Spatial and temporal aspects of synaptic plasticity

The notion that changes in synaptic efficacy underlie learning and memory processes is now widely accepted even if definitive proof of the synaptic plasticity and memory hypothesis is still lacking. When learning occurs, patterns of neural activity representing the occurrence of events cause changes in the strength of synaptic connections within the brain. Reactivation of these altered connections constitutes the experience of memory for these events and for other events with which they may be associated. These statements summarize a long-standing theory of memory formation that we refer to as the synaptic plasticity and memory hypothesis. Since activity-dependent synaptic plasticity is induced at appropriate synapses during memory formation, and is both necessary and sufficient for the information storage, we can speculate that a methodological study of the synapse will help us understand the mechanism of learning. Random events underlie a wide range of biological processes as diverse as genetic drift and molecular diffusion, regulation of gene expression and neural network function. Additionally spatial variability may be important especially in systems with nonlinear behavior. Since synapse is a complex biological system we expect that stochasticity as well as spatial gradients of different enzymes may be significant for induction of plasticity. ^ In that study we address the question "how important spatial and temporal aspects of synaptic plasticity may be". We developed methods to justify our basic assumptions and examined the main sources of variability of calcium dynamics. Among them, a physiological method to estimate the number of postsynaptic receptors as well as a hybrid algorithm for simulating postsynaptic calcium dynamics. Additionally we studied how synaptic geometry may enhance any possible spatial gradient of calcium dynamics and how that spatial variability affect plasticity curves. Finally, we explored the potential of structural synaptic plasticity to provide a metaplasticity mechanism specific for the synapse. ^

Variación temporal y espacial de parches, corredores y matriz en un humedal ("mallín") del centro-oeste de la provincia de Neuquén

Los procesos naturales, como las actividades humanas, cambian los paisajes. Esta realidad no es ajena a los humedales (mallines) en Patagonia. Los mallines son importantes ecosistemas naturales que sirven como recurso forrajero para la ganadería extensiva. Los mismos representan el 4 de la superficie patagónica. Los períodos húmedos y secos modifican la dinámica hidrológica del mallín. Esto repercute en la evolución de los parches, corredores y matriz, que se agrava con la actividad antrópica. En una secuencia temporal se puede apreciar la fragmentación del hábitat: en la variación y tamaño del número de parches, su forma, conectividad y aislamiento, que entre otros factores inciden sobre numerosos procesos ecológicos. El conocimiento de la dinámica temporal y espacial de los parches, corredores y matriz entre un período húmedo y uno seco en un humedal permite la planificación del uso del recurso vegetación, ya que los patrones espaciales controlan fuertemente sus movimientos, flujos y cambios.

Variación temporal y espacial de parches, corredores y matriz en un humedal ("mallín") del centro-oeste de la provincia de Neuquén

Los procesos naturales, como las actividades humanas, cambian los paisajes. Esta realidad no es ajena a los humedales (mallines) en Patagonia. Los mallines son importantes ecosistemas naturales que sirven como recurso forrajero para la ganadería extensiva. Los mismos representan el 4 de la superficie patagónica. Los períodos húmedos y secos modifican la dinámica hidrológica del mallín. Esto repercute en la evolución de los parches, corredores y matriz, que se agrava con la actividad antrópica. En una secuencia temporal se puede apreciar la fragmentación del hábitat: en la variación y tamaño del número de parches, su forma, conectividad y aislamiento, que entre otros factores inciden sobre numerosos procesos ecológicos. El conocimiento de la dinámica temporal y espacial de los parches, corredores y matriz entre un período húmedo y uno seco en un humedal permite la planificación del uso del recurso vegetación, ya que los patrones espaciales controlan fuertemente sus movimientos, flujos y cambios.

