernent 1a formation d'une texture incluent des processus hors équilibre. Cette thèse a pour but d'améliorer les connaissances actuelles sur les processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux lors d'épisodes de métamorphisme de contact et l'interaction dynamique existant entre nucléation et croissance. Pour cela, les analyses géochimiques (compositions chimiques en éléments majeurs et traces et composition isotopique), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique ont été combinés. Dans la première partie, cette thèse décrit la formation de porphyroblastes d'olivine métamorphique dans l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA). Il est montré que la succession généralement admise des réactions d'équilibre le long d'un chemin T-t ne peut pas expliquer les textures présentes dans les roches aujourd'hui. Cette thèse montre qu'il s'agirait plutôt d'une réaction métastable qui soit responsable de la formation des porphyroblastes d'olivine. En conséquence, la distribution spatiale des minéraux métamorphiques dans l'auréole de contact ne peut plus être interprétée comme le témoin de l'évolution temporelle d'un échantillon unique de roche. Les pics de température des échantillons de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak ont été déterminés grâce au géothermomètre calcite-dolomite. Celui-ci est basé sur l'échange du magnésium entre la calcite et la dolomite, qui est fonction de la température. Le but de la deuxième partie de cette thèse est d'expliquer la dispersion systématique de la composition en magnésium à différentes échelles, et ainsi d'améliorer l'interprétation des températures du métamorphisme enregistrées dans les carbonates. Des modèles numériques quantitatifs ont permis d'évaluer le rôle de différents processus sur la distribution du magnésium dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats des modèles ont été comparés aux échantillons naturels. La composition chimique des grains, comme la composition isotopique ou la zonation minérale, n'est pas le seul témoin de l'histoire de la cristallisation. La distribution de la taille des cristaux (CSD) fournit des informations essentielles sur les interactions entre nucléation et croissance des minéraux. La CSD des pseudomorphes de brucite retrograde formés après le périclase dans le sud du massif Adamello (Italie) est présentée dans la troisième partie. La combinaison entre les données textorales en trois dimensions et les données géochimiques a permis d'évaluer les cinétiques de réaction et de contraindre les mécanismes conduisant à la formation du périclase. Cette réaction est présentée comme étant la conséquence de l'infiltration d'une quantité limitée d'une phase fluide à haute température. La composition de cette phase fluide est en grand déséquilibre avec le reste de la roche, ce qui permet des cinétiques de réactions très rapides.

Modeling and mitigation of supply-demand mismatches

In this thesis, I develop analytical models to price the value of supply chain investments under demand uncer¬tainty. This thesis includes three self-contained papers. In the first paper, we investigate the value of lead-time reduction under the risk of sudden and abnormal changes in demand forecasts. We first consider the risk of a complete and permanent loss of demand. We then provide a more general jump-diffusion model, where we add a compound Poisson process to a constant-volatility demand process to explore the impact of sudden changes in demand forecasts on the value of lead-time reduction. We use an Edgeworth series expansion to divide the lead-time cost into that arising from constant instantaneous volatility, and that arising from the risk of jumps. We show that the value of lead-time reduction increases substantially in the intensity and/or the magnitude of jumps. In the second paper, we analyze the value of quantity flexibility in the presence of supply-chain dis- intermediation problems. We use the multiplicative martingale model and the "contracts as reference points" theory to capture both positive and negative effects of quantity flexibility for the downstream level in a supply chain. We show that lead-time reduction reduces both supply-chain disintermediation problems and supply- demand mismatches. We furthermore analyze the impact of the supplier's cost structure on the profitability of quantity-flexibility contracts. When the supplier's initial investment cost is relatively low, supply-chain disin¬termediation risk becomes less important, and hence the contract becomes more profitable for the retailer. We also find that the supply-chain efficiency increases substantially with the supplier's ability to disintermediate the chain when the initial investment cost is relatively high. In the third paper, we investigate the value of dual sourcing for the products with heavy-tailed demand distributions. We apply extreme-value theory and analyze the effects of tail heaviness of demand distribution on the optimal dual-sourcing strategy. We find that the effects of tail heaviness depend on the characteristics of demand and profit parameters. When both the profit margin of the product and the cost differential between the suppliers are relatively high, it is optimal to buffer the mismatch risk by increasing both the inventory level and the responsive capacity as demand uncertainty increases. In that case, however, both the optimal inventory level and the optimal responsive capacity decrease as the tail of demand becomes heavier. When the profit margin of the product is relatively high, and the cost differential between the suppliers is relatively low, it is optimal to buffer the mismatch risk by increasing the responsive capacity and reducing the inventory level as the demand uncertainty increases. In that case, how¬ever, it is optimal to buffer with more inventory and less capacity as the tail of demand becomes heavier. We also show that the optimal responsive capacity is higher for the products with heavier tails when the fill rate is extremely high.

