Plant-Herbivore Interaction in a Fragmented Landscape: Local Adaptation and Inbreeding

Reciprocal selection between interacting species is a major driver of biodiversity at both the genetic and the species level. This reciprocal selection, or coevolution, has led to the diversification of two highly diverse and abundant groups of organisms, flowering plants and their insect herbivores. In heterogeneous environments, the outcome of coevolved species interactions is influenced by the surrounding community and/or the abiotic environment. The process of adaptation allows species to adapt to their local conditions and to local populations of interacting species. However, adaptation can be disrupted or slowed down by an absence of genetic variation or by increased inbreeding, together with the following inbreeding depression, both of which are common in small and isolated populations that occur in fragmented environments. I studied the interaction between a long-lived plant Vincetoxicum hirundinaria and its specialist herbivore Abrostola asclepiadis in the southwestern archipelago of Finland. I focused on mutual local adaptation of plants and herbivores, which is a demonstration of reciprocal selection between species, a prerequisite for coevolution. I then proceeded to investigate the processes that could potentially hamper local adaptation, or species interaction in general, when the population size is small. I did this by examining how inbreeding of both plants and herbivores affects traits that are important for interaction, as well as among-population variation in the effects of inbreeding. In addition to bi-parental inbreeding, in plants inbreeding can arise from self-fertilization which has important implications for mating system evolution. I found that local adaptation of the plant to its herbivores varied among populations. Local adaptation of the herbivore varied among populations and years, being weaker in populations that were most connected. Inbreeding caused inbreeding depression in both plants and herbivores. In some populations inbreeding depression in herbivore biomass was stronger in herbivores feeding on inbred plants than in those feeding on outbred ones. For plants it was the other way around: inbreeding depression in anti-herbivore resistance decreased when the herbivores were inbred. Underlying some of the among-population variation in the effects of inbreeding is variation in plant phenolic compounds. However, variation in the modification of phenolic compounds in the digestive tract of the herbivore did not explain the inbreeding depression in herbivore biomass. Finally, adult herbivores had a preference for outbred host plants for egg deposition, and herbivore inbreeding had a positive effect on egg survival when the eggs were exposed to predators and parasitoids. These results suggest that plants and herbivores indeed exert reciprocal selection, as demonstrated by the significant local adaptation of V. hirundinaria and A. asclepiadis to one another. The most significant cause of disruption of the local adaptation of herbivore populations was population connectivity, and thus probably gene flow. In plants local adaptation tended to increase with increasing genetic variation. Whether or not inbreeding depression occurred varied according to the life-history stage of the herbivore and/or the plant trait in question. In addition, the effects of inbreeding strongly depended on the population. Taken together, inbreeding modified plant-herbivore interactions at several different levels, and can thus affect the strength of reciprocal selection between species. Thus inbreeding has the potential to affect the outcome of coevolution.

Increased coherence among striatal regions in the theta range during attentive wakefulness

The striatum, the largest component of the basal ganglia, is usually subdivided into associative, motor and limbic components. However, the electrophysiological interactions between these three subsystems during behavior remain largely unknown. We hypothesized that the striatum might be particularly active during exploratory behavior, which is presumably associated with increased attention. We investigated the modulation of local field potentials (LFPs) in the striatum during attentive wakefulness in freely moving rats. To this end, we implanted microelectrodes into different parts of the striatum of Wistar rats, as well as into the motor, associative and limbic cortices. We then used electromyograms to identify motor activity and analyzed the instantaneous frequency, power spectra and partial directed coherence during exploratory behavior. We observed fine modulation in the theta frequency range of striatal LFPs in 92.5 ± 2.5% of all epochs of exploratory behavior. Concomitantly, the theta power spectrum increased in all striatal channels (P < 0.001), and coherence analysis revealed strong connectivity (coefficients >0.7) between the primary motor cortex and the rostral part of the caudatoputamen nucleus, as well as among all striatal channels (P < 0.001). Conclusively, we observed a pattern of strong theta band activation in the entire striatum during attentive wakefulness, as well as a strong coherence between the motor cortex and the entire striatum. We suggest that this activation reflects the integration of motor, cognitive and limbic systems during attentive wakefulness.