Variación temporal y espacial de parches, corredores y matriz en un humedal ("mallín") del centro-oeste de la provincia de Neuquén

Los procesos naturales, como las actividades humanas, cambian los paisajes. Esta realidad no es ajena a los humedales (mallines) en Patagonia. Los mallines son importantes ecosistemas naturales que sirven como recurso forrajero para la ganadería extensiva. Los mismos representan el 4 de la superficie patagónica. Los períodos húmedos y secos modifican la dinámica hidrológica del mallín. Esto repercute en la evolución de los parches, corredores y matriz, que se agrava con la actividad antrópica. En una secuencia temporal se puede apreciar la fragmentación del hábitat: en la variación y tamaño del número de parches, su forma, conectividad y aislamiento, que entre otros factores inciden sobre numerosos procesos ecológicos. El conocimiento de la dinámica temporal y espacial de los parches, corredores y matriz entre un período húmedo y uno seco en un humedal permite la planificación del uso del recurso vegetación, ya que los patrones espaciales controlan fuertemente sus movimientos, flujos y cambios.

Coastal erosion dynamics and storm characteristics of Bykovsky Peninsula

This study investigates the rate of erosion during the 1951-2006 period on the Bykovsky Peninsula, located north-east of the harbour town of Tiksi, north Siberia. Its coastline, which is characterized by the presence of ice-rich sediment (Ice Complex) and the vicinity of the Lena River Delta, retreated at a mean rate of 0.59 m/yr between 1951 and 2006. Total erosion ranged from 434 m of erosion to 92 m of accretion during these 56 years and exhibited large variability (sigma = 45.4). Ninety-seven percent of the rates observed were less than 2 m/yr and 81.6% were less than 1 m/yr. No significant trend in erosion could be recorded despite the study of five temporal subperiods within 1951-2006. Erosion modes and rates actually appear to be strongly dependant on the nature of the backshore material, erosion being stronger along low-lying coastal stretches affected by past or current thermokarst activity. The juxtaposition of wind records monitored at the town of Tiksi and erosion records yielded no significant relationship despite strong record amplitude for both data sets. We explain this poor relationship by the only rough incorporation of sea-ice cover in our storm extraction algorithm, the use of land-based wind records vs. offshore winds, the proximity of the peninsula to the Lena River Delta freshwater and sediment plume and the local topographical constraints on wave development.

PEECE II mesocosm experiment: Dynamics of extracellular enzyme activities in seawater under changed atmospheric pCO2, 2011

As part of the PeECE II mesocosm project, we investigated the effects of pCO2 levels on the initial step of heterotrophic carbon cycling in the surface ocean. The activities of microbial extracellular enzymes hydrolyzing 4 polysaccharides were measured during the development of a natural phytoplankton bloom under pCO2 conditions representing glacial (190 µatm) and future (750 µatm) atmospheric pCO2. We observed that (1) chondroitin hydrolysis was variable throughout the pre-, early- and late-bloom phases, (2) fucoidanase activity was measurable only in the glacial mesocosm as the bloom developed, (3) laminarinase activity was low and constant, and (4) xylanase activity declined as the bloom progressed. Concurrent measurements of microbial community composition, using denaturing-gradient gel electrophoresis (DGGE), showed that the 2 mesocosms diverged temporally, and from one another, especially in the late-bloom phase. Enzyme activities correlated with bloom phase and pCO2, suggesting functional as well as compositional changes in microbial communities in the different pCO2 environments. These changes, however, may be a response to temporal changes in the development of phytoplankton communities that differed with the pCO2 environment. We hypothesize that the phytoplankton communities produced dissolved organic carbon (DOC) differing in composition, a hypothesis supported by changing amino acid composition of the DOC, and that enzyme activities responded to changes in substrates. Enzyme activities observed under different pCO2 conditions likely reflect both genetic and population-level responses to changes occurring among multiple components of the microbial loop.

