Parity violation in Aharonov-Bohm systems: The spontaneous Hall effect

We show how macroscopic manifestations of P (and T) symmetry breaking can arise in a simple system subject to Aharonov-Bohm interactions. Specifically, we study the conductivity of a gas of charged particles moving through a dilute array of flux tubes. The interaction of the electrons with the flux tubes is taken to be of a purely Aharonov-Bohm type. We find that the system exhibits a nonzero transverse conductivity, i.e., a spontaneous Hall effect. This is in contrast to the fact that the cross sections for both scattering and bremsstrahlung (soft-photon emission) of a single electron from a flux tube are invariant under reflections. We argue that the asymmetry in the conductivity coefficients arises from many-body effects. On the other hand, the transverse conductivity has the same dependence on universal constants that appears in the quantum Hall effect, a result that we relate to the validity of the mean-field approximation.

Chaotic, memory, and cooling rate effects in spin glasses: Evaluation of the Edwards-Anderson model

We investigate chaotic, memory, and cooling rate effects in the three-dimensional Edwards-Anderson model by doing thermoremanent (TRM) and ac susceptibility numerical experiments and making a detailed comparison with laboratory experiments on spin glasses. In contrast to the experiments, the Edwards-Anderson model does not show any trace of reinitialization processes in temperature change experiments (TRM or ac). A detailed comparison with ac relaxation experiments in the presence of dc magnetic field or coupling distribution perturbations reveals that the absence of chaotic effects in the Edwards-Anderson model is a consequence of the presence of strong cooling rate effects. We discuss possible solutions to this discrepancy, in particular the smallness of the time scales reached in numerical experiments, but we also question the validity of the Edwards-Anderson model to reproduce the experimental results.

Interaccion among systems of finite size in predictive relativistic mechanics I. General framework

We derive a Hamiltonian formulation for the three-dimensional formalism of predictive relativistic mechanics. This Hamiltonian structure is used to derive a set of dynamical equations describing the interaction among systems in perturbation theory.

Static and dynamic structure of liquid metals: Role of the different parts of the interaction potential

The influence of different parts of the interaction potential on the microscopic behavior of simple liquid metals is investigated by molecular dynamics simulation. The role of the soft-core repulsive, short-range attractive, and long-range oscillatory forces on the properties of liquid lithium close to the triple point is analyzed by comparing the results from simulations of identical systems but truncating the potential at different distances. Special attention is paid to dynamic collective properties such as the dynamic structure factors, transverse current correlation functions, and transport coefficients. It is observed that, in general, the effects of the short-range attractive forces are important. On the contrary, the influence of the oscillatory long-range interactions is considerably less, being the most pronounced for the dynamic structure factor at long wavelengths. The results of this work suggest that the influence of the attractive forces becomes less significant when temperature and density increase.

Counter-ion effect on surfactant-DNA gel particles as controlled DNA delivery systems

The ability to entrap drugs within vehicles and subsequently release them has led to new treatments for a number of diseases. Based on an associative phase separation and interfacial diffusion approach, we developed a way to prepare DNA gel particles without adding any kind of cross-linker or organic solvent. Among the various agents studied, cationic surfactants offered particularly efficient control for encapsulation and DNA release from these DNA gel particles. The driving force for this strong association is the electrostatic interaction between the two components, as induced by the entropic increase due to the release of the respective counter-ions. However, little is known about the influence of the respective counter-ions on this surfactant-DNA interaction. Here we examined the effect of different counter-ions on the formation and properties of the DNA gel particles by mixing DNA (either single- (ssDNA) or double-stranded (dsDNA)) with the single chain surfactant dodecyltrimethylammonium (DTA). In particular, we used as counter-ions of this surfactant the hydrogen sulfate and trifluoromethane sulfonate anions and the two halides, chloride and bromide. Effects on the morphology of the particles obtained, the encapsulation of DNA and its release, as well as the haemocompatibility of these particles, are presented, using the counter-ion structure and the DNA conformation as controlling parameters. Analysis of the data indicates that the degree of counter-ion dissociation from the surfactant micelles and the polar/hydrophobic character of the counter-ion are important parameters in the final properties of the particles. The stronger interaction with amphiphiles for ssDNA than for dsDNA suggests the important role of hydrophobic interactions in DNA.

Ab Initio study of magnetic interactions in the KCuF3 and K2CuF4 low-dimensional Systems

The ab initio cluster model approach has been used to study the electronic structure and magnetic coupling of KCuF3 and K2CuF4 in their various ordered polytype crystal forms. Due to a cooperative Jahn-Teller distortion these systems exhibit strong anisotropies. In particular, the magnetic properties strongly differ from those of isomorphic compounds. Hence, KCuF3 is a quasi-one-dimensional (1D) nearest neighbor Heisenberg antiferromagnet whereas K2CuF4 is the only ferromagnet among the K2MF4 series of compounds (M=Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) behaving all as quasi-2D nearest neighbor Heisenberg systems. Different ab initio techniques are used to explore the magnetic coupling in these systems. All methods, including unrestricted Hartree-Fock, are able to explain the magnetic ordering. However, quantitative agreement with experiment is reached only when using a state-of-the-art configuration interaction approach. Finally, an analysis of the dependence of the magnetic coupling constant with respect to distortion parameters is presented.

