Stimulus statistics shape oscillations in nonlinear recurrent neural networks.

Rhythmic activity plays a central role in neural computations and brain functions ranging from homeostasis to attention, as well as in neurological and neuropsychiatric disorders. Despite this pervasiveness, little is known about the mechanisms whereby the frequency and power of oscillatory activity are modulated, and how they reflect the inputs received by neurons. Numerous studies have reported input-dependent fluctuations in peak frequency and power (as well as couplings across these features). However, it remains unresolved what mediates these spectral shifts among neural populations. Extending previous findings regarding stochastic nonlinear systems and experimental observations, we provide analytical insights regarding oscillatory responses of neural populations to stimulation from either endogenous or exogenous origins. Using a deceptively simple yet sparse and randomly connected network of neurons, we show how spiking inputs can reliably modulate the peak frequency and power expressed by synchronous neural populations without any changes in circuitry. Our results reveal that a generic, non-nonlinear and input-induced mechanism can robustly mediate these spectral fluctuations, and thus provide a framework in which inputs to the neurons bidirectionally regulate both the frequency and power expressed by synchronous populations. Theoretical and computational analysis of the ensuing spectral fluctuations was found to reflect the underlying dynamics of the input stimuli driving the neurons. Our results provide insights regarding a generic mechanism supporting spectral transitions observed across cortical networks and spanning multiple frequency bands.

Good genes and good luck: Ammonoid diversity and the end-Permian mass extinction

The end-Permian mass extinction removed more than 80% of marine genera. Ammonoid cephalopods were among the organisms most affected by this crisis. The analysis of a global diversity data set of ammonoid genera covering about 106 million years centered on the Permian-Triassic boundary (PTB) shows that Triassic ammonoids actually reached levels of diversity higher than in the Permian less than 2 million years after the PTB. The data favor a hierarchical rather than logistic model of diversification coupled with a niche incumbency hypothesis. This explosive and nondelayed diversification contrasts with the slow and delayed character of the Triassic biotic recovery as currently illustrated for other, mainly benthic groups such as bivalves and gastropods.

Bioelectrochemical Treatment of Contaminated Groundwater

To remove these pollutants from groundwater, different technologies can be used. Currently, the Environmental Protection Agency (EPA) considers ion exchange, reverse osmosis and reverse electrodialysis to be effective methods for the decrease of their concentrations, below their limit in drinking water. These technologies have some drawbacks, such as low selectivity towards the target pollutant, high energy or chemicals requirements, and the generation of waste brine (pollutants are separated from water, not treated), which require an additional treatment. Bio Electro Chemical Systems (BES) could fill this niche

Phenotypic plasticity in salmonid embryos : characterizing pathogen-induced stress effects on heritable variation in traits and reaction norms

Les pressions écologiques peuvent varier tant en nature qu'en intensité dans le temps et l'espace. C'est pourquoi, un phénotype unique ne peut pas forcément conférer la meilleure valeur sélective. La plasticité phénotypique peut être un moyen de s'accommoder de cette situation, en augmentant globalement la tolérance aux changements environnementaux. Comme pour tout trait de caractère, une variation génétique doit persister pour qu'évoluent les traits plastiques dans une population donnée. Cependant, les pressions extérieures peuvent affecter l'héritabilité, et la direction de ces changements peut dépendre du caractère en question, de l'espèce mais aussi du type de stress. Dans la présente thèse, nous avons cherché à élucider les effets des pressions pathogéniques sur les phénotypes et la génétique quantitative de plusieurs traits plastiques chez les embryons de deux salmonidés, la palée (Coregonus palaea), et la truite de rivière (Salmo trutta). Les salmonidés se prêtent à de telles études du fait de leur extraordinaire variabilité morphologique, comportementale et des traits d'histoire de vie. Par ailleurs, avec le déclin des salmonidés dans le monde, il est important de savoir combien la variabilité génétique persiste dans les normes de réaction afin d'aider à prédire leur capacité à répondre aux changements de leur milieu. Nous avons observé qu'une augmentation de la croissance des communautés microbiennes symbiotiques entraînait une mortalité accrue et une éclosion précoce chez la palée, et dévoilait la variance génétique additive pour ces deux caractères (Chapitres 1-2). Bien qu'aucune variation génétique n'ait été trouvée pour les normes de réaction, nous avons observé une variabilité de la plasticité d'éclosion. Néanmoins, on a trouvé que les temps d'éclosion étaient corrélés entre les environnements, ce qui pourrait limiter l'évolution de la norme de réaction. Le temps d'éclosion des embryons est lié à la taille des géniteurs mâles, ce qui indique des effets pléiotropiques. Dans le Chapitre 3, nous avons montré qu'une interaction triple entre la souche bactérienne {Pseudomonas fluorescens}, l'état de dévelopement de l'hôte ainsi que ses gènes ont une influence sur la mortalité, le temps d'éclosion et la taille des alevins de la palée. Nous avons démontré qu'une variation génétique subsistait généralement dans les normes de réaction des temps d'éclosion, mais rarement pour la taille des alevins, et jamais pour la mortalité. Dans le même temps, nous avons exhibé que des corrélations entre environnements dépendaient des caractères phénotypiques, mais contrairement au Chapitre 2, nous n'avons pas trouvé de preuve de corrélations transgénérationnelles. Le Chapitre 4 complète le chapitre précédent, en se plaçant du point de vue moléculaire, et décrit comment le traitement d'embryons avec P. fluorescens s'est traduit par une régulation négative d'expression du CMH-I indépendemment de la souche bactérienne. Nous avons non seulement trouvé une variation génétique des caractères phénotypiques moyens, mais aussi de la plasticité. Les deux derniers chapitres traitent de l'investigation, chez la truite de rivière, des différences spécifiques entre populations pour des normes de réaction induites par les pathogènes. Dans le Chapitre 5, nous avons illustré que le métissage entre des populations génétiquement distinctes n'affectait en rien la hauteur ou la forme des normes de réaction d'un trait précoce d'histoire de vie suite au traitement pathogénique. De surcroît, en dépit de l'éclosion tardive et de la réduction de la taille des alevins, le traitement n'a pas modifié la variation héritable des traits de caractère. D'autre part, dans le Chapitre 6, nous avons démontré que le traitement d'embryons avec des stimuli contenus dans l'eau de conspécifiques infectés a entraîné des réponses propre à chaque population en terme de temps d'éclosion ; néanmoins, nous avons observé peu de variabilité génétique des normes de réaction pour ce temps d'éclosion au sein des populations. - Ecological stressors can vary in type and intensity over space and time, and as such, a single phenotype may not confer the highest fitness. Phenotypic plasticity can act as a means to accommodate this situation, increasing overall tolerance to environmental change. As with any trait, for plastic traits to evolve in a population, genetic variation must persist. However, environmental stress can alter trait heritability, and the direction of this shift can be trait, species, and stressor-dependent. In this thesis, we sought to understand the effects of pathogen stressors on the phenotypes and genetic architecture of several plastic traits in the embryos of two salmonids, the whitefish (Coregonus palaea), and the brown trout (Salmo trutta). Salmonids lend themselves to such studies because their extraordinary variability in morphological, behavioral, and life-history traits. Also, with declines in salmonids worldwide, knowing how much genetic variability persists in reaction norms may help predict their ability to respond to environmental change. We found that increasing growth of symbiotic microbial communities increased mortality and induced hatching in whitefish, and released additive genetic variance for both traits (Chapters 1-2). While no genetic variation was found for survival reaction norms, we did find variability in hatching plasticity. Nevertheless, hatching time was correlated across environments, which could constrain evolution of the reaction norm. Hatching time in the induced environment was also correlated to sire size, indicating pleiotropic effects. In Chapter 3 we report that a three-way interaction between bacterial strain (Pseudomonas fluorescens), host developmental stage, and host genetics impacted mortality, hatching time, and hatchling size in whitefish. We also showed that genetic variation generally persisted in hatching age reaction norms, but rarely for hatchling length, and never for mortality. At the same time, we demonstrated that cross-environmental correlations were trait-dependent, and unlike Chapter 2, we found no evidence of cross-generational correlations. Chapter 4 expands on the previous chapter, moving to the molecular level, and describes how treatment of embryos with P. fluorescens resulted in strain-independent downregulation of MHC class I. Genetic variation was evident not only in trait means, but also in plasticity. In the last two chapters, we investigated population level differences in pathogen- induced reaction norms in brown trout. In Chapter 5, we found that interbreeding between genetically distinct populations did not affect the elevation or shapes of the reaction norms of early life-history traits after pathogen challenge. Moreover, despite delaying hatching and reducing larval length, treatment produced no discernable shifts in heritable variation in traits. On the other hand, in Chapter 6, we found that treatment of embryos with water-borne cues from infected conspecifics elicited population-specific responses in terms of hatching time; however, we found little evidence of genetic variability in hatching reaction norms within populations. We have made considerable progress in understanding how pathogen stressors affect various early life-history traits in salmonid embryos. We have demonstrated that the effect of a particular stressor on heritable variation in these traits can vary according to the trait and species under consideration, in addition to the developmental stage of the host. Moreover, we found evidence of genetic variability in some, but not all reaction norms in whitefish and brown trout.

