A new paradigm for the folding of ribonucleic acids

De récentes découvertes montrent le rôle important que joue l’acide ribonucléique (ARN) au sein des cellules, que ce soit le contrôle de l’expression génétique, la régulation de plusieurs processus homéostasiques, en plus de la transcription et la traduction de l’acide désoxyribonucléique (ADN) en protéine. Si l’on veut comprendre comment la cellule fonctionne, nous devons d’abords comprendre ses composantes et comment ils interagissent, et en particulier chez l’ARN. La fonction d’une molécule est tributaire de sa structure tridimensionnelle (3D). Or, déterminer expérimentalement la structure 3D d’un ARN s’avère fort coûteux. Les méthodes courantes de prédiction par ordinateur de la structure d’un ARN ne tiennent compte que des appariements classiques ou canoniques, similaires à ceux de la fameuse structure en double-hélice de l’ADN. Ici, nous avons amélioré la prédiction de structures d’ARN en tenant compte de tous les types possibles d’appariements, dont ceux dits non-canoniques. Cela est rendu possible dans le contexte d’un nouveau paradigme pour le repliement des ARN, basé sur les motifs cycliques de nucléotides ; des blocs de bases pour la construction des ARN. De plus, nous avons dévelopées de nouvelles métriques pour quantifier la précision des méthodes de prédiction des structures 3D des ARN, vue l’introduction récente de plusieurs de ces méthodes. Enfin, nous avons évalué le pouvoir prédictif des nouvelles techniques de sondage de basse résolution des structures d’ARN.

L'effet de la psychoneurothérapie sur l'activité électrique du cerveau d'individus souffrant du trouble dépressif majeur unipolaire

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Détection et caractérisation de naines brunes et exoplanètes avec un filtre accordable pour applications dans l'espace

Cette thèse porte sur la capacité à détecter des compagnons de faible intensité en présence de bruit de tavelures dans le contexte de l’imagerie à haute gamme dynamique pour l’astronomie spatiale. On s’intéressera plus particulièrement à l’imagerie spectrale différentielle (ISD) obtenue en utilisant un étalon Fabry-Pérot comme filtre accordable. Les performances d’un tel filtre accordable sont présentées dans le cadre du Tunable Filter Imager (TFI), instrument conçu pour le télescope spatial James Webb (JWST). La capacité de l’étalon à supprimer les tavelures avec ISD est démontrée expérimentalement grâce à un prototype de l’étalon installé sur un banc de laboratoire. Les améliorations de contraste varient en fonction de la séparation, s’étendant d’un facteur 10 pour les séparations supérieures à 11 lambda/D jusqu’à un facteur 60 à 5 lambda/D. Ces résultats sont cohérents avec une étude théorique qui utilise un modèle basé sur la propagation de Fresnel pour montrer que les performances de suppression de tavelures sont limitées par le banc optique et non pas par l’étalon. De plus, il est démontré qu’un filtre accordable est une option séduisante pour l’imagerie à haute gamme dynamique combinée à la technique ISD. Une seconde étude basée sur la propagation de Fresnel de l’instrument TFI et du télescope, a permis de définir les performances de la technique ISD combinée avec un étalon pour l’astronomie spatiale. Les résultats prévoient une amélioration de contraste de l’ordre de 7 jusqu’à 100, selon la configuration de l’instrument. Une comparaison entre ISD et la soustraction par rotation a également été simulée. Enfin, la dernière partie de ce chapitre porte sur les performances de la technique ISD dans le cadre de l’instrument Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), conçu pour remplacer TFI comme module scientifique à bord du Fine Guidance Sensor du JWST. Cent quatre objets localisés vers la région centrale de la nébuleuse d’Orion ont été caractérisés grâce à un spectrographe multi-objet, de basse résolution et multi-bande (0.85-2.4 um). Cette étude a relevé 7 nouvelles naines brunes et 4 nouveaux candidats de masse planétaire. Ces objets sont utiles pour déterminer la fonction de masse initiale sous-stellaire et pour évaluer les modèles atmosphériques et évolutifs futurs des jeunes objets stellaires et sous-stellaires. Combinant les magnitudes en bande H mesurées et les valeurs d’extinction, les objets classifiés sont utilisés pour créer un diagramme de Hertzsprung-Russell de cet amas stellaire. En accord avec des études antérieures, nos résultats montrent qu’il existe une seule époque de formation d’étoiles qui a débuté il y a environ 1 million d’années. La fonction de masse initiale qui en dérive est en accord avec des études antérieures portant sur d’autres amas jeunes et sur le disque galactique.

