Chez les abeilles domestiques, les neurones à récepteurs olfactifs hébergés dans les antennes sont des neurones sensoriels primaires responsables de la détection des odeurs et des phéromones. L'information olfactive est ensuite acheminée par les nerfs antennaires jusqu'aux lobes antennaires qui constituent le premier étage d'intégration de l'information olfactive. Les abeilles butineuses sont exposées aux insecticides, notamment ceux de la classe des pyréthrinoïdes, qui sont utilisés pour la protection des plantes et la lutte contre les insectes considérés comme étant nuisibles.Nous avons caractérisé l'effet des pyréthrinoïdes sur les canaux sodiques activés par le potentiel (responsables des potentiels d'action) dans les deux premiers étages du système olfactif de l'abeille. Nos enregistrements électrophysiologiques en mode potentiel imposé dans les neurones à récepteurs olfactifs mis en culture révèlent que l'effet des pyréthrinoïdes de type I et II (notamment la tétraméthrine et la deltaméthrine) est amplifié par une intensification de l'activité électrique neuronale. Cette amplification survient notamment via le démasquage de canaux sodiques silencieux que nous avons également mis en évidence avec la toxine d'anémone de mer ATX-II. Le niveau maximal de canaux sodiques modifiés est atteint en quelques centaines de millisecondes. Dans les neurones centraux des lobes antennaires, cette amplification apparait très limitée voire absente avec les pyréthrinoïdes mais elle peut toutefois survenir en présence de l'alcaloïde végétal vératridine. Par ailleurs, dans ces neurones centraux, les pyréthrinoïdes semblent être à l’origine d’une accélération de l'inactivation lente des canaux sodiques auparavant décrite en présence de certains anesthésiques locaux. Les modifications différentielles observées dans les neurones périphériques et centraux pourraient être responsables des effets délétères des pyréthrinoïdes sur les capacités de perception, d'orientation et d'apprentissage de l'abeille domestique. / In domestic honeybees, the olfactory receptor neurons localized in the antennae are primary sensory neurons responsible for the detection of odor and pheromone compounds. The olfactory information is further conveyed to the antennal lobes by the antennal nerves. The antennal lobes are the first stage of integration of the olfactory information. Forager bees are exposed to insecticides, especially pyrethroids that are used for plant protection and eradication of pests.In the honeybee olfactory pathway, we investigated the effects of pyrethroids on the voltage-gated sodium channels (which underlie action potentials). Our patch-clamp recordings in the antennal olfactory receptor neurons maintained in cell culture reveal that the effects of type I and type II pyrethroids (e.g. tetramethrin and deltamethrin) are increased by an augmentation of neuronal electrical activity. The amplification of the effects of pyrethroids occurs as a result of the unmasking of silent sodium channels that we have also shown evidence for, with sea anemone toxin ATX-II. The maximal sodium channels modification takes place within few hundreds of milliseconds. In the central antennal lobe neurons, that amplification is rather limited or absent with pyrethroids but the plant alkaloid veratridine is able to induce such an amplification. Furthermore, in the latter cell type, pyrethroids cause an acceleration of the sodium channels slow inactivation. Such an effect has been previously reported for some local anesthetics. The differential actions of pyrethroids that we have observed in the peripheral and central neurons may be responsible for the impairment of learning performance, perception and disorientation exhibited by pyrethroid-exposed honeybees.

This diploma thesis entitled "Attractiveness of Planting Species with a Potential to Extend Bee Forage for Bees" discusses pollen and nectar plants planted in the Brník municipality in the Central Bohemian Region. The thesis consists of two parts. The theoretical part describes honeybees, bee plants and their pollen- and nectar production ability as well as bee forage from early spring until late autumn so as to reflect the needs of pollinators as best as possible. The practical part uses pollen analysis to microscopically analyse the representation of pollen grains of plants in the honey produced by local bee colonies. Pollen analyses of honey from own bee colonies are compared with that from bee colonies belonging to neighbouring beekeepers.

