Explorer le cerveau avec l'imagerie du connectome.

Objectifs: comprendre que les connections cérébrales forment un réseau structurel complexe de grande taille, comprendre que l'organisation architecturale de ce réseau définit les propriétés fonctionnelles de ce dernier, comprendre qu'il y a une interdépendance intime entre la structure et la fonction , le métabolisme, comprendre que le réseau change au cours du développement ou lors de lésions ou maladie cérébrale. Messages à retenir: le cerveau est un réseau neuronal complexe qui peut être mesurer avec l'IRM, la connectivité cérébrale est inhomogène, la connectivité structurelle détermine largement la fonction cérébrale, les réseau neuronaux se modifient au cours de la vie et dans certaines maladies cérébrales. Résumé: La "connectomique" est un domaine émergeant et prometteur des neurosciences qui utilise l'IRM de diffusion en combinaison avec des traitements algorithmiques avancés afin de mesurer les trajectoires de faisceaux de fibres et la connectivité cérébrale permettant d'étudier l'organisation de la structure du réseau neuronal cérébral dans son ensemble. Lors de ce cours nous reverrons les méthodes rendant cette cartographie possible et exposerons les techniques d'analyse utilisées pour obtenir de nouvelles informations sur l'architecture cérébrale. Nous reverrons également un certains nombre d'exemple d'applications où la connectomique offre une nouvelle manière d'analyser et de comprendre le fonctionnement du cerveau normal ou malade.

Role of Notch signaling in epidermis and appendages

Résumé Dans la peau, il a été montré que Notch1 induit l'arrêt de la prolifération et la différentiation des keratinocytes. L'inactivation de Notch1 cause une hyperplasie de l'épiderme et la formation de carcinomes basaux cellulaires. Notre groupe a principalement identifié deux voies de signalisations, la voie Shh et la voie Wnt, qui sont dérégulées en conséquence de l'inactivation de Notch1 dans la peau. Nous avons démontré l'habilité de Notch1 à réprimer la voie Wnt induite par ß-catenin dans les keratinocytes primaires ainsi que dans d'autres types de cellules épithéliales humaines. De plus, nous avons pu déterminer que Notch1 régule cette voie, probablement en favorisant la phosphorylation de ß-catenin par le complexe axin/APC/GSK-3ß. La protéine faisant partie de la voie Wnt, ou la protéine affectant la voie Wnt, qui est régulée par Notch1 est sujette à de plus amples investigations. Un autre but de cette étude a été l'identification de potentiels gènes cibles de Notch1 autres que ceux faisant partie des voies de signalisation Shh et Wnt précédemment évoquées. Ce projet fut abordé par l'analyse de puces à ADN (ISREC et Affymetrix) qui ont été utilisées pour des expériences de gain et de perte de fonction de Notch1 dans des keratinocytes prúmaires. En plus de l'hyperplasie épidermale, les souris Notch1 déficiente ont une perte importante de poils. Nous avons montré que Notch1 est nécessaire pour le développement et l'homéostasie des follicules pileux. En effet, l'inactivation du gène Notch1 mediée par l'activation des kératines 5 ou 14 dans l'épiderme, cause des défauts du cycle ainsi que de la structure des poils. De plus, d'autres appendices de la peau, comme les glandes sudoripares et de Meibomius, ont une structure anormale et sont non fonctionnelles dans les souris Notch1 déficiente. Finalement, nous avons observé que la déficience de Notch1 dans l'épithélium cornéen mène à la formation d'une plaque épidermale opaque sur la cornée. Basé sur l'hypothèse que le défaut des glandes de Meibomius des souris Notch1 déficientes cause des lésions de la surface oculaire, nous avons montré que Notch1 est essentiel pour la cicatrisation de la cornée. Lorsque Notch1 est absent, les cellules souches de l'épithélium cornéen ne sont plus capables de se différentier en cellules cornéennes, mais réparent la blessure en se différentiant en épiderme. Ce résultat indique que Notch1 est essentiel pour la différentiation de cellules souches de la cornée qui sont spécifiquement impliquées dans la réparation de la cornée. De plus, nous avons montré que l'expression de CRBP1 dans l'épithélium cornéen est diminuée en l'absence de Notch1, ceci étant possiblement à l'origine de la formation de la plaque épidermale. Abstract: In the skin, Notch1 has been shown to trigger cell growth arrest and differentiation of keratinocytes. Notch1 inactivation results in epidermal hyperplasia and subsequent formation of basal cell carcinoma-like (BCC-like) tumors. So far our group has identified two main pathways, the Shh and the Wnt pathway, that are deregulated as a consequence of Notch1 inactivation in the skin. We showed the ability of Notch1 to represses ß-catenin-mediated Wnt signaling in primary keratinocytes as well as in other types of human epithelial cells. In addition we were able to determine that Notch1 regulates this pathway possibly by enhancing ß-catenin phosphorylation by the axin/APC/GSK-3ß complex. The exact target protein of the Wnt pathway or target protein that affects the Wnt pathway, and that is regulated by Notch1, is subject of current investigation. Another aim of this study was the identification of possible Notch1 target genes in addition to those of the Shh and Wnt signaling pathways. This was addressed by gene chip analysis using ISREC as well as Affymetrix microarrays for gain and loss of function of Notch1 in mouse primary keratinocytes. In addition to epidermal hyperplasia, Notch1 deficient mice show an important hair loss. We showed that Notch1 is required for postnatal development and homeostasis of hair follicles. Indeed, keratin5 or keratinl4-driven Cre recombinase-mediated inactivation of the Notch1 gene in the epidermis causes perturbations of the hair cycle and structural defects of the hair follicle. Moreover, other skin appendages, like the sweat and Meibomian glands show abnormal morphology and are not functional in the Notch 1 deficient mice. Finally, we observed that Notch1 deficiency in the corneal epithelium leads to the formation of an epidermal corneal plaque. Based on the hypothesis that the Meiboinian gland defect in the Notch1 deficient mice results in lesions of the eye surface, we showed that Notch1 is essential for wound-healing of the cornea. In absence of Notch1 the stem cells of the corneal epithelium are no longer able to differentiate in the corneal fate but instead repair the wound by differentiating into skin-like epidermis. This result indicated that Notch1 is essential for the differentiation of corneal stem cells specifically implicated in corneal wound-healing. Moreover, we showed that CRBP1 expression in the corneal epithelium was lost in the absence of Notch1, possibly being at the origin of plaque formation.

Time-lapse and probabilistic inversion strategies for plane-wave electromagnetic data.