Dynamics of brain networks in aesthetic appreciation

Neuroimage experiments have been essential for identifying active brain networks. During cognitive tasks as in, e.g., aesthetic appreciation, such networks include regions that belong to the default mode network (DMN). Theoretically, DMN activity should be interrupted during cognitive tasks demanding attention, as is the case for aesthetic appreciation. Analyzing the functional connectivity dynamics along three temporal windows and two conditions, beautiful and not beautiful stimuli, here we report experimental support for the hypothesis that aesthetic appreciation relies on the activation of two different networks, an initial aesthetic network and a delayed aesthetic network, engaged within distinct time frames. Activation of the DMN might correspond mainly to the delayed aesthetic network. We discuss adaptive and evolutionary explanations for the relationships existing between the DMN and aesthetic networks and offer unique inputs to debates on the mind/brain interaction.

Análisis espacio-temporal del gradiente urbano-rural del sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Caracterización de los procesos y patrones paisajísticos acaecidos en el período 1990-2006

El objetivo de esta tesis es proponer una metodología capaz de cuantificar la dinámica paisajística a lo largo del gradiente urbano – rural perteneciente al sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Esta tesis se estructura en ocho capítulos, planos y anejos. El primero se refiere a los antecedentes tanto conceptuales como metodológicos. Los primeros se centran en los diversos enfoques existentes en relación al estudio de la dinámica paisajística, con el objetivo de encontrar los puntos en común existentes entre el enfoque del metabolismo social, el de la ecología del paisaje y el humanista, para obtener un diagnóstico que permita entender la complejidad de la realidad a la que esta Tesis se enfrenta. Los segundos se centran en los antecedentes de carácter metodológico que también desde diversos enfoques han abordado el análisis de la dinámica paisajística. El segundo capítulo se centra en los objetivos concretos derivados del objetivo general ya expresado, la tesis considera que para comprender y cuantificar la dinámica hay que identificar en primer lugar los procesos de transformación, como manifestación espacial de los factores socioeconómicos y naturales responsables en última instancia de la variación de los patrones paisajísticos existentes. En segundo lugar se identifican los patrones paisajísticos con el objetivo de analizar sus características espaciales y su evolución en el período analizado. Por último se identifican los procesos paisajísticos, es decir qué tipos de variaciones espaciales se producen en los patrones paisajísticos como consecuencia de los procesos de transformación identificados así como su pauta de distribución a lo largo del gradiente urbano ‐ rural. El tercer capítulo se dedica a la caracterización del ámbito de estudio, ésta se extiende al sur del límite del suelo urbano de la capital madrileña en el año 1990, comprende la totalidad de los municipios madrileños que contactan con los municipios castellano – manchegos que se encuentran en el área de influencia de la capital, abarcando el área 9.968 km2. El cuarto capítulo se centra en la metodología. Como material de partida se ha utilizado en la cartografía del Corine Land Cover y como herramienta de análisis se ha utilizado los Sistemas de Información Geográfica. En primer lugar se identifican los procesos de transformación, acaecidos en los períodos 1990 – 2000 y 2000 – 2006, mediante la aplicación de matrices de transición. Se han identificado cuatro tipos de procesos dinámicos: Urbanización, abandono, renaturalización y agrarización. Se ha realizado un análisis de indicadores compuestos lo que ha permitido identificar los tipos de patrones paisajísticos existentes a lo largo del gradiente urbano – rural. Del mismo modo se ha calculado la variación de los indicadores individuales para identificar los procesos paisajísticos mediante el análisis de indicadores compuestos que se produjeron en el período 1990 – 2000 y 2000 – 2006. En el quinto capítulo se aportan los resultados tanto de carácter cuantitativo como gráfico de los tres componentes analizados tanto de forma independiente como integrada. En el sexto capítulo se describen las conclusiones producto de la investigación realizada. En el séptimo capítulo se identifican qué líneas de investigación podrían desarrollarse en el futuro para continuar la línea de investigación iniciada con esta tesis. ABSTRACT The aim of this thesis was to propose a methodology to characterize landscape dynamics along the urban – rural gradient in the south Madrid area. It´s structured in eight chapters, planes and annexes: the first one describes previous research. Firstly to make a diagnosis of the effects of landscape dynamic we have performed an integrated analysis from social metabolism, landscape ecology and the humanistic point of view. Secondly we have focused on previous methodological research mainly developped by landscape ecology. The second chapter focuses on specific objectives derived from the general objective. The thesis considers that to understand and quantify landscape dynamics must first identify the transformation processes: spatial manifestation of natural and socioeconomics factors that induce the change of landscape patterns. Secondly landscape patterns have been identified in order to analyze their spatial characteristics and evolution. Finally the landscape processes have been identified, i.e. what kind of spatial variations cause changes in landscape patterns along urban – rural gradient. The third chapter describes the study area. The study area occupies 9968 km2. It covers the area to the south of Madrid’s 1990 urban land area, and takes in the southeast of the Madrid Autonomous Region plus all the municipal areas of the Castilla–La Mancha Autonomous Region directly influenced by the expansion of Madrid. The fourth chapter contains the methodology. To identify the changes in the landscape of the study area, the land cover data for the area held in the CORINE LandCover Project Database was examined. To characterize the transformations processes in the period 1990 ‐ 2000 and 2000 – 2006, transition matrices were constructed. We have identified four clear changes: Urbanization, renaturalization, abandonment and agrarianization. We have characterized landscape patterns using composite indicators by integrating individual spatial metrics. Similarly we have characterized landscape processes using composite indicators by integrating the variation of individual spatial metrics. Chapter fifth includes the results, both for each component and its final integration. The conclusions of this research have been described in the sixth chapter. The seventh chapter describes what kind of investigations could be done in the future.

