THE USE OF SIMULATIONS IN EVOLUTIONARY POPULATION GENETICS: APPLICATIONS ON HUMANS, OWLS AND VIRTUAL ORGANISMS

Summary (in English) Computer simulations provide a practical way to address scientific questions that would be otherwise intractable. In evolutionary biology, and in population genetics in particular, the investigation of evolutionary processes frequently involves the implementation of complex models, making simulations a particularly valuable tool in the area. In this thesis work, I explored three questions involving the geographical range expansion of populations, taking advantage of spatially explicit simulations coupled with approximate Bayesian computation. First, the neutral evolutionary history of the human spread around the world was investigated, leading to a surprisingly simple model: A straightforward diffusion process of migrations from east Africa throughout a world map with homogeneous landmasses replicated to very large extent the complex patterns observed in real human populations, suggesting a more continuous (as opposed to structured) view of the distribution of modern human genetic diversity, which may play a better role as a base model for further studies. Second, the postglacial evolution of the European barn owl, with the formation of a remarkable coat-color cline, was inspected with two rounds of simulations: (i) determine the demographic background history and (ii) test the probability of a phenotypic cline, like the one observed in the natural populations, to appear without natural selection. We verified that the modern barn owl population originated from a single Iberian refugium and that they formed their color cline, not due to neutral evolution, but with the necessary participation of selection. The third and last part of this thesis refers to a simulation-only study inspired by the barn owl case above. In this chapter, we showed that selection is, indeed, effective during range expansions and that it leaves a distinguished signature, which can then be used to detect and measure natural selection in range-expanding populations. Résumé (en français) Les simulations fournissent un moyen pratique pour répondre à des questions scientifiques qui seraient inabordable autrement. En génétique des populations, l'étude des processus évolutifs implique souvent la mise en oeuvre de modèles complexes, et les simulations sont un outil particulièrement précieux dans ce domaine. Dans cette thèse, j'ai exploré trois questions en utilisant des simulations spatialement explicites dans un cadre de calculs Bayésiens approximés (approximate Bayesian computation : ABC). Tout d'abord, l'histoire de la colonisation humaine mondiale et de l'évolution de parties neutres du génome a été étudiée grâce à un modèle étonnement simple. Un processus de diffusion des migrants de l'Afrique orientale à travers un monde avec des masses terrestres homogènes a reproduit, dans une très large mesure, les signatures génétiques complexes observées dans les populations humaines réelles. Un tel modèle continu (opposé à un modèle structuré en populations) pourrait être très utile comme modèle de base dans l'étude de génétique humaine à l'avenir. Deuxièmement, l'évolution postglaciaire d'un gradient de couleur chez l'Effraie des clocher (Tyto alba) Européenne, a été examiné avec deux séries de simulations pour : (i) déterminer l'histoire démographique de base et (ii) tester la probabilité qu'un gradient phénotypique, tel qu'observé dans les populations naturelles puisse apparaître sans sélection naturelle. Nous avons montré que la population actuelle des chouettes est sortie d'un unique refuge ibérique et que le gradient de couleur ne peux pas s'être formé de manière neutre (sans l'action de la sélection naturelle). La troisième partie de cette thèse se réfère à une étude par simulations inspirée par l'étude de l'Effraie. Dans ce dernier chapitre, nous avons montré que la sélection est, en effet, aussi efficace dans les cas d'expansion d'aire de distribution et qu'elle laisse une signature unique, qui peut être utilisée pour la détecter et estimer sa force.

Simulation des caractéristiques ECG du syndrome de Brugada à l'aide d'un programme de modélisation 3D

