Towards a Modeling Environment for Earth Systems Simulations

The developments of models in Earth Sciences, e.g. for earthquake prediction and for the simulation of mantel convection, are fare from being finalized. Therefore there is a need for a modelling environment that allows scientist to implement and test new models in an easy but flexible way. After been verified, the models should be easy to apply within its scope, typically by setting input parameters through a GUI or web services. It should be possible to link certain parameters to external data sources, such as databases and other simulation codes. Moreover, as typically large-scale meshes have to be used to achieve appropriate resolutions, the computational efficiency of the underlying numerical methods is important. Conceptional this leads to a software system with three major layers: the application layer, the mathematical layer, and the numerical algorithm layer. The latter is implemented as a C/C++ library to solve a basic, computational intensive linear problem, such as a linear partial differential equation. The mathematical layer allows the model developer to define his model and to implement high level solution algorithms (e.g. Newton-Raphson scheme, Crank-Nicholson scheme) or choose these algorithms form an algorithm library. The kernels of the model are generic, typically linear, solvers provided through the numerical algorithm layer. Finally, to provide an easy-to-use application environment, a web interface is (semi-automatically) built to edit the XML input file for the modelling code. In the talk, we will discuss the advantages and disadvantages of this concept in more details. We will also present the modelling environment escript which is a prototype implementation toward such a software system in Python (see www.python.org). Key components of escript are the Data class and the PDE class. Objects of the Data class allow generating, holding, accessing, and manipulating data, in such a way that the actual, in the particular context best, representation is transparent to the user. They are also the key to establish connections with external data sources. PDE class objects are describing (linear) partial differential equation objects to be solved by a numerical library. The current implementation of escript has been linked to the finite element code Finley to solve general linear partial differential equations. We will give a few simple examples which will illustrate the usage escript. Moreover, we show the usage of escript together with Finley for the modelling of interacting fault systems and for the simulation of mantel convection.

The programming language python in earth system simulations

-scale vary from a planetary scale and million years for convection problems to 100km and 10 years for fault systems simulations. Various techniques are in use to deal with the time dependency (e.g. Crank-Nicholson), with the non-linearity (e.g. Newton-Raphson) and weakly coupled equations (e.g. non-linear Gauss-Seidel). Besides these high-level solution algorithms discretization methods (e.g. finite element method (FEM), boundary element method (BEM)) are used to deal with spatial derivatives. Typically, large-scale, three dimensional meshes are required to resolve geometrical complexity (e.g. in the case of fault systems) or features in the solution (e.g. in mantel convection simulations). The modelling environment escript allows the rapid implementation of new physics as required for the development of simulation codes in earth sciences. Its main object is to provide a programming language, where the user can define new models and rapidly develop high-level solution algorithms. The current implementation is linked with the finite element package finley as a PDE solver. However, the design is open and other discretization technologies such as finite differences and boundary element methods could be included. escript is implemented as an extension of the interactive programming environment python (see www.python.org). Key concepts introduced are Data objects, which are holding values on nodes or elements of the finite element mesh, and linearPDE objects, which are defining linear partial differential equations to be solved by the underlying discretization technology. In this paper we will show the basic concepts of escript and will show how escript is used to implement a simulation code for interacting fault systems. We will show some results of large-scale, parallel simulations on an SGI Altix system. Acknowledgements: Project work is supported by Australian Commonwealth Government through the Australian Computational Earth Systems Simulator Major National Research Facility, Queensland State Government Smart State Research Facility Fund, The University of Queensland and SGI.

AWI Bathymetric Chart of the Weddell Sea, Antarctica (BCWS)

From data collected by RV Polarstern, and additional echosoundings provided by national hydrographic offices, research institutions and the International Hydrographic Organization (IHO) Digital Bathymetric Data Center, the 1:1,000,000 Bathymetric Chart of the Weddell Sea (AWl BCWS) series has been developed. The heterogeneity of bathymetric data and the lack of observations within ice-covered areas required the incorporation of supplementary geophysical and geographical information. A semi-automatic procedure was developed for terrain modeling and contouring. In coastal regions, adjacent sub-glacial information was included in order to model the bathymetry of the transition zone along the Antarctic ice edge. Six sheets of the AWl BCWS series in the scale of 1:1,000,000 covering the southern Weddell Sea from 66°S to 78°S and from 68°W to 0°E were recently completed and included in the 1997 GEneral Bathymetric Chart of the Oceans (GEBCO) Digital Atlas CD-ROM (http://www.gebco.net). On the basis of these six 1:1,000,000 AWl BCWS sheets, a generalized 1:3,000,000-scale bathymetric chart was compiled for the entire southern Weddell Sea.

