The research presented here is an effort to characterize changes in marine oxygen availability across a portion of the later Cambrian noted for unique evolutionary dynamics and which includes a significant global oceanographic event known as the SPICE event (Steptoean Positive Carbon Isotope Excursion). Previous studies have revealed the SPICE caused large changes to the global cycles of carbon, sulfur, uranium, molybdenum and the overall trace metal content of seawater. Furthermore, the initiation of these changes appears to have been temporally coupled with marine extinctions across several paleocontinents raising the possibility of a common causal linkage between all these features. In particular, expanding marine anoxia has been invoked as the most parsimonious explanation for these co-occurring features. The research presented here tests this hypothesis directly across a range of spatial scales using the iron speciation paleoredox proxy to characterize redox conditions within individual basins and to facilitate comparison of conditions between basins. In addition to these analyses, we apply a new proxy, thallium stable isotopes to this interval to assess potential global changes in deoxygenation across the event. These iron speciation analyses showed shallow environments deoxygenated coincident with the initiation of the SPICE and extinction horizons, and these conditions were dominantly ferruginous. Importantly, this work also shows deeper-water environments were deoxygenated prior to and remained so across the event and these environments were also largely. Last we looked at changes in thallium isotopes during this same interval to see if this deoxygenation would be recorded as a positive shift across the interval if expanded anoxia were to impact the areal extent of manganese-oxide sedimentation and burial. We found it did record these changes, but with a different expression than during other more recent events explored using the isotope system. We attribute these differences to the unique chemical structure of the oceans during the Cambrian, which as documented herein were widely oxygen-deficient in their deeper depths. Given this recognition we suggest that thallium isotope studies in deep time should account for this redox structure of ancient oceans likely common under the less-oxygenated atmospheres of the ancient Earth. / Doctor of Philosophy / The research presented here is a story about oxygen in the oceans during an ancient portion of Earth history within the Cambrian Period (around 500 million years ago), soon after animal life first appears in the geologic record. The emerging biosphere of this time seems to have been particularly prone to extinctions, leading to the idea that environmental conditions, such as oxygen availability at the seafloor created difficult circumstances for animals in these ancient seas. This work seeks to quantify the levels of marine oxygenation at this time, however this remains a fundamental challenge because they cannot be directly measured from the rocks we study. Therefore, we rely on how the presence or absence of oxygen changed the chemistry of these rocks at the time they were sediments deposited on the seafloor. Here we use the behavior of two different elements, iron (Fe) and thallium (Tl), to understand changes in oxygen in the oceans around a large, globally-recorded extinction event called the SPICE event. Studying how much iron is concentrated in certain minerals in the rocks formed during this event allowed us to track how changes in oxygen may relate to these notable extinctions. We found that shallow coastal areas changed from oxygenated to deoxygenated at the same time of the extinctions, suggesting a direct role for this environmental shift in the biological crisis. Furthermore, we compared other locations from around the world using more new iron measurements in conjunction with previously published ones compiled by a collaborative geochemistry database project. This work revealed the deeper oceans were deoxygenated prior to and across the SPICE event and that the decline in oxygen in shallower environments was where most environmental change occurred during this time. Last we looked at changes in thallium isotopes during this same interval to see if this deoxygenation changed its global cycle. We found it did record global changes, but they were expressed differently than during other more recent events that have been studied. We attribute these differences to the unique chemical structure of the oceans during the Cambrian, which were widely oxygen-deficient in their deeper depths.

Despite its extremely low solubility in water, fullerite C₆₀ can form colloidally stable aqueous suspensions containing nanoscale C₆₀ particles (nC₆₀) when it is subject to contact with water. nC₆₀ is the primary fullerene form following its release to the environment. The aim of the present study was to provide fundamental insights into the properties and environmental impacts of nC₆₀. nC₆₀ suspensions containing negatively charged and heterogeneous nanoparticles were produced via extended mixing in the presence and absence of citrate and other carboxylates. These low-molecular weight acids were employed as simple surrogates of natural organic matter. The properties of nC₆₀ were characterized using dynamic light scattering (DLS), transmission electron microscopy (TEM), and UV-Vis spectroscopy. nC₆₀ produced in the presence of carboxylate differs from that produced in water alone (aq/nC₆₀) with respect to surface charge, average particle size, interfacial properties, and UV-Vis spectroscopic characteristics. Importantly, regularly shaped (spheres, triangles, squares, and nano-rods) nC₆₀ nanoparticles were observed in carboxylate solutions, but not in water alone. This observation indicates that a carboxylate-mediated 'bottom-up' process occurs in the presence of carboxylates. Changes in the UV-Vis spectra over time indicate that reactions between C₆₀ and water or other constituents in water never stop, potentially leading to significant morphologic changes during storage or as a result of simple dilution. These results suggest that studies examining the transport, fate, and environmental impacts of nC₆₀ should take the constituents of natural waters into consideration and that careful examination on the properties of the tested nC₆₀ should be conducted prior to and during each study. / Ph. D.