Análisis espacio-temporal del gradiente urbano-rural del sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Caracterización de los procesos y patrones paisajísticos acaecidos en el período 1990-2006 (versión revisada y corregida)

El objetivo de esta tesis es proponer una metodología capaz de cuantificar la dinámica paisajística a lo largo del gradiente urbano – rural perteneciente al sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Esta tesis se estructura en ocho capítulos, planos y anejos. El primero se refiere a los antecedentes tanto conceptuales como metodológicos. Los primeros se centran en los diversos enfoques existentes en relación al estudio de la dinámica paisajística, con el objetivo de encontrar los puntos en común existentes entre el enfoque del metabolismo social, el de la ecología del paisaje y el humanista, para obtener un diagnóstico que permita entender la complejidad de la realidad a la que esta Tesis se enfrenta. Los segundos se centran en los antecedentes de carácter metodológico que también desde diversos enfoques han abordado el análisis de la dinámica paisajística. El segundo capítulo se centra en los objetivos concretos derivados del objetivo general ya expresado, la tesis considera que para comprender y cuantificar la dinámica hay que identificar en primer lugar los procesos de transformación, como manifestación espacial de los factores socioeconómicos y naturales responsables en última instancia de la variación de los patrones paisajísticos existentes. En segundo lugar se identifican los patrones paisajísticos con el objetivo de analizar sus características espaciales y su evolución en el período analizado. Por último se identifican los procesos paisajísticos, es decir qué tipos de variaciones espaciales se producen en los patrones paisajísticos como consecuencia de los procesos de transformación identificados así como su pauta de distribución a lo largo del gradiente urbano ‐ rural. El tercer capítulo se dedica a la caracterización del ámbito de estudio, ésta se extiende al sur del límite del suelo urbano de la capital madrileña en el año 1990, comprende la totalidad de los municipios madrileños que contactan con los municipios castellano – manchegos que se encuentran en el área de influencia de la capital, abarcando el área 9.968 km2. El cuarto capítulo se centra en la metodología. Como material de partida se ha utilizado en la cartografía del Corine Land Cover y como herramienta de análisis se ha utilizado los Sistemas de Información Geográfica. En primer lugar se identifican los procesos de transformación, acaecidos en los períodos 1990 – 2000 y 2000 – 2006, mediante la aplicación de matrices de transición. Se han identificado cuatro tipos de procesos dinámicos: Urbanización, abandono, renaturalización y agrarización. Se ha realizado un análisis de indicadores compuestos lo que ha permitido identificar los tipos de patrones paisajísticos existentes a lo largo del gradiente urbano – rural. Del mismo modo se ha calculado la variación de los indicadores individuales para identificar los procesos paisajísticos mediante el análisis de indicadores compuestos que se produjeron en el período 1990 – 2000 y 2000 – 2006. En el quinto capítulo se aportan los resultados tanto de carácter cuantitativo como gráfico de los tres componentes analizados tanto de forma independiente como integrada. En el sexto capítulo se describen las conclusiones producto de la investigación realizada. En el séptimo capítulo se identifican qué líneas de investigación podrían desarrollarse en el futuro para continuar la línea de investigación iniciada con esta tesis. ABSTRACT The aim of this thesis was to propose a methodology to characterize landscape dynamics along the urban – rural gradient in the south Madrid area. It´s structured in eight chapters, planes and annexes: the first one describes previous research. Firstly to make a diagnosis of the effects of landscape dynamic we have performed an integrated analysis from social metabolism, landscape ecology and the humanistic point of view. Secondly we have focused on previous methodological research mainly developped by landscape ecology. The second chapter focuses on specific objectives derived from the general objective. The thesis considers that to understand and quantify landscape dynamics must first identify the transformation processes: spatial manifestation