Excitability transitions and wave dynamics under spatiotemporal structured noise

We present an analytic and numerical study of the effects of external fluctuations in active media. Our analytical methodology transforms the initial stochastic partial differential equations into an effective set of deterministic reaction-diffusion equations. As a result we are able to explain and make quantitative predictions on the systematic and constructive effects of the noise, for example, target patterns created out of noise and traveling or spiral waves sustained by noise. Our study includes the case of realistic noises with temporal and spatial structures.

Suppression of scroll wave turbulence by noise

Rotating scroll waves are dynamical spatiotemporal structures characteristic of three-dimensional active media. It is well known that, under low excitability conditions, scroll waves develop an intrinsically unstable dynamical regime that leads to a highly disorganized pattern of wave propagation. Such a ¿turbulent¿ state bears some resemblance to fibrillation states in cardiac tissue. We show here that this unstable regime can be controlled by using a spatially distributed random forcing superimposed on a control parameter of the system. Our results are obtained from numerical simulations but an explicit analytical argument that rationalizes our observations is also presented.

Wave competition in excitable modulated media.

The propagation of an initially planar front is studied within the framework of the photosensitive Belousov-Zhabotinsky reaction modulated by a smooth spatial variation of the local front velocity in the direction perpendicular to front propagation. Under this modulation, the wave front develops several fingers corresponding to the local maxima of the modulation function. After a transient, the wave front achieves a stationary shape that does not necessarily coincide with the one externally imposed by the modulation. Theoretical predictions for the selection criteria of fingers and steady-state velocity are experimentally validated.

Growing The Fields of Opportunity for Children and Adults with Autism in Iowa, 2009-2010

Many would argue that the dramatic rise in autism has reached critical mass, and this council echoes that statement. Iowa, like many states in the nation, is currently ill equipped to handle the large influx of children and adults with autism. When this council was initially formed we were facing diagnosis rates of 1 in 150 and currently the diagnosis rate is 1 in 91. Current resource strains in education, qualified trained professionals, access to care, and financial services are rapidly deteriorating Iowa’s ability to deliver quality services to children, adults, and families affected by autism. If Iowa leadership fails to act quickly the already strained system will face a breaking point in the following areas: financing, coordination of care, educational resources, early identification, adult services, and access to service delivery - just to name a few. This council has taken the past 12 plus months hearing testimony from state officials, providers, and caregivers to ensure that care for those with autism is effective, cost efficient, and accessible. This council will be making recommendations on three major areas; early identification, seamless support/coordination of care, and financing of care. While these areas will be highlighted in this first annual report it in no way minimizes other areas that need to be addressed such as early intervention, special education, training, in-home support services, financing options, and data collection. Implementing the initial recommendations of this council will lay foundational support for the areas mentioned above. Often those in position to help ask what can be done to help families in Iowa. This council has provided a roadmap to help facilitate effective and proven treatments to children and adults with autism.

Measures of ionicity of alkaline-earth oxides from the analysis of ab initio cluster wave functions

We present an analysis of the M-O chemical bonding in the binary oxides MgO, CaO, SrO, BaO, and Al2O3 based on ab initio wave functions. The model used to represent the local environment of a metal cation in the bulk oxide is an MO6 cluster which also includes the effect of the lattice Madelung potential. The analysis of the wave functions for these clusters leads to the conclusion that all the alkaline-earth oxides must be regarded as highly ionic oxides; however, the ionic character of the oxides decreases as one goes from MgO, almost perfectly ionic, to BaO. In Al2O3 the ionic character is further reduced; however, even in this case, the departure from the ideal, fully ionic, model of Al3+ is not exceptionally large. These conclusions are based on three measures, a decomposition of the Mq+-Oq- interaction energy, the number of electrons associated to the oxygen ions as obtained from a projection operator technique, and the analysis of the cation core-level binding energies. The increasing covalent character along the series MgO, CaO, SrO, and BaO is discussed in view of the existing theoretical models and experimental data.

