Mapping reef fish and the seascape: using acoustics and spatial modeling to guide coastal management

Reef fish distributions are patchy in time and space with some coral reef habitats supporting higher densities (i.e., aggregations) of fish than others. Identifying and quantifying fish aggregations (particularly during spawning events) are often top priorities for coastal managers. However, the rapid mapping of these aggregations using conventional survey methods (e.g., non-technical SCUBA diving and remotely operated cameras) are limited by depth, visibility and time. Acoustic sensors (i.e., splitbeam and multibeam echosounders) are not constrained by these same limitations, and were used to concurrently map and quantify the location, density and size of reef fish along with seafloor structure in two, separate locations in the U.S. Virgin Islands. Reef fish aggregations were documented along the shelf edge, an ecologically important ecotone in the region. Fish were grouped into three classes according to body size, and relationships with the benthic seascape were modeled in one area using Boosted Regression Trees. These models were validated in a second area to test their predictive performance in locations where fish have not been mapped. Models predicting the density of large fish (≥29 cm) performed well (i.e., AUC = 0.77). Water depth and standard deviation of depth were the most influential predictors at two spatial scales (100 and 300 m). Models of small (≤11 cm) and medium (12–28 cm) fish performed poorly (i.e., AUC = 0.49 to 0.68) due to the high prevalence (45–79%) of smaller fish in both locations, and the unequal prevalence of smaller fish in the training and validation areas. Integrating acoustic sensors with spatial modeling offers a new and reliable approach to rapidly identify fish aggregations and to predict the density large fish in un-surveyed locations. This integrative approach will help coastal managers to prioritize sites, and focus their limited resources on areas that may be of higher conservation value.

Nuclear ARRB1 induces pseudohypoxia and cellular metabolism reprogramming in prostate cancer

Tumour cells sustain their high proliferation rate through metabolic reprogramming, whereby cellular metabolism shifts from oxidative phosphorylation to aerobic glycolysis, even under normal oxygen levels. Hypoxia-inducible factor 1A (HIF1A) is a major regulator of this process, but its activation under normoxic conditions, termed pseudohypoxia, is not well documented. Here, using an integrative approach combining the first genome-wide mapping of chromatin binding for an endocytic adaptor, ARRB1, both in vitro and in vivo with gene expression profiling, we demonstrate that nuclear ARRB1 contributes to this metabolic shift in prostate cancer cells via regulation of HIF1A transcriptional activity under normoxic conditions through regulation of succinate dehydrogenase A (SDHA) and fumarate hydratase (FH) expression. ARRB1-induced pseudohypoxia may facilitate adaptation of cancer cells to growth in the harsh conditions that are frequently encountered within solid tumours. Our study is the first example of an endocytic adaptor protein regulating metabolic pathways. It implicates ARRB1 as a potential tumour promoter in prostate cancer and highlights the importance of metabolic alterations in prostate cancer.

Network signatures based on gene pair expression ratios improve classification and the analysis of muscle-invasive urothelial cancer

Urothelial cancer (UC) is highly recurrent and can progress from non-invasive (NMIUC) to a more aggressive muscle-invasive (MIUC) subtype that invades the muscle tissue layer of the bladder. We present a proof of principle study that network-based features of gene pairs can be used to improve classifier performance and the functional analysis of urothelial cancer gene expression data. In the first step of our procedure each individual sample of a UC gene expression dataset is inflated by gene pair expression ratios that are defined based on a given network structure. In the second step an elastic net feature selection procedure for network-based signatures is applied to discriminate between NMIUC and MIUC samples. We performed a repeated random subsampling cross validation in three independent datasets. The network signatures were characterized by a functional enrichment analysis and studied for the enrichment of known cancer genes. We observed that the network-based gene signatures from meta collections of proteinprotein interaction (PPI) databases such as CPDB and the PPI databases HPRD and BioGrid improved the classification performance compared to single gene based signatures. The network based signatures that were derived from PPI databases showed a prominent enrichment of cancer genes (e.g., TP53, TRIM27 and HNRNPA2Bl). We provide a novel integrative approach for large-scale gene expression analysis for the identification and development of novel diagnostical targets in bladder cancer. Further, our method allowed to link cancer gene associations to network-based expression signatures that are not observed in gene-based expression signatures.

