Rôle du cortex pariétal postérieur dans le processus d'intégration visuomotrice - connexions anatomiques avec le cortex moteur et activité cellulaire lors de la locomotion chez le chat

La progression d’un individu au travers d’un environnement diversifié dépend des informations visuelles qui lui permettent d’évaluer la taille, la forme ou même la distance et le temps de contact avec les obstacles dans son chemin. Il peut ainsi planifier en avance les modifications nécessaires de son patron locomoteur afin d’éviter ou enjamber ces entraves. Ce concept est aussi applicable lorsque le sujet doit atteindre une cible, comme un prédateur tentant d’attraper sa proie en pleine course. Les structures neurales impliquées dans la genèse des modifications volontaires de mouvements locomoteurs ont été largement étudiées, mais relativement peu d’information est présentement disponible sur les processus intégrant l’information visuelle afin de planifier ces mouvements. De nombreux travaux chez le primate suggèrent que le cortex pariétal postérieur (CPP) semble jouer un rôle important dans la préparation et l’exécution de mouvements d’atteinte visuellement guidés. Dans cette thèse, nous avons investigué la proposition que le CPP participe similairement dans la planification et le contrôle de la locomotion sous guidage visuel chez le chat. Dans notre première étude, nous avons examiné l’étendue des connexions cortico-corticales entre le CPP et les aires motrices plus frontales, particulièrement le cortex moteur, à l’aide d’injections de traceurs fluorescents rétrogrades. Nous avons cartographié la surface du cortex moteur de chats anesthésiés afin d’identifier les représentations somatotopiques distales et proximales du membre antérieur dans la partie rostrale du cortex moteur, la représentation du membre antérieur située dans la partie caudale de l’aire motrice, et enfin la représentation du membre postérieur. L’injection de différents traceurs rétrogrades dans deux régions motrices sélectionnées par chat nous a permis de visualiser la densité des projections divergentes et convergentes pariétales, dirigées vers ces sites moteurs. Notre analyse a révélé une organisation topographique distincte de connexions du CPP avec toutes les régions motrices identifiées. En particulier, nous avons noté que la représentation caudale du membre antérieur reçoit majoritairement des projections du côté rostral du sillon pariétal, tandis que la partie caudale du CPP projette fortement vers la représentation rostrale du membre antérieur. Cette dernière observation est particulièrement intéressante, parce que le côté caudal du sillon pariétal reçoit de nombreux inputs visuels et sa cible principale, la région motrice rostrale, est bien connue pour être impliquée dans les fonctions motrices volontaires. Ainsi, cette étude anatomique suggère que le CPP, au travers de connexions étendues avec les différentes régions somatotopiques du cortex moteur, pourrait participer à l’élaboration d’un substrat neural idéal pour des processus tels que la coordination inter-membre, intra-membre et aussi la modulation de mouvements volontaires sous guidage visuel. Notre deuxième étude a testé l’hypothèse que le CPP participe dans la modulation et la planification de la locomotion visuellement guidée chez le chat. En nous référant à la cartographie corticale obtenue dans nos travaux anatomiques, nous avons enregistré l’activité de neurones pariétaux, situés dans les portions des aires 5a et 5b qui ont de fortes connexions avec les régions motrices impliquées dans les mouvements de la patte antérieure. Ces enregistrements ont été effectués pendant une tâche de locomotion qui requiert l’enjambement d’obstacles de différentes tailles. En dissociant la vitesse des obstacles de celle du tapis sur lequel le chat marche, notre protocole expérimental nous a aussi permit de mettre plus d’emphase sur l’importance de l’information visuelle et de la séparer de l’influx proprioceptif généré pendant la locomotion. Nos enregistrements ont révélé deux groupes de cellules pariétales activées en relation avec l’enjambement de l’obstacle: une population, principalement située dans l’aire 5a, qui décharge seulement pendant le passage du membre au dessus del’entrave (cellules spécifiques au mouvement) et une autre, surtout localisée dans l’aire 5b, qui est activée au moins un cycle de marche avant l’enjambement (cellules anticipatrices). De plus, nous avons observé que l’activité de ces groupes neuronaux, particulièrement les cellules anticipatrices, était amplifiée lorsque la vitesse des obstacles était dissociée de celle du tapis roulant, démontrant l’importance grandissante de la vision lorsque la tâche devient plus difficile. Enfin, un grand nombre des cellules activées spécifiquement pendant l’enjambement démontraient une corrélation soutenue de leur activité avec le membre controlatéral, même s’il ne menait pas dans le mouvement (cellules unilatérales). Inversement, nous avons noté que la majorité des cellules anticipatrices avaient plutôt tendance à maintenir leur décharge en phase avec l’activité musculaire du premier membre à enjamber l’obstacle, indépendamment de sa position par rapport au site d’enregistrement (cellules bilatérales). Nous suggérons que cette disparité additionnelle démontre une fonction diversifiée de l’activité du CPP. Par exemple, les cellules unilatérales pourraient moduler le mouvement du membre controlatéral au-dessus de l’obstacle, qu’il mène ou suive dans l’ordre d’enjambement, tandis que les neurones bilatéraux sembleraient plutôt spécifier le type de mouvement volontaire requis pour éviter l’entrave. Ensembles, nos observations indiquent que le CPP a le potentiel de moduler l’activité des centres moteurs au travers de réseaux corticaux étendus et contribue à différents aspects de la locomotion sous guidage visuel, notamment l’initiation et l’ajustement de mouvements volontaires des membres antérieurs, mais aussi la planification de ces actions afin d’adapter la progression de l’individu au travers d’un environnement complexe.

