Evidence for two different bonding mechanisms of Al on Si(111)

By means of the ab initio cluster-model approach, we present theoretical evidence for two different mechanisms of bonding of atomic Al to Si(111). On the atop site (T1) the interaction of atomic Al to Si(111) is characteristic of an ionic bond whereas interaction above the threefold eclipsed site (T4) leads to the formation of a typical covalent bond. Moreover, both sites have a similar interaction energy if electronic correlation effects are included. While the conclusions regarding the nature of the chemisorption bond in the two sites do not depend either on the cluster-model size, the kind of embedding hydrogen atoms used, or the quality of the wave function (Hartree-Fock or configuration interaction), the chemisorption energy depends strongly on the wave function used. In fact, inclusion of correlation energy is necessary to properly describe the interaction energies.

Molecular mechanisms of penicillin-induced killing and penicillin tolerance in Streptococcus gordonii

Abstract The main thesis topic relates to the 'molecular mechanisms of penicillin-induced bacterial death. Indeed, bacteria have developed two principal mechanisms to escape the killing effect of ß-lactam antibiotics: resistance and tolerance. Resistant bacteria are characterized by their ability to grow in the presence of drug concentrations higher than the one inhibiting the growth of susceptible members of the same species. Hence, resistant bacteria have an increased minimal inhibitory concentration (MIC) of the drug. Nevertheless, when exposed to antibiotic concentrations exceeding their new MIC, resistant bacteria remain sensitive to the antibiotic killing effect. In contrast, tolerant bacteria have an unchanged MIC. However, they have a considerably increased ability to survive drug-induced killing, even at concentrations exceeding their MIC by several orders of magnitude. In other words, in the presence of the antibiotic, tolerant bacteria become persister cells which stop growing but are not killed. In the present thesis, it is shown that the survival phenotype of a tolerant Streptococcus gordonii strain depends on two components belonging to sugar metabolism pathways. First, the transcription factor CcpA which mediates a global regulatory mechanism allowing bacteria to utilize the most efficient sugar source for their growth. We show that the inactivation of the ccpA gene leads to a partial loss of penicillin tolerance both in vitro and in a rat model of experimental endocarditis. Second, the Enzyme I of the phosphotransferase system which is involved in the uptake and phosphorylation of sugars. Here, we -show that a single nucleotide mutation in ptsI, the gene encoding the Enzyme I, is sufficient to confer a fully tolerant phenotype in S. gordonii both in vivo and in vivo. The mutation results in a radical proline to arginine substitution in the C-terminal domain of the protein, probably leading to a decrease in its homodimerization and subsequent activity. Taken together our results prove that tolerance is a global survival mechanism linked to sugar metabolism. We hypothesize that, in the presence of the antibiotic, the already altered metabolic processes of the tolerant strain are completely inactivated. Hence, bacteria may enter in a dormant state and become insensitive to the bactericidal effect of ß-lactams, which depends on actively dividing cells. This thesis manuscript also contains two other side-projects. The first one establishes that the ability to form a biofilm is not a requisite for the successful establishment of endocarditis due to S. gordonii. The second one characterizes the S. gordonii a-phosphoglucomutase gene, and shows that its inactivation results in a loss of in vitro fitness and in vivo virulence. Résumé Le sujet principal de cette thèse concerne les mécanismes moléculaires de la mort bactérienne induite par la pénicilline. En effet, les bactéries ont développé deux mécanismes principaux pour échapper à l'effet bactéricide des ß-lactamines : la résistance et la tolérance. Les bactéries résistantes sont caractérisées par leur capacité de croître en présence de concentration d'antibiotiques plus élevées que celles inhibant la croissance des organismes sensibles de la même espèce. Les bactéries résistantes ont donc une augmentation de leur concentration minimale inhibitrice (CMI) à l'antibiotique. Néanmoins, quand elles sont exposées à des concentrations dépassant leur nouvelle CMI, elles restent sensibles à l'effet bactéricide. Au contraire, les bactéries tolérantes ont une CMI inchangée. Toutefois, elles ont une très importante capacité à survivre à l'effet bactéricide des ß-lactamines, ceci même à des concentrations excédant leur CMI de plusieurs ordres de grandeur. En d'autres termes, en présence de l'antibiotique, les bactéries tolérantes deviennent des cellules persistantes qui arrêtent leur croissance mais ne sont pas tuées. Dans la présente thèse, il est montré que le phénotype de survie d'un Streptococcus gordonii tolérant dépend de deux composants appartenant aux voies du métabolisme des sucres. Premièrement, le facteur de transcription CcpA qui contrôle un système global de régulation permettant à la bactérie d'utiliser les sources de sucre les plus efficaces pour sa croissance. Il est montré que l'inactivation du gène ccpA résulte en la perte partielle de la tolérance à la pénicilline aussi bien in vitro que dans un modèle d'endocardite expérimentale chez le rat. Deuxièmement, l'Enzyme I du système de phosphotransfert impliqué dans l'import et la phosphorylation des sucres. Nous montrons qu'une mutation ponctuelle d'un nucléotide dans ptsl, le gène codant pour l'Enzyme I, suffit à complètement conférer un phénotype tolérant chez S. gordonii aussi bien in vitro qu'in vivo. La mutation induit la substitution radicale d'une proline en une arginine dans le domaine C-terminal de la protéine, résultant probablement en une diminution de sa capacité d'homodimérisation et donc d'activité. Dans leur ensemble, nos résultats prouvent que la tolérance est un mécanisme global de survie lié au métabolisme des sucres. Nous présentons l'hypothèse que, en présence de l'antibiotique, les processus métaboliques déjà altérés de la souche tolérante deviennent complètement inactifs. En conséquence, les bactéries entreraient dans un état dormant nonréplicatif, devenant ainsi insensibles à l'effet bactéricide des ß-lactamines qui nécessite des cellules en cours de division active. Le manuscrit de cette thèse contient également deux projets secondaires. Le premier montre que la capacité de former un biofilm n'est pas un prérequis pour le succès de l'initiation de l'endocardite à S. gordonii. Le second caractérise le gène de l'a-phosphoglucomutase de S. gordonii et montre que son inactivation résulte en une perte de fitness in vitro et de virulence in vivo.

Proteomic data from human cell cultures refine mechanisms of chaperone-mediated protein homeostasis.