Effects of Obesity and Weight Loss Following Bariatric Surgery on Brain Function, Structural Integrity and Metabolism

Obesity is one of the key challenges to health care system worldwide and its prevalence is estimated to rise to pandemic proportions. Numerous adverse health effects follow with increasing body weight, including increased risk of hypertension, diabetes, hypercholesterolemia, musculoskeletal pain and cancer. Current evidence suggests that obesity is associated with altered cerebral reward circuit functioning and decreased inhibitory control over appetitive food cues. Furthermore, obesity causes adverse shifts in metabolism and loss of structural integrity within the brain. Prior cross-sectional studies do not allow delineating which of these cerebral changes are recoverable after weight loss. We compared morbidly obese subjects with healthy controls to unravel brain changes associated with obesity. Bariatric surgery was used as an intervention to study which cerebral changes are recoverable after weight loss. In Study I we employed functional magnetic resonance imaging (fMRI) to detect the brain basis of volitional appetite control and its alterations in obesity. In Studies II-III we used diffusion tensor imaging (DTI) and voxel-based morphometry (VBM) to quantify the effects of obesity and the effects of weight loss on structural integrity of the brain. In study IV we used positron emission tomography (PET) with [18F]-FDG in fasting state and during euglycemic hyperinsulinemia to quantify effects of obesity and weight loss on brain glucose uptake. The fMRI experiment revealed that a fronto-parietal network is involved in volitional appetite control. Obese subjects had lower medial frontal and dorsal striatal brain activity during cognitive appetite control and increased functional connectivity within the appetite control circuit. Obese subjects had initially lower grey matter and white matter densities than healthy controls in VBM analysis and loss of integrity in white matter tracts as measured by DTI. They also had initially elevated glucose metabolism under insulin stimulation but not in fasting state. After the weight loss following bariatric surgery, obese individuals’ brain volumes recovered and the insulin-induced increase in glucose metabolism was attenuated. In conclusion, obesity is associated with altered brain function, coupled with loss of structural integrity and elevated glucose metabolism, which are likely signs of adverse health effects to the brain. These changes are reversed by weight loss after bariatric surgery, implicating that weight loss has a causal role on these adverse cerebral changes. Altogether these findings suggest that weight loss also promotes brain health.Key words: brain, obesity, bariatric surgery, appetite control, structural magnetic resonance

Perusopetuksen koulun uudistumiskyvyn edistäminen osaamisen johtamisen menetelmin

Tämän pro gradu -tutkielman tavoitteena oli tarkastella miten perusopetuksen koulun uudistumiskyvyn eri osa-alueita edistetään osaamisen johtamisen menetelmillä Espoon suomenkielisen tulosyksikön kouluissa. Tutkimus toteutettiin laadullisena tapaustutkimuksena. Tutkimuksen teoriaosuus koostui osaamisen johtamisen ja organisaation uudistumiskyvyn teorioista. Teoriaosuuden perusteella laadittiin teemahaastattelun teemarunko ja tarkentavat yksityiskohtaisemmat apukysymykset. Haastatteluissa pyrittiin löytämään osaamisen johtamisen käytäntöjä ja välineitä, joiden avulla perusopetuksen koulujen uudistumiskykyä voitaisiin edistää. Otokseen kuului 11 koulua. Tutkimuksen tulosten perusteella havaittiin, että perusopetuksen kouluissa uudistumiskyvyn osa-alueiden vuorovaikutus, oppimismyönteisyys ja johtaminen edistämiseksi kouluilla oli käytössä monia erilaisia osaamisen johtamisen menetelmiä. Tutkimuksen tärkein tulos oli, että kouluissa panostettiin paljon luottamuksellisen ja avoimen ilmapiirin luomiseen sekä yhdessä tekemiseen.

Analysis of Automotive Cybersecurity - Attack surfaces and users’ privacy concerns

