Coherence and discontinuity in the scaling of species' distribution patterns

The spatial distribution of a species can be characterized at many different spatial scales, from fine-scale measures of local population density to coarse-scale geographical-range structure. Previous studies have shown a degree of correlation in species' distribution patterns across narrow ranges of scales, making it possible to predict fine-scale properties from coarser-scale distributions. To test the limits of such extrapolation, we have compiled distributional information on 16 species of British plants, at scales ranging across six orders of magnitude in linear resolution (1 in to 100 km). As expected, the correlation between patterns at different spatial scales tends to degrade as the scales become more widely separated. There is, however, an abrupt breakdown in cross-scale correlations across intermediate (ca. 0.5 km) scales, suggesting that local and regional patterns are influenced by essentially non-overlapping sets of processes. The scaling discontinuity may also reflect characteristic scales of human land use in Britain, suggesting a novel method for analysing the 'footprint' of humanity on a landscape.

Climatic signals in the life histories of insects:the distribution and abundance of heather psyllids (Strophingia spp.) in the UK

1. The population density and age structure of two species of heather psyllid Strophingia ericae and Strophingia cinereae, feeding on Calluna vulgaris and Erica cinerea, respectively, were sampled using standardized methods at locations throughout Britain. Locations were chosen to represent the full latitudinal and altitudinal range of the host plants.

2. The paper explains how spatial variation in thermal environment, insect life-history characteristics and physiology, and plant distribution, interact to provide the mechanisms that determine the range and abundance of Strophingia spp.

3. Strophingia ericae and S. cinereae, despite the similarity in the spatial distribution patterns of their host plants within Britain, display strongly contrasting geographical ranges and corresponding life-history strategies. Strophingia ericae is found on its host plant throughout Britain but S. cinereae is restricted to low elevation sites south of the Mersey-Humber line and occupies only part of the latitudinal and altitudinal range of its host plant. There is no evidence to suggest that S. ericae has reached its potential altitudinal or latitudinal limit in the UK, even though its host plant appears to reach its altitudinal limit.

4. There was little difference in the ability of the two Strophingia spp. to survive shortterm exposure to temperatures as low as - 15 degrees C and low winter temperatures probably do not limit distribution in S. cinereae.

5. Population density of S. ericae was not related to altitude but showed a weak correlation with latitude. The spread of larval instars present at a site, measured as an index of instar homogeneity, was significantly correlated with a range of temperature related variables, of which May mean temperature and length of growing season above 3 degrees C (calculated using the Lennon and Turner climatic model) were the most significant. Factor analysis did not improve the level of correlation significantly above those obtained for single climatic variables. The data confirmed that S. ericae has a I year life cycle at the lowest elevations and a 2 year life cycle at the higher elevations. However, there was no evidence, as previously suggested, for an abrupt change from a one to a 2 year life cycle in S. ericae with increasing altitudes or latitudes.

6. By contrast with S. ericae, S. cinereae had an obligatory 1 year life cycle, its population decreased with altitude and the index of instar homogeneity showed little correlation with single temperature variables. Moreover, it occupied only part of the range of its host plant and its spatial distribution in the UK could be predicted with 96% accuracy using selected variables in discriminant analysis.

7. The life histories of the congeneric heather psyllids reflect adaptations that allow them to exploit host plants with different distributions in climatic and thereby geographical space. Strophingia ericae has the flexible life history that enables it to exploit C. vulgaris throughout its European boreal temperate range. Strophingia cinereae has a less flexible life history and is adapted for living on an oceanic temperate host. While the geographic ranges of the two Strophingia spp. overlap within the UK, the psyllids appear to respond differently to variation in their thermal environment.

Improving RO PUF design using frequency distribution characteristics

A Physical Unclonable Function (PUF) can be used to provide authentication of devices by producing die-unique responses. In PUFs based on ring oscillators (ROs) the responses are derived from the oscillation frequencies of the ROs. However, RO PUFs can be vulnerable to attack due to the frequency distribution characteristics of the RO arrays. In this letter, in order to improve the design of RO PUFs for FPGA devices, the frequencies of RO arrays implemented on a large number of FPGA chips are statistically analyzed. Three RO frequency distribution (ROFD) characteristics, which can be used to improve the design of RO PUFs are observed and discussed.