L'utilisation efficace des systèmes géothermaux, la séquestration du CO2 pour limiter le changement climatique et la prévention de l'intrusion d'eau salée dans les aquifères costaux ne sont que quelques exemples qui démontrent notre besoin en technologies nouvelles pour suivre l'évolution des processus souterrains à partir de la surface. Un défi majeur est d'assurer la caractérisation et l'optimisation des performances de ces technologies à différentes échelles spatiales et temporelles. Les méthodes électromagnétiques (EM) d'ondes planes sont sensibles à la conductivité électrique du sous-sol et, par conséquent, à la conductivité électrique des fluides saturant la roche, à la présence de fractures connectées, à la température et aux matériaux géologiques. Ces méthodes sont régies par des équations valides sur de larges gammes de fréquences, permettant détudier de manières analogues des processus allant de quelques mètres sous la surface jusqu'à plusieurs kilomètres de profondeur. Néanmoins, ces méthodes sont soumises à une perte de résolution avec la profondeur à cause des propriétés diffusives du champ électromagnétique. Pour cette raison, l'estimation des modèles du sous-sol par ces méthodes doit prendre en compte des informations a priori afin de contraindre les modèles autant que possible et de permettre la quantification des incertitudes de ces modèles de façon appropriée. Dans la présente thèse, je développe des approches permettant la caractérisation statique et dynamique du sous-sol à l'aide d'ondes EM planes. Dans une première partie, je présente une approche déterministe permettant de réaliser des inversions répétées dans le temps (time-lapse) de données d'ondes EM planes en deux dimensions. Cette stratégie est basée sur l'incorporation dans l'algorithme d'informations a priori en fonction des changements du modèle de conductivité électrique attendus. Ceci est réalisé en intégrant une régularisation stochastique et des contraintes flexibles par rapport à la gamme des changements attendus en utilisant les multiplicateurs de Lagrange. J'utilise des normes différentes de la norme l2 pour contraindre la structure du modèle et obtenir des transitions abruptes entre les régions du model qui subissent des changements dans le temps et celles qui n'en subissent pas. Aussi, j'incorpore une stratégie afin d'éliminer les erreurs systématiques de données time-lapse. Ce travail a mis en évidence l'amélioration de la caractérisation des changements temporels par rapport aux approches classiques qui réalisent des inversions indépendantes à chaque pas de temps et comparent les modèles. Dans la seconde partie de cette thèse, j'adopte un formalisme bayésien et je teste la possibilité de quantifier les incertitudes sur les paramètres du modèle dans l'inversion d'ondes EM planes. Pour ce faire, je présente une stratégie d'inversion probabiliste basée sur des pixels à deux dimensions pour des inversions de données d'ondes EM planes et de tomographies de résistivité électrique (ERT) séparées et jointes. Je compare les incertitudes des paramètres du modèle en considérant différents types d'information a priori sur la structure du modèle et différentes fonctions de vraisemblance pour décrire les erreurs sur les données. Les résultats indiquent que la régularisation du modèle est nécessaire lorsqu'on a à faire à un large nombre de paramètres car cela permet d'accélérer la convergence des chaînes et d'obtenir des modèles plus réalistes. Cependent, ces contraintes mènent à des incertitudes d'estimations plus faibles, ce qui implique des distributions a posteriori qui ne contiennent pas le vrai modèledans les régions ou` la méthode présente une sensibilité limitée. Cette situation peut être améliorée en combinant des méthodes d'ondes EM planes avec d'autres méthodes complémentaires telles que l'ERT. De plus, je montre que le poids de régularisation des paramètres et l'écart-type des erreurs sur les données peuvent être retrouvés par une inversion probabiliste. Finalement, j'évalue la possibilité de caractériser une distribution tridimensionnelle d'un panache de traceur salin injecté dans le sous-sol en réalisant une inversion probabiliste time-lapse tridimensionnelle d'ondes EM planes. Etant donné que les inversions probabilistes sont très coûteuses en temps de calcul lorsque l'espace des paramètres présente une grande dimension, je propose une stratégie de réduction du modèle ou` les coefficients de décomposition des moments de Legendre du panache de traceur injecté ainsi que sa position sont estimés. Pour ce faire, un modèle de résistivité de base est nécessaire. Il peut être obtenu avant l'expérience time-lapse. Un test synthétique montre que la méthodologie marche bien quand le modèle de résistivité de base est caractérisé correctement. Cette méthodologie est aussi appliquée à un test de trac¸age par injection d'une solution saline et d'acides réalisé dans un système géothermal en Australie, puis comparée à une inversion time-lapse tridimensionnelle réalisée selon une approche déterministe. L'inversion probabiliste permet de mieux contraindre le panache du traceur salin gr^ace à la grande quantité d'informations a priori incluse dans l'algorithme. Néanmoins, les changements de conductivités nécessaires pour expliquer les changements observés dans les données sont plus grands que ce qu'expliquent notre connaissance actuelle des phénomenès physiques. Ce problème peut être lié à la qualité limitée du modèle de résistivité de base utilisé, indiquant ainsi que des efforts plus grands devront être fournis dans le futur pour obtenir des modèles de base de bonne qualité avant de réaliser des expériences dynamiques. Les études décrites dans cette thèse montrent que les méthodes d'ondes EM planes sont très utiles pour caractériser et suivre les variations temporelles du sous-sol sur de larges échelles. Les présentes approches améliorent l'évaluation des modèles obtenus, autant en termes d'incorporation d'informations a priori, qu'en termes de quantification d'incertitudes a posteriori. De plus, les stratégies développées peuvent être appliquées à d'autres méthodes géophysiques, et offrent une grande flexibilité pour l'incorporation d'informations additionnelles lorsqu'elles sont disponibles. -- The efficient use of geothermal systems, the sequestration of CO2 to mitigate climate change, and the prevention of seawater intrusion in coastal aquifers are only some examples that demonstrate the need for novel technologies to monitor subsurface processes from the surface. A main challenge is to assure optimal performance of such technologies at different temporal and spatial scales. Plane-wave electromagnetic (EM) methods are sensitive to subsurface electrical conductivity and consequently to fluid conductivity, fracture connectivity, temperature, and rock mineralogy. These methods have governing equations that are the same over a large range of frequencies, thus allowing to study in an analogous manner processes on scales ranging from few meters close to the surface down to several hundreds of kilometers depth. Unfortunately, they suffer from a significant resolution loss with depth due to the diffusive nature of the electromagnetic fields. Therefore, estimations of subsurface models that use these methods should incorporate a priori information to better constrain the models, and provide appropriate measures of model uncertainty. During my thesis, I have developed approaches to improve the static and dynamic characterization of the subsurface with plane-wave EM methods. In the first part of this thesis, I present a two-dimensional deterministic approach to perform time-lapse inversion of plane-wave EM data. The strategy is based on the incorporation of prior information into the inversion algorithm regarding the expected temporal changes in electrical conductivity. This is done by incorporating a flexible stochastic regularization and constraints regarding the expected ranges of the changes by using Lagrange multipliers. I use non-l2 norms to penalize the model update in order to obtain sharp transitions between regions that experience temporal changes and regions that do not. I also incorporate a time-lapse differencing strategy to remove systematic errors in the time-lapse inversion. This work presents improvements in the characterization of temporal changes with respect to the classical approach of performing separate inversions and computing differences between the models. In the second part of this thesis, I adopt a Bayesian framework and use Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulations to quantify model parameter uncertainty in plane-wave EM inversion. For this purpose, I present a two-dimensional pixel-based probabilistic inversion strategy for separate and joint inversions of plane-wave EM and electrical resistivity tomography (ERT) data. I compare the uncertainties of the model parameters when considering different types of prior information on the model structure and different likelihood functions to describe the data errors. The results indicate that model regularization is necessary when dealing with a large number of model parameters because it helps to accelerate the convergence of the chains and leads to more realistic models. These constraints also lead to smaller uncertainty estimates, which imply posterior distributions that do not include the true underlying model in regions where the method has limited sensitivity. This situation can be improved by combining planewave EM methods with complimentary geophysical methods such as ERT. In addition, I show that an appropriate regularization weight and the standard deviation of the data errors can be retrieved by the MCMC inversion. Finally, I evaluate the possibility of characterizing the three-dimensional distribution of an injected water plume by performing three-dimensional time-lapse MCMC inversion of planewave EM data. Since MCMC inversion involves a significant computational burden in high parameter dimensions, I propose a model reduction strategy where the coefficients of a Legendre moment decomposition of the injected water plume and its location are estimated. For this purpose, a base resistivity model is needed which is obtained prior to the time-lapse experiment. A synthetic test shows that the methodology works well when the base resistivity model is correctly characterized. The methodology is also applied to an injection experiment performed in a geothermal system in Australia, and compared to a three-dimensional time-lapse inversion performed within a deterministic framework. The MCMC inversion better constrains the water plumes due to the larger amount of prior information that is included in the algorithm. The conductivity changes needed to explain the time-lapse data are much larger than what is physically possible based on present day understandings. This issue may be related to the base resistivity model used, therefore indicating that more efforts should be given to obtain high-quality base models prior to dynamic experiments. The studies described herein give clear evidence that plane-wave EM methods are useful to characterize and monitor the subsurface at a wide range of scales. The presented approaches contribute to an improved appraisal of the obtained models, both in terms of the incorporation of prior information in the algorithms and the posterior uncertainty quantification. In addition, the developed strategies can be applied to other geophysical methods, and offer great flexibility to incorporate additional information when available.

Molecular modeling of peptide-MHC class I complexes : applications to peptide based immunotherapy

Summary The specific CD8+ T cell immune response against tumors relies on the recognition by the T cell receptor (TCR) on cytotoxic T lymphocytes (CTL) of antigenic peptides bound to the class I major histocompatibility complex (MHC) molecule. Such tumor associated antigenic peptides are the focus of tumor immunotherapy with peptide vaccines. The strategy for obtaining an improved immune response often involves the design of modified tumor associated antigenic peptides. Such modifications aim at creating higher affinity and/or degradation resistant peptides and require precise structures of the peptide-MHC class I complex. In addition, the modified peptide must be cross-recognized by CTLs specific for the parental peptide, i.e. preserve the structure of the epitope. Detailed structural information on the modified peptide in complex with MHC is necessary for such predictions. In this thesis, the main focus is the development of theoretical in silico methods for prediction of both structure and cross-reactivity of peptide-MHC class I complexes. Applications of these methods in the context of immunotherapy are also presented. First, a theoretical method for structure prediction of peptide-MHC class I complexes is developed and validated. The approach is based on a molecular dynamics protocol to sample the conformational space of the peptide in its MHC environment. The sampled conformers are evaluated using conformational free energy calculations. The method, which is evaluated for its ability to reproduce 41 X-ray crystallographic structures of different peptide-MHC class I complexes, shows an overall prediction success of 83%. Importantly, in the clinically highly relevant subset of peptide-HLAA*0201 complexes, the prediction success is 100%. Based on these structure predictions, a theoretical approach for prediction of cross-reactivity is developed and validated. This method involves the generation of quantitative structure-activity relationships using three-dimensional molecular descriptors and a genetic neural network. The generated relationships are highly predictive as proved by high cross-validated correlation coefficients (0.78-0.79). Together, the here developed theoretical methods open the door for efficient rational design of improved peptides to be used in immunotherapy. Résumé La réponse immunitaire spécifique contre des tumeurs dépend de la reconnaissance par les récepteurs des cellules T CD8+ de peptides antigéniques présentés par les complexes majeurs d'histocompatibilité (CMH) de classe I. Ces peptides sont utilisés comme cible dans l'immunothérapie par vaccins peptidiques. Afin d'augmenter la réponse immunitaire, les peptides sont modifiés de façon à améliorer l'affinité et/ou la résistance à la dégradation. Ceci nécessite de connaître la structure tridimensionnelle des complexes peptide-CMH. De plus, les peptides modifiés doivent être reconnus par des cellules T spécifiques du peptide natif. La structure de l'épitope doit donc être préservée et des structures détaillées des complexes peptide-CMH sont nécessaires. Dans cette thèse, le thème central est le développement des méthodes computationnelles de prédiction des structures des complexes peptide-CMH classe I et de la reconnaissance croisée. Des applications de ces méthodes de prédiction à l'immunothérapie sont également présentées. Premièrement, une méthode théorique de prédiction des structures des complexes peptide-CMH classe I est développée et validée. Cette méthode est basée sur un échantillonnage de l'espace conformationnel du peptide dans le contexte du récepteur CMH classe I par dynamique moléculaire. Les conformations sont évaluées par leurs énergies libres conformationnelles. La méthode est validée par sa capacité à reproduire 41 structures des complexes peptide-CMH classe I obtenues par cristallographie aux rayons X. Le succès prédictif général est de 83%. Pour le sous-groupe HLA-A*0201 de complexes de grande importance pour l'immunothérapie, ce succès est de 100%. Deuxièmement, à partir de ces structures prédites in silico, une méthode théorique de prédiction de la reconnaissance croisée est développée et validée. Celle-ci consiste à générer des relations structure-activité quantitatives en utilisant des descripteurs moléculaires tridimensionnels et un réseau de neurones couplé à un algorithme génétique. Les relations générées montrent une capacité de prédiction remarquable avec des valeurs de coefficients de corrélation de validation croisée élevées (0.78-0.79). Les méthodes théoriques développées dans le cadre de cette thèse ouvrent la voie du design de vaccins peptidiques améliorés.

