Neuronal networks with gap junctions: A study of piece-wise linear planar neuron models

The presence of gap junction coupling among neurons of the central nervous systems has been appreciated for some time now. In recent years there has been an upsurge of interest from the mathematical community in understanding the contribution of these direct electrical connections between cells to large-scale brain rhythms. Here we analyze a class of exactly soluble single neuron models, capable of producing realistic action potential shapes, that can be used as the basis for understanding dynamics at the network level. This work focuses on planar piece-wise linear models that can mimic the firing response of several different cell types. Under constant current injection the periodic response and phase response curve (PRC) is calculated in closed form. A simple formula for the stability of a periodic orbit is found using Floquet theory. From the calculated PRC and the periodic orbit a phase interaction function is constructed that allows the investigation of phase-locked network states using the theory of weakly coupled oscillators. For large networks with global gap junction connectivity we develop a theory of strong coupling instabilities of the homogeneous, synchronous and splay state. For a piece-wise linear caricature of the Morris-Lecar model, with oscillations arising from a homoclinic bifurcation, we show that large amplitude oscillations in the mean membrane potential are organized around such unstable orbits.

Imagerie Musicale Involontaire : caractéristiques phénoménologiques et mnésiques

L’imagerie musicale involontaire (IMIN) est un phénomène mental extrêmement commun. Il peut être défini en tant que type d’imagerie mentale musicale qui devient consciente sans effort ou intentionnalité et qui n’est pas pathologique. La forme la plus connue d’IMIN est le « ver d’oreille », qui se présente généralement comme un court extrait musical tournant en boucle en tête et dont on se débarrasse difficilement. L’objectif principal de la présente thèse est d’investiguer les mécanismes cognitifs sous-tendant le phénomène puisque, malgré l’intérêt répandu dans les médias populaires, son étude expérimentale est récente et un modèle intégré n’a pas encore été proposé. Dans la première étude, l’induction expérimentale a été tentée et les caractéristiques des images mentales d’épisodes d’IMIN ont été investiguées. Dans le laboratoire, des chansons accrocheuses (versus des proverbes) ont été présentées répétitivement aux participants qui devaient ensuite les chanter le plus fidèlement possible. Ils ont par après quitté le laboratoire, une enregistreuse numérique en mains, avec la consigne d’enregistrer une reproduction vocale la plus fidèle possible de ce qu’ils avaient en tête lors de tous leurs épisodes d’IMIN sur une période de quatre jours, ainsi que de décrire leur timbre. L’expérience a été répétée deux semaines plus tard. Douze des dix-huit participants du groupe expérimental ont rapporté des pièces induites comme épisodes d’IMIN, ce qui confirme l’efficacité de la procédure d’induction. La tonalité et le tempo des productions ont ensuite été analysés et comparés à ceux des pièces originales. Similairement pour les épisodes d’IMIN induits et les autres, les tempi produits et, dans une moindre mesure pour les non-musiciens, les tonalités étaient proches des originaux. Le timbre décrit était généralement une version simplifiée de l’original (un instrument et/ou une voix). Trois études se sont ensuite intéressées au lien entre le potentiel d’IMIN et la mémorabilité. Dans une étude préliminaire, 150 chansons du palmarès francophone radiophonique ont été évaluées en ligne par 164 participants, sur leur niveau de familiarité, d’appréciation et de potentiel d’IMIN. Les pièces ont ensuite été divisées en groupes de stimuli à faible et à fort potentiel d’IMIN, qui ont été utilisés dans une tâche typique de rappel libre/reconnaissance, premièrement avec des francophones (pour qui les pièces étaient familières) et ensuite avec des non-francophones (pour qui les pièces étaient non-familières). Globalement, les pièces à fort potentiel d’IMIN étaient mieux rappelées et reconnues que les pièces à faible potentiel. Une dernière étude a investigué l’impact de la variabilité inter-stimulus du timbre sur les résultats précédents, en demandant à une chanteuse d’enregistrer les lignes vocales des pièces et en répétant l’expérience avec ces nouveaux stimuli. La différence précédemment observée entre les stimuli à fort et à faible potentiel d’IMIN dans la tâche de reconnaissance a ainsi disparu, ce qui suggère que le timbre est une caractéristique importante pour le potentiel d’IMIN. En guise de conclusion, nous suggérons que les phénomènes mentaux et les mécanismes cognitifs jouant un rôle dans les autres types de souvenirs involontaires peuvent aussi s’appliquer à l’IMIN. Dépendamment du contexte, la récupération mnésique des pièces peut résulter de la répétition en mémoire à court terme, de l’amorçage à court et long terme ou de l’indiçage provenant de stimuli dans l’environnement ou les pensées. Une des plus importantes différences observables entre l’IMIN et les autres souvenirs involontaires est la répétition. Nous proposons que la nature même de la musique, qui est définie par la répétition à un niveau micro- et macro-structurel en est responsable.

