Evolutionary history and its relevance in understanding and conserving southern African biodiversity

Abstract : Understanding how biodiversity is distributed is central to any conservation effort and has traditionally been based on niche modeling and the causal relationship between spatial distribution of organisms and their environment. More recently, the study of species' evolutionary history and relatedness has permeated the fields of ecology and conservation and, coupled with spatial predictions, provides useful insights to the origin of current biodiversity patterns, community structuring and potential vulnerability to extinction. This thesis explores several key ecological questions by combining the fields of niche modeling and phylogenetics and using important components of southern African biodiversity. The aims of this thesis are to provide comparisons of biodiversity measures, to assess how climate change will affect evolutionary history loss, to ask whether there is a clear link between evolutionary history and morphology and to investigate the potential role of relatedness in macro-climatic niche structuring. The first part of my thesis provides a fine scale comparison and spatial overlap quantification of species richness and phylogenetic diversity predictions for one of the most diverse plant families in the Cape Floristic Region (CFR), the Proteaceae. In several of the measures used, patterns do not match sufficiently to argue that species relatedness information is implicit in species richness patterns. The second part of my thesis predicts how climate change may affect threat and potential extinction of southern African animal and plant taxa. I compare present and future niche models to assess whether predicted species extinction will result in higher or lower V phylogenetic diversity survival than what would be experienced under random extinction processes. l find that predicted extinction will result in lower phylogenetic diversity survival but that this non-random pattern will be detected only after a substantial proportion of the taxa in each group has been lost. The third part of my thesis explores the relationship between phylogenetic and morphological distance in southern African bats to assess whether long evolutionary histories correspond to equally high levels of morphological variation, as predicted by a neutral model of character evolution. I find no such evidence; on the contrary weak negative trends are detected for this group, as well as in simulations of both neutral and convergent character evolution. Finally, I ask whether spatial and climatic niche occupancy in southern African bats is influenced by evolutionary history or not. I relate divergence time between species pairs to climatic niche and range overlap and find no evidence for clear phylogenetic structuring. I argue that this may be due to particularly high levels of micro-niche partitioning. Résumé : Comprendre la distribution de la biodiversité représente un enjeu majeur pour la conservation de la nature. Les analyses se basent le plus souvent sur la modélisation de la niche écologique à travers l'étude des relations causales entre la distribution spatiale des organismes et leur environnement. Depuis peu, l'étude de l'histoire évolutive des organismes est également utilisée dans les domaines de l'écologie et de la conservation. En combinaison avec la modélisation de la distribution spatiale des organismes, cette nouvelle approche fournit des informations pertinentes pour mieux comprendre l'origine des patterns de biodiversité actuels, de la structuration des communautés et des risques potentiels d'extinction. Cette thèse explore plusieurs grandes questions écologiques, en combinant les domaines de la modélisation de la niche et de la phylogénétique. Elle s'applique aux composants importants de la biodiversité de l'Afrique australe. Les objectifs de cette thèse ont été l) de comparer différentes mesures de la biodiversité, 2) d'évaluer l'impact des changements climatiques à venir sur la perte de diversité phylogénétique, 3) d'analyser le lien potentiel entre diversité phylogénétique et diversité morphologique et 4) d'étudier le rôle potentiel de la phylogénie sur la structuration des niches macro-climatiques des espèces. La première partie de cette thèse fournit une comparaison spatiale, et une quantification du chevauchement, entre des prévisions de richesse spécifique et des prédictions de la diversité phylogénétique pour l'une des familles de plantes les plus riches en espèces de la région floristique du Cap (CFR), les Proteaceae. Il résulte des analyses que plusieurs mesures de diversité phylogénétique montraient des distributions spatiales différentes de la richesse spécifique, habituellement utilisée pour édicter des mesures de conservation. La deuxième partie évalue les effets potentiels des changements climatiques attendus sur les taux d'extinction d'animaux et de plantes de l'Afrique australe. Pour cela, des modèles de distribution d'espèces actuels et futurs ont permis de déterminer si l'extinction des espèces se traduira par une plus grande ou une plus petite perte de diversité phylogénétique en comparaison à un processus d'extinction aléatoire. Les résultats ont effectivement montré que l'extinction des espèces liées aux changements climatiques pourrait entraîner une perte plus grande de diversité phylogénétique. Cependant, cette perte ne serait plus grande que celle liée à un processus d'extinction aléatoire qu'à partir d'une forte perte de taxons dans chaque groupe. La troisième partie de cette thèse explore la relation entre distances phylogénétiques et morphologiques d'espèces de chauves-souris de l'Afrique australe. ll s'agit plus précisément de déterminer si une longue histoire évolutive correspond également à des variations morphologiques plus grandes dans ce groupe. Cette relation est en fait prédite par un modèle neutre d'évolution de caractères. Aucune évidence de cette relation n'a émergé des analyses. Au contraire, des tendances négatives ont été détectées, ce qui représenterait la conséquence d'une évolution convergente entre clades et des niveaux élevés de cloisonnement pour chaque clade. Enfin, la dernière partie présente une étude sur la répartition de la niche climatique des chauves-souris de l'Afrique australe. Dans cette étude je rapporte temps de divergence évolutive (ou deux espèces ont divergé depuis un ancêtre commun) au niveau de chevauchement de leurs niches climatiques. Les résultats n'ont pas pu mettre en évidence de lien entre ces deux paramètres. Les résultats soutiennent plutôt l'idée que cela pourrait être I dû à des niveaux particulièrement élevés de répartition de la niche à échelle fine.

