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

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

Développement et validation d'une méthode de calcul indépendant des unités moniteur basée sur les simulations Monte Carlo pour la vérification des traitements IMRT

Résumé : La radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT) est une technique de traitement qui utilise des faisceaux dont la fluence de rayonnement est modulée. L'IMRT, largement utilisée dans les pays industrialisés, permet d'atteindre une meilleure homogénéité de la dose à l'intérieur du volume cible et de réduire la dose aux organes à risque. Une méthode usuelle pour réaliser pratiquement la modulation des faisceaux est de sommer de petits faisceaux (segments) qui ont la même incidence. Cette technique est appelée IMRT step-and-shoot. Dans le contexte clinique, il est nécessaire de vérifier les plans de traitement des patients avant la première irradiation. Cette question n'est toujours pas résolue de manière satisfaisante. En effet, un calcul indépendant des unités moniteur (représentatif de la pondération des chaque segment) ne peut pas être réalisé pour les traitements IMRT step-and-shoot, car les poids des segments ne sont pas connus à priori, mais calculés au moment de la planification inverse. Par ailleurs, la vérification des plans de traitement par comparaison avec des mesures prend du temps et ne restitue pas la géométrie exacte du traitement. Dans ce travail, une méthode indépendante de calcul des plans de traitement IMRT step-and-shoot est décrite. Cette méthode est basée sur le code Monte Carlo EGSnrc/BEAMnrc, dont la modélisation de la tête de l'accélérateur linéaire a été validée dans une large gamme de situations. Les segments d'un plan de traitement IMRT sont simulés individuellement dans la géométrie exacte du traitement. Ensuite, les distributions de dose sont converties en dose absorbée dans l'eau par unité moniteur. La dose totale du traitement dans chaque élément de volume du patient (voxel) peut être exprimée comme une équation matricielle linéaire des unités moniteur et de la dose par unité moniteur de chacun des faisceaux. La résolution de cette équation est effectuée par l'inversion d'une matrice à l'aide de l'algorithme dit Non-Negative Least Square fit (NNLS). L'ensemble des voxels contenus dans le volume patient ne pouvant être utilisés dans le calcul pour des raisons de limitations informatiques, plusieurs possibilités de sélection ont été testées. Le meilleur choix consiste à utiliser les voxels contenus dans le Volume Cible de Planification (PTV). La méthode proposée dans ce travail a été testée avec huit cas cliniques représentatifs des traitements habituels de radiothérapie. Les unités moniteur obtenues conduisent à des distributions de dose globale cliniquement équivalentes à celles issues du logiciel de planification des traitements. Ainsi, cette méthode indépendante de calcul des unités moniteur pour l'IMRT step-andshootest validée pour une utilisation clinique. Par analogie, il serait possible d'envisager d'appliquer une méthode similaire pour d'autres modalités de traitement comme par exemple la tomothérapie. Abstract : Intensity Modulated RadioTherapy (IMRT) is a treatment technique that uses modulated beam fluence. IMRT is now widespread in more advanced countries, due to its improvement of dose conformation around target volume, and its ability to lower doses to organs at risk in complex clinical cases. One way to carry out beam modulation is to sum smaller beams (beamlets) with the same incidence. This technique is called step-and-shoot IMRT. In a clinical context, it is necessary to verify treatment plans before the first irradiation. IMRT Plan verification is still an issue for this technique. Independent monitor unit calculation (representative of the weight of each beamlet) can indeed not be performed for IMRT step-and-shoot, because beamlet weights are not known a priori, but calculated by inverse planning. Besides, treatment plan verification by comparison with measured data is time consuming and performed in a simple geometry, usually in a cubic water phantom with all machine angles set to zero. In this work, an independent method for monitor unit calculation for step-and-shoot IMRT is described. This method is based on the Monte Carlo code EGSnrc/BEAMnrc. The Monte Carlo model of the head of the linear accelerator is validated by comparison of simulated and measured dose distributions in a large range of situations. The beamlets of an IMRT treatment plan are calculated individually by Monte Carlo, in the exact geometry of the treatment. Then, the dose distributions of the beamlets are converted in absorbed dose to water per monitor unit. The dose of the whole treatment in each volume element (voxel) can be expressed through a linear matrix equation of the monitor units and dose per monitor unit of every beamlets. This equation is solved by a Non-Negative Least Sqvare fif algorithm (NNLS). However, not every voxels inside the patient volume can be used in order to solve this equation, because of computer limitations. Several ways of voxel selection have been tested and the best choice consists in using voxels inside the Planning Target Volume (PTV). The method presented in this work was tested with eight clinical cases, which were representative of usual radiotherapy treatments. The monitor units obtained lead to clinically equivalent global dose distributions. Thus, this independent monitor unit calculation method for step-and-shoot IMRT is validated and can therefore be used in a clinical routine. It would be possible to consider applying a similar method for other treatment modalities, such as for instance tomotherapy or volumetric modulated arc therapy.

Suivi thérapeutique de l'imatinib

* Le monitoring (suivi) joue un rôle important pour un traitement et son évaluation - pour autant qu'il se base sur la mesure de marqueurs cliniques adéquats ou de substituts validés. * Pour ce qui est du traitement d'imatinib, le «therapeutic drug monitoring» (TDM) semble être une option utile pour le contrôle du traitement de la LMC. Il utilise la concentration plasmatique de ce médicament comme marqueur. * Les concentrations plasmatiques d'imatinib varient considérablement d'un patient à l'autre sous un même schéma posologique, en raison de la variabilité interindividuelle de sa pharmacocinétique. Il a été démontré que l'exposition plasmatique était en corrélation avec le résultat clinique des patients LMC - aussi bien pour la réponse au traitement que pour le profil d'effets indésirables. * Il n'est pas encore établi si le TDM de l'imatinib doit être utilisé que dans le cas de problèmes cliniques ou si les patients LMC peuvent déjà profiter d'un contrôle préventif systématique «de routine» - de manière à garder la concentration plasmatique dans des marges thérapeutiques. Cela est toujours plus recommandé ces derniers temps. * Pour répondre à cette question, une étude suisse prospective, randomisée et contrôlée recrute des patients LMC traités par imatinib depuis moins de 5 ans et propose en outre le TDM pour tous les patients en cas de problèmes cliniques. - * Monitoring spielt eine wichtige Rolle zur Therapieevaluierung und Behandlungsentscheidung - solange es auf der Basis der Messung von entsprechenden klinischen oder validierten Surrogat-Markern stattfindet. * Im Hinblick auf die Imatinib-Therapie scheint das «Therapeutische Drug-Monitoring» (TDM) ein nützlicher Ansatz zum Therapie-Monitoring der CML-Behandlung zu sein, welches die Plasmakonzentration des Arzneimittels als Marker zur Therapieüberwachung verwendet. * Imatinib-Plasmakonzentrationen variieren beträchtlich von Patient zu Patient unter dem gleichen Dosierungsschema, aufgrund der interindividuell unterschiedlichen Pharmakokinetik des Arzneimittels. Für die Plasmaexposition wurde gezeigt, dass sie mit dem klinischen Outcome von CML-Patienten korreliert - sowohl im Bezug auf das Therapieansprechen als auch auf das Nebenwirkungsprofil. * Es ist noch unklar, ob das TDM von Imatinib nur im Falle von klinischen Problemen Verwendung finden sollte oder ob CML-Patienten bereits von einem systematischen, präventiven «Routine»-Monitoring zur Therapieindividualisierung - zur Steuerung der Plasmakonzentration in einen therapeutischen Bereich - profitieren könnten, welches in letzter Zeit immer häufiger empfohlen wird. * Um diese Fragestellung zu beantworten, nimmt eine prospektive, randomisiert kontrollierte Schweizer Studie CML-Patienten auf, die seit weniger als 5 Jahren mit Imatinib behandelt werden, und bietet das TDM zudem für alle Patienten im Falle von klinischen Problemen an.