Policy Diffusion: An Agent-Based Approach

Methods like Event History Analysis can show the existence of diffusion and part of its nature, but do not study the process itself. Nowadays, thanks to the increasing performance of computers, processes can be studied using computational modeling. This thesis presents an agent-based model of policy diffusion mainly inspired from the model developed by Braun and Gilardi (2006). I first start by developing a theoretical framework of policy diffusion that presents the main internal drivers of policy diffusion - such as the preference for the policy, the effectiveness of the policy, the institutional constraints, and the ideology - and its main mechanisms, namely learning, competition, emulation, and coercion. Therefore diffusion, expressed by these interdependencies, is a complex process that needs to be studied with computational agent-based modeling. In a second step, computational agent-based modeling is defined along with its most significant concepts: complexity and emergence. Using computational agent-based modeling implies the development of an algorithm and its programming. When this latter has been developed, we let the different agents interact. Consequently, a phenomenon of diffusion, derived from learning, emerges, meaning that the choice made by an agent is conditional to that made by its neighbors. As a result, learning follows an inverted S-curve, which leads to partial convergence - global divergence and local convergence - that triggers the emergence of political clusters; i.e. the creation of regions with the same policy. Furthermore, the average effectiveness in this computational world tends to follow a J-shaped curve, meaning that not only time is needed for a policy to deploy its effects, but that it also takes time for a country to find the best-suited policy. To conclude, diffusion is an emergent phenomenon from complex interactions and its outcomes as ensued from my model are in line with the theoretical expectations and the empirical evidence.Les méthodes d'analyse de biographie (event history analysis) permettent de mettre en évidence l'existence de phénomènes de diffusion et de les décrire, mais ne permettent pas d'en étudier le processus. Les simulations informatiques, grâce aux performances croissantes des ordinateurs, rendent possible l'étude des processus en tant que tels. Cette thèse, basée sur le modèle théorique développé par Braun et Gilardi (2006), présente une simulation centrée sur les agents des phénomènes de diffusion des politiques. Le point de départ de ce travail met en lumière, au niveau théorique, les principaux facteurs de changement internes à un pays : la préférence pour une politique donnée, l'efficacité de cette dernière, les contraintes institutionnelles, l'idéologie, et les principaux mécanismes de diffusion que sont l'apprentissage, la compétition, l'émulation et la coercition. La diffusion, définie par l'interdépendance des différents acteurs, est un système complexe dont l'étude est rendue possible par les simulations centrées sur les agents. Au niveau méthodologique, nous présenterons également les principaux concepts sous-jacents aux simulations, notamment la complexité et l'émergence. De plus, l'utilisation de simulations informatiques implique le développement d'un algorithme et sa programmation. Cette dernière réalisée, les agents peuvent interagir, avec comme résultat l'émergence d'un phénomène de diffusion, dérivé de l'apprentissage, où le choix d'un agent dépend en grande partie de ceux faits par ses voisins. De plus, ce phénomène suit une courbe en S caractéristique, poussant à la création de régions politiquement identiques, mais divergentes au niveau globale. Enfin, l'efficacité moyenne, dans ce monde simulé, suit une courbe en J, ce qui signifie qu'il faut du temps, non seulement pour que la politique montre ses effets, mais également pour qu'un pays introduise la politique la plus efficace. En conclusion, la diffusion est un phénomène émergent résultant d'interactions complexes dont les résultats du processus tel que développé dans ce modèle correspondent tant aux attentes théoriques qu'aux résultats pratiques.

La pratique basée sur les résultats probants. Partie 2: Les étapes du processus [Evidence-based practice: Part 2: Steps in the process].

Evidence-based (EBP) aims for a new distribution of power centered on scientific evidence rather than clinical expertise. The present article describes the operational process of EBP by describing the implementation stages of this type of practise. This stage presentation is essential given that there are many conceptions end models of EBP and that some nurses have a limited knowledge of its rules ans implications. Given that number and formulation of the stages varies by author, the process presented here attempts to integrate the different stages reviewed.