Evolutionary diversification in Central Brazil: where Amazonia and Cerrado meet

Apesar da fauna de mamíferos Neotropicais ser uma das mais ricas do mundo, o nosso conhecimento sobre os limites de espécies, distribuições geográficas e relações filogenéticas está ainda agora no seu início. As áreas de transição entre os dois maiores biomas da América do Sul, o Cerrado e a Amazónia, são ainda menos conhecidas. Até ao momento, escassos estudos focaram os pequenos mamíferos destas áreas. Destes estudos, apenas dois apresentam dados taxonómicos e de distribuição geográfica de uma lista de espécies reduzida e, nenhum é focado nos processos evolutivos que conduziram à diversidade destas áreas. O presente trabalho tem como objectivo aumentar o conhecimento básico sobre a diversidade do médio Rio Araguaia, na região central do Brasil, através da amostragem e análise de espécies de pequenos mamíferos, integrando um intenso trabalho de campo, de laboratório e de museu. Desta forma, um total de 22 espécies é registado para o médio Araguaia. De entre estas espécies, descreve-se uma espécie nova de Rhipidomys, regista-se uma espécie não descrita de Thrichomys e uma potencial nova forma de Oligoryzomys, e também se apresenta uma diagnose emendada do obscuro Oecomys cleberi. Para cada espécie, são também descritas as suas características morfológicas e resumem-se os seus aspectos de distribuição geográfica e história natural. Para os quatro géneros acima referidos, são apresentadas as análises filogenéticas que permitem a identificação das espécies. Adicionalmente, os princípios da filogeografia são aplicados para estudar os padrões da distribuição geográfica da diversidade genética de três roedores sigmodontíneos e seis marsupiais didelphídeos. Os resultados obtidos demonstram que o Rio Araguaia forma uma barreira geográfica para espécies especialistas em florestas não-alagáveis; por outro lado, espécies generalistas apresentam partilha de haplótipos em ambas as margens do rio. Argumentamos também que os refúgios florestais e os gradientes poderão ter tido um papel importante para moldar a estrutura genética de populações de pequenos mamíferos no Brasil central. Em suma, os resultados apresentados corroboram a proposição de que a diversidade Neotropical não poderá ser explicada através de um único modelo de especiação e que estes não são mutuamente exclusivos. O entendimento integral dos processos ecológicos e históricos que deram origem à fauna Neotropical, assim como a continuidade de estudos sistemáticos, depende da realização de novas amostragens e consequente enriquecimento dos museus com colecções apropriadas.

Ecogeography of roe deer: relation with other ungulates in sympatry

Understanding the spatial distribution of organisms is a central topic in ecology. The European roe deer (Capreolus capreolus) population is in Portugal and Norway at the southwestern and northern edge of its distribution, respectively. Understanding the factors that act on these populations enlightens both local aspects concerning their conservation and wider scale aspects of the species bioclimatic envelope, which is crucial for being better able to predict the impacts of environmental change. The main aim of this thesis was to evaluate roe deer distribution in Portugal and Norway, two countries with contrasting landscapes, seasonality and with different anthropogenic pressure. The interspecific relationship with sympatric ungulates was also analysed. By using pellet group counts, we investigated habitat use of roe deer, identifying the major environmental descriptors, to understand the importance of forest structure, vegetation characteristics, landscape structure and human disturbance on their distribution. The analyses were based on presence – absence data and were carried out at two spatial scales. The results showed that habitat use of roe deer was different across countries. In Portugal, at the local scale, roe deer distribution was positively associated with high density of shrubs, especially heather and brambles, while the presence of red deer had a negative effect on their distribution. At a broad scale, roe deer was negatively associated with spatial heterogeneity, namely mean shape index and made less use of areas close to agricultural fields. In Norway, at the local scale, roe deer made more use of areas with high cover of deciduous trees and patches containing juniper and Vaccinium sp.. At a broad scale, roe deer use patches near edges between fields and forest. In both countries, roe deer make use of areas further away from roads. While in Norway roe deer in both summer and winter are always close to houses, in Portugal they are either far (summer) or indifferent (winter). Anthropogenic disturbance is better tolerated in Norway, where the importance of the critical season seems to be higher. Human disturbance may contribute to roe deer habitat loss in Portugal, while roe deer are able to persist close to humans in managed landscapes in Norway. In fact, some of the differences observed could be more due to the indirect impacts of human exploitation (e.g. presence of free-ranging dogs and hunting regulation) rather than the actual human presence or land-use per se. I conclude that the methodology and tools developed here are readily expandable to address similar questions in different contexts. Wildlife management would benefit greatly from a more holistic/integrative approach and that should include human aspects, as human disturbance is expected to continue increasing.