Étude et implémentation d'un modèle de conscience d'agent

La thèse essaie de montrer comment il est possible d'offrir une implémentation fonctionnelle d'un agent doté d'une conscience (psychologique). Une première étape étudie les différentes approches, définitions et théories de la conscience proposées par la littérature. Cette étude dégage plus particulièrement un modèle psychologique qui offre une modélisation des fonctionnalités de la conscience, de ses éléments constitutifs et des relations entre ces éléments. Cet effort de formalisation permet d'identifier les corrélations computionnelles du modèle ouvrant ainsi la voie à une implémentation fonctionnelle de la conscience. Une seconde étape réuni les outils et méthodes informatiques existants en vue de procéder à une telle implémentation. En particulier, celle-ci repose sur un modèle de communication permettant d'élaborer une machine virtuelle basée sur des processus concurrents synchronisés. La troisième étape consiste à implémenter les corrélations computationnelles dont l'une est une fonction de délibération qui, après une analyse itérative de son état et de son environnement (machine à état), aboutit à la sélection d'une action. Une deuxième fonction est la formation de contextes, autrement dit l'apprentissage d'automatismes, consistant à compiler la délibération. Cette compilation s'opère grâce à un processus concurrent reflétant le processus de délibération, dotant ainsi l'agent de la capacité d'observer son propre fonctionnement. La thèse se conclut en proposant quelques axes de recherches et d'applications futures susceptibles de prolonger le travail.

Characterization and functional identification of a novel plant extradiol 4,5-dioxygenase involved in betalain pigment biosynthesis in Portulaca Grandiflora

RESUME Les bétalaïnes sont des pigments chromo-alcaloïdes violets et jaunes présents dans les plantes appartenant à l'ordre des Caryophyllales et dans les champignons des genres Amanita et Hygrocybe. Leur courte voie de biosynthèse est élucidée chimiquement depuis de nombreuses années, mais les enzymes impliquées dans cette biosynthèse chez les plantes ne sont toujours pas caractérisées. L'enzyme de la DOPA-dioxygénase d' Amanita muscaria a été identifiée (Girod et Zryd, 1991a), mais de nombreuses tentatives d'isolation d'un homologue chez les plantes ont échoué. Afin d'isoler les gènes spécifiques des bétalaïnes chez les plantes, nous avons construit des banques soustraites d'ADNc à partir d'ARN total de pétales immatures de Portulaca grandiflora (Pg) de génotypes jaunes et blancs, respectivement violets et blancs. Les clones couleur- spécifiques ont été détectés en premier par analyse Northem du RNA de pétales blancs et colorés. Les candidats positifs ont alors été soumis à une analyse de transcription au niveau des tiges colorées, vertes et des feuilles, afin d'établir leur expression spécifique. Deux ARNs messagers complets ont une expression corrélée avec l'accumulation des bétalaïnes dans les tissus. Le premier de ces clones, A.16, code pour une oxydase de l'acyl-Coenzyme A (ACX) putative, mais le domaine de liaison du FAD essentiel pour l'activité d'ACX est absent. Toutes nos tentatives pour démontrer sa fonction ont échoué. Le rôle de cette protéine dans la voie de synthèse des bétalaïnes reste inconnu. Le deuxième de ces clones spécifique aux bétalaïnes, L.6 (isolé par Zaiko, 2000), a été renommé DODA en raison de son homologie avec le domaine LigB (pfam02900) d'une 4,5-dioxygénase extradiol bactérienne. DODA a été identifié in silico comme une dioxygénase extradiol en raison de la conservation stricte, au niveau de sa séquence peptidique, des résidus catalytiques de LigB et de ceux liant le cofacteur fer. Une analyse de transfert Southem a montré que ce gène est unique dans Pg. L'expression transitoire de DODA par transformation biolistique dans des pétales blancs de Pg a produit des taches violettes ou jaunes dans des cellules transformées. Une analyse HPLC de ces taches a démontré leur identité avec les bétalaïnes présentes naturellement dans les pétales violets et jaunes de Pg, confirmant ainsi la complémentation par le gène Pg DODA de l'allèle récessif cc présent dans les pétales blancs de Pg. Des homologues de DODA (DOPA-dioxygénase) ont été identifiés dans de nombreuses espèces de plantes, y compris dans celles sans bétalaïne. L'alignement de ces homologues a permis l'identification d'un motif spécifique aux bétalaïnes à côté d'une histidine catalytique conservée. Ce motif [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] remplace le motif [H-N-L-R] conservé dans les plantes sans bétalaïne et le motif [H-N-L-x] présent dans tous les homologues bactériens et archaebactériens. Une modélisation tridimensionnelle préliminaire du site actif de Pg DODA et de son homologue dans la mousse Physcomitrella patens a montré l'importance de ce motif spécifique aux bétalaïnes pour l'accessibilité du substrat au site actif. L'analyse phylogénétique de DODA a confirmé l'évolution séparée de cette protéine chez les plantes à bétalaïnes par comparaison avec celle des plantes sans bétalaïne. Nous avons donc conclu que les bétalaïnes sont apparues par modification de l'affinité pour un substrat d'enzymes similaires à DODA, chez un ancêtre unique des Caryophyllales qui a perdu toute capacité de biosynthèse des anthocyanes. Finalement, Pg DODA n'a aucune similarité avec la protéine DODA d' Amanita muscaria, bien que celle-ci complémente aussi la pigmentation des pétales blancs de Pg. La biosynthèse des bétalaïnes est un exemple remarquable de convergence évolutive biochimique indépendante entre espèces de règnes différents. ABSTRACT Betalains are violet and yellow chromo-alkaloid pigments present in plants belonging to the order Caryophyllales and also in the fungal genera Amanita and Hygrocybe. Their short biosynthetic pathway is chemically well understood since many years, but enzymes involved in the plant pathway are still uncharacterized. The DOPA-dioxygenase from Amanita muscaria was identified (Girod and Zryd, 1991a), but numerous attempts to identify a plant homologue to the corresponding gene, failed. In order to isolate betalain-specific genes in plants, subtractive cDNA libraries were built with total RNA from white and yellow and respectively, violet immature petals from Portulaca grandiflora (Pg) genotypes. Colour-specific clones were first detected by Northern blot analysis using RNA from white and coloured petals. Positive candidates were submitted to further transcription analysis in coloured, green stems and leaves in order to assess their specific expression. Two full-length mRNAs showed a correlated expression with betalain accumulation in tissues. One of them, A.16, encodes a putative acyl-Coenzyme A oxidase (ACX), but missing the FAD binding domain essential for the ACX activity. Thus, all attempts to demonstrate its function failed. The role of this protein in the betalain biosynthesis pathway, if any, is still unknown. The second betalain-specific mRNA, L.6 (isolated by Zaiko, 2000) shows a homology with a LigB domain (pfam02900) from a bacterial extradiol 4,5-dioxygenase. It was then renamed DODA (DOPA-dioxygenase). DODA was identified in silico as a highly conserved extradiol dioxygenase due to the strict conservation of its peptidic sequence with LigB catalytic residues and iron-binding cofactor residues. Southern blot analysis showed that this gene is a single copy-gene in Pg. Transient expression of DODA protein through biolistic transformation of Pg white petals produced violet or yellow spots in individual cells. HPLC analysis of these spots showed an identity with betalain pigments present naturally in yellow and violet Pg petals, thus confirming the complementation of the recessive cc allele present in Pg white petals by Pg DODA gene. DODA homologues were identified in numerous plant species including those without betalain. Alignment of these homologues allowed the identification of a betalain-specific pattern beside a highly conserved catalytic histidine. This [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] pattern replaces a [H-N-L-R] pattern strictly conserved in non-betalain plants and a [H-N-L-x] pattern present in all bacterial and archaebacterial homologues. Preliminary three-dimensional modeling of the active site of Pg DODA and its Physcomitrella patens moss homologue revealed the importance of this betalain-specific pattern for the substrate accessibility to the DODA active site. DODA phylogenetic analysis confirmed the separate evolution of this protein in betalain-producing plants. We conclude that betalain pigments appeared in a unique ancestor of the Caryophyllales order in which anthocyanin biosynthetic pathway was impaired, by a modification of enzymes of the DODA family for substrate affinity. The Pg DODA protein has no sequence similarity with Amanita muscaria DODA, despite the fact that they both complement Pg white petals for their pigmentation. Betalain biosynthesis is an interesting example of independent biochemical evolutionary convergence between species from different kingdoms.