Introduction : Le syndrome de Brugada, décrit en 1992 par Pedro et Josep Brugada, est un syndrome cardiaque caractérisé par un sus-décalage particulier du segment ST associé à un bloc de branche droit atypique au niveau des dérivations ECG V1 à V3. Les altérations ECG du syndrome de Brugada sont classifiées en 3 types dont seul le type 1 est diagnostique. Les mécanismes physiopathologiques exacts de ce syndrome sont pour le moment encore controversés. Plusieurs hypothèses sont proposées dans la littérature dont deux principales retiennent l'attention : 1) le modèle du trouble de repolarisation stipule des potentiels d'action réduits en durée et en amplitude liés à un changement de répartition de canaux potassiques 2) le modèle du trouble de dépolarisation spécifie un retard de conduction se traduisant par une dépolarisation retardée. Dans le STEMI, un sus-décalage ST ressemblant à celui du syndrome de Brugada est expliqué par deux théories : 1) le courant de lésion diastolique suggère une élévation du potentiel diastolique transformé artificiellement en sus-décalage ST par les filtres utilisés dans tous les appareils ECG.¦Objectif : Recréer les manifestations ECG du syndrome de Brugada en appliquant les modifications du potentiel d'action des cardiomyocytes rapportées dans la littérature.¦Méthode : Pour ce travail, nous avons utilisé "ECGsim", un simulateur informatique réaliste d'ECG disponible gratuitement sur www.ecgsim.org. Ce programme est basé sur une reconstruction de l'ECG de surface à l'aide de 1500 noeuds représentant chacun les potentiels d'action des ventricules droit et gauche, épicardiques et endocardiques. L'ECG simulé peut être donc vu comme l'intégration de l'ensemble de ces potentiels d'action en tenant compte des propriétés de conductivité des tissus s'interposant entre les électrodes de surface et le coeur. Dans ce programme, nous avons définit trois zones, de taille différente, comprenant la chambre de chasse du ventricule droit. Pour chaque zone, nous avons reproduit les modifications des potentiels d'action citées dans les modèles du trouble de repolarisation et de dépolarisation et des théories de courant de lésion systolique et diastolique. Nous avons utilisé, en plus des douze dérivations habituelles, une électrode positionnée en V2IC3 (i.e. 3ème espace intercostal) sur le thorax virtuel du programme ECGsim.¦Résultats : Pour des raisons techniques, le modèle du trouble de repolarisation n'a pas pu être entièrement réalisée dans ce travail. Le modèle du trouble de dépolarisation ne reproduit pas d'altération de type Brugada mais un bloc de branche droit plus ou moins complet. Le courant de lésion diastolique permet d'obtenir un sus-décalage ST en augmentant le potentiel diastolique épicardique des cardiomyocytes de la chambre de chasse du ventricule droit. Une inversion de l'onde T apparaît lorsque la durée du potentiel d'action est prolongée. L'amplitude du sus-décalage ST dépend de la valeur du potentiel diastolique, de la taille de la lésion et de sa localisation épicardique ou transmurale. Le courant de lésion systolique n'entraîne pas de sus-décalage ST mais accentue l'amplitude de l'onde T.¦Discussion et conclusion : Dans ce travail, l'élévation du potentiel diastolique avec un prolongement de la durée du potentiel d'action est la combinaison qui reproduit le mieux les altérations ECG du Brugada. Une persistance de cellules de type nodal au niveau de la chambre de chasse du ventricule droit pourrait être une explication à ces modifications particulières du potentiel d'action. Le risque d'arythmie dans la Brugada pourrait également être expliqué par une automaticité anormale des cellules de type nodal. Ainsi, des altérations des mécanismes cellulaires impliqués dans le maintien du potentiel diastolique pourraient être présentes dans le syndrome de Brugada, ce qui, à notre connaissance, n'a jamais été rapporté dans la littérature.

An introduction to model-independent diffusion magnetic resonance imaging.

ABSTRACT: q-Space-based techniques such as diffusion spectrum imaging, q-ball imaging, and their variations have been used extensively in research for their desired capability to delineate complex neuronal architectures such as multiple fiber crossings in each of the image voxels. The purpose of this article was to provide an introduction to the q-space formalism and the principles of basic q-space techniques together with the discussion on the advantages as well as challenges in translating these techniques into the clinical environment. A review of the currently used q-space-based protocols in clinical research is also provided.

On Lundh's percolation diffusion

A collection of spherical obstacles in the unit ball in Euclidean space is said to be avoidable for Brownian motion if there is a positive probability that Brownian motion diffusing from some point in the ball will avoid all the obstacles and reach the boundary of the ball. The centres of the spherical obstacles are generated according to a Poisson point process while the radius of an obstacle is a deterministic function. If avoidable con gurations are generated with positive probability Lundh calls this percolation di usion. An integral condition for percolation di ffusion is derived in terms of the intensity of the point process and the function that determines the radii of the obstacles.

Dynamic simulation of regulatory networks using SQUAD.