In the crowded environment of human cells, folding of nascent polypeptides and refolding of stress-unfolded proteins is error prone. Accumulation of cytotoxic misfolded and aggregated species may cause cell death, tissue loss, degenerative conformational diseases, and aging. Nevertheless, young cells effectively express a network of molecular chaperones and folding enzymes, termed here "the chaperome," which can prevent formation of potentially harmful misfolded protein conformers and use the energy of adenosine triphosphate (ATP) to rehabilitate already formed toxic aggregates into native functional proteins. In an attempt to extend knowledge of chaperome mechanisms in cellular proteostasis, we performed a meta-analysis of human chaperome using high-throughput proteomic data from 11 immortalized human cell lines. Chaperome polypeptides were about 10 % of total protein mass of human cells, half of which were Hsp90s and Hsp70s. Knowledge of cellular concentrations and ratios among chaperome polypeptides provided a novel basis to understand mechanisms by which the Hsp60, Hsp70, Hsp90, and small heat shock proteins (HSPs), in collaboration with cochaperones and folding enzymes, assist de novo protein folding, import polypeptides into organelles, unfold stress-destabilized toxic conformers, and control the conformal activity of native proteins in the crowded environment of the cell. Proteomic data also provided means to distinguish between stable components of chaperone core machineries and dynamic regulatory cochaperones.

Mechanisms of HCF protein proteolytic maturation

Abstract : Post-translational modifications such as proteolytic processing, phosphorylation, and glycosylation, add extra layers of complexity to proteomes and allow a finely tuned regulation of the activity of many proteins. The evolutionarily conserved cell-cycle and transcriptional regulator HCP-] is regulated by proteolytic maturation via which a stable heterodirneric complex of two cleaved subunits is formed from a single precursor protein. The human HCF-1 precursor is cleaved at six nearly identical 26 amino acid sequence repeats, called HCF-1pro repeats, which represent uncommon protease recognition sites dedicated to human HCF-1 proteolysis. This proteolytic maturation process is conserved in vertebrate HCF-1 homologues and is essential for the functions of the human protein in cell-cycle regulation; the mechanisms that execute and control HCF-1 proteolysis, however, remain poorly understood. In this dissertation I investigate the mechanisms of proteolytic maturation of HCF-1 proteins in different species. I show that the Drosophila homolog of human HCF-1, called dHCP, is proteolytically cleaved via a different mechanism than human HCF-1. dHCP is processed by the same protease, called Taspase], which cleaves one of the key developmental regulators in flies, the Trithorax protein. Maturation of HCP proteins via Taspase] cleavage is probably not particular to dHCP as many invertebrate HCP proteins, particularly insects and flatworms, possess Taspase] recognition sites. In contrast, the vertebrate HCF-1 proteins lack Taspase] recognition sites and the HCF-1pro repeats are not Taspase1 substrates, suggesting that multiple mechanisms for HCF-1 proteolytic maturation have appeared during evolution. I also show that the proteolytic activity responsible for the cleavage of the HCP- 1pro repeats is very difficult to characterize, being resistant to most protease inhibitors and very sensitive to biochemical fractionation. Moreover, the HCF-1pro repeats represent complex protease recognition sites and I demonstrate that, in addition to be the HCF-1 cleavage sites, these repeated sequences, also recruit the OG1cNAc transferase OGT. The OGT protein and the OG1cNAc modification of HCF-1 are both important for HCF-1pro repeat proteolysis. Interestingly, a human recombinant OGT purified from insect cells is able to induce cleavage of a HCF-1pro-repeat precursor in vitro, indicating that OGT either (i) induces HCF-1 autoproteolysis,(ii) is the HCF-1pro- repeat proteolytic activity itself, or (iii) physically associates with a proteolytic activity that is conserved in insect cells. In any case, OGT plays an important role in HCF-1 proteolytic maturation and perhaps a broader role in HCF-1 biological function. Résumé : Les modifications post-traductionelles pomme le clivage protéolytique, la phosphorylation, et la glycosylation, augmentent significativement la complexité des protéomes et permettent une régulation fine de l'activité de beaucoup de protéines. La protéine HCF-1, qui est un régulateur du cycle cellulaire et de la transcription, est elle- même régulée par clivage protéolytique. La protéine HCF-1 est en effet coupée en deux sous-unités qui s'associent l'une a l'autre pour former la protéine mature. Le précurseur de la protéine HCF-1 humaine est clivé à six sites correspondant à six séquences répétées nommées les HCF-1pro repeats, chacune composée de 26 acide aminés. Les HCF-1pro- repeats ne ressemblent ai aucune séquence de clivage protéolytique connue et sont présentes seulement dans les protéines HCF-1 chez les vertébrés. Bien que la maturation protéolytique d'HCF-1 soit essentielle pour les activités de cette protéine pendant le cycle cellulaire, les mécanismes qui la contrôlent restent inconnus. Au cours de mon travail de thèse, j'ai analysé les mécanismes de clivage protéolytique des protéines HCF dans différentes espèces. J'ai montré que la protéine de Drosophile homologue d'HCF-1 humaine nommée dHCF est clivée par une protéase nommée Taspase1. Ainsi, dHCF est clivé par la même protéase que celle qui induit la maturation protéolytique d'un des principaux facteurs du développement chez la mouche, la protéine Trithorax. La maturation de dHCF via le clivage par la Taspase1 n'est pas spécifique à la mouche, mais est probablement étendu à plusieurs protéines HCF chez les invertébrés, surtout dans les familles des insectes et des plathehninthes, car ces protéines HCF présentent des sites de reconnaissance pour la Taspasel. Par contre, les protéines HCF-1 chez les vertébrés n'ont pas de sites de reconnaissance pour la Taspasel et cela suggère que différents mécanismes de maturation des protéines HCF- ls ont apparu au cours de l'évolution. J'ai montré aussi que les HCF-1pro-repeats sont clivés par une activité protéolytique très difficile a identifier, car elle est résistante à la plupart des inhibiteurs de protéases, mais elle est très sensible au fractionnement biochimique. En plus, les HCF-1pro-repeats sont un site de protéolyse complexe qui ne sert pas seulement au clivage des protéines HCF- chez les vertébrés mais aussi à recruter l'enzyme responsable de la O- GlcNAcylation nommée OGT. La protéine OGT et la O-GlcNAcylatio d'HCF-1 sont toutes les deux importantes pour le clivage protéolytique des HCF1pro-repeats. Curieusement, la protéine OGT humaine produite dans des cellules d'insectes est capable de cliver les HCF-1pro repeats in vitro et cela suggère que OGT soit (i) induit le clivage autocatalytique cl'HCF-1, soit (ii) est elle-même l'activité protéolytique qui clive HCF4, soit (iii) est associée à une activité protéolytique conservée dans les cellules d'insectes qui a été co-purifiée avec OGT. En conclusion, OGT joue un rôle important dans la maturation protéolytique d'HCF-1 et peut-être aussi un rôle plus large dans les fonctions biologiques de la protéine HCF-1.

