Stochastic time-concentration activity models for cytotoxicity in 3D brain cell cultures.

BACKGROUND: In vitro aggregating brain cell cultures containing all types of brain cells have been shown to be useful for neurotoxicological investigations. The cultures are used for the detection of nervous system-specific effects of compounds by measuring multiple endpoints, including changes in enzyme activities. Concentration-dependent neurotoxicity is determined at several time points. METHODS: A Markov model was set up to describe the dynamics of brain cell populations exposed to potentially neurotoxic compounds. Brain cells were assumed to be either in a healthy or stressed state, with only stressed cells being susceptible to cell death. Cells may have switched between these states or died with concentration-dependent transition rates. Since cell numbers were not directly measurable, intracellular lactate dehydrogenase (LDH) activity was used as a surrogate. Assuming that changes in cell numbers are proportional to changes in intracellular LDH activity, stochastic enzyme activity models were derived. Maximum likelihood and least squares regression techniques were applied for estimation of the transition rates. Likelihood ratio tests were performed to test hypotheses about the transition rates. Simulation studies were used to investigate the performance of the transition rate estimators and to analyze the error rates of the likelihood ratio tests. The stochastic time-concentration activity model was applied to intracellular LDH activity measurements after 7 and 14 days of continuous exposure to propofol. The model describes transitions from healthy to stressed cells and from stressed cells to death. RESULTS: The model predicted that propofol would affect stressed cells more than healthy cells. Increasing propofol concentration from 10 to 100 μM reduced the mean waiting time for transition to the stressed state by 50%, from 14 to 7 days, whereas the mean duration to cellular death reduced more dramatically from 2.7 days to 6.5 hours. CONCLUSION: The proposed stochastic modeling approach can be used to discriminate between different biological hypotheses regarding the effect of a compound on the transition rates. The effects of different compounds on the transition rate estimates can be quantitatively compared. Data can be extrapolated at late measurement time points to investigate whether costs and time-consuming long-term experiments could possibly be eliminated.

Artificial Snow Optimization in Winter Sport Destinations Using a Multi-agent Simulation

This paper presents the Juste-Neige system for predicting the snow height on the ski runs of a resort using a multi-agent simulation software. Its aim is to facilitate snow cover management in order to i) reduce the production cost of artificial snow and to improve the profit margin for the companies managing the ski resorts; and ii) to reduce the water and energy consumption, and thus to reduce the environmental impact, by producing only the snow needed for a good skiing experience. The software provides maps with the predicted snow heights for up to 13 days. On these maps, the areas most exposed to snow erosion are highlighted. The software proceeds in three steps: i) interpolation of snow height measurements with a neural network; ii) local meteorological forecasts for every ski resort; iii) simulation of the impact caused by skiers using a multi-agent system. The software has been evaluated in the Swiss ski resort of Verbier and provides useful predictions.

Modelos de viento aplicados a la mejora en la predicción de incendios forestales

La predicción de incendios forestales es uno de los grandes retos de la comunidad científica debido al impacto medioambiental, humano y económico que tienen en la sociedad. El comportamiento de este fenómeno es difícil de modelar debido a la gran cantidad de variables que intervienen y la dificultad que implica su correcta medición. Los simuladores de fuego son herramientas muy útiles pero, actualmente, los resultados que obtenemos tienen un alto grado de imprecisión. Desde nuestro grupo se ha trabajado en la predicción en dos etapas, donde antes de realizar cualquier predicción, se incorpora una etapa de ajuste de los parámetros de entrada para obtener mejores predicciones. Pese a la mejora que supone este nuevo paradigma de predicción, las simulaciones sobre incendios reales tienen un alto grado de error por el efecto de las condiciones meteorológicas que, usualmente, varían de manera notable durante el transcurso de la simulación. Uno de los factores más determinantes en el comportamiento de un incendio, junto con las características del terreno, es el viento. Los modelos de predicción son extremadamente sensibles al cambio en los componentes de dirección y velocidad del viento por lo que cualquier mejora que podamos introducir para mejorar la calidad de estas componentes influye directamente en la calidad de la predicción. Nuestro sistema de predicción utiliza la dirección y velocidad del viento de forma global en todo el terreno, y lo que proponemos con este trabajo es introducir un modelo de vientos que nos permita generar vientos locales en todas las celdas en las que se divide el terreno. Este viento local dependerá del viento general y de las características del terreno de dichas celdas. Consideramos que la utilización de un viento general no es suficiente para realizar una buena predicción del comportamiento de un incendio y hemos comprobado que la inclusión de un simulador de campo de vientos en nuestro sistema puede llegar a mejorar nuestras predicciones considerablemente. Los resultados obtenidos en los experimentos sintéticos que hemos realizado nos hacen ser optimistas, puesto que consideramos que la inclusión de componentes de viento locales permitirá mejorar nuestras predicciones en incendios reales.