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l’Université de Montréal / Ce travail examine l'aspect cinétique de l'interaction d'un peptide amphiphile, la mélittine, avec des membranes modèles neutres. L'effet de la présence de lipides chargés négativement et de cholestérol dans la bicouche a aussi été étudié. Deux méthodes en spectroscopie de fluorescence nous ont permis d'examiner de façon indépendante les mécanismes d'association et d'insertion tandis que la structuration du peptide a été analysée à l'aide du dichroïsme circulaire. Pour le système peptide/phosphatidylcholine, les trois types de cinétiques indiquent des mécanismes d'interaction en deux phases. Les temps associés à ces phases sont en général rapides : de l'ordre de la milliseconde pour la première étape et de l'ordre de la seconde pour la deuxième. En effectuant la synthèse de ces donnés expérimentales, il est possible d'établir la séquence dans laquelle les événements se déroulent: association, insertion et structuration en hélice a. La présence de faibles quantités de lipides chargés négativement dans les bicouches zwitterioniques ne modifie pas la séquences des événements ni l'aspect biphasiques des cinétiques. Cependant, on peut observer une réduction des temps correspondant aux premières étapes des trois cinétiques. Cette réduction est d'autant plus importante que la proportion molaire des lipides anioniques dans la membrane est augmentée. Ceci est principalement associé aux interactions électrostatiques attractives entre le peptide et l'interface chargée négativement de la membrane. En présence de cholestérol dans les bicouches de PC, la même séquence de phénomènes est conservée. Les trois types de cinétiques d'interaction sont différents, les mécanismes étant dans ce cas monophasiques. Leurs temps sont comparables à ceux associés aux premières phases des systèmes sans le stérol bien que légèrement plus rapides. Il est proposé que l'empilement plus compact des chaînes des lipides empêche la pénétration profonde de la mélittine dans la membrane.

Il y a près d’une décennie, l'utilisation des supernovae de type Ia comme indicateurs de distances a permis de découvrir l'expansion accélérée de l'univers. Les expériences de seconde génération ont augmenté de manière significative la taille et la qualité des échantillons à grand décalage vers le rouge. Cependant, l'échantillon de référence des supernovae à faible décalage vers le rouge, nécessaire à la cosmologie restait très restreint. The Nearby Supernova Factory a mesuré, à l'aide d'un instrument spectro-photométrique dédié (the Supernova Integral Field Sepctrograph), près de 200 nouvelles supernovae de type Ia. Ma thèse de doctorat a été effectuée à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon et au Lawrence Berkeley National Laboratory dans le cadre du projet international the Nearby Supernova Factory et a pour but l'étalonnage spectro-photométrique du spectrographe à champ intégral. Afin d'atteindre la précision souhaitée, une attention particulière a été apportée à plusieurs aspects majeurs de la procédure d'étalonnage, incluant: la détermination de la réponse impulsionnelle de l'instrument en vue de l'extraction 3D de sources ponctuelles, l'estimation de la qualité photométrique d'une nuit, l'obtention de l'extinction atmosphérique par nuit sur un domaine de longueur d'onde étendu, sa modélisation en terme de composantes physiques et sa variabilité au cours d'une nuit donnée. Une chaîne d'étalonnage multi-standard a été mis en \oe{}uvre utilisant approximativement 4000 observations spectro-photométriques d'étoiles standards. J'exposerai également à la fin de ce manuscrit les résultats scientifiques préliminaires de la collaboration SNfactory. / Ten years ago, type Ia supernovae used as distances indicators led to the discovery of the accelerating expansion of the universe. Today, a second generation of surveys has significantly increased the high-redshift type Ia supernovae sample. The low-redshift sample was however still limiting the cosmological analysis using SNe. In this framework, the Nearby Supernova Factory has followed 200 nearby type Ia supernovae using the dedicated Supernovae Integral Field Spectrograph with spectro-photometric capacities. My PhD thesis has been carried out at the Institut de Physique Nucléaire de Lyon and at the Lawrence Berkeley National Laboratoryin the framework of the international cosmological project SNfactory. In order to reach the design spectrophotometric accuracy, attention has been focused on several key aspects of the calibration procedure, including: determination of a dedicated point spread function for 3D point source extraction, estimating the nightly photometric quality, derivation of the nightly sky extinction over the extended optical domain, its modeling in terms of physical components and its variability within a given night. A full multi-standards calibration pipeline has been implemented using approximately 4000 observations of spectrophotometric standard stars taken throughout the night over nearly 500 individual nights. Preliminary scientific results of the whole SNfactory collaboration will be presented at the end of this thesis.