Ce manuscrit propose une approche méthodologique pour la constitution d’une chaîne complète de vidéosurveillance pour des environnements naturellement encombrés. Nous identifions et levons un certain nombre de verrous méthodologiques et technologiques inhérents : 1) à l’acquisition de séquences vidéo en milieu naturel, 2) au traitement d’images, 3) au suivi multi-cibles, 4) à la découverte et la modélisation de motifs comportementaux récurrents, et 5) à la fusion de données. Le contexte applicatif de nos travaux est la surveillance apicole, et en particulier, l’étude des trajectoires des abeilles en vol devant la ruche. De ce fait, cette thèse se présente également comme une étude de faisabilité et de prototypage dans le cadre des deux projets interdisciplinaires EPERAS et RISQAPI (projets menées en collaboration avec l’INRA Magneraud et le Muséum National d’Histoire Naturelle). Il s’agit pour nous informaticiens et pour les biologistes qui nous ont accompagnés, d’un domaine d’investigation totalement nouveau, pour lequel les connaissances métiers, généralement essentielles à ce genre d’applications, restent encore à définir. Contrairement aux approches existantes de suivi d’insectes, nous proposons de nous attaquer au problème dans l’espace à trois dimensions grâce à l’utilisation d’une caméra stéréovision haute fréquence. Dans ce contexte, nous détaillons notre nouvelle méthode de détection de cibles appelée segmentation HIDS. Concernant le calcul des trajectoires, nous explorons plusieurs approches de suivi de cibles, s’appuyant sur plus ou moins d’a priori, susceptibles de supporter les conditions extrêmes de l’application (e.g. cibles nombreuses, de petite taille, présentant un mouvement chaotique). Une fois les trajectoires collectées, nous les organisons selon une structure de données hiérarchique et mettons en œuvre une approche Bayésienne non-paramétrique pour la découverte de comportements émergents au sein de la colonie d’insectes. L’analyse exploratoire des trajectoires issues de la scène encombrée s’effectue par classification non supervisée, simultanément sur des niveaux sémantiques différents, et où le nombre de clusters pour chaque niveau n’est pas défini a priori mais est estimé à partir des données. Cette approche est dans un premier temps validée à l’aide d’une pseudo-vérité terrain générée par un Système Multi-Agents, puis dans un deuxième temps appliquée sur des données réelles. / This manuscript provides the basis for a complete chain of videosurveillence for naturally cluttered environments. In the latter, we identify and solve the wide spectrum of methodological and technological barriers inherent to : 1) the acquisition of video sequences in natural conditions, 2) the image processing problems, 3) the multi-target tracking ambiguities, 4) the discovery and the modeling of recurring behavioral patterns, and 5) the data fusion. The application context of our work is the monitoring of honeybees, and in particular the study of the trajectories bees in flight in front of their hive. In fact, this thesis is part a feasibility and prototyping study carried by the two interdisciplinary projects EPERAS and RISQAPI (projects undertaken in collaboration with INRA institute and the French National Museum of Natural History). It is for us, computer scientists, and for biologists who accompanied us, a completely new area of investigation for which the scientific knowledge, usually essential for such applications, are still in their infancy. Unlike existing approaches for monitoring insects, we propose to tackle the problem in the three-dimensional space through the use of a high frequency stereo camera. In this context, we detail our new target detection method which we called HIDS segmentation. Concerning the computation of trajectories, we explored several tracking approaches, relying on more or less a priori, which are able to deal with the extreme conditions of the application (e.g. many targets, small in size, following chaotic movements). Once the trajectories are collected, we organize them according to a given hierarchical data structure and apply a Bayesian nonparametric approach for discovering emergent behaviors within the colony of insects. The exploratory analysis of the trajectories generated by the crowded scene is performed following an unsupervised classification method simultaneously over different levels of semantic, and where the number of clusters for each level is not defined a priori, but rather estimated from the data only. This approach is has been validated thanks to a ground truth generated by a Multi-Agent System. Then we tested it in the context of real data.