Integration of teacher education into the Swiss higher education system

The integration of specific institutions for teacher education into the higher education system represents a milestone in the Swiss educational policy and has broad implications. This thesis explores organizational and institutional change resulting from this policy reform, and attempts to assess structural change in terms of differentiation and convergence within the system of higher education. Key issues that are dealt with are, on the one hand, the adoption of a research function by the newly conceptualized institutions of teacher education, and on the other, the positioning of the new institutions within the higher education system. Drawing on actor-centred approaches to differentiation, this dissertation discusses system-level specificities of tertiarized teacher education and asks how this affects institutional configurations and actor constellations. On the basis of qualitative and quantitative empirical data, a comparative analysis has been carried out including case studies of four universities of teacher education as well as multivariate regression analysis of micro-level data on students' educational choices. The study finds that the process of system integration and adaption to the research function by the various institutions have unfolded differently depending on the institutional setting and the specific actor constellations. The new institutions have clearly made a strong push to position themselves as a new institutional type and to find their identity beyond the traditional binary divide which assigns the universities of teacher education to the college sector. Potential conflicts have been identified in divergent cognitive normative orientations and perceptions of researchers, teacher educators, policy-makers, teachers, and students as to the mission and role of the new type of higher education institution. - L'intégration dans le système d'enseignement supérieur d'institutions qui ont pour tâche spécifique de former des enseignants peut être considérée comme un événement majeur dans la politique éducative suisse, qui se trouve avoir des conséquences importantes à plusieurs niveaux. Cette thèse explore les changements organisationnels et institutionnels résultant de cette réforme politique, et elle se propose d'évaluer en termes de différentiation et de convergence les changements structurels intervenus dans le système d'éducation tertiaire. Les principaux aspects traités sont d'une part la nouvelle mission de recherche attribuée à ces institutions de formation pédagogique, et de l'autre la place par rapport aux autres institutions du système d'éducation tertiaire. Recourant à une approche centrée sur les acteurs pour étudier les processus de différen-tiation, la thèse met en lumière et en discussion les spécificités inhérentes au système tertiaire au sein duquel se joue la formation des enseignants nouvellement conçue et soulève la question des effets de cette nouvelle façon de former les enseignants sur les configurations institutionnelles et les constellations d'acteurs. Une analyse comparative a été réalisée sur la base de données qualitatives et quantitatives issues de quatre études de cas de hautes écoles pédagogiques et d'analyses de régression multiple de données de niveau micro concernant les choix de carrière des étudiants. Les résultats montrent à quel point le processus d'intégration dans le système et la nouvelle mission de recherche peuvent apparaître de manière différente selon le cadre institutionnel d'une école et la constellation spécifique des acteurs influents. A pu clairement être observée une forte aspiration des hautes écoles pédagogiques à se créer une identité au-delà de la structure binaire du système qui assigne la formation des enseignants au secteur des hautes écoles spéciali-sées. Des divergences apparaissent dans les conceptions et perceptions cognitives et normatives des cher-cheurs, formateurs, politiciens, enseignants et étudiants quant à la mission et au rôle de ce nouveau type de haute école. - Die Integration spezieller Institutionen für die Lehrerbildung ins Hochschulsystem stellt einen bedeutsamen Schritt mit weitreichenden Folgen in der Entwicklung des schweizerischen Bildungswesens dar. Diese Dissertation untersucht die mit der Neuerung verbundenen Veränderungen auf organisatorischer und institutioneller Ebene und versucht, die strukturelle Entwicklung unter den Gesichtspunkten von Differenzierung und Konvergenz innerhalb des tertiären Bildungssystems einzuordnen. Zentrale Themen sind dabei zum einen die Einführung von Forschung und Entwicklung als zusätzlichem Leistungsauftrag in der Lehrerbildung und zum andern die Positionierung der pädagogischen Hochschulen innerhalb des Hochschulsystems. Anhand akteurzentrierter Ansätze zur Differenzierung werden die Besonderheiten einer tertiarisierten Lehrerbildung hinsichtlich der Systemebenen diskutiert und Antworten auf die Frage gesucht, wie die Reform die institutionellen Konfigurationen und die Akteurkonstellationen beeinflusst. Auf der Grundlage qualitativer und quantitativer Daten wurde eine vergleichende Analyse durchgeführt, welche Fallstudien zu vier pädagogischen Hochschulen umfasst sowie Regressionsanalysen von Mikrodaten zur Studienwahl von Maturanden. Die Ergebnisse machen deutlich, dass sich der Prozess der Systemintegration und die Einführung von Forschung in die Lehrerbildung in Abhängigkeit von institutionellen Ordnungen und der jeweiligen Akteurkonstellation unterschiedlich gestalten. Es lässt sich bei den neu gegründeten pädagogischen Hochschulen ein starkes Bestreben feststellen, sich als neuen Hochschultypus zu positionieren und sich eine Identität zu schaffen jenseits der herkömmlichen binären Struktur, welche die pädagogischen Hochschulen dem Fachhochschul-Sektor zuordnet. Potentielle Konflikte zeichnen sich ab in den divergierenden kognitiven und normativen Orientierungen und Wahrnehmungen von Forschern, Ausbildern, Bildungspolitikern, Lehrern und Studierenden hinsichtlich des Auftrags und der Rolle dieses neuen Typs Hochschule.

Community Policing in Switzerland's Major Urban Areas: An Observational Study of the Implementation and Impact Using Geospatial Data Mining

