Estimating Mutual Information

We present two classes of improved estimators for mutual information $M(X,Y)$, from samples of random points distributed according to some joint probability density $\mu(x,y)$. In contrast to conventional estimators based on binnings, they are based on entropy estimates from $k$-nearest neighbour distances. This means that they are data efficient (with $k=1$ we resolve structures down to the smallest possible scales), adaptive (the resolution is higher where data are more numerous), and have minimal bias. Indeed, the bias of the underlying entropy estimates is mainly due to non-uniformity of the density at the smallest resolved scale, giving typically systematic errors which scale as functions of $k/N$ for $N$ points. Numerically, we find that both families become {\it exact} for independent distributions, i.e. the estimator $\hat M(X,Y)$ vanishes (up to statistical fluctuations) if $\mu(x,y) = \mu(x) \mu(y)$. This holds for all tested marginal distributions and for all dimensions of $x$ and $y$. In addition, we give estimators for redundancies between more than 2 random variables. We compare our algorithms in detail with existing algorithms. Finally, we demonstrate the usefulness of our estimators for assessing the actual independence of components obtained from independent component analysis (ICA), for improving ICA, and for estimating the reliability of blind source separation.Comment: 16 pages, including 18 figure

Mixing Bandt-Pompe and Lempel-Ziv approaches: another way to analyze the complexity of continuous-states sequences

In this paper, we propose to mix the approach underlying Bandt-Pompe permutation entropy with Lempel-Ziv complexity, to design what we call Lempel-Ziv permutation complexity. The principle consists of two steps: (i) transformation of a continuous-state series that is intrinsically multivariate or arises from embedding into a sequence of permutation vectors, where the components are the positions of the components of the initial vector when re-arranged; (ii) performing the Lempel-Ziv complexity for this series of `symbols', as part of a discrete finite-size alphabet. On the one hand, the permutation entropy of Bandt-Pompe aims at the study of the entropy of such a sequence; i.e., the entropy of patterns in a sequence (e.g., local increases or decreases). On the other hand, the Lempel-Ziv complexity of a discrete-state sequence aims at the study of the temporal organization of the symbols (i.e., the rate of compressibility of the sequence). Thus, the Lempel-Ziv permutation complexity aims to take advantage of both of these methods. The potential from such a combined approach - of a permutation procedure and a complexity analysis - is evaluated through the illustration of some simulated data and some real data. In both cases, we compare the individual approaches and the combined approach.Comment: 30 pages, 4 figure

Characterizing genomic alterations in cancer by complementary functional associations.

Systematic efforts to sequence the cancer genome have identified large numbers of mutations and copy number alterations in human cancers. However, elucidating the functional consequences of these variants, and their interactions to drive or maintain oncogenic states, remains a challenge in cancer research. We developed REVEALER, a computational method that identifies combinations of mutually exclusive genomic alterations correlated with functional phenotypes, such as the activation or gene dependency of oncogenic pathways or sensitivity to a drug treatment. We used REVEALER to uncover complementary genomic alterations associated with the transcriptional activation of β-catenin and NRF2, MEK-inhibitor sensitivity, and KRAS dependency. REVEALER successfully identified both known and new associations, demonstrating the power of combining functional profiles with extensive characterization of genomic alterations in cancer genomes

Human skeletal muscle plasmalemma alters its structure to change its Ca2+-handling following heavy-load resistance exercise

High-force eccentric exercise results in sustained increases in cytoplasmic Ca2+ levels ([Ca2+]cyto), which can cause damage to the muscle. Here we report that a heavy-load strength training bout greatly alters the structure of the membrane network inside the fibres, the tubular (t-) system, causing the loss of its predominantly transverse organization and an increase in vacuolation of its longitudinal tubules across adjacent sarcomeres. The transverse tubules and vacuoles displayed distinct Ca2+-handling properties. Both t-system components could take up Ca2+ from the cytoplasm but only transverse tubules supported store-operated Ca2+ entry. The retention of significant amounts of Ca2+ within vacuoles provides an effective mechanism to reduce the total content of Ca2+ within the fibre cytoplasm. We propose this ability can reduce or limit resistance exercise-induced, Ca2+-dependent damage to the fibre by the reduction of [Ca2+]cyto to help maintain fibre viability during the period associated with delayed onset muscle soreness