of natural and socioeconomics factors that induce the change of landscape patterns. Secondly landscape patterns have been identified in order to analyze their spatial characteristics and evolution. Finally the landscape processes have been identified, i.e. what kind of spatial variations cause changes in landscape patterns along urban – rural gradient. The third chapter describes the study area. The study area occupies 9968 km2. It covers the area to the south of Madrid’s 1990 urban land area, and takes in the southeast of the Madrid Autonomous Region plus all the municipal areas of the Castilla–La Mancha Autonomous Region directly influenced by the expansion of Madrid. The fourth chapter contains the methodology. To identify the changes in the landscape of the study area, the land cover data for the area held in the CORINE LandCover Project Database was examined. To characterize the transformations processes in the period 1990 ‐ 2000 and 2000 – 2006, transition matrices were constructed. We have identified four clear changes: Urbanization, renaturalization, abandonment and agrarianization. We have characterized landscape patterns using composite indicators by integrating individual spatial metrics. Similarly we have characterized landscape processes using composite indicators by integrating the variation of individual spatial metrics. Chapter fifth includes the results, both for each component and its final integration. The conclusions of this research have been described in the sixth chapter. The seventh chapter describes what kind of investigations could be done in the future.

Mapping Dynamics into Graphs. The Visibility Algorithm

Si no tenemos en cuenta posibles procesos subyacentes con significado físico, químico, económico, etc., podemos considerar una serie temporal como un mero conjunto ordenado de valores y jugar con él algún inocente juego matemático como transformar dicho conjunto en otro objeto con la ayuda de una operación matemática para ver qué sucede: qué propiedades del conjunto original se conservan, cuáles se transforman y cómo, qué podemos decir de alguna de las dos representaciones matemáticas del objeto con sólo atender a la otra... Este ejercicio sería de cierto interés matemático por sí solo. Ocurre, además, que las series temporales son un método universal de extraer información de sistemas dinámicos en cualquier campo de la ciencia. Esto hace ganar un inesperado interés práctico al juego matemático anteriormente descrito, ya que abre la posibilidad de analizar las series temporales (vistas ahora como evolución temporal de procesos dinámicos) desde una nueva perspectiva. Hemos para esto de asumir la hipótesis de que la información codificada en la serie original se conserva de algún modo en la transformación (al menos una parte de ella). El interés resulta completo cuando la nueva representación del objeto pertencece a un campo de la matemáticas relativamente maduro, en el cual la información codificada en dicha representación puede ser descodificada y procesada de manera efectiva. ABSTRACT Disregarding any underlying process (and therefore any physical, chemical, economical or whichever meaning of its mere numeric values), we can consider a time series just as an ordered set of values and play the naive mathematical game of turning this set into a different mathematical object with the aids of an abstract mapping, and see what happens: which properties of the original set are conserved, which are transformed and how, what can we say about one of the mathematical representations just by looking at the other... This exercise is of mathematical interest by itself. In addition, it turns out that time series or signals is a universal method of extracting information from dynamical systems in any field of science. Therefore, the preceding mathematical game gains some unexpected practical interest as it opens the possibility of analyzing a time series (i.e. the outcome of a dynamical process) from an alternative angle. Of course, the information stored in the original time series should be somehow conserved in the mapping. The motivation is completed when the new representation belongs to a relatively mature mathematical field, where information encoded in such a representation can be effectively disentangled and processed. This is, in a nutshell, a first motivation to map time series into networks.

