Multiparametric brainstem segmentation using a modified multivariate mixture of Gaussians

The human brainstem is a densely packed, complex but highly organised structure. It not only serves as a conduit for long projecting axons conveying motor and sensory information, but also is the location of multiple primary nuclei that control or modulate a vast array of functions, including homeostasis, consciousness, locomotion, and reflexive and emotive behaviours. Despite its importance, both in understanding normal brain function as well as neurodegenerative processes, it remains a sparsely studied structure in the neuroimaging literature. In part, this is due to the difficulties in imaging the internal architecture of the brainstem in vivo in a reliable and repeatable fashion. A modified multivariate mixture of Gaussians (mmMoG) was applied to the problem of multichannel tissue segmentation. By using quantitative magnetisation transfer and proton density maps acquired at 3 T with 0.8 mm isotropic resolution, tissue probability maps for four distinct tissue classes within the human brainstem were created. These were compared against an ex vivo fixated human brain, imaged at 0.5 mm, with excellent anatomical correspondence. These probability maps were used within SPM8 to create accurate individual subject segmentations, which were then used for further quantitative analysis. As an example, brainstem asymmetries were assessed across 34 right-handed individuals using voxel based morphometry (VBM) and tensor based morphometry (TBM), demonstrating highly significant differences within localised regions that corresponded to motor and vocalisation networks. This method may have important implications for future research into MRI biomarkers of pre-clinical neurodegenerative diseases such as Parkinson's disease.

Survey on batch-to-batch variation in spray paints: a collaborative study

This study represents the most extensive analysis of batch-to-batch variations in spray paint samples to date. The survey was performed as a collaborative project of the ENFSI (European Network of Forensic Science Institutes) Paint and Glass Working Group (EPG) and involved 11 laboratories. Several studies have already shown that paint samples of similar color but from different manufacturers can usually be differentiated using an appropriate analytical sequence. The discrimination of paints from the same manufacturer and color (batch-to-batch variations) is of great interest and these data are seldom found in the literature. This survey concerns the analysis of batches from different color groups (white, papaya (special shade of orange), red and black) with a wide range of analytical techniques and leads to the following conclusions. Colored batch samples are more likely to be differentiated since their pigment composition is more complex (pigment mixtures, added pigments) and therefore subject to variations. These variations may occur during the paint production but may also occur when checking the paint shade in quality control processes. For these samples, techniques aimed at color/pigment(s) characterization (optical microscopy, microspectrophotometry (MSP), Raman spectroscopy) provide better discrimination than techniques aimed at the organic (binder) or inorganic composition (fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) or elemental analysis (SEM - scanning electron microscopy and XRF - X-ray fluorescence)). White samples contain mainly titanium dioxide as a pigment and the main differentiation is based on the binder composition (Csingle bondH stretches) detected either by FTIR or Raman. The inorganic composition (elemental analysis) also provides some discrimination. Black samples contain mainly carbon black as a pigment and are problematic with most of the spectroscopic techniques. In this case, pyrolysis-GC/MS represents the best technique to detect differences. Globally, Py-GC/MS may show a high potential of discrimination on all samples but the results are highly dependent on the specific instrumental conditions used. Finally, the discrimination of samples when data was interpreted visually as compared to statistically using principal component analysis (PCA) yielded very similar results. PCA increases sensitivity and could perform better on specific samples, but one first has to ensure that all non-informative variation (baseline deviation) is eliminated by applying correct pre-treatments. Statistical treatments can be used on a large data set and, when combined with an expert's opinion, will provide more objective criteria for decision making.

