Microsatellites can be misleading: an empirical and simulation study.

It has been long recognized that highly polymorphic genetic markers can lead to underestimation of divergence between populations when migration is low. Microsatellite loci, which are characterized by extremely high mutation rates, are particularly likely to be affected. Here, we report genetic differentiation estimates in a contact zone between two chromosome races of the common shrew (Sorex araneus), based on 10 autosomal microsatellites, a newly developed Y-chromosome microsatellite, and mitochondrial DNA. These results are compared to previous data on proteins and karyotypes. Estimates of genetic differentiation based on F- and R-statistics are much lower for autosomal microsatellites than for all other genetic markers. We show by simulations that this discrepancy stems mainly from the high mutation rate of microsatellite markers for F-statistics and from deviations from a single-step mutation model for R-statistics. The sex-linked genetic markers show that all gene exchange between races is mediated by females. The absence of male-mediated gene flow most likely results from male hybrid sterility.

The Impact of Population Ageing on House Prices: A Micro-simulation Approach

This paper attempts to estimate the impact of population ageing on house prices. There is considerable debate about whether population ageing puts downwards or upwards pressure on house prices. The empirical approach differs from earlier studies of this relationship, which are mainly regression analyses of macro time-series data. A micro-simulation methodology is adopted that combines a macro-level house price model with a micro-level household formation model. The case study is Scotland, a country that is expected to age rapidly in the future. The parameters of the household formation model are estimated with panel data from the British Household Panel Survey covering the period 1999-2008. The estimates are then used to carry out a set of simulations. The simulations are based on a set of population projections that represent a considerable range in the rate of population ageing. The main finding from the simulations is that population ageing—or more generally changes in age structure—is not likely a main determinant of house prices, at least in Scotland.

Cell-based computational modeling of vascular morphogenesis using Tissue Simulation Toolkit.

Computational modeling has become a widely used tool for unraveling the mechanisms of higher level cooperative cell behavior during vascular morphogenesis. However, experimenting with published simulation models or adding new assumptions to those models can be daunting for novice and even for experienced computational scientists. Here, we present a step-by-step, practical tutorial for building cell-based simulations of vascular morphogenesis using the Tissue Simulation Toolkit (TST). The TST is a freely available, open-source C++ library for developing simulations with the two-dimensional cellular Potts model, a stochastic, agent-based framework to simulate collective cell behavior. We will show the basic use of the TST to simulate and experiment with published simulations of vascular network formation. Then, we will present step-by-step instructions and explanations for building a recent simulation model of tumor angiogenesis. Demonstrated mechanisms include cell-cell adhesion, chemotaxis, cell elongation, haptotaxis, and haptokinesis.

Simulation-based systematic review of imatinib population pharmacokinetics and PK-PD relationships in chronic myeloid leukemia (CML) patients

Objectives: Several population pharmacokinetic (PPK) and pharmacokinetic-pharmacodynamic (PK-PD) analyses have been performed with the anticancer drug imatinib. Inspired by the approach of meta-analysis, we aimed to compare and combine results from published studies in a useful way - in particular for improving the clinical interpretation of imatinib concentration measurements in the scope of therapeutic drug monitoring (TDM). Methods: Original PPK analyses and PK-PD studies (PK surrogate: trough concentration Cmin; PD outcomes: optimal early response and specific adverse events) were searched systematically on MEDLINE. From each identified PPK model, a predicted concentration distribution under standard dosage was derived through 1000 simulations (NONMEM), after standardizing model parameters to common covariates. A "reference range" was calculated from pooled simulated concentrations in a semi-quantitative approach (without specific weighting) over the whole dosing interval. Meta-regression summarized relationships between Cmin and optimal/suboptimal early treatment response. Results: 9 PPK models and 6 relevant PK-PD reports in CML patients were identified. Model-based predicted median Cmin ranged from 555 to 1388 ng/ml (grand median: 870 ng/ml and inter-quartile range: 520-1390 ng/ml). The probability to achieve optimal early response was predicted to increase from 60 to 85% from 520 to 1390 ng/ml across PK-PD studies (odds ratio for doubling Cmin: 2.7). Reporting of specific adverse events was too heterogeneous to perform a regression analysis. The general frequency of anemia, rash and fluid retention increased however consistently with Cmin, but less than response probability. Conclusions: Predicted drug exposure may differ substantially between various PPK analyses. In this review, heterogeneity was mainly attributed to 2 "outlying" models. The established reference range seems to cover the range where both good efficacy and acceptable tolerance are expected for most patients. TDM guided dose adjustment appears therefore justified for imatinib in CML patients. Its usefulness remains now to be prospectively validated in a randomized trial.