Climatic extremes improve predictions of spatial patterns of tree species.

Understanding niche evolution, dynamics, and the response of species to climate change requires knowledge of the determinants of the environmental niche and species range limits. Mean values of climatic variables are often used in such analyses. In contrast, the increasing frequency of climate extremes suggests the importance of understanding their additional influence on range limits. Here, we assess how measures representing climate extremes (i.e., interannual variability in climate parameters) explain and predict spatial patterns of 11 tree species in Switzerland. We find clear, although comparably small, improvement (+20% in adjusted D(2), +8% and +3% in cross-validated True Skill Statistic and area under the receiver operating characteristics curve values) in models that use measures of extremes in addition to means. The primary effect of including information on climate extremes is a correction of local overprediction and underprediction. Our results demonstrate that measures of climate extremes are important for understanding the climatic limits of tree species and assessing species niche characteristics. The inclusion of climate variability likely will improve models of species range limits under future conditions, where changes in mean climate and increased variability are expected.

Transmit diversity vs. spatial multiplexing in modern MIMO systems

A contemporary perspective on the tradeoff between transmit antenna diversity andspatial multiplexing is provided. It is argued that, in the context of most modern wirelesssystems and for the operating points of interest, transmission techniques that utilizeall available spatial degrees of freedom for multiplexing outperform techniques that explicitlysacrifice spatial multiplexing for diversity. In the context of such systems, therefore,there essentially is no decision to be made between transmit antenna diversity and spatialmultiplexing in MIMO communication. Reaching this conclusion, however, requires thatthe channel and some key system features be adequately modeled and that suitable performancemetrics be adopted; failure to do so may bring about starkly different conclusions. Asa specific example, this contrast is illustrated using the 3GPP Long-Term Evolution systemdesign.

Asymmetry of Functional Connectivity in Schizophrenia at Different Spatial Scales