Effect of anionic salts in concentrate mixture on some blood and urine minerals, acid-base balance and feed intake of dry pregnant cows on grass silage based feeding with high calcium intake

Selostus: Kationi-anionitasapaino ummessaolevien lypsylehmien säilörehuruokinnassa kalsiumin saannin ollessa runsas

Effect of anionic salts in concentrate mixture and calcium intake on some blood and urine minerals, acid-base balance and feed intake of dry pregnant cows on grass silage based feeding

Selostus: Kationi-anionitasapaino ja kalsiumin saanti ummessaolevien lypsylehmien säilörehuruokinnassa

Effect of anionic salts in concentrate mixture and magnesium intake on some blood and urine minerals and acid-base balance of dry pregnant cows on grass silage based feeding

Selostus: Kationi-anionitasapaino ja magnesiumin saanti ummessaolevien lypsylehmien säilörehuruokinnassa

Comment on "Neutron brillouin scattering study of collective dynamics in a dense He-Ne gaseous mixture"

A Comment on the Letter by Ubaldo Bafile, et al., Phys. Rev. Lett. 86, 1019 (2001). The authors of the Letter offer a Reply.

Reliability of methods used for the risk assessment of mixture of micropollutants in aquatic enviromments : from theoretical concepts to field observations

Ces dernières années, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques des micropolluants organiques pour les espèces de nos lacs et rivières. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, alors que les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange. Or les effets de ces cocktails ne sont pas négligeables. Cette thèse de doctorat s'est ainsi intéressée aux modèles permettant de prédire le risque environnemental de ces cocktails pour le milieu aquatique. Le principal objectif a été d'évaluer le risque écologique des mélanges de substances chimiques mesurées dans le Léman, mais aussi d'apporter un regard critique sur les méthodologies utilisées afin de proposer certaines adaptations pour une meilleure estimation du risque. Dans la première partie de ce travail, le risque des mélanges de pesticides et médicaments pour le Rhône et pour le Léman a été établi en utilisant des approches envisagées notamment dans la législation européenne. Il s'agit d'approches de « screening », c'est-à-dire permettant une évaluation générale du risque des mélanges. Une telle approche permet de mettre en évidence les substances les plus problématiques, c'est-à-dire contribuant le plus à la toxicité du mélange. Dans notre cas, il s'agit essentiellement de 4 pesticides. L'étude met également en évidence que toutes les substances, même en trace infime, contribuent à l'effet du mélange. Cette constatation a des implications en terme de gestion de l'environnement. En effet, ceci implique qu'il faut réduire toutes les sources de polluants, et pas seulement les plus problématiques. Mais l'approche proposée présente également un biais important au niveau conceptuel, ce qui rend son utilisation discutable, en dehors d'un screening, et nécessiterait une adaptation au niveau des facteurs de sécurité employés. Dans une deuxième partie, l'étude s'est portée sur l'utilisation des modèles de mélanges dans le calcul de risque environnemental. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés espèce par espèce, et non pour une évaluation sur l'écosystème en entier. Leur utilisation devrait donc passer par un calcul par espèce, ce qui est rarement fait dû au manque de données écotoxicologiques à disposition. Le but a été donc de comparer, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon une méthode rigoureuse, espèce par espèce, avec celui effectué classiquement où les modèles sont appliqués sur l'ensemble de la communauté sans tenir compte des variations inter-espèces. Les résultats sont dans la majorité des cas similaires, ce qui valide l'approche utilisée traditionnellement. En revanche, ce travail a permis de déterminer certains cas où l'application classique peut conduire à une sous- ou sur-estimation du risque. Enfin, une dernière partie de cette thèse s'est intéressée à l'influence que les cocktails de micropolluants ont pu avoir sur les communautés in situ. Pour ce faire, une approche en deux temps a été adoptée. Tout d'abord la toxicité de quatorze herbicides détectés dans le Léman a été déterminée. Sur la période étudiée, de 2004 à 2009, cette toxicité due aux herbicides a diminué, passant de 4% d'espèces affectées à moins de 1%. Ensuite, la question était de savoir si cette diminution de toxicité avait un impact sur le développement de certaines espèces au sein de la communauté des algues. Pour ce faire, l'utilisation statistique a permis d'isoler d'autres facteurs pouvant avoir une influence sur la flore, comme la température de l'eau ou la présence de phosphates, et ainsi de constater quelles espèces se sont révélées avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps. Fait intéressant, une partie d'entre-elles avait déjà montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. En conclusion, ce travail montre qu'il existe des modèles robustes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques, et qu'ils peuvent être utilisés pour expliquer le rôle des substances dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application. - Depuis plusieurs années, les risques que posent les micropolluants organiques pour le milieu aquatique préoccupent grandement les scientifiques ainsi que notre société. En effet, de nombreuses recherches ont mis en évidence les effets toxiques que peuvent avoir ces substances chimiques sur les espèces de nos lacs et rivières, quand elles se retrouvent exposées à des concentrations aiguës ou chroniques. Cependant, la plupart de ces études se sont focalisées sur la toxicité des substances individuelles, c'est à dire considérées séparément. Actuellement, il en est de même dans les procédures de régulation européennes, concernant la partie évaluation du risque pour l'environnement d'une substance. Or, les organismes sont exposés tous les jours à des milliers de substances en mélange, et les effets de ces "cocktails" ne sont pas négligeables. L'évaluation du risque écologique que pose ces mélanges de substances