Linking landscape- and population ecology for large population management modelling: the case of Ibex (capra ibex) in Switzerland

La biologie de la conservation est communément associée à la protection de petites populations menacées d?extinction. Pourtant, il peut également être nécessaire de soumettre à gestion des populations surabondantes ou susceptibles d?une trop grande expansion, dans le but de prévenir les effets néfastes de la surpopulation. Du fait des différences tant quantitatives que qualitatives entre protection des petites populations et contrôle des grandes, il est nécessaire de disposer de modèles et de méthodes distinctes. L?objectif de ce travail a été de développer des modèles prédictifs de la dynamique des grandes populations, ainsi que des logiciels permettant de calculer les paramètres de ces modèles et de tester des scénarios de gestion. Le cas du Bouquetin des Alpes (Capra ibex ibex) - en forte expansion en Suisse depuis sa réintroduction au début du XXème siècle - servit d?exemple. Cette tâche fut accomplie en trois étapes : En premier lieu, un modèle de dynamique locale, spécifique au Bouquetin, fut développé : le modèle sous-jacent - structuré en classes d?âge et de sexe - est basé sur une matrice de Leslie à laquelle ont été ajoutées la densité-dépendance, la stochasticité environnementale et la chasse de régulation. Ce modèle fut implémenté dans un logiciel d?aide à la gestion - nommé SIM-Ibex - permettant la maintenance de données de recensements, l?estimation automatisée des paramètres, ainsi que l?ajustement et la simulation de stratégies de régulation. Mais la dynamique d?une population est influencée non seulement par des facteurs démographiques, mais aussi par la dispersion et la colonisation de nouveaux espaces. Il est donc nécessaire de pouvoir modéliser tant la qualité de l?habitat que les obstacles à la dispersion. Une collection de logiciels - nommée Biomapper - fut donc développée. Son module central est basé sur l?Analyse Factorielle de la Niche Ecologique (ENFA) dont le principe est de calculer des facteurs de marginalité et de spécialisation de la niche écologique à partir de prédicteurs environnementaux et de données d?observation de l?espèce. Tous les modules de Biomapper sont liés aux Systèmes d?Information Géographiques (SIG) ; ils couvrent toutes les opérations d?importation des données, préparation des prédicteurs, ENFA et calcul de la carte de qualité d?habitat, validation et traitement des résultats ; un module permet également de cartographier les barrières et les corridors de dispersion. Le domaine d?application de l?ENFA fut exploré par le biais d?une distribution d?espèce virtuelle. La comparaison à une méthode couramment utilisée pour construire des cartes de qualité d?habitat, le Modèle Linéaire Généralisé (GLM), montra qu?elle était particulièrement adaptée pour les espèces cryptiques ou en cours d?expansion. Les informations sur la démographie et le paysage furent finalement fusionnées en un modèle global. Une approche basée sur un automate cellulaire fut choisie, tant pour satisfaire aux contraintes du réalisme de la modélisation du paysage qu?à celles imposées par les grandes populations : la zone d?étude est modélisée par un pavage de cellules hexagonales, chacune caractérisée par des propriétés - une capacité de soutien et six taux d?imperméabilité quantifiant les échanges entre cellules adjacentes - et une variable, la densité de la population. Cette dernière varie en fonction de la reproduction et de la survie locale, ainsi que de la dispersion, sous l?influence de la densité-dépendance et de la stochasticité. Un logiciel - nommé HexaSpace - fut développé pour accomplir deux fonctions : 1° Calibrer l?automate sur la base de modèles de dynamique (par ex. calculés par SIM-Ibex) et d?une carte de qualité d?habitat (par ex. calculée par Biomapper). 2° Faire tourner des simulations. Il permet d?étudier l?expansion d?une espèce envahisseuse dans un paysage complexe composé de zones de qualité diverses et comportant des obstacles à la dispersion. Ce modèle fut appliqué à l?histoire de la réintroduction du Bouquetin dans les Alpes bernoises (Suisse). SIM-Ibex est actuellement utilisé par les gestionnaires de la faune et par les inspecteurs du gouvernement pour préparer et contrôler les plans de tir. Biomapper a été appliqué à plusieurs espèces (tant végétales qu?animales) à travers le Monde. De même, même si HexaSpace fut initialement conçu pour des espèces animales terrestres, il pourrait aisément être étndu à la propagation de plantes ou à la dispersion d?animaux volants. Ces logiciels étant conçus pour, à partir de données brutes, construire un modèle réaliste complexe, et du fait qu?ils sont dotés d?une interface d?utilisation intuitive, ils sont susceptibles de nombreuses applications en biologie de la conservation. En outre, ces approches peuvent également s?appliquer à des questions théoriques dans les domaines de l?écologie des populations et du paysage.<br/><br/>Conservation biology is commonly associated to small and endangered population protection. Nevertheless, large or potentially large populations may also need human management to prevent negative effects of overpopulation. As there are both qualitative and quantitative differences between small population protection and large population controlling, distinct methods and models are needed. The aim of this work was to develop theoretical models to predict large population dynamics, as well as computer tools to assess the parameters of these models and to test management scenarios. The alpine Ibex (Capra ibex ibex) - which experienced a spectacular increase since its reintroduction in Switzerland at the beginning of the 20th century - was used as paradigm species. This task was achieved in three steps: A local population dynamics model was first developed specifically for Ibex: the underlying age- and sex-structured model is based on a Leslie matrix approach with addition of density-dependence, environmental stochasticity and culling. This model was implemented into a management-support software - named SIM-Ibex - allowing census data maintenance, parameter automated assessment and culling strategies tuning and simulating. However population dynamics is driven not only by demographic factors, but also by dispersal and colonisation of new areas. Habitat suitability and obstacles modelling had therefore to be addressed. Thus, a software package - named Biomapper - was developed. Its central module is based on the Ecological Niche Factor Analysis (ENFA) whose principle is to compute niche marginality and specialisation factors from a set of environmental predictors and species presence data. All Biomapper modules are linked to Geographic Information Systems (GIS); they cover all operations of data importation, predictor preparation, ENFA and habitat suitability map computation, results validation and further processing; a module also allows mapping of dispersal barriers and corridors. ENFA application domain was then explored by means of a simulated species distribution. It was compared to a common habitat suitability assessing method, the Generalised Linear Model (GLM), and was proven better suited for spreading or cryptic species. Demography and landscape informations were finally merged into a global model. To cope with landscape realism and technical constraints of large population modelling, a cellular automaton approach was chosen: the study area is modelled by a lattice of hexagonal cells, each one characterised by a few fixed properties - a carrying capacity and six impermeability rates quantifying exchanges between adjacent cells - and one variable, population density. The later varies according to local reproduction/survival and dispersal dynamics, modified by density-dependence and stochasticity. A software - named HexaSpace - was developed, which achieves two functions: 1° Calibrating the automaton on the base of local population dynamics models (e.g., computed by SIM-Ibex) and a habitat suitability map (e.g. computed by Biomapper). 2° Running simulations. It allows studying the spreading of an invading species across a complex landscape made of variously suitable areas and dispersal barriers. This model was applied to the history of Ibex reintroduction in Bernese Alps (Switzerland). SIM-Ibex is now used by governmental wildlife managers to prepare and verify culling plans. Biomapper has been applied to several species (both plants and animals) all around the World. In the same way, whilst HexaSpace was originally designed for terrestrial animal species, it could be easily extended to model plant propagation or flying animals dispersal. As these softwares were designed to proceed from low-level data to build a complex realistic model and as they benefit from an intuitive user-interface, they may have many conservation applications. Moreover, theoretical questions in the fields of population and landscape ecology might also be addressed by these approaches.