Introduction: The interhemispheric asymmetries that originate from connectivity-related structuring of the cerebral cortex are compromised in schizophrenia (SZ). Recently, we have revealed the whole-head topography of EEG synchronization in SZ (Jalili et al. 2007; Knyazeva et al. 2008). Here we extended the analysis to assess the abnormality in the asymmetry of synchronization, which is further motivated by the evidence that the interhemispheric asymmetries suspected to be abnormal in SZ originate from the connectivity-related structuring of the cortex. Methods: Thirteen right-handed SZ patients and thirteen matched controls, participated in this study and the multichannel (128) EEGs were recorded for 3-5 minutes at rest. Then, Laplacian EEG (LEEG) were calculated using a 2-D spline. The LEEGs were analysis through calculating the power spectral density using Welch's average periodogram method. Furthermore, using a state-space based multivariate synchronization measure, S-estimator, we analyzed the correlate of the functional cortico-cortical connectivity in SZ patients compared to the controls. The values of S-estimator were obtained at three different special scales: first-order neighbors for each sensor location, second-order neighbors, and the whole hemisphere. The synchronization measures based on LEEG of alpha and beta bands were applied and tuned to various spatial scales including local, intraregional, and long-distance levels. To assess the between-group differences, we used a permutation version of Hotelling's T2 test. For correlation analysis, Spearman Rank Correlation was calculated. Results: Compared to the controls, who had rightward asymmetry at a local level (LEEG power), rightward anterior and leftward posterior asymmetries at an intraregional level (first- and second-order S-estimator), and rightward global asymmetry (hemispheric S-estimator), SZ patients showed generally attenuated asymmetry, the effect being strongest for intraregional synchronization. This deviation in asymmetry across the anterior-to-posterior axis is consistent with the cerebral form of the so-called Yakovlevian or anticlockwise cerebral torque. Moreover, the negative occipital and positive frontal asymmetry values suggest higher regional synchronization among the left occipital and the right frontal locations relative to their symmetrical counterparts. Correlation analysis linked the posterior intraregional and hemispheric abnormalities to the negative SZ symptoms, whereas the asymmetry of LEEG power appeared to be weakly coupled to clinical ratings. The posterior intraregional abnormalities of asymmetry were shown to increase with the duration of the disease. The tentative links between these findings and gross anatomical asymmetries, including the cerebral torque and gyrification pattern in normal subjects and SZ patients, are discussed. Conclusions: Overall, our findings reveal the abnormalities in the synchronization asymmetry in SZ patients and heavy involvement of the right hemisphere in these abnormalities. These results indicate that anomalous asymmetry of cortico-cortical connections in schizophrenia is amenable to electrophysiological analysis.

GeoKernels: Modeling of Spatial Data on GeoManifolds

This paper presents a review of methodology for semi-supervised modeling with kernel methods, when the manifold assumption is guaranteed to be satisfied. It concerns environmental data modeling on natural manifolds, such as complex topographies of the mountainous regions, where environmental processes are highly influenced by the relief. These relations, possibly regionalized and nonlinear, can be modeled from data with machine learning using the digital elevation models in semi-supervised kernel methods. The range of the tools and methodological issues discussed in the study includes feature selection and semisupervised Support Vector algorithms. The real case study devoted to data-driven modeling of meteorological fields illustrates the discussed approach.

Développement d'une puce à ADN métabolique et application à l'étude d'un modèle murin d'obésité et de diabète de type II