Développement d'une nouvelle méthode de caractérisation tissulaire basée sur l'élastographie ultrasonore : application pour le dépistage précoce du cancer du sein

Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent chez la femme. Il demeure la cause de mortalité la plus importante chez les femmes âgées entre 35 et 55 ans. Au Canada, plus de 20 000 nouveaux cas sont diagnostiqués chaque année. Les études scientifiques démontrent que l'espérance de vie est étroitement liée à la précocité du diagnostic. Les moyens de diagnostic actuels comme la mammographie, l'échographie et la biopsie comportent certaines limitations. Par exemple, la mammographie permet de diagnostiquer la présence d’une masse suspecte dans le sein, mais ne peut en déterminer la nature (bénigne ou maligne). Les techniques d’imagerie complémentaires comme l'échographie ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sont alors utilisées en complément, mais elles sont limitées quant à la sensibilité et la spécificité de leur diagnostic, principalement chez les jeunes femmes (< 50 ans) ou celles ayant un parenchyme dense. Par conséquent, nombreuses sont celles qui doivent subir une biopsie alors que leur lésions sont bénignes. Quelques voies de recherche sont privilégiées depuis peu pour réduire l`incertitude du diagnostic par imagerie ultrasonore. Dans ce contexte, l’élastographie dynamique est prometteuse. Cette technique est inspirée du geste médical de palpation et est basée sur la détermination de la rigidité des tissus, sachant que les lésions en général sont plus rigides que le tissu sain environnant. Le principe de cette technique est de générer des ondes de cisaillement et d'en étudier la propagation de ces ondes afin de remonter aux propriétés mécaniques du milieu via un problème inverse préétabli. Cette thèse vise le développement d'une nouvelle méthode d'élastographie dynamique pour le dépistage précoce des lésions mammaires. L'un des principaux problèmes des techniques d'élastographie dynamiques en utilisant la force de radiation est la forte atténuation des ondes de cisaillement. Après quelques longueurs d'onde de propagation, les amplitudes de déplacement diminuent considérablement et leur suivi devient difficile voir impossible. Ce problème affecte grandement la caractérisation des tissus biologiques. En outre, ces techniques ne donnent que l'information sur l'élasticité tandis que des études récentes montrent que certaines lésions bénignes ont les mêmes élasticités que des lésions malignes ce qui affecte la spécificité de ces techniques et motive la quantification de d'autres paramètres mécaniques (e.g.la viscosité). Le premier objectif de cette thèse consiste à optimiser la pression de radiation acoustique afin de rehausser l'amplitude des déplacements générés. Pour ce faire, un modèle analytique de prédiction de la fréquence de génération de la force de radiation a été développé. Une fois validé in vitro, ce modèle a servi pour la prédiction des fréquences optimales pour la génération de la force de radiation dans d'autres expérimentations in vitro et ex vivo sur des échantillons de tissu mammaire obtenus après mastectomie totale. Dans la continuité de ces travaux, un prototype de sonde ultrasonore conçu pour la génération d'un type spécifique d'ondes de cisaillement appelé ''onde de torsion'' a été développé. Le but est d'utiliser la force de radiation optimisée afin de générer des ondes de cisaillement adaptatives, et de monter leur utilité dans l'amélioration de l'amplitude des déplacements. Contrairement aux techniques élastographiques classiques, ce prototype permet la génération des ondes de cisaillement selon des parcours adaptatifs (e.g. circulaire, elliptique,…etc.) dépendamment de la forme de la lésion. L’optimisation des dépôts énergétiques induit une meilleure réponse mécanique du tissu et améliore le rapport signal sur bruit pour une meilleure quantification des paramètres viscoélastiques. Il est aussi question de consolider davantage les travaux de recherches antérieurs par un appui expérimental, et de prouver que ce type particulier d'onde de torsion peut mettre en résonance des structures. Ce phénomène de résonance des structures permet de rehausser davantage le contraste de déplacement entre les masses suspectes et le milieu environnant pour une meilleure détection. Enfin, dans le cadre de la quantification des paramètres viscoélastiques des tissus, la dernière étape consiste à développer un modèle inverse basé sur la propagation des ondes de cisaillement adaptatives pour l'estimation des paramètres viscoélastiques. L'estimation des paramètres viscoélastiques se fait via la résolution d'un problème inverse intégré dans un modèle numérique éléments finis. La robustesse de ce modèle a été étudiée afin de déterminer ces limites d'utilisation. Les résultats obtenus par ce modèle sont comparés à d'autres résultats (mêmes échantillons) obtenus par des méthodes de référence (e.g. Rheospectris) afin d'estimer la précision de la méthode développée. La quantification des paramètres mécaniques des lésions permet d'améliorer la sensibilité et la spécificité du diagnostic. La caractérisation tissulaire permet aussi une meilleure identification du type de lésion (malin ou bénin) ainsi que son évolution. Cette technique aide grandement les cliniciens dans le choix et la planification d'une prise en charge adaptée.