Evolutionary dynamics of interlinked public goods traits: an experimental study of siderophore production in Pseudomonas aeruginosa.

Public goods cooperation is common in microbes, and there is much interest in understanding how such traits evolve. Research in recent years has identified several important factors that shape the evolutionary dynamics of such systems, yet few studies have investigated scenarios involving interactions between multiple public goods. Here, we offer general predictions about the evolutionary trajectories of two public goods traits having positive, negative or neutral regulatory influence on one another's expression, and we report on a test of some of our predictions in the context of Pseudomonas aeruginosa's production of two interlinked iron-scavenging siderophores. First, we confirmed that both pyoverdine and pyochelin siderophores do operate as public goods under appropriate environmental conditions. We then tracked their production in lines experimentally evolved under different iron-limitation regimes known to favour different siderophore expression profiles. Under strong iron limitation, where pyoverdine represses pyochelin, we saw a decline in pyoverdine and a concomitant increase in pyochelin - consistent with expansion of pyoverdine-defective cheats derepressed for pyochelin. Under moderate iron limitation, pyochelin declined - again consistent with an expected cheat invasion scenario - but there was no concomitant shift in pyoverdine because cross-suppression between the traits is unidirectional only. Alternating exposure to strong and moderate iron limitation caused qualitatively similar though lesser shifts compared to the constant-environment regimes. Our results confirm that the regulatory interconnections between public goods traits can significantly modulate the course of evolution, yet also suggest how we can start to predict the impacts such complexities will have on phenotypic divergence and community stability.

Proton NMR of (15)N-choline metabolites enhanced by dynamic nuclear polarization.

Chemical shifts of protons can report on metabolic transformations such as the conversion of choline to phosphocholine. To follow such processes in vivo, magnetization can be enhanced by dynamic nuclear polarization (DNP). We have hyperpolarized in this manner nitrogen-15 spins in (15)N-labeled choline up to 3.3% by irradiating the 94 GHz electron spin resonance of admixed TEMPO nitroxide radicals in a magnetic field of 3.35 T during ca. 3 h at 1.2 K. The sample was subsequently transferred to a high-resolution magnet, and the enhanced polarization was converted from (15)N to methyl- and methylene protons, using the small (2,3)J((1)H,(15)N) couplings in choline. The room-temperature lifetime of nitrogen polarization in choline, T(1)((15)N) approximately 200 s, could be considerably increased by partial deuteration of the molecule. This procedure enables studies of choline metabolites in vitro and in vivo using DNP-enhanced proton NMR.