Effects of Ionomycin on Egg Activation and Early Development in Starfish

Ionomycin is a Ca2+-selective ionophore that is widely used to increase intracellular Ca2+ levels in cell biology laboratories. It is also occasionally used to activate eggs in the clinics practicing in vitro fertilization. However, neither the precise molecular action of ionomycin nor its secondary effects on the eggs' structure and function is well known. In this communication we have studied the effects of ionomycin on starfish oocytes and zygotes. By use of confocal microscopy, calcium imaging, as well as light and transmission electron microscopy, we have demonstrated that immature oocytes exposed to ionomycin instantly increase intracellular Ca2+ levels and undergo structural changes in the cortex. Surprisingly, when microinjected into the cells, ionomycin produced no Ca2+ increase. The ionomycin-induced Ca2+ rise was followed by fast alteration of the actin cytoskeleton displaying conspicuous depolymerization at the oocyte surface and in microvilli with concomitant polymerization in the cytoplasm. In addition, cortical granules were disrupted or fused with white vesicles few minutes after the addition of ionomycin. These structural changes prevented cortical maturation of the eggs despite the normal progression of nuclear envelope breakdown. At fertilization, the ionomycin-pretreated eggs displayed reduced Ca2+ response, no elevation of the fertilization envelope, and the lack of orderly centripetal translocation of actin fibers. These alterations led to difficulties in cell cleavage in the monospermic zygotes and eventually to a higher rate of abnormal development. In conclusion, ionomycin has various deleterious impacts on egg activation and the subsequent embryonic development in starfish. Although direct comparison is difficult to make between our findings and the use of the ionophore in the in vitro fertilization clinics, our results call for more defining investigations on the issue of a potential risk in artificial egg activation

Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps

Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Résumé grand public Comme toute matière, la roche est sensible à son environnement et cherche à s'adapter pour acquérir un état stable (état d'équilibre). Les changements des conditions physiques (température et pression) vont ainsi impliquer des modifications dans la roche. Le métamorphisme est l'étude de ces changements. Les minéraux qui constituent la roche peuvent modifier, leur structure, leur chimie ou être remplacer par d'autres minéraux plus stables. Il est ainsi crucial de déterminer les processus responsables et limitant de la croissance minérale. Trois processus permettent la croissance ; (1) la dissolution des éléments du réactant, (2) le transport de ces éléments vers le site de croissance, (3) l'incorporation de ces éléments dans la nouvelle structure. Cette thèse se focalise sur les structures des minéraux de haute pression (forme, zonation chimique, structure interne) pour essayer de déterminer les facteurs importants à l'origine de leur état final. Les zones d'étude se situent dans la zone de Sésia. La première partie traite de la problématique liée à l'incorporation d'un élément dans une structure minérale. A l'image de la croissance humaine, les irrégularités minéralogiques permettent de mettre en lumière un dysfonctionnement de la croissance due à un excès ou à une carence d'un élément. Bien dosé, cet élément est cependant essentiel à la croissance. Les zoisites (épidotes) des métabasites de la région de Cima di Bonze montrent une zonation chimique en sablier. Dans cette zonation la teneur en fer excède la capacité maximum que peut contenir la structure orthorhombique de la zoisite. Des défauts de structure permettent l'accommodation de cet excès. La zoisite peut ainsi adapter sa structure pour permettre l'incorporation d'une relativement grande quantité de fer. Les études précédentes montraient, pour des conditions similaires, la formation de deux épidotes distinctes. La deuxième partie se penche sur la compétition entre le minéral qui fait sa croissance et les minéraux (réactants) qui l'entourent. Les métapélites de la région du Monte Mucrone contiennent des grenats atollaires. Des études détaillées de la texture et de la zonation chimique du grenat ainsi qu'une modélisation thermodynamique ont permis de mieux cerner les facteurs importants responsables de la forme atollaire. Cette structure est obtenue par un changement du comportement de la croissance du grenat le long d'un chemin P-T hercynien. Dans un premier stade, le grenat croît rapidement et consume peu le quartz de la matrice. La croissance se fait ainsi le long des jointures des grains de quartz. Dans un second temps, les changements de conditions PT donnent une croissance lente du grenat et une forte consommation du quartz. Le grenat peut ainsi développer sa forme dodécaédrale classique. La troisième partie s'intéresse aux distances de transport par diffusion d'un élément (ici l'argon) durant la haute pression. Pour ce faire, un profile d'âges 40Ar/39Ar sur biotite a été mesuré depuis un veine de haute pression riche en argon jusque dans son encaissant (granitoïd du Monte Mucrone). Le profile montre une répartition des âges suivant une courbe de diffusion. Le transport se fait sur une longueur de deux centimètre avec l'aide d'un fluide. Il est réduit à une échelle millimétrique quand la phase fluide disparaît. Cette étude montre ainsi les difficultés de transport des éléments durant la haute pression ne permettant pas un rééquilibrage de la roche à grande échelle. Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Résumé de thèse Les processus de croissance (diffusion des éléments et les réactions d'interface) et les conditions dans lesquelles les minéraux grandissent (température, pression, fluide, composition chimique de la roche), déterminent la texture ainsi que la zonation des minéraux. Cette thèse se focalise, par le biais de textures peu communes, sur trois différents processus impliqués dans la croissance minérale à haute pression (Zone de Sésia, Alpes de l'Ouest, Italie). L'incorporation d'un élément dans une structure minérale ne peut se faire que dans des sites en accord avec la taille et la charge ionique de l'élément. De plus, la balance de charge doit être maintenue dans le minéral. La régularité de la structure cristalline fixe ainsi une limite maximum de concentration d'un élément donné. Les zoisites provenant des métabasites de la région de Cima di Bonze montrent des zonations en sablier caractérisées par une concentration anormale en fer. La zonation se marque par une différente teinte de biréfringence et par un plus grand angle d'extinction que le reste de la zoisite. Une inter-croissance de clinozoisite à l'intérieur de la structure orthorhombique de la zoisite peut ainsi être suspectée. Les analyses XRD (diffraction des rayons x) ainsi que les analyses Raman ne confirment pas cette suspicion. Seules les analyses TEM (microscope à électrons transmis) montrent des défauts de structure pouvant être interprétés comme des modules de clinozoisite. Ils ne peuvent cependant pas être considérés comme une phase thermodynamique. Un nouveau trou d'immiscibilité entre deux zoisite (X ep= 0.1 and Xep = 0.15) a ainsi pu être établi. Dans les métapélites la région du Monte Mucrone, des grenats fortement zonés montrent une évolution