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.

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.

Interaction between the Intermediate Host of Schistosomiasis in Brazil Biomphalaria glabrata (Planorbidae) and a Possible Competitor Melanoides tuberculata (Thiaridae): I. Laboratory Experiments

The biological control of Biomphalaria glabrata, intermediate host of Schistosoma mansoni, is one the accepted options to fight schistosomiasis. One of the most promising candidates to control B. glabrata is the snail Melanoides tuberculata, a potential competitor. However, the mechanisms of interaction between the two species are not clear. Our objective is to determine if M. tuberculata indeed compete with B. glabrata, using two laboratory experiments. In Experiment 1, we tested the effect of the presence of M. tuberculata on the fecundity and mortality rates of B. glabrata. In Experiment 2, we tested if there was a direct or indirect interaction between the two species. In Experiment 1, M. tuberculata was eliminated after the peak in reproductive activity of B. glabrata. In Experiment 2, B. glabrata produced more egg masses when raised with M. tuberculata. The conditions leading to this unexpected positive effect of M. tuberculata on the fecundity of B. glabrata need further clarification, but emphasize that detailed studies of the interaction between these species in the conditions of the local environment should be considered.

Iterative reconstruction methods in two different MDCT scanners: Physical metrics and 4-alternative forced-choice detectability experiments - A phantom approach.

This paper characterizes and evaluates the potential of three commercial CT iterative reconstruction methods (ASIR?, VEO? and iDose(4 ()?())) for dose reduction and image quality improvement. We measured CT number accuracy, standard deviation (SD), noise power spectrum (NPS) and modulation transfer function (MTF) metrics on Catphan phantom images while five human observers performed four-alternative forced-choice (4AFC) experiments to assess the detectability of low- and high-contrast objects embedded in two pediatric phantoms. Results show that 40% and 100% ASIR as well as iDose(4) levels 3 and 6 do not affect CT number and strongly decrease image noise with relative SD constant in a large range of dose. However, while ASIR produces a shift of the NPS curve apex, less change is observed with iDose(4) with respect to FBP methods. With second-generation iterative reconstruction VEO, physical metrics are even further improved: SD decreased to 70.4% at 0.5 mGy and spatial resolution improved to 37% (MTF(50%)). 4AFC experiments show that few improvements in detection task performance are obtained with ASIR and iDose(4), whereas VEO makes excellent detections possible even at an ultra-low-dose (0.3 mGy), leading to a potential dose reduction of a factor 3 to 7 (67%-86%). In spite of its longer reconstruction time and the fact that clinical studies are still required to complete these results, VEO clearly confirms the tremendous potential of iterative reconstructions for dose reduction in CT and appears to be an important tool for patient follow-up, especially for pediatric patients where cumulative lifetime dose still remains high.

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.

Numerical simulation of left ventricular assist device implantations: comparing the ascending and the descending aorta cannulations.

In this work we present numerical simulations of continuous flow left ventricle assist device implantation with the aim of comparing difference in flow rates and pressure patterns depending on the location of the anastomosis and the rotational speed of the device. Despite the fact that the descending aorta anastomosis approach is less invasive, since it does not require a sternotomy and a cardiopulmonary bypass, its benefits are still controversial. Moreover, the device rotational speed should be correctly chosen to avoid anomalous flow rates and pressure distribution in specific location of the cardiovascular tree. With the aim of assessing the differences between these two approaches and device rotational speed in terms of flow rate and pressure waveforms, we set up numerical simulations of network of one-dimensional models where we account for the presence of an outflow cannula anastomosed to different locations of the aorta. Then, we use the resulting network to compare the results of the two different cannulations for several stages of heart failure and different rotational speed of the device. The inflow boundary data for the heart and the cannulas are obtained from a lumped parameters model of the entire circulatory system with an assist device, which is validated with clinical data. The results show that ascending and descending aorta cannulations lead to similar waveforms and mean flow rate in all the considered cases. Moreover, regardless of the anastomosis region, the rotational speed of the device has an important impact on wave profiles; this effect is more pronounced at high RPM.