Mechanisms of functional T-cell deficiency in melanoma patients

SUMMARYAs a result of evolution, humans are equipped with an intricate but very effective immune system with multiple defense mechanisms primarily providing protection from infections. This system comprises various cell types, including T-lymphocytes, which are able to recognize and directly kill infected cells. T-cells are not only able to recognize cells carrying foreign antigens, such as virus-infected cells, but also autologous cells. In autoimmune diseases, e.g. multiple sclerosis, T- cells attack autologous cells and cause the destruction of healthy tissue. To prevent aberrant immune reactions, but also to prevent damage caused by an overreacting immune response against foreign targets, there are multiple systems in place that attenuate T-cell responses.By contrast, anti-self immune responses may be highly welcome in malignant diseases. It has been demonstrated that activated T-cells are able to recognize and lyse tumor cells, and may even lead to successful cure of cancer patients. Through vaccination, and especially with the help of powerful adjuvants, frequencies of tumor-reactive T-cells can be augmented drastically. However, the efficacy of anti-tumor responses is diminished by the same checks and balances preventing the human body from harm induced by overly activated T-cells in infections.In the context of my thesis, we studied spontaneous and vaccination induced T-cell responses in melanoma patients. The aim of my studies was to identify situations of T-cell suppression, and pinpoint immune suppressive mechanisms triggered by malignant diseases. We applied recently developed techniques such as multiparameter flow cytometry and gene arrays, allowing the characterization of tumor-reactive T-cells directly ex vivo. In our project, we determined functional capabilities, protein expression, and gene expression profiles of small numbers of T- cells from metastatic tissue and blood obtained from healthy donors and melanoma patients. We found evidence that tumor-specific T-cells were functionally efficient effector cells in peripheral blood, but severely exhausted in metastatic tissue. Our molecular screening revealed the upregulation of multiple inhibitory receptors on tumor-specific T-cells, likely implied in T-cell exhaustion. Functional attenuation of tumor-specific T-cells via inhibitory receptors depended on the anatomical location and immune suppressive mechanisms in the tumor microenvironment, which appeared more important than self-tolerance and anergy mechanisms. Our data reveal novel potential targets for cancer therapy, and contribute to the understanding of cancer biology.RÉSUMÉAu cours de l'évolution, les êtres humains se sont vus doter d'un système immunitaire complexe mais très efficace, avec de multiples mécanismes de défense, principalement contre les infections. Ce système comprend différents types de cellules, dont les lymphocytes Τ qui sont capables de reconnaître et de tuer directement des cellules infectées. Les cellules Τ reconnaissent non seulement des cellules infectées par des virus, mais également des cellules autologues. Dans le cas de maladies auto-immunes, comme par exemple la sclérose en plaques, les cellules Τ s'attaquent à des cellules autologues, ce qui engendre la destruction des tissus sains. Il existe plusieurs systèmes de contrôle des réponses Τ afin de minimiser les réactions immunitaires aberrantes et d'empêcher les dégâts causés par une réponse immunitaire trop importante contre une cible étrangère.Dans le cas de maladies malignes en revanche, une réponse auto-immune peut être avantageuse. Il a été démontré que les lymphocytes Τ étaient également capables de reconnaître et de tuer des cellules tumorales, pouvant même mener à la guérison d'un patient cancéreux. La vaccination peut augmenter fortement la fréquence des cellules Τ réagissant contre une tumeur, particulièrement si elle est combinée avec des adjuvants puissants. Cependant, l'efficacité d'une réponse antitumorale est atténuée par ces mêmes mécanismes de contrôle qui protègent le corps humain des dégâts causés par des cellules Τ activées trop fortement pendant une infection.Dans le cadre de ma recherche de thèse, nous avons étudié les réponses Τ spontanées et induites par la vaccination dans des patients atteints du mélanome. Le but était d'identifier des conditions dans lesquelles les réponses des cellules Τ seraient atténuées, voire inhibées, et d'élucider les mécanismes de suppression immunitaire engendrés par le cancer. Par le biais de techniques nouvelles comprenant la cryométrie de flux et l'analyse globale de l'expression génique à partir d'un nombre minimal de cellules, il nous fut possible de caractériser des cellules Τ réactives contre des tumeurs directement ex vivo. Nous avons examiné les profiles d'expression de gènes et de protéines, ainsi que les capacités fonctionnelles des cellules Τ isolées à partir de tissus métastatiques et à partir du sang de patients. Nos résultats indiquent que les cellules Τ spécifiques aux antigènes tumoraux sont fonctionnelles dans le sang, mais qu'elles sont épuisées dans les tissus métastatiques. Nous avons découvert dans les cellules Τ antitumorales une augmentation de l'expression des récepteurs inhibiteurs probablement impliqués dans l'épuisement de ces lymphocytes T. Cette expression particulière de récepteurs inhibiteurs dépendrait donc de leur localisation anatomique et des mécanismes de suppression existant dans l'environnement immédiat de la tumeur. Nos données révèlent ainsi de nouvelles cibles potentielles pour l'immunothérapie du cancer et contribuent à la compréhension biologique du cancer.