Modern automobiles are no longer just mechanical tools. The electronics and computing services they are shipping with are making them not less than a computer. They are massive kinetic devices with sophisticated computing power. Most of the modern vehicles are made with the added connectivity in mind which may be vulnerable to outside attack. Researchers have shown that it is possible to infiltrate into a vehicle’s internal system remotely and control the physical entities such as steering and brakes. It is quite possible to experience such attacks on a moving vehicle and unable to use the controls. These massive connected computers can be life threatening as they are related to everyday lifestyle. First part of this research studied the attack surfaces in the automotive cybersecurity domain. It also illustrated the attack methods and capabilities of the damages. Online survey has been deployed as data collection tool to learn about the consumers’ usage of such vulnerable automotive services. The second part of the research portrayed the consumers’ privacy in automotive world. It has been found that almost hundred percent of modern vehicles has the capabilities to send vehicle diagnostic data as well as user generated data to their manufacturers, and almost thirty five percent automotive companies are collecting them already. Internet privacy has been studies before in many related domain but no privacy scale were matched for automotive consumers. It created the research gap and motivation for this thesis. A study has been performed to use well established consumers privacy scale – IUIPC to match with the automotive consumers’ privacy situation. Hypotheses were developed based on the IUIPC model for internet consumers’ privacy and they were studied by the finding from the data collection methods. Based on the key findings of the research, all the hypotheses were accepted and hence it is found that automotive consumers’ privacy did follow the IUIPC model under certain conditions. It is also found that a majority of automotive consumers use the services and devices that are vulnerable and prone to cyber-attacks. It is also established that there is a market for automotive cybersecurity services and consumers are willing to pay certain fees to avail that.

The mechanism of the regulation of energy distribution between photosystems 1 and 2 in the cyanobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7002 /

Cyanobacteria are able to regulate the distribution of absorbed light energy between photo systems 1 and 2 in response to light conditions. The mechanism of this regulation (the state transition) was investigated in the marine cyanobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7002. Three cell types were used: the wild type, psaL mutant (deletion of a photo system 1 subunit thought to be involved in photo system 1 trimerization) and the apcD mutant (a deletion of a phycobilisome subunit thought to be responsible for energy transfer to photo system 1). Evidence from 77K fluorescence emission spectroscopy, room temperature fluorescence and absorption cross-section measurements were used to determine a model of energy distribution from the phycobilisome and chlorophyll antennas in state 1 and state 2. The data confirm that in state 1 the phycobilisome is primarily attached to PS2. In state 2, a portion of the phycobilisome absorbed light energy is redistributed to photo system 1. This energy is directly transferred to photo system 1 by one of the phycobilisome terminal emitters, the product of the apcD gene, rather than via the photo system 2 chlorophyll antenna by spillover (energy transfer between the photo system 2 and photo system 1 chlorophyll antenna). The data also show that energy absorbed by the photo system 2 chlorophyll antenna is redistributed to photo system 1 in state 2. This could occur in one of two ways; by spillover or in a way analogous to higher plants where a segment of the chlorophyll antenna is dissociated from photo system 2 and becomes part of the photo system 1 antenna. The presence of energy transfer between neighbouring photo system 2 antennae was determined at both the phycobilisome and chlorophyll level, in states 1 and 2. Increases in antenna absorption cross-section with increasing reaction center closure showed that there is energy transfer (connectivity) between photosystem 2 antennas. No significant difference was shown in the amount of connectivity under these four conditions.

Properties and algorithms of the hyper-star graph and its related graphs

The hyper-star interconnection network was proposed in 2002 to overcome the drawbacks of the hypercube and its variations concerning the network cost, which is defined by the product of the degree and the diameter. Some properties of the graph such as connectivity, symmetry properties, embedding properties have been studied by other researchers, routing and broadcasting algorithms have also been designed. This thesis studies the hyper-star graph from both the topological and algorithmic point of view. For the topological properties, we try to establish relationships between hyper-star graphs with other known graphs. We also give a formal equation for the surface area of the graph. Another topological property we are interested in is the Hamiltonicity problem of this graph. For the algorithms, we design an all-port broadcasting algorithm and a single-port neighbourhood broadcasting algorithm for the regular form of the hyper-star graphs. These algorithms are both optimal time-wise. Furthermore, we prove that the folded hyper-star, a variation of the hyper-star, to be maixmally fault-tolerant.

Heuristics for the Critical Node Detection Problem in Large Complex Networks

Complex networks have recently attracted a significant amount of research attention due to their ability to model real world phenomena. One important problem often encountered is to limit diffusive processes spread over the network, for example mitigating pandemic disease or computer virus spread. A number of problem formulations have been proposed that aim to solve such problems based on desired network characteristics, such as maintaining the largest network component after node removal. The recently formulated critical node detection problem aims to remove a small subset of vertices from the network such that the residual network has minimum pairwise connectivity. Unfortunately, the problem is NP-hard and also the number of constraints is cubic in number of vertices, making very large scale problems impossible to solve with traditional mathematical programming techniques. Even many approximation algorithm strategies such as dynamic programming, evolutionary algorithms, etc. all are unusable for networks that contain thousands to millions of vertices. A computationally efficient and simple approach is required in such circumstances, but none currently exist. In this thesis, such an algorithm is proposed. The methodology is based on a depth-first search traversal of the network, and a specially designed ranking function that considers information local to each vertex. Due to the variety of network structures, a number of characteristics must be taken into consideration and combined into a single rank that measures the utility of removing each vertex. Since removing a vertex in sequential fashion impacts the network structure, an efficient post-processing algorithm is also proposed to quickly re-rank vertices. Experiments on a range of common complex network models with varying number of vertices are considered, in addition to real world networks. The proposed algorithm, DFSH, is shown to be highly competitive and often outperforms existing strategies such as Google PageRank for minimizing pairwise connectivity.