On the Multivariate Gamma-Gamma (ΓΓ) Distribution with Arbitrary Correlation and Applications in Wireless Communications

The statistical properties of the multivariate GammaGamma (ΓΓ) distribution with arbitrary correlation have remained unknown. In this paper, we provide analytical expressions for the joint probability density function (PDF), cumulative distribution function (CDF) and moment generation function of the multivariate ΓΓ distribution with arbitrary correlation. Furthermore, we present novel approximating expressions for the PDF and CDF of the su m of ΓΓ random variables with arbitrary correlation. Based on this statistical analysis, we investigate the performance of radio frequency and optical wireless communication systems. It is noteworthy that the presented expressions include several previous results in the literature as special cases.

Structure, mechanical, and electrical properties of high-density polyethylene/multi-walled carbon nanotube composites processed by compression molding and blown film extrusion

The structure and properties of melt mixed high-density polyethylene/multi-walled carbon nanotube (HDPE/MWCNT) composites processed by compression molding and blown film extrusion were investigated to assess the influence of processing route on properties. The addition of MWCNTs leads to a more elastic response during deformations that result in a more uniform thick-ness distribution in the blown films. Blown film composites exhibit better mechanical properties due to the enhanced orientation and disentanglement of MWCNTs. At a blow up ratio (BUR) of 3 the breaking strength and elongation in the machine direction of the film with 4 wt % MWCNTs are 239% and 1054% higher than those of compression molded (CM) samples. Resistivity of the composite films increases significantly with increasing BURs due to the destruction of conductive pathways. These pathways can be recovered partially using an appropriate annealing process. At 8 wt % MWCNTs, there is a sufficient density of nanotubes to maintain a robust network even at high BURs.

Gamma-ray emission in near critical density plasmas at laser intensities of 1021 W/cm2

We study synchrotron radiation emission from laser interaction with near critical density (NCD) plasmas at intensities of 1021 W∕cm2 using three-dimensional particle-in-cell simulations. It is found that the electron dynamics depend on the laser shaping process in NCD plasmas, and thus the angular distribution of the emitted photons changes as the laser pulse evolves in space and time. The final properties of the resulting synchrotron radiation, such as its overall energy, the critical photon energy, and the radiation angular distribution, are strongly affected by the laser polarization and plasma density. By using a 420 TW∕50 fs laser pulse at the optimal plasma density (∼1nc ), about 108 photons/0.1% bandwidth are produced at multi-MeV photon energies, providing a route to ultraintense, femtosecond gamma ray pulses.

Energy versus data integrity trade-offs in embedded high-density logic compatible dynamic memories

Current variation aware design methodologies, tuned for worst-case scenarios, are becoming increasingly pessimistic from the perspective of power and performance. A good example of such pessimism is setting the refresh rate of DRAMs according to the worst-case access statistics, thereby resulting in very frequent refresh cycles, which are responsible for the majority of the standby power consumption of these memories. However, such a high refresh rate may not be required, either due to extremely low probability of the actual occurrence of such a worst-case, or due to the inherent error resilient nature of many applications that can tolerate a certain number of potential failures. In this paper, we exploit and quantify the possibilities that exist in dynamic memory design by shifting to the so-called approximate computing paradigm in order to save power and enhance yield at no cost. The statistical characteristics of the retention time in dynamic memories were revealed by studying a fabricated 2kb CMOS compatible embedded DRAM (eDRAM) memory array based on gain-cells. Measurements show that up to 73% of the retention power can be saved by altering the refresh time and setting it such that a small number of failures is allowed. We show that these savings can be further increased by utilizing known circuit techniques, such as body biasing, which can help, not only in extending, but also in preferably shaping the retention time distribution. Our approach is one of the first attempts to access the data integrity and energy tradeoffs achieved in eDRAMs for utilizing them in error resilient applications and can prove helpful in the anticipated shift to approximate computing.

Melt processing and properties of linear low density polyethylene-graphene nanoplatelet composites

Composites of Linear Low Density Polyethylene (LLDPE) and Graphene Nanoplatelets (GNPs) were processed using a twin screw extruder under different extrusion conditions. The effects of screw speed, feeder speed and GNP content on the electrical, thermal and mechanical properties of composites were investigated. The inclusion of GNPs in the matrix improved the thermal stability and conductivity by 2.7% and 43%, respectively. The electrical conductivity improved from 10−11 to 10−5 S/m at 150 rpm due to the high thermal stability of the GNPs and the formation of phonon and charge carrier networks in the polymer matrix. Higher extruder speeds result in a better distribution of the GNPs in the matrix and a significant increase in thermal stability and thermal conductivity. However, this effect is not significant for the electrical conductivity and tensile strength. The addition of GNPs increased the viscosity of the polymer, which will lead to higher processing power requirements. Increasing the extruder speed led to a reduction in viscosity, which is due to thermal degradation and/or chain scission. Thus, while high speeds result in better dispersions, the speed needs to be optimized to prevent detrimental impacts on the properties.

