Overview of LifeCLEF location-based species prediction task 2020 (GeoLifeCLEF)

International audienceUnderstanding the geographic distribution of species is a key concern in conservation. By pairing species occurrences with environmental features, researchers can model the relationship between an environment and the species which may be found there. To advance the state-of-the-art in this area, a large-scale machine learning competition called GeoLifeCLEF 2020 was organized. It relied on a dataset of 1.9 million species observations paired with high-resolution remote sensing imagery, land cover data, and altitude, in addition to traditional low-resolution climate and soil variables. This paper presents an overview of the competition , synthesizes the approaches used by the participating groups, and analyzes the main results. In particular, we highlight the ability of remote sensing imagery and convolutional neural networks to improve predictive performance, complementary to traditional approaches

Macrophage-specific responses to human -and animal- adapted tubercle bacilli reveal pathogen and host factors driving multinucleated cell formation

The Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) is a group of related pathogens that cause tuberculosis (TB) in mammals. MTBC species are distinguished by their ability to sustain in distinct host populations. While Mycobacterium bovis (Mbv) sustains transmission cycles in cattle and wild animals and causes zoonotic TB, M. tuberculosis (Mtb) affects human populations and seldom causes disease in cattle. The host and pathogen determinants underlying host tropism between MTBC species are still unknown. Macrophages are the main host cell that encounters mycobacteria upon initial infection, and we hypothesised that early interactions between the macrophage and mycobacteria influence species-specific disease outcome. To identify factors that contribute to host tropism, we analysed blood-derived primary human and bovine macrophages (hMϕ or bMϕ, respectively) infected with Mbv and Mtb. We show that Mbv and Mtb reside in different cellular compartments and differentially replicate in hMϕ whereas both Mbv and Mtb efficiently replicate in bMϕ. Specifically, we show that out of the four infection combinations, only the infection of bMϕ with Mbv promoted the formation of multinucleated giant cells (MNGCs), a hallmark of tuberculous granulomas. Mechanistically, we demonstrate that both MPB70 from Mbv and extracellular vesicles released by Mbv-infected bMϕ promote macrophage multinucleation. Importantly, we extended our in vitro studies to show that granulomas from Mbv-infected but not Mtb-infected cattle contained higher numbers of MNGCs. Our findings implicate MNGC formation in the contrasting pathology between Mtb and Mbv for the bovine host and identify MPB70 from Mbv and extracellular vesicles from bMϕ as mediators of this process

Evaluation of Deep Species Distribution Models using Environment and Co-occurrences

International audienceThis paper presents an evaluation of several approaches of plantsspecies distribution modeling based on spatial, environmental and co-occurrences data using machine learning methods. In particular, we re-evaluate the environmental convolutional neural network model that ob-tained the best performance of the GeoLifeCLEF 2018 challenge but on arevised dataset that fixes some of the issues of the previous one. We alsogo deeper in the analysis of co-occurrences information by evaluating anew model that jointly takes environmental variables and co-occurrencesas inputs of an end-to-end network. Results show that the environmentalmodels are the best performing methods and that there is a significantamount of complementary information between co-occurrences and envi-ronment. Indeed, the model learned on both inputs allows a significant performance gain compared to the environmental model alone

Mitochondrial physiology

As the knowledge base and importance of mitochondrial physiology to evolution, health and disease expands, the necessity for harmonizing the terminology concerning mitochondrial respiratory states and rates has become increasingly apparent. The chemiosmotic theory establishes the mechanism of energy transformation and coupling in oxidative phosphorylation. The unifying concept of the protonmotive force provides the framework for developing a consistent theoretical foundation of mitochondrial physiology and bioenergetics. We follow the latest SI guidelines and those of the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) on terminology in physical chemistry, extended by considerations of open systems and thermodynamics of irreversible processes. The concept-driven constructive terminology incorporates the meaning of each quantity and aligns concepts and symbols with the nomenclature of classical bioenergetics. We endeavour to provide a balanced view of mitochondrial respiratory control and a critical discussion on reporting data of mitochondrial respiration in terms of metabolic flows and fluxes. Uniform standards for evaluation of respiratory states and rates will ultimately contribute to reproducibility between laboratories and thus support the development of data repositories of mitochondrial respiratory function in species, tissues, and cells. Clarity of concept and consistency of nomenclature facilitate effective transdisciplinary communication, education, and ultimately further discovery

Méthodes statistiques pour la modélisation de la distribution spatiale des espèces végétales à partir de grandes masses d’observations incertaines issues de programmes de sciences citoyennes