Vers la fin des années 1990, l’utilisation des supernovae de type Ia (SNe Ia) comme indicateurs de distance a permis de mettre en évidence l’expansion accélérée de l’univers. Depuis lors, des campagnes d’observations de grandes envergures ont permis d’augmenter de façon significative le nombre de SNe Ia observées, mais les incertitudes systématiques liées à la qualité des échantillons de SNe Ia proches restent un facteur limitant sur la précision des mesures actuelles. C’est dans le but de réduire ces incertitudes que le projet the Nearby Supernova Factory (SNfactory), à l’aide d’un instrument spectro-photométrique dédié à l’observation des SNe Ia (the Supernova Integral Field Spectrograph), a collecté depuis 2004 plus de 3000 spectres de près de 200 SNe Ia proches. Une des limitations actuelles de leur utilisation, outre les aspects liés aux problèmes d’inter-calibration entre les différentes expériences, est celle du mélange des différentes composantes de leurs variabilités lors de la standardisation empirique de leur module de distance. Une meilleure séparation de ces composantes, ainsi que la découverte de nouveaux indicateurs de distance, font partie des améliorations que peut apporter un échantillon spectral de SNe Ia proches tel que celui de la collaboration SNfactory. Cette thèse de doctorat, effectuée à l’Institut de Physique Nucléaire de Lyon et au Lawrence Berkeley National Laboratory, s’inscrit directement dans cette problématique, en se concentrant sur la mesure d’indicateurs spectraux sur l’échantillon spectral de la collaboration Snfactory. Le plan de cette thèse est le suivant : La première partie présente le contexte scientifique ainsi que l’échantillon de SNe Ia de la collaboration SNfactory utilisé dans les analyses. La deuxième partie se concentre sur la méthode de mesure d’indicateurs spectraux appliquée à l’échantillon spectrale présenté, ainsi que sur une étude de leur sensibilité à l’extinction par le milieu interstellaire. La troisième partie est une étude des corrélations des indicateurs spectraux et de leur utilisation pour la standardisation des Sne Ia. Dans la dernière partie, une utilisation de ces indicateurs spectraux pour la détermination d’une loi d’extinction moyenne est présentée / One of the current limitations of type Ia supernovae used as distance indicators is themixing of their different sources of variabilitiy during the empirical standardization of their distance modulus. Using the nearby SNe Ia spectral sample observed by the Nearby Supernovae Collaboration with the instrument SNIFS (Supernovae Intergral Field Sperctrograph), this thesis mainly focuses on this problematic using spectral indicators measurements. The first part of the thesis presents the scientific context as well as the sample used in the analysis. The second part focus on the spectral indicators measurement and their properties in the presence of interstellar dust extinction. The third part is a study of spectral indicators correlations and their use as standardization parameters. In the last part, we use these spectral indicators to construct a mean extinction law for type Ia supernovae

Ce travail s'intéresse à la compréhension du comportement des flammes non-prémélangées issues d'un jet de méthane assisté par un coflow d'air dilué avec du CO2, ou d'autres gaz chimiquement inertes pour discriminer les différents phénomènes impliqués dans la dilution. Les phénomènes transitionnels, décrochage et extinction, quantifiés par des limites de stabilité, sont analysés à l'aide de grandeurs physiques représentatives. Le domaine de stabilité de flamme est limité par des surfaces 3D dans le domaine physique ( Qdiluant/Qair (taux de dilution), Uair (vitesse d'air), UCH4 (vitesse de méthane)), révélant un effet compétitif entre l'aérodynamique et la dilution. Des cartographies génériques de décrochage et d'extinction communes à tous ces diluants sont proposées. Des grandeurs liées à la stabilisation sont toutes soumises à des lois d'évolution auto-simlilaires. Il en ressort que la vitesse de propagation de flamme est l'élément clé du mécanisme de stabilisation lors de la dilution. / This work focuses on the understanding of the behaviours of non-premixed methane flame inside an air coflow diluted by carbon dyoxide (CO2) or by other chemically inert diluents in order to discriminate different phenomena involved in dilution. Transitional phenomena (liftoff and extinction) quantified trough the stability limits, are analyzed trough representative physical quantities. The flame stability domain is limited by 3D-surfaces (liftoff and extinction) in the physical domain (Qdiluant/Qair (dilution level), Uair (air velocity), UCH4 (methane velocity)) revealing a competitive effect between aerodynamics and dilution. Generic diagrams of flame liftoff and extinction are proposed for all the diluents. Physical quantities related to flame stabilization process are all submitted to, regardless of diluent, self-similar laws. This is explained by flame burning velocity which is considered as the key element in the flame stabilization mechanism with air-side dilution.

Le but de ce travail est de déterminer par méthodes optiques la distribution de taille (pdf) des nanoparticules de suie, agrégats de morphologie fractale. Après des études préliminaires qui utilisent DDSCAT pour valider la théorie RDG-FA et permettent de convertir un rayon de giration en rayon de mobilité, deux diagnostics optiques sont étudiés. Le premier consiste à exploiter une mesure d'extinction spectrale de la lumière. Nous montrons que pour exploiter ce signal, il faut connaître les propriétés optiques des suies, leur préfacteur et dimension fractale, la loi de distribution et le diamètre des sphérules primaires. Le second diagnostic tire parti de la mesure angulaire de la diffusion de la lumière. Nous montrons qu'il est possible de déterminer la pdf à l'aide de la mesure de diffusion à trois angles. Il faut supposer la loi de distribution et la dimension fractale. Cette deuxième approche, in-situ, est plus appropriée que la première pour déterminer optiquement la pdf des suies. / The objective of this thesis is to determine by optical methods the soot size distribution. Soot are fractal-like morphology nanoparticles aggregates. After preliminary studies which used DDSCAT to validate the RDG-FA theory and allow converting gyration radius to mobility radius, two optical approaches are considered. The first one is based on a measure of spectral light extinction by soot. To exploit this signal, the knowledge of soot optical properties, fractal prefactor, type of law distribution, fractal dimension and primary spheres diameters are needed. The second one exploits the measure of angular scattering by particles. It is possible to determine the size distribution by using scattering measurement at only three angles. However, it's necessary to assume the type of law distribution and the fractal dimension. This second approach is more appropriate than the first one to determine optically the size distribution of soot and hold the interest to be in-situ.