Floods in the Pampas: Insights from over a decade of satellite observations

Non peer reviewed

Energy and CO2 fluxes in temperate deciduous broadleaf forests: using local add-covariance data for a global optimization of ORCHIDEE model

Non peer reviewed

Les mécanismes sous-jacents aux effets pathologiques cardiaques de l’angiotensine II dans le remodelage électrique et contractile entre les sexes

L’insuffisance cardiaque (IC) est associée à un taux de mortalité et d’hospitalisations élevé causant un fardeau économique important. Les deux causes majeures de décès de l’IC sont les arythmies ventriculaires létales et les sidérations myocardiques. Il est maintenant reconnu que l’angiotensine II (ANGII) est l'un des principaux médiateurs de l’IC. Ses effets délétères découlent de l’activation du récepteur de type 1 de l’ANGII (AT1) et entraînent le développement d’hypertrophie. Toutefois, son rôle dans la genèse d’arythmies demeure incompris. De ce fait, l'étude des mécanismes électriques et contractiles sous-jacents aux effets pathologiques de l’ANGII s’avère essentielle afin de mieux comprendre et soigner cette pathologie. Il est souvent perçu que les femmes sont protégées envers les maladies cardiovasculaires. Cependant, le nombre total de femmes décédant d’IC est plus grand que le nombre d’hommes. Également, l’impact des facteurs de risque diffère entre chaque sexe. Ces différences existent, mais les mécanismes sous-jacents sont encore peu connus. De plus, les femmes reçoivent fréquemment un diagnostic ou un traitement inapproprié en raison d’un manque d’information sur les différences entre les sexes dans la manifestation d’une pathologie. Ce manque de données peut découler du fait que les sujets de sexe féminin sont souvent sous-représentés dans les essais cliniques ou la recherche fondamentale ce qui a grandement limité l’avancement de nos connaissances sur ~50 % de la population. Ainsi, il semble plus que nécessaire d’approfondir notre compréhension des différences entre les sexes, notamment dans la progression de l’IC. L’utilisation d’un modèle de souris transgénique surexprimant le récepteur AT1 (souris AT1R) a permis d’étudier les changements électriques, structurels et contractiles avant et après le développement d’hypertrophie. Premièrement, chez les souris AT1R mâles, un ralentissement de la conduction ventriculaire a été observé indépendamment de l’hypertrophie. Ce résultat était expliqué par une réduction de la densité du courant Na+, mais pas de l’expression du canal. Ensuite, le rôle des protéines kinases C (PKC) dans la régulation du canal Na+ par l’ANGII a été exploré. Les évidences ont suggéré que la PKCα était responsable de la modulation de la diminution du courant Na+ chez les souris AT1R mâles et dans les cardiomyocytes humains dérivés de cellules souches induites pluripotentes (hiPSC-CM) en réponse à un traitement chronique à l’ANGII. Ensuite, les différences entre les sexes ont été comparées chez la souris AT1R. Une plus grande mortalité a été constatée chez les femelles AT1R suggérant qu’elles sont plus sensibles à la surexpression de AT1R. Le remodelage électrique ventriculaire a donc été comparé entre les souris AT1R des deux sexes. Les courants ioniques étaient altérés de façon similaire entre les sexes excluant ainsi leur implication dans la mortalité plus élevée chez les femelles. Ensuite, l’homéostasie calcique et la fonction cardiaque ont été étudiées. Il a été démontré que les femelles développaient une hypertrophie et une dilatation ventriculaire plus sévère que les mâles. De plus, les femelles AT1R avaient de petits transitoires calciques, une extrusion du Ca2+ plus lente ainsi qu’une augmentation de la fréquence des étincelles Ca2+ pouvant participer à des troubles contractiles et à la venue de post-dépolarisations précoces. En conclusion, l’ANGII est impliquée dans le remodelage électrique, structurel et calcique associé à l'émergence de l’IC. De surcroît, ces altérations affectent plus sévèrement les femelles soulignant la présence de différences entre les sexes dans le développement de l’IC.