Biodiversity and molecular evolution of malacostraca

No actual cenário de perda acelerada de biodiversidade, o nosso conhecimento dos ecossistemas marinhos, apesar da sua extensão e complexidade, continua muito inferior ao dos ecossistemas terrestres. A classe Malacostraca (Arthropoda, Crustacea), um grupo dos mais representativos nos ecossistemas marinhos, apresenta um elevado nível de diversidade morfológica e ecológica, mas difícil sua identificação ao nível de espécie requer frequentemente a ajuda de especialistas em taxonomia. A utilização recente do “barcoding” (código de barras do ADN), revelou ser um método rápido e eficaz para a identificação de espécies em diversos grupos de metazoários, incluindo os Malacostraca. No âmbito desta tese foi construída uma base de dados de código de barras de ADN envolvendo 132 espécies de Malacostraca vários locais de amostragem no Atlântico Nordeste e Mediterrâneo. As sequências de ADN mitocondrial provenientes de 601 espécimes formaram, em 95% dos casos, grupos congruentes com as identificações baseadas em características morfológicas. No entanto, foi detectado polimorfismo em seis casos e a divergência intra-específica foi elevada em exemplares pertencentes a duas espécies morfológicas, sugerindo, neste caso, a ocorrência de especiação críptica. Este estudo confirma a utilidade do código de barras de ADN para a identificação de Malacostraca marinhos. Apesar do sucesso obtido, este método apresenta alguns problemas, como por exemplo a possível amplificação de pseudogenes. A ocorrência de pseudogenes e as possíveisabordagens para a detecção e resolução deste tipo de problemas são discutidas com base em casos de estudo: análises dos códigos de barras ADN na espécie Goneplax rhomboides (Crustacea, Decapoda). A análise dos códigos de barras ADN revelou ainda grupos prioritários de decápodes para estudos taxonómicos e sistemáticos, nomeadamente os decápodes dos géneros Plesionika e Pagurus. Neste âmbito são discutidas as relações filogenéticas entre espécies seleccionadas dos géneros Plesionika e Pagurus. Este trabalho aponta para várias questões no âmbito da biodiversidade e evolução molecular da classe Malacostraca que carecem de um maior esclarecimento, podendo ser considerado como a base para estudo futuros. Análises filogenéticas adicionais integrando dados morfológicos e moleculares de um maior número de espécies e de famílias deverão certamente conduzir a uma melhor avaliação da biodiversidade e da evolução dentro da classe.

Beyond the artefact and techno-centricity: towards process-centric understanding of architecture - alternative facilitation strategies and proposals

The artefact and techno-centricity of the research into the architecture process needs to be counterbalanced by other approaches. An increasing amount of information is collected and used in the process, resulting in challenges related to information and knowledge management, as this research evidences through interviews with practicing architects. However, emerging technologies are expected to resolve many of the traditional challenges, opening up new avenues for research. This research suggests that among them novel techniques addressing how architects interact with project information, especially that indirectly related to the artefacts, and tools which better address the social nature of work, notably communication between participants, become a higher priority. In the fields associated with the Human Computer Interaction generic solutions still frequently prevail, whereas it appears that specific alternative approaches would be particularly in demand for the dynamic and context dependent design process. This research identifies an opportunity for a process-centric and integrative approach for architectural practice and proposes an information management and communication software application, developed for the needs discovered in close collaboration with architects. Departing from the architects’ challenges, an information management software application, Mneme, was designed and developed until a working prototype. It proposes the use of visualizations as an interface to provide an overview of the process, facilitate project information retrieval and access, and visualize relationships between the pieces of information. Challenges with communication about visual content, such as images and 3D files, led to a development of a communication feature allowing discussions attached to any file format and searchable from a database. Based on the architects testing the prototype and literature recognizing the subjective side of usability, this thesis argues that visualizations, even 3D visualizations, present potential as an interface for information management in the architecture process. The architects confirmed that Mneme allowed them to have a better project overview, to easier locate heterogeneous content, and provided context for the project information. Communication feature in Mneme was seen to offer a lot of potential in design projects where diverse file formats are typically used. Through empirical understanding of the challenges in the architecture process, and through testing the resulting software proposal, this thesis suggests promising directions for future research into the architecture and design process.

Qualidade e optimização do desmonte de maciços rochosos em geotecnia mineira

A perfuração é uma das operações envolvidas no desmonte de rocha com explosivos. A forma como esta operação é executada é determinante para o sucesso do desmonte. Quando é realizada correctamente o desmonte produz superfícies limpas com o mínimo de sobrescavação e perturbação. A selecção das ferramentas de perfuração é um dos factores preponderantes para os custos do desmonte de maciços rochosos. O objectivo deste trabalho é demonstrar a interdependência entre os parâmetros petrofísicos, geotécnicos e geomecânicos do maciço rochoso e as tecnologias de perfuração de forma a optimizar tanto técnica como economicamente. A forma como a perfuração é executada é determinante para a boa fragmentação do maciço rochoso. Este estudo irá centrar-se na perfurabilidade do maciço, linearidade dos furos, rendimento e desgaste das ferramentas de perfuração e desenvolvimento de metodologias do ciclo de perfuração. Neste trabalho, discute-se a importância de uma abordagem integrativa para fins de geoengenhara mineira em que foi aplicada a técnica de amostragem linear em superfícies expostas do maciço num ambiente de uma exploração granítica. As áreas seleccionadas para este estudo — Pedreira de Serdedelo (Ribeira, Ponte de Lima) e pedreira do Fojo (Ferreira, Paredes de Coura), NW de Portugal — estão situadas nas proximidades de falhas geológicas regionais. Em todo os casos de estudo foram desenvolvidos numa plataforma SIG usando as seguintes ferramentas: cartografia geo-aplicada, técnicas de geologia estrutural, da geotecnia e da geomecânica mineiras e avaliação de geotecnologias. Esta abordagem leva-nos a compreender a relevância da heterogeneidade do maciço rochoso para o dimensionamento da exploração a diferentes escalas. O controlo geomecânico do desmonte do maciço rochoso através de uma perfuração alinhada é salientado com o intuito de uma abordagem de geoengenharia integrada nos maciços rochosos.