Multivariate Moments Expansion Density: Application of the Dynamic Equicorrelation Model

In this study, we propose a new semi-nonparametric (SNP) density model for describing the density of portfolio returns. This distribution, which we refer to as the multivariate moments expansion (MME), admits any non-Gaussian (multivariate) distribution as its basis because it is specified directly in terms of the basis density’s moments. To obtain the expansion of the Gaussian density, the MME is a reformulation of the multivariate Gram-Charlier (MGC), but the MME is much simpler and tractable than the MGC when positive transformations are used to produce well-defined densities. As an empirical application, we extend the dynamic conditional equicorrelation (DECO) model to an SNP framework using the MME. The resulting model is parameterized in a feasible manner to admit two-stage consistent estimation and it represents the DECO as well as the salient non-Gaussian features of portfolio return distributions. The in- and out-of-sample performance of a MME-DECO model of a portfolio of 10 assets demonstrate that it can be a useful tool for risk management purposes.

The effects of moisture, cation concentration, temperature, density and composition of soils on their electrical resistivity

The effects. of moisture, cation concentration, dens ity , temper~ t ure and grai n si ze on the electrical resistivity of so il s are examined using laboratory prepared soils. An i nexpen si ve method for preparing soils of different compositions was developed by mixing various size fractions i n the laboratory. Moisture and cation c oncentration are related to soil resistivity by powe r functions, whereas soil resistiv ity and temperature, density, Yo gravel, sand , sil t, and clay are related by exponential functions . A total of 1066 cases (8528 data) from all the experiments were used in a step-wise multiple linear r egression to determine the effect of each variable on soil resistivity. Six variables out of the eight variables studied account for 92.57/. of the total variance in so il resistivity with a correlation coefficient of 0.96. The other two variables (silt and gravel) did not increase the · variance. Moisture content was found to be - the most important Yo clay. variable- affecting s oil res istivi ty followed by These two variables account for 90.81Yo of the total variance in soil resistivity with a correlation ~oefficient ·.of 0 . 95. Based on these results an equation to ' ~~ed{ ct soil r esist ivi ty using moisture and Yo clay is developed . To t est the predicted equation, resistivity measurements were made on natural soils both in s i tu a nd i n the laboratory. The data show that field and laboratory measurements are comparable. The predicted regression line c losely coinciqes with resistivity data from area A and area B soils ~clayey and silty~clayey sands). Resistivity data and the predicted regression line in the case of c layey soils (clays> 40%) do not coincide, especially a t l ess than 15% moisture. The regression equation overestimates the resistivity of so i l s from area C and underestimates for area D soils. Laboratory prepared high clay soils give similar trends. The deviations are probably caused by heterogeneous distribution of mo i sture and difference in the type o f cl ays present in these soils.

Bone mineral density measurement and osteoporosis treatment after a fragility fracture in older adults: regional variation and determinants of use in Quebec

Affiliation: Pierre Dagenais : Hôpital Maisonneuve-Rosemont, Faculté de médecine, Université de Montréal

Plasticité intermodale chez le hamster énucléé à la naissance : Études de la distribution des interneurones CaBPir dans les cortex visuel et auditif primaires.