Isoflavone exposure throughout suckling results in improved adult bone health in mice

Exposure to isoflavones (ISO), abundant in soy protein infant formula, for the first 5 days of life results in higher bone mineral density (BMD),greater trabecular connectivity and higher fracture load of lumbar vertebrae (LV) at adulthood. The effect of lengthening the duration of exposure to ISO on bone development has not been studied. This study determined if providing ISO for the first 21 days of life, which more closely mimics the duration that infants are fed soy protein formula, results in higher BMD, improved bone structure and greater strength in femurs and LV than a 5-day protocol. Female CD-1 mice were randomized to subcutaneous injections of ISO (7 Q1 mg kg/body weight/day) or corn oil from postnatal day 1 to 21. BMD, structure and strength were measured at the femur and LV at 4 months of age, representing young Q2 adulthood. At the LV, exposure to ISO resulted in higher (P,0.05) BMD, trabecular connectivity and fracture load compared with control (CON). Exposure to ISO also resulted in higher (P,0.05) whole femur BMD, higher (P,0.05) bone volume/total volume and Q3 lower (P,0.05) trabecular separation at the femur neck, as well as greater (P,0.05) fracture load at femur midpoint and femur neck compared with the CON group. Exposure to ISO throughout suckling has favorable effects on LV outcomes, and, unlike previous studies using 5-day exposure to ISO, femur outcomes are also improved. Duration of exposure should be considered when using the CD-1 mouse to model the effect of early life exposure of infants to ISO.

Properties and Algorithms of the KCube Interconnection Networks

The KCube interconnection network was first introduced in 2010 in order to exploit the good characteristics of two well-known interconnection networks, the hypercube and the Kautz graph. KCube links up multiple processors in a communication network with high density for a fixed degree. Since the KCube network is newly proposed, much study is required to demonstrate its potential properties and algorithms that can be designed to solve parallel computation problems. In this thesis we introduce a new methodology to construct the KCube graph. Also, with regard to this new approach, we will prove its Hamiltonicity in the general KC(m; k). Moreover, we will find its connectivity followed by an optimal broadcasting scheme in which a source node containing a message is to communicate it with all other processors. In addition to KCube networks, we have studied a version of the routing problem in the traditional hypercube, investigating this problem: whether there exists a shortest path in a Qn between two nodes 0n and 1n, when the network is experiencing failed components. We first conditionally discuss this problem when there is a constraint on the number of faulty nodes, and subsequently introduce an algorithm to tackle the problem without restrictions on the number of nodes.

Environnement bâti et transport actif scolaire : le cas des écoles de proximité de la région de Montréal

But La diminution du transport actif scolaire est une problématique préoccupante dont les déterminants sont encore mal connus. Nous nous sommes donc penchée sur la question suivante : Quelle est la contribution de l’environnement bâti pour le choix d’un mode de transport actif pour les déplacements scolaires des enfants demeurant à proximité de leur école ? Méthodologie Pour répondre à cette question, nous nous sommes basée sur le cadre conceptuel de Tracy McMillan. Nous avons caractérisé le voisinage de trois écoles en milieu urbain et de trois écoles en milieu suburbain de la région de Montréal. Également, nous avons analysé les données du Groupe de recherche Ville et mobilité concernant les comportements des enfants ainsi que les comportements et perceptions des parents. Résultats Quatre des cas à l’étude se démarquent en raison de leur forte proportion de transport actif scolaire, soit les trois milieux urbains et un milieu suburbain. Les points communs de ces quatre cas sont la perméabilité du réseau viaire pour les piétons et les cyclistes et la perception favorable des parents vis-à-vis le transport actif scolaire. Conclusion Les environnements suburbains génèrent des comportements de transport actif uniquement chez les enfants alors que les environnements urbains génèrent systématiquement des comportements de transport actif chez les adultes et les enfants. Ce faisant, nous pouvons penser que les caractéristiques de l’environnement bâti des milieux urbains influencent les perceptions et les comportements des parents en faveur du transport actif scolaire.