A Small World Perspective on Urban Systems

The theory of small-world networks as initiated by Watts and Strogatz (1998) has drawn new insights in spatial analysis as well as systems theory. The theoryâeuro?s concepts and methods are particularly relevant to geography, where spatial interaction is mainstream and where interactions can be described and studied using large numbers of exchanges or similarity matrices. Networks are organized through direct links or by indirect paths, inducing topological proximities that simultaneously involve spatial, social, cultural or organizational dimensions. Network synergies build over similarities and are fed by complementarities between or inside cities, with the two effects potentially amplifying each other according to the âeurooepreferential attachmentâeuro hypothesis that has been explored in a number of different scientific fields (Barabási, Albert 1999; Barabási A-L 2002; Newman M, Watts D, Barabàsi A-L). In fact, according to Barabási and Albert (1999), the high level of hierarchy observed in âeurooescale-free networksâeuro results from âeurooepreferential attachmentâeuro, which characterizes the development of networks: new connections appear preferentially close to nodes that already have the largest number of connections because in this way, the improvement in the network accessibility of the new connection will likely be greater. However, at the same time, network regions gathering dense and numerous weak links (Granovetter, 1985) or network entities acting as bridges between several components (Burt 2005) offer a higher capacity for urban communities to benefit from opportunities and create future synergies. Several methodologies have been suggested to identify such denser and more coherent regions (also called communities or clusters) in terms of links (Watts, Strogatz 1998; Watts 1999; Barabási, Albert 1999; Barabási 2002; Auber 2003; Newman 2006). These communities not only possess a high level of dependency among their member entities but also show a low level of âeurooevulnerabilityâeuro, allowing for numerous redundancies (Burt 2000; Burt 2005). The SPANGEO project 2005âeuro"2008 (SPAtial Networks in GEOgraphy), gathering a team of geographers and computer scientists, has included empirical studies to survey concepts and measures developed in other related fields, such as physics, sociology and communication science. The relevancy and potential interpretation of weighted or non-weighted measures on edges and nodes were examined and analyzed at different scales (intra-urban, inter-urban or both). New classification and clustering schemes based on the relative local density of subgraphs were developed. The present article describes how these notions and methods contribute on a conceptual level, in terms of measures, delineations, explanatory analyses and visualization of geographical phenomena.