Instabilities in threshold-diffusion equations with delay

The introduction of delays into ordinary or partial differential equation models is well known to facilitate the production of rich dynamics ranging from periodic solutions through to spatio-temporal chaos. In this paper we consider a class of scalar partial differential equations with a delayed threshold nonlinearity which admits exact solutions for equilibria, periodic orbits and travelling waves. Importantly we show how the spectra of periodic and travelling wave solutions can be determined in terms of the zeros of a complex analytic function. Using this as a computational tool to determine stability we show that delays can have very different effects on threshold systems with negative as opposed to positive feedback. Direct numerical simulations are used to confirm our bifurcation analysis, and to probe some of the rich behaviour possible for mixed feedback.

Bcl-xL (S49) and (S62) sequential phosphorylation/dephosphorylation during mitosis prevents chromosome instability and aneuploidy

Une caractéristique intéressante de la protéine Bcl-xL est la présence d'un domaine en boucle non-structurée entre les hélices α1 and α2 de la protéine. Ce domaine protéique n'est pas essentiel pour sa fonction anti-apoptotique et absent chez CED-9, la protéine orthologue chez Caenorhabditis elegans. A l'intérieur de ce domaine, Bcl-xL subit une phosphorylation et déphosphorylation dynamique sur les résidus Ser49 et Ser62 en phase G2 du cycle cellulaire et lors de la mitose. Lorsque ces résidus sont mutés et les protéines exprimées dans des cellules cancéreuses, les cellules démontrent plusieurs défauts mitotiques liés à l'instabilité chromosomique. Pour analyser les effets de Bcl-xL Ser49 et Ser62 dans les cellules normales, les présentes études ont été réalisées dans des cellules diploïdes humaines normales, et in vivo chez Caenorhabditis elegans. Dans une première étude, nous avons utilisé la lignée cellulaire de cellules fibroblastiques diploïdes humaines normales BJ, exprimant Bcl-xL (type sauvage), (S49A), (S49D), (S62A), (S62D) et les double (S49/62A) et (S49/62D) mutants. Les cellules exprimant les mutants de phosphorylation ont montré des cinétiques de doublement de la population cellulaire réduites. Ces effets sur la cinétique de doublement de la population cellulaire corrèle avec l'apparition de la sénescence cellulaire, sans impact sur les taux de mort cellulaire. Ces cellules sénescentes affichent des phénotypes typiques de sénescence associés notamment à haut niveau de l'activité β-galactosidase associée à la sénescence, la sécrétion d' interleukine-6, l'activation de p53 et de p21WAF1/ Cip1, un inhibiteur des complexes kinase cycline-dépendant, ainsi que la formation de foyers de chromatine nucléaire associés à γH2A.X. Les analyses de fluorescence par hybridation in situ et des caryotypes par coloration au Giemsa ont révélé que l'expression des mutants de phosphorylation de Bcl-xL provoquent de l'instabilité chromosomique et l'aneuploïdie. Ces résultats suggèrent que les cycles de phosphorylation et déphosphorylation dynamiques de Bcl-xL Ser49 et Ser62 sont importants dans le maintien de l'intégrité des chromosomes lors de la mitose dans les cellules normales. Dans une deuxième étude, nous avons entrepris des expériences chez Caenorhabditis elegans pour comprendre l'importance des résidus Ser49 et Ser62 de Bcl-xL in vivo. Les vers transgéniques portant les mutations de Bcl-xL (S49A, S62A, S49D, S62D et S49/62A) ont été générés et leurs effets ont été analysés sur les cellules germinales des jeunes vers adultes. Les vers portant les mutations de Bcl-xL ont montré une diminution de ponte et d'éclosion des oeufs, des variations de la longueur de leurs régions mitotiques et des zones de transition, des anomalies chromosomiques à leur stade de diplotène, et une augmentation de l'apoptose des cellules germinales. Certaines de ces souches transgéniques, en particulier les variants Ser/Ala, ont également montré des variations de durée de vie par rapport aux vers témoins. Ces observations in vivo ont confirmé l'importance de Ser49 et Ser62 à l'intérieur du domaine à boucle de Bcl-xL pour le maintien de la stabilité chromosomique. Ces études auront une incidence sur les futures stratégies visant à développer et à identifier des composés qui pourraient cibler non seulement le domaine anti-apoptotique de la protéine Bcl-xL, mais aussi son domaine mitotique pour la thérapie du cancer.