Prise en charge en physiothérapie d’une clientèle aînée atteinte d'un cancer du poumon

Dans le cadre du cours PHT-6113

Phase d'activation transitoire et analyse spectrale en sommeil : utilisation pour la qualification des mécanismes d'éveil chez l'enfant Tourette

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Rôle du récepteur de chimiokine CCR3 dans l'infection du virus repsiratoire syncytial

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Rôle physiologique de la MAP kinase atypique ERK3 : analyse génétique et étude de l'expression génique chez la souris

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Contribution à l'étude de la physiopathologie des effets secondaires associés aux iECA : approche expérimentale et clinique des mécanismes régulant l'activité pharmacologique des kinines

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Neurogenèse de la respiration chez la lamproie

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

A comparative retrospective clinical study of hypodontia in Pierre Robin sequence and isolated cleft palate : distribution, number and sites affected

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Accumulation de dose à partir de champs de déformation 4D appliqués aux traitements au CyberKnife et à l'IMRT

Le cancer pulmonaire est la principale cause de décès parmi tous les cancers au Canada. Le pronostic est généralement faible, de l'ordre de 15% de taux de survie après 5 ans. Les déplacements internes des structures anatomiques apportent une incertitude sur la précision des traitements en radio-oncologie, ce qui diminue leur efficacité. Dans cette optique, certaines techniques comme la radio-chirurgie et la radiothérapie par modulation de l'intensité (IMRT) visent à améliorer les résultats cliniques en ciblant davantage la tumeur. Ceci permet d'augmenter la dose reçue par les tissus cancéreux et de réduire celle administrée aux tissus sains avoisinants. Ce projet vise à mieux évaluer la dose réelle reçue pendant un traitement considérant une anatomie en mouvement. Pour ce faire, des plans de CyberKnife et d'IMRT sont recalculés en utilisant un algorithme Monte Carlo 4D de transport de particules qui permet d'effectuer de l'accumulation de dose dans une géométrie déformable. Un environnement de simulation a été développé afin de modéliser ces deux modalités pour comparer les distributions de doses standard et 4D. Les déformations dans le patient sont obtenues en utilisant un algorithme de recalage déformable d'image (DIR) entre les différentes phases respiratoire générées par le scan CT 4D. Ceci permet de conserver une correspondance de voxels à voxels entre la géométrie de référence et celles déformées. La DIR est calculée en utilisant la suite ANTs («Advanced Normalization Tools») et est basée sur des difféomorphismes. Une version modifiée de DOSXYZnrc de la suite EGSnrc, defDOSXYZnrc, est utilisée pour le transport de particule en 4D. Les résultats sont comparés à une planification standard afin de valider le modèle actuel qui constitue une approximation par rapport à une vraie accumulation de dose en 4D.