Fluid-rock interaction during late stages of the Alpine exhumation

Résumé de la thèseLa fracturation des roches au cours de phases compressives ou extensives est un souvent évoquée pour expliquer la circulation de fluide au sein des roches cristallines. Dans le cadre de cette thèse, la circulation des fluides lors de l'exhumation tardive des Alpes a été étudiée en utilisant deux approches différentes: analyses structurales de la déformation fragile d'une part et analyses géochimiques des roches et des minéraux (isotopes stables, datations U/Pb, thermochronologie (U-Th)/He) d'autre part. Cette approche combinée a permis de mieux comprendre l'interaction existante entre les fluides métamorphiques et les fluides météoriques, ainsi que leur interaction avec les roches encaissantes. Le travail a été effectué dans la zone Pennique du Valais suisse.La première partie était focalisée sur la déformation fragile, le but étant de définir les différents types de déformations existantes et de déterminer l'âge relatif des différentes familles de failles. Dans la région d'étude, quatre domaines ont été distingués. Chacun d'eux comportent deux types de structures fragiles, certaines sont minéralisées alors que d'autre non. Au sein de chaque domaine, la direction principale des structures minéralisées correspond à l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région (Aosta- Ranzola Line au Sud, Rhône Line au Nord et Simplon Fault Zone à l'Est), alors que les structures non- minéralisées montrent des orientations plus variables. Ainsi, le premier type de structure est interprété comme résultant d'une dislocation tectonique alors que le deuxième type de structure résulterait d'une dislocation gravitaire locale. Il n'est néanmoins pas possible de classer chronologiquement la formation de ces deux types de structure ni d'attribuer un âge relatif aux changements d'orientation des contraintes majeures.La deuxième étude a été effectuée dans la région de la zone de faille du Simplon. Dans cette zone, la composition isotopique des minéraux ayant cristallisé à l'intérieur des fractures tardives permet de distinguer différents types de circulation de fluide. Les valeurs δ180 du quartz de la roche encaissante ainsi que ceux des veines tardives du bloque inférieur de la faille sont comparables. Ces valeurs indiquent un rééquilibrage et un tamponnage isotopique des fluides tardifs au contact de la roche encaissante lors de la fracturation de cette dernière et de la cristallisation des veines tardives. La même situation est observée dans la partie nord du bloque supérieur ainsi que dans sa partie sud. Ceci n'est néanmoins pas le cas pour la partie centrale du bloque supérieur où les valeurs isotopiques des minéraux dans les veines tardives sont approximativement 3 %o plus basses (avec des valeurs extrêmes négatifs), indiquant une contribution d'eau météorique aux fluides circulant dans les veines. Ces données suggèrent qu'une infiltration d'eau météorique a pu avoir lieu dans le bloque supérieur, où la fracturation des roches est plus intensive car le déplacement relatif le long de la faille y fut plus important, et la température maximale du métamorphisme plus basse. La troisième contribution traite de la géo-thermochronologie de la zone de contact entre la klippe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. De petits zircons euhédraux ont été trouvés dans un plan de faille minéralisé (parallèle à la Faille du Rhône, voir première partie de l'étude), riche en hématite et quartz, de la zone d'étude. Les analyses U/Pb donnent des âges radiométriques autour de 270 - 280 Ma aux zircons extraits de la minéralisation ainsi que ceux extraits de la roche encaissante, ce qui correspond à l'âge de la nappe de la Dent Blanche et non celui de la nappe du Tsaté qui est elle-même classiquement interprétée comme une ophiolite Jurassique de l'Océan Liguro-Piémontais. Ces données suggèrent que les zircons contenus dans la veine ont été hérités de la roche encaissante. Les résultats (U-Th)/He indiquent un âge de refroidissement différent pour la roche encaissante (25.5 ± 2.0 Ma) que celui de la minéralisation (17.7 ±1.4 Ma). Le thermomètre isotopique quartz-hématite indique une température d'équilibre, et donc de mise en place de la minéralisation, d'environ 170 °C, température très proche de la température de -180 °C de fermeture du zircon pour le système (U-Th)/He. Ceci suggère que l'âge de refroidissement des zircons de la minéralisation correspond aussi à l'âge de formation de la faille.Thesis abstractFluid circulation in fractured rocks is a common process in geology, and it is generally the consequence of faulting and fracturing during both tectonic compression and extension. This thesis is focused on fluid circulation during late stages of the Alpine exhumation. After a structural analysis of the late brittle deformation of the studied samples, several analytical methods (stable isotope investigations, U/Pb radiometric dating, (U-Th)/He thermochronology) have been applied to understand the interaction of metamorphic and meteoric fluids with one another as well as with the host rock. This thesis is articulated around three study directions. All studies were conducted in the Penninic Zone of the Valais, Switzerland. The first study deals with late, brittle deformation and focuses on the different deformation styles and on the relative age of the different families of fractures. In order to do this, late brittle structures observed in four different domains have been subdivided as a function of the existence (or not) and type of mineralization. Comparisons between mineralized and non-mineralized strike directions for all four domains show that mineralized structures follow the strike orientation of major tectonic movements indicated in the Penninic Zone of the Valais (Aosta-Ranzola Line to the S, Rhône Line to the Ν and Simplon Fault Zone to the E), whereas non-mineralized fractures have a more variable strike orientation. This difference could be interpreted as indicative of tectonic-related faulting (mineralized structures) vs. local, collapse-related faulting (non-mineralized fractures), but it is not strong enough to indicate a relative age of the late brittle structures, and/or a change in the orientation of the strain field in post-Miocene times. The second studied area is focused on the Simplon Fault Zone (SFZ). Stable isotope analyses of minerals filling these late fractures indicate that there are two different fluid circulation systems in the footwall and hanging wall of the SFZ. In the footwall, δ180 values of quartz from both the host rock and the late veins range from +10 %o to +12 %o. This is consistent with buffering of circulating fluids by the host rock during fracturing and vein precipitation. In the hanging wall, δΙ80 values for quartz crystals from the host rock and the late veins are similar in both the northern and southern parts of the detachment that are both affected by the same degree of metamorphism (greenschist to the Ν and amphibolite to the S). This is not the case in the central part of the SFZ, where there is a jump from amphibolite facies in the footwall to greenschist facies in the hanging wall. δ,80 values for quartz from the hanging wall late veins are approximately 3.0 %o lower (down to negative values in some cases) than the values observed in the footwall These data suggest that infiltration of meteoric water may have occurred in the most fractured parts of the hanging wall, where relative displacement on the SFZ was the greatest and the peak temperature lower. In the less fractured footwall the δ180 values reflect a host rock-buffered system.The third study is focused on geo-thermochronology at the contact between the Dent Blanche nappe and the Tsaté nappe where small, euhedral zircons were found in a hematite- and quartz-rich mineralization on a late normal fault plane parallel to the Rhône Line (see first part of the study). U/Pb analysis indicates that the zircons - both in the late mineralization and in the host rock - have absolute radiometric ages clustering around 270 - 280 Ma, which is the accepted age for intrusive rocks from the Austroalpine Dent Blanche units but not for the Tsaté nappe. The latter is classically interpreted as an ophiolitic remnant of the Jurassic Liguro-Piemontais Ocean. U/Pb analyses suggest that zircons in late mineralization are all inherited from the host rock; however, results of (U-Th)/He analyses indicate that cooling ages for the host rocks are different to the cooling ages for the zircons in late mineralization. Indeed, the calculated cooling age for the Arolla gneiss is 25.5 ± 2.0 Ma, whilst the cooling age for the associated mineralized fault plane is 17.7 ±1.4 Ma. Oxygen stable isotope fractionation between quartz and hematite in the same late mineralization corresponds to temperatures of about 170 °C. The proximity of the calculated emplacement temperature for the mineralization and the lower accepted closure temperature for zircon in the (U-Th)/He system (-180 °C) imply that the age of 17.7 ± 1.4 Ma can also be interpreted as the formation age of this late brittle fault.Résumé grand publicLa circulation des fluides dans les roches fracturées est typique de nombreux processus géologiques, et très souvent est la conséquence de la fracturation des roches. Cette thèse aborde la question de la circulation des fluides pendant les dernières phases du soulèvement des Alpes. Après une analyse structurale de la fracturation directement sur le terrain, plusieurs méthodes géochimiques ont été appliquées pour comprendre l'interaction entre les différents fluides circulants, et avec leur propre roche mère. L'étude, concentrée sur trois directions principales, a été conduite dans la zone Pennique du Valais suisse. La première partie traite de la déformation cassante dans le secteur cité. L'analyse détaillée des fractures a permis de les subdiviser en structures minéralisées et non-minéralisées, sur quatre domaines différents. La comparaison entre les directions des structures minéralisées et non-minéralisées a permis de montrer que les premières suivent l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région, alors que les structures non- minéralisées ont une orientation plus variable. Cette différence pourrait être interprétée comme indication d'une dislocation tectonique (structures minéralisées) contre une dislocation gravitaire locale (structures non-minéralisées), mais elle n'est pas assez forte pour indiquer un âge relatif des structures tardives et/ou un changement de l'orientation des contraintes après -20 Ma vers le présent.A partir de ces observations, la deuxième étude est concentrée dans la région de la faille du Simplon. Les analyses géochimiques sur les minéraux remplissant les structures tardives indiquent qu'il y a deux différents systèmes de circulation des fluides dans les deux parties (toit et mur) de la faille. Dans le mur, les valeurs isotopiques des minéraux cristallisés à partir d'un fluide tardif sont les mêmes de ceux de la roche mère, donc il y a eu rééquilibration chimique entre fluide et roche pendant la fracturation de cette dernière et la précipitation des minéraux. Dans le toit, les valeurs isotopiques dans la roche mère et dans les minéraux des veines tardives sont comparables dans les parties Ν et S de la faille, où les roches du toit et du mur ont atteint une température maximale - pendant phase prograde de la formation des Alpes - comparable. Au contraire, dans la partie centrale, où le mur a atteint des températures maximales plus élevées par rapport au toit, les valeurs géochimiques des minéralisations tardives du toit sont parfois plus basses que les valeurs observées dans le mur. Ces données suggèrent que l'infiltration de l'eau de surface aurait pu se produire dans la partie plus fracturée du toit, où le déplacement relatif le long de la faille était majeur et les températures maximales mineures. Au contraire, les données géochimiques du mur de la partie centrale indiquent un système isotopique équilibré par la roche mère.La troisième partie de ce travail se base sur l'étude géochimique intégrée des isotopes stables d'Oxygène et radioactifs du Plomb, Uranium, Thorium et Hélium, auprès d'une faille normale minéralisée et des roches de la région à cheval entre deux nappes, la nappe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. Ici, des petits zircons ont été trouvés dans la minéralisation citée, riche en hématite et quartz. L'analyse radiométrique Uranium/Plomb a montré que les zircons dans la minéralisation et dans les roches autour ont des âges comparables (autour 280 Ma). Cela signifie que les zircons dans la minéralisation tardive ont été hérités de la roche mère pendant la fracturation et la circulation des fluides tardives. De l'autre coté, les résultats des analyses Uranium-Thorium/Hélium indiquent que les âges de refroidissement pour les roches mères sont différents comparés aux âges de refroidissement pour les zircons dans la minéralisation tardive: ces derniers sont plus jeunes d'environ 8 Ma (autour 25 Ma et autour 17 Ma respectivement). Les analyses des isotopes de l'oxygène sur quartz et hématite dans la même minéralisation donnent une température de mise en place de cette dernière d'environ 170° C. La température de fermeture du système chimique des zircons dans le système (Uranium-Thorium)/Hélium est d'environ 180 °C: la proximité de ces deux températures implique que l'âge de refroidissement de la minéralisation tardive peut également être interprété comme âge de formation de la faille.