Les composantes du risque : une entrée par les acteurs et le conflit lors de la mise en place des solutions : le cas de Los Chorros, Guatemala

Ce travail présente une étude de cas post-catastrophe à San Cristobal, Guatemala, où un important glissement de terrain du nom «Los Chorros» (8-10 millions de m3 de roche) affecte depuis 2009 diverses communautés et une des routes principales du pays. Les gestionnaires des risques, sur la base de leur propre évaluation, ont décidé de répondre d'une manière qui ne correspond pas aux intérêts de la population affectée. Les communautés locales ont évalué le risque de catastrophe et ont établi une autre solution suivant une conception du risque différente. Les conflits sociaux et la concurrence entre les différents acteurs du territoire, pour la définition des priorités et des solutions, révèlent les aspects sous-jacents de la société, utiles pour identifier et comprendre ce qui constitue le risque de catastrophe dans un contexte donné. Ce conflit montre que le risque de catastrophe n'est pas univoque mais un concept complexe, constitué par un grand nombre de composants. En termes de gouvernance, il met également en évidence la confrontation des savoirs et la tension qui peut exister entre les différentes approches du risque. Depuis une approche où le risque de catastrophe est considéré comme une construction sociale (les vulnérabilités étant historiquement générées par des processus sociaux, politiques, économiques et culturels), ce travail évalue d'autres modes d'interprétation, de traitement et d'intervention qui peuvent aider à améliorer les méthodes d'évaluation et de gestion des risques. Enfin, la proposition de gestion qui découle de l'exemple guatémaltèque invite à une autre manière de concevoir la gestion des risques en intégrant les différentes conceptions du risque et en visant une coordination stratégique entre les acteurs des politiques publiques, les échelles d'intervention, les experts en charge des différents aléas et la société civile, afin d'obtenir une solution acceptable pour tous les acteurs impliqués dans un territoire. -- This work analyses a post-disaster case study from San Cristobal, Guatemala where a large landslide named "Los Chorros (8 millions cubic meters of rock) affects several communities and one of the country's main west-east access highways. Risk managers, starting from their own assessment, decided to respond in a way that does not correspond to the interests of the afected population. Local communities assessed the risk disaster situation and establised another solution from a different conception of risk. These social conflict and competition for priorities and solutions for risk management reveal that disaster risk is not unequivocal but a complex and holistic concept, constituted by a large set of components. From a social constructivism approach, where disaster risk is considered as the results of social, political, economic and historic process, this thesis evaluates other modes of interpreting, shaping and managing risk that can help improve methods of risk assessment and management. Studying the logic of action of actors, who mobilize to establish a solution, enables to identify as to what constitutes a disaster. For this reason, the study focus, in particular, on the analysis of practices (practical science) implemented by all actors in San Cristobal Altaverapaz. Finally, it puts into perspective the risk management in terms of an integrative approach for policy experts that find compromise between different conceptions of risk in order to obtain a solution acceptable to all those involved.

Identification of pyridine analogs as new predator-derived kairomones.

In the wild, animals have developed survival strategies relying on their senses. The individual ability to identify threatening situations is crucial and leads to increase in the overall fitness of the species. Rodents, for example have developed in their nasal cavities specialized olfactory neurons implicated in the detection of volatile cues encoding for impending danger such as predator scents or alarm pheromones. In particular, the neurons of the Grueneberg ganglion (GG), an olfactory subsystem, are implicated in the detection of danger cues sharing a similar chemical signature, a heterocyclic sulfur- or nitrogen-containing motif. Here we used a "from the wild to the lab" approach to identify new molecules that are involuntarily emitted by predators and that initiate fear-related responses in the recipient animal, the putative prey. We collected urines from carnivores as sources of predator scents and first verified their impact on the blood pressure of the mice. With this approach, the urine of the mountain lion emerged as the most potent source of chemical stress. We then identified in this biological fluid, new volatile cues with characteristic GG-related fingerprints, in particular the methylated pyridine structures, 2,4-lutidine and its analogs. We finally verified their encoded danger quality and demonstrated their ability to mimic the effects of the predator urine on GG neurons, on mice blood pressure and in behavioral experiments. In summary, we were able to identify here, with the use of an integrative approach, new relevant molecules, the pyridine analogs, implicated in interspecies danger communication.