L’anxiété et l’exposition aux contaminants environnementaux sont actuellement deux enjeux internationaux majeurs en santé publique. Plusieurs études ont examiné empiriquement le développement des troubles intériorisés, soit ses corrélats neuronaux et ses facteurs de risque. Plus récemment, l’exposition prénatale et postnatale aux contaminants environnementaux a été soulevé comme un facteur de risque au développement de l’anxiété. Bien que les Inuits du Nunavik sont parmis les plus exposés aux contaminants environnementaux dans le monde et semble particulièrement à risque de développer des troubles intériorisés, la prévalence de l’anxiété et ses facteurs de risque demeurent à être clarifié dans cette population. Les corrélats neuronaux pouvant sous-tendre les liens entre une exposition aux contaminants environnementaux et l’anxiété chez l’humain demeure aussi à être étudié. Le premier article de ma thèse présente une revue de littérature afin de mettre en lumière les associations entre les troubles intériorisés et une exposition prénatale ainsi que postnatale au plomb, au mercure et aux biphényles polychlorés (BPC) dans diverses populations. Le deuxième article étudie empiriquement la présence d’anxiété auprès des adolescents Inuit du Nunavik ainsi que ses principaux facteurs de risque lors du développement, dont l’exposition prénatale et postnatale aux contaminants environnementaux. Cette étude a permis de confirmer des niveaux d’anxiété très élevé et de souligner les facteurs de risque pouvant y contribuer tels qu’être une femme, avoir un moindre quotient intellectuel, être plus exposé au mercure durant les périodes prénatale et posnatale, vivre davantage d’insécurité alimentaire, avoir un plus faible apport vitaminique et avoir été victime davantage d’intimidation. Finalement, le troisième article examine le fonctionnement du circuit neuronal de la peur avec l’imagerie par raisonance magnétique fonctionnelle (IRMf), grâce à une tâche de conditionnement et d’extinction de la peur, selon l’exposition prénatale et postnatale aux contaminants environnementaux. Des différences d’activation dans le cortex préfrontal ont ainsi été retrouvées, soit pour l’exposition prénatale aux BPC dans le cortex orbitofrontal lors du conditionnement ainsi que lors de l’extinction pour l’exposition prénatale au mercure dans le cortex cingulaire antérieur et l’exposition présente au plomb dans le cortex préfrontal dorsolatéral. Tous ces résultats convergent vers des pistes intéressantes pour la compréhension, la prévention et l’intervention. / Anxiety and exposure to environmental contaminants are currently two major international issues in public health. Inuit of Nunavik appear at risk of developing psychological difficulties and more prone to be exposed to environmental contaminants. Several studies have empirically examined the development of anxiety, namely its neural correlates, as well as its risk factors. Environmental contaminants have recently emerged as contributing to the development of internalized disorders. The generalization of such risk factors remains to be validated within the Inuit population of Nunavik. Although closely related to anxiety, the relationship between exposure to environmental contaminants during development and the functioning of the neural circuit of fear remains to be examined. First, we reviewed the literature about association of internalized symptoms-related with prenatal and postnatal exposure to lead, mercury and polychlorinated biphenyls (PCB) in various populations. Next, we empirically examined anxiety levels in adolescent Inuit population of Nunavik and his risk factors, included environmental contaminants. This allowed to highlight very high levels of anxiety, as well as the implication of several risk factors, such as being a woman, higher exposure to mercury during prenatal and postnatal periods, more food insecurity, lower vitamin intake and more bullying experiences. Finally, we explored the functioning of the neural circuitry of fear with a task of conditioning and extinguishing fear, using functional magnetic resonance imaging, according to prenatal and postnatal exposure to environmental contaminants. Activation differences in prefrontal cortex were found, which are in the orbitofrontal cortex for prenatal exposure to PCB during fear conditioning, as well as during fear extinction in the anterior cingular cortex for prenatal exposure to mercury and in the dorsolateral prefrontal cortex for current lead exposure. All these results converge on interesting avenues for understanding, prevention and intervention.