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.

Systems analysis of MVA-C induced immune response reveals its significance as a vaccine candidate against HIV/AIDS of clade C.

Based on the partial efficacy of the HIV/AIDS Thai trial (RV144) with a canarypox vector prime and protein boost, attenuated poxvirus recombinants expressing HIV-1 antigens are increasingly sought as vaccine candidates against HIV/AIDS. Here we describe using systems analysis the biological and immunological characteristics of the attenuated vaccinia virus Ankara strain expressing the HIV-1 antigens Env/Gag-Pol-Nef of HIV-1 of clade C (referred as MVA-C). MVA-C infection of human monocyte derived dendritic cells (moDCs) induced the expression of HIV-1 antigens at high levels from 2 to 8 hpi and triggered moDCs maturation as revealed by enhanced expression of HLA-DR, CD86, CD40, HLA-A2, and CD80 molecules. Infection ex vivo of purified mDC and pDC with MVA-C induced the expression of immunoregulatory pathways associated with antiviral responses, antigen presentation, T cell and B cell responses. Similarly, human whole blood or primary macrophages infected with MVA-C express high levels of proinflammatory cytokines and chemokines involved with T cell activation. The vector MVA-C has the ability to cross-present antigens to HIV-specific CD8 T cells in vitro and to increase CD8 T cell proliferation in a dose-dependent manner. The immunogenic profiling in mice after DNA-C prime/MVA-C boost combination revealed activation of HIV-1-specific CD4 and CD8 T cell memory responses that are polyfunctional and with effector memory phenotype. Env-specific IgG binding antibodies were also produced in animals receiving DNA-C prime/MVA-C boost. Our systems analysis of profiling immune response to MVA-C infection highlights the potential benefit of MVA-C as vaccine candidate against HIV/AIDS for clade C, the prevalent subtype virus in the most affected areas of the world.