Résumé tout public : Le développement du diabète de type II et de l'obésité est causé par l'interaction entre des gènes de susceptibilité et des facteurs environnementaux, en particulier une alimentation riche en calories et une activité physique insuffisante. Afín d'évaluer le rôle de l'alimentation en absence d'hétérogénéité génétique, nous avons nourri une lignée de souris génétiquement pure avec un régime extrêmement gras. Ce régime a conduit à l'établissement de différents phénotypes parmi ces souris, soit : un diabète et une obésité (ObD), un diabète mais pas d'obésité (LD) ou ni un diabète, ni une obésité (LnD). Nous avons fait l'hypothèse que ces adaptations différentes au stress nutritionnel induit par le régime gras étaient dues à l'établissement de programmes génétiques différents dans les principaux organes impliqués dans le maintien de l'équilibre énergétique. Afin d'évaluer cette hypothèse, nous avons développé une puce à ADN contenant approximativement 700 gènes du métabolisme. Cette puce à ADN, en rendant possible la mesure simultanée de l'expression de nombreux gènes, nous a permis d'établir les profils d'expression des gènes caractéristiques de chaque groupe de souris nourries avec le régime gras, dans le foie et le muscle squelettique. Les données que nous avons obtenues à partir de ces profils d'expression ont montré que des changements d'expression marqués se produisaient dans le foie et le muscle entre les différents groupes de souris nourries avec le régime gras. Dans l'ensemble, ces changements suggèrent que l'établissement du diabète de type II et de l'obésité induits par un régime gras est associé à une synthèse accrue de lipides par le foie et à un flux augmenté de lipides du foie jusqu'à la périphérie (muscles squelettiques). Dans un deuxième temps, ces profils d'expression des gènes ont été utilisés pour sélectionner un sous-ensemble de gènes suffisamment discriminants pour pouvoir distinguer entre les différents phénotypes. Ce sous-ensemble de gènes nous a permis de construire un classificateur phénotypique capable de prédire avec une précision relativement élevée le phénotype des souris. Dans le futur, de tels « prédicteurs » basés sur l'expression des gènes pourraient servir d'outils pour le diagnostic de pathologies liées au métabolisme. Summary: Aetiology of obesity and type II diabetes is multifactorial, involving both genetic and environmental factors, such as calory-rich diets or lack of exercice. Genetically homogenous C57BL/6J mice fed a high fat diet (HFD) up to nine months develop differential adaptation, becoming either obese and diabetic (ObD) or remaining lean in the presence (LD) or absence (LnD) of diabetes development. Each phenotype is associated with diverse metabolic alterations, which may result from diverse molecular adaptations of key organs involved in the control of energy homeostasis. In this study, we evaluated if specific patterns of gene expression could be associated with each different phenotype of HFD mice in the liver and the skeletal muscles. To perform this, we constructed a metabolic cDNA microarray containing approximately 700 cDNA representing genes involved in the main metabolic pathways of energy homeostasis. Our data indicate that the development of diet-induced obesity and type II diabetes is linked to some defects in lipid metabolism, involving a preserved hepatic lipogenesis and increased levels of very low density lipoproteins (VLDL). In skeletal muscles, an increase in fatty acids uptake, as suggested by the increased expression of lipoprotein lipase, would contribute to the increased level of insulin resistance observed in the ObD mice. Conversely, both groups of lean mice showed a reduced expression in lipogenic genes, particularly stearoyl-CoA desaturase 1 (Scd-1), a gene linked to sensitivity to diet-induced obesity. Secondly, we identified a subset of genes from expression profiles that classified with relative accuracy the different groups of mice. Such classifiers may be used in the future as diagnostic tools of each metabolic state in each tissue. Résumé Développement d'une puce à ADN métabolique et application à l'étude d'un modèle murin d'obésité et de diabète de type II L'étiologie de l'obésité et du diabète de type II est multifactorielle, impliquant à la fois des facteurs génétiques et environnementaux, tels que des régimes riches en calories ou un manque d'exercice physique. Des souris génétiquement homogènes C57BL/6J nourries avec un régime extrêmement gras (HFD) pendant 9 mois développent une adaptation métabolique différentielle, soit en devenant obèses et diabétiques (ObD), soit en restant minces en présence (LD) ou en absence (LnD) d'un diabète. Chaque phénotype est associé à diverses altérations métaboliques, qui pourraient résulter de diverses adaptations moléculaires des organes impliqués dans le contrôle de l'homéostasie énergétique. Dans cette étude, nous avons évalué si des profils d'expression des gènes dans le foie et le muscle squelettique pouvaient être associés à chacun des phénotypes de souris HFD. Dans ce but, nous avons développé une puce à ADN métabolique contenant approximativement 700 ADNc représentant des gènes impliqués dans les différentes voies métaboliques de l'homéostasie énergétique. Nos données indiquent que le développement de l'obésité et du diabète de type II induit par un régime gras est associé à certains défauts du métabolisme lipidique, impliquant une lipogenèse hépatique préservée et des niveaux de lipoprotéines de très faible densité (VLDL) augmentés. Au niveau du muscle squelettique, une augmentation du captage des acides gras, suggéré par l'expression augmentée de la lipoprotéine lipase, contribuerait à expliquer la résistance à l'insuline plus marquée observée chez les souris ObD. Au contraire, les souris minces ont montré une réduction marquée de l'expression des gènes lipogéniques, en particulier de la stéaroyl-CoA désaturase 1 (scd-1), un gène associé à la sensibilité au développement de l'obésité par un régime gras. Dans un deuxième temps, nous avons identifié un sous-ensemble de gènes à partir des profils d'expression, qui permettent de classifier avec une précision relativement élevée les différents groupes de souris. De tels classificateurs pourraient être utilisés dans le futur comme outils pour le diagnostic de l'état métabolique d'un tissu donné.

Effects of pro-cholinergic treatment in patients suffering from spatial neglect.