Artificial evolution on network structures : how time and space influence dynamics

Abstract The main objective of this work is to show how the choice of the temporal dimension and of the spatial structure of the population influences an artificial evolutionary process. In the field of Artificial Evolution we can observe a common trend in synchronously evolv¬ing panmictic populations, i.e., populations in which any individual can be recombined with any other individual. Already in the '90s, the works of Spiessens and Manderick, Sarma and De Jong, and Gorges-Schleuter have pointed out that, if a population is struc¬tured according to a mono- or bi-dimensional regular lattice, the evolutionary process shows a different dynamic with respect to the panmictic case. In particular, Sarma and De Jong have studied the selection pressure (i.e., the diffusion of a best individual when the only selection operator is active) induced by a regular bi-dimensional structure of the population, proposing a logistic modeling of the selection pressure curves. This model supposes that the diffusion of a best individual in a population follows an exponential law. We show that such a model is inadequate to describe the process, since the growth speed must be quadratic or sub-quadratic in the case of a bi-dimensional regular lattice. New linear and sub-quadratic models are proposed for modeling the selection pressure curves in, respectively, mono- and bi-dimensional regu¬lar structures. These models are extended to describe the process when asynchronous evolutions are employed. Different dynamics of the populations imply different search strategies of the resulting algorithm, when the evolutionary process is used to solve optimisation problems. A benchmark of both discrete and continuous test problems is used to study the search characteristics of the different topologies and updates of the populations. In the last decade, the pioneering studies of Watts and Strogatz have shown that most real networks, both in the biological and sociological worlds as well as in man-made structures, have mathematical properties that set them apart from regular and random structures. In particular, they introduced the concepts of small-world graphs, and they showed that this new family of structures has interesting computing capabilities. Populations structured according to these new topologies are proposed, and their evolutionary dynamics are studied and modeled. We also propose asynchronous evolutions for these structures, and the resulting evolutionary behaviors are investigated. Many man-made networks have grown, and are still growing incrementally, and explanations have been proposed for their actual shape, such as Albert and Barabasi's preferential attachment growth rule. However, many actual networks seem to have undergone some kind of Darwinian variation and selection. Thus, how these networks might have come to be selected is an interesting yet unanswered question. In the last part of this work, we show how a simple evolutionary algorithm can enable the emrgence o these kinds of structures for two prototypical problems of the automata networks world, the majority classification and the synchronisation problems. Synopsis L'objectif principal de ce travail est de montrer l'influence du choix de la dimension temporelle et de la structure spatiale d'une population sur un processus évolutionnaire artificiel. Dans le domaine de l'Evolution Artificielle on peut observer une tendence à évoluer d'une façon synchrone des populations panmictiques, où chaque individu peut être récombiné avec tout autre individu dans la population. Déjà dans les année '90, Spiessens et Manderick, Sarma et De Jong, et Gorges-Schleuter ont observé que, si une population possède une structure régulière mono- ou bi-dimensionnelle, le processus évolutionnaire montre une dynamique différente de celle d'une population panmictique. En particulier, Sarma et De Jong ont étudié la pression de sélection (c-à-d la diffusion d'un individu optimal quand seul l'opérateur de sélection est actif) induite par une structure régulière bi-dimensionnelle de la population, proposant une modélisation logistique des courbes de pression de sélection. Ce modèle suppose que la diffusion d'un individu optimal suit une loi exponentielle. On montre que ce modèle est inadéquat pour décrire ce phénomène, étant donné que la vitesse de croissance doit obéir à une loi quadratique ou sous-quadratique dans le cas d'une structure régulière bi-dimensionnelle. De nouveaux modèles linéaires et sous-quadratique sont proposés pour des structures mono- et bi-dimensionnelles. Ces modèles sont étendus pour décrire des processus évolutionnaires asynchrones. Différentes dynamiques de la population impliquent strategies différentes de recherche de l'algorithme résultant lorsque le processus évolutionnaire est utilisé pour résoudre des problèmes d'optimisation. Un ensemble de problèmes discrets et continus est utilisé pour étudier les charactéristiques de recherche des différentes topologies et mises à jour des populations. Ces dernières années, les études de Watts et Strogatz ont montré que beaucoup de réseaux, aussi bien dans les mondes biologiques et sociologiques que dans les structures produites par l'homme, ont des propriétés mathématiques qui les séparent à la fois des structures régulières et des structures aléatoires. En particulier, ils ont introduit la notion de graphe sm,all-world et ont montré que cette nouvelle famille de structures possède des intéressantes propriétés dynamiques. Des populations ayant ces nouvelles topologies sont proposés, et leurs dynamiques évolutionnaires sont étudiées et modélisées. Pour des populations ayant ces structures, des méthodes d'évolution asynchrone sont proposées, et la dynamique résultante est étudiée. Beaucoup de réseaux produits par l'homme se sont formés d'une façon incrémentale, et des explications pour leur forme actuelle ont été proposées, comme le preferential attachment de Albert et Barabàsi. Toutefois, beaucoup de réseaux existants doivent être le produit d'un processus de variation et sélection darwiniennes. Ainsi, la façon dont ces structures ont pu être sélectionnées est une question intéressante restée sans réponse. Dans la dernière partie de ce travail, on montre comment un simple processus évolutif artificiel permet à ce type de topologies d'émerger dans le cas de deux problèmes prototypiques des réseaux d'automates, les tâches de densité et de synchronisation.

Métabolisme d'antidépresseurs dans différentes espèces : aspects méthodologiques et pharmacogénétiques, perspectives cliniques