Structure et dynamique des communautés multi-espèces : le rôle de l’espace

Cette thèse porte sur le rôle de l’espace dans l’organisation et dans la dynamique des communautés écologiques multi-espèces. Deux carences peuvent être identifiées dans les études théoriques actuelles portant sur la dimension spatiale des communautés écologiques : l’insuffisance de modèles multi-espèces représentant la dimension spatiale explicitement, et le manque d’attention portée aux interactions positives, tel le mutualisme, en dépit de la reconnaissance de leur ubiquité dans les systèmes écologiques. Cette thèse explore cette problématique propre à l’écologie des communautés, en utilisant une approche théorique s’inspirant de la théorie des systèmes complexes et de la mécanique statistique. Selon cette approche, les communautés d’espèces sont considérées comme des systèmes complexes dont les propriétés globales émergent des interactions locales entre les organismes qui les composent, et des interactions locales entre ces organismes et leur environnement. Le premier objectif de cette thèse est de développer un modèle de métacommunauté multi-espèces, explicitement spatial, orienté à l’échelle des individus et basé sur un réseau d’interactions interspécifiques générales comprenant à la fois des interactions d’exploitation, de compétition et de mutualisme. Dans ce modèle, les communautés locales sont formées par un processus d’assemblage des espèces à partir d’un réservoir régional. La croissance des populations est restreinte par une capacité limite et leur dynamique évolue suivant des mécanismes simples de reproduction et de dispersion des individus. Ces mécanismes sont dépendants des conditions biotiques et abiotiques des communautés locales et leur effet varie en fonction des espèces, du temps et de l’espace. Dans un deuxième temps, cette thèse a pour objectif de déterminer l’impact d’une connectivité spatiale croissante sur la dynamique spatiotemporelle et sur les propriétés structurelles et fonctionnelles de cette métacommunauté. Plus précisément, nous évaluons différentes propriétés des communautés en fonction du niveau de dispersion des espèces : i) la similarité dans la composition des communautés locales et ses patrons de corrélations spatiales; ii) la biodiversité locale et régionale, et la distribution locale de l’abondance des espèces; iii) la biomasse, la productivité et la stabilité dynamique aux échelles locale et régionale; et iv) la structure locale des interactions entre les espèces. Ces propriétés sont examinées selon deux schémas spatiaux. D’abord nous employons un environnement homogène et ensuite nous employons un environnement hétérogène où la capacité limite des communautés locales évoluent suivant un gradient. De façon générale, nos résultats révèlent que les communautés écologiques spatialement distribuées sont extrêmement sensibles aux modes et aux niveaux de dispersion des organismes. Leur dynamique spatiotemporelle et leurs propriétés structurelles et fonctionnelles peuvent subir des changements profonds sous forme de transitions significatives suivant une faible variation du niveau de dispersion. Ces changements apparaissent aussi par l’émergence de patrons spatiotemporels dans la distribution spatiale des populations qui sont typiques des transitions de phases observées généralement dans les systèmes physiques. La dynamique de la métacommunauté présente deux régimes. Dans le premier régime, correspondant aux niveaux faibles de dispersion des espèces, la dynamique d’assemblage favorise l’émergence de communautés stables, peu diverses et formées d’espèces abondantes et fortement mutualistes. La métacommunauté possède une forte diversité régionale puisque les communautés locales sont faiblement connectées et que leur composition demeure ainsi distincte. Par ailleurs dans le second régime, correspondant aux niveaux élevés de dispersion, la diversité régionale diminue au profit d’une augmentation de la diversité locale. Les communautés locales sont plus productives mais leur stabilité dynamique est réduite suite à la migration importante d’individus. Ce régime est aussi caractérisé par des assemblages incluant une plus grande diversité d’interactions interspécifiques. Ces résultats suggèrent qu’une augmentation du niveau de dispersion des organismes permet de coupler les communautés locales entre elles ce qui accroît la coexistence locale et favorise la formation de communautés écologiques plus riches et plus complexes. Finalement, notre étude suggère que le mutualisme est fondamentale à l’organisation et au maintient des communautés écologiques. Les espèces mutualistes dominent dans les habitats caractérisés par une capacité limite restreinte et servent d’ingénieurs écologiques en facilitant l’établissement de compétiteurs, prédateurs et opportunistes qui bénéficient de leur présence.