La présente étude est à la fois une évaluation du processus de la mise en oeuvre et des impacts de la police de proximité dans les cinq plus grandes zones urbaines de Suisse - Bâle, Berne, Genève, Lausanne et Zurich. La police de proximité (community policing) est à la fois une philosophie et une stratégie organisationnelle qui favorise un partenariat renouvelé entre la police et les communautés locales dans le but de résoudre les problèmes relatifs à la sécurité et à l'ordre public. L'évaluation de processus a analysé des données relatives aux réformes internes de la police qui ont été obtenues par l'intermédiaire d'entretiens semi-structurés avec des administrateurs clés des cinq départements de police, ainsi que dans des documents écrits de la police et d'autres sources publiques. L'évaluation des impacts, quant à elle, s'est basée sur des variables contextuelles telles que des statistiques policières et des données de recensement, ainsi que sur des indicateurs d'impacts construit à partir des données du Swiss Crime Survey (SCS) relatives au sentiment d'insécurité, à la perception du désordre public et à la satisfaction de la population à l'égard de la police. Le SCS est un sondage régulier qui a permis d'interroger des habitants des cinq grandes zones urbaines à plusieurs reprises depuis le milieu des années 1980. L'évaluation de processus a abouti à un « Calendrier des activités » visant à créer des données de panel permettant de mesurer les progrès réalisés dans la mise en oeuvre de la police de proximité à l'aide d'une grille d'évaluation à six dimensions à des intervalles de cinq ans entre 1990 et 2010. L'évaluation des impacts, effectuée ex post facto, a utilisé un concept de recherche non-expérimental (observational design) dans le but d'analyser les impacts de différents modèles de police de proximité dans des zones comparables à travers les cinq villes étudiées. Les quartiers urbains, délimités par zone de code postal, ont ainsi été regroupés par l'intermédiaire d'une typologie réalisée à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique (machine learning). Des algorithmes supervisés et non supervisés ont été utilisés sur les données à haute dimensionnalité relatives à la criminalité, à la structure socio-économique et démographique et au cadre bâti dans le but de regrouper les quartiers urbains les plus similaires dans des clusters. D'abord, les cartes auto-organisatrices (self-organizing maps) ont été utilisées dans le but de réduire la variance intra-cluster des variables contextuelles et de maximiser simultanément la variance inter-cluster des réponses au sondage. Ensuite, l'algorithme des forêts d'arbres décisionnels (random forests) a permis à la fois d'évaluer la pertinence de la typologie de quartier élaborée et de sélectionner les variables contextuelles clés afin de construire un modèle parcimonieux faisant un minimum d'erreurs de classification. Enfin, pour l'analyse des impacts, la méthode des appariements des coefficients de propension (propensity score matching) a été utilisée pour équilibrer les échantillons prétest-posttest en termes d'âge, de sexe et de niveau d'éducation des répondants au sein de chaque type de quartier ainsi identifié dans chacune des villes, avant d'effectuer un test statistique de la différence observée dans les indicateurs d'impacts. De plus, tous les résultats statistiquement significatifs ont été soumis à une analyse de sensibilité (sensitivity analysis) afin d'évaluer leur robustesse face à un biais potentiel dû à des covariables non observées. L'étude relève qu'au cours des quinze dernières années, les cinq services de police ont entamé des réformes majeures de leur organisation ainsi que de leurs stratégies opérationnelles et qu'ils ont noué des partenariats stratégiques afin de mettre en oeuvre la police de proximité. La typologie de quartier développée a abouti à une réduction de la variance intra-cluster des variables contextuelles et permet d'expliquer une partie significative de la variance inter-cluster des indicateurs d'impacts avant la mise en oeuvre du traitement. Ceci semble suggérer que les méthodes de géocomputation aident à équilibrer les covariables observées et donc à réduire les menaces relatives à la validité interne d'un concept de recherche non-expérimental. Enfin, l'analyse des impacts a révélé que le sentiment d'insécurité a diminué de manière significative pendant la période 2000-2005 dans les quartiers se trouvant à l'intérieur et autour des centres-villes de Berne et de Zurich. Ces améliorations sont assez robustes face à des biais dus à des covariables inobservées et covarient dans le temps et l'espace avec la mise en oeuvre de la police de proximité. L'hypothèse alternative envisageant que les diminutions observées dans le sentiment d'insécurité soient, partiellement, un résultat des interventions policières de proximité semble donc être aussi plausible que l'hypothèse nulle considérant l'absence absolue d'effet. Ceci, même si le concept de recherche non-expérimental mis en oeuvre ne peut pas complètement exclure la sélection et la régression à la moyenne comme explications alternatives. The current research project is both a process and impact evaluation of community policing in Switzerland's five major urban areas - Basel, Bern, Geneva, Lausanne, and Zurich. Community policing is both a philosophy and an organizational strategy that promotes a renewed partnership between the police and the community to solve problems of crime and disorder. The process evaluation data on police internal reforms were obtained through semi-structured interviews with key administrators from the five police departments as well as from police internal documents and additional public sources. The impact evaluation uses official crime records and census statistics as contextual variables as well as Swiss Crime Survey (SCS) data on fear of crime, perceptions of disorder, and public attitudes towards the police as outcome measures. The SCS is a standing survey instrument that has polled residents of the five urban areas repeatedly since the mid-1980s. The process evaluation produced a "Calendar of Action" to create panel data to measure community policing implementation progress over six evaluative dimensions in intervals of five years between 1990 and 2010. The impact evaluation, carried out ex post facto, uses an observational design that analyzes the impact of the different community policing models between matched comparison areas across the five cities. Using ZIP code districts as proxies for urban neighborhoods, geospatial data mining algorithms serve to develop a neighborhood typology in order to match the comparison areas. To this end, both unsupervised and supervised algorithms are used to analyze high-dimensional data on crime, the socio-economic and demographic structure, and the built environment in order to classify urban neighborhoods into clusters of similar type. In a first step, self-organizing maps serve as tools to develop a clustering algorithm that reduces the within-cluster variance in the contextual variables and simultaneously maximizes the between-cluster variance in survey responses. The random forests algorithm then serves to assess the appropriateness of the resulting neighborhood typology and to select the key contextual variables in order to build a parsimonious model that makes a minimum of classification errors. Finally, for the impact analysis, propensity score matching methods are used to match the survey respondents of the pretest and posttest samples on age, gender, and their level of education for each neighborhood type identified within each city, before conducting a statistical test of the observed difference in the outcome measures. Moreover, all significant results were subjected to a sensitivity analysis to assess the robustness of these findings in the face of potential bias due to some unobserved covariates. The study finds that over the last fifteen years, all five police departments have undertaken major reforms of their internal organization and operating strategies and forged strategic partnerships in order to implement community policing. The resulting neighborhood typology reduced the within-cluster variance of the contextual variables and accounted for a significant share of the between-cluster variance in the outcome measures prior to treatment, suggesting that geocomputational methods help to balance the observed covariates and hence to reduce threats to the internal validity of an observational design. Finally, the impact analysis revealed that fear of crime dropped significantly over the 2000-2005 period in the neighborhoods in and around the urban centers of Bern and Zurich. These improvements are fairly robust in the face of bias due to some unobserved covariate and covary temporally and spatially with the implementation of community policing. The alternative hypothesis that the observed reductions in fear of crime were at least in part a result of community policing interventions thus appears at least as plausible as the null hypothesis of absolutely no effect, even if the observational design cannot completely rule out selection and regression to the mean as alternative explanations.

Genomic roles of the HCF transcriptional regulator in "Drosophila"

Abstract : Transcriptional regulation is the result of a combination of positive and negative effectors, such as transcription factors, cofactors and chromatin modifiers. During my thesis project I studied chromatin association, and transcriptional and cell cycle regulatory functions of dHCF, the Drosophila homologue of the human protein HCF-1 (host cell factor-1). The human and Drosophila HCF proteins are synthesized as large polypeptides that are cleaved into two subunits (HCFN and HCFC), which remain associated with one another by non covalent interactions. Studies in mammalian cells over the past 20 years have been devoted to understanding the cellular functions of HCF-1 and have revealed that it is a key regulator of transcription and cell cycle regulation. In human cells, HCF-1 interacts with the histone methyltransferase Set1/Ash2 and MLL/Ash2 complexes and the histone deacetylase Sin3 complex, which are involved in transcriptional activation and repression, respectively. HCF-1 is also recruited to promoters to regulate G1 -to-S phase progression during the cell cycle by the activator transcription factors E2F1 and E2F3, and by the repressor transcription factor E2F4. HCF-1 protein structure and these interactions between HCP-1 and E2F transcriptional regulator proteins are also conserved in Drosophila. In this doctoral thesis, I use proliferating Drosophila SL2 cells to study both the genomic-binding sites of dHCF, using a combination of chromatin immunoprecipitation and ultra high throughput sequencing (ChIP-seq) analysis, and dHCF regulated genes, employing RNAi and microarray expression analysis. I show that dHCF is bound to over 7500 chromosomal sites in proliferating SL2 cells, and is located at +-200 bp relative to the transcriptional start sites of about 30% of Drosophila genes. There is also a direct relationship between dHCF promoter association and promoter- associated transcriptional activity. Thus, dHCF binding levels at promoters correlated directly with transcriptional activity. In contrast, expression studies showed that dHCF appears to be involved in both transcriptional activation and repression. Analysis of dHCF-binding sites identified nine dHCF-associated motifs, four of them linked dHCF to (i) two insulator proteins, GAGA and BEAF, (ii) the E-box motif, and (iii) a degenerated TATA-box. The dHCF-associated motifs allowed the organization of the dHCF-bound genes into five biological processes: differentiation, cell cycle and gene expression, regulation of endocytosis, and cellular localization. I further show that different mechanisms regulate dHCF association with chromatin. Despite that after dHCF cleavage the dHCFN and dHCFC subunits remain associated, the two subunits showed different affinities for chromatin and differential binding to a set of tested promoters, suggesting that dHCF could target specific promoters through each of the two subunits. Moreover, in addition to the interaction between dHCF and E2F transcription factors, the dHCF binding pattern is correlated with dE2F2 genomic 4 distribution. I show that dE2F factors are necessary for recruitment of dHCF to the promoter of a set of dHCF regulated genes. Therefore dHCF, as in mammals, is involved in regulation of G1 to S phase progression in collaboration with the dE2Fs transcription factors. In addition, gene expression arrays reveal that dHCF could indirectly regulate cell cycle progression by promoting expression of genes involved in gene expression and protein synthesis, and inhibiting expression of genes involved in cell-cell adhesion. Therefore, dHCF is an evolutionary conserved protein, which binds to many specific sites of the Drosophila genome via interaction with DNA of chromatin-binding proteins to regulate the expression of genes involved in many different cellular functions. Résumé : La regulation de la transcription est le résultat des effets positifs et négatifs des facteurs de transcription, cofacteurs et protéines effectrices qui modifient la chromatine. Pendant mon projet de thèse, j'ai étudié l'association a la chromatine, ainsi que la régulation de la transcription et du cycle cellulaire par dHCF, l'homologue chez la drosophile de la protéine humaine HCF-1 (host cell factor-1). Chez 1'humain et la V drosophile, les deux protéines HCF sont synthétisées sous la forme d'un long polypeptide, qui est ensuite coupé en deux sous-unités au centre de la protéine. Les deux sous-unités restent associées ensemble grâce a des interactions non-covalentes. Des études réalisées pendant les 20 dernières années ont permit d'établir que HCF-l et un facteur clé dans la régulation de la transcription et du cycle cellulaire. Dans les cellules humaines, HCF-1 active et réprime la transcription en interagissant avec des complexes de protéines qui activent la transcription en méthylant les histones (HMT), comme par Set1/Ash2 et MLL/Ash2, et d'autres complexes qui répriment la transcription et sont responsables de la déacétylation des histones (HDAC) comme la protéine Sin3. HCF-l est aussi recruté aux promoteurs par les activateurs de la transcription E2F l et E2F3a, et par le répresseur de la transcription E2F4 pour réguler la transition entre les phases G1 et S du cycle cellulaire. La structure de HCF-1 et les interactions entre HCF-l et les régulateurs de la transcription sont conservées chez la drosophile. Pendant ma these j'ai utilisé les cellules de la drosophile, SL2 en culture, pour étudier les endroits de liaisons de HCF-l à la chromatine, grâce a immunoprecipitation de la chromatine et du séquençage de l'ADN massif ainsi que les gènes régulés par dHCF 3 grâce a la technique de RNAi et des microarrays. Mes résultats on montré que dHCF se lie à environ 7565 endroits, et estimé a 1200 paire de bases autour des sites d'initiation de la transcription de 30% des gènes de la drosophile. J 'ai observe une relation entre dHCF et le niveau de la transcription. En effet, le niveau de liaison dHCF au promoteur corrèle avec l'activité de la transcription. Cependant, mes études d'expression ont montré que dHCF est implique dans le processus d'activation et mais aussi de répression de la transcription. L'analyse des séquences d'ADN liées par dHCF a révèle neuf motifs, quatre de ces motifs ont permis d'associer dl-ICF a deux protéines isolatrices GAGA et BEAF, au motif pour les E-boxes et a une TATA-box dégénérée. Les neuf motifs associes à dHCF ont permis d'associer les gènes lies par dHCF au promoteur a cinq processus biologiques: différentiation, cycle cellulaire, expression de gènes, régulation de l'endocytosis et la localisation cellulaire, J 'ai aussi montré qu'il y a plusieurs mécanismes qui régulent l'association de dHCF a la chromatine, malgré qu'après clivage, les deux sous-unites dHCFN and dHCFC, restent associées, elles montrent différentes affinités pour la chromatine et lient différemment un group de promoteurs, les résultats suggèrent que dHCF peut se lier aux promoteurs en utilisant chacune de ses sous-unitées. En plus de l'association de dHCF avec les facteurs de transcription dE2F s, la distribution de dHCF sur le génome corrèle avec celle du facteur de transcription dE2F2. J'ai aussi montré que les dE2Fs sont nécessaires pour le recrutement de dHCF aux promoteurs d'un sous-groupe de gènes régules par dHCF. Mes résultats ont aussi montré que chez la drosophile comme chez les humains, dl-ICF est implique dans la régulation de la progression de la phase G1 a la phase S du cycle cellulaire en collaboration avec dE2Fs. D'ailleurs, les arrays d'expression ont suggéré que dHCF pourrait réguler le cycle cellulaire de façon indirecte en activant l'expression de gènes impliqués dans l'expression génique et la synthèse de protéines, et en inhibant l'expression de gènes impliqués dans l'adhésion cellulaire. En conclusion, dHCF est une protéine, conservée dans l'évolution, qui se lie spécifiquement a beaucoup d'endroits du génome de Drosophile, grâce à l'interaction avec d'autres protéines, pour réguler l'expression des gènes impliqués dans plusieurs fonctions cellulaires.