Agent based simulation to optimise emergency departments

Nowadays, many of the health care systems are large and complex environments and quite dynamic, specifically Emergency Departments, EDs. It is opened and working 24 hours per day throughout the year with limited resources, whereas it is overcrowded. Thus, is mandatory to simulate EDs to improve qualitatively and quantitatively their performance. This improvement can be achieved modelling and simulating EDs using Agent-Based Model, ABM and optimising many different staff scenarios. This work optimises the staff configuration of an ED. In order to do optimisation, objective functions to minimise or maximise have to be set. One of those objective functions is to find the best or optimum staff configuration that minimise patient waiting time. The staff configuration comprises: doctors, triage nurses, and admissions, the amount and sort of them. Staff configuration is a combinatorial problem, that can take a lot of time to be solved. HPC is used to run the experiments, and encouraging results were obtained. However, even with the basic ED used in this work the search space is very large, thus, when the problem size increases, it is going to need more resources of processing in order to obtain results in an acceptable time.

Artificial Snow Optimization in Winter Sport Destinations Using a Multi-agent Simulation

This paper presents the Juste-Neige system for predicting the snow height on the ski runs of a resort using a multi-agent simulation software. Its aim is to facilitate snow cover management in order to i) reduce the production cost of artificial snow and to improve the profit margin for the companies managing the ski resorts; and ii) to reduce the water and energy consumption, and thus to reduce the environmental impact, by producing only the snow needed for a good skiing experience. The software provides maps with the predicted snow heights for up to 13 days. On these maps, the areas most exposed to snow erosion are highlighted. The software proceeds in three steps: i) interpolation of snow height measurements with a neural network; ii) local meteorological forecasts for every ski resort; iii) simulation of the impact caused by skiers using a multi-agent system. The software has been evaluated in the Swiss ski resort of Verbier and provides useful predictions.

Simulation des caractéristiques ECG du syndrome de Brugada à l'aide d'un programme de modélisation 3D

Introduction : Le syndrome de Brugada, décrit en 1992 par Pedro et Josep Brugada, est un syndrome cardiaque caractérisé par un sus-décalage particulier du segment ST associé à un bloc de branche droit atypique au niveau des dérivations ECG V1 à V3. Les altérations ECG du syndrome de Brugada sont classifiées en 3 types dont seul le type 1 est diagnostique. Les mécanismes physiopathologiques exacts de ce syndrome sont pour le moment encore controversés. Plusieurs hypothèses sont proposées dans la littérature dont deux principales retiennent l'attention : 1) le modèle du trouble de repolarisation stipule des potentiels d'action réduits en durée et en amplitude liés à un changement de répartition de canaux potassiques 2) le modèle du trouble de dépolarisation spécifie un retard de conduction se traduisant par une dépolarisation retardée. Dans le STEMI, un sus-décalage ST ressemblant à celui du syndrome de Brugada est expliqué par deux théories : 1) le courant de lésion diastolique suggère une élévation du potentiel diastolique transformé artificiellement en sus-décalage ST par les filtres utilisés dans tous les appareils ECG.¦Objectif : Recréer les manifestations ECG du syndrome de Brugada en appliquant les modifications du potentiel d'action des cardiomyocytes rapportées dans la littérature.¦Méthode : Pour ce travail, nous avons utilisé "ECGsim", un simulateur informatique réaliste d'ECG disponible gratuitement sur www.ecgsim.org. Ce programme est basé sur une reconstruction de l'ECG de surface à l'aide de 1500 noeuds représentant chacun les potentiels d'action des ventricules droit et gauche, épicardiques et endocardiques. L'ECG simulé peut être donc vu comme l'intégration de l'ensemble de ces potentiels d'action en tenant compte des propriétés de conductivité des tissus s'interposant entre les électrodes de surface et le coeur. Dans ce programme, nous avons définit trois zones, de taille différente, comprenant la chambre de chasse du ventricule droit. Pour chaque zone, nous avons reproduit les modifications des potentiels d'action citées dans les modèles du trouble de repolarisation et de dépolarisation et des théories de courant de lésion systolique et diastolique. Nous avons utilisé, en plus des douze dérivations habituelles, une électrode positionnée en V2IC3 (i.e. 3ème espace intercostal) sur le thorax virtuel du programme ECGsim.¦Résultats : Pour des raisons techniques, le modèle du trouble de repolarisation n'a pas pu être entièrement réalisée dans ce travail. Le modèle du trouble de dépolarisation ne reproduit pas d'altération de type Brugada mais un bloc de branche droit plus ou moins complet. Le courant de lésion diastolique permet d'obtenir un sus-décalage ST en augmentant le potentiel diastolique épicardique des cardiomyocytes de la chambre de chasse du ventricule droit. Une inversion de l'onde T apparaît lorsque la durée du potentiel d'action est prolongée. L'amplitude du sus-décalage ST dépend de la valeur du potentiel diastolique, de la taille de la lésion et de sa localisation épicardique ou transmurale. Le courant de lésion systolique n'entraîne pas de sus-décalage ST mais accentue l'amplitude de l'onde T.¦Discussion et conclusion : Dans ce travail, l'élévation du potentiel diastolique avec un prolongement de la durée du potentiel d'action est la combinaison qui reproduit le mieux les altérations ECG du Brugada. Une persistance de cellules de type nodal au niveau de la chambre de chasse du ventricule droit pourrait être une explication à ces modifications particulières du potentiel d'action. Le risque d'arythmie dans la Brugada pourrait également être expliqué par une automaticité anormale des cellules de type nodal. Ainsi, des altérations des mécanismes cellulaires impliqués dans le maintien du potentiel diastolique pourraient être présentes dans le syndrome de Brugada, ce qui, à notre connaissance, n'a jamais été rapporté dans la littérature.