Behavioural queueing : cellular automata and a laboratory experiment

Dans cette thèse, nous étudions les aspects comportementaux d'agents qui interagissent dans des systèmes de files d'attente à l'aide de modèles de simulation et de méthodologies expérimentales. Chaque période les clients doivent choisir un prestataire de servivce. L'objectif est d'analyser l'impact des décisions des clients et des prestataires sur la formation des files d'attente. Dans un premier cas nous considérons des clients ayant un certain degré d'aversion au risque. Sur la base de leur perception de l'attente moyenne et de la variabilité de cette attente, ils forment une estimation de la limite supérieure de l'attente chez chacun des prestataires. Chaque période, ils choisissent le prestataire pour lequel cette estimation est la plus basse. Nos résultats indiquent qu'il n'y a pas de relation monotone entre le degré d'aversion au risque et la performance globale. En effet, une population de clients ayant un degré d'aversion au risque intermédiaire encoure généralement une attente moyenne plus élevée qu'une population d'agents indifférents au risque ou très averses au risque. Ensuite, nous incorporons les décisions des prestataires en leur permettant d'ajuster leur capacité de service sur la base de leur perception de la fréquence moyenne d'arrivées. Les résultats montrent que le comportement des clients et les décisions des prestataires présentent une forte "dépendance au sentier". En outre, nous montrons que les décisions des prestataires font converger l'attente moyenne pondérée vers l'attente de référence du marché. Finalement, une expérience de laboratoire dans laquelle des sujets jouent le rôle de prestataire de service nous a permis de conclure que les délais d'installation et de démantèlement de capacité affectent de manière significative la performance et les décisions des sujets. En particulier, les décisions du prestataire, sont influencées par ses commandes en carnet, sa capacité de service actuellement disponible et les décisions d'ajustement de capacité qu'il a prises, mais pas encore implémentées. - Queuing is a fact of life that we witness daily. We all have had the experience of waiting in line for some reason and we also know that it is an annoying situation. As the adage says "time is money"; this is perhaps the best way of stating what queuing problems mean for customers. Human beings are not very tolerant, but they are even less so when having to wait in line for service. Banks, roads, post offices and restaurants are just some examples where people must wait for service. Studies of queuing phenomena have typically addressed the optimisation of performance measures (e.g. average waiting time, queue length and server utilisation rates) and the analysis of equilibrium solutions. The individual behaviour of the agents involved in queueing systems and their decision making process have received little attention. Although this work has been useful to improve the efficiency of many queueing systems, or to design new processes in social and physical systems, it has only provided us with a limited ability to explain the behaviour observed in many real queues. In this dissertation we differ from this traditional research by analysing how the agents involved in the system make decisions instead of focusing on optimising performance measures or analysing an equilibrium solution. This dissertation builds on and extends the framework proposed by van Ackere and Larsen (2004) and van Ackere et al. (2010). We focus on studying behavioural aspects in queueing systems and incorporate this still underdeveloped framework into the operations management field. In the first chapter of this thesis we provide a general introduction to the area, as well as an overview of the results. In Chapters 2 and 3, we use Cellular Automata (CA) to model service systems where captive interacting customers must decide each period which facility to join for service. They base this decision on their expectations of sojourn times. Each period, customers use new information (their most recent experience and that of their best performing neighbour) to form expectations of sojourn time at the different facilities. Customers update their expectations using an adaptive expectations process to combine their memory and their new information. We label "conservative" those customers who give more weight to their memory than to the xiv Summary new information. In contrast, when they give more weight to new information, we call them "reactive". In Chapter 2, we consider customers with different degree of risk-aversion who take into account uncertainty. They choose which facility to join based on an estimated upper-bound of the sojourn time which they compute using their perceptions of the average sojourn time and the level of uncertainty. We assume the same exogenous service capacity for all facilities, which remains constant throughout. We first analyse the collective behaviour generated by the customers' decisions. We show that the system achieves low weighted average sojourn times when the collective behaviour results in neighbourhoods of customers loyal to a facility and the customers are approximately equally split among all facilities. The lowest weighted average sojourn time is achieved when exactly the same number of customers patronises each facility, implying that they do not wish to switch facility. In this case, the system has achieved the Nash equilibrium. We show that there is a non-monotonic relationship between the degree of risk-aversion and system performance. Customers with an intermediate degree of riskaversion typically achieve higher sojourn times; in particular they rarely achieve the Nash equilibrium. Risk-neutral customers have the highest probability of achieving the Nash Equilibrium. Chapter 3 considers a service system similar to the previous one but with risk-neutral customers, and relaxes the assumption of exogenous service rates. In this sense, we model a queueing system with endogenous service rates by enabling managers to adjust the service capacity of the facilities. We assume that managers do so based on their perceptions of the arrival rates and use the same principle of adaptive expectations to model these perceptions. We consider service systems in which the managers' decisions take time to be implemented. Managers are characterised by a profile which is determined by the speed at which they update their perceptions, the speed at which they take decisions, and how coherent they are when accounting for their previous decisions still to be implemented when taking their next decision. We find that the managers' decisions exhibit a strong path-dependence: owing to the initial conditions of the model, the facilities of managers with identical profiles can evolve completely differently. In some cases the system becomes "locked-in" into a monopoly or duopoly situation. The competition between managers causes the weighted average sojourn time of the system to converge to the exogenous benchmark value which they use to estimate their desired capacity. Concerning the managers' profile, we found that the more conservative Summary xv a manager is regarding new information, the larger the market share his facility achieves. Additionally, the faster he takes decisions, the higher the probability that he achieves a monopoly position. In Chapter 4 we consider a one-server queueing system with non-captive customers. We carry out an experiment aimed at analysing the way human subjects, taking on the role of the manager, take decisions in a laboratory regarding the capacity of a service facility. We adapt the model proposed by van Ackere et al (2010). This model relaxes the assumption of a captive market and allows current customers to decide whether or not to use the facility. Additionally the facility also has potential customers who currently do not patronise it, but might consider doing so in the future. We identify three groups of subjects whose decisions cause similar behavioural patterns. These groups are labelled: gradual investors, lumpy investors, and random investor. Using an autocorrelation analysis of the subjects' decisions, we illustrate that these decisions are positively correlated to the decisions taken one period early. Subsequently we formulate a heuristic to model the decision rule considered by subjects in the laboratory. We found that this decision rule fits very well for those subjects who gradually adjust capacity, but it does not capture the behaviour of the subjects of the other two groups. In Chapter 5 we summarise the results and provide suggestions for further work. Our main contribution is the use of simulation and experimental methodologies to explain the collective behaviour generated by customers' and managers' decisions in queueing systems as well as the analysis of the individual behaviour of these agents. In this way, we differ from the typical literature related to queueing systems which focuses on optimising performance measures and the analysis of equilibrium solutions. Our work can be seen as a first step towards understanding the interaction between customer behaviour and the capacity adjustment process in queueing systems. This framework is still in its early stages and accordingly there is a large potential for further work that spans several research topics. Interesting extensions to this work include incorporating other characteristics of queueing systems which affect the customers' experience (e.g. balking, reneging and jockeying); providing customers and managers with additional information to take their decisions (e.g. service price, quality, customers' profile); analysing different decision rules and studying other characteristics which determine the profile of customers and managers.