Spatial neglect is a neurological condition characterized by a breakdown of spatial cognition contralateral to hemispheric damage. Deficits in spatial attention toward the contralesional side are considered to be central to this syndrome. Brain lesions typically involve right fronto-parietal cortices mediating attentional functions and subcortical connections in underlying white matter. Convergent findings from neuroimaging and behavioral studies in both animals and humans suggest that the cholinergic system might also be critically implicated in selective attention by modulating cortical function via widespread projections from the basal forebrain. Here we asked whether deficits in spatial attention associated with neglect could partly result from a cholinergic deafferentation of cortical areas subserving attentional functions, and whether such disturbances could be alleviated by pro-cholinergic therapy. We examined the effect of a single-dose transdermal nicotine treatment on spatial neglect in 10 stroke patients in a double-blind placebo-controlled protocol, using a standardized battery of neglect tests. Nicotine-induced systematic improvement on cancellation tasks and facilitated orienting to single visual targets, but had no significant effect on other tests. These results support a global effect of nicotine on attention and arousal, but no effect on other spatial mechanisms impaired in neglect.

Dispersal strategies, few dominating or many coexisting: the effect of environmental spatial structure and multiple sources of mortality.

Interspecific competition, life history traits, environmental heterogeneity and spatial structure as well as disturbance are known to impact the successful dispersal strategies in metacommunities. However, studies on the direction of impact of those factors on dispersal have yielded contradictory results and often considered only few competing dispersal strategies at the same time. We used a unifying modeling approach to contrast the combined effects of species traits (adult survival, specialization), environmental heterogeneity and structure (spatial autocorrelation, habitat availability) and disturbance on the selected, maintained and coexisting dispersal strategies in heterogeneous metacommunities. Using a negative exponential dispersal kernel, we allowed for variation of both species dispersal distance and dispersal rate. We showed that strong disturbance promotes species with high dispersal abilities, while low local adult survival and habitat availability select against them. Spatial autocorrelation favors species with higher dispersal ability when adult survival and disturbance rate are low, and selects against them in the opposite situation. Interestingly, several dispersal strategies coexist when disturbance and adult survival act in opposition, as for example when strong disturbance regime favors species with high dispersal abilities while low adult survival selects species with low dispersal. Our results unify apparently contradictory previous results and demonstrate that spatial structure, disturbance and adult survival determine the success and diversity of coexisting dispersal strategies in competing metacommunities.

SIMULIT : un modèle de simulation pour l'analyse et la planification de l'activité hospitalière

Le modèle développé à l'Institut universitaire de médecine sociale et préventive de Lausanne utilise un programme informatique pour simuler les mouvements d'entrées et de sorties des hôpitaux de soins généraux. Cette simulation se fonde sur les données récoltées de routine dans les hôpitaux; elle tient notamment compte de certaines variations journalières et saisonnières, du nombre d'entrées, ainsi que du "Case-Mix" de l'hôpital, c'est-à-dire de la répartition des cas selon les groupes cliniques et l'âge des patients.

A la recherche de symptômes de désorientation dépendant d'un déficit d'intégration multisensorielle chez l'animal : un éclairage sur les mécanismes fondamentaux de la schizophrénie