Environmental changes in the aftermath of Neoproterozoic glaciations: a biogeochemical study of sediments from SW-Gondwana

Abstract The late Neoproterozoic or Ediacaran period, (635 to -543 Ma) is a primordial time in the Earth history corresponding to the beginning of animal life and the most extreme ice ages on Earth. In this dissertation, palaeoenvironmental conditions were reconstructed for Ediacaran, post-Gaskiers shelf deposits in SW- Gondwana and their changes were evaluated according to the diversity of organisms. The present study addresses the question of interactions between biodiversity and environmental change by using the elemental and isotopic geochemistry of sedimentary rocks and associated organic matter, as well as the distribution of hydrocarbon biomarkers. The studied sedimentary sequences are from a large basin extended from the Paraguay belt to the Rio de la Plata craton, including the Corumbâ Group in SW-Brazil (Paraguay belt), the Arroyo del Soldado Group in Uruguay and the Sierras Bayas Group in Argentina (both in the Rio de la Plata craton). Several geochemical signatures of the sediments from Corumbâ and Sierras Bayas groups provides evidence for an euxinic setting in the Ediacaran Ocean: 1) The occurrence of syngenetic pyrite in the Corumbâ Group together with hydrocarbon biomarkers of an anoxic microbial consortium including traces of gammacerane, a distribution of hopanes with maxima at C29 as well as a low pristane/phytane (Pr/Ph) ratio; 2) the occurrence of 34S enrichments within sulfides of the Sierras Bayas Group exceeding the sulfur isotopic composition of coeval carbonate-associated sulfate. In the Arroyo del Soldado Group, an event of reducing conditions was revealed by higher concentrations of redox-sensitive trace elements and negative 513Ccar shifts in all sections. This event is extended to the whole unit in the deepest section and is restricted to tempestites in the two other shallow sections. The persistent negative. ôl3Ccar values recorded at the basinal setting implies strong isotopic gradient between shallow and deep water environments and therefore, a locus of deposition below the redox chemocline. In all studied sections, the excursions, the strong enrichment of authigenic trace-elements, the occurrence of longer chain «-alkanes, gammacerane and low Pr/Ph and Ph/>;-C]a ratios, combined with the previous sedimentological and paleontological observations indicate that the chemistry of the ocean was strongly controlled by the oxygen availability; waters being moderately oxic at the surface and anoxic at depth for much of the Neoproterozoic. This water column stratification was favourable to the storage of large amounts of nutrients in the deep ocean. During upwelling periods, the export of these nutrient-rich waters may have triggered an important bioproductivity in surface waters. Drops in Al3Cc,,.](Cr and positive ôl3Ccllr excursions highlight the increase in primary productivity. Preservation of organic carbon was ensured by reducing conditions at the bottom. The Al3ccar.kcr excursions could also reflect changes in the composition of the primary biomass. New geochemical evidence from SW-Gondwana sections supports a stratified Ediacaran ocean, outside restricted or hypersaline environments, in the aftermath of glaciations. The association of ocean stratification and the appearance of metazoans support the model that the evolution of eukaryotic life was related to the increase of oxygen levels in surface environments due to an efficient recycling of nutrients in the anoxic deep ocean. Résumé Le Néoprotérozoïque terminal, ou Édiacarien (635 à -543 Ma), est un période de première importance dans l'histoire de la Terre, car elle correspond a l'apparition des métazoaires pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Le présent mémoire se propose de reconstituer les conditions paléoenvironnementales des dépôts de plateforme mis en place durant l'Édiacarien, au sud-ouest du Gondwana. Les interactions entre changements environnementaux et biodiversité sont évaluées en s'appuyant d'une part sur la composition élémentaire et isotopique des roches sédimentaires et de leur matière organique, et d'autre part sur la distribution moléculaire de biomarqueurs hydrocarbonés. Les séquences sédimentaires étudiées proviennent d'un grand bassin qui s'étend de la chaîne du Paraguay jusqu'au craton du Rio de la Plata. La séquence du Groupe Corumbâ au Sud Ouest du Brésil se situe dans la chaîne du Paraguay, tandis que le Groupe Arroyo del Soldado en Uruguay et le Groupe Sierras Bayas en Argentine sont situés sur le craton du Rio de la Plata. L'étude géochimique des sédiments des groupes Corumbâ et Sierras Bayas révèle de façon claire des conditions euxiniques dans l'océan édiacarien. On trouve ainsi, dans le Groupe Corumbâ, les biomarqueurs d'un cortège microbien anoxique et sulfurique comprenant des bactéries sulfato-réductrices, et dans les sulfures du Groupe Sierras Bayas, des enrichissements en Î4S excédant les rapports isotopiques du soufre dans le sulfate cogénétique associé aux carbonates. Dans la séquence de l'Arroyo del Soldado, un événement réducteur est mis en évidence par des teneurs plus élevées en éléments traces sensibles aux conditions redox et par des excursions négatives du 613Ccardans toutes les coupes. Cet événement affecte la totalité de la section la plus profonde et n'apparaît que dans les tempestites dans les sections les moins profondes. La persistance de valeurs négatives du ô13Ccarau large implique un gradient isotopique prononcé entre les environnements superficiels et profonds, et donc, ta présence d'une chémocline redox. Les excursions du. ôBCcar, l'enrichissement authigène en éléments traces, la présence de gammacérane et de rt-alcanes à longue chaîne, ainsi que de faibles rapports Pr/Ph et Ph/«-Cl8, viennent s'ajouter aux observations préliminaires sur la sédimentologie et la paléontologie pour indiquer que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, les eaux étant modérément oxiques à la surface et anoxiques en profondeur pendant la plus grande partie du Néoprotérozoïque. La stratification de la colonne d'eau était favorable au stockage de grandes quantités de nutriments dans l'océan profond. Dans les zones d'upwelling, la migration d'eaux profondes riches en nutriment vers la surface a pu provoquer une bioproductivité prononcée dans les eaux de surface. La conservation du carbone organique était assurée par les conditions anoxiques prévalant au fond. Les excursions du A13Ccar.kt.r pourraient aussi refléter des changements dans la biomasse primaire. Le présent travail apporte donc de nouvelles preuves qu'un océan stratifié s'est maintenu à la suite des glaciations néoprotérozoïques dans le Sud Ouest du Gondwana. L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Résumé pour le grand public La période Ediacarienne (635 à -543 Ma) à la fin du Précambrien est l'une de plus énigmatiques dans l'histoire de la Terre, car elle est caractérisée par la diversification de la vie multicellulaire (eucaryote) pendant un intervalle de glaciations extrêmes. Dans ce travail de thèse, nous cherchons à déceler l'existence éventuelle d'un lien entre ces changements environnementaux et l'évolution de la vie eucaryote à travers une étude biogéochimique. La biogéochimie est l'étude des activités biologiques dans la géosphère, telles que celles intervenant dans les cycles des éléments chimiques (y compris les isotopes stables) et celles de production de composés carbonés caractérisant certains groups d'organismes ou taxons. La recherche des signatures paléoenvironnementales dans les roches précambriennes a été fortement facilitée par l'utilisation des biomarqueurs ou fossiles moléculaires. Ces composés, provenant des lipides biologiques (molécules avec des fonctions spécifiques dans les organismes), peuvent être reliés à des taxons spécifiques ou à des voies métaboliques. La transformation d'un biolipide en fossile moléculaire intervient lorsque des restes organiques déposés dans un substrat subissent un enfouissement et une augmentation de la pression (diagenèse). Ce processus mène à la formation de kérogène, un grand agrégat chimique de matière organique insoluble dans des solvants organiques, et de bitume ou fraction soluble (extractible) de la matière organique. L'analyse intégrée du kérogène et du bitume fournit des indications précieuses pour les reconstitutions paléoenvironnementales. Des conditions paléoenvironnementales ont ainsi été déterminées pour une plateforme marine Ediacarienne située dans la partie sud-américaine du bloc occidental du paléocontinent Gondwana. Les séquences sédimentaires étudiées appartiennent au même bassin qui s'étend de la ceinture du Paraguay (Groupe Corumbâ, Brésil) au craton du Rio de la Plata (Groupes Arroyo del Soldado, Uruguay et Sierras Bayas, Argentina). Nous nous sommes intéressés aux isotopes stables de carbonates et de la matière organique associée (kérogène et bitume), aux éléments majeurs et traces, ainsi qu'aux biomarqueurs caractérisant ces roches. Les résultats de cette dissertation suggèrent qu'au cours de l'Édiacarien, suite aux glaciations néoprotérozoïques dans le bloc occidental du Gondwana, l'océan était stratifié en zones spécifiques d'eaux riches en sulfures et dépourvues d'oxygène (euxiniques). L'association d'un océan stratifié et de l'apparition de la vie animale est en accord avec le modèle stipulant que l'évolution de la vie est associée à une meilleure oxygénation des environnements de surface. Les excursions isotopiques (tendance à des valeurs positives ou négatives) en constante fluctuation pour le carbone et très positives pour le soufre des sulfures, l'enrichissement en éléments trace et la présence de certains composés (e.g. gammacerane; Pr/Ph et Ph/«-Ci8 en basse proportion) conjugués aux observations sédimentologiques et paléontologiques des différents profils étudiés indiquent que la chimie de l'océan était fortement contrôlée par la disponibilité d'oxygène, avec des eaux modérément oxygénées en surface et euxiniques en profondeur pour la plupart du Néoprotérozoïque.