CHARACTERIZATION OF NrsZ, A NOVEL SMALL REGULATORY NON-CODING RNA INVOLVED IN THE ADAPTATION OF PSEUDOMONAS AERUGINOSA PAO1

The opportunistic ubiquitous pathogen Pseudomonas aeruginosa strain PAOl is a versatile Gram-negative bacterium that has the extraordinary capacity to colonize a wide diversity of ecological niches and to cause severe and persistent infections in humans. To ensure an optimal coordination of the genes involved in nutrient utilization, this bacterium uses the NtrB/C and/or the CbrA/B two-component systems, to sense nutrients availability and to regulate in consequence the expression of genes involved in their uptake and catabolism. NtrB/C is specialized in nitrogen utilization, while the CbrA/B system is involved in both carbon and nitrogen utilization and both systems activate their target genes expression in concert with the alternative sigma factor RpoN. Moreover, the NtrB/C and CbrA/B two- component systems regulate the secondary metabolism of the bacterium, such as the production of virulence factors. In addition to the fine-tuning transcriptional regulation, P. aeruginosa can rapidly modulate its metabolism using small non-coding regulatory RNAs (sRNAs), which regulate gene expression at the post-transcriptional level by diverse and sophisticated mechanisms and contribute to the fast physiological adaptability of this bacterium. In our search for novel RpoN-dependent sRNAs modulating the nutritional adaptation of P. aeruginosa PAOl, we discovered NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), a novel RpoN-dependent sRNA that is induced under nitrogen starvation by the NtrB/C two-component system. NrsZ has a unique architecture, formed of three similar stem-loop structures (SL I, II and II) separated by variant spacer sequences. Moreover, this sRNA is processed in short individual stem-loop molecules, by internal cleavage involving the endoribonuclease RNAse E. Concerning NrsZ functions in P. aeruginosa PAOl, this sRNA was shown to trigger the swarming motility and the rhamnolipid biosurfactants production. This regulation is due to the NrsZ-mediated activation of rhlA expression, a gene encoding for an enzyme essential for swarming motility and rhamnolipids production. Interestingly, the SL I structure of NrsZ ensures its regulatory function on rhlA expression, suggesting that the similar SLs are the functional units of this modular sRNA. However, the regulatory mechanism of action of NrsZ on rhlA expression activation remains unclear and is currently being investigated. Additionally, the NrsZ regulatory network was investigated by a transcriptome analysis, suggesting that numerous genes involved in both primary and secondary metabolism are regulated by this sRNA. To emphasize the importance of NrsZ, we investigated its conservation in other Pseudomonas species and demonstrated that NrsZ is conserved and expressed under nitrogen limitation in Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48 and Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, strains having different ecological features, suggesting an important role of NrsZ in the adaptation of Pseudomonads to nitrogen starvation. Interestingly the architecture of the different NrsZ homologs is similarly composed by SL structures and variant spacer sequences. However, the number of SL repetitions is not identical, and one to six SLs were predicted on the different NrsZ homologs. Moreover, NrsZ is processed in short molecules in all the strains, similarly to what was previously observed in P. aeruginosa PAOl, and the heterologous expression of the NrsZ homologs restored rhlA expression, swarming motility and rhamnolipids production in the P. aeruginosa NrsZ mutant. In many aspects, NrsZ is an atypical sRNA in the bacterial panorama. To our knowledge, NrsZ is the first described sRNA induced by the NtrB/C. Moreover, its unique modular architecture and its processing in similar short SL molecules suggest that NrsZ belongs to a novel family of bacterial sRNAs. -- L'agent pathogène opportuniste et ubiquitaire Pseudomonas aeruginosa souche PAOl est une bactérie Gram négative versatile ayant l'extraordinaire capacité de coloniser différentes niches écologiques et de causer des infections sévères et persistantes chez l'être humain. Afin d'assurer une coordination optimale des gènes impliqués dans l'utilisation de différents nutriments, cette bactérie se sert de systèmes à deux composants tel que NtrB/C et CbrA/B afin de détecter la disponibilité des ressources nutritives, puis de réguler en conséquence l'expression des gènes impliqués dans leur importation et leur catabolisme. Le système NtrB/C régule l'utilisation des sources d'azote alors que le système CbrA/B est impliqué à la fois dans l'utilisation des sources de carbone et d'azote. Ces deux systèmes activent l'expression de leurs gènes-cibles de concert avec le facteur sigma alternatif RpoN. En outre, NtrB/C et CbrA/B régulent aussi le métabolisme secondaire, contrôlant notamment la production d'importants facteurs de virulence. En plus de toutes ces régulations génétiques fines ayant lieu au niveau transcriptionnel, P. aeruginosa est aussi capable de moduler son métabolisme en se servant de petits ARNs régulateurs non-codants (ARNncs), qui régulent l'expression génétique à un niveau post- transcriptionnel par divers mécanismes sophistiqués et contribuent à rendre particulièrement rapide l'adaptation physiologique de cette bactérie. Au cours de nos recherches sur de nouveaux ARNncs dépendant du facteur sigma RpoN et impliqués dans l'adaptation nutritionnelle de P. aeruginosa PAOl, nous avons découvert NrsZ (Nitrogen regulated sRNA), un ARNnc induit par la cascade NtrB/C-RpoN en condition de carence en azote. NrsZ a une architecture unique, composée de trois structures en tige- boucle (TB I, II et III) hautement similaires et séparées par des « espaceurs » ayant des séquences variables. De plus, cet ARNnc est clivé en petits fragments correspondant au trois molécules en tige-boucle, par un processus de clivage interne impliquant l'endoribonucléase RNase E. Concernant les fonctions de NrsZ chez P. aeruginosa PAOl, cet ARNnc est capable d'induire la motilité de type « swarming » et la production de biosurfactants, nommés rhamnolipides. Cette régulation est due à l'activation par NrsZ de l'expression de rhlA, un gène essentiel pour la motilité de type swarming et pour la production de rhamnolipides. Étonnamment, la structure TB I est capable d'assurer à elle seule la fonction régulatrice de NrsZ sur l'expression de rhlA, suggérant que ces molécules TBs sont les unités fonctionnelles de cet ARNnc modulaire. Cependant, le mécanisme moléculaire par lequel NrsZ active l'expression de rhlA demeure à ce jour incertain et est actuellement à l'étude. En plus, le réseau de régulations médiées par NrsZ a été étudié par une analyse de transcriptome qui a indiqué que de nombreux gènes impliqués dans le métabolisme primaire ou secondaire seraient régulés par NrsZ. Pour accentuer l'importance de NrsZ, nous avons étudié sa conservation dans d'autres espèces de Pseudomonas. Ainsi, nous avons démontré que NrsZ est conservé et exprimé en situation de carence d'azote par les souches Pseudomonas protegens Pf-5, Pseudomonas putida KT2442, Pseudomonas entomophila L48, Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, quatre espèces ayant des caractéristiques écologiques très différentes, suggérant que NrsZ joue un rôle important dans l'adaptation du genre Pseudomonas envers la carence en azote. Chez toutes les souches étudiées, les différents homologues de NrsZ présentent une architecture similaire faite de TBs conservées et d'espaceurs. Cependant, le nombre de TBs n'est pas identique et peut varier de une à six copies selon la souche. Les différentes versions de NrsZ sont clivées en petites molécules dans ces quatre souches, comme il a été observé chez P. aeruginosa PAOl. De plus, l'expression hétérologue des différentes variantes de NrsZ est capable de restaurer l'expression de rhlA, la motilité swarming et la production de rhamnolipides dans une souche de P. aeruginosa dont nrsZ a été inactivé. Par bien des aspects, NrsZ est un ARNnc atypique dans le monde bactérien. À notre connaissance, NrsZ est le premier ARNnc décrit comme étant régulé par le système NtrB/C. De plus, son unique architecture modulaire et son clivage en petites molécules similaires suggèrent que NrsZ appartient à une nouvelle famille d'ARNncs bactériens.