Wave propagation in a medium with disordered excitability

The effect of quenched disorder on the propagation of autowaves in excitable media is studied both experimentally and numerically in relation to the light-sensitive Belousov-Zhabotinsky reaction. The spatial disorder is introduced through a random distribution with two different levels of transmittance. In one dimension the (time-averaged) wave speed is smaller than the corresponding to a homogeneous medium with the mean excitability. Contrarily, in two dimensions the velocity increases due to the roughening of the front. Results are interpreted using kinematic and scaling arguments. In particular, for d = 2 we verify a theoretical prediction of a power-law dependence for the relative change of the propagation speed on the disorder amplitude.

Regular wave propagation out of noise in chemical active media

A pacemaker, regularly emitting chemical waves, is created out of noise when an excitable photosensitive Belousov-Zhabotinsky medium, strictly unable to autonomously initiate autowaves, is forced with a spatiotemporal patterned random illumination. These experimental observations are also reproduced numerically by using a set of reaction-diffusion equations for an activator-inhibitor model, and further analytically interpreted in terms of genuine coupling effects arising from parametric fluctuations. Within the same framework we also address situations of noise-sustained propagation in subexcitable media.

Space and momentum representation analysis of Hartman's effect in wave packet transmission

The Hartman effect is analyzed in both the position and momentum representations of the problem. The importance of Wigner tunneling and deep tunneling is singled out. It is shown quantitatively how the barrier acts as a filter for low momenta (quantum speed up) as the width increases, and a detailed mechanism is proposed. Superluminal transmission is also discussed.

Learning wind fields with multiple kernels

This paper presents multiple kernel learning (MKL) regression as an exploratory spatial data analysis and modelling tool. The MKL approach is introduced as an extension of support vector regression, where MKL uses dedicated kernels to divide a given task into sub-problems and to treat them separately in an effective way. It provides better interpretability to non-linear robust kernel regression at the cost of a more complex numerical optimization. In particular, we investigate the use of MKL as a tool that allows us to avoid using ad-hoc topographic indices as covariables in statistical models in complex terrains. Instead, MKL learns these relationships from the data in a non-parametric fashion. A study on data simulated from real terrain features confirms the ability of MKL to enhance the interpretability of data-driven models and to aid feature selection without degrading predictive performances. Here we examine the stability of the MKL algorithm with respect to the number of training data samples and to the presence of noise. The results of a real case study are also presented, where MKL is able to exploit a large set of terrain features computed at multiple spatial scales, when predicting mean wind speed in an Alpine region.

Constraints on the permeability structure of alluvial aquifers from the poro-elastic inversion of multi-frequency P-wave velocity logs

We have explored the possibility of obtaining first-order permeability estimates for saturated alluvial sediments based on the poro-elastic interpretation of the P-wave velocity dispersion inferred from sonic logs. Modern sonic logging tools designed for environmental and engineering applications allow one for P-wave velocity measurements at multiple emitter frequencies over a bandwidth covering 5 to 10 octaves. Methodological considerations indicate that, for saturated unconsolidated sediments in the silt to sand range and typical emitter frequencies ranging from approximately 1 to 30 kHz, the observable velocity dispersion should be sufficiently pronounced to allow one for reliable first-order estimations of the permeability structure. The corresponding predictions have been tested on and verified for a borehole penetrating a typical surficial alluvial aquifer. In addition to multifrequency sonic logs, a comprehensive suite of nuclear and electrical logs, an S-wave log, a litholog, and a limited number laboratory measurements of the permeability from retrieved core material were also available. This complementary information was found to be essential for parameterizing the poro-elastic inversion procedure and for assessing the uncertainty and internal consistency of corresponding permeability estimates. Our results indicate that the thus obtained permeability estimates are largely consistent with those expected based on the corresponding granulometric characteristics, as well as with the available evidence form laboratory measurements. These findings are also consistent with evidence from ocean acoustics, which indicate that, over a frequency range of several orders-of-magnitude, the classical theory of poro-elasticity is generally capable of explaining the observed P-wave velocity dispersion in medium- to fine-grained seabed sediments

Multiple Kernel Learning of Environmental Data. Case study: Analysis and Mapping of Wind Fields

The paper presents the Multiple Kernel Learning (MKL) approach as a modelling and data exploratory tool and applies it to the problem of wind speed mapping. Support Vector Regression (SVR) is used to predict spatial variations of the mean wind speed from terrain features (slopes, terrain curvature, directional derivatives) generated at different spatial scales. Multiple Kernel Learning is applied to learn kernels for individual features and thematic feature subsets, both in the context of feature selection and optimal parameters determination. An empirical study on real-life data confirms the usefulness of MKL as a tool that enhances the interpretability of data-driven models.