Changes in the use of broad-spectrum antibiotics after cefepime shortage: a time series analysis.

The original cefepime product was withdrawn from the Swiss market in January 2007, and replaced by a generic 10 months later. The goals of the study were to assess the impact of this cefepime shortage on the use and costs of alternative broad-spectrum antibiotics, on antibiotic policy, and on resistance of Pseudomonas aeruginosa towards carbapenems, ceftazidime and piperacillin-tazobactam. A generalized regression-based interrupted time series model assessed how much the shortage changed the monthly use and costs of cefepime and of selected alternative broad-spectrum antibiotics (ceftazidime, imipenem-cilastatin, meropenem, piperacillin-tazobactam) in 15 Swiss acute care hospitals from January 2005 to December 2008. Resistance of P. aeruginosa was compared before and after the cefepime shortage. There was a statistically significant increase in the consumption of piperacillin-tazobactam in hospitals with definitive interruption of cefepime supply, and of meropenem in hospitals with transient interruption of cefepime supply. Consumption of each alternative antibiotic tended to increase during the cefepime shortage and to decrease when the cefepime generic was released. These shifts were associated with significantly higher overall costs. There was no significant change in hospitals with uninterrupted cefepime supply. The alternative antibiotics for which an increase in consumption showed the strongest association with a progression of resistance were the carbapenems. The use of alternative antibiotics after cefepime withdrawal was associated with a significant increase in piperacillin-tazobactam and meropenem use and in overall costs, and with a decrease in susceptibility of P. aeruginosa in hospitals. This warrants caution with regard to shortages and withdrawals of antibiotics.

Generic brands and product differentiation strategies

Generic or own brand products were initially only lesser expensive copies of the branded label alternative, but nowadays, pricing alone is not enough in order to survive in the Fast Moving Consumer Goods (FMCG) or Consumer Packaged Goods (CPG)markets. With this in mind manufacturers of generic brands have adapted to this rapidlygrowing niche by investing in design and marketing during the initial phase in order to be perceived as having a quality product comparable to that of the branded products. In addition, they have gone further ahead with a second phase and resorted to innovativeproduct differentiation strategies and even pure innovation in many cases. These strategies have granted generic brands constantly increasing market shares and a position of equals relative to national brands.Using previous analyses and case studies, this paper will provide conceptual and empirical evidence to explain the surprisingly fast growth and penetration of generic supermarket brands, which in their relatively short lifespan, have grown to rival the historical market leaders, the branded products. According to this analysis, the main conclusion is that the growth in generic brands can be explained not only by price competition, but also by the use of innovative product differentiation strategies.