Mechanisms of CYR61 mediated breast cancer metastasis to the lung

CYR61 (Cysteine-rich angiogenic inducer 61) is a matricellular protein that regulates cell proliferation, adhesion, migration and cell survival through interaction with various types of integrin cell adhesion receptors. At tissue level it is implicated in the regulation of embryonic development, wound healing and angiogenesis. CYR61 has also been involved in cancer progression, however its role appears to be diverse and complex depending on the cancer type and stage. Its contribution to metastasis formation is still unclear. Previous findings reported by our laboratory demonstrated that CYR61 cooperates with avßs integrin to promote invasion and metastasis of cancers growing in a pre-irradiated microenvironment. In this work, we used an orthotopic model of breast cancer to show for the first time that silencing of CYR61 in breast cancer cells suppresses lung metastasis formation. Silencing of MDA-MB-231 reduced both local growth and lung metastasis formation of tumor cells implanted in a pre-irradiated mammary fat pad. CYR61 silencing in tumors growing in non-irradiated mammary fat pads did not impact primary tumor growth but decreased lung metastasis formation. The effect of CYR61 on spontaneous lung metastasis formation during natural cancer progression was further examined by using an experimental model of metastasis. Results from these experiments indicate that CYR61 is critically involved in promoting cancer cells entry into lung parenchyma rather than later steps of colonization. In vitro experiments showed that CYR61 promotes tumor cell spreading, migration and transendothelial migration. CYR61 also supported colony formation under anchorage-independent condition and promotes resistance to anoikis through the involvement of ß1 and ß3 integrin. These results indicate that CYR61 promotes lung metastasis of breast cancer by facilitating extravasation into lung parenchyma through enhanced motility, transendothelial migration and resistance to anoikis. - CYR61 (Cysteine-rich angiogenic inducer 61) est une protéine matricellulaire qui régule la prolifération, l'adhérence, la migration et la survie des cellules par son interaction avec différents types de récepteurs d'adhésion cellulaire de la famille des intégrine. Au niveau des tissus, CYR61 est impliquée dans la régulation du développement embryonnaire, de la cicatrisation et de l'angiogenèse. CYR61 a également été impliquée dans le cancer, mais son rôle semble être divers et complexe en fonction du type du cancer et de son stade. Son rôle dans la formation des métastases n'est pas encore clair. Des résultats antérieurs rapportés par notre laboratoire ont montré que CYR61 coopère avec l'intégrine avß5 pour favoriser l'invasion et la métastase de tumeurs se développant dans un micro-environnement pré-irradié. Dans ce travail, nous avons utilisé un modèle orthotopique de cancer du sein pour démontrer pour la première fois que l'extinction (silencing) du gène CYR61 dans le cancer du sein réduit la formation de métastases pulmonaires. L'extinction de CYR61 dans la lignée cellulaire de cancer du sein humain MDA-MB- 231 réduit à la fois la croissance local ainsi que la formation de métastases pulmonaires à partir de cellules implantés dans les coussinets adipeux mammaires pré-irradié. L'extinction de CYR61 dans des tumeurs grandissant dans les coussinets adipeux mammaires non irradiées n'a pas d'incidence sur la croissance tumorale primaire mais réduit la formation des métastases pulmonaires. Par la suite nous avons examiné l'effet de CYR61 sur la formation de métastases pulmonaires en utilisant un modèle expérimental de métastase. Les résultats de ces expériences indiquent que CYR61 est impliquée de manière cruciale dans les étapes précoces de la formation de métastases, plutôt que dans les étapes tardives de colonisation du poumon. Des expériences in vitro ont montré que CYR61 favorise l'étalement, la migration et la transmigration endothéliale des cellules tumorales. CYR61 favorise également la formation de colonies dans des conditions indépendante de l'ancrage et la résistance à l'anoïkis par l'engagement des intégrines ß1 et ß3. Ces résultats indiquent que CYR61 favorise les métastases pulmonaires du cancer du sein en facilitant l'extravasation dans le parenchyme pulmonaire grâce à la stimulation de la motilità, de la migration transmigration endothéliale et de la résistance à l'anoïkis.

Mechanisms of successful amoxicillin prophylaxis of experimental endocarditis due to Streptococcus intermedius.

Prophylaxis with amoxicillin (40 mg/kg) was studied in rats with aortic valve vegetations. Bacteria on the valves were quantitated early (10 min to 6 hr) and late (three days) after intravenous challenge with tolerant Streptococcus intermedius. Amoxicillin reduced by 40% the number of bacteria per valve 10 min after intravenous challenge with 10(5) S. intermedius (P less than .05) and by 74% the incidence of endocarditis three days thereafter (P less than .0001). Bacterial multiplication started 2 hr after challenge in control rats, whereas bacteria disappeared in 6 hr in amoxicillin-treated rats. Intravenous penicillinase 30 min after challenge abolished successful amoxicillin prophylaxis, a result demonstrating the necessity of prolonged growth inhibition for protection. Growth inhibition for 18 hr (two subsequent amoxicillin doses) was necessary for protection after intravenous challenge with 10(5) S. intermedius. Thus, in the absence of bacterial killing, inhibition of valvular colonization by amoxicillin was not as important a mechanism of endocarditis prophylaxis as was prolonged inhibition of bacterial growth, which allowed adherent bacteria to be cleared from the valves.

Long-term and long range migration of radioisotopes in terrestrial systems : mechanisms of radioisotopes (Cs, Sr, Pu, Am) mobilization in soils