Evolutionary Origin and Maintenance of Sociality in the Small Carpenter Bees

Many arthropods exhibit behaviours precursory to social life, including adult longevity, parental care, nest loyalty and mutual tolerance, yet there are few examples of social behaviour in this phylum. The small carpenter bees, genus Ceratina, provide important insights into the early stages of sociality. I described the biology and social behaviour of five facultatively social species which exhibit all of the preadaptations for successful group living, yet present ecological and behavioural characteristics that seemingly disfavour frequent colony formation. These species are socially polymorphic with both / solitary and social nests collected in sympatry. Social colonies consist of two adult females, one contributing both foraging and reproductive effort and the second which remains at the nest as a passive guard. Cooperative nesting provides no overt reproductive benefits over solitary nesting, although brood survival tends to be greater in social colonies. Three main theories explain cooperation among conspecifics: mutual benefit, kin selection and manipulation. Lifetime reproductive success calculations revealed that mutual benefit does not explain social behaviour in this group as social colonies have lower per capita life time reproductive success than solitary nests. Genetic pedigrees constructed from allozyme data indicate that kin selection might contribute to the maintenance of social nesting -, as social colonies consist of full sisters and thus some indirect fitness benefits are inherently bestowed on subordinate females as a result of remaining to help their dominant sister. These data suggest that the origin of sociality in ceratinines has principal costs and the great ecological success of highly eusociallineages occurred well after social origins. Ecological constraints such as resource limitation, unfavourable weather conditions and parasite pressure have long been considered some of the most important selective pressures for the evolution of sociality. I assessed the fitness consequences of these three ecological factors for reproductive success of solitary and social colonies and found that nest sites were not limiting, and the frequency of social nesting was consistent across brood rearing seasons. Local weather varied between seasons but was not correlated with reproductive success. Severe parasitism resulted in low reproductive success and total nest failure in solitary nests. Social colonies had higher reproductive success and were never extirpated by parasites. I suggest that social nesting represents a form of bet-hedging. The high frequency of solitary nests suggests that this is the optimal strategy when parasite pressure is low. However, social colonies have a selective advantage over solitary nesting females during periods of extreme parasite pressure. Finally, the small carpenter bees are recorded from all continents except Antarctica. I constructed the first molecular phylogeny of ceratinine bees based on four gene regions of selected species covering representatives from all continents and ecological regions. Maximum parsimony and Bayesian Inference tree topology and fossil dating support an African origin followed by an Old World invasion and New World radiation. All known Old World ceratinines form social colonies while New World species are largely solitary; thus geography and phylogenetic inertia are likely predictors of social evolution in this genus. This integrative approach not only describes the behaviour of several previously unknown or little-known Ceratina species, bu~ highlights the fact that this is an important, though previously unrecognized, model for studying evolutionary transitions from solitary to social behaviour.

Dissection du programme développemental du noyau paraventriculaire de l'hypothalamus.

Une cascade de facteurs de transcription composée de SIM1, ARNT2, OTP, BRN2 et SIM2 est requise pour la différenciation des cinq types cellulaires qui peuplent le noyau paraventriculaire (PVN) de l’hypothalamus, un régulateur critique de plusieurs processus physiologiques essentiels à la survie. De plus, l’haploinsuffisance de Sim1 est aussi une cause d’hyperphagie isolée chez la souris et chez l’homme. Nous désirons disséquer le programme développemental du PVN, via une approche intégrative, afin d’identifier de nouveaux gènes qui ont le potentiel de réguler l’homéostasie chez l’individu adulte. Premièrement, nous avons utilisé une approche incluant l’analyse du transcriptome du PVN à différents stades du développement de la souris pour identifier de tels gènes. Nous avons comparé les transcriptomes de l’hypothalamus antérieur chez des embryons de souris Sim1+/+ et Sim1-/- à E12.5 issus de la même portée. De cette manière, nous avons identifié 56 gènes agissant en aval de Sim1 dont 5 facteurs de transcription - Irx3, Sax1, Rxrg, Ror et Neurod6. Nous avons également proposé un modèle de développement à deux couches de l’hypothalamus antérieur. Selon ce modèle, les gènes qui occupent un domaine médial dans la zone du manteau caractérisent des cellules qui peupleront le PVN alors que les gènes qui ont une expression latérale identifient des cellules qui donneront plus tard naissance aux structures ventrolatérales de l’hypothalamus. Nous avons aussi démontré que Sim1 est impliqué à la fois dans la différenciation, la migration et la prolifération des neurones qui peuplent le PVN tout comme Otp. Nous avons également isolé par microdissection au laser le PVN et l’hypothalamus médiobasal chez des souris de type sauvage à E14.5 pour en comparer les transcriptomes. Ceci nous a permis d’identifier 34 facteurs de transcription spécifiques au PVN et 76 facteurs spécifiques à l’hypothalamus médiobasal. Ces gènes représentent des régulateurs potentiels du développement hypothalamique. Deuxièmement, nous avons identifié 3 blocs de séquences au sein de la région 5’ d’Otp qui sont conservés chez l’homme, la souris et le poisson. Nous avons construit un transgène qui est composé d’un fragment de 7 kb contenant ces blocs de séquences et d’un gène rapporteur. L’analyse de 4 lignées de souris a montré que ce transgène est uniquement exprimé dans le PVN en développement. Nous avons généré un deuxième transgène dans lequel le fragment de 7 kb est inséré en amont de l’ADNc de Brn2 ou Sim1 et de Gfp. Nous avons obtenu quatre lignées de souris dans lesquels le profil d’expression de Brn2 et de Gfp reproduit celui d’Otp. Nous étudierons le développement du PVN et la prise alimentaire chez ces souris. En parallèle, nous croisons ces lignées avec les souris déficientes en Sim1 pour déterminer si l’expression de Brn2 permet le développement des cellules du PVN en absence de Sim1. En résumé, nous avons généré le premier transgène qui est exprimé spécifiquement dans le PVN. Ce transgène constitue un outil critique pour la dissection du programme développemental de l’hypothalamus. Troisièmement, nous avons caractérisé le développement de l’hypothalamus antérieur chez l’embryon de poulet qui représente un modèle intéressant pour réaliser des études de perte et de gain de fonction au cours du développement de cette structure. Il faut souligner que le modèle de développement à deux couches de l’hypothalamus antérieur semble être conservé chez l’embryon de poulet où il est aussi possible de classer les gènes selon leur profil d’expression médio-latéral et le devenir des régions qu’ils définissent. Finalement, nous croyons que cette approche intégrative nous permettra d’identifier et de caractériser des régulateurs du développement du PVN qui pourront potentiellement être associés à des pathologies chez l’adulte telles que l’obésité ou l’hypertension.