Thermostatistical description of small systems in nonequilibrium conditions: Energy conversion and harvesting

Hysteresis cycles are very important features of energy conversion and harvesting devices, such as batteries. The efficiency of these may be strongly affected by the physical size of the system. Here, we show that in systems which are small enough, the existence of physical boundaries which produce nonhomogeneities of the interaction potential gives rise to inflections and barriers in the associated free energy. This in turn brings on irreversible processes which can be triggered under suitable external conditions imposed by a heat bath. As an example, by controlling the temperature, the state of a small system may be impelled to oscillate between two different structural configurations or aggregation states avoiding equilibrium coexistence and therefore dissipating energy. This cyclical behavior associated with a hysteresis cycle may be prototypical of energy conversion, storage, or generating nanodevices, as exemplified by Li-ion insertion batteries.

Effect of spatial processes on the evolution of ecological niches and dispersal in metacommunity systems

RésuméLa coexistence de nombreuses espèces différentes a de tout temps intrigué les biologistes. La diversité et la composition des communautés sont influencées par les perturbations et l'hétérogénéité des conditions environnementales. Bien que dans la nature la distribution spatiale des conditions environnementales soit généralement autocorrélée, cet aspect est rarement pris en compte dans les modèles étudiant la coexistence des espèces. Dans ce travail, nous avons donc abordé, à l'aide de simulations numériques, la coexistence des espèces ainsi que leurs caractéristiques au sein d'un environnement autocorrélé.Afin de prendre en compte cet élément spatial, nous avons développé un modèle de métacommunauté (un ensemble de communautés reliées par la dispersion des espèces) spatialement explicite. Dans ce modèle, les espèces sont en compétition les unes avec les autres pour s'établir dans un nombre de places limité, dans un environnement hétérogène. Les espèces sont caractérisées par six traits: optimum de niche, largeur de niche, capacité de dispersion, compétitivité, investissement dans la reproduction et taux de survie. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'influence de l'autocorrélation spatiale et des perturbations sur la diversité des espèces et sur les traits favorisés dans la métacommunauté. Nous avons montré que l'autocorrélation spatiale peut avoir des effets antagonistes sur la diversité, en fonction du taux de perturbations considéré. L'influence de l'autocorrélation spatiale sur la capacité de dispersion moyenne dans la métacommunauté dépend également des taux de perturbations et survie. Nos résultats ont aussi révélé que de nombreuses espèces avec différents degrés de spécialisation (i.e. différentes largeurs de niche) peuvent coexister. Toutefois, les espèces spécialistes sont favorisées en absence de perturbations et quand la dispersion est illimitée. A l'opposé, un taux élevé de perturbations sélectionne des espèces plus généralistes, associées avec une faible compétitivité.L'autocorrélation spatiale de l'environnement, en interaction avec l'intensité des perturbations, influence donc de manière considérable la coexistence ainsi que les caractéristiques des espèces. Ces caractéristiques sont à leur tour souvent impliquées dans d'importants processus, comme le fonctionnement des écosystèmes, la capacité des espèces à réagir aux invasions, à la fragmentation de l'habitat ou aux changements climatiques. Ce travail a permis une meilleure compréhension des mécanismes responsables de la coexistence et des caractéristiques des espèces, ce qui est crucial afin de prédire le devenir des communautés naturelles dans un environnement changeant.AbstractUnderstanding how so many different species can coexist in nature is a fundamental and long-standing question in ecology. Community diversity and composition are known to be influenced by heterogeneity in environmental conditions and disturbance. Though in nature the spatial distribution of environmental conditions is frequently autocorrelated, this aspect is seldom considered in models investigating species coexistence. In this work, we thus addressed several questions pertaining to species coexistence and composition in spatially autocorrelated environments, with a numerical simulations approach.To take into account this spatial aspect, we developed a spatially explicit model of metacommunity (a set of communities linked by dispersal of species). In this model, species are trophically equivalent, and compete for space in a heterogeneous environment. Species are characterized by six life-history traits: niche optimum, niche breadth, dispersal, competitiveness, reproductive investment and survival rate. We were particularly interested in the influence of environmental spatial autocorrelation and disturbance on species diversity and on the traits of the species favoured in the metacommunity. We showed that spatial autocorrelation can have antagonistic effects on diversity depending on disturbance rate. Similarly, spatial autocorrelation interacted with disturbance rate and survival rate to shape the mean dispersal ability observed in the metacommunity. Our results also revealed that many species with various degrees of specialization (i.e. different niche breadths) can coexist together. However specialist species were favoured in the absence of disturbance, and when dispersal was unlimited. In contrast, high disturbance rate selected for more generalist species, associated with low competitive ability.The spatial structure of the environment, together with disturbance and species traits, thus strongly impacts species diversity and, more importantly, species composition. Species composition is known to affect several important metacommunity properties such as ecosystem functioning, resistance and reaction to invasion, to habitat fragmentation and to climate changes. This work allowed a better understanding of the mechanisms responsible for species composition, which is of crucial importance to predict the fate of natural metacommunities in changing environments