BACKGROUND: The ambition of most molecular biologists is the understanding of the intricate network of molecular interactions that control biological systems. As scientists uncover the components and the connectivity of these networks, it becomes possible to study their dynamical behavior as a whole and discover what is the specific role of each of their components. Since the behavior of a network is by no means intuitive, it becomes necessary to use computational models to understand its behavior and to be able to make predictions about it. Unfortunately, most current computational models describe small networks due to the scarcity of kinetic data available. To overcome this problem, we previously published a methodology to convert a signaling network into a dynamical system, even in the total absence of kinetic information. In this paper we present a software implementation of such methodology. RESULTS: We developed SQUAD, a software for the dynamic simulation of signaling networks using the standardized qualitative dynamical systems approach. SQUAD converts the network into a discrete dynamical system, and it uses a binary decision diagram algorithm to identify all the steady states of the system. Then, the software creates a continuous dynamical system and localizes its steady states which are located near the steady states of the discrete system. The software permits to make simulations on the continuous system, allowing for the modification of several parameters. Importantly, SQUAD includes a framework for perturbing networks in a manner similar to what is performed in experimental laboratory protocols, for example by activating receptors or knocking out molecular components. Using this software we have been able to successfully reproduce the behavior of the regulatory network implicated in T-helper cell differentiation. CONCLUSION: The simulation of regulatory networks aims at predicting the behavior of a whole system when subject to stimuli, such as drugs, or determine the role of specific components within the network. The predictions can then be used to interpret and/or drive laboratory experiments. SQUAD provides a user-friendly graphical interface, accessible to both computational and experimental biologists for the fast qualitative simulation of large regulatory networks for which kinetic data is not necessarily available.

Anti-basal ganglia antibodies and Tourette's syndrome: a voxel-based morphometry and diffusion tensor imaging study in an adult population.

Anti-basal ganglia antibodies (ABGAs) have been suggested to be a hallmark of autoimmunity in Gilles de la Tourette's syndrome (GTS), possibly related to prior exposure to streptococcal infection. In order to detect whether the presence of ABGAs was associated with subtle structural changes in GTS, whole-brain analysis using independent sets of T(1) and diffusion tensor imaging MRI-based methods were performed on 22 adults with GTS with (n = 9) and without (n = 13) detectable ABGAs in the serum. Voxel-based morphometry analysis failed to detect any significant difference in grey matter density between ABGA-positive and ABGA-negative groups in caudate nuclei, putamina, thalami and frontal lobes. These results suggest that ABGA synthesis is not related to structural changes in grey and white matter (detectable with these methods) within frontostriatal circuits.

Microautophagy of the nucleus coincides with a vacuolar diffusion barrier at nuclear-vacuolar junctions.

Nuclei bind yeast vacuoles via nucleus-vacuole (NV) junctions. Under nutrient restriction, NV junctions invaginate and release vesicles filled with nuclear material into vacuoles, resulting in piecemeal microautophagy of the nucleus (PMN). We show that the electrochemical gradient across the vacuolar membrane promotes invagination of NV junctions. Existing invaginations persist independently of the gradient, but final release of PMN vesicles requires again V-ATPase activity. We find that NV junctions form a diffusion barrier on the vacuolar membrane that excludes V-ATPase but is enriched in the VTC complex and accessible to other membrane-integral proteins. V-ATPase exclusion depends on the NV junction proteins Nvj1p,Vac8p, and the electrochemical gradient. It also depends on factors of lipid metabolism, such as the oxysterol binding protein Osh1p and the enoyl-CoA reductase Tsc13p, which are enriched in NV junctions, and on Lag1p and Fen1p. Our observations suggest that NV junctions form in two separable steps: Nvj1p and Vac8p suffice to establish contact between the two membranes. The electrochemical potential and lipid-modifying enzymes are needed to establish the vacuolar diffusion barrier, invaginate NV junctions, and form PMN vesicles.

Confirmation of functional zones within the human subthalamic nucleus: patterns of connectivity and sub-parcellation using diffusion weighted imaging.

The subthalamic nucleus (STN) is a small, glutamatergic nucleus situated in the diencephalon. A critical component of normal motor function, it has become a key target for deep brain stimulation in the treatment of Parkinson's disease. Animal studies have demonstrated the existence of three functional sub-zones but these have never been shown conclusively in humans. In this work, a data driven method with diffusion weighted imaging demonstrated that three distinct clusters exist within the human STN based on brain connectivity profiles. The STN was successfully sub-parcellated into these regions, demonstrating good correspondence with that described in the animal literature. The local connectivity of each sub-region supported the hypothesis of bilateral limbic, associative and motor regions occupying the anterior, mid and posterior portions of the nucleus respectively. This study is the first to achieve in-vivo, non-invasive anatomical parcellation of the human STN into three anatomical zones within normal diagnostic scan times, which has important future implications for deep brain stimulation surgery.