Dynamic simulation of regulatory networks using SQUAD.

BACKGROUND: The ambition of most molecular biologists is the understanding of the intricate network of molecular interactions that control biological systems. As scientists uncover the components and the connectivity of these networks, it becomes possible to study their dynamical behavior as a whole and discover what is the specific role of each of their components. Since the behavior of a network is by no means intuitive, it becomes necessary to use computational models to understand its behavior and to be able to make predictions about it. Unfortunately, most current computational models describe small networks due to the scarcity of kinetic data available. To overcome this problem, we previously published a methodology to convert a signaling network into a dynamical system, even in the total absence of kinetic information. In this paper we present a software implementation of such methodology. RESULTS: We developed SQUAD, a software for the dynamic simulation of signaling networks using the standardized qualitative dynamical systems approach. SQUAD converts the network into a discrete dynamical system, and it uses a binary decision diagram algorithm to identify all the steady states of the system. Then, the software creates a continuous dynamical system and localizes its steady states which are located near the steady states of the discrete system. The software permits to make simulations on the continuous system, allowing for the modification of several parameters. Importantly, SQUAD includes a framework for perturbing networks in a manner similar to what is performed in experimental laboratory protocols, for example by activating receptors or knocking out molecular components. Using this software we have been able to successfully reproduce the behavior of the regulatory network implicated in T-helper cell differentiation. CONCLUSION: The simulation of regulatory networks aims at predicting the behavior of a whole system when subject to stimuli, such as drugs, or determine the role of specific components within the network. The predictions can then be used to interpret and/or drive laboratory experiments. SQUAD provides a user-friendly graphical interface, accessible to both computational and experimental biologists for the fast qualitative simulation of large regulatory networks for which kinetic data is not necessarily available.

Quantitative integration of geophysical and hydraulic data : from the local towards the regional scale range