Recognizing Indoor Scenes

We propose a scheme for indoor place identification based on the recognition of global scene views. Scene views are encoded using a holistic representation that provides low-resolution spatial and spectral information. The holistic nature of the representation dispenses with the need to rely on specific objects or local landmarks and also renders it robust against variations in object configurations. We demonstrate the scheme on the problem of recognizing scenes in video sequences captured while walking through an office environment. We develop a method for distinguishing between 'diagnostic' and 'generic' views and also evaluate changes in system performances as a function of the amount of training data available and the complexity of the representation.

Role of color in face recognition

One of the key challenges in face perception lies in determining the contribution of different cues to face identification. In this study, we focus on the role of color cues. Although color appears to be a salient attribute of faces, past research has suggested that it confers little recognition advantage for identifying people. Here we report experimental results suggesting that color cues do play a role in face recognition and their contribution becomes evident when shape cues are degraded. Under such conditions, recognition performance with color images is significantly better than that with grayscale images. Our experimental results also indicate that the contribution of color may lie not so much in providing diagnostic cues to identity as in aiding low-level image-analysis processes such as segmentation.

Relative Contributions of Internal and External Features to Face Recognition

The central challenge in face recognition lies in understanding the role different facial features play in our judgments of identity. Notable in this regard are the relative contributions of the internal (eyes, nose and mouth) and external (hair and jaw-line) features. Past studies that have investigated this issue have typically used high-resolution images or good-quality line drawings as facial stimuli. The results obtained are therefore most relevant for understanding the identification of faces at close range. However, given that real-world viewing conditions are rarely optimal, it is also important to know how image degradations, such as loss of resolution caused by large viewing distances, influence our ability to use internal and external features. Here, we report experiments designed to address this issue. Our data characterize how the relative contributions of internal and external features change as a function of image resolution. While we replicated results of previous studies that have shown internal features of familiar faces to be more useful for recognition than external features at high resolution, we found that the two feature sets reverse in importance as resolution decreases. These results suggest that the visual system uses a highly non-linear cue-fusion strategy in combining internal and external features along the dimension of image resolution and that the configural cues that relate the two feature sets play an important role in judgments of facial identity.

Simplification, approximation and deformation of large models

The high level of realism and interaction in many computer graphic applications requires techniques for processing complex geometric models. First, we present a method that provides an accurate low-resolution approximation from a multi-chart textured model that guarantees geometric fidelity and correct preservation of the appearance attributes. Then, we introduce a mesh structure called Compact Model that approximates dense triangular meshes while preserving sharp features, allowing adaptive reconstructions and supporting textured models. Next, we design a new space deformation technique called *Cages based on a multi-level system of cages that preserves the smoothness of the mesh between neighbouring cages and is extremely versatile, allowing the use of heterogeneous sets of coordinates and different levels of deformation. Finally, we propose a hybrid method that allows to apply any deformation technique on large models obtaining high quality results with a reduced memory footprint and a high performance.