Genomische Selektion ist ein Routine-Verfahren bei verschiedenen Nutztierarten, aber noch nicht bei der Honigbiene wegen der Besonderheiten dieser Spezies. Für die Zuchtwertschätzung bei der Honigbiene ist eine spezielle genetische Verwandtschaftsmatrix erforderlich, da die Paarungsbiologie dieser Spezies ungesicherte Vaterschaft, diploide Königinnen und haploide Drohnen umfasst. Die Arbeit präsentiert einen neu-entwickelten Algorithmus zur effizienten Berechnung der Inversen der genetischen Verwandtschaftsmatrix und der Inzuchtkoeffizienten auf großen Datensätzen. Die Methode wurde zur Voraussage von genomischen und Stammbaum-basierten Zuchtwerten in einer Simulationsstudie genutzt. Die Genauigkeit und die Verzerrung der geschätzten Zuchtwerte wurden ausgewertet unter Berücksichtigung verschiedener Größen der Referenzpopulation. Außerdem wurde der Zuchtfortschritt im ersten Durchlauf von Zuchtprogrammen ausgewertet, die Zuchtschemata mit genomischer oder Stammbaum-basierter Selektion nutzten. Ein erheblich größerer Zuchtfortschritt als bei Stammbaum-basierter Selektion wurde mit genomischer Vorselektion erzielt, für die junge Königinnen genotypisiert wurden, und nur die Kandidaten mit den höchsten genomischen Zuchtwerten zur Anpaarung oder Leistungsprüfung zugelassen wurden. Für einen realen Datensatz von ungefähr 3000 genotypisierten Königinnen wurden Stammbaum-basierte und genomische Zuchtwerte für sechs wirtschaftlich bedeutende Merkmale vorhergesagt. Drei Merkmale zeigten eine signifikant höhere Vorhersagegenauigkeit bei genomischer Zuchtwertschätzung gegenüber Stammbaum-basierten Verfahren und die Unterschiede zwischen allen sechs Merkmalen konnten im Wesentlichen aus den genetischen Parametern der Merkmale und der begrenzten Größe der Referenzpopulation erklärt werden. Damit zeigt die Arbeit, dass die genomische Selektion bei der Honigbiene genutzt werden kann, den Zuchtfortschritt zu erhöhen. / Genomic selection is a routine practice for several important livestock species but not yet in honey bees, due to the peculiarities of this species. For honey bees, a specialized genetic relationship matrix is required for the prediction of breeding values, since their mating biology involves uncertain paternity, diploid queens, and haploid drones. The thesis presents a novel algorithm for the efficient computation of the inverse of the numerator relationship matrix and the coefficients of inbreeding on large data sets. The method was used to estimate genomic and pedigree-based breeding values in a simulation study. The accuracy and bias of the estimated breeding values were evaluated and various sizes of the reference population were considered. Subsequently, the genetic gain in the initial cycle of breeding programs was evaluated for several breeding schemes employing genomic or pedigree-based selection. A considerably higher genetic gain than with pedigree-based selection was achieved with genomic preselection, for which queens were genotyped early in life, and only the candidates of high genomic breeding value were admitted for mating or phenotyping. On a real data set of about 3000 genotyped queens, pedigree-based and genomic breeding values were predicted for six economically relevant traits. Three traits showed significantly higher prediction accuracy with genomic compared to pedigree-based methods, and the differences between all the six traits could be explained mainly from their genetic parameters and the limited size of the reference population. The results show that genomic selection can be applied in honey bees, and the thesis provides appropriate breeding schemes and mathematical methods for its implementation.

L’abeille domestique (Apis mellifera) est un insecte qui contribue à l’agriculture par sa pollinisation. Le taux élevé des mortalités hivernales des colonies est préoccupant depuis des décennies au Canada. Plusieurs facteurs sont impliqués, particulièrement Varroa destructor; un parasite qui se nourrit du corps gras de l’abeille. Le développement d’outils adaptés permettrait un meilleur suivi des colonies. Le projet consiste à corréler l’infestation de varroa avec les concentrations en sucres sériques et les co-infections (virales et bactériennes). Cette étude compare dans le temps six ruches fortement infestées et six ruches traitées (témoins). Un prélèvement d’hémolymphe a été effectué pour mesurer les concentrations en sucres en utilisant un glucomètre humain préalablement validé. Les concentrations en sucres (glucose et tréhalose) dans l’hémolymphe étaient significativement plus faibles (p<0.001) dans les ruches fortement infestées que les témoins en septembre. L’analyse RT-PCR multiplexe de six virus (DWV A/B, BCQV, KBV, IAPV et ABPV) a démontré que les ruches fortement infestées présentent une infection simultanée virale avec des charges plus élevées que chez les ruches témoins (p<0.05) pour la majorité des virus, sauf pour ABPV. Chez les ruches fortement parasitées, les charges virales pour DWVA et BQCV sont plus élevées en septembre qu’en juillet (p≤0.0001). Serratia marcescens a été seulement détectée dans une ruche infestée et une ruche témoin. Une exposition continue et élevée à varroa occasionne, en automne, une augmentation des charges virales et une diminution des sucres, suggérant une altération de l’immunité, du métabolisme et des réserves. Ces paramètres provoquent une faiblesse et une mortalité des colonies. / The European honeybee (Apis mellifera) contributes to the agriculture by its pollination; however, the mean overwintering loss rate of colonies over the last decades in Canada is worrisome. Varroa destructor, which feeds on the fat bodies of honeybees, is considered one of the most important causes of bee colony declines. The development of adapted diagnostic tools would improve the monitoring of honeybee health. This project aims to correlate the infestation by varroa to the hemolymph sugar concentrations (trehalose and glucose) and bacterial and viral coinfections. Six highly infested and six treated hives were compared over time. Pooled hemolymph of honeybees was collected for sugar concentration measurements using a previously validated portable glucometer. The hemolymph samples were also submitted for bacteriology. Multiplex RT-PCR analyses were performed on pooled honeybees for six viruses: Deformed wing virus A and B (DWV-A/B), Bee Queen Cell Virus (BQCV), Acute Bee Paralysis Virus (ABPV), Kashmere Bee Virus (KBV), Israeli Acute Paralysis Virus (IAPV). The results show that, in September, sugar concentrations in hemolymph were significantly lower in highly infested hives (p<0.001). Infested hives showed markedly higher viral loads (p<0.05), except for ABPV. Viral loads were significantly higher (p≤0.0001) in September than in July for DWV-A and BQCV. Serratia marcescens was only detected in one infested hive and one control. Overall, a continued and severe exposure to varroa leads to increased viral charges and decreased sugar concentrations, suggesting alterations in immunity, metabolism and reserve mobilization. All these parameters contribute to the weakening and mortality of the colonies.