Diagnostic and identification in situ of fungal pathogens in superficial mycosis

Fungi are divided in 3 groups in the field of medical mycology. The dermatophytes are filamentous fungi able to grow on keratinized tissues from human or animals. They are the main cause of superficial and cutaneous mycoses of the skin and its appendix (hair and nail). The yeasts, or dimorphic fungi, can be responsible of diverse types of infections (superficial to deep mycoses). The moulds include all Non-dermatophyte Filamentous Fungi (NDF). In medical mycology, the most representative moulds are Aspergillus spp., Fusarium spp. and Mucor spp. Diagnosis of mycosis is currently based on direct mycological examination of biological samples, as well as macroscopic and microscopic identification of the infectious fungus in culture assay. However, culture assays were found to remain sterile in roughly 40% of cases otherwise positive by direct mycological examinations. Additionally, results from culture assays are often difficult to interpret as various NDF are sometimes isolated. This thesis work is composed of three projects focusing on the development of new assays for direct in situ identification of fungi from dermatological samples. Part 1. A Polymerase Chain Reaction - Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism assay (PCR-TRFLP) targeting the 28S rDNA was developed to identify dermatophytes and NDF in nails with suspected onychomycosis. This method is faster and more efficient than culture. It further enables the distinction of more than one agent in case of mixed infection. A fast and reliable assay for the identification of dermatophytes and NDF in onychomycosis was found to be highly relevant since onychomycosis with Fusarium spp. or other NDF are weakly responsive or unresponsive to standard onychomycosis treatments with oral terbinafine and itraconazole. Part 2. A nested PCR-sequencing assay targeting the 28S rDNA was developed to identify dermatophyte species in skin and hair samples. This method is especially suitable for tinea capitis where dermatophytes identification is critical for subsequently prescribing the adequate treatment. The challenge presented when performing direct PCR fungi identification in skin and hair differs from that seen in onychomycosis as small amount of material is generally collected, few fungal elements are present in the clinical sample and one dermatophyte among a dozen species must be identified. Part 3. Fusarium spp. is currently isolated from nails with a frequency of 15% of that of dermatophytes in the laboratory of Mycology of the CHUV (2005-2012). The aim of this work was to examine if the intensive use of terbinafine and itraconazole could be a cause of the high incidence of Fusarium nail infections. For that purpose, two different methods, specific PCR and TRFLP, were used to detect both Fusarium spp. and Trichophyton spp. in nails of previously treated or untreated patients. TRFLP assay was found to be less sensitive than classical PCR assays specifically detecting Fusarium spp. or Trichophyton spp. Independently of the detection method used, the prevalence of Fusarium spp. appears not to be higher in patients previously treated by oral standard treatment with terbinafine and azoles which are highly effective to fight Trichophyton spp. in nails. In many cases Fusarium sp. was detected in samples of patients not previously subjected to antifungal therapy. Therefore, these treatments do not appear to favor the establishment of Fusarium spp. after elimination of a dermatophyte in nail infection. - En mycologie médicale, les champignons sont classés en 3 groupes. Les dermatophytes sont des champignons filamenteux capables de se développer dans les tissus kératinisés des hommes et des animaux, ils représentent la principale cause des mycoses superficielles et cutanées de la peau et de ses appendices (ongles et cheveux). Les levures, ou champignons dimorphiques, peuvent être responsables de divers types d'infections (superficielles à profondes). Les moisissures incluent tous les champignons filamenteux non-dermatophytes (NDF), les Aspergillus spp., les Fusarium spp. et les Mucor spp. sont les principales espèces rencontrées. Le diagnostic d'une mycose est basé sur un examen mycologique direct des prélèvements biologiques ainsi que sur l'identification macroscopique et microscopique du champignon infectieux isolé en culture. Cependant, dans environ 40% des cas, l'identification de l'agent pathogène est impossible par cette méthode car la culture reste stérile, bien que l'examen direct soit positif. De plus, la croissance de moisissures et/ou autres contaminants peut rendre l'interprétation de l'examen difficile. Ce travail de thèse est composé de trois projets focalisés sur le développement de nouvelles méthodes d'identification des champignons directement à partir d'échantillons dermatologiques. Projet 1. Une méthode de Réaction en chaîne de polymérase couplée à du polymorphisme de longueur des fragments de restriction terminaux (PCR-TRFLP), en ciblant l'ADN ribosomal 28S, a été développée pour l'identification des dermatophytes et moisissures dans les ongles avec suspicion d'onychomycoses. Cette technique s'est avérée plus rapide et plus efficace que la culture, permettant l'identification de plusieurs champignons en même temps. Posséder une méthode d'identification rapide et fiable des dermatophytes et des NDF dans les onychomycoses a été jugée nécessaire du fait que les Fusarium et d'autres NDF sont peu ou pas sensibles aux traitements oraux standards à la terbinafine et à Γ itraconazole. Projet 2. Une PCR nichée couplée au séquençage d'un fragment de l'ADN ribosomal 28S a été développée afin de différencier les dermatophytes dans la peau et les cheveux. Cette méthode est particulièrement adaptée au cas de tinea capitis, où l'identification du dermatophyte est essentielle afin de prescrire le traitement adéquat. Le problème de l'identification du pathogène fongique dans les cheveux et la peau diffère des onychomycoses car de petites quantités sont prélevées chez les patients, peu d'éléments fongiques sont présents et il faut discriminer un dermatophyte parmi une douzaine d'espèces potentielles. Projet 3. Au laboratoire de Mycologie du CHUV, les Fusarium ont été isolé dans les ongles à une fréquence de 15% pour la période 2005-2012. Le but de ce travail était d'examiner si l'utilisation intensive de terbinafine et d'itraconazole pouvait être une des causes de la forte incidence des infections des ongles par Fusarium. A cet effet, deux méthodes ont été utilisées pour détecter à la fois Fusarium spp. et Trichophyton spp., la PCR spécifique et le TRFLP. Indépendamment de la méthode choisie, il en résulte que la prévalence des Fusarium η'apparaît pas liée à un traitement au préalable des patients avec de la terbinafine ou des azoles, thérapies très efficaces contre les Trichophyton spp. dans les ongles. De plus, il existe de nombreux cas où Fusarium était détecté chez des patients non traités.