Integrated Management of Interface Power (IMIP) Framework

La présence importante de plusieurs réseaux sans-fils de différentes portées a encouragée le développement d’une nouvelle génération d’équipements portables sans-fils avec plusieurs interfaces radio. Ainsi, les utilisateurs peuvent bénéficier d’une large possibilité de connectivité aux réseaux sans-fils (e.g. Wi-Fi [1], WiMAX [2], 3G [3]) disponibles autour. Cependant, la batterie d’un nœud mobile à plusieurs interfaces sera rapidement épuisée et le temps d’utilisation de l’équipement sera réduit aussi. Pour prolonger l’utilisation du mobile les standards, des réseaux sans-fils, on définie (individuellement) plusieurs états (émission, réception, sleep, idle, etc.); quand une interface radio n’est pas en mode émission/réception il est en mode sleep/idle où la consommation est très faible, comparée aux modes émission/réception. Pourtant, en cas d’équipement portable à multi-interfaces radio, l’énergie totale consommée par les interfaces en mode idle est très importante. Autrement, un équipement portable équipé de plusieurs interfaces radio augmente sa capacité de connectivité mais réduit sa longévité d’utilisation. Pour surpasser cet inconvénient on propose une plate-forme, qu'on appelle IMIP (Integrated Management of Interface Power), basée sur l’extension du standard MIH (Media Independent Handover) IEEE 802.21 [4]. IMIP permet une meilleure gestion d’énergie des interfaces radio, d’un équipement mobile à multi-radio, lorsque celles-ci entrent en mode idle. Les expérimentations que nous avons exécutées montrent que l’utilisation de IMIP permet d'économiser jusqu'a 80% de l'énergie consommée en comparaison avec les standards existants. En effet, IMIP permet de prolonger la durée d'utilisation d'équipements à plusieurs interfaces grâce à sa gestion efficace de l'énergie.

Intra- and inter-hemispheric interactions in somatosensory processing of pain : dynamical causal modeling analysis of fMRI data

La douleur est une expérience perceptive comportant de nombreuses dimensions. Ces dimensions de douleur sont inter-reliées et recrutent des réseaux neuronaux qui traitent les informations correspondantes. L’élucidation de l'architecture fonctionnelle qui supporte les différents aspects perceptifs de l'expérience est donc une étape fondamentale pour notre compréhension du rôle fonctionnel des différentes régions de la matrice cérébrale de la douleur dans les circuits corticaux qui sous tendent l'expérience subjective de la douleur. Parmi les diverses régions du cerveau impliquées dans le traitement de l'information nociceptive, le cortex somatosensoriel primaire et secondaire (S1 et S2) sont les principales régions généralement associées au traitement de l'aspect sensori-discriminatif de la douleur. Toutefois, l'organisation fonctionnelle dans ces régions somato-sensorielles n’est pas complètement claire et relativement peu d'études ont examiné directement l'intégration de l'information entre les régions somatiques sensorielles. Ainsi, plusieurs questions demeurent concernant la relation hiérarchique entre S1 et S2, ainsi que le rôle fonctionnel des connexions inter-hémisphériques des régions somatiques sensorielles homologues. De même, le traitement en série ou en parallèle au sein du système somatosensoriel constitue un autre élément de questionnement qui nécessite un examen plus approfondi. Le but de la présente étude était de tester un certain nombre d'hypothèses sur la causalité dans les interactions fonctionnelle entre S1 et S2, alors que les sujets recevaient des chocs électriques douloureux. Nous avons mis en place une méthode de modélisation de la connectivité, qui utilise une description de causalité de la dynamique du système, afin d'étudier les interactions entre les sites d'activation définie par un ensemble de données provenant d'une étude d'imagerie fonctionnelle. Notre paradigme est constitué de 3 session expérimentales en utilisant des chocs électriques à trois différents niveaux d’intensité, soit modérément douloureux (niveau 3), soit légèrement douloureux (niveau 2), soit complètement non douloureux (niveau 1). Par conséquent, notre paradigme nous a permis d'étudier comment l'intensité du stimulus est codé dans notre réseau d'intérêt, et comment la connectivité des différentes régions est modulée dans les conditions de stimulation différentes. Nos résultats sont en faveur du mode sériel de traitement de l’information somatosensorielle nociceptive avec un apport prédominant de la voie thalamocorticale vers S1 controlatérale au site de stimulation. Nos résultats impliquent que l'information se propage de S1 controlatéral à travers notre réseau d'intérêt composé des cortex S1 bilatéraux et S2. Notre analyse indique que la connexion S1→S2 est renforcée par la douleur, ce qui suggère que S2 est plus élevé dans la hiérarchie du traitement de la douleur que S1, conformément aux conclusions précédentes neurophysiologiques et de magnétoencéphalographie. Enfin, notre analyse fournit des preuves de l'entrée de l'information somatosensorielle dans l'hémisphère controlatéral au côté de stimulation, avec des connexions inter-hémisphériques responsable du transfert de l'information à l'hémisphère ipsilatéral.