In dieser Arbeit werden zwei wesentliche neue Ergebnisse vorgestellt. Das erste bezieht sich auf die olfaktorische Kodierung und das zweite auf das sensorische Gedaechtnis. Beide Phaenomene werden am Beispiel des Gehirns der Honigbiene untersucht. In Bezug auf die olfaktorische Kodierung zeige ich, dass die neuronale Dynamik waehrend der Stimulation im Antennallobus duftspezifische Trajektorien beschreibt, die in duftspezifischen Attraktoren enden. Das Zeitinterval, in dem diese Attraktoren erreicht werden, betraegt unabhaengig von der Identitaet und der Konzentration des Duftes ungefaehr 800 ms. Darueber hinaus zeige ich, dass Support-Vektor Maschinen, und insbesondere Perzeptronen, ein realistisches und biologisches Model der Wechselwirkung zwischen dem Antennallobus (dem kodierenden Netwerk) und dem Pilzkoerper (dem dekodierenden Netzwerk) darstellen. Dieses Model kann sowohl Reaktionszeiten von ca. 300 ms als auch die Invarianz der Duftwahrnehmung gegenueber der Duftkonzentration erklaeren. In Bezug auf das sensorische Gedaechtnis zeige ich, dass eine einzige Stimulation ohne Belohnung dem Hebbschen Postulat folgend Veraenderungen der paarweisen Korrelationen zwischen Glomeruli induziert. Ich zeige, dass diese Veranderungen der Korrelationen bei 2/3 der Bienen ausreichen, um den letzten Stimulus zu bestimmen. In der zweiten Minute nach der Stimulation ist eine erfolgreiche Bestimmung des Stimulus nur bei 1/3 der Bienen moeglich. Eine Hauptkomponentenanalyse der spontanen Aktivitaet laesst erkennen, dass das dominante Muster des Netzwerks waehrend der spontanen Aktivitaet nach, aber nicht vor der Stimulation das duftinduzierte Aktivitaetsmuster bei 2/3 der Bienen nachbildet. Man kann deshalb die duftinduzierten (Veraenderungen der) Korrelationen als Spuren eines Kurzzeitgedaechtnisses bzw. als Hebbsche "Reverberationen" betrachtet werden. / Two major novel results are reported in this work. The first concerns olfactory coding and the second concerns sensory memory. Both phenomena are investigated in the brain of the honeybee as a model system. Considering olfactory coding I demonstrate that the neural dynamics in the antennal lobe describe odor-specific trajectories during stimulation that converge to odor-specific attractors. The time interval to reach these attractors is, regardless of odor identity and concentration, approximately 800 ms. I show that support-vector machines and, in particular perceptrons provide a realistic and biological model of the interaction between the antennal lobe (coding network) and the mushroom body (decoding network). This model can also account for reaction-times of about 300 ms and for concentration invariance of odor perception. Regarding sensory memory I show that a single stimulation without reward induces changes of pairwise correlation between glomeruli in a Hebbian-like manner. I demonstrate that those changes of correlation suffice to retrieve the last stimulus presented in 2/3 of the bees studied. Succesful retrieval decays to 1/3 of the bees within the second minute after stimulation. In addition, a principal-component analysis of the spontaneous activity reveals that the dominant pattern of the network during the spontaneous activity after, but not before stimulation, reproduces the odor-induced activity pattern in 2/3 of the bees studied. One can therefore consider the odor-induced (changes of) correlation as traces of a short-term memory or as Hebbian reverberations.