A description of the FAMOUS (version XDBUA) climate model and control run

FAMOUS is an ocean-atmosphere general circulation model of low resolution, capable of simulating approximately 120 years of model climate per wallclock day using current high performance computing facilities. It uses most of the same code as HadCM3, a widely used climate model of higher resolution and computational cost, and has been tuned to reproduce the same climate reasonably well. FAMOUS is useful for climate simulations where the computational cost makes the application of HadCM3 unfeasible, either because of the length of simulation or the size of the ensemble desired. We document a number of scientific and technical improvements to the original version of FAMOUS. These improvements include changes to the parameterisations of ozone and sea-ice which alleviate a significant cold bias from high northern latitudes and the upper troposphere, and the elimination of volume-averaged drifts in ocean tracers. A simple model of the marine carbon cycle has also been included. A particular goal of FAMOUS is to conduct millennial-scale paleoclimate simulations of Quaternary ice ages; to this end, a number of useful changes to the model infrastructure have been made.

Terrestrial implications for the maritime geoarchaeological resource: A view from the Lower Palaeolithic

Stone tools and faunal remains have been recovered from the English Channel and the North Sea through trawling, dredging for aggregates, channel clearance, and coring. These finds highlight the potential for a maritime Lower Palaeolithic archaeological resource. It is proposed here that any Lower Palaeolithic artefacts, faunal remains, and sediments deposited in the maritime zone during dry, low-stand phases were once (and may still be) contextually similar to their counterparts in the terrestrial Lower Palaeolithic records of north-western Europe. Given these similarities, can interpretive models and analytical frameworks developed for terrestrial archaeology be profitably applied to an assessment of the potential value of any maritime resource? The terrestrial geoarchaeological resource for the Lower Palaeolithic is dominated by artefacts and ecofacts that have been fluvially reworked. The spatio-temporal resolution of these data varies from entire river valleys and marine isotope stages to river channel gravel bar surfaces and decadal timescales, thus supporting a variety of questions and approaches. However, the structure of the terrestrial resource also highlights two fundamental limitations in current maritime knowledge that can restrict the application of terrestrial approaches to any potential maritime resource: (i) how have the repetitive transgressions and regressions of the Middle and Late Pleistocene modified the terrace landforms and sediments associated with the river systems of the English Channel and southern North Sea basins?; and (ii) do the surviving submerged terrace landforms and fluvial sedimentary deposits support robust geochronological models, as is the case with the classical terrestrial terrace sequences? This paper highlights potential approaches to these questions, and concludes that the fluvial palaeogeography, Pleistocene fossils, and potential Lower Palaeolithic artefacts of the maritime geoarchaeological resource can be profitably investigated in future as derived, low-resolution data sets, facilitating questions of colonisation, occupation, demography, and material culture.

Global climate and ocean circulation on an aquaplanet ocean-atmosphere general circulation model

A low resolution coupled ocean-atmosphere general circulation model OAGCM is used to study the characteristics of the large scale ocean circulation and its climatic impacts in a series of global coupled aquaplanet experiments. Three configurations, designed to produce fundamentally different ocean circulation regimes, are considered. The first has no obstruction to zonal flow, the second contains a low barrier that blocks zonal flow in the ocean at all latitudes, creating a single enclosed basin, whilst the third contains a gap in the barrier to allow circumglobal flow at high southern latitudes. Warm greenhouse climates with a global average air surface temperature of around 27C result in all cases. Equator to pole temperature gradients are shallower than that of a current climate simulation. Whilst changes in the land configuration cause regional changes in temperature, winds and rainfall, heat transports within the system are little affected. Inhibition of all ocean transport on the aquaplanet leads to a reduction in global mean surface temperature of 8C, along with a sharpening of the meridional temperature gradient. This results from a reduction in global atmospheric water vapour content and an increase in tropical albedo, both of which act to reduce global surface temperatures. Fitting a simple radiative model to the atmospheric characteristics of the OAGCM solutions suggests that a simpler atmosphere model, with radiative parameters chosen a priori based on the changing surface configuration, would have produced qualitatively different results. This implies that studies with reduced complexity atmospheres need to be guided by more complex OAGCM results on a case by case basis.

l-resonance perturbations in infrared perpendicular bands

The effects of ℓ-type resonance on rovibrational bands in infrared spectra are reviewed. Observed spectra are compared with computer-simulated spectra obtained by solving the Hamiltonian matrix numerically and calculating the true (perturbed) wavenumber and intensity of each line in the band. The most obvious effects in the spectra are shown to result from intensity perturbations rather than line-shifts; in oblate symmetric tops the Q branch structure near the band center may show anomalies due to ℓ-resonance even at quite low resolution and even when the accidental resonance is not very exact. Numerical values of ℓ-doubling constants are obtained for several cyclopropane bands by comparing observed band contours at about 0.2-cm−1 resolution with computed contours. Although the constants are not determined with great precision, the sign of the ℓ-doubling constants is determined unambiguously.