Abstract Fundamental research in psychiatric neurosciences assumes that psychiatric disorders are associated with neurobiological factors. Identification of these factors would provide therapeutic targets as well as a better understanding of the relationship between- brain and behaviour in pathological processes. We conducted experiments in an animal model of schizophrenia. Several behavioural tasks were used to evaluate spatial and working memory in these animals. The model is based on glutathione deficit during cerebral development. Indeed, a 50% decrease of glutathione has been reported in prefrontal cortex of patients with schizophrenia. Glutathione is a major antioxidant in the brain and its deficit could lead to abnormal brain connectivity. The glutathione deficit was induced in rats by perinatal (PS-P16) subcutaneous injections with Lbuthionine-(S,R)-sullfoximine (BSO), an inhibitor of glutathione synthesis. This treatment leads to a transitory 50% glutathione levels during brain development. In parallel, we conducted behavioural testing in rats with a medial prefrontal cortex lesion. This allowed us to compare early damage induced by BSO treatment with a focal lesion in adults of a brain area known to present anomalies in schizophrenia. Finally, we conducted a series of experiments in senescent rats to evaluate if cognitive deficits could be related to neurobiological changes. Our results show that an early glutathione deficit provokes cognitive deficits in adulthood. These spatial and working memory deficits resemble the cognitive deficits observed in schizophrenia. The comparison with prefrontal rats revealed that the early brain glutathione deficit provoked more severe cognitive deficits than the prefrontal lesion in adult rats. Moreover, in both cases, we observed a dissociation in memory deficits depending on the type of locomotion that was used in behavioural experiments. Indeed, BSO treated rats as well as prefrontal rats showed place learning or working memory deficits in tasks conducted on dry surfaces where they had to walk. In contrast, they showed no deficit when the same cognitive functions were tested in the water maze. This dissociation might be sustained by a difference in requirement of sensory integration between walking and swimming tasks. Résumé La recherche fondamentale en neurosciences psychiatriques repose sur le présupposé selon lequel les symptômes manifestés dans les troubles psychiatriques auraient des concomitants neurobiologiques. Ceux-ci, une fois identifiés, offriraient des cibles pour une démarche thérapeutique ainsi que des modèles permettant de mieux comprendre les soubassements biologiques du comportement et des activités mentales. Nos expériences s'articulent autour de la question de la modélisation de la schizophrénie chez l'animal. Nous avons recherché chez ces animaux des troubles cognitifs et sensoriels associés à la schizophrénie. En effet, chez l'homme comme chez l'animal, la mémoire spatiale et la mémoire de travail dépendent fortement de la capacité d'intégration et d'organisation des informations sensorielles. Les premières expériences ont été menées suite à une perturbation périnatale du développement cérébral. Celle-ci visait à reproduire une diminution du taux de glutathion dans le cerveau, des recherches précédentes ayant observé une diminution de 50% du taux de glutathion dans le cortex préfrontal de patients schizophrènes. Le glutathion étant un antioxydant majeur dans le cerveau, son déficit pourrait conduire à des perturbations de la circuiterie cérébrale. Nous avons reproduit ce déficit chez le rat, par injection de Lbuthionine-(S,R)-sullfoximine (BSO), un inhibiteur de la synthèse du glutathion... Ce traitement a été administré pendant la période périnatale (du jour postnatal 5 au jour 16) provoquant une diminution de 50% du taux de glutathion. Nous avons ensuite évalué lës répercussions de cette atteinte précoce sur le comportement des rats à l'âge adulte. Ce modèle s'inscrit donc dans l'hypothèse neurodéveloppementale qui associe la schizophrénie à une atteinte du développement cérébral normal. Nous avons ensuite conduit des expériences similaires chez des rats ayant subi une lésion du cortex préfrontal pour comparer les répercussions du traitement périnatal avec une lésion, à l'âge adulte, d'une aire cérébrale connue pour présenter des anomalies chez les patients. Finalement, nous avons évalué si les processus sensoriels et cognitifs précédemment étudiés pouvaient également être affectés lors du vieillissement normal en recherchant des corrélats biologiques des déficits de mémoire liés à l'âge avancé. Nos résultats montrent que ce déficit précoce en glutathion peut avoir des répercussions surale comportement à l'âge adulte. On a relevé une similarité avec les déficits cognitifs associés.à la schizophrénie, incluant des déficits de mémoire de travail ainsi que des déficits de mémoire spatiale. Ces déficits étaient fortement liés au type de locomotion utilisée et n'ont été observés que dans les tâches où les animaux devaient rejoindre un but en marchant mais pas dans lés tests dans lesquels ils devaient localiser une cible en nageant. Les déficits induits par la lésion préfrontale chez l'adulte étaient beaucoup plus légers que ceux découlant de l'atteinte périnatale mais présentaient une dissociation analogue en fonction du type de locomotion. De plus, des tests similaires menés au cours du vieillissement confirment que la mémoire de travail peut être affectée sélectivement par le vieillissement dans une tâche où les animaux doivent marcher, tout en restant intacte dans le bassin de Morris. Les déficits cognitifs liés au vieillissement étaient significativement corrélés à des différences de niveaux des protéines post-synaptiques PSD95 (postsynaptic density 95). L'ensemble des résultats montre que les tests qui sont fréquemment utilisés pour évaluer la mémoire chez l'animal pourraient faire appel à des processus différents. Cette différence pourrait notamment tenir au niveau d'intégration sensorielle requis pour résoudre la tâche, qui est particulièrement sollicitée au cours d'une locomotion intermittente.