Effet de la température sur les interactions trophiques et intraguildes au sein d’un système plante-herbivore-ennemis naturels : modélisation et approches expérimentales

Doctorat réalisé en cotutelle entre l'Université de Montréal et l'Université Paul Sabatier-Toulouse III

Développement d’un modèle centré sur l’individu des déplacements du caribou, du loup et de l’orignal, et de leurs interactions, en forêt boréale aménagée

Le caribou forestier est une espèce menacée au Canada, la principale hypothèse au déclin des populations étant l’intensification de la prédation provoquée par les perturbations anthropiques du paysage. Afin de faire face à cette situation, il est nécessaire d’étudier et comprendre l’impact de l’environnement sur les interactions prédateur-proies entre le caribou et le loup, ainsi qu’avec l’orignal, qui est sa principale proie alternative. Pour cela, cette thèse présente la conception d’un modèle centré sur l’individu des déplacements de ces trois espèces en fonction de leur environnement, dont résulteront les interactions prédateur-proies. Afin de permettre l’application de ce modèle sur de longues périodes, et donc pour un environnement changeant, une méthodologie a été développée, qui s’articule atour de deux aspects principaux. Tout d’abord, la notion de niveaux d’émergence est introduite, permettant d’ordonner les comportements observables du système selon leurs interdépendances, afin de choisir comme trait du modèle un com- portement correspondant au domaine d’applicabilité visé. Ordonner les comportements selon leurs niveaux d’émergence permet également d’identifier la redondance entre les patrons, qui peut être à l’origine d’un phénomène de sur-apprentissage lorsqu’ils sont utilisés lors de la calibration. Dans un second temps, un nouveau protocole pour la calibration et la validation du ou des traits choisis à l’aide des niveaux d’émergence, nommé réplication de système basé sur l’individu (Individual Based System Replication - IBSRtion) est également présenté. Ce protocole met l’emphase sur la modélisation directe, contrairement au principal protocole existant, la modélisation orientée patrons (Pattern Oriented Modelling - POM), et permet une approche empirique en générant artificiellement des données non disponibles ou ne pouvant être récoltées par des études de terrains. IBSRtion a également l’avantage de pouvoir être intégrée dans POM, afin de contribuer à la création d’une méthodologie universelle pour la conception de modèles centrés sur l’individu. Le processus de conception de ce modèle aura entre autre permis de faire une synthèse des connaissances et d’identifier certaines lacunes. Une étude visant à palier le manque de connaissances satisfaisantes sur les réponses comportementales à court-terme des proies face au risque de prédation a notamment permis d’observer que celles-ci sont une combinaison de comportements chroniques et éphémères, et que les mécanismes qui en sont à l’origine sont complexes et non-linéaires. Le résultat de ce travail est un modèle complexe utilisant de nombreux sous-modèles, et calibré de façon empirique, applicable à une grande variété d’environnements. Ce modèle a permis de tester l’impact de l’enfeuillement sur les relations prédateur-proies. Des simulations ont été effectuées pour différentes quantités d’enfeuillement, suivant deux configurations spatiales différentes. Les résultats de simulation suggèrent que des plans d’aménagement considérant également l’habitat de l’orignal pourraient être bénéfiques pour le caribou forestier, car ils permettraient d’améliorer la ségrégation spatiale entre les deux espèces, et donc entre le caribou et le loup. En le couplant avec un module de naissances et de morts naturelles ainsi qu’un modèle d’évolution du paysage, ce modèle permettra par la suite d’évaluer l’impact de plans d’aménagement forestier sur la viabilité des populations de caribou forestier.