La période postnatale et l’expérience sensorielle sont critiques pour le développement du système visuel. Les interneurones inhibiteurs exprimant l’acide γ-aminobutyrique (GABA) jouent un rôle important dans le contrôle de l’activité neuronale, le raffinement et le traitement de l’information sensorielle qui parvient au cortex cérébral. Durant le développement, lorsque le cortex cérébral est très susceptible aux influences extrinsèques, le GABA agit dans la formation des périodes critiques de sensibilité ainsi que dans la plasticité dépendante de l’expérience. Ainsi, ce système inhibiteur servirait à ajuster le fonctionnement des aires sensorielles primaires selon les conditions spécifiques d’activité en provenance du milieu, des afférences corticales (thalamiques et autres) et de l’expérience sensorielle. Certaines études montrent que des différences dans la densité et la distribution de ces neurones inhibiteurs corticaux reflètent les caractéristiques fonctionnelles distinctes entre les différentes aires corticales. La Parvalbumine (PV), la Calretinine (CR) et la Calbindine (CB) sont des protéines chélatrices du calcium (calcium binding proteins ou CaBPs) localisées dans différentes sous-populations d’interneurones GABAergiques corticaux. Ces protéines tamponnent le calcium intracellulaire de sorte qu’elles peuvent moduler différemment plusieurs fonctions neuronales, notamment l’aspect temporel des potentiels d’action, la transmission synaptique et la potentialisation à long terme. Plusieurs études récentes montrent que les interneurones immunoréactifs (ir) aux CaBPs sont également très sensibles à l’expérience et à l’activité sensorielle durant le développement et chez l’adulte. Ainsi, ces neurones pourraient avoir un rôle crucial à jouer dans le phénomène de compensation ou de plasticité intermodale entre les cortex sensoriels primaires. Chez le hamster (Mesocricetus auratus), l’énucléation à la naissance fait en sorte que le cortex visuel primaire peut être recruté par les autres modalités sensorielles, telles que le toucher et l’audition. Suite à cette privation oculaire, il y a établissement de projections ectopiques permanentes entre les collicules inférieurs (CI) et le corps genouillé latéral (CGL). Ceci a pour effet d’acheminer l’information auditive vers le cortex visuel primaire (V1) durant le développement postnatal. À l’aide de ce modèle, l’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier l’influence et le rôle de l’activité sensorielle sur la distribution et l’organisation des interneurones corticaux immunoréactifs aux CaBPs dans les aires sensorielles visuelle et auditive primaires du hamster adulte. Les changements dans l’expression des CaBPs ont été déterminés d’une manière quantitative en évaluant les profils de distribution laminaire de ces neurones révélés par immunohistochimie. Dans une première expérience, nous avons étudié la distribution laminaire des CaBPs dans les aires visuelle (V1) et auditive (A1) primaires chez le hamster normal adulte. Les neurones immunoréactifs à la PV et la CB, mais non à la CR, sont distribués différemment dans ces deux cortex primaires dédiés à une modalité sensorielle différente. Dans une deuxième étude, une comparaison a été effectuée entre des animaux contrôles et des hamsters énucléés à la naissance. Cette étude montre que le cortex visuel primaire de ces animaux adopte une chimioarchitecture en PV similaire à celle du cortex auditif. Nos recherches montrent donc qu’une suppression de l’activité visuelle à la naissance peut influencer l’expression des CaBPs dans l’aire V1 du hamster adulte. Ceci suggère également que le type d’activité des afférences en provenance d’autres modalités sensorielles peut moduler, en partie, une circuiterie corticale en CaBPs qui lui est propre dans le cortex hôte ou recruté. Ainsi, nos travaux appuient l’hypothèse selon laquelle il serait possible que certaines de ces sous-populations d’interneurones GABAergiques jouent un rôle crucial dans le phénomène de la plasticité intermodale.

Approximation de la distribution a posteriori d'un modèle Gamma-Poisson hiérarchique à effets mixtes

La méthode que nous présentons pour modéliser des données dites de "comptage" ou données de Poisson est basée sur la procédure nommée Modélisation multi-niveau et interactive de la régression de Poisson (PRIMM) développée par Christiansen et Morris (1997). Dans la méthode PRIMM, la régression de Poisson ne comprend que des effets fixes tandis que notre modèle intègre en plus des effets aléatoires. De même que Christiansen et Morris (1997), le modèle étudié consiste à faire de l'inférence basée sur des approximations analytiques des distributions a posteriori des paramètres, évitant ainsi d'utiliser des méthodes computationnelles comme les méthodes de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC). Les approximations sont basées sur la méthode de Laplace et la théorie asymptotique liée à l'approximation normale pour les lois a posteriori. L'estimation des paramètres de la régression de Poisson est faite par la maximisation de leur densité a posteriori via l'algorithme de Newton-Raphson. Cette étude détermine également les deux premiers moments a posteriori des paramètres de la loi de Poisson dont la distribution a posteriori de chacun d'eux est approximativement une loi gamma. Des applications sur deux exemples de données ont permis de vérifier que ce modèle peut être considéré dans une certaine mesure comme une généralisation de la méthode PRIMM. En effet, le modèle s'applique aussi bien aux données de Poisson non stratifiées qu'aux données stratifiées; et dans ce dernier cas, il comporte non seulement des effets fixes mais aussi des effets aléatoires liés aux strates. Enfin, le modèle est appliqué aux données relatives à plusieurs types d'effets indésirables observés chez les participants d'un essai clinique impliquant un vaccin quadrivalent contre la rougeole, les oreillons, la rub\'eole et la varicelle. La régression de Poisson comprend l'effet fixe correspondant à la variable traitement/contrôle, ainsi que des effets aléatoires liés aux systèmes biologiques du corps humain auxquels sont attribués les effets indésirables considérés.