Pulse wave amplitude drops during sleep are reliable surrogate markers of changes in cortical activity

Rapport de synthèseLe syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS) est une pathologie respiratoire fréquente. Sa prévalence est estimée entre 2 et 5% de la population adulte générale. Ses conséquences sont importantes. Notamment, une somnolence diurne, des troubles de la concentration, des troubles de la mémoire et une augmentation du risque d'accident de la route et du travail. Il représente également un facteur de risque cardiovasculaire indépendant.Ce syndrome est caractérisé par la survenue durant le sommeil d'obstructions répétées des voies aériennes supérieures. L'arrêt ou la diminution d'apport en oxygène vers les poumons entraîne des épisodes de diminution de la saturation en oxygène de l'hémoglobine. Les efforts ventilatoires visant à lever l'obstacle présent sur les voies aériennes causent de fréquents réveils à l'origine d'une fragmentation du sommeil.La polysomnographie (PSG) représente le moyen diagnostic de choix. Il consiste en l'enregistrement dans un laboratoire du sommeil et en présence d'un technicien diplômé, du tracé électroencéphalographique (EEG), de l'électrooculogramme (EOG), de l'électromyogramme mentonnier (EMG), du flux respiratoire nasal, de l'oxymétrie de pouls, de la fréquence cardiaque, de l'électrocardiogramme (ECG), des mouvements thoraciques et abdominaux, de la position du corps et des mouvements des jambes. L'examen est filmé par caméra infrarouge et les sons sont enregistrés.Cet examen permet entre autres mesures, de déterminer les événements respiratoires obstructifs nécessaires au diagnostic de syndrome d'apnée du sommeil. On définit une apnée lors d'arrêt complet du débit aérien durant au moins 10 secondes et une hypopnée en cas, soit de diminution franche de l'amplitude du flux respiratoire supérieure à 50% durant au moins 10 secondes, soit de diminution significative (20%) de l'amplitude du flux respiratoire pendant au minimum 10 secondes associée à un micro-éveil ou à une désaturation d'au moins 3% par rapport à la ligne de base. La détection des micro-éveils se fait en utilisant les dérivations électroencéphalographiques, électromyographiques et électrooculographiques. Il existe des critères visuels de reconnaissance de ces éveils transitoire: apparition de rythme alpha (8.1 à 12.0 Hz) ou beta (16 à 30 Hz) d'une durée supérieure à 3 secondes [20-21].Le diagnostic de S AOS est retenu si l'on retrouve plus de 5 événements respiratoires obstructifs par heure de sommeil associés soit à une somnolence diurne évaluée selon le score d'Epworth ou à au moins 2 symptômes parmi les suivants: sommeil non réparateur, étouffements nocturne, éveils multiples, fatigue, troubles de la concentration. Le S AOS est gradué en fonction du nombre d'événements obstructifs par heure de sommeil en léger (5 à 15), modéré (15 à 30) et sévère (>30).La polysomnographie (PSG) comporte plusieurs inconvénients pratiques. En effet, elle doit être réalisée dans un laboratoire du sommeil avec la présence permanente d'un technicien, limitant ainsi son accessibilité et entraînant des délais diagnostiques et thérapeutiques. Pour ces mêmes raisons, il s'agit d'un examen onéreux.La polygraphie respiratoire (PG) représente l'alternative diagnostique au gold standard qu'est l'examen polysomnographique. Cet examen consiste en l'enregistrement en ambulatoire, à savoir au domicile du patient, du flux nasalrespiratoire, de l'oxymétrie de pouls, de la fréquence cardiaque, de la position du corps et du ronflement (par mesure de pression).En raison de sa sensibilité et sa spécificité moindre, la PG reste recommandée uniquement en cas de forte probabilité de SAOS. Il existe deux raisons principales à l'origine de la moindre sensibilité de l'examen polygraphique. D'une part, du fait que l'état de veille ou de sommeil n'est pas déterminé avec précision, il y a dilution des événements respiratoires sur l'ensemble de l'enregistrement et non sur la période de sommeil uniquement. D'autre part, en l'absence de tracé EEG, la quantification des micro-éveils est impossible. Il n'est donc pas possible dans l'examen poly graphique, de reconnaître une hypopnée en cas de diminution de flux respiratoire de 20 à 50% non associée à un épisode de désaturation de l'hémoglobine de 3% au moins. Alors que dans l'examen polysomnographique, une telle diminution du flux respiratoire pourrait être associée à un micro-éveil et ainsi comptabilisée en tant qu'hypopnée.De ce constat est né la volonté de trouver un équivalent de micro-éveil en polygraphie, en utilisant les signaux à disposition, afin d'augmenter la sensibilité de l'examen polygraphique.Or plusieurs études ont démontrés que les micro-éveils sont associés à des réactions du système nerveux autonome. Lors des micro-éveils, on met en évidence la survenue d'une vasoconstriction périphérique. La variation du tonus sympathique associée aux micro-éveils peut être mesurée par différentes méthodes. Les variations de l'amplitude de l'onde de pouls mesurée par pulsoxymétrie représentant un marqueur fiable de la vasoconstriction périphérique associée aux micro-réveils, il paraît donc opportun d'utiliser ce marqueur autonomique disponible sur le tracé des polygraphies ambulatoires afin de renforcer la sensibilité de cet examen.Le but de l'étude est