doit donc être abordé par de la manière la plus appropriée et la plus fiable possible. Dans la première partie de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux méthodes actuellement envisagées à être intégrées dans les législations européennes pour l'évaluation du risque des mélanges pour le milieu aquatique. Ces méthodes sont basées sur le modèle d'addition des concentrations, avec l'utilisation des valeurs de concentrations des substances estimées sans effet dans le milieu (PNEC), ou à partir des valeurs des concentrations d'effet (CE50) sur certaines espèces d'un niveau trophique avec la prise en compte de facteurs de sécurité. Nous avons appliqué ces méthodes à deux cas spécifiques, le lac Léman et le Rhône situés en Suisse, et discuté les résultats de ces applications. Ces premières étapes d'évaluation ont montré que le risque des mélanges pour ces cas d'étude atteint rapidement une valeur au dessus d'un seuil critique. Cette valeur atteinte est généralement due à deux ou trois substances principales. Les procédures proposées permettent donc d'identifier les substances les plus problématiques pour lesquelles des mesures de gestion, telles que la réduction de leur entrée dans le milieu aquatique, devraient être envisagées. Cependant, nous avons également constaté que le niveau de risque associé à ces mélanges de substances n'est pas négligeable, même sans tenir compte de ces substances principales. En effet, l'accumulation des substances, même en traces infimes, atteint un seuil critique, ce qui devient plus difficile en terme de gestion du risque. En outre, nous avons souligné un manque de fiabilité dans ces procédures, qui peuvent conduire à des résultats contradictoires en terme de risque. Ceci est lié à l'incompatibilité des facteurs de sécurité utilisés dans les différentes méthodes. Dans la deuxième partie de la thèse, nous avons étudié la fiabilité de méthodes plus avancées dans la prédiction de l'effet des mélanges pour les communautés évoluant dans le système aquatique. Ces méthodes reposent sur le modèle d'addition des concentrations (CA) ou d'addition des réponses (RA) appliqués sur les courbes de distribution de la sensibilité des espèces (SSD) aux substances. En effet, les modèles de mélanges ont été développés et validés pour être appliqués espèce par espèce, et non pas sur plusieurs espèces agrégées simultanément dans les courbes SSD. Nous avons ainsi proposé une procédure plus rigoureuse, pour l'évaluation du risque d'un mélange, qui serait d'appliquer d'abord les modèles CA ou RA à chaque espèce séparément, et, dans une deuxième étape, combiner les résultats afin d'établir une courbe SSD du mélange. Malheureusement, cette méthode n'est pas applicable dans la plupart des cas, car elle nécessite trop de données généralement indisponibles. Par conséquent, nous avons comparé, avec des valeurs générées aléatoirement, le calcul de risque effectué selon cette méthode plus rigoureuse, avec celle effectuée traditionnellement, afin de caractériser la robustesse de cette approche qui consiste à appliquer les modèles de mélange sur les courbes SSD. Nos résultats ont montré que l'utilisation de CA directement sur les SSDs peut conduire à une sous-estimation de la concentration du mélange affectant 5 % ou 50% des espèces, en particulier lorsque les substances présentent un grand écart- type dans leur distribution de la sensibilité des espèces. L'application du modèle RA peut quant à lui conduire à une sur- ou sous-estimations, principalement en fonction de la pente des courbes dose- réponse de chaque espèce composant les SSDs. La sous-estimation avec RA devient potentiellement importante lorsque le rapport entre la EC50 et la EC10 de la courbe dose-réponse des espèces est plus petit que 100. Toutefois, la plupart des substances, selon des cas réels, présentent des données d' écotoxicité qui font que le risque du mélange calculé par la méthode des modèles appliqués directement sur les SSDs reste cohérent et surestimerait plutôt légèrement le risque. Ces résultats valident ainsi l'approche utilisée traditionnellement. Néanmoins, il faut garder à l'esprit cette source d'erreur lorsqu'on procède à une évaluation du risque d'un mélange avec cette méthode traditionnelle, en particulier quand les SSD présentent une distribution des données en dehors des limites déterminées dans cette étude. Enfin, dans la dernière partie de cette thèse, nous avons confronté des prédictions de l'effet de mélange avec des changements biologiques observés dans l'environnement. Dans cette étude, nous avons utilisé des données venant d'un suivi à long terme d'un grand lac européen, le lac Léman, ce qui offrait la possibilité d'évaluer dans quelle mesure la prédiction de la toxicité des mélanges d'herbicide expliquait les changements dans la composition de la communauté phytoplanctonique. Ceci à côté d'autres paramètres classiques de limnologie tels que les nutriments. Pour atteindre cet objectif, nous avons déterminé la toxicité des mélanges sur plusieurs années de 14 herbicides régulièrement détectés dans le lac, en utilisant les modèles CA et RA avec les courbes de distribution de la sensibilité des espèces. Un gradient temporel de toxicité décroissant a pu être constaté de 2004 à 2009. Une analyse de redondance et de redondance partielle, a montré que ce gradient explique une partie significative de la variation de la composition de la communauté phytoplanctonique, même après avoir enlevé l'effet de toutes les autres co-variables. De plus, certaines espèces révélées pour avoir été influencées, positivement ou négativement, par la diminution de la toxicité dans le lac au fil du temps, ont montré des comportements similaires dans des études en mésocosmes. On peut en conclure que la toxicité du mélange herbicide est l'un des paramètres clés pour expliquer les changements de phytoplancton dans le lac Léman. En conclusion, il existe diverses méthodes pour prédire le risque des mélanges de micropolluants sur les espèces aquatiques et celui-ci peut jouer un rôle dans le fonctionnement des écosystèmes. Toutefois, ces modèles ont bien sûr des limites et des hypothèses sous-jacentes qu'il est important de considérer