Simulation of stromatolite growth using diffusion-limited aggregation and a discrete model of biogeochemical exchanges in microbial mat

Resume : Mieux comprendre les stromatolithes et les tapis microbiens est un sujet important en biogéosciences puisque cela aide à l'étude des premières formes de vie sur Terre, a mieux cerner l'écologie des communautés microbiennes et la contribution des microorganismes a la biominéralisation, et même à poser certains fondements dans les recherches en exobiologie. D'autre part, la modélisation est un outil puissant utilisé dans les sciences naturelles pour appréhender différents phénomènes de façon théorique. Les modèles sont généralement construits sur un système d'équations différentielles et les résultats sont obtenus en résolvant ce système. Les logiciels disponibles pour implémenter les modèles incluent les logiciels mathématiques et les logiciels généraux de simulation. L'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles et des logiciels pour aider a comprendre, via la simulation, le fonctionnement des stromatolithes et des tapis microbiens. Ces logiciels ont été développés en C++ en ne partant d'aucun pré-requis de façon a privilégier performance et flexibilité maximales. Cette démarche permet de construire des modèles bien plus spécifiques et plus appropriés aux phénomènes a modéliser. Premièrement, nous avons étudié la croissance et la morphologie des stromatolithes. Nous avons construit un modèle tridimensionnel fondé sur l'agrégation par diffusion limitée. Le modèle a été implémenté en deux applications C++: un moteur de simulation capable d'exécuter un batch de simulations et de produire des fichiers de résultats, et un outil de visualisation qui permet d'analyser les résultats en trois dimensions. Après avoir vérifié que ce modèle peut en effet reproduire la croissance et la morphologie de plusieurs types de stromatolithes, nous avons introduit un processus de sédimentation comme facteur externe. Ceci nous a mené a des résultats intéressants, et permis de soutenir l'hypothèse que la morphologie des stromatolithes pourrait être le résultat de facteurs externes autant que de facteurs internes. Ceci est important car la classification des stromatolithes est généralement fondée sur leur morphologie, imposant que la forme d'un stromatolithe est dépendante de facteurs internes uniquement (c'est-à-dire les tapis microbiens). Les résultats avancés dans ce mémoire contredisent donc ces assertions communément admises. Ensuite, nous avons décidé de mener des recherches plus en profondeur sur les aspects fonctionnels des tapis microbiens. Nous avons construit un modèle bidimensionnel de réaction-diffusion fondé sur la simulation discrète. Ce modèle a été implémenté dans une application C++ qui permet de paramétrer et exécuter des simulations. Nous avons ensuite pu comparer les résultats de simulation avec des données du monde réel et vérifier que le modèle peut en effet imiter le comportement de certains tapis microbiens. Ainsi, nous avons pu émettre et vérifier des hypothèses sur le fonctionnement de certains tapis microbiens pour nous aider à mieux en comprendre certains aspects, comme la dynamique des éléments, en particulier le soufre et l'oxygène. En conclusion, ce travail a abouti à l'écriture de logiciels dédiés à la simulation de tapis microbiens d'un point de vue tant morphologique que fonctionnel, suivant deux approches différentes, l'une holistique, l'autre plus analytique. Ces logiciels sont gratuits et diffusés sous licence GPL (General Public License). Abstract : Better understanding of stromatolites and microbial mats is an important topic in biogeosciences as it helps studying the early forms of life on Earth, provides clues re- garding the ecology of microbial ecosystems and their contribution to biomineralization, and gives basis to a new science, exobiology. On the other hand, modelling is a powerful tool used in natural sciences for the theoretical approach of various phenomena. Models are usually built on a system of differential equations and results are obtained by solving that system. Available software to implement models includes mathematical solvers and general simulation software. The main objective of this thesis is to develop models and software able to help to understand the functioning of stromatolites and microbial mats. Software was developed in C++ from scratch for maximum performance and flexibility. This allows to build models much more specific to a phenomenon rather than general software. First, we studied stromatolite growth and morphology. We built a three-dimensional model based on diffusion-limited aggregation. The model was implemented in two C++ applications: a simulator engine, which can run a batch of simulations and produce result files, and a Visualization tool, which allows results to be analysed in three dimensions. After verifying that our model can indeed reproduce the growth and morphology of several types of stromatolites, we introduced a sedimentation process as an external factor. This lead to interesting results, and allowed to emit the hypothesis that stromatolite morphology may be the result of external factors as much as internal factors. This is important as stromatolite classification is usually based on their morphology, imposing that a stromatolite shape is dependant on internal factors only (i.e. the microbial mat). This statement is contradicted by our findings, Second, we decided to investigate deeper the functioning of microbial mats, We built a two-dimensional reaction-diffusion model based on discrete simulation, The model was implemented in a C++ application that allows setting and running simulations. We could then compare simulation results with real world data and verify that our model can indeed mimic the behaviour of some microbial mats. Thus, we have proposed and verified hypotheses regarding microbial mats functioning in order to help to better understand them, e.g. the cycle of some elements such as oxygen or sulfur. ln conclusion, this PhD provides a simulation software, dealing with two different approaches. This software is free and available under a GPL licence.

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.