texturale singulière. Ils présentent une forme initiale de `champignon' qui se développe pour former une structure atollaire finale. L'étude conjuguée de la structure 3D et des zonations, ainsi que l'établissement d'un model thermodynamique, indiquent que ces structures proviennent de deux épisodes de croissances : (1) La croissance du grenat durant un chemin prograde hercynien (de 525 °C et 6.2 kbar à 640 °C et 9 kbar) permet la formation des textures atollaires. Elles sont le résultat d'une croissance poecilitique initiale suivie d'une croissance idiomorphique du grenat. (2) La structure est rendue plus complexe par la cristallisation d'un grenat homogène tout autour ainsi qu'à l'intérieur du grenat hercynien durant la haute pression alpine (550 °C and 20 kbar). L'arrivée de l'eau durant la haute pression facilite le transport d'éléments et permet une cristallisation rapide du grenat. La diffusion peut être un facteur limitant de la croissance minéralogique. Elle a aussi une grande importance pour la géochronologie. Une veine de haute pression à l'intérieur du granitoïde du Monte Mucrone a été étudiée dans le but de déterminer la distance de diffusion de l'argon. Le profile d'âges 40Ar/39Ar sur biotites, établi de la veine vers le métagranitoïde, suit une courbe de diffusion. Les âges sont élevés proche de la veine (800 Ma) puis décroissent jusqu'à des âges homogènes (170-150 Ma) à deux centimètres de la veine. La présence de fluide, marqué par de hautes concentrations en chlore, permet une diffusion centimétrique. Cependant, la distance est réduite à une échelle millimétrique quand le fluide est absent. Les très faibles distances de diffusion préservent les âges pré-alpins et impliquent un événement géologique pour les âges de 170-150 Ma. Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Thesis abstract Rock textures and zonings are the consequence of growth processes (element diffusion and interface reaction) steered by the environment in which they grew (pressure, differential stress, temperature, fluid and rock composition). The thesis presented here focuses on three different topics, each of it dealing with aspects of mineral growth processes during subduction, in a high-pressure environment. All studies were conducted in the Sesia Zone of the Western European Alps, Italy. The first study addresses the crystallography and geochemistry of element incorporation in zoisite, one of the major hydrous minerals found in subduction zone rocks. Elements can be incorporated into a mineral structure only on crystallographic sites that offer enough space for the ion and the overall charge balance has to be maintained. Element concentrations are hence limited. Incorporation of some elements produces complex zoning, including hourglass like patterns, which are the focus of the first contribution. Zoisites from Cima di Bonze (Sesia Zone) show spectacular hourglass zoning defined by Fe-content variations. The hourglass zones have a distinct birefringence and a different extinction angle than the regular part of the zoisite. We show by detailed XRD (X-ray diffraction) and confocal Raman analyses that the high Fe-zones are nevertheless zoisite, and not clinozoisite as one might expect. High resolution TEM (transmission electron microscopy) analyses show planar defects on (100) that can be interpreted as small-scale clinozoisite modules. However, these clinozoisites cannot be interpreted as a distinctive thermodynamic phase and the entire mineral has to be considered as zoisite. The miscibility gap between two zoisites (Xep = 0.1 and Xep = 0.15) can be then definite at 550 ± 50°C and 14 to 20 Kbar. Strongly zoned garnets in quartz rich metapelite from the Monte Mucrone area (Sesia Zone) show evolution form 3D mushroom to atoll structure. The second contribution presents textural investigations, garnet zoning and thermodynamic modeling that demonstrate that atoll garnets are the result of two distinctive growth events. (1) Garnet atoll structure is already formed during a prograde Hercynian path from 525 °C and 6.2 kbar to 640 °C and 9 kbar. It results in an initial poikilitic growth followed by a final idiomorphic growth event. (2) Alpine HP garnet are homogenous (550 °C and 20 kbar) and grew around and also inside the Hercynian garnet. Lack of prograde Alpine garnet and fast growth of the HP garnet is explained by the absence of water during much of the prograde path. Water saturation was only observed towards the end, close towards the peak metamorphic conditions. Diffusion could be a limiting factor for crystal growth. It has also a great importance in geochronology. HP vein inside the metagranitoide of the Monte Mucrone (~300 Ma) was investigated to determine argon diffusion scales during high-pressure metamorphism. 40Ar/39Ar biotite ages profile from the vein toward the metagranodiorite show a diffusion curve: old ages (800 Ma) located close to the vein decrease until homogenous 170-150 Ma ages are obtained, two centimeter away from the vein. Centimeter-scale diffusion occurs with help of a fluid phase marked by high chlorine concentrations. Argon diffusion is reduced to a millimeter scale when free fluid is absent. Very short diffusion distance permits to preserve pre-Alpine ages. The 170-150 Ma ages are considered to be geologic meaningful, probably resulting from the extensional tectonics linked to opening of the Tethian ocean