Plumage ornaments, bacterial colonisation and signalling in european starling, "Sturnus vulgaris"

Abstract Animal behaviours or structures are used by senders as signals to try to increase their fitness by altering the behaviour of receivers. A large fraction of studies on sexual selection have focussed on male ornaments and have demonstrated that these ornaments signal the quality of their owner and are used by female for mate choice. Although females can also exhibit conspicuous traits, studies on female ornaments are markedly lacking. In chapter 1, we show that female starlings are showier on chest whiteness than males and that females' whiteness may potentially indicate female condition at the start of breeding and provide fitness advantages to breeding birds. Furthermore we point out that feather density and abrasion are important factors shaping the expression of chest whiteness. This suggests that further understanding of the evolution of chest whiteness in Starlings requires to examine the environmental and physiological factors that shape feather condition. Plumage may suffer from damage through abrasion and bacterial activity. In chapter 2, we focus on factors that influence feather-degrading bacterial communities. Within the hypothesis that parental care can be trade-off against the demands of self-maintenance, we show that a brood size manipulation modifies the structure of feather-degrading bacterial communities and the density of free- living bacteria. Thus we have pointed out a potentially poorly known cost of reproduction. In the same context of a trade-off between reproductive activities and individual self-maintenance, chapter 3 shows that at a proximate level in females but not in males, the individual variation in time and/or energy allocated in reproductive activities is associated with prolactin hormone levels. Our study provides evidence for the existence of a sex related difference in the relationship between brood size and prolactin levels. Birds have evolved sanitation behaviours and preen gland secretions to preserve the condition of their plumage. In chapter 4, we describe a method that allows to measure preen gland in situ. Then we use this method to characterize a number of phenotypic and ecological factors that explain variation in preen gland size in free-living individuals. In parent-offspring interactions, parents use offspring signals to provision their brood. In chapter 5, we demonstrate that nestling flanges and body skin reflect in the ultra-violet (UV) wavelengths ant that parents use this UV reflectance in food allocation decisions. Résumé Certains comportements et structures chez les animaux agissent, pour ceux qui les émettent, comme des signaux permettant d'augmenter leur fitness en altérant les comportements de ceux qui les perçoivent. Une grande partie des études sur la sélection sexuelle s'est focalisée sur les ornements mâles. Ces études ont démontré que ces ornements pouvaient signaler la qualité de celui qui les porte et influencer le choix des femelles. Bien que les femelles puissent aussi présenter des traits voyants, les études sur leurs ornements font défaut. Dans le chapitre 1 de ce travail, nous montrons que les étourneaux femelles sont plus voyantes que les mâles sur la base de la blancheur de la poitrine. De plus la blancheur des femelles peut signaler leur condition au début de la saison de reproduction et ainsi être corrélée avec leur fitness. Nous mettons aussi en évidence que la densité et l'abrasion des plumes sont des facteurs importants, contrôlant l'expression de la blancheur de la poitrine. Ceci suggère que des études futures pourraient examiner le rôle des facteurs environnementaux et physiologiques qui influencent la condition des plumes pour mieux comprendre l'évolution de la blancheur chez les étourneaux. Le plumage subit des dommages à travers l'abrasion et probablement aussi par l'activité de dégradation de bactéries. Dans le chapitre 2 de ce travail, nous nous intéressons aux facteurs qui influencent les communautés de bactéries dégradant les plumes. Nous basant sur l'hypothèse selon laquelle il existe un compromis entre les soins parentaux et la maintenance corporelle, nous montrons qu'une manipulation de la taille de nichée modifie la structure des communautés de bactéries dégradant les plumes ainsi que les densités de bactéries libres présentes sur le plumage. Ainsi nous mettons en évidence un coût encore peu connu des activités de reproduction. Dans le même contexte, nous montrons, dans le chapitre 3, que des variations individuelles dans l'énergie et/ou le temps alloué dans les activités de reproduction sont associés, chez les femelles, à un niveau proximal à l'hormone prolactine. Cette relation n'est pas présente chez les mâles. Cette étude montre que la relation entre la taille de nichée et les niveaux de prolactine diffère avec le sexe des individus. Les oiseaux utilisent des comportements de nettoyage associés aux sécrétions de la glande uropygiale afin de préserver la condition de leurs plumes. Dans le chapitre 4 de ce travail, nous décrivons une méthode qui permet de mesurer la taille de la glande in situ. Puis nous caractérisons certains facteurs écologiques et physiologiques qui expliquent les variations de la taille de la glande chez des individus capturés dans leur environnement. Les parents nourrissent leur progéniture en réponse à des signaux émis par ceux-ci. Dans le chapitre 5 de ce travail, nous démontrons que les commissures et la peau sur le corps des oisillons reflètent la lumière dans l'ultraviolet. Nous montrons que les parents utilisent cette réflexion dans l'ultraviolet lors de l'allocation de nourriture pour leurs jeunes.

Stratigraphie, morphodynamique, paléoenvironnements des terrains sédimentaires meubles à forte déclivité du domaine périglaciaire alpin

Dans le contexte d'un climat de plus en plus chaud, une étude « géosystémique » de la répartition du pergélisol dans l'ensemble d'un versant périglaciaire alpin, de la paroi rocheuse jusqu'au glacier rocheux, s'avère primordiale. S'insérant dans cette problématique, ce travail de thèse vise comme objectif général l'étude des versants d'éboulis situés à l'intérieur de la ceinture du pergélisol discontinu selon deux volets de recherche différents : une étude de la stratigraphie et de la répartition du pergélisol dans les éboulis de haute altitude et des processus qui lui sont associés ; une reconstitution de l'histoire paléoenvironnementale du domaine périglaciaire alpin pendant le Tardiglaciaire et l'Holocène. La stratigraphie et la répartition spatiale du pergélisol a été étudiée dans cinq éboulis des Alpes Valaisannes (Suisse), dont trois ont fait l'objet de forages profonds, grâce à la prospection géophysique de détail effectuée à l'aide de méthodes thermiques, de résistivité, sismiques et nucléaires. Les mesures effectuées ont permis de mettre en évidence que, dans les cinq éboulis étudiés, la répartition du pergélisol est discontinue et aucun des versants n'est intégralement occupé par du pergélisol. En particulier, il a été possible de prouver de manière directe que, dans un éboulis, le pergélisol est présent dans les parties inférieures du versant et absent dans les parties supérieures. Trois facteurs de contrôle principaux de la répartition du pergélisol déterminée au sein des éboulis étudiés ont été individualisés, pouvant agir seuls ou de manière combinée : la ventilation ascendante, l'augmentation de la granulométrie en direction de l'aval et la redistribution de la neige par le vent et les avalanches. Parmi ceux-ci, la relation ventilation - granulométrie semble être le facteur de contrôle principal permettant d'expliquer la présence de pergélisol dans les parties inférieures d'un éboulis et son absence dans les parties supérieures. Enfin, l'analyse de la structure des éboulis périglaciaires de haute altitude a permis de montrer que la stratigraphie du pergélisol peut être un élément important pour l'interprétation de la signification paléoclimatique de ce type de formes. Pour le deuxième volet de la recherche, grâce aux datations relatives effectuées à l'aide de l'utilisation conjointe de la méthode paléogéographique et du marteau de Schmidt, il a été possible de définir la chrono - stratigraphie du retrait glaciaire et du développement des glaciers rocheux et des versants d'éboulis d es quatre régions des Alpes suisses étudiées (régions du Mont Gelé - Mont Fort, des Fontanesses et de Chamosentse , dans les Alpes Valaisannes, et Massif de la Cima di Gana Bianca , dans les Alpes Tessinoises). La compilation de toutes les datations effectuées a permis de montrer que la plupart des glaciers rocheux actifs étudiés se seraient développés soit juste avant et/ou pendant l'Optimum Climatique Holocène de 9.5 - 6.3 ka cal BP, soit au plus tard juste après cet évènement climatique majeur du dernier interglaciaire. Parmi les glaciers rocheux fossiles datés, la plupart aurait commencé à se former dans la deuxième moitié du Tardiglaciaire et se serait inactivé dans la première partie de l'Optimum Climatique Holocène. Pour les éboulis étudiés, les datations effectuées ont permis d'observer que leur surface date de la période entre le Boréal et l'Atlantique récent, indiquant que les taux d'éboulisation après la fin de l'Optimum Climatique Holocène ont dû être faibles, et que l'intervalle entre l'âge maximal et l'âge minimal est dans la plupart des cas relativement court (4 - 6 millénaires), indiquant que les taux d'éboulisation durant la période de formation des éboulis ont dû être importants. Grâce au calcul des taux d'érosion des parois rocheuses sur la base du volume de matériaux rocheux pour quatre des éboulis étudiés, il a été possible mettre en évidence l'existence d'une « éboulisation parapériglaciaire » liée à la dégradation du pergélisol dans les parois rocheuses, fonctionnant principalement durant les périodes de réchauffement climatique rapide comme cela a été le cas au début du Bølling, du Préboréal à la fin de l'Atlantique récent et, peut-être, à partir des années 1980.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Advanced Kernel Methods For Remote Sensing Image Classification