Résumé pour large public Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne Lors de la prise d'un médicament, celui-ci va passer par différentes étapes que sont l'absorption, la distribution, le métabolisme et enfin l'élimination. Ces quatre étapes sont regroupées sous le nom de pharmacocinétique. A noter que ces quatre paramètres sont dynamiques et en constante évolution. Durant cette thèse, nous avons investigué différents aspects de la pharmacocinétique, tout d'abord par une revue de la littérature sur la glycoprotéine-P (Pgp). Récemment découverte, cette protéine de membrane est située aux endroits stratégiques de l'organisme comme la barrière hématoencéphalée, le placenta ou les intestins où elle influencera l'entrée de différentes substances, en particulier les médicaments. La Pgp serait impliquée dans les phénomènes de résistances aux agents thérapeutiques en oncologie. La Pgp influence donc l'absorption des médicaments, et son impact en clinique, en termes d'efficacité de traitement et de toxicité prend chaque jour plus d'importance. Ensuite nous avons mis au point une méthode d'analyse quantitative d'un antidépresseur d'une nouvelle génération : la mirtazapine (Remeron®). La nouveauté réside dans la façon dont la mirtazapine interagit avec les neurotransmetteurs impliqués dans la dépression que sont la sérotonine et la noradrénaline. Cette méthode utilise la chromatographie liquide pour séparer la mirtazapine de ses principaux métabolites dans le sang. La spectrométrie de masse est utilisée pour les détecter et les quantifier. Les métabolites sont des substances issues de réactions chimiques entre la substance mère, la mirtazapine, et généralement des enzymes hépatiques, dans le but de rendre cette substance plus soluble en vue de son élimination. Cette méthode permet de quantifier la mirtazapine et ses métabolites dans le sang de patients traités et de déterminer la variation des taux plasmatiques chez ces patients. Puis nous avons étudié le métabolisme d'un autre antidépresseur, le citalopram, qui a un métabolisme complexe. Le citalopram est un racémate, c'est-à-dire qu'il existe sous forme de deux entités chimiques (R-(-) et S-(+) citalopram) qui ont le même nombre d'éléments mais arrangés différemment dans l'espace. La voie métabolique cérébrale du citalopram est sous le contrôle d'une enzyme, la monoamine oxydase (MAO), conduisant à une forme acide du citalopram (l'acide propionique du citalopram). La MAO existe sous deux formes : MAO-A et MAO-B. Nous avons utilisé des souris déficientes d'un gène, celui de la MAO-A, pour mieux en comprendre le métabolisme en les comparants à des souris sauvages (sans déficience de ce gène). Nous avons utilisé le citalopram et deux de ses métabolites (le déméthylcitaloprarn et le didéméthyícitalopram) comme substrats pour tester la formation in vitro de l'acide propionique du citalopram. Nos résultats montrent que la MAO-A favorise la formation de l'entité R-(-) et présente une plus grande affinité pour le citalopram, tandis que la MAO-B métabolise préférentiellement l'entité S-(+) et a une plus grande affinité pour les deux métabolites déméthylés. De plus, la déficience en MAO-A est partiellement compensée parla MAO-B chez les souris déficientes du gène de la MAO-A. Enfin, nous avons étudié une deuxième voie métabolique du citalopram qui s'est avérée toxique chez le chien Beagle. Celle-ci est catalysée par une autre famille d'enzymes, les cytochromes P-450, et mène aux métabolites déméthylés et didéméthylés du citalopram. Nous avons utilisé des tissus hépatiques de chiens Beagle. Plusieurs cytochromes P-450 sont impliqués dans le métabolisme du citalopram menant à sa forme déméthylée, ceci tant chez l'homme que chez le chien. Par contre, dans le métabolisme de la forme déméthylée menant à 1a forme didéméthylée, un seul cytochrome P-450 serait impliqué chez l'Homme, tandis qu'ils seraient plusieurs chez le chien. L'activité enzymatique produisant la forme didéméthylée est beaucoup plus importante chez le chien comparé à l'homme. Cette observation soutien l'hypothèse que des taux élevés de la forme didéméthylée participent à la toxicité spécifique du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant que les enzymes peuvent être stimulées ou inhibées, il importe de pouvoir suivre au plus prés les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Résumé Unité de Biochimie et Psychopharmacologie Clinique, Centre de neurosciences Psychiatrique, Département de Psychiatrie Adulte, Faculté de Biologie et de Médecine, Université de Lausanne La plupart des médicaments subissent une transformation enzymatique dans l'organisme. Les substances issues de cette métabolisation ne sont pas toujours dotées d'une activité pharmacologique. Il s'est avéré par conséquent indispensable de suivre les taux plasmatiques d'une substance et de ses métabolites et d'établir ou non l'existence d'une relation avec l'effet clinique observé. Ce concept nommé « therapeutic drag monitoring » (TDM) est particulièrement utile en psychiatrie ou un manque de compliance des patients est fréquemment observé. Les médicaments psychotropes ont un métabolisme principalement hépatique (cytochromes P-450) et parfois cérébral (monoamines oxydases), comme pour le citalopram par exemple. Une méthode stéréosélective de chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse a été développée pour analyser les énantiomères R-(-) et S-(+) d'un antidépresseur agissant sur les récepteurs noradrénergiques et sérotoninergiques, la mirtazapine et de ses métabolites déméthylmirtazapine et 8-hydroxymirtazapine. Les données préliminaires obtenues dans les plasmas dosés suggèrent que les concentrations de R-(-)-mirtazapine sont plus élevées que celles de S-(+)-mirtazapine, à l'exception des patients qui auraient comme co-médication des inhibiteurs du CYP2D6, telle que la fluoxétine ou la thioridazine. Il y a une enantiosélectivité du métabolisme de la mirtazapine. En particulier pour la 8-hydroxymirtazapine qui est glucuroconjuguée et pour laquelle le ratio S/R varie considérablement. Cette méthode analytique présente l'avantage d'être utilisable pour le dosage stéréosélectif de la mirtazapine et de ses métabolites dans le plasma de patients ayant d'autres substances en co-médication. La glycoprotéine P fonctionne comme une pompe transmembranaire transportant les xénobiotiques depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire. Son induction et son inhibition, bien que moins étudiées que pour les cytochromes P-450, ont des implications cliniques importantes en termes d'efficacité de traitement et de toxicité. Cette glycoprotéine P a fait l'objet d'une recherche bibliographique. Nous avons étudié le métabolisme du citalopram, un antidépresseur de la classe des inhibiteurs spécifiques de la recapture de la sérotonine chez la souris et chez le chien. Cette substance subit un métabolisme complexe. La voie de métabolisation conduisant à la formation de l'acide propionique du citalopram, catalysée par les monoamines oxydases, a été étudiée in vitro dans les mitochondries cérébrales chez la souris déficiente du gène de la MAO-A (Tg8). La monoamine oxydase A catalyse la formation de l'énantiomère R-(-) et présente une plus grande affinité pour les amines tertiaires, tandis que la monoamine oxydase B favorise la formation de la forme S-(+) et a une affinité plus marquée pour les amines secondaires et primaires. L'étude du citalopram chez la souris Tg8 adulte a montré que la monoamine oxydase B compense la déficience de la monoamine oxydase A chez ces souris génétiquement modifiées. Une autre voie de métabolisation du citalopram conduisant à la formation de didéméthylcitalopram, catalysée par les cytochromes P-450, a été étudiée in vitro dans des microsomes hépatiques de chiens Beagle. Nos études ont montré que les cinétiques de N-déméthylation du citalopram sont biphasiques chez le chien. Les orthologues canins impliqués dans la première N-déméthylation semblent être identiques aux cytochromes P-450 humains. Par contre, dans la deuxième Ndéméthylation, un seul cytochrome P-450 semble être impliqué chez l'homme (CYP2D6), tandis qu'on retrouve jusqu'à cinq orthologues chez le chien. Le CYP2D15, orthologue canin du CYP2D6, est majoritairement impliqué. De plus, l'activité enzymatique, reflétée par les clairances intrinsèques, dans la première N-déméthylation est jusqu'à 45 fois plus élevée chez le chien comparé à l'homme. Ces différentes observations soutiennent l'hypothèse que des taux élevés de didéméthylcitalopram sont responsables de la toxicité du citalopram chez le chien. Nous pouvons conclure que plusieurs famille d'enzymes sont impliquées tant au niveau cérébral qu'hépatique dans la métabolisation de médicaments psychotropes. Sachant -que les enzymes peuvent être induits ou inhibés, il importe de pouvoir suivre au plus près les taux plasmatiques des différents psychotropes et de leurs métabolites. Summary Most of the drugs are metabolized in the organism. Substances issued from this metabolic activity do not always show a pharmacological activity. Therefore, it is necessary to monitor plasmatic levels of drugs and their metabolites, and establish the relationship with the clinical effect. This concept named therapeutic drug monitoring is very useful in psychiatry where lack of compliance is commonly observed. Antidepressants are mainly metabolized in the liver (cytochrome P-450) and sometimes in the brain (monoamine oxidase) like the citalopram, for exemple. A LC-MS method was developed, which allows the simultaneous analysis of R-(-) and S-(+) enantiomers of mirtazapine, an antidepressant acting specifically on noradrenergic and serotonergic receptors, and its metabolites demethylmirtazapine and 8-hydroxymirtazapine in plasma of mirtazapine treated patients. Preliminary data obtained suggested that R-(-) mirtazapine concentrations were higher than those of S-(+) mirtazapine, except in patients comedicated with CYP2D6 inhibitors such as fluoxetine or thioridazine. There is an enantioselectivity in the metabolism of mirtazapine. In particular for the 8-hydroxymirtazapine, which is glucuroconjugated and S/R ratio varies considerably. Therefore this method seems to be suitable for the stereoselective assay of mirtazapine and its metabolites in plasma of patients comedicated with mirtazapine and other drugs for routine and research purposes. P-glycoprotein is working as an efflux transporter of xenobiotics from intracellular to extracellular environment. Its induction or inhibition, although less studied than cytochrome P-450, has huge clinical implications in terms of treatment efficacy and toxicity. An extensive literature search on P-glycoprotein was performed as part of this thesis. The study of citalopram metabolism, an antidepressant belonging to the class of selective serotonin reuptake inhibitors. This substance undergoes a complex metabolism. First metabolization route leading to citalopram propionic acid, catalyzed by monoamine oxidase was studied in vitro in mice brain mitochondria. Monoamine oxidase A catalyzed the formation of R-(-) enantiomer and showed greater affinity for tertiary amines, whereas monoamine oxidase B triggered the formation of S-(+) enantiomer and demonstrated higher affinity for primary and secondary amines. citalopram evaluation in adult Tg8 mice showed that monoamine oxidase B compensated monoamine oxidase A deficiency in those genetically transformed mice. The second metabolization route of citalopram leading to didemethylcitalopram and catalyzed by cytochrome P-450 was studied in vitro in Beagle dog's livers. Our results showed that citalopram N-demethylation kinetics are biphasic in dogs. Canine orthologs involved in the first N-demethylation seemed to be identical to human cytochromes P-450. However, in the second N-demethylation only one cytochrome P-450 seemed to be involved in human (CYP2D6), whereas up to five canine orthologs were found in dogs. CYP2D15 canine ortholog of CYP2D6 was mainly involved. In addition, enzymatic activity reflected by intrinsic clearance in the first N-demethylation was up to 45 fold higher in dogs compared to humans. Those observations support the assumption that elevated rates of didemethylcitalopram are responsible for citalopram toxicity in dogs. We can conclude that several enzymes groups are involved in the brain, as well as in the liver, in antidepressant metabolization. Knowing that enzymes may be induced or inhibited, it makes sense to closely monitor plasmatic levels of antidepressants and their metabolites.