lors de leur application, avant d'utiliser leurs résultats pour la gestion des risques environnementaux. - For several years now, the scientists as well as the society is concerned by the aquatic risk organic micropollutants may pose. Indeed, several researches have shown the toxic effects these substances may induce on organisms living in our lakes or rivers, especially when they are exposed to acute or chronic concentrations. However, most of the studies focused on the toxicity of single compounds, i.e. considered individually. The same also goes in the current European regulations concerning the risk assessment procedures for the environment of these substances. But aquatic organisms are typically exposed every day simultaneously to thousands of organic compounds. The toxic effects resulting of these "cocktails" cannot be neglected. The ecological risk assessment of mixtures of such compounds has therefore to be addressed by scientists in the most reliable and appropriate way. In the first part of this thesis, the procedures currently envisioned for the aquatic mixture risk assessment in European legislations are described. These methodologies are based on the mixture model of concentration addition and the use of the predicted no effect concentrations (PNEC) or effect concentrations (EC50) with assessment factors. These principal approaches were applied to two specific case studies, Lake Geneva and the River Rhône in Switzerland, including a discussion of the outcomes of such applications. These first level assessments showed that the mixture risks for these studied cases exceeded rapidly the critical value. This exceeding is generally due to two or three main substances. The proposed procedures allow therefore the identification of the most problematic substances for which management measures, such as a reduction of the entrance to the aquatic environment, should be envisioned. However, it was also showed that the risk levels associated with mixtures of compounds are not negligible, even without considering these main substances. Indeed, it is the sum of the substances that is problematic, which is more challenging in term of risk management. Moreover, a lack of reliability in the procedures was highlighted, which can lead to contradictory results in terms of risk. This result is linked to the inconsistency in the assessment factors applied in the different methods. In the second part of the thesis, the reliability of the more advanced procedures to predict the mixture effect to communities in the aquatic system were investigated. These established methodologies combine the model of concentration addition (CA) or response addition (RA) with species sensitivity distribution curves (SSD). Indeed, the mixture effect predictions were shown to be consistent only when the mixture models are applied on a single species, and not on several species simultaneously aggregated to SSDs. Hence, A more stringent procedure for mixture risk assessment is proposed, that would be to apply first the CA or RA models to each species separately and, in a second step, to combine the results to build an SSD for a mixture. Unfortunately, this methodology is not applicable in most cases, because it requires large data sets usually not available. Therefore, the differences between the two methodologies were studied with datasets created artificially to characterize the robustness of the traditional approach applying models on species sensitivity distribution. The results showed that the use of CA on SSD directly might lead to underestimations of the mixture concentration affecting 5% or 50% of species, especially when substances present a large standard deviation of the distribution from the sensitivity of the species. The application of RA can lead to over- or underestimates, depending mainly on the slope of the dose-response curves of the individual species. The potential underestimation with RA becomes important when the ratio between the EC50 and the EC10 for the dose-response curve of the species composing the SSD are smaller than 100. However, considering common real cases of ecotoxicity data for substances, the mixture risk calculated by the methodology applying mixture models directly on SSDs remains consistent and would rather slightly overestimate the risk. These results can be used as a theoretical validation of the currently applied methodology. Nevertheless, when assessing the risk of mixtures, one has to keep in mind this source of error with this classical methodology, especially when SSDs present a distribution of the data outside the range determined in this study Finally, in the last part of this thesis, we confronted the mixture effect predictions with biological changes observed in the environment. In this study, long-term monitoring of a European great lake, Lake Geneva, provides the opportunity to assess to what extent the predicted toxicity of herbicide mixtures explains the changes in the composition of the phytoplankton community next to other classical limnology parameters such as nutrients. To reach this goal, the gradient of the mixture toxicity of 14 herbicides regularly detected in the lake was calculated, using concentration addition and response addition models. A decreasing temporal gradient of toxicity was observed from 2004 to 2009. Redundancy analysis and partial redundancy analysis showed that this gradient explains a significant portion of the variation in phytoplankton community composition, even when having removed the effect of all other co-variables. Moreover, some species that were revealed to be influenced positively or negatively, by the decrease of toxicity in the lake over time, showed similar behaviors in mesocosms studies. It could be concluded that the herbicide mixture toxicity is one of the key parameters to explain phytoplankton changes in Lake Geneva. To conclude, different methods exist to predict the risk of mixture in the ecosystems. But their reliability varies depending on the underlying hypotheses. One should therefore carefully consider these hypotheses, as well as the limits of the approaches, before using the results for environmental risk management