Résumé Suite aux recentes avancées technologiques, les archives d'images digitales ont connu une croissance qualitative et quantitative sans précédent. Malgré les énormes possibilités qu'elles offrent, ces avancées posent de nouvelles questions quant au traitement des masses de données saisies. Cette question est à la base de cette Thèse: les problèmes de traitement d'information digitale à très haute résolution spatiale et/ou spectrale y sont considérés en recourant à des approches d'apprentissage statistique, les méthodes à noyau. Cette Thèse étudie des problèmes de classification d'images, c'est à dire de catégorisation de pixels en un nombre réduit de classes refletant les propriétés spectrales et contextuelles des objets qu'elles représentent. L'accent est mis sur l'efficience des algorithmes, ainsi que sur leur simplicité, de manière à augmenter leur potentiel d'implementation pour les utilisateurs. De plus, le défi de cette Thèse est de rester proche des problèmes concrets des utilisateurs d'images satellite sans pour autant perdre de vue l'intéret des méthodes proposées pour le milieu du machine learning dont elles sont issues. En ce sens, ce travail joue la carte de la transdisciplinarité en maintenant un lien fort entre les deux sciences dans tous les développements proposés. Quatre modèles sont proposés: le premier répond au problème de la haute dimensionalité et de la redondance des données par un modèle optimisant les performances en classification en s'adaptant aux particularités de l'image. Ceci est rendu possible par un système de ranking des variables (les bandes) qui est optimisé en même temps que le modèle de base: ce faisant, seules les variables importantes pour résoudre le problème sont utilisées par le classifieur. Le manque d'information étiquétée et l'incertitude quant à sa pertinence pour le problème sont à la source des deux modèles suivants, basés respectivement sur l'apprentissage actif et les méthodes semi-supervisées: le premier permet d'améliorer la qualité d'un ensemble d'entraînement par interaction directe entre l'utilisateur et la machine, alors que le deuxième utilise les pixels non étiquetés pour améliorer la description des données disponibles et la robustesse du modèle. Enfin, le dernier modèle proposé considère la question plus théorique de la structure entre les outputs: l'intègration de cette source d'information, jusqu'à présent jamais considérée en télédétection, ouvre des nouveaux défis de recherche. Advanced kernel methods for remote sensing image classification Devis Tuia Institut de Géomatique et d'Analyse du Risque September 2009 Abstract The technical developments in recent years have brought the quantity and quality of digital information to an unprecedented level, as enormous archives of satellite images are available to the users. However, even if these advances open more and more possibilities in the use of digital imagery, they also rise several problems of storage and treatment. The latter is considered in this Thesis: the processing of very high spatial and spectral resolution images is treated with approaches based on data-driven algorithms relying on kernel methods. In particular, the problem of image classification, i.e. the categorization of the image's pixels into a reduced number of classes reflecting spectral and contextual properties, is studied through the different models presented. The accent is put on algorithmic efficiency and the simplicity of the approaches proposed, to avoid too complex models that would not be used by users. The major challenge of the Thesis is to remain close to concrete remote sensing problems, without losing the methodological interest from the machine learning viewpoint: in this sense, this work aims at building a bridge between the machine learning and remote sensing communities and all the models proposed have been developed keeping in mind the need for such a synergy. Four models are proposed: first, an adaptive model learning the relevant image features has been proposed to solve the problem of high dimensionality and collinearity of the image features. This model provides automatically an accurate classifier and a ranking of the relevance of the single features. The scarcity and unreliability of labeled. information were the common root of the second and third models proposed: when confronted to such problems, the user can either construct the labeled set iteratively by direct interaction with the machine or use the unlabeled data to increase robustness and quality of the description of data. Both solutions have been explored resulting into two methodological contributions, based respectively on active learning and semisupervised learning. Finally, the more theoretical issue of structured outputs has been considered in the last model, which, by integrating outputs similarity into a model, opens new challenges and opportunities for remote sensing image processing.

Data-driven clustering : new methods and applications

Abstract : This work is concerned with the development and application of novel unsupervised learning methods, having in mind two target applications: the analysis of forensic case data and the classification of remote sensing images. First, a method based on a symbolic optimization of the inter-sample distance measure is proposed to improve the flexibility of spectral clustering algorithms, and applied to the problem of forensic case data. This distance is optimized using a loss function related to the preservation of neighborhood structure between the input space and the space of principal components, and solutions are found using genetic programming. Results are compared to a variety of state-of--the-art clustering algorithms. Subsequently, a new large-scale clustering method based on a joint optimization of feature extraction and classification is proposed and applied to various databases, including two hyperspectral remote sensing images. The algorithm makes uses of a functional model (e.g., a neural network) for clustering which is trained by stochastic gradient descent. Results indicate that such a technique can easily scale to huge databases, can avoid the so-called out-of-sample problem, and can compete with or even outperform existing clustering algorithms on both artificial data and real remote sensing images. This is verified on small databases as well as very large problems. Résumé : Ce travail de recherche porte sur le développement et l'application de méthodes d'apprentissage dites non supervisées. Les applications visées par ces méthodes sont l'analyse de données forensiques et la classification d'images hyperspectrales en télédétection. Dans un premier temps, une méthodologie de classification non supervisée fondée sur l'optimisation symbolique d'une mesure de distance inter-échantillons est proposée. Cette mesure est obtenue en optimisant une fonction de coût reliée à la préservation de la structure de voisinage d'un point entre l'espace des variables initiales et l'espace des composantes principales. Cette méthode est appliquée à l'analyse de données forensiques et comparée à un éventail de méthodes déjà existantes. En second lieu, une méthode fondée sur une optimisation conjointe des tâches de sélection de variables et de classification est implémentée dans un réseau de neurones et appliquée à diverses bases de données, dont deux images hyperspectrales. Le réseau de neurones est entraîné à l'aide d'un algorithme de gradient stochastique, ce qui rend cette technique applicable à des images de très haute résolution. Les résultats de l'application de cette dernière montrent que l'utilisation d'une telle technique permet de classifier de très grandes bases de données sans difficulté et donne des résultats avantageusement comparables aux méthodes existantes.

Evolution clinique et sociale des patients toxicodépendants : quelle chaîne thérapeutique ?

RESUME: Introduction: A Lausanne, les prises en charge en traitement des toxicodépendants sont très majoritairement réalisées par les médecins généralistes en pratique privée. En complémentarité, un centre public universitaire spécialisé a été créé en 1996, le Centre St. Martin (CSM). Les traitements additionnels proposés répondent à une logique de niveaux et séquences de soins. L'orientation des patients sur les structures extérieures en place se réalise dès que possible. Cependant les filières de soins empruntées par ces patients et à fortiori leur évolution suite à leur décharge du CSM restent peu connues. But de la thèse: Le but de cette enquête est de décrire et analyser les filières de soins réalisées par les patients pris en charge au CSM et caractériser les évolutions clinique et sociale qu'ils réalisent depuis leur orientation initiale vers le réseau de soins extérieur. Patients et méthode: Les caractéristiques médico-sociales d'une cohorte de 73 patients reçus consécutivement durant 6 mois (1.7.99 - 31.12.99) avec une demande et une indication de traitement de substitution à la méthadone, ont été établies. L'évolution clinique et l'observance au traitement à 36 ± 3 mois de cette cohorte ont ensuite été mesurées. Résultats: La population de patients pris en charge au CSM présente des caractéristiques médico-psycho¬sociales très précaires avec une polytoxicodépendance par voie intraveineuse pour 56.2 °A des cas. 64.4% sont par ailleurs sans formation, 49.3 % sans logement stable. Une comorbidité psychiatrique est présente dans une large majorité des cas. 62 patients (84.9 %) sur le total étudié de 73 indications consécutives à un traitement de substitution à base de méthadone, ont été retrouvés à 3 ans ± 3 mois de leur début de prise en charge au CSM. Leurs évolutions clinique et psychosociale sont satisfaisantes pour tous les paramètres étudiés et ce, quelle que soit l'option initialement choisie du cadre de soins, en institution publique ou en pratique médicale privée. Ils restent intégrés dans un réseau de soins. Les patients polyconsommateurs par voie intraveineuse d'une combinaison d'héroïne, cocaïne et/ou benzodiazépines (52.5 %), malgré leur faible motivation, parviennent à accéder à un programme structuré : la moitié d'entre eux accepte à un moment donné de leur prise en charge leur admission dans une structure résidentielle. Pour la cohorte étudiée, ces patients représentent 83.3 % des admissions dans ce type de structure. Conclusions: Un programme institutionnel spécialisé, orienté sur la construction d'une complémentarité avec le réseau médico-social en place peut réaliser une rétention et une évolution clinique, en termes de consommations illicites, de psychopathologie et d'intégration sociale, satisfaisantes des patients dans la chaîne thérapeutique. L'orientation dans le réseau médico-social extérieur, chez les médecins praticiens, n'est pas délétère. L'évolution de ces patients diffère peu à 3 ans de celle des patients accueillis et maintenus dans la structure institutionnelle. Les processus de soins sont cependant différents d'un setting à l'autre et les épisodes thérapeutiques nombreux mais peu de patients sont « perdus de vue ». La définition de séquences, modalités et niveaux de soins en fonction des profils présentés par les patients toxicodépendants devrait permettre l'optimisation de la fonctionnalité du réseau médico-social en place.