Multiple-scale hydrological and geophysical data integration through non-linear Bayesian sequential simulation

Significant progress has been made with regard to the quantitative integration of geophysical and hydrological data at the local scale. However, extending the corresponding approaches to the scale of a field site represents a major, and as-of-yet largely unresolved, challenge. To address this problem, we have developed downscaling procedure based on a non-linear Bayesian sequential simulation approach. The main objective of this algorithm is to estimate the value of the sparsely sampled hydraulic conductivity at non-sampled locations based on its relation to the electrical conductivity logged at collocated wells and surface resistivity measurements, which are available throughout the studied site. The in situ relationship between the hydraulic and electrical conductivities is described through a non-parametric multivariatekernel density function. Then a stochastic integration of low-resolution, large-scale electrical resistivity tomography (ERT) data in combination with high-resolution, local-scale downhole measurements of the hydraulic and electrical conductivities is applied. The overall viability of this downscaling approach is tested and validated by comparing flow and transport simulation through the original and the upscaled hydraulic conductivity fields. Our results indicate that the proposed procedure allows obtaining remarkably faithful estimates of the regional-scale hydraulic conductivity structure and correspondingly reliable predictions of the transport characteristics over relatively long distances.

Acute Damage to the Posterior Limb of the Internal Capsule on Diffusion Tensor Tractography as an Early Imaging Predictor of Motor Outcome after Stroke

Background and Purpose Early prediction of motor outcome is of interest in stroke management. We aimed to determine whether lesion location at DTT is predictive of motor outcome after acute stroke and whether this information improves the predictive accuracy of the clinical scores. Methods We evaluated 60 consecutive patients within 12 hours of MCA stroke onset. We used DTT to evaluate CST involvement in the MC and PMC, CS, CR, and PLIC and in combinations of these regions at admission, at day 3, and at day 30. Severity of limb weakness was assessed using the m-NIHSS (5a, 5b, 6a, 6b). We calculated volumes of infarct and FA values in the CST of the pons. Results Acute damage to the PLIC was the best predictor associated with poor motor outcome, axonal damage, and clinical severity at admission (P&.001). There was no significant correlation between acute infarct volume and motor outcome at day 90 (P=.176, r=0.485). The sensitivity, specificity, and positive and negative predictive values of acute CST involvement at the level of the PLIC for 4 motor outcome at day 90 were 73.7%, 100%, 100%, and 89.1%, respectively. In the acute stage, DTT predicted motor outcome at day 90 better than the clinical scores (R2=75.50, F=80.09, P&.001). Conclusions In the acute setting, DTT is promising for stroke mapping to predict motor outcome. Acute CST damage at the level of the PLIC is a significant predictor of unfavorable motor outcome.

Physically based walking simulation

Hem realitzat l’estudi de moviments humans i hem buscat la forma de poder crear aquests moviments en temps real sobre entorns digitals de forma que la feina que han de dur a terme els artistes i animadors sigui reduïda. Hem fet un estudi de les diferents tècniques d’animació de personatges que podem trobar actualment en l’industria de l’entreteniment així com les principals línies de recerca, estudiant detingudament la tècnica més utilitzada, la captura de moviments. La captura de moviments permet enregistrar els moviments d’una persona mitjançant sensors òptics, sensors magnètics i vídeo càmeres. Aquesta informació és emmagatzemada en arxius que després podran ser reproduïts per un personatge en temps real en una aplicació digital. Tot moviment enregistrat ha d’estar associat a un personatge, aquest és el procés de rigging, un dels punts que hem treballat ha estat la creació d’un sistema d’associació de l’esquelet amb la malla del personatge de forma semi-automàtica, reduint la feina de l’animador per a realitzar aquest procés. En les aplicacions en temps real com la realitat virtual, cada cop més s’està simulant l’entorn en el que viuen els personatges mitjançant les lleis de Newton, de forma que tot canvi en el moviment d’un cos ve donat per l’aplicació d’una força sobre aquest. La captura de moviments no escala bé amb aquests entorns degut a que no és capaç de crear noves animacions realistes a partir de l’enregistrada que depenguin de l’interacció amb l’entorn. L’objectiu final del nostre treball ha estat realitzar la creació d’animacions a partir de forces tal i com ho fem en la realitat en temps real. Per a això hem introduït un model muscular i un sistema de balanç sobre el personatge de forma que aquest pugui respondre a les interaccions amb l’entorn simulat mitjançant les lleis de Newton de manera realista.