Applicabilité de la texture couleur à la différentiation des classes d’occupation du territoire sur des images satellitales multispectrales

La texture est un élément clé pour l’interprétation des images de télédétection à fine résolution spatiale. L’intégration de l’information texturale dans un processus de classification automatisée des images se fait habituellement via des images de texture, souvent créées par le calcul de matrices de co-occurrences (MCO) des niveaux de gris. Une MCO est un histogramme des fréquences d’occurrence des paires de valeurs de pixels présentes dans les fenêtres locales, associées à tous les pixels de l’image utilisée; une paire de pixels étant définie selon un pas et une orientation donnés. Les MCO permettent le calcul de plus d’une dizaine de paramètres décrivant, de diverses manières, la distribution des fréquences, créant ainsi autant d’images texturales distinctes. L’approche de mesure des textures par MCO a été appliquée principalement sur des images de télédétection monochromes (ex. images panchromatiques, images radar monofréquence et monopolarisation). En imagerie multispectrale, une unique bande spectrale, parmi celles disponibles, est habituellement choisie pour générer des images de texture. La question que nous avons posée dans cette recherche concerne justement cette utilisation restreinte de l’information texturale dans le cas des images multispectrales. En fait, l’effet visuel d’une texture est créé, non seulement par l’agencement particulier d’objets/pixels de brillance différente, mais aussi de couleur différente. Plusieurs façons sont proposées dans la littérature pour introduire cette idée de la texture à plusieurs dimensions. Parmi celles-ci, deux en particulier nous ont intéressés dans cette recherche. La première façon fait appel aux MCO calculées bande par bande spectrale et la seconde utilise les MCO généralisées impliquant deux bandes spectrales à la fois. Dans ce dernier cas, le procédé consiste en le calcul des fréquences d’occurrence des paires de valeurs dans deux bandes spectrales différentes. Cela permet, en un seul traitement, la prise en compte dans une large mesure de la « couleur » des éléments de texture. Ces deux approches font partie des techniques dites intégratives. Pour les distinguer, nous les avons appelées dans cet ouvrage respectivement « textures grises » et « textures couleurs ». Notre recherche se présente donc comme une analyse comparative des possibilités offertes par l’application de ces deux types de signatures texturales dans le cas spécifique d’une cartographie automatisée des occupations de sol à partir d’une image multispectrale. Une signature texturale d’un objet ou d’une classe d’objets, par analogie aux signatures spectrales, est constituée d’une série de paramètres de texture mesurés sur une bande spectrale à la fois (textures grises) ou une paire de bandes spectrales à la fois (textures couleurs). Cette recherche visait non seulement à comparer les deux approches intégratives, mais aussi à identifier la composition des signatures texturales des classes d’occupation du sol favorisant leur différentiation : type de paramètres de texture / taille de la fenêtre de calcul / bandes spectrales ou combinaisons de bandes spectrales. Pour ce faire, nous avons choisi un site à l’intérieur du territoire de la Communauté Métropolitaine de Montréal (Longueuil) composé d’une mosaïque d’occupations du sol, caractéristique d’une zone semi urbaine (résidentiel, industriel/commercial, boisés, agriculture, plans d’eau…). Une image du satellite SPOT-5 (4 bandes spectrales) de 10 m de résolution spatiale a été utilisée dans cette recherche. Puisqu’une infinité d’images de texture peuvent être créées en faisant varier les paramètres de calcul des MCO et afin de mieux circonscrire notre problème nous avons décidé, en tenant compte des études publiées dans ce domaine : a) de faire varier la fenêtre de calcul de 3*3 pixels à 21*21 pixels tout en fixant le pas et l’orientation pour former les paires de pixels à (1,1), c'est-à-dire à un pas d’un pixel et une orientation de 135°; b) de limiter les analyses des MCO à huit paramètres de texture (contraste, corrélation, écart-type, énergie, entropie, homogénéité, moyenne, probabilité maximale), qui sont tous calculables par la méthode rapide de Unser, une approximation des matrices de co-occurrences, c) de former les deux signatures texturales par le même nombre d’éléments choisis d’après une analyse de la séparabilité (distance de Bhattacharya) des classes d’occupation du sol; et d) d’analyser les résultats de classification (matrices de confusion, exactitudes, coefficients Kappa) par maximum de vraisemblance pour conclure sur le potentiel des deux approches intégratives; les classes d’occupation du sol à reconnaître étaient : résidentielle basse et haute densité, commerciale/industrielle, agricole, boisés, surfaces gazonnées (incluant les golfs) et plans d’eau. Nos principales conclusions sont les suivantes a) à l’exception de la probabilité maximale, tous les autres paramètres de texture sont utiles dans la formation des signatures texturales; moyenne et écart type sont les plus utiles dans la formation des textures grises tandis que contraste et corrélation, dans le cas des textures couleurs, b) l’exactitude globale de la classification atteint un score acceptable (85%) seulement dans le cas des signatures texturales couleurs; c’est une amélioration importante par rapport aux classifications basées uniquement sur les signatures spectrales des classes d’occupation du sol dont le score est souvent situé aux alentours de 75%; ce score est atteint avec des fenêtres de calcul aux alentours de11*11 à 15*15 pixels; c) Les signatures texturales couleurs offrant des scores supérieurs à ceux obtenus avec les signatures grises de 5% à 10%; et ce avec des petites fenêtres de calcul (5*5, 7*7 et occasionnellement 9*9) d) Pour plusieurs classes d’occupation du sol prises individuellement, l’exactitude dépasse les 90% pour les deux types de signatures texturales; e) une seule classe est mieux séparable du reste par les textures grises, celle de l’agricole; f) les classes créant beaucoup de confusions, ce qui explique en grande partie le score global de la classification de 85%, sont les deux classes du résidentiel (haute et basse densité). En conclusion, nous pouvons dire que l’approche intégrative par textures couleurs d’une image multispectrale de 10 m de résolution spatiale offre un plus grand potentiel pour la cartographie des occupations du sol que l’approche intégrative par textures grises. Pour plusieurs classes d’occupations du sol un gain appréciable en temps de calcul des paramètres de texture peut être obtenu par l’utilisation des petites fenêtres de traitement. Des améliorations importantes sont escomptées pour atteindre des exactitudes de classification de 90% et plus par l’utilisation des fenêtres de calcul de taille variable adaptées à chaque type d’occupation du sol. Une méthode de classification hiérarchique pourrait être alors utilisée afin de séparer les classes recherchées une à la fois par rapport au reste au lieu d’une classification globale où l’intégration des paramètres calculés avec des fenêtres de taille variable conduirait inévitablement à des confusions entre classes.