d'évaluer la sensibilité des variations de l'amplitude de l'onde de pouls pour détecter des micro-réveils corticaux afin de trouver un moyen d'augmenter la sensibilité de l'examen polygraphique et de renforcer ainsi sont pouvoir diagnostic.L'objectif est de démontrer qu'une diminution significative de l'amplitude de l'onde pouls est concomitante à une activation corticale correspondant à un micro¬réveil. Cette constatation pourrait permettre de déterminer une hypopnée, en polygraphie, par une diminution de 20 à 50% du flux respiratoire sans désaturation de 3% mais associée à une baisse significative de l'amplitude de pouls en postulant que l'événement respiratoire a entraîné un micro-réveil. On retrouve par cette méthode les mêmes critères de scoring d'événements respiratoires en polygraphie et en polysomnographie, et l'on renforce la sensibilité de la polygraphie par rapport au gold standard polysomnographique.La méthode consiste à montrer en polysomnographie qu'une diminution significative de l'amplitude de l'onde de pouls mesurée par pulsoxymétrie est associée à une activation du signal électroencéphalographique, en réalisant une analyse spectrale du tracé EEG lors des baisses d'amplitude du signal d'onde de pouls.Pour ce faire nous avons réalisé une étude rétrospective sur plus de 1000 diminutions de l'amplitude de l'onde de pouls sur les tracés de 10 sujets choisis de manière aléatoire parmi les patients référés dans notre centre du sommeil (CIRS) pour suspicion de trouble respiratoire du sommeil avec somnolence ou symptomatologie diurne.Les enregistrements nocturnes ont été effectués de manière standard dans des chambres individuelles en utilisant le système d'acquisition Embla avec l'ensemble des capteurs habituels. Les données ont été par la suite visuellement analysées et mesurées en utilisant le software Somnologica version 5.1, qui fournit un signal de l'amplitude de l'onde de pouls (puise wave amplitude - PWA).Dans un premier temps, un technicien du sommeil a réalisé une analyse visuelle du tracé EEG, en l'absence des données du signal d'amplitude d'onde de pouls. Il a déterminé les phases d'éveil et de sommeil, les stades du sommeil et les micro¬éveils selon les critères standards. Les micro-éveils sont définis lors d'un changement abrupt dans la fréquence de l'EEG avec un pattern d'ondes thêta-alpha et/ou une fréquence supérieure à 16 Hz (en l'absence de fuseau) d'une durée d'au minimum trois secondes. Si cette durée excède quinze secondes, l'événement correspond à un réveil.Puis, deux investigateurs ont analysé le signal d'amplitude d'onde de pouls, en masquant les données du tracé EEG qui inclut les micro-éveils. L'amplitude d'onde de pouls est calculée comme la différence de valeur entre le zénith et le nadir de l'onde pour chaque cycle cardiaque. Pour chaque baisse de l'amplitude d'onde de pouls, la plus grande et la plus petite amplitude sont déterminées et le pourcentage de baisse est calculé comme le rapport entre ces deux amplitudes. On retient de manière arbitraire une baisse d'au moins 20% comme étant significative. Cette limite a été choisie pour des raisons pratiques et cliniques, dès lors qu'elle représentait, à notre sens, la baisse minimale identifiable à l'inspection visuelle. Chaque baisse de PWA retenue est divisée en 5 périodes contiguës de cinq secondes chacune. Deux avant, une pendant et deux après la baisse de PWA.Pour chaque période de cinq secondes, on a pratiqué une analyse spectrale du tracé EEG correspondant. Le canal EEG C4-A1 est analysé en utilisant la transformée rapide de Fourier (FFT) pour chaque baisse de PWA et pour chaque période de cinq secondes avec une résolution de 0.2 Hz. La distribution spectrale est catégorisée dans chaque bande de fréquence: delta (0.5 à 4.0 Hz); thêta (4.1 à 8.0Hz); alpha (8.1 à 12.0 Hz); sigma (12.1 à 16 Hz) et beta (16.1 à 30.0 Hz). La densité de puissance (power density, en μΥ2 ) pour chaque bande de fréquence a été calculée et normalisée en tant que pourcentage de la puissance totale. On a déterminé, ensuite, la différence de densité de puissance entre les 5 périodes par ANOVA on the rank. Un test post hoc Tukey est été utilisé pour déterminer si les différences de densité de puissance étaient significatives. Les calculs ont été effectués à l'aide du software Sigmastat version 3.0 (Systat Software San Jose, California, USA).Le principal résultat obtenu dans cette étude est d'avoir montré une augmentation significative de la densité de puissance de l'EEG pour toutes les bandes de fréquence durant la baisse de l'amplitude de l'onde de pouls par rapport à la période avant et après la baisse. Cette augmentation est par ailleurs retrouvée dans la plupart des bande de fréquence en l'absence de micro-réveil visuellement identifié.Ce résultat témoigné donc d'une activation corticale significative associée à la diminution de l'onde de pouls. Ce résulat pourrait permettre d'utiliser les variations de l'onde de pouls dans les tracés de polygraphie comme marqueur d'une activation corticale. Cependant on peut dire que ce marqueur est plus sensible que l'analyse visuelle du tracé EEG par un technicien puisque qu'on notait une augmentation de lactivité corticale y compris en l'absence de micro-réveil visuellement identifié. L'application pratique de ces résultats nécessite donc une étude prospective complémentaire.