Summary Artificial radionuclides were released in the environment during the atmospheric nuclear weapon tests and after accidental events involving nuclear industries. As a primary receptor of the deposition, the soil is a very sensitive compartment and understanding the interaction and migration of radionuclides within soils allows the development of scenario for the contamination risk of the population and of the environment. Most available field studies on radionuclides in soils only concern one or two isotopes, mostly 137Cs, and few physico-chemical soil parameters. The purpose of this study was a broader understanding of the radioecology of an Alpine valley. In a first part, we aimed to describe the depth distribution of 137Cs, 90Sr, 239+240Pu, and 241Am within different alpine soils and to identify some stable elements as indicators for accumulating layers. In the central part of the study, the goal was to investigate the repartition of ^Sr and 239Pu between the truly dissolved fraction and the colloidal fraction of the soil solutions and to identify the nature of colloids involved in the adsorption of ^Sr and 239Pu. These results were integrated in an "advection- sorption" transport model seeking to explain the migration of 239Pu and 90Sr within the soils and to assess the importance of colloidal transport for these two isotopes. A further aspect studied was the role of the competition between the radioisotopes (137Cs and 90Sr) and their stable chemical analogues (K and Ca) with respect to plant uptake by different plant species. The results on the depth distribution within the soils showed that 137Cs was mostly retained in the topsoil, to the exception of an organic-rich soil (Histosol 2) receiving important surface runoff, where migration down to a depth of 30 cm was observed. 137Cs depth distribution within the soils was similar to unsupported 210Pb depth distribution. The plant uptake of 137Cs clearly depended on the concentration of exchangeable potassium in the soils. Moreover, we showed that the 137Cs uptake by certain species of the taxonomic orders Poales and Rosales was more sensitive to the increase in exchangeable Κ compared to other orders. Strontium-90 was much more mobile in the soils than 137Cs and depth migration and accumulation in specific AI- and Fe-rich layers were found down to 30 cm. Copper and Ni showed accumulations in these same layers, indicating their potential to be used as indicators for the migration of ^Sr within the soils. In addition, we observed a 90Sr activity peak in the topsoil that can be attributable to recycling of 90Sr by plant uptake. We demonstrated for the first time that a part of 90Sr (at least 40%) was associated with the colloids in organic-rich soil solutions. Therefore, we predict a significant effect of the colloidal migration of ^Sr in organic-rich soil solutions. The plant uptake results for 90Sr indicated a phylogenetic effect between Non-Eudicot and Eudicots: the order Poales concentrating much less 90Sr than Eudicots do. Moreover, we were able to demonstrate that the sensitivity of the 90Sr uptake by 5 different Alpine plant species to the amount of exchangeable Ca was species-independent. Plutonium and 241Am accumulated in the second layer of all soils and only a slight migration deeper than 20 cm was observed. Plutonium and 241Am showed a similar depth distribution in the soils. The model results suggested that the present day migration of 239Pu was very slow and that the uptake by plants was negligible. 239Pu activities between 0.01 to 0.08 mBq/L were measured in the bulk soil solutions. Migration of 239Pu with the soil solution is dominated by colloidal transport. We reported strong evidences that humic substances were responsible of the sorption of 239Pu to the colloidal fraction of the soil solutions. This was reflected by the strong correlation between 239Pu concentrations and the content of (colloidal) organic matter in the soil solution. Résumé Certains radioéléments artificiels ont été disséminés dans l'environnement suite aux essais atmosphériques de bombes nucléaires et suite à des accidents impliquant les industries nucléaires. En tant que récepteur primaire de la déposition, le sol est un compartiment sensible et des connaissances sur les interactions et la migration des radioéléments dans le sol permettent de développer des modèles pour estimer la contamination de la population et de l'environnement. Actuellement, la plupart des études de terrain sur ce sujet concernent uniquement un ou deux radioéléments, surtout le 137Cs et peu d'études intègrent les paramètres du sol pour expliquer la migration des radioéléments. Le but général de cette étude était une compréhension étendue de la radio-écologie d'une vallée alpine. Notre premier objectif était de décrire la distribution en profondeur de 137Cs, ^Sr, 239+240pu et 241Am dans différents sols alpins en relation avec des éléments stables du sol, dans le but d'identifier des éléments stables qui pourraient servir d'indicateurs pour des horizons accumulateurs. L'objectif de la deuxième partie, qui était la partie centrale de l'étude, était d'estimer le pourcentage d'activité sous forme colloïdale du 239Pu et du 90Sr dans les solutions des sols. De plus nous avons déterminé la nature des colloïdes impliqués dans la fixation du ^Sr et 239Pu. Nous avons ensuite intégré ces résultats dans un modèle de transport développé dans le but de décrire la migration du 239Pu et 90Sr dans le sol. Finalement, nous avons étudié l'absorption de 137Cs et 90Sr par les plantes en fonction de l'espèce et de la compétition avec leur élément analogue stable (K et Ca). Les résultats sur la migration en profondeur du 137Cs ont montré que ce radioélément était généralement retenu en surface, à l'exception d'un sol riche en matière organique dans lequel nous avons observé une nette migration en profondeur. Dans tous les sols, la distribution en profondeur du 137Cs était corrélée avec la distribution du 210Pb. L'absorption du 137Cs par les plantes, était dépendante de la concentration en Κ échangeable dans le sol, le potassium étant un compétiteur. De plus, nous avons observé que les espèces ne réagissaient pas de la même manière aux variations de la concentration de Κ échangeable. En effet, les espèces appartenant aux ordres des Poales et des Rosales étaient plus sensibles aux variations de potassium échangeable dans le sol. Dans tous les sols Le 90Sr était beaucoup plus mobile que le 137Cs. En effet, nous avons observé des accumulations de 90Sr dans des horizons riches en Fe et Al jusqu'à 30 cm de profondeur. De plus, le Cu et le Ni montraient des accumulations dans les mêmes horizons que le 90Sr, indiquant qu'il pourrait être possible d'utiliser ces deux éléments comme analogues pour la migration du 90Sr. D'après le modèle développé, le pic de 90Sr dans les premiers centimètres du sol peut être attribué à du recyclage par les plantes. Le 90Sr en solution était principalement sous forme dissoute dans des solutions de sols peu organique (entre 60 et 100% de 90Sr dissous). Par contre, dans des solutions organiques, un important pourcentage de 90Sr (plus de 40%) était associé aux colloïdes. La migration colloïdale du 90Sr peut donc être significative dans des solutions organiques. Comme pour le 137Cs, l'absorption du 90Sr par les plantes dépendait de la concentration de son analogue chimique dans la fraction échangeable du sol. Par contre, les espèces de plantes étudiées avaient la même sensibilité aux variations de la concentration du calcium échangeable. Le plutonium et l'américium étaient accumulés dans le deuxième horizon du sol et nous avons observé seulement une faible migration plus profondément que 20 cm. Selon le modèle, la migration actuelle du plutonium est très lente et l'absorption par les plantes semble négligeable. Nous avons mesuré entre 0.01 et 0.08 mBq/L de 239Pu dans les solutions de sol brutes. La migration du plutonium par la solution du sol est due principalement aux colloïdes, probablement de nature humique. Résumé grand public Dans les années 1950 à 1960, l'environnement a été contaminé par des éléments radioactifs (radioéléments) artificiels provenant des essais des armes atomiques et de l'industrie nucléaire. En effet, durant ces années, les premiers essais de bombes atomiques se faisaient dans l'atmosphère, libérant de grandes quantités d'éléments radioactifs. De plus certains accidents impliquant l'industrie nucléaire civile ont contribué à la dissémination d'éléments radioactifs dans l'environnement. Ce fut par exemple le cas de l'accident de la centrale atomique de Tchernobyl en 1986 qui a causé une importante contamination d'une grande partie de l'Europe par le 137Cs. Lorsqu'ils sont libérés dans l'atmosphère, les radioéléments sont dispersés et transportés par les courants atmosphériques, puis peuvent être déposés dans l'environnement, principalement par les précipitations. Une fois déposés sur le sol, les radioéléments vont interagir avec les composants du sol et migrer plus ou moins vite. La connaissance des interactions des éléments radioactifs avec le sol est donc importante pour prédire les risques de contamination de l'environnement et de l'homme. Le but général de ce travail était d'évaluer la migration de différents éléments radioactifs (césium-137, strontium-90, plutonium et américium-241) à travers le sol. Nous avons choisi un site d'étude en milieu alpin (Val Piora, Tessin, Suisse), contaminé en radioéléments principalement par les retombées de l'accident de Tchernobyl et des essais atmosphériques de bombes atomiques. Dans un premier temps, nous avons caractérisé la distribution en profondeur des éléments radioactifs dans le sol et l'avons comparée à divers éléments stables. Cette comparaison nous a permit de remarquer que le cuivre et le nickel s'accumulaient dans les mêmes horizons du sol que le strontium-90 et pourraient donc être utilisés comme analogue pour la migration du strontium-90 dans les sols. Dans la plupart des sols étudiés, la migration du césium-137, du plutonium et de l'américium-241 était lente et ces radioéléments étaient donc accumulés dans les premiers centimètres du sol. Par contre, le strontium-90 a migré beaucoup plus rapidement que les autres radioéléments si bien qu'on observe des accumulations de strontium-90 à plus de 30 cm de profondeur. Les radioéléments migrent dans la solution du sol soit sous forme dissoute, soit sous forme colloïdale, c'est-à-dire associés à des particules de diamètre < Ιμηι. Cette association avec des colloïdes permet à des radioéléments peu solubles, comme le plutonium, de migrer plus rapidement qu'attendu. Nous avons voulu savoir quelle était la part de strontium-90 et plutonium associés à des colloïdes dans la solution du sol. Les résultats ont montré que le plutonium en solution était principalement associé à des colloïdes de type organique. Quant au strontium-90, ce dernier était en partie associé à des colloïdes dans des solutions de sol riches en matière organique, par contre, il était principalement sous forme dissoute dans les solutions de sol peu organiques. L'absorption de radioéléments par les plantes représente une voie importante pour le transfert vers la chaîne alimentaire, par conséquent pour la contamination de l'homme. Nous avons donc étudié le transfert du césium-137 et du strontium-90 de plusieurs sols vers différentes espèces de plantes. Les résultats ont montré que l'absorption des radioéléments par les plantes était liée à la concentration de leur analogue chimique (calcium pour le strontium-90 et potassium pour le césium- 137) dans la fraction échangeable du sol. De plus certaines espèces de plantes accumulent significativement moins de strontium-90.