Delays in activity based neural networks

In this paper we study the effect of two distinct discrete delays on the dynamics of a Wilson-Cowan neural network. This activity based model describes the dynamics of synaptically interacting excitatory and inhibitory neuronal populations. We discuss the interpretation of the delays in the language of neurobiology and show how they can contribute to the generation of network rhythms. First we focus on the use of linear stability theory to show how to destabilise a fixed point, leading to the onset of oscillatory behaviour. Next we show for the choice of a Heaviside nonlinearity for the firing rate that such emergent oscillations can be either synchronous or anti-synchronous depending on whether inhibition or excitation dominates the network architecture. To probe the behaviour of smooth (sigmoidal) nonlinear firing rates we use a mixture of numerical bifurcation analysis and direct simulations, and uncover parameter windows that support chaotic behaviour. Finally we comment on the role of delays in the generation of bursting oscillations, and discuss natural extensions of the work in this paper.

Études d'ingénierie du ribozyme VS de Neurospora

Les ribozymes sont des ARN catalytiques fréquemment exploités pour le développement d’outils biochimiques et d’agents thérapeutiques. Ils sont particulièrement intéressants pour effectuer l’inactivation de gènes, en permettant la dégradation d’ARNm ou d’ARN viraux associés à des maladies. Les ribozymes les plus utilisés en ce moment pour le développement d’agents thérapeutiques sont les ribozymes hammerhead et hairpin, qui permettent la reconnaissance spécifique d’ARN simple brin par la formation de structures secondaires stables. In vivo, la majorité des ARN adoptent des structures secondaires et tertiaires complexes et les régions simples brins sont parfois difficiles d’accès. Il serait intéressant de pouvoir cibler des ARN repliés et un motif d’ARN intéressant à cibler est la tige-boucle d’ARN qui peut être importante dans le repliement global des ARN et pour accomplir des fonctions biologiques. Le ribozyme VS de Neurospora fait la reconnaissance de son substrat replié en tigeboucle de façon spécifique par une interaction kissing-loop, mais il n’a jamais été exploité pour faire la reconnaissance d’un ARN cible très différent de son substrat naturel. Le but des travaux présentés dans cette thèse est de déterminer si le ribozyme VS possède l’adaptabilité nécessaire pour l’ingénierie de ribozymes qui clivent des ARN cibles différents du substrat naturel. Dans le cadre de cette thèse, le ribozyme VS a été modifié pour l’adapter à différents substrats et des études de cinétiques ont été réalisées pour évaluer l’impact de ces modifications sur l’activité de clivage du ribozyme. Dans un premier temps, le ribozyme a été modifié pour faire la reconnaissance et le clivage de substrats possédant différentes longueurs de tiges Ib. Le ribozyme a été adapté avec succès à ces substrats de différentes longueurs de tige Ib, avec une activité qui est similaire à celle du ribozyme avec un substrat sans modification. Dans un deuxième temps, c’est l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme qui a été substituée de façon rationnelle, dans le but de savoir si un ribozyme VS mutant peut reconnaitre et cliver un substrat ayant une boucle différente de celle de son substrat naturel. L’interaction kissing-loop I/V a été substituée pour les interactions kissing-loop TAR/TAR* de l’ARN du VIH-1 et L22/L88 de l’ARN 23S de Deinococcus radiodurans. La réaction de iii clivage des ribozymes comportant ces nouvelles interactions kissing-loop est toujours observée, mais avec une activité diminuée. Finalement, la sélection in vitro (SELEX) de ribozymes a été effectuée pour permettre un clivage plus efficace d’un substrat mutant avec une nouvelle boucle. Le SELEX a permis la sélection d’un ribozyme qui clive un substrat avec une boucle terminale mutée pour celle de l’ARN TAR du VIH-1 et cela avec une activité de clivage très efficace. L’ensemble de ces études démontre que le ribozyme VS peut être modifié de diverses façons pour la reconnaissance spécifique de différents substrats, tout en conservant une bonne activité de clivage. Ces résultats montrent le grand potentiel d’ingénierie du ribozyme VS et sont prometteurs pour la poursuite d’études d’ingénierie du ribozyme VS, en vue du clivage d’ARN cibles repliés en tige-boucle complètement différents du substrat naturel du ribozyme VS.