Corrélats neuronaux de l'expertise auditive

La voix humaine constitue la partie dominante de notre environnement auditif. Non seulement les humains utilisent-ils la voix pour la parole, mais ils sont tout aussi habiles pour en extraire une multitude d’informations pertinentes sur le locuteur. Cette expertise universelle pour la voix humaine se reflète dans la présence d’aires préférentielles à celle-ci le long des sillons temporaux supérieurs. À ce jour, peu de données nous informent sur la nature et le développement de cette réponse sélective à la voix. Dans le domaine visuel, une vaste littérature aborde une problématique semblable en ce qui a trait à la perception des visages. L’étude d’experts visuels a permis de dégager les processus et régions impliqués dans leur expertise et a démontré une forte ressemblance avec ceux utilisés pour les visages. Dans le domaine auditif, très peu d’études se sont penchées sur la comparaison entre l’expertise pour la voix et d’autres catégories auditives, alors que ces comparaisons pourraient contribuer à une meilleure compréhension de la perception vocale et auditive. La présente thèse a pour dessein de préciser la spécificité des processus et régions impliqués dans le traitement de la voix. Pour ce faire, le recrutement de différents types d’experts ainsi que l’utilisation de différentes méthodes expérimentales ont été préconisés. La première étude a évalué l’influence d’une expertise musicale sur le traitement de la voix humaine, à l’aide de tâches comportementales de discrimination de voix et d’instruments de musique. Les résultats ont démontré que les musiciens amateurs étaient meilleurs que les non-musiciens pour discriminer des timbres d’instruments de musique mais aussi les voix humaines, suggérant une généralisation des apprentissages perceptifs causés par la pratique musicale. La seconde étude avait pour but de comparer les potentiels évoqués auditifs liés aux chants d’oiseaux entre des ornithologues amateurs et des participants novices. L’observation d’une distribution topographique différente chez les ornithologues à la présentation des trois catégories sonores (voix, chants d’oiseaux, sons de l’environnement) a rendu les résultats difficiles à interpréter. Dans la troisième étude, il était question de préciser le rôle des aires temporales de la voix dans le traitement de catégories d’expertise chez deux groupes d’experts auditifs, soit des ornithologues amateurs et des luthiers. Les données comportementales ont démontré une interaction entre les deux groupes d’experts et leur catégorie d’expertise respective pour des tâches de discrimination et de mémorisation. Les résultats obtenus en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle ont démontré une interaction du même type dans le sillon temporal supérieur gauche et le gyrus cingulaire postérieur gauche. Ainsi, les aires de la voix sont impliquées dans le traitement de stimuli d’expertise dans deux groupes d’experts auditifs différents. Ce résultat suggère que la sélectivité à la voix humaine, telle que retrouvée dans les sillons temporaux supérieurs, pourrait être expliquée par une exposition prolongée à ces stimuli. Les données présentées démontrent plusieurs similitudes comportementales et anatomo-fonctionnelles entre le traitement de la voix et d’autres catégories d’expertise. Ces aspects communs sont explicables par une organisation à la fois fonctionnelle et économique du cerveau. Par conséquent, le traitement de la voix et d’autres catégories sonores se baserait sur les mêmes réseaux neuronaux, sauf en cas de traitement plus poussé. Cette interprétation s’avère particulièrement importante pour proposer une approche intégrative quant à la spécificité du traitement de la voix.