Nitrate metabolism in the dinoflagellate Lingulodinium polyedrum

Les dinoflagellés sont des eucaryotes unicellulaires retrouvés dans la plupart des écosystèmes aquatiques du globe. Ces organismes amènent une contribution substantielle à la production primaire des océans, soit en tant que membre du phytoplancton, soit en tant que symbiontes des anthozoaires formant les récifs coralliens. Malheureusement, ce rôle écologique majeur est souvent négligé face à la capacité de certaines espèces de dinoflagellés à former des fleurs d'eau, parfois d'étendue et de durée spectaculaires. Ces floraisons d'algues, communément appelées "marées rouges", peuvent avoir de graves conséquences sur les écosystèmes côtiers, sur les industries de la pêche et du tourisme, ainsi que sur la santé humaine. Un des facteurs souvent corrélé avec la formation des fleurs d'eau est une augmentation dans la concentration de nutriments, notamment l’azote et le phosphore. Le nitrate est un des composants principaux retrouvés dans les eaux de ruissellement agricoles, mais également la forme d'azote bioaccessible la plus abondante dans les écosystèmes marins. Ainsi, l'agriculture humaine a contribué à magnifier significativement les problèmes associés aux marées rouges au niveau mondial. Cependant, la pollution ne peut pas expliquer à elle seule la formation et la persistance des fleurs d'eau, qui impliquent plusieurs facteurs biotiques et abiotiques. Il est particulièrement difficile d'évaluer l'importance relative qu'ont les ajouts de nitrate par rapport à ces autres facteurs, parce que le métabolisme du nitrate chez les dinoflagellés est largement méconnu. Le but principal de cette thèse vise à remédier à cette lacune. J'ai choisi Lingulodinium polyedrum comme modèle pour l'étude du métabolisme du nitrate, parce que ce dinoflagellé est facilement cultivable en laboratoire et qu'une étude transcriptomique a récemment fourni une liste de gènes pratiquement complète pour cette espèce. Il est également intéressant que certaines composantes moléculaires de la voie du nitrate chez cet organisme soient sous contrôle circadien. Ainsi, dans ce projet, j'ai utilisé des analyses physiologiques, biochimiques, transcriptomiques et bioinformatiques pour enrichir nos connaissances sur le métabolisme du nitrate des dinoflagellés et nous permettre de mieux apprécier le rôle de l'horloge circadienne dans la régulation de cette importante voie métabolique primaire. Je me suis tout d'abord penché sur les cas particuliers où des floraisons de dinoflagellés sont observées dans des conditions de carence en azote. Cette idée peut sembler contreintuitive, parce que l'ajout de nitrate plutôt que son épuisement dans le milieu est généralement associé aux floraisons d'algues. Cependant, j’ai découvert que lorsque du nitrate était ajouté à des cultures initialement carencées ou enrichies en azote, celles qui s'étaient acclimatées au stress d'azote arrivaient à survivre près de deux mois à haute densité cellulaire, alors que les cellules qui n'étaient pas acclimatées mourraient après deux semaines. En condition de carence d'azote sévère, les cellules arrivaient à survivre un peu plus de deux semaines et ce, en arrêtant leur cycle cellulaire et en diminuant leur activité photosynthétique. L’incapacité pour ces cellules carencées à synthétiser de nouveaux acides aminés dans un contexte où la photosynthèse était toujours active a mené à l’accumulation de carbone réduit sous forme de granules d’amidon et corps lipidiques. Curieusement, ces deux réserves de carbone se trouvaient à des pôles opposés de la cellule, suggérant un rôle fonctionnel à cette polarisation. La deuxième contribution de ma thèse fut d’identifier et de caractériser les premiers transporteurs de nitrate chez les dinoflagellés. J'ai découvert que Lingulodinium ne possédait que très peu de transporteurs comparativement à ce qui est observé chez les plantes et j'ai suggéré que seuls les membres de la famille des transporteurs de nitrate de haute affinité 2 (NRT2) étaient réellement impliqués dans le transport du nitrate. Le principal transporteur chez Lingulodinium était exprimé constitutivement, suggérant que l’acquisition du nitrate chez ce dinoflagellé se fondait majoritairement sur un système constitutif plutôt qu’inductible. Enfin, j'ai démontré que l'acquisition du nitrate chez Lingulodinium était régulée par la lumière et non par l'horloge circadienne, tel qu'il avait été proposé dans une étude antérieure. Finalement, j’ai utilisé une approche RNA-seq pour vérifier si certains transcrits de composantes impliquées dans le métabolisme du nitrate de Lingulodinium étaient sous contrôle circadien. Non seulement ai-je découvert qu’il n’y avait aucune variation journalière dans les niveaux des transcrits impliqués dans le métabolisme du nitrate, j’ai aussi constaté qu’il n’y avait aucune variation journalière pour n’importe quel ARN du transcriptome de Lingulodinium. Cette découverte a démontré que l’horloge de ce dinoflagellé n'avait pas besoin de transcription rythmique pour générer des rythmes physiologiques comme observé chez les autres eukaryotes.