Multi-scale systems analysis of plant development : beyond cellular signaling and tissue morphodynamics

Les plantes sont essentielles pour les sociétés humaines. Notre alimentation quotidienne, les matériaux de constructions et les sources énergétiques dérivent de la biomasse végétale. En revanche, la compréhension des multiples aspects développementaux des plantes est encore peu exploitée et représente un sujet de recherche majeur pour la science. L'émergence des technologies à haut débit pour le séquençage de génome à grande échelle ou l'imagerie de haute résolution permet à présent de produire des quantités énormes d'information. L'analyse informatique est une façon d'intégrer ces données et de réduire la complexité apparente vers une échelle d'abstraction appropriée, dont la finalité est de fournir des perspectives de recherches ciblées. Ceci représente la raison première de cette thèse. En d'autres termes, nous appliquons des méthodes descriptives et prédictives combinées à des simulations numériques afin d'apporter des solutions originales à des problèmes relatifs à la morphogénèse à l'échelle de la cellule et de l'organe. Nous nous sommes fixés parmi les objectifs principaux de cette thèse d'élucider de quelle manière l'interaction croisée des phytohormones auxine et brassinosteroïdes (BRs) détermine la croissance de la cellule dans la racine du méristème apical d'Arabidopsis thaliana, l'organisme modèle de référence pour les études moléculaires en plantes. Pour reconstruire le réseau de signalement cellulaire, nous avons extrait de la littérature les informations pertinentes concernant les relations entre les protéines impliquées dans la transduction des signaux hormonaux. Le réseau a ensuite été modélisé en utilisant un formalisme logique et qualitatif pour pallier l'absence de données quantitatives. Tout d'abord, Les résultats ont permis de confirmer que l'auxine et les BRs agissent en synergie pour contrôler la croissance de la cellule, puis, d'expliquer des observations phénotypiques paradoxales et au final, de mettre à jour une interaction clef entre deux protéines dans la maintenance du méristème de la racine. Une étude ultérieure chez la plante modèle Brachypodium dystachion (Brachypo- dium) a révélé l'ajustement du réseau d'interaction croisée entre auxine et éthylène par rapport à Arabidopsis. Chez ce dernier, interférer avec la biosynthèse de l'auxine mène à la formation d'une racine courte. Néanmoins, nous avons isolé chez Brachypodium un mutant hypomorphique dans la biosynthèse de l'auxine qui affiche une racine plus longue. Nous avons alors conduit une analyse morphométrique qui a confirmé que des cellules plus anisotropique (plus fines et longues) sont à l'origine de ce phénotype racinaire. Des analyses plus approfondies ont démontré que la différence phénotypique entre Brachypodium et Arabidopsis s'explique par une inversion de la fonction régulatrice dans la relation entre le réseau de signalisation par l'éthylène et la biosynthèse de l'auxine. L'analyse morphométrique utilisée dans l'étude précédente exploite le pipeline de traitement d'image de notre méthode d'histologie quantitative. Pendant la croissance secondaire, la symétrie bilatérale de l'hypocotyle est remplacée par une symétrie radiale et une organisation concentrique des tissus constitutifs. Ces tissus sont initialement composés d'une douzaine de cellules mais peuvent aisément atteindre des dizaines de milliers dans les derniers stades du développement. Cette échelle dépasse largement le seuil d'investigation par les moyens dits 'traditionnels' comme l'imagerie directe de tissus en profondeur. L'étude de ce système pendant cette phase de développement ne peut se faire qu'en réalisant des coupes fines de l'organe, ce qui empêche une compréhension des phénomènes cellulaires dynamiques sous-jacents. Nous y avons remédié en proposant une stratégie originale nommée, histologie quantitative. De fait, nous avons extrait l'information contenue dans des images de très haute résolution de sections transverses d'hypocotyles en utilisant un pipeline d'analyse et de segmentation d'image à grande échelle. Nous l'avons ensuite combiné avec un algorithme de reconnaissance automatique des cellules. Cet outil nous a permis de réaliser une description quantitative de la progression de la croissance secondaire révélant des schémas développementales non-apparents avec une inspection visuelle classique. La formation de pôle de phloèmes en structure répétée et espacée entre eux d'une longueur constante illustre les bénéfices de notre approche. Par ailleurs, l'exploitation approfondie de ces résultats a montré un changement de croissance anisotropique des cellules du cambium et du phloème qui semble en phase avec l'expansion du xylème. Combinant des outils génétiques et de la modélisation biomécanique, nous avons démontré que seule la croissance plus rapide des tissus internes peut produire une réorientation de l'axe de croissance anisotropique des tissus périphériques. Cette prédiction a été confirmée par le calcul du ratio des taux de croissance du xylème et du phloème au cours de développement secondaire ; des ratios élevés sont effectivement observés et concomitant à l'établissement progressif et tangentiel du cambium. Ces résultats suggèrent un mécanisme d'auto-organisation établi par un gradient de division méristématique qui génèrent une distribution de contraintes mécaniques. Ceci réoriente la croissance anisotropique des tissus périphériques pour supporter la croissance secondaire. - Plants are essential for human society, because our daily food, construction materials and sustainable energy are derived from plant biomass. Yet, despite this importance, the multiple developmental aspects of plants are still poorly understood and represent a major challenge for science. With the emergence of high throughput devices for genome sequencing and high-resolution imaging, data has never been so easy to collect, generating huge amounts of information. Computational analysis is one way to integrate those data and to decrease the apparent complexity towards an appropriate scale of abstraction with the aim to eventually provide new answers and direct further research perspectives. This is the motivation behind this thesis work, i.e. the application of descriptive and predictive analytics combined with computational modeling to answer problems that revolve around morphogenesis at the subcellular and organ scale. One of the goals of this thesis is to elucidate how the auxin-brassinosteroid phytohormone interaction determines the cell growth in the root apical meristem of Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), the plant model of reference for molecular studies. The pertinent information about signaling protein relationships was obtained through the literature to reconstruct the entire hormonal crosstalk. Due to a lack of quantitative information, we employed a qualitative modeling formalism. This work permitted to confirm the synergistic effect of the hormonal crosstalk on cell elongation, to explain some of our paradoxical mutant phenotypes and to predict a novel interaction between the BREVIS RADIX (BRX) protein and the transcription factor MONOPTEROS (MP),which turned out to be critical for the maintenance of the root meristem. On the same subcellular scale, another study in the monocot model Brachypodium dystachion (Brachypodium) revealed an alternative wiring of auxin-ethylene crosstalk as compared to Arabidopsis. In the latter, increasing interference with auxin biosynthesis results in progressively shorter roots. By contrast, a hypomorphic Brachypodium mutant isolated in this study in an enzyme of the auxin biosynthesis pathway displayed a dramatically longer seminal root. Our morphometric analysis confirmed that more anisotropic cells (thinner and longer) are principally responsible for the mutant root phenotype. Further characterization pointed towards an inverted regulatory logic in the relation between ethylene signaling and auxin biosynthesis in Brachypodium as compared to Arabidopsis, which explains the phenotypic discrepancy. Finally, the morphometric analysis of hypocotyl secondary growth that we applied in this study was performed with the image-processing pipeline of our quantitative histology method. During its secondary growth, the hypocotyl reorganizes its primary bilateral symmetry to a radial symmetry of highly specialized tissues comprising several thousand cells, starting with a few dozens. However, such a scale only permits observations in thin cross-sections, severely hampering a comprehensive analysis of the morphodynamics involved. Our quantitative histology strategy overcomes this limitation. We acquired hypocotyl cross-sections from tiled high-resolution images and extracted their information content using custom high-throughput image processing and segmentation. Coupled with an automated cell type recognition algorithm, it allows precise quantitative characterization of vascular development and reveals developmental patterns that were not evident from visual inspection, for example the steady interspace distance of the phloem poles. Further analyses indicated a change in growth anisotropy of cambial and phloem cells, which appeared in phase with the expansion of xylem. Combining genetic tools and computational modeling, we showed that the reorientation of growth anisotropy axis of peripheral tissue layers only occurs when the growth rate of central tissue is higher than the peripheral one. This was confirmed by the calculation of the ratio of the growth rate xylem to phloem throughout secondary growth. High ratios are indeed observed and concomitant with the homogenization of cambium anisotropy. These results suggest a self-organization mechanism, promoted by a gradient of division in the cambium that generates a pattern of mechanical constraints. This, in turn, reorients the growth anisotropy of peripheral tissues to sustain the secondary growth.