Plasma dynamics studies by mass spectrometry techniques

We present temporal information obtained by mass spectrometry techniques about the evolution of plasmas generated by laser filamentation in air. The experimental setup used in this work allowed us to study not only the dynamics of the filament core but also of the energy reservoir that surrounds it. Furthermore, valuable insights about the chemistry of such systems like the photofragmentation and/or formation of molecules were obtained. The interpretation of the experimental results are supported by PIC simulations.

Methods for the analysis of multi-scale cell dynamics from fluorescence microscopy images

La embriogénesis es el proceso mediante el cual una célula se convierte en un ser un vivo. A lo largo de diferentes etapas de desarrollo, la población de células va proliferando a la vez que el embrión va tomando forma y se configura. Esto es posible gracias a la acción de varios procesos genéticos, bioquímicos y mecánicos que interaccionan y se regulan entre ellos formando un sistema complejo que se organiza a diferentes escalas espaciales y temporales. Este proceso ocurre de manera robusta y reproducible, pero también con cierta variabilidad que permite la diversidad de individuos de una misma especie. La aparición de la microscopía de fluorescencia, posible gracias a proteínas fluorescentes que pueden ser adheridas a las cadenas de expresión de las células, y los avances en la física óptica de los microscopios han permitido observar este proceso de embriogénesis in-vivo y generar secuencias de imágenes tridimensionales de alta resolución espacio-temporal. Estas imágenes permiten el estudio de los procesos de desarrollo embrionario con técnicas de análisis de imagen y de datos, reconstruyendo dichos procesos para crear la representación de un embrión digital. Una de las más actuales problemáticas en este campo es entender los procesos mecánicos, de manera aislada y en interacción con otros factores como la expresión genética, para que el embrión se desarrolle. Debido a la complejidad de estos procesos, estos problemas se afrontan mediante diferentes técnicas y escalas específicas donde, a través de experimentos, pueden hacerse y confrontarse hipótesis, obteniendo conclusiones sobre el funcionamiento de los mecanismos estudiados. Esta tesis doctoral se ha enfocado sobre esta problemática intentando mejorar las metodologías del estado del arte y con un objetivo específico: estudiar patrones de deformación que emergen del movimiento organizado de las células durante diferentes estados del desarrollo del embrión, de manera global o en tejidos concretos. Estudios se han centrado en la mecánica en relación con procesos de señalización o interacciones a nivel celular o de tejido. En este trabajo, se propone un esquema para generalizar el estudio del movimiento y las interacciones mecánicas que se desprenden del mismo a diferentes escalas espaciales y temporales. Esto permitiría no sólo estudios locales, si no estudios sistemáticos de las escalas de interacción mecánica dentro de un embrión. Por tanto, el esquema propuesto obvia las causas de generación de movimiento (fuerzas) y se centra en la cuantificación de la cinemática (deformación y esfuerzos) a partir de imágenes de forma no invasiva. Hoy en día las dificultades experimentales y metodológicas y la complejidad de los sistemas biológicos impiden una descripción mecánica completa de manera sistemática. Sin embargo, patrones de deformación muestran el resultado de diferentes factores mecánicos en interacción con otros elementos dando lugar a una organización mecánica, necesaria para el desarrollo, que puede ser cuantificado a partir de la metodología propuesta en esta tesis. La metodología asume un medio continuo descrito de forma Lagrangiana (en función de las trayectorias de puntos materiales que se mueven en el sistema en lugar de puntos espaciales) de la dinámica del movimiento, estimado a partir de las imágenes mediante métodos de seguimiento de células o de técnicas de registro de imagen. Gracias a este esquema es posible describir la deformación instantánea y acumulada respecto a un estado inicial para cualquier dominio del embrión. La aplicación de esta metodología a imágenes 3D + t del pez zebra sirvió para desvelar estructuras mecánicas que tienden a estabilizarse a lo largo del tiempo en dicho embrión, y que se organizan a una escala semejante al del mapa de diferenciación celular y con indicios de correlación con patrones de expresión genética. También se aplicó la metodología al estudio del tejido amnioserosa de la Drosophila (mosca de la fruta) durante el cierre dorsal, obteniendo indicios de un acoplamiento entre escalas subcelulares, celulares y supracelulares, que genera patrones