Development and application of computational methodologies in qualitative modeling

La présente thèse s'intitule "Développent et Application des Méthodologies Computationnelles pour la Modélisation Qualitative". Elle comprend tous les différents projets que j'ai entrepris en tant que doctorante. Plutôt qu'une mise en oeuvre systématique d'un cadre défini a priori, cette thèse devrait être considérée comme une exploration des méthodes qui peuvent nous aider à déduire le plan de processus regulatoires et de signalisation. Cette exploration a été mue par des questions biologiques concrètes, plutôt que par des investigations théoriques. Bien que tous les projets aient inclus des systèmes divergents (réseaux régulateurs de gènes du cycle cellulaire, réseaux de signalisation de cellules pulmonaires) ainsi que des organismes (levure à fission, levure bourgeonnante, rat, humain), nos objectifs étaient complémentaires et cohérents. Le projet principal de la thèse est la modélisation du réseau de l'initiation de septation (SIN) du S.pombe. La cytokinèse dans la levure à fission est contrôlée par le SIN, un réseau signalant de protéines kinases qui utilise le corps à pôle-fuseau comme échafaudage. Afin de décrire le comportement qualitatif du système et prédire des comportements mutants inconnus, nous avons décidé d'adopter l'approche de la modélisation booléenne. Dans cette thèse, nous présentons la construction d'un modèle booléen étendu du SIN, comprenant la plupart des composantes et des régulateurs du SIN en tant que noeuds individuels et testable expérimentalement. Ce modèle utilise des niveaux d'activité du CDK comme noeuds de contrôle pour la simulation d'évènements du SIN à différents stades du cycle cellulaire. Ce modèle a été optimisé en utilisant des expériences d'un seul "knock-out" avec des effets phénotypiques connus comme set d'entraînement. Il a permis de prédire correctement un set d'évaluation de "knock-out" doubles. De plus, le modèle a fait des prédictions in silico qui ont été validées in vivo, permettant d'obtenir de nouvelles idées de la régulation et l'organisation hiérarchique du SIN. Un autre projet concernant le cycle cellulaire qui fait partie de cette thèse a été la construction d'un modèle qualitatif et minimal de la réciprocité des cyclines dans la S.cerevisiae. Les protéines Clb dans la levure bourgeonnante présentent une activation et une dégradation caractéristique et séquentielle durant le cycle cellulaire, qu'on appelle communément les vagues des Clbs. Cet évènement est coordonné avec la courbe d'activation inverse du Sic1, qui a un rôle inhibitoire dans le système. Pour l'identification des modèles qualitatifs minimaux qui peuvent expliquer ce phénomène, nous avons sélectionné des expériences bien définies et construit tous les modèles minimaux possibles qui, une fois simulés, reproduisent les résultats attendus. Les modèles ont été filtrés en utilisant des simulations ODE qualitatives et standardisées; seules celles qui reproduisaient le phénotype des vagues ont été gardées. L'ensemble des modèles minimaux peut être utilisé pour suggérer des relations regulatoires entre les molécules participant qui peuvent ensuite être testées expérimentalement. Enfin, durant mon doctorat, j'ai participé au SBV Improver Challenge. Le but était de déduire des réseaux spécifiques à des espèces (humain et rat) en utilisant des données de phosphoprotéines, d'expressions des gènes et des cytokines, ainsi qu'un réseau de référence, qui était mis à disposition comme donnée préalable. Notre solution pour ce concours a pris la troisième place. L'approche utilisée est expliquée en détail dans le dernier chapitre de la thèse. -- The present dissertation is entitled "Development and Application of Computational Methodologies in Qualitative Modeling". It encompasses the diverse projects that were undertaken during my time as a PhD student. Instead of a systematic implementation of a framework defined a priori, this thesis should be considered as an exploration of the methods that can help us infer the blueprint of regulatory and signaling processes. This exploration was driven by concrete biological questions, rather than theoretical investigation. Even though the projects involved divergent systems (gene regulatory networks of cell cycle, signaling networks in lung cells), as well as organisms (fission yeast, budding yeast, rat, human), our goals were complementary and coherent. The main project of the thesis is the modeling of the Septation Initiation Network (SIN) in S.pombe. Cytokinesis in fission yeast is controlled by the SIN, a protein kinase signaling network that uses the spindle pole body as scaffold. In order to describe the qualitative behavior of the system and predict unknown mutant behaviors we decided to adopt a Boolean modeling approach. In this thesis, we report the construction of an extended, Boolean model of the SIN, comprising most SIN components and regulators as individual, experimentally testable nodes. The model uses CDK activity levels as control nodes for the simulation of SIN related events in different stages of the cell cycle. The model was optimized using single knock-out experiments of known phenotypic effect as a training set, and was able to correctly predict a double knock-out test set. Moreover, the model has made in silico predictions that have been validated in vivo, providing new insights into the regulation and hierarchical organization of the SIN. Another cell cycle related project that is part of this thesis was to create a qualitative, minimal model of cyclin interplay in S.cerevisiae. CLB proteins in budding yeast present a characteristic, sequential activation and decay during the cell cycle, commonly referred to as Clb waves. This event is coordinated with the inverse activation curve of Sic1, which has an inhibitory role in the system. To generate minimal qualitative models that can explain this phenomenon, we selected well-defined experiments and constructed all possible minimal models that, when simulated, reproduce the expected results. The models were filtered using standardized qualitative ODE simulations; only the ones reproducing the wave-like phenotype were kept. The set of minimal models can be used to suggest regulatory relations among the participating molecules, which will subsequently be tested experimentally. Finally, during my PhD I participated in the SBV Improver Challenge. The goal was to infer species-specific (human and rat) networks, using phosphoprotein, gene expression and cytokine data and a reference network provided as prior knowledge. Our solution to the challenge was selected as in the final chapter of the thesis.