Utilisation du concept de connectivité en hydrologie : définitions, approches expérimentales et éléments de modélisation

Alors que certains mécanismes pourtant jugés cruciaux pour la transformation de la pluie en débit restent peu ou mal compris, le concept de connectivité hydrologique a récemment été proposé pour expliquer pourquoi certains processus sont déclenchés de manière épisodique en fonction des caractéristiques des événements de pluie et de la teneur en eau des sols avant l’événement. L’adoption de ce nouveau concept en hydrologie reste cependant difficile puisqu’il n’y a pas de consensus sur la définition de la connectivité, sa mesure, son intégration dans les modèles hydrologiques et son comportement lors des transferts d’échelles spatiales et temporelles. Le but de ce travail doctoral est donc de préciser la définition, la mesure, l’agrégation et la prédiction des processus liés à la connectivité hydrologique en s’attardant aux questions suivantes : 1) Quel cadre méthodologique adopter pour une étude sur la connectivité hydrologique ?, 2) Comment évaluer le degré de connectivité hydrologique des bassins versants à partir de données de terrain ?, et 3) Dans quelle mesure nos connaissances sur la connectivité hydrologique doivent-elles conduire à la modification des postulats de modélisation hydrologique ? Trois approches d’étude sont différenciées, soit i) une approche de type « boite noire », basée uniquement sur l’exploitation des données de pluie et de débits sans examiner le fonctionnement interne du bassin versant ; ii) une approche de type « boite grise » reposant sur l’étude de données géochimiques ponctuelles illustrant la dynamique interne du bassin versant ; et iii) une approche de type « boite blanche » axée sur l’analyse de patrons spatiaux exhaustifs de la topographie de surface, la topographie de subsurface et l’humidité du sol. Ces trois approches sont ensuite validées expérimentalement dans le bassin versant de l’Hermine (Basses Laurentides, Québec). Quatre types de réponses hydrologiques sont distingués en fonction de leur magnitude et de leur synchronisme, sachant que leur présence relative dépend des conditions antécédentes. Les forts débits enregistrés à l’exutoire du bassin versant sont associés à une contribution accrue de certaines sources de ruissellement, ce qui témoigne d’un lien hydraulique accru et donc d’un fort degré de connectivité hydrologique entre les sources concernées et le cours d’eau. Les aires saturées couvrant des superficies supérieures à 0,85 ha sont jugées critiques pour la genèse de forts débits de crue. La preuve est aussi faite que les propriétés statistiques des patrons d’humidité du sol en milieu forestier tempéré humide sont nettement différentes de celles observées en milieu de prairie tempéré sec, d’où la nécessité d’utiliser des méthodes de calcul différentes pour dériver des métriques spatiales de connectivité dans les deux types de milieux. Enfin, la double existence de sources contributives « linéaires » et « non linéaires » est mise en évidence à l’Hermine. Ces résultats suggèrent la révision de concepts qui sous-tendent l’élaboration et l’exécution des modèles hydrologiques. L’originalité de cette thèse est le fait même de son sujet. En effet, les objectifs de recherche poursuivis sont conformes à la théorie hydrologique renouvelée qui prône l’arrêt des études de particularismes de petite échelle au profit de l’examen des propriétés émergentes des bassins versants telles que la connectivité hydrologique. La contribution majeure de cette thèse consiste ainsi en la proposition d’une définition unifiée de la connectivité, d’un cadre méthodologique, d’approches de mesure sur le terrain, d’outils techniques et de pistes de solution pour la modélisation des systèmes hydrologiques.