Alveolar echinococcosis of the liver: Diffusion-weighted MRI findings and potential role in lesion characterisation

PURPOSE: To report the diffusion-weighted MRI findings in alveolar echinococcosis (AE) of the liver and evaluate the potential role of apparent diffusion coefficients (ADCs) in the characterisation of lesions. MATERIALS AND METHODS: We retrospectively included 22 patients with 63 AE liver lesions (≥1cm), examined with 3-T liver MRI, including a free-breathing diffusion-weighted single-shot echo-planar imaging sequence (b-values=50, 300 and 600s/mm(2)). Two radiologists jointly assessed the following lesion features: size, location, presence of cystic and/or solid components (according to Kodama's classification system), relative contrast enhancement, and calcifications (on CT). The ADCtotal, ADCmin and ADCmax were measured in each lesion and the surrounding liver parenchyma. RESULTS: Three type 1, 19 type 2, 17 type 3, three type 4 and 21 type 5 lesions were identified. The mean (±SD) ADCtotal, ADCmin and ADCmax for all lesions were 1.73±0.50, 0.76±0.38 and 2.63±0.76×10(-3)mm(2)/s, respectively. The mean ADCtotal for type 1, type 2, type 3, type 4 and type 5 lesions were 1.97±1.01, 1.76±0.53, 1.73±0.41, 1.15±0.42 and 1.76±0.44×10(-3)mm(2)/s, respectively. No significant differences were found between the five lesion types, except for type 4 (p=0.0363). There was a significant correlation between the presence of a solid component and low ADCmin (r=0.39, p=0.0016), whereas an inverse correlation was found between the relative contrast enhancement and ADCtotal (r=-0.34, p=0.0072). CONCLUSION: The ADCs of AE lesions are relatively low compared to other cystic liver lesions, which may help in the differential diagnosis. Although ADCs are of little use to distinguish between the five lesion types, their low value reflects the underlying solid component.

Investigation of field and diffusion time dependence of the diffusion-weighted signal at ultrahigh magnetic fields.

Over the last decade, there has been a significant increase in the number of high-magnetic-field MRI magnets. However, the exact effect of a high magnetic field strength (B0 ) on diffusion-weighted MR signals is not yet fully understood. The goal of this study was to investigate the influence of different high magnetic field strengths (9.4 T and 14.1 T) and diffusion times (9, 11, 13, 15, 17 and 24 ms) on the diffusion-weighted signal in rat brain white matter. At a short diffusion time (9 ms), fractional anisotropy values were found to be lower at 14.1 T than at 9.4 T, but this difference disappeared at longer diffusion times. A simple two-pool model was used to explain these findings. The model describes the white matter as a first hindered compartment (often associated with the extra-axonal space), characterized by a faster orthogonal diffusion and a lower fractional anisotropy, and a second restricted compartment (often associated with the intra-axonal space), characterized by a slower orthogonal diffusion (i.e. orthogonal to the axon direction) and a higher fractional anisotropy. Apparent T2 relaxation time measurements of the hindered and restricted pools were performed. The shortening of the pseudo-T2 value from the restricted compartment with B0 is likely to be more pronounced than the apparent T2 changes in the hindered compartment. This study suggests that the observed differences in diffusion tensor imaging parameters between the two magnetic field strengths at short diffusion time may be related to differences in the apparent T2 values between the pools. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

Measuring the diffusion of palliative care in long-term care facilities - a death census

ABSTRACT: BACKGROUND: The dissemination of palliative care for patients presenting complex chronic diseases at various stages has become an important matter of public health. A death census in Swiss long-term care facilities (LTC) was set up with the aim of monitoring the frequency of selected indicators of palliative care. METHODS: The survey covered 150 LTC facilities (105 nursing homes and 45 home health services), each of which was asked to complete a questionnaire for every non-accidental death over a period of six months. The frequency of 4 selected indicators of palliative care (resort to a specialized palliative care service, the administration of opiates, use of any pain measurement scale or other symptom measurement scale) was monitored in respect of the stages of care and analysed based on gender, age, medical condition and place of residence. RESULTS: Overall, 1200 deaths were reported, 29.1% of which were related to cancer. The frequencies of each indicator varied according to the type of LTC, mostly regarding the administration of opiate. It appeared that the access to palliative care remained associated with cancer, terminal care and partly with age, whereas gender and the presence of mental disorders had no effect on the indicators. In addition, the use of drugs was much more frequent than the other indicators. CONCLUSION: The profile of patients with access to palliative care must become more diversified. Among other recommendations, equal access to opiates in nursing homes and in home health services, palliative care at an earlier stage and the systematic use of symptom management scales when resorting to opiates have to become of prime concern.