This dissertation demonstrates the construction of the Panthera Population Persistence (PPP), an individual-based model for the Sumatran tiger (Panthera tigris sumatrae) which provides proper theoretical and application frameworks for the conservation of this tiger sub-species in central Sumatra. The PPP model was developed to gain insight into tiger-preyhabitat relationships as well as the effect of human impacts on the persistence of tiger populations. The model addresses three main problems for the survival of the Sumatran tiger: tiger poaching, prey depletion, and habitat loss. The description of the PPP model serves as an in-depth study of existing literature and covers the most important factors of existing models for tiger conservation. Existing modelling approaches have been improved by the inclusion of finer description of individual-level traits and behaviours in the PPP model. The modelling approach allows a direct inter-relationships between individuals and their environment. The relationship between individual behaviours, intrinsic states, and external factors are simulated spatially explicitly in a bottom-up approach where the emergence of the population dynamics of tiger and prey can be observed under different scenarios. The integration between the PPP model and geographical information system (GIS) has provided a much more meaningful spatial data by revealing the mechanism of the response of individuals to the present land-use types. The relative importance of the parameters within the PPP model was tested using two modes of sensitivity analysis: The Morris Method and the traditional One-factor-at-a-time method. The results provided guidance for the application of reasonable sensitivity analysis during the development of individual-based models. The Morris Method suggested that the overall output of the PPP model showed a high sensitivity on the change of time required by a tigress to take care of cubs. The analysis also revealed that the number of dispersers was sensitive toward perceptual distance of individuals to detect the presence of prey. Comparison with a similar predator-prey models provided insight into the predator-prey relationship. The comparison also suggested that perceptual distance of the individual is important for any spatially explicit individual-based model involving predator-prey relationships. The parameterization of the individual perceptual distance of tigers was tested by using existing literature on prey consumption by tigers as a benchmark. The simulation results were within the range of scientific acceptance for the number of prey killed by a tiger. Thus, further use of the set of parameters for a tiger’s perceptual distance is less uncertain for the output of the PPP model. The effect of habitat quality and landscape configuration on the mortality and migration of prey were evaluated through the use of virtual habitats and landscapes. The findings suggested that a good habitat quality enables prey survival, increases the population available for predation by tigers. When a low-quality habitat is combined with a high-quality habitat, the number of migrating prey was high, reducing resources for tigers. This suggested that landscape composition should be considered when predicting population persistence of the Sumatran tiger. Optimal movement of two different prey resulted in a high density of prey in high-quality habitat, providing a concentration of prey in a tiger’s habitat, but resulted in a lower tiger predation rate than random movement and species specific movement. The PPP model has been applied to evaluate the effect of poaching, prey depletion, and their combination for the probability of extinction of a tiger population. The results from the evaluation showed that prey depletion, tiger poaching, and a combination of both, created a 100% probability of extinction within 20 years if the density and frequency of those threats at high rates. However, the duration of those threats in the system caused a 100% probability of extinction from tiger poaching. The results are able to contribute to optimize anti-poaching programs in future, to reduce significantly the probability of total extinction of Sumatran tiger. Furthermore, various landscape configurations have been tested against the probability and time of extinction for the Sumatran tiger population. The integration of spatial GIS-data in the model provides an insight into the relationship between tiger-prey-habitat. The results suggested that habitat quality surrounding a protected area plays an important role for the persistence of the Sumatran tiger population. This study also recommends agroforestry systems as reasonable land-use type in the vicinity of protected areas. They provide not only positive effects for tiger conservation purpose but they also appear as adaptable to the current land-use situation in Sumatra island.:Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Contents 12 1 Introduction 15 1.1 Cornerstones of Sumatran Tiger Conservation . . . . . . . . 16 1.2 Scientific Challenges to Tiger Conservation . . . . . . . . . 22 1.3 Roles of Modelling in Tiger Conservation . . . . . . . . . . 26 1.4 Individual-Based Models for Tiger Conservation . . . . . . . 30 1.5 Research Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.6 Thesis Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2 Literature Review 34 2.1 Fragmentation and Population Dynamics . . . . . . . . . . . 35 2.2 Population Extinction and its measures . . . . . . . . . . . 37 2.3 Modelling the Effect of Fragmentation on Population Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.4 Individual-Based Modelling of Population Persistence . . . . 51 2.5 Sensitivity Analysis in Individual-based Model . . . . . . . . 