Aerosol transport in a bifurcating tube at cyclic flow

Branching tube flow is a common feature of many fields of science and technology, and occurs both in animate and inanimate systems [1]. The transport of aerosol particles is of particular importance in industrial flow networks but also for the respiratory tree [2]. In this analysis a 3-D numerical study is performed to investigate transport and deposition of aerosol particles in branching tubes. Bifurcation tubes designed according to Hess-Murray law [3] but with different branching angles are analyzed. This study covers cyclic flow conditions at frequencies of 0.25 Hz, 0.50 Hz and 0.75 Hz, Stokes numbers ranging between 0.03 and 0.25, and Reynolds numbers up to 3000.

Mode locking in a spatially extended neuron model: active soma and compartmental tree

Understanding the mode-locked response of excitable systems to periodic forcing has important applications in neuroscience. For example it is known that spatially extended place cells in the hippocampus are driven by the theta rhythm to generate a code conveying information about spatial location. Thus it is important to explore the role of neuronal dendrites in generating the response to periodic current injection. In this paper we pursue this using a compartmental model, with linear dynamics for each compartment, coupled to an active soma model that generates action potentials. By working with the piece-wise linear McKean model for the soma we show how the response of the whole neuron model (soma and dendrites) can be written in closed form. We exploit this to construct a stroboscopic map describing the response of the spatially extended model to periodic forcing. A linear stability analysis of this map, together with a careful treatment of the non-differentiability of the soma model, allows us to construct the Arnol'd tongue structure for 1:q states (one action potential for q cycles of forcing). Importantly we show how the presence of quasi-active membrane in the dendrites can influence the shape of tongues. Direct numerical simulations confirm our theory and further indicate that resonant dendritic membrane can enlarge the windows in parameter space for chaotic behavior. These simulations also show that the spatially extended neuron model responds differently to global as opposed to point forcing. In the former case spatio-temporal patterns of activity within an Arnol'd tongue are standing waves, whilst in the latter they are traveling waves.

Análise estequiométrica da dinâmica não-linear de redes de reações químicas

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2016.

INTEGRATED THRESHOLD-ACTIVATED FEEDBACK MICROSYSTEM FOR REAL-TIME CHARACTERIZATION, SENSING AND TREATMENT OF BACTERIAL BIOFILMS