AT-RISK ALCOHOL USE IN YOUNG ADULTS - EFFECTIVENESS AND MECHANISMS OF BRIEF MOTIVATIONAL INTERVENTION AS A PRIMARY AND SECONDARY PREVENTION MEASURE

SummaryThe alcohol use of adolescents and young adults is one of the world's most important and costliest health problems. Particularly, binge drinking (i.e. drinking an important amount of alcohol in one occasion) among young people increase the risk of detrimental consequences such as blackouts, injuries, at-risk sexual behaviors, involvement in violent acts, academic failure, and suicide attempts. In countries with mandatory conscription mechanisms, such as Switzerland, the army provides a unique opportunity to reach a large portion of this high risk population. We used this sample to evaluate the prevalence of binge drinking among young men, to test the efficacy of brief motivational interventions (BMI) as a primary and secondary preventive measure, and to examine the mechanisms underlying BMI in this age group.We showed that binge drinking among young French-speaking Swiss men is less of an exception than it is the norm. Of those using alcohol, 75.5% had a binge drinking episode at least monthly, and 69.3% of all consumption reported in a one-week diary was due to binge drinking days.We used two different inclusion modes to evaluate the success of alcohol BMI. In the first randomized controlled trial, inclusion relied on a random selection of conscripts. BMI efficacy was evaluated in a sample of conscripts who visited the army recruitment centre that is potentially generalizable to the entire population. In the second randomized controlled trial, we included subjects voluntarily participating in BMI. This venue might be more realistic for young adults; it is more akin to the MI spirit, in which it is crucial for individuals to control their own decisions.Regarding BMI efficacy as a secondary prevention measure (i.e. to help decrease alcohol use among at-risk drinkers, defined here as those having a binge drinking episode at least monthly), it was effective among randomly selected at-risk drinkers, whereas it was not effective among at-risk drinkers who voluntarily showed up. Individuals who showed interest in BMI had more severe patterns of alcohol use, which may have made change more difficult and calls for treatment that is more intensive. BMI demonstrated a 20% reduction in weekly alcohol use among randomly selected participants, indicating potential interest in BMI implementation within similar community settings.Regarding BMI efficacy as a primary prevention measure (i.e. to help maintain low levels of use among low-risk drinkers), it had significant protective effects among low-risk drinkers voluntarily showing up whereas it was not effective among low-risk drinkers randomly selected. This suggests that BMI might help young individuals keep their drinking at low levels, especially when they are interested in discussing their alcohol use. Therefore, BMI has potentially promising uses in primary prevention efforts. The content of these interventions for low-risk drinkers who do not seek BMI on their own should be further evaluated.BMI mechanisms were addressed since little is known about exactly which elements of it work, or which of the counselor and subject communication behaviors are most effective in triggering behavior changes. The causal chain hypothesis developed in the motivational interviewing (MI) theory was followed, and it was found that counselor behaviors consistent with the MI approach (MICO) were significantly more likely to be followed by participant language in favor of change (change talk, CT), while behaviors inconsistent with MI (MIIN) were significantly less likely to do so. Several CT dimensions measured during BMI (particularly Ability, Desire, and Need to change) were predictive of change in alcohol use. Our findings lend strong support for the use of MICO behaviors and the avoidance of MIIN behaviors in eliciting CT, and point out that particular attention should be paid to the utterances in several sub-dimensions of CT and to the strength of expression, since these are good indicators of potential actual behavior change in future.RésuméLa consommation d'alcool chez les adolescents et les jeunes adultes est un des problèmes de santé les plus importants et les plus coûteux dans le monde. En particulier, les consommations importantes d'alcool en une occasion (binge drinking) parmi les jeunes adultes ont été liées à des conséquences telles que pertes de connaissance, accidents et blessures, comportements sexuels à risque, violences, difficultés scolaires et tentatives de suicide. Les pays qui, comme la Suisse, connaissent un processus de recrutement obligatoire pour l'armée offrent une opportunité unique d'atteindre une large portion de cette population à hauts risques. Nous avons utilisé cet échantillon pour évaluer la prévalence du binge drinking parmi les jeunes hommes, pour tester l'efficacité de l'intervention brève motivationnelle (IBM) comme mesure de prévention primaire et secondaire, et pour examiner les mécanismes sous-tendant ce type d'interventions.La première partie de cette étude montre que le binge drinking est moins une exception que la norme parmi les jeunes hommes suisses francophones. 75.5% des personnes consommant de l'alcool avaient au moins un épisode de binge drinking par mois et 69.3% du total des boissons alcoolisées reportées comme consommation de la semaine précédant le questionnaire avaient été consommées lors d'épisodes de binge drinking.Pour évaluer l'efficacité de l'IBM dans ce cadre, nous avons utilisé deux modes d'inclusion. Dans une première étude randomisée contrôlée, nous avons inclus des personnes sélectionnées au hasard parmi toutes celles se présentant au centre de recrutement, créant ainsi un groupe potentiellement représentatif de l'ensemble du collectif. Dans la deuxième étude randomisée contrôlée, nous avons inclus des sujets se présentant volontairement pour recevoir une IBM, prendre des volontaires pouvant être plus proche de la réalité et plus proche de l'esprit motivationnel dans lequel il est crucial que l'individu contrôle ses décisions.En regardant l'IBM comme mesure de prévention secondaire (c'est-à-dire aider à diminuer la consommation d'alcool chez les consommateurs à risque, définis ici comme au moins un épisode de binge drinking par mois), l'IBM était efficace lorsque les participants étaient inclus au hasard et inefficace lorsqu'ils étaient volontaires. Les jeunes hommes volontaires pour un IBM avaient un mode de consommation particulièrement sévère qui pourrait