Adaptive diversity in heterogeneous environments for populations regulated by a mixture of soft and hard selection

The stable co-existence of two haploid genotypes or two species is studied in a spatially heterogeneous environment submitted to a mixture of soft selection (within-patch regulation) and hard selection (outside-patch regulation) and where two kinds of resource are available. This is analysed both at an ecological time-scale (short term) and at an evolutionary time-scale (long term). At an ecological scale, we show that co-existence is very unlikely if the two competitors are symmetrical specialists exploiting different resources. In this case, the most favourable conditions are met when the two resources are equally available, a situation that should favour generalists at an evolutionary scale. Alternatively, low within-patch density dependence (soft selection) enhances the co-existence between two slightly different specialists of the most available resource. This results from the opposing forces that are acting in hard and soft regulation modes. In the case of unbalanced accessibility to the two resources, hard selection favours the most specialized genotype, whereas soft selection strongly favours the less specialized one. Our results suggest that competition for different resources may be difficult to demonstrate in the wild even when it is a key factor in the maintenance of adaptive diversity. At an evolutionary scale, a monomorphic invasive evolutionarily stable strategy (ESS) always exists. When a linear trade-off exists between survival in one habitat versus that in another, this ESS lies between an absolute adjustment of survival to niche size (for mainly soft-regulated populations) and absolute survival (specialization) in a single niche (for mainly hard-regulated populations). This suggests that environments in agreement with the assumptions of such models should lead to an absence of adaptive variation in the long term.