Biofilms are the primary cause of clinical bacterial infections and are impervious to typical amounts of antibiotics, necessitating very high doses for treatment. Therefore, it is highly desirable to develop new alternate methods of treatment that can complement or replace existing approaches using significantly lower doses of antibiotics. Current standards for studying biofilms are based on end-point studies that are invasive and destroy the biofilm during characterization. This dissertation presents the development of a novel real-time sensing and treatment technology to aid in the non-invasive characterization, monitoring and treatment of bacterial biofilms. The technology is demonstrated through the use of a high-throughput bifurcation based microfluidic reactor that enables simulation of flow conditions similar to indwelling medical devices. The integrated microsystem developed in this work incorporates the advantages of previous in vitro platforms while attempting to overcome some of their limitations. Biofilm formation is extremely sensitive to various growth parameters that cause large variability in biofilms between repeated experiments. In this work we investigate the use of microfluidic bifurcations for the reduction in biofilm growth variance. The microfluidic flow cell designed here spatially sections a single biofilm into multiple channels using microfluidic flow bifurcation. Biofilms grown in the bifurcated device were evaluated and verified for reduced biofilm growth variance using standard techniques like confocal microscopy. This uniformity in biofilm growth allows for reliable comparison and evaluation of new treatments with integrated controls on a single device. Biofilm partitioning was demonstrated using the bifurcation device by exposing three of the four channels to various treatments. We studied a novel bacterial biofilm treatment independent of traditional antibiotics using only small molecule inhibitors of bacterial quorum sensing (analogs) in combination with low electric fields. Studies using the bifurcation-based microfluidic flow cell integrated with real-time transduction methods and macro-scale end-point testing of the combination treatment showed a significant decrease in biomass compared to the untreated controls and well-known treatments such as antibiotics. To understand the possible mechanism of action of electric field-based treatments, fundamental treatment efficacy studies focusing on the effect of the energy of the applied electrical signal were performed. It was shown that the total energy and not the type of the applied electrical signal affects the effectiveness of the treatment. The linear dependence of the treatment efficacy on the applied electrical energy was also demonstrated. The integrated bifurcation-based microfluidic platform is the first microsystem that enables biofilm growth with reduced variance, as well as continuous real-time threshold-activated feedback monitoring and treatment using low electric fields. The sensors detect biofilm growth by monitoring the change in impedance across the interdigitated electrodes. Using the measured impedance change and user inputs provided through a convenient and simple graphical interface, a custom-built MATLAB control module intelligently switches the system into and out of treatment mode. Using this self-governing microsystem, in situ biofilm treatment based on the principles of the bioelectric effect was demonstrated by exposing two of the channels of the integrated bifurcation device to low doses of antibiotics.

Nonlinear development of matrix-converter instabilities

Matrix converters convert a three-phase alternating-current power supply to a power supply of a different peak voltage and frequency, and are an emerging technology in a wide variety of applications. However, they are susceptible to an instability, whose behaviour is examined herein. The desired “steady-state” mode of operation of the matrix converter becomes unstable in a Hopf bifurcation as the output/input voltage transfer ratio, q, is increased through some threshold value, qc. Through weakly nonlinear analysis and direct numerical simulation of an averaged model, we show that this bifurcation is subcritical for typical parameter values, leading to hysteresis in the transition to the oscillatory state: there may thus be undesirable large-amplitude oscillations in the output voltages even when q is below the linear stability threshold value qc.

Multiple solutions and numerical analysis to the dynamic and stationary models coupling a delayed energy balance model involving latent heat and discontinuous albedo with a deep ocean

We study a climatologically important interaction of two of the main components of the geophysical system by adding an energy balance model for the averaged atmospheric temperature as dynamic boundary condition to a diagnostic ocean model having an additional spatial dimension. In this work, we give deeper insight than previous papers in the literature, mainly with respect to the 1990 pioneering model by Watts and Morantine. We are taking into consideration the latent heat for the two phase ocean as well as a possible delayed term. Non-uniqueness for the initial boundary value problem, uniqueness under a non-degeneracy condition and the existence of multiple stationary solutions are proved here. These multiplicity results suggest that an S-shaped bifurcation diagram should be expected to occur in this class of models generalizing previous energy balance models. The numerical method applied to the model is based on a finite volume scheme with nonlinear weighted essentially non-oscillatory reconstruction and Runge–Kutta total variation diminishing for time integration.

Engineered atherosclerosis-specific zinc ferrite nanocomplex-based MRI contrast agents

BACKGROUND: Cardiovascular diseases are the most prevalent cause of morbidity and mortality affecting millions of people globally. The most effective way to counter cardiovascular complications is early diagnosis and the safest non-invasive diagnostic approach is magnetic resonance imaging (MRI). In this study, superparamagnetic ferrite nanoparticles doped with zinc, exhibiting highly enhanced saturation magnetization and T2 and computed tomography (CT) contrast were synthesized. These nanoparticles have been strategically engineered using bovine lactoferrin (Lf), polyethylene glycol (PEG), and heat shock protein (Hsp)-70 antibody specifically targeting atherosclerosis with potential therapeutic value. The nanocomplexes were further validated in vitro to assess their cytotoxicity, internalization efficiency, effects on cellular proliferation and were assessed for MRI as well as X-ray CT in ex vivo Psammomys obesus rat model.