53 3 Methods ..........................................................................55 3.1 Study Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2 Model Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3 Land-use Map Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4 Model Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4 Results 73 4.1 Structure and Sensitivity Analysis of Individual-based Predator- Prey Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2 Where to Go and How to Hide? Measuring the Relative Effect of Movement Decisions, Habitat Quality, and Landscape Configuration on theMortality andMigration of Tigers’ Prey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.3 The Extinction Potential of a Sumatran Tiger Population after the Removal of Poaching . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.4 The Influence of Agroforest and Other Land-use Types on the Persistence of a Sumatran tiger (Panthera tigris suma- trae) Population: An Individual-Based Model Approach . . 135 5 General Discussion 159 5.1 Main results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 5.2 Discussion of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6 Conclusions and Perspectives 170 6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2 Perspectives for Future Research . . . . . . . . . . . . . . . 171 Bibliography 174 Appendices 191 / Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung des Panthera Populations Persistence (PPP) Modells, eines individuenbasierten Simulationsmodells für den Sumatra-Tiger (Panthera tigris sumatrae). Dieses stellt einen geeigneten theoretischen und anwendungsbezogenen Rahmen für den Schutz dieser Tiger-Unterart in Zentralsumatra bereit. Das PPP-Modell wurde entwickelt, um Einblicke in die Tiger-Beute-Habitat-Beziehungen zu gewinnen, sowie um den Effekt anthropogener Einflüsse auf den Fortbestand von Tigerpopulationen abzuschätzen. Dabei werden die drei Hauptprobleme für das Überleben des Sumatra-Tigers analysiert: die Wilderei, der Rückgang von Beutetieren und der Verlust von geeigneten Habitaten. Die Beschreibung des PPP-Modells gibt zunächst einen umfassenden Überblick zum aktuellen Wissensstand auf dem Gebiet des Tigerschutzes und integriert die wichtigsten Faktoren bereits existierender Modellansätze. Diese konnten durch die Einbeziehung einer detaillierten Beschreibung von individuellen Merkmalen und Verhalten verbessert werden. Das PPPModell stellt somit das Individuum in einen direkten Zusammenhang mit dessen Umwelt. Die Beziehung zwischen individuellem Verhalten, intrinsischen Merkmalen und externen Faktoren werden räumlich-explizit in einem bottom-up Ansatz simuliert. Damit kann sowohl die Populationsdynamik des Tigers als auch die seiner Beutetiere unter verschiedenen Annahmen beobachtet werden. Die Verknüpfung des PPP-Modells mit Geographischen Informationssystemen (GIS) bietet die Möglichkeit, die Reaktionsmechanismen der Individuen basierend auf der gegenwärtigen Landnutzungssituation zu simulieren und somit realitätsnahe räumliche Daten zu generieren. Die relative Bedeutung der Modell-Parameter auf die Simulationsergebnisse kann durch Sensitivitätsanalysen ermittelt werden. Hier wurden zwei verschiedene Ansätze verwendet: die Morris-Methode und die herkömmliche One-factor-at-a-time Methode. Der Vergleich beider methodischen Ansätze zeigte somit beispielhaft die Eignung unterschiedlicher Sensitivitätsanalysen für individuenbasierte Modelle auf. Die Morris-Methode zeigte, dass das Gesamtergebnis des PPP-Modells eine hohe Sensitivität gegenüber der Veränderung der Zeit aufweist, die ein Tigerweibchen braucht, um ihre Jungen aufzuziehen. Die Analyse zeigt auch, dass die Anzahl an abwandernden Tigern sensitiv gegenüber der IndividuellenWahrnehmungsdistanz von Beute ist. Der Vergleich mit einem ähnlichen Räuber-Beute-Modell lässt vermuten, dass diese Wahrnehmungsdistanz eines Individuums generell als ein entscheidender Faktor für Räuber-Beute-Beziehungen in räumlich-expliziten Individuenmodellen an- gesehen werden kann. Die Parametrisierung der IndividuellenWahrnehmungsdistanz des Tigers wurde so gewahlt, dass die damit ermittelten Simulationsergebnisse den Beutekonsum des Tigers, wie in der Literatur beschrieben, weitgehen widerspiegeln. Sie ist somit für die weitere Anwendung im PPP-Modell ausreichend gut beschrieben. Simulationsszenarien, welche verschiedene Habitatqualitäten sowie Landnutzungsmuster berücksichtigen, zeigen auch deren Bedeutung für die Mortalität und Migration der Beutetiere. Eine gute Habitatqualität hat eine geringe Mortalität der Beutetiere zur Folge, welche dann wiederum für den Tiger in ausreichender Zahl zur Verfügung stehen. Treten geringe Habitatqualitäten angrenzend an ein Habitat mit hoher Qualität auf, führte dies zu einer hohen Anzahl an abwandernden Beutetieren, womit sich die Ressourcen für den Tiger verringern. Die Landschaftsmerkmale sollten also bei der Vorhersage des Populationsfortbestandes des Sumatra-Tigers berücksichtigt werden. Die optimale Bewegung von zwei verschiedenen Beutetieren ergab eine hohe Beutedichte in einem Habitat mit hoher Qualität und stellte konzentriert Beute in einem Tigerhabitat bereit. Allerdings resultierte dies auch in einer geringeren Prädationsrate des Tigers, verglichen mit zufälligen oder artenspezifischen Bewegungen. Das PPP-Modell wurde angewandt, um die Auswirkungen von Wilderei, Beutetierrückgang sowie die Kombination beider Faktoren auf die Aussterbewahrscheinlichkeit einer Tigerpopulation zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die genannten Faktoren eine 100-prozentige Aussterbewahrscheinlichkeit innerhalb von 20 Jahren zur Folge haben, wenn die Dichte und Häufigkeit dieser Bedrohungen hoch sind. Die Dauer dieser Bedrohungen im