Estequiometria i metabolòmica d'Alopecurus pratensis i Holcus lanatus en condicions de sequera

La variabilitat de l’estequiometria elemental dels organismes a causa de l’ontogènia i dels canvis en les condicions ambientals està relacionada amb la variabilitat metabolòmica. Això és degut a que els elements operen majoritàriament com a parts de compostos moleculars. Així doncs, la hipòtesi realitzada per Rivas-Ubach et al., (2012), la qual postula que els estudis estequiomètrics i metabolòmics d’un conjunt d’espècies vegetals exposades a condicions ambientals diferents han de mostrar la flexibilitat que posseeix un organisme a l’hora de modular la seva estequiometria i el seu metaboloma per tal de mantenir la forma òptima sota condicions variants, esdevé la base que sustenta l’experiment EVENT II. A partir de l’estudi de les relacions estequiomètriques, -principalment C:N:P- i del metabolisme d’Alopecurus pratensis i Holcus lanatus en situacions simulades de sequera, s’han obtingut resultats que evidencien una clara diferenciació a nivell d’espècie, de part de la planta i de tractament. El metabolisme i l’estequiometria diferencial que presenten ambdues gramínies dóna suport a la hipòtesi del nínxol biogeoquímic. A nivell de parts de la planta, s’observa un clar augment de la relació C:nutrients a la part aèria, mentre que a les arrels, aquesta relació disminueix. La part aèria doncs, necessita més C per invertir en funcions estructurals, mentre que l’elevada concentració de nutrients i metabòlits a les arrels donen indicis de la presència de mecanismes osmòtics per a facilitar l’entrada d’aigua, i de creixement, per a la recerca de noves fonts d’aigua, observant-se una disminució de la relació part aèria:arrels. Un altre factor que demostra aquest creixement radicular són les baixes relacions N:P trobades, fet que dóna suport a la hipòtesi de la velocitat de creixement.

Modelling ecological niches with support vector machines

1. The ecological niche is a fundamental biological concept. Modelling species' niches is central to numerous ecological applications, including predicting species invasions, identifying reservoirs for disease, nature reserve design and forecasting the effects of anthropogenic and natural climate change on species' ranges. 2. A computational analogue of Hutchinson's ecological niche concept (the multidimensional hyperspace of species' environmental requirements) is the support of the distribution of environments in which the species persist. Recently developed machine-learning algorithms can estimate the support of such high-dimensional distributions. We show how support vector machines can be used to map ecological niches using only observations of species presence to train distribution models for 106 species of woody plants and trees in a montane environment using up to nine environmental covariates. 3. We compared the accuracy of three methods that differ in their approaches to reducing model complexity. We tested models with independent observations of both species presence and species absence. We found that the simplest procedure, which uses all available variables and no pre-processing to reduce correlation, was best overall. Ecological niche models based on support vector machines are theoretically superior to models that rely on simulating pseudo-absence data and are comparable in empirical tests. 4. Synthesis and applications. Accurate species distribution models are crucial for effective environmental planning, management and conservation, and for unravelling the role of the environment in human health and welfare. Models based on distribution estimation rather than classification overcome theoretical and practical obstacles that pervade species distribution modelling. In particular, ecological niche models based on machine-learning algorithms for estimating the support of a statistical distribution provide a promising new approach to identifying species' potential distributions and to project changes in these distributions as a result of climate change, land use and landscape alteration.

An improved approach for predicting the distribution of rare and endangered species from occurrence and pseudo-absence data

1. Few examples of habitat-modelling studies of rare and endangered species exist in the literature, although from a conservation perspective predicting their distribution would prove particularly useful. Paucity of data and lack of valid absences are the probable reasons for this shortcoming. Analytic solutions to accommodate the lack of absence include the ecological niche factor analysis (ENFA) and the use of generalized linear models (GLM) with simulated pseudo-absences. 2. In this study we tested a new approach to generating pseudo-absences, based on a preliminary ENFA habitat suitability (HS) map, for the endangered species Eryngium alpinum. This method of generating pseudo-absences was compared with two others: (i) use of a GLM with pseudo-absences generated totally at random, and (ii) use of an ENFA only. 3. The influence of two different spatial resolutions (i.e. grain) was also assessed for tackling the dilemma of quality (grain) vs. quantity (number of occurrences). Each combination of the three above-mentioned methods with the two grains generated a distinct HS map. 4. Four evaluation measures were used for comparing these HS maps: total deviance explained, best kappa, Gini coefficient and minimal predicted area (MPA). The last is a new evaluation criterion proposed in this study. 5. Results showed that (i) GLM models using ENFA-weighted pseudo-absence provide better results, except for the MPA value, and that (ii) quality (spatial resolution and locational accuracy) of the data appears to be more important than quantity (number of occurrences). Furthermore, the proposed MPA value is suggested as a useful measure of model evaluation when used to complement classical statistical measures. 6. Synthesis and applications. We suggest that the use of ENFA-weighted pseudo-absence is a possible way to enhance the quality of GLM-based potential distribution maps and that data quality (i.e. spatial resolution) prevails over quantity (i.e. number of data). Increased accuracy of potential distribution maps could help to define better suitable areas for species protection and reintroduction.

Detection of siderophores in endophytic bacteria Methylobacterium spp. associated with Xylella fastidiosa subsp. pauca

The objective of this work was to study the production of siderophores by endophytic bacteria Methylobacterium spp., which occupy the same ecological niche as Xylella fastidiosa subsp. pauca (Xfp) in citrus plants. The siderophore production of Methylobacterium strains was tested according to chromeazurol agar assay test (CAS), Csáky test (hydroxamate-type) and Arnow test (catechol-type). In addition, the ability of Xfp to use siderophores, in vitro, produced by endophytic bacteria as source of iron, was evaluated. All 37 strains of Methylobacterium spp. tested were CAS-positive for siderophore production. Methylobacterium spp. produced hydroxamate-type, but not catechol-type siderophores. In vitro growth of Xfp was stimulated by the presence of supernatant siderophores of endophytic Methylobacterium mesophilicum.