Evaluating the ability of a numerical weather prediction model to forecast tracer concentrations during ETEX 2

In this paper the meteorological processes responsible for transporting tracer during the second ETEX (European Tracer EXperiment) release are determined using the UK Met Office Unified Model (UM). The UM predicted distribution of tracer is also compared with observations from the ETEX campaign. The dominant meteorological process is a warm conveyor belt which transports large amounts of tracer away from the surface up to a height of 4 km over a 36 h period. Convection is also an important process, transporting tracer to heights of up to 8 km. Potential sources of error when using an operational numerical weather prediction model to forecast air quality are also investigated. These potential sources of error include model dynamics, model resolution and model physics. In the UM a semi-Lagrangian monotonic advection scheme is used with cubic polynomial interpolation. This can predict unrealistic negative values of tracer which are subsequently set to zero, and hence results in an overprediction of tracer concentrations. In order to conserve mass in the UM tracer simulations it was necessary to include a flux corrected transport method. Model resolution can also affect the accuracy of predicted tracer distributions. Low resolution simulations (50 km grid length) were unable to resolve a change in wind direction observed during ETEX 2, this led to an error in the transport direction and hence an error in tracer distribution. High resolution simulations (12 km grid length) captured the change in wind direction and hence produced a tracer distribution that compared better with the observations. The representation of convective mixing was found to have a large effect on the vertical transport of tracer. Turning off the convective mixing parameterisation in the UM significantly reduced the vertical transport of tracer. Finally, air quality forecasts were found to be sensitive to the timing of synoptic scale features. Errors in the position of the cold front relative to the tracer release location of only 1 h resulted in changes in the predicted tracer concentrations that were of the same order of magnitude as the absolute tracer concentrations.

Kinetic energy analysis of the response of the Atlantic meridional overturning circulation to CO2-forced climate change

Atmosphere–ocean general circulation models (AOGCMs) predict a weakening of the Atlantic meridional overturning circulation (AMOC) in response to anthropogenic forcing of climate, but there is a large model uncertainty in the magnitude of the predicted change. The weakening of the AMOC is generally understood to be the result of increased buoyancy input to the north Atlantic in a warmer climate, leading to reduced convection and deep water formation. Consistent with this idea, model analyses have shown empirical relationships between the AMOC and the meridional density gradient, but this link is not direct because the large-scale ocean circulation is essentially geostrophic, making currents and pressure gradients orthogonal. Analysis of the budget of kinetic energy (KE) instead of momentum has the advantage of excluding the dominant geostrophic balance. Diagnosis of the KE balance of the HadCM3 AOGCM and its low-resolution version FAMOUS shows that KE is supplied to the ocean by the wind and dissipated by viscous forces in the global mean of the steady-state control climate, and the circulation does work against the pressure-gradient force, mainly in the Southern Ocean. In the Atlantic Ocean, however, the pressure-gradient force does work on the circulation, especially in the high-latitude regions of deep water formation. During CO2-forced climate change, we demonstrate a very good temporal correlation between the AMOC strength and the rate of KE generation by the pressure-gradient force in 50–70°N of the Atlantic Ocean in each of nine contemporary AOGCMs, supporting a buoyancy-driven interpretation of AMOC changes. To account for this, we describe a conceptual model, which offers an explanation of why AOGCMs with stronger overturning in the control climate tend to have a larger weakening under CO2 increase.

Atmospheric blocking and mean biases in climate models

Models often underestimate blocking in the Atlantic and Pacific basins and this can lead to errors in both weather and climate predictions. Horizontal resolution is often cited as the main culprit for blocking errors due to poorly resolved small-scale variability, the upscale effects of which help to maintain blocks. Although these processes are important for blocking, the authors show that much of the blocking error diagnosed using common methods of analysis and current climate models is directly attributable to the climatological bias of the model. This explains a large proportion of diagnosed blocking error in models used in the recent Intergovernmental Panel for Climate Change report. Furthermore, greatly improved statistics are obtained by diagnosing blocking using climate model data corrected to account for mean model biases. To the extent that mean biases may be corrected in low-resolution models, this suggests that such models may be able to generate greatly improved levels of atmospheric blocking.