Des progrès significatifs ont été réalisés dans le domaine de l'intégration quantitative des données géophysique et hydrologique l'échelle locale. Cependant, l'extension à de plus grandes échelles des approches correspondantes constitue encore un défi majeur. Il est néanmoins extrêmement important de relever ce défi pour développer des modèles fiables de flux des eaux souterraines et de transport de contaminant. Pour résoudre ce problème, j'ai développé une technique d'intégration des données hydrogéophysiques basée sur une procédure bayésienne de simulation séquentielle en deux étapes. Cette procédure vise des problèmes à plus grande échelle. L'objectif est de simuler la distribution d'un paramètre hydraulique cible à partir, d'une part, de mesures d'un paramètre géophysique pertinent qui couvrent l'espace de manière exhaustive, mais avec une faible résolution (spatiale) et, d'autre part, de mesures locales de très haute résolution des mêmes paramètres géophysique et hydraulique. Pour cela, mon algorithme lie dans un premier temps les données géophysiques de faible et de haute résolution à travers une procédure de réduction déchelle. Les données géophysiques régionales réduites sont ensuite reliées au champ du paramètre hydraulique à haute résolution. J'illustre d'abord l'application de cette nouvelle approche dintégration des données à une base de données synthétiques réaliste. Celle-ci est constituée de mesures de conductivité hydraulique et électrique de haute résolution réalisées dans les mêmes forages ainsi que destimations des conductivités électriques obtenues à partir de mesures de tomographic de résistivité électrique (ERT) sur l'ensemble de l'espace. Ces dernières mesures ont une faible résolution spatiale. La viabilité globale de cette méthode est testée en effectuant les simulations de flux et de transport au travers du modèle original du champ de conductivité hydraulique ainsi que du modèle simulé. Les simulations sont alors comparées. Les résultats obtenus indiquent que la procédure dintégration des données proposée permet d'obtenir des estimations de la conductivité en adéquation avec la structure à grande échelle ainsi que des predictions fiables des caractéristiques de transports sur des distances de moyenne à grande échelle. Les résultats correspondant au scénario de terrain indiquent que l'approche d'intégration des données nouvellement mise au point est capable d'appréhender correctement les hétérogénéitées à petite échelle aussi bien que les tendances à gande échelle du champ hydraulique prévalent. Les résultats montrent également une flexibilté remarquable et une robustesse de cette nouvelle approche dintégration des données. De ce fait, elle est susceptible d'être appliquée à un large éventail de données géophysiques et hydrologiques, à toutes les gammes déchelles. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'évalue en détail la viabilité du réechantillonnage geostatique séquentiel comme mécanisme de proposition pour les méthodes Markov Chain Monte Carlo (MCMC) appliquées à des probmes inverses géophysiques et hydrologiques de grande dimension . L'objectif est de permettre une quantification plus précise et plus réaliste des incertitudes associées aux modèles obtenus. En considérant une série dexemples de tomographic radar puits à puits, j'étudie deux classes de stratégies de rééchantillonnage spatial en considérant leur habilité à générer efficacement et précisément des réalisations de la distribution postérieure bayésienne. Les résultats obtenus montrent que, malgré sa popularité, le réechantillonnage séquentiel est plutôt inefficace à générer des échantillons postérieurs indépendants pour des études de cas synthétiques réalistes, notamment pour le cas assez communs et importants où il existe de fortes corrélations spatiales entre le modèle et les paramètres. Pour résoudre ce problème, j'ai développé un nouvelle approche de perturbation basée sur une déformation progressive. Cette approche est flexible en ce qui concerne le nombre de paramètres du modèle et lintensité de la perturbation. Par rapport au rééchantillonage séquentiel, cette nouvelle approche s'avère être très efficace pour diminuer le nombre requis d'itérations pour générer des échantillons indépendants à partir de la distribution postérieure bayésienne. - Significant progress has been made with regard to the quantitative integration of geophysical and hydrological data at the local scale. However, extending corresponding approaches beyond the local scale still represents a major challenge, yet is critically important for the development of reliable groundwater flow and contaminant transport models. To address this issue, I have developed a hydrogeophysical data integration technique based on a two-step Bayesian sequential simulation procedure that is specifically targeted towards larger-scale problems. The objective is to simulate the distribution of a target hydraulic parameter based on spatially exhaustive, but poorly resolved, measurements of a pertinent geophysical parameter and locally highly resolved, but spatially sparse, measurements of the considered geophysical and hydraulic parameters. To this end, my algorithm links the low- and high-resolution geophysical data via a downscaling procedure before relating the downscaled regional-scale geophysical data to the high-resolution hydraulic parameter field. I first illustrate the application of this novel data integration approach to a realistic synthetic database consisting of collocated high-resolution borehole measurements of the hydraulic and electrical conductivities and spatially exhaustive, low-resolution electrical conductivity estimates obtained from electrical resistivity tomography (ERT). The overall viability of this method is tested and verified by performing and comparing flow and transport simulations through the original and simulated hydraulic conductivity fields. The corresponding results indicate that the proposed data integration procedure does indeed allow for obtaining faithful estimates of the larger-scale hydraulic conductivity structure and reliable predictions of the transport characteristics over medium- to regional-scale distances. The approach is then applied to a corresponding field scenario consisting of collocated high- resolution measurements of the electrical conductivity, as measured using a cone penetrometer testing (CPT) system, and the hydraulic conductivity, as estimated from electromagnetic flowmeter and slug test measurements, in combination with spatially exhaustive low-resolution electrical conductivity estimates obtained from surface-based electrical resistivity tomography (ERT). The corresponding results indicate that the newly developed data integration approach is indeed capable of adequately capturing both the small-scale heterogeneity as well as the larger-scale trend of the prevailing hydraulic conductivity field. The results also indicate that this novel data integration approach is remarkably flexible and robust and hence can be expected to be applicable to a wide range of geophysical and hydrological data at all scale ranges. In the second part of my thesis, I evaluate in detail the viability of sequential geostatistical resampling as a proposal mechanism for Markov Chain Monte Carlo (MCMC) methods applied to high-dimensional geophysical and hydrological inverse problems in order to allow for a more accurate and realistic quantification of the uncertainty associated with the thus inferred models. Focusing on a series of pertinent crosshole georadar tomographic examples, I investigated two classes of geostatistical resampling strategies with regard to their ability to efficiently and accurately generate independent realizations from the Bayesian posterior distribution. The corresponding results indicate that, despite its popularity, sequential resampling is rather inefficient at drawing independent posterior samples for realistic synthetic case studies, notably for the practically common and important scenario of pronounced spatial correlation between model parameters. To address this issue, I have developed a new gradual-deformation-based perturbation approach, which is flexible with regard to the number of model parameters as well as the perturbation strength. Compared to sequential resampling, this newly proposed approach was proven to be highly effective in decreasing the number of iterations required for drawing independent samples from the Bayesian posterior distribution.