Role of genetic and social factors in modulating the efficiency of division of labour in social insects

Summary : Division of labour is one of the most fascinating aspects of social insects. The efficient allocation of individuals to a multitude of different tasks requires a dynamic adjustment in response to the demands of a changing environment. A considerable number of theoretical models have focussed on identifying the mechanisms allowing colonies to perform efficient task allocation. The large majority of these models are built on the observation that individuals in a colony vary in their propensity (response threshold) to perform different tasks. Since individuals with a low threshold for a given task stimulus are more likely to perform that task than individuals with a high threshold, infra-colony variation in individual thresholds results in colony division of labour. These theoretical models suggest that variation in individual thresholds is affected by the within-colony genetic diversity. However, the models have not considered the genetic architecture underlying the individual response thresholds. This is important because a better understanding of division of labour requires determining how genotypic variation relates to differences in infra-colony response threshold distributions. In this thesis, we investigated the combined influence on task allocation efficiency of both, the within-colony genetic variability (stemming from variation in the number of matings by queens) and the number of genes underlying the response thresholds. We used an agent-based simulator to model a situation where workers in a colony had to perform either a regulatory task (where the amount of a given food item in the colony had to be maintained within predefined bounds) or a foraging task (where the quantity of a second type of food item collected had to be the highest possible). The performance of colonies was a function of workers being able to perform both tasks efficiently. To study the effect of within-colony genetic diversity, we compared the performance of colonies with queens mated with varying number of males. On the other hand, the influence of genetic architecture was investigated by varying the number of loci underlying the response threshold of the foraging and regulatory tasks. Artificial evolution was used to evolve the allelic values underlying the tasks thresholds. The results revealed that multiple matings always translated into higher colony performance, whatever the number of loci encoding the thresholds of the regulatory and foraging tasks. However, the beneficial effect of additional matings was particularly important when the genetic architecture of queens comprised one or few genes for the foraging task's threshold. By contrast, higher number of genes encoding the foraging task reduced colony performance with the detrimental effect being stronger when queens had mated with several males. Finally, the number of genes determining the threshold for the regulatory task only had a minor but incremental effect on colony performance. Overall, our numerical experiments indicate the importance of considering the effects of queen mating frequency, genetic architecture underlying task thresholds and the type of task performed when investigating the factors regulating the efficiency of division of labour in social insects. In this thesis we also investigate the task allocation efficiency of response threshold models and compare them with neural networks. While response threshold models are widely used amongst theoretical biologists interested in division of labour in social insects, our simulation reveals that they perform poorly compared to a neural network model. A major shortcoming of response thresholds is that they fail at one of the most crucial requirement of division of labour, the ability of individuals in a colony to efficiently switch between tasks under varying environmental conditions. Moreover, the intrinsic properties of the threshold models are that they lead to a large proportion of idle workers. Our results highlight these limitations of the response threshold models and provide an adequate substitute. Altogether, the experiments presented in this thesis provide novel contributions to the understanding of how division of labour in social insects is influenced by queen mating frequency and genetic architecture underlying worker task thresholds. Moreover, the thesis also provides a novel model of the mechanisms underlying worker task allocation that maybe more generally applicable than the widely used response threshold models. Resumé : La répartition du travail est l'un des aspects les plus fascinants des insectes vivant en société. Une allocation efficace de la multitude de différentes tâches entre individus demande un ajustement dynamique afin de répondre aux exigences d'un environnement en constant changement. Un nombre considérable de modèles théoriques se sont attachés à identifier les mécanismes permettant aux colonies d'effectuer une allocation efficace des tâches. La grande majorité des ces modèles sont basés sur le constat que les individus d'une même colonie diffèrent dans leur propension (inclination à répondre) à effectuer différentes tâches. Etant donné que les individus possédant un faible seuil de réponse à un stimulus associé à une tâche donnée sont plus disposés à effectuer cette dernière que les individus possédant un seuil élevé, les différences de seuils parmi les individus vivant au sein d'une même colonie mènent à une certaine répartition du travail. Ces modèles théoriques suggèrent que la variation des seuils des individus est affectée par la diversité génétique propre à la colonie. Cependant, ces modèles ne considèrent pas la structure génétique qui est à la base des seuils de réponse individuels. Ceci est très important car une meilleure compréhension de la répartition du travail requière de déterminer de quelle manière les variations génotypiques sont associées aux différentes distributions de seuils de réponse à l'intérieur d'une même colonie. Dans le cadre de cette thèse, nous étudions l'influence combinée de la variabilité génétique d'une colonie (qui prend son origine dans la variation du nombre d'accouplements des reines) avec le nombre de gènes supportant les seuils de réponse, vis-à-vis de la performance de l'allocation des tâches. Nous avons utilisé un simulateur basé sur des agents pour modéliser une situation où les travailleurs d'une colonie devaient accomplir une tâche de régulation (1a quantité d'une nourriture donnée doit être maintenue à l'intérieur d'un certain intervalle) ou une tâche de recherche de nourriture (la quantité d'une certaine nourriture doit être accumulée autant que possible). Dans ce contexte, 'efficacité des colonies tient en partie des travailleurs qui sont capable d'effectuer les deux tâches de manière efficace. Pour étudier l'effet de la diversité génétique d'une colonie, nous comparons l'efficacité des colonies possédant des reines qui s'accouplent avec un nombre variant de mâles. D'autre part, l'influence de la structure génétique a été étudiée en variant le nombre de loci à la base du seuil de réponse des deux tâches de régulation et de recherche de nourriture. Une évolution artificielle a été réalisée pour évoluer les valeurs alléliques qui sont à l'origine de ces seuils de réponse. Les résultats ont révélé que de nombreux accouplements se traduisaient toujours en une plus grande performance de la colonie, quelque soit le nombre de loci encodant les seuils des tâches de régulation et de recherche de nourriture. Cependant, les effets bénéfiques d'accouplements additionnels ont été particulièrement important lorsque la structure génétique des reines comprenait un ou quelques gènes pour le seuil de réponse pour la tâche de recherche de nourriture. D'autre part, un nombre plus élevé de gènes encodant la tâche de recherche de nourriture a diminué la performance de la colonie avec un effet nuisible d'autant plus fort lorsque les reines s'accouplent avec plusieurs mâles. Finalement, le nombre de gènes déterminant le seuil pour la tâche de régulation eu seulement un effet mineur mais incrémental sur la performance de la colonie. Pour conclure, nos expériences numériques révèlent l'importance de considérer les effets associés à la fréquence d'accouplement des reines, à la structure génétique qui est à l'origine des seuils de réponse pour les tâches ainsi qu'au type de tâche effectué au moment d'étudier les facteurs qui régulent l'efficacité de la répartition du travail chez les insectes vivant en communauté. Dans cette thèse, nous étudions l'efficacité de l'allocation des tâches des modèles prenant en compte des seuils de réponses, et les comparons à des réseaux de neurones. Alors que les modèles basés sur des seuils de réponse sont couramment utilisés parmi les biologistes intéressés par la répartition des tâches chez les insectes vivant en société, notre simulation montre qu'ils se révèlent peu efficace comparé à un modèle faisant usage de réseaux de neurones. Un point faible majeur des seuils de réponse est qu'ils échouent sur un point crucial nécessaire à la répartition des tâches, la capacité des individus d'une colonie à commuter efficacement entre des tâches soumises à des conditions environnementales changeantes. De plus, les propriétés intrinsèques des modèles basés sur l'utilisation de seuils conduisent à de larges populations de travailleurs inactifs. Nos résultats mettent en évidence les limites de ces modèles basés sur l'utilisation de seuils et fournissent un substitut adéquat. Ensemble, les expériences présentées dans cette thèse fournissent de nouvelles contributions pour comprendre comment la répartition du travail chez les insectes vivant en société est influencée par la fréquence d'accouplements des reines ainsi que par la structure génétique qui est à l'origine, pour un travailleur, du seuil de réponse pour une tâche. De plus, cette thèse fournit également un nouveau modèle décrivant les mécanismes qui sont à l'origine de l'allocation des tâches entre travailleurs, mécanismes qui peuvent être appliqué de manière plus générale que ceux couramment utilisés et basés sur des seuils de réponse.