Signalling pathways in skin homeostasis

SUMMARY The results presented here contribute to a better understanding of the crucial molecular relationships and signalling cues exchanged by several fundamental cell types (epidermal keratinocytes, dermal fibroblasts, immune and endothelial cells) of the skin. Importantly we provide evidence to directly implicate Wnt/ß-catenin signalling as a putative player in different cell types (keratinocytes and neutrophils) in mediation of the cutaneous inflammatory response (Fart A). Finally we highlight the importance of several molecules, specifically expressed in the hair follicle stem cell niche to the morphogenesis and homeostasis of the hair follicle (Part B). PART A Currently the body of work pertaining to Wnt signalling and immune cells largely focuses on Wnt signalling in the development of these cells. The data presented here suggests a novel mechanism in which Wnt signalling appears to modulate immune cell recruitment to the skin. Keratinocytes are major contributors to early inflammatory responses by the release of chemokines which recruit immune cells. The resultant inflammatory response is a dynamic process of sequentially infiltrating immune cells governed by a network of growth factors, chemokines and cytokines. In wild type mice the response is typified by a rapid and substantial infiltration of neutrophils followed at later time points by macrophages and Tcells. The expression of the canonical Wnt pathway activating ligand, Wnt3a, is able to induce a strong neutrophil infiltration in the dermis. This response originates in keratinocytes, as it is abrogated upon keratinocyte-specific ablation of ß-catenin. Notably, this suggests that the crucial cross talk between these resident cells and recruited immune cells is, in part, mediated by Wnt signalling. In corroboration of this role of Wnt-mediated recruitment of neutrophils, expression of the Wnt inhibitory ligand sFRPI during acute inflammation results in a dramatic 'dampening' of immune cell infiltration in particular of neutrophil chemoattraction. Importantly, an intrinsic Wnt signalling pathway is essential for neutrophil chemoattraction in response to inflammatory stimuli. There is a marked reduction of neutrophil infiltration in mice grafted with a ß-catenin deficient bone marrow upon TPA induced cutaneous inflammation. Additionally, neutrophils lacking Wnt/ß-catenin fail to respond to IFNγ, an early inflammatory cue, in vitro. In combination, these data indicate a potent function of Wnt signalling in immune cell recruitment and the modulation of the inflammatory response. PART B Tissue specific stem cells form the cellular base on which tissue homeostasis and repair of adult tissue relies. The maintenance of this stem cell pool is highly dependent on the immediate environment or niche. We have identified three genes, the fibroblast growth factor receptor 1 (FGFR1), serpin protease inhibitor (serpin F1) and the haematopoietic cell phosphatase (Hcph) to be specifically expressed in a small population of stromal cells which are in close contact to bulge stem cells. These specialized stromal cells might represent an essential mesenchymal component of the skin stem cell niche and may regulate stem cell proliferation and differentiation. Multiple FGFR1 isoforms are generated through alternate transcript splicing and are able to interact with both FGFs and cell adhesion molecules. Two predominant forms of the receptor are FGFR1-α and FGFR1-ß. Expression of a dominant negative form of the alpha isoform prevents hair follicle morphogenesis altogether. Given that FGFR1-ß signals principally through the FGF ligands, this data indicates that FGF signalling is dispensable for follicle morphogenesis. Moreover the loss of follicular morphogenesis upon suggests a requirement for signalling via cell adhesion molecule association with the receptor as FGFR1 α has a greater affinity for these molecules. The expression of the second candidate niche gene serpin f1, lead to the complete ablation of hair follicle morphogenesis. The serpin f1 product, pigment-epithelial derived factor (PEDF) has potent anti-angiogenic effects. Immunohistochemical analysis using CD31, a endothelial cell marker, revealed that although these cells are present, they have are disorganised and do not form vessels. Interestingly, endothelial cells have been found to contribute to the neuronal stem cell niche and our results suggest a similar mechanism in the skin. SHP1, the Hcph gene product, is a phosphatase which acts in the haematopoetic system. Motheaten mice carrying spontaneous mutations in the Hcph gene have patchy alopecia in their skin and severe defects in their haematopoietic system. However the haematopoietic rescue of the mouse does not result in normal follicular homeostasis. Additionally, ablation of Hcph in either the dermal or keratinocyte compartments of the skin produces hair follicles with abberant morphologies. This data indicates that although SHP1 is not essential for hair follicle morphogenesis it is required in both epidermal and dermal compartments to maintain follicular morphology. RÉSUMÉ PARTIE A Jusqu'à présent, les travaux dédiés à l'étude de la voie de signalisation Wnt dans le système immunitaire se sont essentiellement concentrés sur son rôle dans le développement des cellules immunitaires. Les données présentées ici suggèrent fortement et de manière nouvelle, l'existence d'un mécanisme par lequel la voie de signalisation Wnt/ß-caténine module le recrutement de cellules immunitaires dans un tissu périphérique, la peau, et ainsi la réponse inflammatoire cutanée. La réponse inflammatoire cutanée est un processus dynamique d'infiltration séquentielle de diverses cellules immunitaires, orchestré par un réseau de facteurs de croissance, chémokines et cytokines. Les kératinocytes sont des contributeurs majeurs à la réponse inflammatoire précoce par la libération de chémokines qui permettent ensuite de recruter les cellules immunitaires. Dans des souris sauvages, la réponse est d'abord caractérisée par une infiltration rapide et substantielle de neutrophiles, suivie par celle des macrophages et des lymphocytes T. L'expression d'un ligand activateur de le voie canonique de signalisation Wnt (après injection infra-dermique de fibroblastes sur-exprimant Wnt-3a) induit une infiltration dermique très marquée