complejos en respuesta a la fuerza generada por los esqueletos de acto-myosina. En definitiva, esta tesis doctoral propone una estrategia novedosa de análisis de la dinámica celular multi-escala que permite cuantificar patrones de manera inmediata y que además ofrece una representación que reconstruye la evolución de los procesos como los ven las células, en lugar de como son observados desde el microscopio. Esta metodología por tanto permite nuevas formas de análisis y comparación de embriones y tejidos durante la embriogénesis a partir de imágenes in-vivo. ABSTRACT The embryogenesis is the process from which a single cell turns into a living organism. Through several stages of development, the cell population proliferates at the same time the embryo shapes and the organs develop gaining their functionality. This is possible through genetic, biochemical and mechanical factors that are involved in a complex interaction of processes organized in different levels and in different spatio-temporal scales. The embryogenesis, through this complexity, develops in a robust and reproducible way, but allowing variability that makes possible the diversity of living specimens. The advances in physics of microscopes and the appearance of fluorescent proteins that can be attached to expression chains, reporting about structural and functional elements of the cell, have enabled for the in-vivo observation of embryogenesis. The imaging process results in sequences of high spatio-temporal resolution 3D+time data of the embryogenesis as a digital representation of the embryos that can be further analyzed, provided new image processing and data analysis techniques are developed. One of the most relevant and challenging lines of research in the field is the quantification of the mechanical factors and processes involved in the shaping process of the embryo and their interactions with other embryogenesis factors such as genetics. Due to the complexity of the processes, studies have focused on specific problems and scales controlled in the experiments, posing and testing hypothesis to gain new biological insight. However, methodologies are often difficult to be exported to study other biological phenomena or specimens. This PhD Thesis is framed within this paradigm of research and tries to propose a systematic methodology to quantify the emergent deformation patterns from the motion estimated in in-vivo images of embryogenesis. Thanks to this strategy it would be possible to quantify not only local mechanisms, but to discover and characterize the scales of mechanical organization within the embryo. The framework focuses on the quantification of the motion kinematics (deformation and strains), neglecting the causes of the motion (forces), from images in a non-invasive way. Experimental and methodological challenges hamper the quantification of exerted forces and the mechanical properties of tissues. However, a descriptive framework of deformation patterns provides valuable insight about the organization and scales of the mechanical interactions, along the embryo development. Such a characterization would help to improve mechanical models and progressively understand the complexity of embryogenesis. This framework relies on a Lagrangian representation of the cell dynamics system based on the trajectories of points moving along the deformation. This approach of analysis enables the reconstruction of the mechanical patterning as experienced by the cells and tissues. Thus, we can build temporal profiles of deformation along stages of development, comprising both the instantaneous events and the cumulative deformation history. The application of this framework to 3D + time data of zebrafish embryogenesis allowed us to discover mechanical profiles that stabilized through time forming structures that organize in a scale comparable to the map of cell differentiation (fate map), and also suggesting correlation with genetic patterns. The framework was also applied to the analysis of the amnioserosa tissue in the drosophila’s dorsal closure, revealing that the oscillatory contraction triggered by the acto-myosin network organized complexly coupling different scales: local force generation foci, cellular morphology control mechanisms and tissue geometrical constraints. In summary, this PhD Thesis proposes a theoretical framework for the analysis of multi-scale cell dynamics that enables to quantify automatically mechanical patterns and also offers a new representation of the embryo dynamics as experienced by cells instead of how the microscope captures instantaneously the processes. Therefore, this framework enables for new strategies of quantitative analysis and comparison between embryos and tissues during embryogenesis from in-vivo images.