Évaluation de suppléments alimentaires pour deux espèces d’acariens prédateurs, Amblyseius swirskii et Neoseiulus cucumeris (Acari: Phytoseiidae) pour l’optimisation du contrôle biologique du thrips des petits fruits (Frankliniella occidentalis) en serriculture

Projet réalisé en cotutelle avec Jacques Brodeur et Les Shipp

“Assessment of Heavy Metals in the Environmental Compartments of the Central and Northern Coast of Kerala, India”

The nearshore marine ecosystem is a dynamic environment impacted by many activities, especially the coastal waters and sediments contiguous to major urban areas. Although heavy metals are natural constituents of the marine environment, inputs are considered to be conservative pollutants and are potentially toxic, accumulate in the sediment, are bioconcentrated by organisms and may cause health problems to humans via the food chain. A variety of metals in trace amounts are essential for biological processes in all organisms, but excessive levels can be detrimental by acting as enzyme inhibitors. Discharge of industrial wastewater, agriculture runoff and untreated sewage pose a particularly serious threat to the coastal environment of Kerala, but there is a dearth of studies in documenting the contaminant metals. This study aimed principally to assess such contamination by examining the results of heavy metal (Cu, Pb, Cr, Ni, Zn, Cd and Hg) analysis in seawater, sediment and benthic biota from a survey of five transects along the central and northern coast of Kerala in 2008 covering a 10.0 km stretch of near shore environment in each transect. Trophic transfer of metal contaminants from aquatic invertebrates to its predators was also assessed, by employing a suitable benthic food chain model in order to understand which all metals are undergoing biotransference (transfer of metals from a food source to consumer).The study of present contamination levels will be useful for potential environmental remediation and ecosystem restoration at contaminated sites and provides a scientific basis for standards and protective measures for the coastal waters and sediments. The usefulness of biomonitor proposed in this study would allow identification of different bioavailable metals as well as provide an assessment of the magnitude of metal contamination in the coastal marine milieu. The increments in concentration of certain metals between the predator and prey discerned through benthic food chain can be interpreted as evidence of biotransference.

Depredación organizacional

El concepto de depredación en el ámbito de la organización es comúnmente asociado al deterioro de sus recursos, pero al abordarlo desde la ecología de poblaciones, el resultado es un enfoque centrado en las relaciones entre los actores de la organización y la interacción de tres variables principales: el poder de los actores, la intimidad entre ellos y la letalidad de sus actuaciones; estas dos últimas solicitadas en préstamo desde la clasificación funcional propuesta por la ecología de poblaciones y claves en la relación presa-depredador. El documento presenta una aproximación para aprovechar estos conocimientos disponibles en la ecología y argumenta que su estudio facilita la comprensión de los estilos de estrategia y dirección en la organización.

Reproductive Consequences of Nest Site Use in Fork-tailed Storm-Petrels in the Aleutian Islands, Alaska: Potential Lasting Effects of an Introduced Predator

We examined the reproductive consequences of differential nest site use in Fork-tailed Storm-Petrels (Oceanodroma furcata) in the Aleutian Islands, Alaska, where birds on islands where foxes were introduced nest in rocky substrate rather than in typical soil habitat. We investigated how physical and microclimatic nest site characteristics influenced storm-petrel breeding success 20 years after fox removal. We then examined whether those nest site characteristics that affected success were related to the amount of rock that composed the nest. In both years of our study, nest temperature had the strongest influence on chick survival and overall reproductive success, appearing in all the top models and alone explaining 14–35% of the variation in chick survival. The relationship between reproductive success and nest temperature was positive in both years, with higher survival in warmer nests. In turn, the best predictor of nest temperature was the amount of rock that composed the site. Rockier nests had colder average temperatures, which were driven by lower daily minimum temperatures, compared to nests with more soil. Thus, the rockiness of the nest site appeared to affect chick survival and overall reproductive success through its influence on nest temperature. This study suggests that the use of rocky nest sites, presumed to be a result of historic predation from introduced foxes, could decrease breeding success in this recovering population, and thus be a long-lasting effect of introduced predators.

Predator Exclosures Enhance Reproductive Success but Increase Adult Mortality of Piping Plovers (Charadrius melodus)

Piping Plovers (Charadrius melodus) are listed as endangered throughout Canada and the United States Great Lakes region. Most attempts to increase their numbers have focused on enhancing reproductive success. Using 22 years of data collected by Parks Canada in Prince Edward Island National Park of Canada, we examined whether predator exclosures installed around Piping Plover nests increased nest success and hatching and fledging success when compared to nests without exclosures. Nests with exclosures were significantly more likely to hatch at least one egg than nests without exclosures, and they hatched a significantly greater number of young. The greater reproductive success observed in exclosed nests is likely due to the increased protection from predators that the exclosures conferred; significantly fewer exclosed nests were depredated than nonexclosed nests. However, significantly more exclosed than nonexclosed nests were abandoned by adults, and they had significantly greater adult mortality. Whether benefits of increased reproductive success from exclosures outweigh costs of increased abandonment and adult mortality remains unknown, but must be considered.