Dinámica erosiva y aplicabilidad de modelos físicos de erosión en una cuenca de montaña mediterránea (Ribera Salada, Cuenca del Segre, Lleida, España)

Se estudia la dinámica de erosión por escorrentía superficial en unas laderas montañosas de la cabecera de la Ribera Salada (cuenca del Sagre), distinguiendo tres usos de suelo: (1) sotobosque de quejigo, (2) terrazas agrícolas y (3) márgenes de matorral. Se analiza la aplicabilidad de los modelos Erosion2D y EUROSEM. En cuanto al diseño experimental, durante seis meses se controlaron episodios naturales mediante un pluviógrafo y quince parcelas con canales Gerlach. Se realizaron, asimismo, seis simulaciones de lluvia que permitieron estudiar episodios de alta intensidad. De manera complementaria se llevaron a cabo las mediciones topográficas, los muestreos y las experimentaciones necesarias para caracterizar hidrológicamente la zona y aplicar los modelos de erosión. Como principales conclusiones se pueden señalar las siguientes: a) las tasas de escorrentía y erosión registradas fueron muy bajas, y se constató la importancia de procesos diferentes al flujo hortoniano, lo cual condiciona el uso de estos modelos, b) el modelo E2D no permite estudiar episodios de baja magnitud como los registrados, y su aplicación se debería restringir a terrenos menos porosos, c) la aplicación directa del modelo EUROSEM origina errores importantes; se ha calibrado un parámetro para reducir el error en el cálculo de la escorrentía, y d) el estudio de la variabilidad de la humedad precedente del suelo resulta de gran importancia para la modelización de estos procesos.

Rockfall susceptibility assessment and remote geological mapping with LiDAR point clouds

Characterizing the geological features and structures in three dimensions over inaccessible rock cliffs is needed to assess natural hazards such as rockfalls and rockslides and also to perform investigations aimed at mapping geological contacts and building stratigraphy and fold models. Indeed, the detailed 3D data, such as LiDAR point clouds, allow to study accurately the hazard processes and the structure of geologic features, in particular in vertical and overhanging rock slopes. Thus, 3D geological models have a great potential of being applied to a wide range of geological investigations both in research and applied geology projects, such as mines, tunnels and reservoirs. Recent development of ground-based remote sensing techniques (LiDAR, photogrammetry and multispectral / hyperspectral images) are revolutionizing the acquisition of morphological and geological information. As a consequence, there is a great potential for improving the modeling of geological bodies as well as failure mechanisms and stability conditions by integrating detailed remote data. During the past ten years several large rockfall events occurred along important transportation corridors where millions of people travel every year (Switzerland: Gotthard motorway and railway; Canada: Sea to sky highway between Vancouver and Whistler). These events show that there is still a lack of knowledge concerning the detection of potential rockfalls, making mountain residential settlements and roads highly risky. It is necessary to understand the main factors that destabilize rocky outcrops even if inventories are lacking and if no clear morphological evidences of rockfall activity are observed. In order to increase the possibilities of forecasting potential future landslides, it is crucial to understand the evolution of rock slope stability. Defining the areas theoretically most prone to rockfalls can be particularly useful to simulate trajectory profiles and to generate hazard maps, which are the basis for land use planning in mountainous regions. The most important questions to address in order to assess rockfall hazard are: Where are the most probable sources for future rockfalls located? What are the frequencies of occurrence of these rockfalls? I characterized the fracturing patterns in the field and with LiDAR point clouds. Afterwards, I developed a model to compute the failure mechanisms on terrestrial point clouds in order to assess the susceptibility to rockfalls at the cliff scale. Similar procedures were already available to evaluate the susceptibility to rockfalls based on aerial digital elevation models. This new model gives the possibility to detect the most susceptible rockfall sources with unprecented detail in the vertical and overhanging areas. The results of the computation of the most probable rockfall source areas in granitic cliffs of Yosemite Valley and Mont-Blanc massif were then compared to the inventoried rockfall events to validate the calculation methods. Yosemite Valley was chosen as a test area because it has a particularly strong rockfall activity (about one rockfall every week) which leads to a high rockfall hazard. The west face of the Dru was also chosen for the relevant rockfall activity and especially because it was affected by some of the largest rockfalls that occurred in the Alps during the last 10 years. Moreover, both areas were suitable because of their huge vertical and overhanging cliffs that are difficult to study with classical methods. Limit equilibrium models have been applied to several case studies to evaluate the effects of different parameters on the stability of rockslope areas. The impact of the degradation of rockbridges on the stability of large compartments in the west face of the Dru was assessed using finite element modeling. In particular I conducted a back-analysis of the large rockfall event of 2005 (265'000 m3) by integrating field observations of joint conditions, characteristics of fracturing pattern and results of geomechanical tests on the intact rock. These analyses improved our understanding of the factors that influence the stability of rock compartments and were used to define the most probable future rockfall volumes at the Dru. Terrestrial laser scanning point clouds were also successfully employed to perform geological mapping in 3D, using the intensity of the backscattered signal. Another technique to obtain vertical geological maps is combining triangulated TLS mesh with 2D geological maps. At El Capitan (Yosemite Valley) we built a georeferenced vertical map of the main plutonio rocks that was used to investigate the reasons for preferential rockwall retreat rate. Additional efforts to characterize the erosion rate were made at Monte Generoso (Ticino, southern Switzerland) where I attempted to improve the estimation of long term erosion by taking into account also the volumes of the unstable rock compartments. Eventually, the following points summarize the main out puts of my research: The new model to compute the failure mechanisms and the rockfall susceptibility with 3D point clouds allows to define accurately the most probable rockfall source areas at the cliff scale. The analysis of the rockbridges at the Dru shows the potential of integrating detailed measurements of the fractures in geomechanical models of rockmass stability. The correction of the LiDAR intensity signal gives the possibility to classify a point cloud according to the rock type and then use this information to model complex geologic structures. The integration of these results, on rockmass fracturing and composition, with existing methods can improve rockfall hazard assessments and enhance the interpretation of the evolution of steep rockslopes. -- La caractérisation de la géologie en 3D pour des parois rocheuses inaccessibles est une étape nécessaire pour évaluer les dangers naturels tels que chutes de blocs et glissements rocheux, mais aussi pour réaliser des modèles stratigraphiques ou de structures plissées. Les modèles géologiques 3D ont un grand potentiel pour être appliqués dans une vaste gamme de travaux géologiques dans le domaine de la recherche, mais aussi dans des projets appliqués comme les mines, les tunnels ou les réservoirs. Les développements récents des outils de télédétection terrestre (LiDAR, photogrammétrie et imagerie multispectrale / hyperspectrale) sont en train de révolutionner l'acquisition d'informations géomorphologiques et géologiques. Par conséquence, il y a un grand potentiel d'amélioration pour la modélisation d'objets géologiques, ainsi que des mécanismes de rupture et des conditions de stabilité, en intégrant des données détaillées acquises à distance. Pour augmenter les possibilités de prévoir les éboulements futurs, il est fondamental de comprendre l'évolution actuelle de la stabilité des parois rocheuses. Définir les zones qui sont théoriquement plus propices aux chutes de blocs peut être très utile pour simuler les trajectoires de propagation des blocs et pour réaliser des cartes de danger, qui constituent la base de l'aménagement du territoire dans les régions de montagne. Les questions plus importantes à résoudre pour estimer le danger de chutes de blocs sont : Où se situent les sources plus probables pour les chutes de blocs et éboulement futurs ? Avec quelle fréquence vont se produire ces événements ? Donc, j'ai caractérisé les réseaux de fractures sur le terrain et avec des nuages de points LiDAR. Ensuite, j'ai développé un modèle pour calculer les mécanismes de rupture directement sur les nuages de points pour pouvoir évaluer la susceptibilité au déclenchement de chutes de blocs à l'échelle de la paroi. Les zones sources de chutes de blocs les plus probables dans les parois granitiques de la vallée de Yosemite et du massif du Mont-Blanc ont été calculées et ensuite comparés aux inventaires des événements pour vérifier les méthodes. Des modèles d'équilibre limite ont été appliqués à plusieurs cas d'études pour évaluer les effets de différents paramètres sur la stabilité des parois. L'impact de la dégradation des ponts rocheux sur la stabilité de grands compartiments de roche dans la paroi ouest du Petit Dru a été évalué en utilisant la modélisation par éléments finis. En particulier j'ai analysé le grand éboulement de 2005 (265'000 m3), qui a emporté l'entier du pilier sud-ouest. Dans le modèle j'ai intégré des observations des conditions des joints, les caractéristiques du réseau de fractures et les résultats de tests géoméchaniques sur la roche intacte. Ces analyses ont amélioré l'estimation des paramètres qui influencent la stabilité des compartiments rocheux et ont servi pour définir des volumes probables pour des éboulements futurs. Les nuages de points obtenus avec le scanner laser terrestre ont été utilisés avec succès aussi pour produire des cartes géologiques en 3D, en utilisant l'intensité du signal réfléchi. Une autre technique pour obtenir des cartes géologiques des zones verticales consiste à combiner un maillage LiDAR avec une carte géologique en 2D. A El Capitan (Yosemite Valley) nous avons pu géoréferencer une carte verticale des principales roches plutoniques que j'ai utilisé ensuite pour étudier les raisons d'une érosion préférentielle de certaines zones de la paroi. D'autres efforts pour quantifier le taux d'érosion ont été effectués au Monte Generoso (Ticino, Suisse) où j'ai essayé d'améliorer l'estimation de l'érosion au long terme en prenant en compte les volumes des compartiments rocheux instables. L'intégration de ces résultats, sur la fracturation et la composition de l'amas rocheux, avec les méthodes existantes permet d'améliorer la prise en compte de l'aléa chute de pierres et éboulements et augmente les possibilités d'interprétation de l'évolution des parois rocheuses.