Higher temporal variability of forest breeding bird communities in fragmented landscapes

Understanding the relationship between animal community dynamics and landscape structure has become a priority for biodiversity conservation. In particular, predicting the effects of habitat destruction that confine species to networks of small patches is an important prerequisite to conservation plan development. Theoretical models that predict the occurrence of species in fragmented landscapes, and relationships between stability and diversity do exist. However, reliable empirical investigations of the dynamics of biodiversity have been prevented by differences in species detection probabilities among landscapes. Using long-term data sampled at a large spatial scale in conjunction with a capture-recapture approach, we developed estimates of parameters of community changes over a 22-year period for forest breeding birds in selected areas of the eastern United States. We show that forest fragmentation was associated not only with a reduced number of forest bird species, but also with increased temporal variability in the number of species. This higher temporal variability was associated with higher local extinction and turnover rates. These results have major conservation implications. Moreover, the approach used provides a practical tool for the study of the dynamics of biodiversity.

Temporal variation, dormancy, and coexistence: A field test of the storage effect

Theoretical models suggest that overlapping generations, in combination with a temporally fluctuating environment, may allow the persistence of competitors that otherwise would not coexist. Despite extensive theoretical development, this “storage effect” hypothesis has received little empirical attention. Herein I present the first explicit mathematical analysis of the contribution of the storage effect to the dynamics of competing natural populations. In Oneida Lake, NY, data collected over the past 30 years show a striking negative correlation between the water-column densities of two species of suspension-feeding zooplankton, Daphnia galeata mendotae and Daphnia pulicaria. I have demonstrated competition between these two species and have shown that both possess long-lived eggs that establish overlapping generations. Moreover, recruitment to this long-lived stage varies annually, so that both daphnids have years in which they are favored (for recruitment) relative to their competitor. When the long-term population growth rates are calculated both with and without the effects of a variable environment, I show that D. galeata mendotae clearly cannot persist without the environmental variation and prolonged dormancy (i.e., storage effect) whereas D. pulicaria persists through consistently high per capita recruitment to the long-lived stage.

Temporal mapping of gene expression levels during the differentiation of individual primary hematopoietic cells

A hierarchical order of gene expression has been proposed to control developmental events in hematopoiesis, but direct demonstration of the temporal relationships between regulatory gene expression and differentiation has been difficult to achieve. We modified a single-cell PCR method to detect 2-fold changes in mRNA copies per cell (dynamic range, 250–250,000 copies/cell) and used it to sequentially quantitate gene expression levels as single primitive (CD34+,CD38−) progenitor cells underwent differentiation to become erythrocytes, granulocytes, or monocyte/macrophages. Markers of differentiation such as CD34 or cytokine receptor mRNAs and transcription factors associated with their regulation were assessed. All transcription factors tested were expressed in multipotent progenitors. During lineage-specific differentiation, however, distinct patterns of expression emerged. SCL, GATA-2, and GATA-1 expression sequentially extinguished during erythroid differentiation. PU.1, AML1B, and C/EBPα expression profiles and their relationship to cytokine receptor expression in maturing granulocytes could be distinguished from similar profiles in monocytic cells. These data characterize the dynamics of gene expression accompanying blood cell development and define a signature gene expression pattern for specific stages of hematopoietic differentiation.