Multiple-scale hydrological and geophysical data integration through non-linear Bayesian sequential simulation

Significant progress has been made with regard to the quantitative integration of geophysical and hydrological data at the local scale. However, extending the corresponding approaches to the scale of a field site represents a major, and as-of-yet largely unresolved, challenge. To address this problem, we have developed downscaling procedure based on a non-linear Bayesian sequential simulation approach. The main objective of this algorithm is to estimate the value of the sparsely sampled hydraulic conductivity at non-sampled locations based on its relation to the electrical conductivity logged at collocated wells and surface resistivity measurements, which are available throughout the studied site. The in situ relationship between the hydraulic and electrical conductivities is described through a non-parametric multivariatekernel density function. Then a stochastic integration of low-resolution, large-scale electrical resistivity tomography (ERT) data in combination with high-resolution, local-scale downhole measurements of the hydraulic and electrical conductivities is applied. The overall viability of this downscaling approach is tested and validated by comparing flow and transport simulation through the original and the upscaled hydraulic conductivity fields. Our results indicate that the proposed procedure allows obtaining remarkably faithful estimates of the regional-scale hydraulic conductivity structure and correspondingly reliable predictions of the transport characteristics over relatively long distances.

Physically based walking simulation

Hem realitzat l’estudi de moviments humans i hem buscat la forma de poder crear aquests moviments en temps real sobre entorns digitals de forma que la feina que han de dur a terme els artistes i animadors sigui reduïda. Hem fet un estudi de les diferents tècniques d’animació de personatges que podem trobar actualment en l’industria de l’entreteniment així com les principals línies de recerca, estudiant detingudament la tècnica més utilitzada, la captura de moviments. La captura de moviments permet enregistrar els moviments d’una persona mitjançant sensors òptics, sensors magnètics i vídeo càmeres. Aquesta informació és emmagatzemada en arxius que després podran ser reproduïts per un personatge en temps real en una aplicació digital. Tot moviment enregistrat ha d’estar associat a un personatge, aquest és el procés de rigging, un dels punts que hem treballat ha estat la creació d’un sistema d’associació de l’esquelet amb la malla del personatge de forma semi-automàtica, reduint la feina de l’animador per a realitzar aquest procés. En les aplicacions en temps real com la realitat virtual, cada cop més s’està simulant l’entorn en el que viuen els personatges mitjançant les lleis de Newton, de forma que tot canvi en el moviment d’un cos ve donat per l’aplicació d’una força sobre aquest. La captura de moviments no escala bé amb aquests entorns degut a que no és capaç de crear noves animacions realistes a partir de l’enregistrada que depenguin de l’interacció amb l’entorn. L’objectiu final del nostre treball ha estat realitzar la creació d’animacions a partir de forces tal i com ho fem en la realitat en temps real. Per a això hem introduït un model muscular i un sistema de balanç sobre el personatge de forma que aquest pugui respondre a les interaccions amb l’entorn simulat mitjançant les lleis de Newton de manera realista.