Stability of a Seabird Population in the Presence of an Introduced Predator

We hypothesized that although large populations may appear able to withstand predation and disturbance, added stochasticity in population growth rate (λ) increases the risk of dramatic population declines. Approximately half of the Aleutian Islands' population of Least Auklets (Aethia pusilla) breed at one large colony at Kiska Island in the presence of introduced Norway rats (Rattus norvegicus) whose population erupts periodically. We evaluated two management plans, do nothing or eradicate rats, for this colony, and performed stochastic elasticity analysis to focus future research and management. Our results indicated that Least Auklets breeding at Kiska Island had the lowest absolute value of growth rate and more variable λ's (neither statistically significant) during 2001-2010, when compared with rat-free colonies at Buldir and Kasatochi islands. We found variability in the annual proportional change in population size among islands with Kiska Island having the fastest rate of decline, 78% over 20 years. Under the assumption that the eradication of rats would result in vital rates similar to those observed at rat-free Buldir and Kasatochi islands, we found the projected population decline decreased from 78% to 24% over 20 years. Overall, eradicating rats at Kiska Island is not likely to increase Least Auklet vital rates, but will decrease the amount of variation in λ, resulting in a significantly slower rate of population decline. We recommend the eradication of rats from Kiska Island to decrease the probability of dramatic population declines and ensure the future persistence of this important colony.

Influence of vegetation on the nocturnal foraging behaviors and vertebrate prey capture by endangered Burrowing Owls

Restrictions in technology have limited past habitat selection studies for many species to the home-range level, as a finer-scale understanding was often not possible. Consequently, these studies may not identify the true mechanism driving habitat selection patterns, which may influence how such results are applied in conservation. We used GPS dataloggers with digital video recorders to identify foraging modes and locations in which endangered Burrowing Owls (Athene cunicularia) captured prey. We measured the coarse and fine-scale characteristics of vegetation at locations in which owls searched for, versus where they caught, vertebrate prey. Most prey items were caught using hover-hunting. Burrowing Owls searched for, and caught, vertebrate prey in all cover types, but were more likely to kill prey in areas with sparse and less dense vegetative cover. Management strategies designed to increase Burrowing Owl foraging success in the Canadian prairies should try to ensure a mosaic of vegetation heights across cover types.

Understanding biodiversity effects on prey in multi-enemy systems

Biodiversity-ecosystem functioning theory would predict that increasing natural enemy richness should enhance prey consumption rate due to functional complementarity of enemy species. However, several studies show that ecological interactions among natural enemies may result in complex effects of enemy diversity on prey consumption. Therefore, the challenge in understanding natural enemy diversity effects is to predict consumption rates of multiple enemies taking into account effects arising from patterns of prey use together with species interactions. Here, we show how complementary and redundant prey use patterns result in additive and saturating effects, respectively, and how ecological interactions such as phenotypic niche shifts, synergy and intraguild predation enlarge the range of outcomes to include null, synergistic and antagonistic effects. This study provides a simple theoretical framework that can be applied to experimental studies to infer the biological mechanisms underlying natural enemy diversity effects on prey.

Very short delays prior to escape from potential predators may function efficiently as adaptive risk-assessment periods

Periods between predator detection and an escape response (escape delays) by prey upon attack by a predator often arise because animals trade-off the benefits such a delay gives for assessing risk accurately with the costs of not escaping as quickly as possible. We tested whether freezing behaviour (complete immobility in a previously foraging bird) observed in chaffinches before escaping from an approaching potential threat functions as a period of risk-assessment, and whether information on predator identity is gained even when time available is very short. We flew either a model of a sparrowhawk (predator) or a woodpigeon (no threat) at single chaffinches. Escape delays were significantly shorter with the hawk, except when a model first appeared close to the chaffinch. Chaffinches were significantly more vigilant when they resumed feeding after exposure to the sparrowhawk compared to the woodpigeon showing that they were able to distinguish between threats, and this applied even when time available for assessment was short (an average of 0.29 s). Our results show freezing in chaffinches functions as an effective economic risk assessment period, and that threat information is gained even when very short periods of time are available during an attack.