Suivi thérapeutique pharmacologique des inhibiteurs de protéines kinases

La plupart des inhibiteurs de protéines kinases développés en nombre à la suite de l'imatinib partagent avec celui-ci les caractéristiques des médicaments candidats au suivi thérapeutique pharmacologique : importante variabilité pharmacocinétique entre patients, influences de traits pharmacogénétiques et d'atteintes d'organes, potentiel d'interactions médicamenteuses, relations stables entre exposition et efficacité ou toxicité, index thérapeutique restreint. Alors que le profilage génétique des tumeurs ouvre la voie vers une oncologie personnalisée quant au choix des molécules thérapeutiques, le monitoring des concentrations et l'individualisation des posologies devraient assurer que chaque patient est exposé aux concentrations lui garantissant la meilleure efficacité pour le minimum de toxicité. Pour cela, il faut d'abord disposer d'études observationnelles décrivant la pharmacocinétique de population du médicament et les concentrations attendues sous une posologie donnée. Des études pharmacodynamiques doivent aussi déterminer les relations concentration-efficacité-toxicité, dont découlent les cibles d'exposition à viser par le traitement. Sur ces bases, une stratégie rationnelle de monitoring peut être élaborée, puis testée dans des essais cliniques randomisés contrôlés. Les progrès se font attendre dans ce domaine, en raison non seulement du désintérêt des groupes pharmaceutiques, des cliniciens et des autorités, mais aussi des difficultés inhérentes au processus de suivi des concentrations, tel qu'il se pratique aujourd'hui. Des innovations technologiques associant des méthodes de mesure miniaturisées intégrées à des systèmes électroniques et une connexion à des outils informatiques d'assistance à l'interprétation pourraient prochainement mettre ce monitoring à la disposition immédiate des oncologues sur le lieu de consultation.

Le raisonnement clinique de l'infirmier(ère) expert(e) lors de l'évaluation de la douleur chez l'enfant ventilé et non communicant, sous analgésie et sédation, aux soins intensifs de pédiatrie

Dans le contexte des soins intensifs pédiatriques, la douleur est une préoccupation majeure et quotidienne pour l'équipe soignante. Les patients sont vulnérables de par leur condition et les multiples stimulations douloureuses auxquelles ils sont exposés. En dépit des données probantes démontrant l'importance d'une évaluation de la douleur, le traitement de celle-ci reste non optimal dans cette population vulnérable. Une douleur inadéquatement traitée peut causer de nombreuses complications à moyen et à long terme. L'évaluation de la douleur chez le patient ventilé et non communicant représente un défi important, rendu complexe par l'utilisation concomitante de médicaments sédatifs et analgésiques qui peuvent masquer ou altérer les comportements de la douleur. Il existe des outils d'évaluation adaptés à cette population vulnérable, mais l'interprétation des scores reste difficile. L'évaluation de la douleur demande aux infirmières des connaissances et compétences élevées à même d'être mobilisées lors d'un processus complexe lié au raisonnement clinique. Le but de cette étude descriptive et observationnelle est de déterminer les indicateurs utilisés par les infirmières expertes des soins intensifs de pédiatrie lors de l'évaluation de la douleur chez le patient ventilé et non communicant, sous analgésie et sédation. Un échantillon de convenance de dix infirmières expertes travaillant dans une unité de soins intensifs pédiatriques d'un hôpital universitaire de Suisse romande a participé à cette étude. Les données ont été récoltées par l'enregistrement de la verbalisation du raisonnement clinique au lit du patient, complété par une observation non participante et un entretien semi-structuré. Le développement d'un cadre théorique constitué d'un modèle de raisonnement clinique expert et d'une modélisation du décodage de la douleur a permis de réaliser une analyse de contenu des enregistrements. Les résultats montrent une utilisation importante des indicateurs physiologiques, en lien avec la stabilité clinique du patient qui est un critère essentiel pour la prise de décision lors de la gestion de la douleur. La difficulté à discriminer l'agitation résultant de la douleur ou d'autres causes est également omniprésente. Les expertes anticipent et préviennent la survenue de la douleur en s'appuyant sur leurs connaissances et les situations de patient déjà rencontrées. Le contexte clinique influence de manière prépondérante le raisonnement clinique et les indicateurs utilisés lors de l'évaluation et la gestion de la douleur. Celle-ci doit être évaluée de manière combinée avec la stabilité clinique du patient et son niveau de sédation. De futures recherches sont nécessaires pour confirmer ces résultats réalisés avec un échantillon de petite taille et un devis observationnel.

Économétrie, théorie des tests et philosophie des sciences

Dans ce texte, nous revoyons certains développements récents de l’économétrie qui peuvent être intéressants pour des chercheurs dans des domaines autres que l’économie et nous soulignons l’éclairage particulier que l’économétrie peut jeter sur certains thèmes généraux de méthodologie et de philosophie des sciences, tels la falsifiabilité comme critère du caractère scientifique d’une théorie (Popper), la sous-détermination des théories par les données (Quine) et l’instrumentalisme. En particulier, nous soulignons le contraste entre deux styles de modélisation - l’approche parcimonieuse et l’approche statistico-descriptive - et nous discutons les liens entre la théorie des tests statistiques et la philosophie des sciences.

Exact Nonparametric Two-Sample Homogeneity Tests for Possibly Discrete Distributions.

In this paper, we study several tests for the equality of two unknown distributions. Two are based on empirical distribution functions, three others on nonparametric probability density estimates, and the last ones on differences between sample moments. We suggest controlling the size of such tests (under nonparametric assumptions) by using permutational versions of the tests jointly with the method of Monte Carlo tests properly adjusted to deal with discrete distributions. We also propose a combined test procedure, whose level is again perfectly controlled through the Monte Carlo test technique and has better power properties than the individual tests that are combined. Finally, in a simulation experiment, we show that the technique suggested provides perfect control of test size and that the new tests proposed can yield sizeable power improvements.