Development of Performance Properties of Ternary Mixtures and Concrete Pavement Mixture Design and Analysis (MDA): Effect of Paste Quality on Fresh and Hardened Properties of Ternary Mixtures, TPF-5(117), 2012

The purpose of this study was to investigate the effect of cement paste quality on the concrete performance, particularly fresh properties, by changing the water-to-cementitious materials ratio (w/cm), type and dosage of supplementary cementitious materials (SCM), and airvoid system in binary and ternary mixtures. In this experimental program, a total matrix of 54 mixtures with w/cm of 0.40 and 0.45; target air content of 2%, 4%, and 8%; a fixed cementitious content of 600 pounds per cubic yard (pcy), and the incorporation of three types of SCMs at different dosages was prepared. The fine aggregate-to- total aggregate ratio was fixed at 0.42. Workability, rheology, air-void system, setting time, strength, Wenner Probe surface resistivity, and shrinkage were determined. The effects of paste variables on workability are more marked at the higher w/cm. The compressive strength is strongly influenced by the paste quality, dominated by w/cm and air content. Surface resistivity is improved by inclusion of Class F fly ash and slag cement, especially at later ages. Ternary mixtures performed in accordance with their ingredients. The data collected will be used to develop models that will be part of an innovative mix proportioning procedure.

Concrete Pavement Mixture Design and Analysis (MDA) Guide Specification for Highway Concrete Pavements: Commentary, TPF-5(205), 2012

This guide specification and commentary for concrete pavements presents current state-of-the art thinking with respect to materials and mixture selection, proportioning, and acceptance. This document takes into account the different environments, practices, and materials in use across the United States and allows optional inputs for local application. The following concrete pavement types are considered: jointed plain concrete pavement, the most commonly used pavement type and may be doweled or non-doweled at transverse joints; and continuously reinforced concrete pavement, typically constructed without any transverse joints, typically used for locations with high truck traffic loads and/or poor support conditions.

Concrete Pavement Mixture Design and Analysis (MDA) Guide Specification for Highway Concrete Pavements, TPF-5(205), 2012

A guide specification and commentary have been prepared that lay out current state-of-the art thinking with respect to materials and mixture selection, proportioning, and acceptance. These documents take into account the different environments, practices, and materials in use across the US and allow optional inputs for local application.

Concrete Pavement Mixture Design and Analysis (MDA): Effect of Aggregate Systems on Concrete Properties, TPF-5(205), 2012

For years, specifications have focused on the water to cement ratio (w/cm) and strength of concrete, despite the majority of the volume of a concrete mixture consisting of aggregate. An aggregate distribution of roughly 60% coarse aggregate and 40% fine aggregate, regardless of gradation and availability of aggregates, has been used as the norm for a concrete pavement mixture. Efforts to reduce the costs and improve sustainability of concrete mixtures have pushed owners to pay closer attention to mixtures with a well-graded aggregate particle distribution. In general, workability has many different variables that are independent of gradation, such as paste volume and viscosity, aggregate’s shape, and texture. A better understanding of how the properties of aggregates affect the workability of concrete is needed. The effects of aggregate characteristics on concrete properties, such as ability to be vibrated, strength, and resistivity, were investigated using mixtures in which the paste content and the w/cm were held constant. The results showed the different aggregate proportions, the maximum nominal aggregate sizes, and combinations of different aggregates all had an impact on the performance in the strength, slump, and box test.