de neutrophiles. De plus, la réponse est éliminée en l'absence de ß-caténine spécifiquement dans les kératinocytes, indiquant que ces cellules sont à l'origine de la réponse. De manière remarquable, ceci suggère qu'une signalisation cruciale entre ces cellules résidentes de la peau et les cellules immunitaires recrutées est, au moins en partie, médiée par la voie Wnt. Corroborant ce rôle de la voie Wnt/ß-caténine dans le recrutement des neutrophiles, l'expression d'un ligand inhibiteur de la voie (sFRP1) résulte au cours d'une inflammation aigüe en une réduction spectaculaire de l'infiltration des cellules immunitaires en général, et des neutrophiles en particulier. De manière importante, la voie de signalisation Wnt est intrinsèquement requise pour la chémoattraction des neutrophiles en réponse à un stimulus inflammatoire. En effet, suite à une inflammation cutanée induite par un ester de phorbol (TPA), une réduction notable de l'infiltration des neutrophiles est observée dans des souris préalablement greffées avec de la moelle osseuse constituée de cellules déficientes en ß-caténine. De plus, in vitro, les neutrophiles sans ß-caténine ne répondent pas à une stimulation par l'interféron γ, qui est pourtant un signal inflammatoire établi in vivo. En conclusion, nos données indiquent que la voie de signalisation Wnt/ß-caténine joue une fonction active dans le recrutement des cellules immunitaires vers un organe périphérique, la peau, ainsi que dans la modulation, à plusieurs niveaux, de la réponse inflammatoire cutanée. PARTIE B Les cellules souches tissu-spécifiques forment la base cellulaire sur laquelle repose l'homéostase et la réparation tissulaires chez l'adulte. La maintenance de ce réservoir de cellules souches est hautement dépendante de leur environnement cellulaire immédiat, encore appelé «niche des cellules souches». Dans la peau, ces cellules stromales spécialisées représentent un compartiment mésenchymateux essentiel de la niche des cellules souches en régulant leurs prolifération et différentiation. Nous avons identifié trois gènes, le «récepteur 1 àux facteurs de croissance des fibroblastes » (Fgfr1 ), l' «inhibiteur de protéase à sérine » (serpinf1 ou pedf) et la « phosphatase des cellules hématopoiétiques » (Hcph ou Ptpn6), comme spécifiquement exprimés par une petite population de cellules stromales qui sont étroitement associées aux cellules souches de la peau (localisées au niveau du bombement du follicule pileux). Pour analyser leur fonction dans ce contexte, nous avons utilisé un test de reconstitution complète de peau murine en combinaison à des. transductions géniques basées sur l'utilisation de lentivirus. Ce test repose sur le mélange de deux compartiments cellulaires, épidermique (kératinocytes) et dermique (fibroblastes), greffés sur une zone ouverte de peau du dos d'une souris pour ensemble reconstituer la peau. Des isoformes multiples de FGFR1 sont générées par épissage alternatif de transcrits et sont capables d'interagir à la fois avec les FGFs (facteurs de croissance des fibroblastes) et les molécules d'adhésion cellulaires. Les deux formes prédominantes du récepteur, FGFR1-α et FGFR1-ß, ne différent que par le «domaine ressemblant aux immunoglobulines 1 » (immunoglobulin-like 1 domain), absent de FGFR1-ß. De plus, FGFR1-ß a une affinité plus grande pour les FGFs et plus faible pour les molécules d'adhésion cellulaires telles que la Ncadhérine (connue pour activer FGFR). La sur-expression de l'une ou l'autre des formes n'empêche pas la morphogenèse folliculaire mais conduit à la formation de follicules aberrants. Toutefois, une différence phénotypique majeure est observée lorsqu'une forme «Dominant-Négatif » (DN) est exprimée dans le compartiment dermique. La sur-expression de FGFR1-ß DN conduit en effet à la formation de follicules petits et tronqués, avec des gaines épithéliales et un bulbe élargis ainsi qu'une petite papille dermique. Par contre, l'expression de FGFR1-α DN abolit complètement la morphogenèse folliculaire. Etant donné que la signalisation par FGFR1-ß est principalement dépendante des ligands FGFs, ces données indiquent que la signalisation par ceux-cì est non-nécessaire à la morphogenèse folliculaire. De plus, l'abolition du processus par la sur-expression de FGFR1-a DN suggëre une signalisation nécessaire entre le récepteur FGFR1 et une ou des molécules d'adhésion cellulaire. L'expression de notre second candidat comme gène spécifique de la niche des cellules souches de la peau, serpinf1, prévient la morphogenèse folliculaire. Seules de petites structures ressemblant à des cystes sont observées après reconstitution de la peau. De plus, dans ces transplants, aucune cellule CD34-positive (marqueur des cellules souches) n'est retrouvée associé à ces cystes. Le produit du gène serpin f1, le «facteur dérivé d'épithélium pigmentaire » (PEDF) est un puissant facteur anti-angiogénique. Nous avons donc analysé la vascularisation des transplants par immunohistochirnies utilisant CD31, un marqueur des cellules endothéliales. Nos résultats révèlent que les cellules endothéliales sont bien présentes, mais de manière désorganisée et ne formant pas de vaisseaux. De manière intéressante, les cellules endothéliales contribuent activement à la niche des cellules souches neuronales, et nos résultats suggèrent donc l'existence possible d'un mécanisme similaire dans la peau. SHP1, le produit du gène Hcph, est une phosphatase quì agit dans le système hématopoiétique. Les souris « motheaten »qui portent des mutations spontanées du gène ont une alopécie inégale au niveau de la peau et de sévères troubles du système hématopoiétique. Pour s'assurer que le phénotype observé au niveau de la peau n'est pas une conséquence d'un défaut du système hématopoiétique, nous avons transplanté des souris Hcph -/- avec de la moelle osseuse sauvage afin de restaurer la fonction de SHP 1 dans le système hématopoiétique. Toutefois, le défaut de morphologie folliculaire est maintenu. De plus, l'ablation d'Hcph dans le compartiment dermique ou épidermique d'essais de reconstitution de peau conduit à la production de follicules pileux avec des morphologies aberrantes. Ces données indiquent que SHP1 n'est pas essentiel à la morphogenèse folliculaire mais est toutefois requis à la fois dans les compartiments épidermiques et dermiques pour la maintenance de la forme du follicule.