Temporal and spatial dynamics of benthic invertebrate communities in an alpine glacier-fed alluvial system

Summary The present thesis work focused on the ecology of benthic invertebrates in the proglacial floodplain of the Rhone in the Swiss Alps. The main glacial Rhone River and a smaller glacial tributary, the Mutt River, joined and entered a braiding multi-thread area. A first part concentrated on the disruption of the longitudinal patterns of environmental conditions and benthic invertebrate fauna in the Rhone by its tributary the Mutt. The Mutt had less harsh environmental conditions, higher taxonomic richness and more abundant zoobenthos compared to the Rhone upstream of the confluence. Although the habitat conditions in the main stream were little modified by the tributary, the fauna was richer and more diverse below the confluence. Colonisation from the Mutt induced the occurrence of faunal elements uncommon of glacial streams in the upper Rhone, where water temperature remains below 4°C. Although the glacial Rhone dominated the system with regard to hydrology and certain environmental conditions, the Mutt tributary has to be seen as the faunal driver of the system. The second part of the study concerned the spatio-temporal differentiation of the habitats and the benthic communities along and across the flood plain. No longitudinal differentiation was found. The spatial transversal differentiation of three habitat types with different environmental characteristics was successfully reflected in the spatial variability of benthic assemblages. This typology separated marginal sites of the flood plain, left bank sites under the influence of the Mutt, and the right bank sites under the influence of the Rh6ne. Faunistic spatial differences were emphasized by the quantitative structure of the fauna, richness, abundances and Simpson index of diversity. Seasonal environmental variability was positively related with Simpson index of diversity and the total richness per site. Low flow conditions were the most favourable season for the fauna and November was characterized by low spatial environmental heterogeneity, high spatial heterogeneity of faunal assemblage, maximum taxonomic richness, a particular taxonomic composition, highest abundances, as well as the highest primary food resources. The third part studied the egg development of three species of Ephemeroptera in the laboratory at 1.5 to 7°C and the ecological implications in the field. Species revealed very contrasting development strategies. Baetis alpinus has a synchronous and efficient egg development, which is faster in warmer habitats, enabling it to exploit short periods of favourable conditions in the floodplain. Ecdyonurus picteti has a very long development time slightly decreasing in warmer conditions. The high degree of individual variation suggests a genetic determination of the degree-days demand. Combined with the glacial local conditions, this strategy leads to an extreme delay of hatching and allows it to develop in very unpredictable habitats. Rhithrogena nivata is the second cold adapted species in Ephemeroptera. The incubation duration is long and success largely depends on the timing of hatching and the discharge conditions. This species is able to exploit extremely unstable and cold habitats where other species are limited by low water temperatures. The fourth part dealt with larval development in different habitats of the floodplain. Addition of data on egg development allowed the description of the life histories of the species from oviposition until emergence. Rhithrogena nivata and loyolaea generally have a two-year development, with the first winter passed as eggs and the second one as larvae. Development of Ecdyonurus picteti is difficult to document but appears to be efficient in a harsh and unpredictable environment. Baetis alpinus was studied separately in four habitats of the floodplain system with contrasting thermal regimes. Differences in success and duration of larval development and in growth rates are emphasised. Subvention mechanisms between habitats by migration of young or grown larvae were demonstrated. Development success and persistence of the populations in the system were thus increased. Emergence was synchronised to the detriment of the optimisation of the adult's size and fecundity. These very different development strategies induce a spatial and temporal distribution in the use of food resources and ecological niches. The last part of this work aimed at the synthesis of the characteristics and the ecological features of three distinct compartments of the system that are the upper Rhone, the Mutt and the floodplain. Their particular role as well as their inter-dependence concerning the structure and the dynamics of the benthic communities was emphasised. Résumé Ce travail de thèse est consacré à l'écologie des invertébrés benthiques dans la zone alluviale proglaciaire du Rhône dans les Alpes suisses. Le Rhône, torrent glaciaire principal, reçoit les eaux de la Mutt, affluent glaciaire secondaire, puis pénètre dans une zone de tressage formée de plusieurs bras. La première partie de l'étude se concentre sur la disruption par la Mutt des processus longitudinaux, tant environnementaux que faunistiques, existants dans le Rhône. Les conditions environnementales régnant dans la Mutt sont moins rudes, la richesse taxonomique plus élevée et le zoobenthos plus abondant que dans le Rhône en amont de la confluence. Bien que les conditions environnementales dans le torrent principal soient peu modifiées par l'affluent, la faune s'avère être plus riche et plus diversifiée en aval de la confluence. La colonisation depuis la Mutt permet l'occurrence de taxons inhabituels dans le Rhône en amont de la confluence, où la température de l'eau se maintient en dessous de 4°C. Bien que le Rhône, torrent glaciaire principal, domine le système du point de vu de l'hydrologie et de certains paramètres environnementaux, l'affluent Mutt doit être considéré comme l'élément structurant la faune dans le système. La deuxième partie concerne la différentiation spatiale et temporelle des habitats et des communautés benthiques à travers la plaine alluviale. Aucune différentiation longitudinale n'a été mise en évidence. La différentiation transversale de trois types d'habitats sur la base des caractéristiques environnementales a été confirmée par la variabilité spatiale de la faune. Cette typologie sépare les sites marginaux de la plaine alluviale, ceux sous l'influence de la Mutt (en rive gauche) et ceux sous l'influence du Rhône amont (en rive droite). Les différences spatiales de la faune sont mises en évidence par la structure quantitative de la faune, la richesse, les abondances et l'indice de diversité de Simpson. La variabilité saisonnière du milieu est positivement liée avec l'indice de diversité de Simpson et la richesse totale par site. L'étiage correspond à la période la plus favorable pour la faune et novembre réunit des conditions de faible hétérogénéité spatiale du milieu, de forte hétérogénéité spatiale de la faune, une richesse taxonomique maximale, une composition faunistique particulière, les abondances ainsi que les ressources primaires les plus élevées. La troisième partie est consacrée à l'étude du développement des oeufs de trois espèces d'Ephémères au laboratoire à des températures de 1.5 à 7°C, ainsi qu'aux implications écologiques sur le terrain. Ces espèces présentent des stratégies de développement très contrastées. Baetis alpinus a un développement synchrone et efficace, plus rapide en milieu plus chaud et lui permettant d'exploiter les courtes périodes de conditions favorables. Ecdyonurus picteti présente une durée de développement très longue, diminuant légèrement dans des conditions plus chaudes. L'importante variation interindividuelle suggère un déterminisme génétique de la durée de développement. Cette stratégie, associée aux conditions locales, conduit à un décalage extrême des éclosions et permet à l'espèce de se développer dans des habitats imprévisibles. Rhithrogena nivata est la seconde espèce d'Ephémères présentant une adaptation au froid. L'incubation des oeufs est longue et son succès dépend de la période des éclosions et des conditions hydrologiques. Cette espèce est capable d'exploiter des habitats extrêmement instables et froids, où la température est facteur limitant pour d'autres espèces. La quatrième partie traite du développement larvaire dans différents habitats de la plaine alluviale. Le développement complet est décrit pour les espèces étudiées de la ponte jusqu'à l'émergence. Rhithrogena nivata et loyolaea atteignent généralement le stade adulte en deux ans, le premier hiver étant passé sous forme d'oeuf et le second sous forme de larve. Le développement de Ecdyonurus picteti est difficile à documenter, mais s'avère cependant efficace dans un environnement rude et imprévisible. Baetis alpinus a été étudié séparément dans quatre habitats de la plaine ayant des régimes thermiques contrastés. La réussite et la durée du développement embryonnaire ainsi que les taux de croissance y sont variables. Des mécanismes de subvention entre habitats sont possibles par la migration de larves juvéniles ou plus développées, augmentant ainsi la réussite du développement et le maintien des populations dans le système. L'émergence devient synchrone, au détriment de l'optimisation de la taille et de la fécondité des adultes. Ces stratégies très différentes induisent une distribution spatiale et temporelle dans l'usage des ressources et des niches écologiques. La dernière partie synthétise les caractéristiques écologiques des trois compartiments du système que sont le Rhône amont, la Mutt et la zone alluviale. Leurs rôles particuliers et leurs interdépendances du point de vue de la structure et de la dynamique des communautés benthiques sont mis en avant.