RESULTS: Optimized zinc doped ferrite nanoparticles (Zn0.4Fe2.6O4) with enhanced value of maximum saturation magnetization value on 108.4 emu/g and an average diameter of 24 ± 2 nm were successfully synthesized. Successfully incorporation with bovine lactoferrin, PEG and Hsp-70 (70 kDa) antibody led to synthesis of spherical nanocomplexes (size 224.8 nm, PDI 0.398). A significantly higher enhancement in T2 (p < 0.05, 1.22-fold) and slightly higher T1 (1.09-fold) and CT (1.08-fold) contrast compared to commercial ferrite nanoparticles was observed. The nanocomplexes exhibited effective cellular internalization within 2 h in both THP-1 and Jurkat cells. MRI scans of contrast agent injected animal revealed significant arterial narrowing and a significantly higher T2 (p < 0.05, 1.71-fold) contrast in adult animals when compared to juvenile and control animals. The excised heart and aorta agar phantoms exhibited weak MRI contrast enhancement in juvenile animal but significant contrast enhancement in adult animal specifically at the aortic arch, descending thoracic aorta and iliac bifurcation region with X-ray CT scan. Histological investigation of the contrast agent injected aorta and heart confirmed site target-specific accumulation at the atherosclerotic aortic arch and descending thoracic aorta of the adult animal with severely damaged intima full of ruptured microatheromas.

CONCLUSION: Overall, the study demonstrates the strategic development of nanocomplex based bimodal MRI and CT contrast agents and its validation on Psammomys obesus for atherosclerosis diagnostics.

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.

Échanges d’énergie et d’eau des écosystèmes nordiques dans un contexte de changement climatique

Le réchauffement climatique affecte fortement les régions nordiques du Canada où le dégel du pergélisol discontinu à sa limite sud est accompagné du mouvement de la limite des arbres vers le nord en zone de pergélisol continu. Ces altérations faites aux paysages de la Taïga des Plaines sont le point de départ de plusieurs rétroactions puisque les changements apportés aux caractéristiques de la surface (au niveau de l’albédo, l’humidité du sol et la rugosité de la surface) vont à leur tour entraîner des modifications biophysiques et éventuellement influencer l’augmentation ou la diminution subséquente des températures et de l’humidité de l’air. Seulement, il y a un nombre important de facteurs d’influence qu’il est difficile de projeter toutes les boucles rétroactives qui surviendront avec les présents changements climatiques en régions nordiques. Dans le but de caractériser les échanges d’eau et d’énergie entre la surface et l’atmosphère de trois sites des Territoires du Nord-Ouest subissant les conséquences de l’augmentation des températures de l’air, la méthode micro-météorologique de covariance des turbulences fut utilisée en 2013 aux sites de Scotty Creek (forêt boréale et tourbière nordique en zone de pergélisol sporadique-discontinu), de Havikpak Creek (forêt boréale nordique en zone de pergélisol continu) et de Trail Valley Creek (toundra arctique en zone de pergélisol continu). En identifiant les procédés biotiques et abiotiques (ex. intensité lumineuse, disponibilité en eau, etc.) d’évapotranspiration aux trois sites, les contrôles par l’eau et l’énergie furent caractérisés et permirent ainsi de projeter une augmentation de la limitation en eau, mais surtout en énergie du site de Trail Valley Creek. La répartition de l’énergie projetée est semblable à celle de Havikpak Creek, avec une augmentation de la proportion du flux de chaleur sensible au détriment de celui latent suite aux modifications des caractéristiques de la surface (albédo, rugosité et humidité du sol). L’augmentation relative du flux d’énergie sensible laisse présager une boucle rétroactive positive de l’augmentation des températures de l’air à ce site. Ensuite, en comparant des données modelées de la hauteur de la couche limite planétaire et des données provenant de profils atmosphériques d’Environnement Canada entre les trois sites, les changements de hauteur de cette couche atmosphérique furent aussi projetés. Trail Valley Creek pourrait connaître une hausse de la hauteur de sa couche limite planétaire avec le temps alors que Scotty Creek connaîtrait une diminution de celle-ci. Ces changements au niveau des couches atmosphériques liés à la répartition des flux d’énergie dans les écosystèmes se répercuteraient alors sur le climat régional de façon difficile à déterminer pour l’instant. Les changements apportés désignent une boucle rétroactive positive des températures de l’air à Trail Valley Creek et l’inverse à Scotty Creek. Les deux axes d’analyse arrivent donc aux mêmes conclusions et soulignent aussi l’importance de l’influence mutuelle entre le climat et les caractéristiques spécifiques des écosystèmes à la surface.