être plus difficile à changer et nécessiter un traitement plus intensif. Parmi les personnes sélectionnées au hasard, l'IBM permettait une diminution de 20% de la consommation hebdomadaire d'alcool, montrant l'intérêt potentiel d'une implémentation de ce type de mesures dans des contextes communautaires similaires.En ce qui concerne l'IBM comme mesure de prévention primaire (c'est-à-dire aider à maintenir une consommation à bas risque chez les consommateurs à bas risque), l'IBM avaient un effet protectif significatif parmi les jeunes hommes volontaires pour une IBM, mais pas d'effet chez ceux sélectionnés au hasard. Ces résultats suggèrent que l'IBM pourrait aider de jeunes personnes à maintenir un niveau de consommation à bas risque si celles-ci s'intéressent à discuter cette consommation et aurait ainsi un potentiel intéressant comme mesure de prévention primaire. Le contenu de l'IBM pour des consommateurs à bas risque non-volontaires pour une IBM devra encore être évalué.Nous avons ensuite examiné les mécanismes de l'IBM car son fonctionnement est encore peu expliqué et les comportements de l'intervenant et du sujet les plus à même de provoquer le changement ne sont pas bien définis. En suivant l'hypothèse d'une chaine causale développée dans la littérature de l'entretien motivationnel (EM), nous avons pu montrer qu'un discours en faveur du changement chez le sujet était plus probable après des comportements de l'intervenant recommandés dans l'EM et moins probable après des comportements à éviter dans l'EM ; et que plusieurs dimensions de ce discours en faveur du changement (notamment la capacité, le désir et le besoin de changer) prédisaient un changement effectif dans la consommation d'alcool. Ces résultats encouragent donc à utiliser des comportements recommandés dans l'EM pour favoriser un discours en faveur du changement. Ils montrent aussi qu'une attention particulière doit être portée à la fréquence et à la force avec laquelle sont exprimées certaines dimensions de ce discours car ceux-ci indiquent un potentiel changement effectif de comportement.Résumé vulgariséLa consommation d'alcool chez les adolescents et les jeunes adultes est un des problèmes de santé les plus importants et les plus coûteux dans le monde. En particulier, les consommations importantes d'alcool en une occasion (binge drinking) parmi les jeunes adultes augmentent fortement les risques de conséquences telles que pertes de connaissance, accidents et blessures, comportements sexuels à risque, violences, difficultés scolaires et tentatives de suicide. Les pays qui, comme la Suisse, connaissent un processus de recrutement obligatoire pour l'armée offrent une opportunité unique d'atteindre une large portion de cette population à hauts risques. Nous avons utilisé cet échantillon pour évaluer l'importance du phénomène de binge drinking, pour tester l'efficacité de l'intervention brève motivationnelle (IBM) comme mesure de prévention de la consommation à risque d'alcool, et pour examiner comment fonctionne ce type d'interventions.La première partie de cette étude montre que le binge drinking est moins une exception que la norme parmi les jeunes hommes suisses francophones. Trois quart des personnes consommant de l'alcool avaient au moins un épisode de binge drinking par mois. Presque 70% du total des boissons alcoolisées consommées durant la semaine précédant le questionnaire avaient été consommées lors d'épisodes de binge drinking.Nous avons ensuite mené deux études pour évaluer l'efficacité de l'IBM dans ce cadre. Dans une première étude, nous avons sélectionné des personnes au hasard parmi toutes celles se présentant au centre de recrutement, créant ainsi un groupe potentiellement représentatif de l'ensemble du collectif. Dans la deuxième étude, nous avons inclus toutes les personnes se présentant volontairement pour recevoir une IBM, prendre des volontaires pouvant être plus proche de la réalité et plus proche de l'approche motivationnelle dans laquelle il est crucial que l'individu contrôle ses décisions. Dans les deux études, nous testions l'efficacité de l'IBM comme mesure de prévention primaire et secondaire (voir ci-dessous).En regardant l'IBM comme mesure de prévention secondaire (c'est-à-dire aider à diminuer la consommation d'alcool chez les consommateurs à risque, définis ici comme au moins un épisode de binge drinking par mois), l'IBM était efficace lorsque les participants étaient inclus au hasard et inefficace lorsqu'ils étaient volontaires. Les jeunes hommes volontaires pour un IBM avaient un mode de consommation particulièrement sévère qui pourrait être plus difficile à changer et nécessiter un traitement plus intensif. Parmi les personnes sélectionnées au hasard, l'IBM permettait une diminution de 20% de la consommation hebdomadaire d'alcool, montrant l'intérêt potentiel de la mise en place de ce type de mesures dans des contextes communautaires similaires.En ce qui concerne l'IBM comme mesure de prévention primaire (c'est-à-dire aider à maintenir une consommation à bas risque chez les consommateurs à bas risque), l'IBM avaient un effet protectif parmi les jeunes hommes volontaires pour une IBM, mais pas d'effet chez ceux sélectionnés au hasard. Ces résultats suggèrent que l'IBM pourrait aider de jeunes personnes à maintenir un niveau de consommation à bas risque si celles-ci s'intéressent à discuter de cette consommation. Le contenu de l'IBM pour des consommateurs à bas risque non-volontaires pour une IBM devra encore être évalué.Nous avons ensuite examiné le fonctionnement de l'IBM et cherché quels comportements de l'intervenant et du jeune homme pouvaient être les plus à même d'amener à un changement dans la consommation. Nous avons pu montrer que 1) un discours en faveur du changement chez le jeune homme était plus probable après des comportements de l'intervenant recommandés dans l'approche motivationnelle et moins probable après des comportements non-recommandés ; et 2) plusieurs dimensions de ce discours en faveur du changement (notamment la capacité, le désir et le besoin de changer) prédisaient un changement effectif dans la consommation d'alcool. Ces résultats encouragent donc à utiliser des comportements recommandés dans l'EM pour favoriser un discours en faveur du changement. Ils montrent aussi qu'une attention particulière doit être portée à certaines dimensions de ce discours car celles-ci indiquent un potentiel changement effectif de comportement.

Identification and characterization of novel classes of macrophage migration inhibitory factor (MIF) inhibitors with distinct mechanisms of action.