Distribution spatiale des racines fines, disponibilité de la lumière et rendement dans un système de culture intercalaire avec arbres feuillus en zone tempérée

Les distributions spatiales des racines fines de Quercus rubra L. (CHR), Populus deltoides x nigra (DN3570) (PEH) et d’une culture fourragère (FOUR) ont été étudiées dans un système agroforestier de culture intercalaire (SCI) du sud du Québec (Canada). L’étude ne révèle pas d’enracinement plus profond des arbres en SCI, mais des profils superficiels à l’instar de nombreuses espèces d’arbres en plantations ou en milieu naturel. Une séparation spatiale existe entre les systèmes racinaires du FOUR et des CHR dont la densité relative selon la profondeur est plus faible que celle de la culture de 0 à 10 cm, mais plus élevée de 10 à 30 cm. Les PEH ne présentent pas d’adaptation racinaire et les hautes valeurs de densités de longueur racinaires (FRLD) de surface près du tronc entraînent une diminution de 45 % de la densité racinaire de surface du fourrage, suggérant une forte compétition pour les ressources du sol. L’étude du rendement agricole a d’ailleurs révélé des réductions de biomasse fourragère particulièrement près des PEH. Cependant, les résultats d’une analyse à composantes principales suggèrent un impact secondaire de la compétition racinaire sur le rendement agricole, et une plus grande importance de la compétition pour la lumière. L’impact des PEH à croissance rapide sur la culture est plus grand que celui du CHR. Cependant, ils seront récoltés plus rapidement et l’espace libéré favorisera la croissance de la culture intercalaire. Cet aspect dynamique des SCI les rapproche des écosystèmes naturels et devrait être réfléchi et approfondi pour leur succès futur.

Effet du développement résidentiel sur la distribution et l’abondance des macrophytes submergés dans la région des Laurentides et de Lanaudière

Nous avons cherché des relations empiriques entre l’abondance des macrophytes submergés et le développement résidentiel du bassin versant, les propriétés du lac et la présence de milieux humides dans 34 lacs de la région des Laurentides et de Lanaudière sélectionnés à travers un gradient de développement résidentiel. Les macrophytes submergés ont été échantillonnés par méthode d’échosondage à l’intérieur de la zone littorale. L’abondance moyenne des macrophytes a ensuite été estimée à l’intérieur de quatre zones de croissance optiquement définies (profondeur maximale = 75 %, 100 %, 125 % et 150 % de la profondeur de Secchi) ainsi qu’à l’intérieur de toute la zone littorale. L’occupation humaine a été considérée selon trois échelles spatiales : celle présente 1- dans un rayon de 100 mètres autour du lac, 2- dans la fraction du bassin versant qui draine directement vers le lac et 3- dans le bassin versant en entier. Nous avons aussi testé, lac par lac, l’effet de la pente locale sur l’abondance des macrophytes. Nous avons observé des corrélations positives et significatives entre l’abondance des macrophytes submergés et l’occupation humaine de l’aire de drainage direct (r > 0.51). Toutefois, il n’y a pas de relation entre l’abondance des macrophytes submergés et l’occupation humaine de la bande de 100 mètres entourant le lac et du bassin versant entier. Les analyses de régression multiple suggèrent que l’abondance des macrophytes submergés est faiblement corrélée avec l’aire du lac (+) et avec la présence de milieux humides dans le bassin versant entier (-). Localement, l’abondance des macrophytes est reliée à la pente et à la profondeur qui expliquent 21% de la variance. Les profondeurs de colonisation maximale et optimale des macrophytes submergés sont corrélées positivement au temps de résidence et à la profondeur de Secchi et négativement à l’occupation humaine et à l’importance des milieux humides.