Alternative strategies for deciphering the genetic architecture of childhood Pre-B acute lymphoblastic leukemia

La leucémie lymphoblastique aigüe (LLA) est une maladie génétique complexe. Malgré que cette maladie hématologique soit le cancer pédiatrique le plus fréquent, ses causes demeurent inconnues. Des études antérieures ont démontrées que le risque à la LLA chez l’enfant pourrait être influencé par des gènes agissant dans le métabolisme des xénobiotiques, dans le maintient de l’intégrité génomique et dans la réponse au stress oxydatif, ainsi que par des facteurs environnementaux. Au cours de mes études doctorales, j’ai tenté de disséquer davantage les bases génétiques de la LLA de l’enfant en postulant que la susceptibilité à cette maladie serait modulée, au moins en partie, par des variants génétiques agissant dans deux voies biologiques fondamentales : le point de contrôle G1/S du cycle cellulaire et la réparation des cassures double-brin de l’ADN. En utilisant une approche unique reposant sur l’analyse d’une cohorte cas-contrôles jumelée à une cohorte de trios enfants-parents, j’ai effectué une étude d’association de type gènes/voies biologiques candidats. Ainsi, j’ai évaluer le rôle de variants provenant de la séquence promotrice de 12 gènes du cycle cellulaire et de 7 gènes de la voie de réparation de l’ADN, dans la susceptibilité à la LLA. De tels polymorphismes dans la région promotrice (pSNPs) pourraient perturber la liaison de facteurs de transcription et mener à des différences dans les niveaux d’expression des gènes pouvant influencer le risque à la maladie. En combinant différentes méthodes analytiques, j’ai évalué le rôle de différents mécanismes génétiques dans le développement de la LLA chez l’enfant. J’ai tout d’abord étudié les associations avec gènes/variants indépendants, et des essaies fonctionnels ont été effectués afin d’évaluer l’impact des pSNPs sur la liaison de facteurs de transcription et l’activité promotrice allèle-spécifique. Ces analyses ont mené à quatre publications. Il est peu probable que ces gènes de susceptibilité agissent seuls; j’ai donc utilisé une approche intégrative afin d’explorer la possibilité que plusieurs variants d’une même voie biologique ou de voies connexes puissent moduler le risque de la maladie; ces travaux ont été soumis pour publication. En outre, le développement précoce de la LLA, voir même in utero, suggère que les parents, et plus particulièrement la mère, pourraient jouer un rôle important dans le développement de cette maladie chez l’enfant. Dans une étude par simulations, j’ai évalué la performance des méthodes d’analyse existantes de détecter des effets fœto-maternels sous un design hybride trios/cas-contrôles. J’ai également investigué l’impact des effets génétiques agissant via la mère sur la susceptibilité à la LLA. Cette étude, récemment publiée, fût la première à démontrer que le risque de la leucémie chez l’enfant peut être modulé par le génotype de sa mère. En conclusions, mes études doctorales ont permis d’identifier des nouveaux gènes de susceptibilité pour la LLA pédiatrique et de mettre en évidence le rôle du cycle cellulaire et de la voie de la réparation de l’ADN dans la leucémogenèse. À terme, ces travaux permettront de mieux comprendre les bases génétiques de la LLA, et conduiront au développement d’outils cliniques qui amélioreront la détection, le diagnostique et le traitement de la leucémie chez l’enfant.