System verursachte allerdings eine 100-prozentige Aussterbewahrscheinlichkeit nur für die Wilderei von Tigern. Betrachtet man unabhängig von Dichte und Häufigkeit einzig die Dauer der Bedrohung, führt lediglich die Wilderei zum 100%-igen Aussterben. Diese Ergebnisse können maßgeblich dazu beitragen, zukünftig Schutzprogramme gegen die Wilderei zu optimieren, um das Aussterben des Sumatra-Tigers zu verhindern. DesWeiteren wurde der Einfluss von unterschiedlichen Landnutzungsmustern auf die Aussterbewahrscheinlichkeit und -zeit einer Sumatra-Tigerpopulation aufgezeigt. Die Integration von räumlichen GIS-Daten in das Modell ermöglichte einen Einblick in die Beziehungen zwischen Tiger, Beutetieren und Habitat. Die Ergebnisse zeigen, dass die Habitatqualität um Schutzgebiete herum eine wichtige Rolle für den Fortbestand der Population spielt. Die vorliegende Arbeit empfiehlt Agroforstsysteme als eine geeignete Landnutzungsform in der Nähe von Schutzgebieten, welche sowohl positive Effekte für den Tigerschutz bietet als auch mit den gegenwärtigen Landnutzungsmustern in Sumatra vereinbar erscheint.:Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Acknowledgement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Contents 12 1 Introduction 15 1.1 Cornerstones of Sumatran Tiger Conservation . . . . . . . . 16 1.2 Scientific Challenges to Tiger Conservation . . . . . . . . . 22 1.3 Roles of Modelling in Tiger Conservation . . . . . . . . . . 26 1.4 Individual-Based Models for Tiger Conservation . . . . . . . 30 1.5 Research Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.6 Thesis Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2 Literature Review 34 2.1 Fragmentation and Population Dynamics . . . . . . . . . . . 35 2.2 Population Extinction and its measures . . . . . . . . . . . 37 2.3 Modelling the Effect of Fragmentation on Population Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.4 Individual-Based Modelling of Population Persistence . . . . 51 2.5 Sensitivity Analysis in Individual-based Model . . . . . . . . 53 3 Methods ..........................................................................55 3.1 Study Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.2 Model Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.3 Land-use Map Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.4 Model Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4 Results 73 4.1 Structure and Sensitivity Analysis of Individual-based Predator- Prey Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.2 Where to Go and How to Hide? Measuring the Relative Effect of Movement Decisions, Habitat Quality, and Landscape Configuration on theMortality andMigration of Tigers’ Prey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.3 The Extinction Potential of a Sumatran Tiger Population after the Removal of Poaching . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.4 The Influence of Agroforest and Other Land-use Types on the Persistence of a Sumatran tiger (Panthera tigris suma- trae) Population: An Individual-Based Model Approach . . 135 5 General Discussion 159 5.1 Main results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 5.2 Discussion of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 6 Conclusions and Perspectives 170 6.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 6.2 Perspectives for Future Research . . . . . . . . . . . . . . . 171 Bibliography 174 Appendices 191

La plasticité cérébrale est régulée de façon dynamique au cours d’une vie : atteignant des sommets au cours de l’enfance, elle est réduite chez l’adulte. Toutefois, des circonstances particulières appellent à vouloir stimuler la malléabilité du cerveau adulte : pour favoriser la réhabilitation suite à un accident vasculaire cérébral ou un traumatisme crânien, pour aider l’adaptation spécifique nécessaire pour vivre avec une nouvelle prothèse ou encore pour améliorer l’efficacité de la thérapie cognitivo-comportementale suite à un traumatisme émotionnel qui a laissé un souvenir de peur qui s’est développé en syndrome de choc post-traumatique. Toutes ces situations demandent des capacités d’adaptation et une flexibilité exceptionnelles au système nerveux central. Or, pour retrouver une plasticité cérébrale telle qu’au niveau juvénile, la littérature nous apprend qu’il faut diminuer la puissance inhibitrice générée par un type d’interneurones particuliers, ceux exprimant la parvalbumine (PV+). Les fonctions des interneurones PV+ dépendent autant de leur patron de connectivité que de l’environnement extracellulaire dans lequel ils évoluent. En effet, en innervant des centaines de neurones cibles, délivrant une forte inhibition périsomatique en formant de multiples synapses autour de leur corps cellulaire et de leurs dendrites proximales, ils ont été impliqués dans l’intégration synaptique des neurones pyramidaux et dans la synchronisation des circuits corticaux. Toute manipulation ciblant cette arborescence axonale complexe pourrait s’avérer efficace à l’augmentation de la plasticité cérébrale en diminuant l’inhibition qu’elle génère. Ainsi, comprendre la signalisation moléculaire restreignant la croissance de l’arborescence axonale et la formation de boutons fonctionnels au cours de la longue phase développementale qui caractérise les interneurones PV+ aiderait à identifier des méthodes efficaces afin d’activer cette signalisation moléculaire chez l’adulte. De plus, comprendre les régulations épigénétiques liées au développement et à la maturation structurelle et fonctionnelle des interneurones PV+ offrirait une cible de choix afin de dématurer ces circuits inhibiteurs et lever un frein sur la plasticité cérébrale adulte. Nous démontrons ici que l’expression du récepteur des neurotrophines p75NTR chez les