Crossing experiments detect genetic incompatibility among populations of Triatoma brasiliensis Neiva, 1911 (Heteroptera, Reduviidae, Triatominae)

Triatoma brasiliensis is composed of at least four geographic populations (brasiliensis, melanica, macromelasoma, and juazeiro) that have distinct chromatic, morphologic, biologic and ecologic patterns, and genetic composition. Reciprocal crosses between all pairwise combinations were carried out in order to evaluate the genetic and reproductive compatibility of these four populations. The F1 individuals developed normally and the resulting adults were crossed again to test the F2 and F3 viability. Genetic incompatibility was found between melanica and brasiliensis populations.

Detecting the number of clusters of individuals using the software STRUCTURE: a simulation study.

The identification of genetically homogeneous groups of individuals is a long standing issue in population genetics. A recent Bayesian algorithm implemented in the software STRUCTURE allows the identification of such groups. However, the ability of this algorithm to detect the true number of clusters (K) in a sample of individuals when patterns of dispersal among populations are not homogeneous has not been tested. The goal of this study is to carry out such tests, using various dispersal scenarios from data generated with an individual-based model. We found that in most cases the estimated 'log probability of data' does not provide a correct estimation of the number of clusters, K. However, using an ad hoc statistic DeltaK based on the rate of change in the log probability of data between successive K values, we found that STRUCTURE accurately detects the uppermost hierarchical level of structure for the scenarios we tested. As might be expected, the results are sensitive to the type of genetic marker used (AFLP vs. microsatellite), the number of loci scored, the number of populations sampled, and the number of individuals typed in each sample.