Approximation and support theorem for a wave equation in two space dimensions

We prove a characterization of the support of the law of the solution for a stochastic wave equation with two-dimensional space variable, driven by a noise white in time and correlated in space. The result is a consequence of an approximation theorem, in the convergence of probability, for equations obtained by smoothing the random noise. For some particular classes of coefficients, approximation in the Lp-norm for p¿1 is also proved.

Carbohydrate and nitrogen stores in Festuca paniculata under mowing explain dominance in subalpine grasslands

Cessation of traditional management threatens semi-natural grassland diversity through the colonisation or increase of competitive species adapted to nutrient-poor conditions. Regular mowing is one practice that controls their abundance. This study evaluated the ecophysiological mechanisms limiting short- and long-term recovery after mowing for Festuca paniculata, a competitive grass that takes over subalpine grasslands in the Alps following cessation of mowing. We quantified temporal variations in carbon (C) and nitrogen (N) content, starch, fructan and total soluble sugars in leaves, stem bases and roots of F. paniculata during one growth cycle in mown and unmown fields and related them to the dynamics of soil mineral N concentration and soil moisture. Short-term results suggest that the regrowth of F. paniculata following mowing might be N-limited, first because of N dilution by C increments in the plant tissue, and second, due to low soil mineral N and soil moisture at this time of year. However, despite short-term effects of mowing on plant growth, C and N content and concentration at the beginning of the following growing season were not affected. Nevertheless, total biomass accumulation at peak standing biomass was largely reduced compared to unmown fields. Moreover, lower C storage capacity at the end of the growing season impacted C allocation to vegetative reproduction during winter, thereby dramatically limiting the horizontal growth of F. paniculata tussocks in the long term. We conclude that mowing reduces the growth of F. paniculata tussocks through both C and N limitation. Such results will help understanding how plant responses to defoliation regulate competitive interactions within plant communities.