interneurones PV+ au cours de leur développement restreint la maturation de leur arborescence axonale, autant in vitro que in vivo, ainsi que l’agglomération des filets périneuronaux, autour de leur corps cellulaire. Aussi, en utilisant une version modifiée du test de ligation de proximité, nous avons résolu une controverse et démontré que le récepteur est toujours exprimé chez les interneurones PV+ du cortex adulte. Enfin, l’activation de la signalisation via p75NTR des interneurones PV+ par son ligand proBDNF est suffisante pour déstabiliser leur connectivité et restaurer la plasticité du cortex visuel suite à une privation monoculaire. Également, l’inactivation d’un régulateur épigénétique, l’histone déacétylase Hdac2, spécifiquement chez les interneurones PV+ suffit à diminuer leur connectivité efférente ainsi que l’agglomération des filets périneuronaux autour de leurs corps cellulaire tout en augmentant la rétention de l’extinction des souvenirs de peur, témoignant d’une augmentation de la plasticité cérébrale adulte. Par le séquençage d’ARNm en cellule unique, suivi de l’hybridation in situ RNAscope, nous avons identifié le gène Acan, codant pour aggrécane, une composante protéique des filets périneuronaux, comme étant exprimé de façon autonome à la cellule par les interneurones PV+ du cortex préfrontal adulte. Enfin, nous avons démontré qu’une seule injection d’un nouvel inhibiteur spécifique pour Hdac2 avant le paradigme d’extinction suffit à augmenter la rétention des souvenirs d’extinction chez l’adulte, tout en réduisant l’expression de Acan et l’agglomération des filets périneuronaux dans le cortex préfrontal. En somme, nos travaux ont montré que le remodelage des circuits des interneurones PV+ en ciblant soit le récepteur p75NTR, soit l’histone déacétylase Hdac2, peut efficacement augmenter la plasticité cérébrale chez l’adulte. / Brain plasticity is dynamically regulated during a lifespan: it reaches a peak during juvenile age and decreases in adulthood. However, exceptional circumstances can drive the need to foster adult brain plasticity: to help rehabilitation after a stroke or a head trauma, to increase the adaptability of an individual facing a new life with a prosthetic, to improve the efficiency of cognitive behavioral therapy to cope with the indelible fear memory trace created by an emotional trauma. All these situations require exceptional adaptation capabilities and cognitive flexibility. Several studies have suggested that reducing inhibitory drive, in particular of a specific GABAergic interneuron population, the parvalbumin-expressing interneurons (PV+), could be an effective approach to recover juvenile brain plasticity, thereby increasing adult brain plasticity. PV+ interneuron functions depend on their axonal connectivity pattern as well as their specific extracellular environment. Indeed, by contacting hundreds of postsynaptic neurons and delivering a strong perisomatic inhibitory drive by forming multiple synapses on their somata and proximal dendrites, PV+ interneurons strongly regulate pyramidal cell synaptic integration and cortical circuit synchronisation. PV+ interneuron maturation is a prolonged process, which reaches plateau only after the end of adolescence, and correlates with the decline of developmentally regulated- brain plasticity. We hypothesize that manipulations specifically targeting PV+ interneuron highly complex axonal arborisation, and thus reducing their inhibitory drive, could be efficient tools to foster adult brain plasticity. Understanding the molecular signalling that restricts PV+ cell axonal arborisation growth and the formation of functional presynaptic boutons during their long developmental phase may help identifying efficient methods to activate this molecular pathway, thus reducing PV+ interneuron connectivity, in adults. In addition, understanding the epigenetic regulation of structural and functional maturation of PV+ interneurons may offer a choice target to dematurate these inhibitory circuits and lift a brake on adult brain plasticity. Here, we demonstrate that the expression levels of neurotrophin receptor p75NTR during PV+ interneurons development constrain the maturation of their connectivity as well as the perineuronal net agglomeration around their cell bodies in a cell-autonomous fashion, both in vitro and in vivo. Also, by using a modified version of the proximity ligand assay, we solve a long-standing debate by demonstrating p75NTR expression in PV+ interneurons in adult cortex. Finally, we show that promoting p75NTR signalisation in PV+ cortical interneurons by its ligand proBDNF is sufficient to destabilize their connectivity and restore cortical plasticity following monocular deprivation in the adult visual cortex. We further show that the deletion of the epigenetic regulator histone deacetylase 2 (Hdac2), specifically in PV+ interneurons, is sufficient to decrease their efferent connectivity and perineuronal net agglomeration around their cell bodies, while increasing fear extinction retention, a measure of brain plasticity. By single-cell RNA sequencing, followed by RNAscope in situ hybridization, we found that the Acan gene, which encodes for aggrecan, a critical perineuronal net protein component, is expressed cell-autonomously by PV+ interneurons in adult prefrontal cortex. Finally, we showed that a single injection of a novel Hdac2 specific inhibitor before extinction training is sufficient to increase fear extinction retention in adults, while reducing Acan expression and perineuronal net agglomeration in prefrontal cortex. In summary, our work shows that increasing remodeling of PV+ interneuron circuits by targeting either p75NTR receptor or histone deacetylase Hdac2 efficiently foster adult brain plasticity.