Functional independence within the self-memory system: new insights from two cases of developmental amnesia.

Neuropsychological and neuroimaging data suggest that the self-memory system can be fractionated into three functionally independent systems processing personal information at several levels of abstraction, including episodic memories of one's life (episodic autobiographical memory, EAM), semantic knowledge of facts about one's life (semantic autobiographical memory, SAM), and semantic knowledge of one's personality [conceptual self, (CS)]. Through the study of two developmental amnesic patients suffering of neonatal brain injuries, we explored how the different facets of the self-memory system develop when growing up with bilateral hippocampal atrophy. Neuropsychological evaluations showed that both of them suffered from dramatic episodic learning disability with no sense of recollection (Remember/Know procedure), whereas their semantic abilities differed, being completely preserved (Valentine) or not (Jocelyn). Magnetic resonance imaging, including quantitative volumetric measurements of the hippocampus and adjacent (entorhinal, perirhinal, and temporopolar) cortex, showed severe bilateral atrophy of the hippocampus in both patients, with additional atrophy of adjacent cortex in Jocelyn. Exploration of EAM and SAM according to lifetime periods covering the entire lifespan (TEMPAu task, Piolino et al., 2009) showed that both patients had marked impairments in EAM, as they lacked specificity, details and sense of recollection, whereas SAM was completely normal in Valentine, but impaired in Jocelyn. Finally, measures of patients' CS (Tennessee Self-Concept Scale, Fitts and Warren, 1996), checked by their mothers, were generally within normal range, but both patients showed a more positive self-concept than healthy controls. These two new cases support a modular account of the medial-temporal lobe with episodic memory and recollection depending on the hippocampus, and semantic memory and familiarity on adjacent cortices. Furthermore, they highlight developmental episodic and semantic functional independence within the self-memory system suggesting that SAM and CS may be acquired without episodic memories.