Macrophage migration inhibitory factor (MIF), a proinflammatory cytokine, is considered an attractive therapeutic target in multiple inflammatory and autoimmune disorders. In addition to its known biologic activities, MIF can also function as a tautomerase. Several small molecules have been reported to be effective inhibitors of MIF tautomerase activity in vitro. Herein we employed a robust activity-based assay to identify different classes of novel inhibitors of the catalytic and biological activities of MIF. Several novel chemical classes of inhibitors of the catalytic activity of MIF with IC(50) values in the range of 0.2-15.5 microm were identified and validated. The interaction site and mechanism of action of these inhibitors were defined using structure-activity studies and a battery of biochemical and biophysical methods. MIF inhibitors emerging from these studies could be divided into three categories based on their mechanism of action: 1) molecules that covalently modify the catalytic site at the N-terminal proline residue, Pro(1); 2) a novel class of catalytic site inhibitors; and finally 3) molecules that disrupt the trimeric structure of MIF. Importantly, all inhibitors demonstrated total inhibition of MIF-mediated glucocorticoid overriding and AKT phosphorylation, whereas ebselen, a trimer-disrupting inhibitor, additionally acted as a potent hyperagonist in MIF-mediated chemotactic migration. The identification of biologically active compounds with known toxicity, pharmacokinetic properties, and biological activities in vivo should accelerate the development of clinically relevant MIF inhibitors. Furthermore, the diversity of chemical structures and mechanisms of action of our inhibitors makes them ideal mechanistic probes for elucidating the structure-function relationships of MIF and to further determine the role of the oligomerization state and catalytic activity of MIF in regulating the function(s) of MIF in health and disease.

Molecular Mechanisms of Acute Brain Injury and Ensuing Neurodegeneration

Injury to the central nervous system (CNS), including stroke, traumatic brain injury andspinal cord injury, cause devastating and irreversible damage and loss of function. Forexample, stroke affects very large patient populations, results in major suffering for the patients and their relatives, and involves a significant cost to society. CNS damage implies disruption of the intricate internal circuits involved in cognition, the sensory-motor functions, and other important functions. There are currently no treatments available to properly restore such lost functions. New therapeutic proposals will emerge from an understanding of the interdependence of molecular and cellular responses to CNS injury, in particular the inhibitory mechanisms that block regeneration and those that enhanceneuronal plasticity...

Mechanisms of cross-modal plasticity in early-blind subjects.

A variety of studies have demonstrated enhanced blood oxygenation level dependent responses to auditory and tactile stimuli within occipital cortex as a result of early blindness. However, little is known about the organizational principles that drive this cross-modal plasticity. We compared BOLD responses to a wide variety of auditory and tactile tasks (vs. rest) in early-blind and sighted subjects. As expected, cross-modal responses were larger in blind than in sighted subjects in occipital cortex for all tasks (cross-modal plasticity). Within both blind and sighted subject groups, we found patterns of cross-modal activity that were remarkably similar across tasks: a large proportion of cross-modal responses within occipital cortex are neither task nor stimulus specific. We next examined the mechanisms underlying enhanced BOLD responses within early-blind subjects. We found that the enhancement of cross-modal responses due to early blindness was best described as an additive shift, suggesting that cross-modal plasticity within blind subjects does not originate from either a scaling or unmasking of cross-modal responsivities found in sighted subjects.

Cellular source and mechanisms of high transcriptome complexity in the Mammalian testis.

Understanding the extent of genomic transcription and its functional relevance is a central goal in genomics research. However, detailed genome-wide investigations of transcriptome complexity in major mammalian organs have been scarce. Here, using extensive RNA-seq data, we show that transcription of the genome is substantially more widespread in the testis than in other organs across representative mammals. Furthermore, we reveal that meiotic spermatocytes and especially postmeiotic round spermatids have remarkably diverse transcriptomes, which explains the high transcriptome complexity of the testis as a whole. The widespread transcriptional activity in spermatocytes and spermatids encompasses protein-coding and long noncoding RNA genes but also poorly conserves intergenic sequences, suggesting that it may not be of immediate functional relevance. Rather, our analyses of genome-wide epigenetic data suggest that this prevalent transcription, which most likely promoted the birth of new genes during evolution, is facilitated by an overall permissive chromatin in these germ cells that results from extensive chromatin remodeling.

Investigation of high-resolution functional magnetic resonance imaging by means of surface and array radiofrequency coils at 7 T.

In this investigation, high-resolution, 1x1x1-mm(3) functional magnetic resonance imaging (fMRI) at 7 T is performed using a multichannel array head coil and a surface coil approach. Scan geometry was optimized for each coil separately to exploit the strengths of both coils. Acquisitions with the surface coil focused on partial brain coverage, while whole-brain coverage fMRI experiments were performed with the array head coil. BOLD sensitivity in the occipital lobe was found to be higher with the surface coil than with the head array, suggesting that restriction of signal detection to the area of interest may be beneficial for localized activation studies. Performing independent component analysis (ICA) decomposition of the fMRI data, we consistently detected BOLD signal changes and resting state networks. In the surface coil data, a small negative BOLD response could be detected in these resting state network areas. Also in the data acquired with the surface coil, two distinct components of the positive BOLD signal were consistently observed. These two components were tentatively assigned to tissue and venous signal changes.

Quantitative integration of high-resolution hydrogeophysical data through Monte-Carlo-type conditional simulations

Geophysical techniques can help to bridge the inherent gap with regard to spatial resolution and the range of coverage that plagues classical hydrological methods. This has lead to the emergence of the new and rapidly growing field of hydrogeophysics. Given the differing sensitivities of various geophysical techniques to hydrologically relevant parameters and their inherent trade-off between resolution and range the fundamental usefulness of multi-method hydrogeophysical surveys for reducing uncertainties in data analysis and interpretation is widely accepted. A major challenge arising from such endeavors is the quantitative integration of the resulting vast and diverse database in order to obtain a unified model of the probed subsurface region that is internally consistent with all available data. To address this problem, we have developed a strategy towards hydrogeophysical data integration based on Monte-Carlo-type conditional stochastic simulation that we consider to be particularly suitable for local-scale studies characterized by high-resolution and high-quality datasets. Monte-Carlo-based optimization techniques are flexible and versatile, allow for accounting for a wide variety of data and constraints of differing resolution and hardness and thus have the potential of providing, in a geostatistical sense, highly detailed and realistic models of the pertinent target parameter distributions. Compared to more conventional approaches of this kind, our approach provides significant advancements in the way that the larger-scale deterministic information resolved by the hydrogeophysical data can be accounted for, which represents an inherently problematic, and as of yet unresolved, aspect of Monte-Carlo-type conditional simulation techniques. We present the results of applying our algorithm to the integration of porosity log and tomographic crosshole georadar data to generate stochastic realizations of the local-scale porosity structure. Our procedure is first tested on pertinent synthetic data and then applied to corresponding field data collected at the Boise Hydrogeophysical Research Site near Boise, Idaho, USA.