Human botanical expertise is becoming too scarce to provide the field data needed to monitor plant biodiversity. The use of geolocated botanical observations from major citizen science projects, such as Pl@ntNet, opens interesting paths for a temporal monitoring of plant species distribution. Pl@ntNet provides automatically identified flora observations, a confidence score, and can thus be used for species distribution models (SDM). They enable to monitor the distribution of invasive or rare plants, as well as the effects of global changes on species, if we can (i) take into account identification uncertainty, (ii) correct for spatial sampling bias, and (iii) predict species abundances accurately at a fine spatial grain.First, we ask ourselves if we can estimate realistic distributions of invasive plant species on automatically identified occurrences of Pl@ntNet, and what is the effect of filtering with a confidence score threshold. Filtering improves predictions when the confidence level increases until the sample size is limiting. The predicted distributions are generally consistent with expert data, but also indicate urban areas of abundance due to ornamental cultivation and new areas of presence.Next, we studied the correction of spatial sampling bias in SDMs based on presences only. We first mathematically analyzed the bias when the occurrences of a target group of species (Target Group Background, TGB) are used as background points, and compared this bias with that of a spatially uniform selection of base points. We then show that the bias of TGB is due to the variation in the cumulative abundance of target group species in the environmental space, which is difficult to control. We can alternatively jointly model the global observation effort with the abundances of several species. We model the observation effort as a step spatial function defined on a mesh of geographical cells. The addition of massively observed species to the model then reduces the variance in the estimation of the observation effort and thus on the models of the other species.Finally, we propose a new type of SDM based on convolutional neural networks using environmental images as input variables. These models can capture complex spatial patterns of several environmental variables. We propose to share the architecture of the neural network between several species in order to extract common high-level predictors and regularize the model. Our results show that this model outperforms existing SDMs, that performance is improved by simultaneously predicting many species, and this is confirmed by two cooperative SDM evaluation campaigns conducted on independent data sets. This supports the hypothesis that there are common environmental models describing the distribution of many species.Our results support the use of Pl@ntnet occurrences for monitoring plant invasions. Joint modelling of multiple species and observation effort is a promising strategy that transforms the bias problem into a more controllable estimation variance problem. However, the effect of certain factors, such as the level of anthropization, on species abundance is difficult to separate from the effect on observation effort with occurrence data. This can be solved by additional protocolled data collection. The deep learning methods developed show good performance and could be used to deploy spatial species prediction services.L'expertise botanique humaine devient trop rare pour fournir les données de terrain nécessaires à la surveillance de la biodiversité végétale. L'utilisation d'observations botaniques géolocalisées des grands projets de sciences citoyennes, comme Pl@ntNet, ouvre des portes intéressantes pour le suivi temporel de la distribution des espèces de plantes. Pl@ntNet fourni des observations de flore identifiées automatiquement, un score de confiance, et peuvent être ainsi utilisées pour les modèles de distribution des espèces (SDM). Elles devraient permettre de surveiller les plantes envahissantes ou rares, ainsi que les effets des changements globaux sur les espèces, si nous parvenons à (i) prendre en compte de l'incertitude d'identification, (ii) correction les biais d'échantillonnage spatiaux, et (iii) prédire précisément les espèces à un grain spatial fin.Nous nous demandons d'abord si nous pouvons estimer des distributions réalistes d'espèces végétales envahissantes sur des occurrences automatiquement identifiées de Pl@ntNet, et quel est l'effet du filtrage avec un seuil de score de confiance. Le filtrage améliore les prédictions lorsque le niveau de confiance augmente jusqu'à ce que la taille de l'échantillon soit limitante. Les distributions prédites sont généralement cohérentes avec les données d'expertes, mais indiquent aussi des zones urbaines d'abondance dues à la culture ornementale et des nouvelles zones de présence.Ensuite, nous avons étudié la correction du biais d'échantillonnage spatial dans les SDM basés sur des présences seules. Nous avons d'abord analysé mathématiquement le biais lorsque les occurrences d'un groupe cible d'espèces (Target Group Background, TGB) sont utilisées comme points de fond, et comparé ce biais avec celui d'une sélection spatialement uniforme de points de base. Nous montrons alors que le biais de TGB est dû à la variation de l'abondance cumulée des espèces du groupe cible dans l'espace environnemental, qu'il est difficile de contrôler. Nous pouvons alternativement modéliser conjointement l'effort global d'observation avec les abondances de plusieurs espèces. Nous modélisons l'effort d'observation comme une fonction spatiale étagée définie sur un maillage de cellules géographiques. L'ajout d'espèces massivement observées au modèle réduit alors la variance d'estimation de l'effort d'observation et donc des modèles des autres espèces. Enfin, nous proposons un nouveau type de SDM basé sur des réseaux neuronaux convolutifs utilisant des images environnementales comme variables d'entrée. Ces modèles peuvent capturer des motifs spatiaux complexes de plusieurs variables environnementales. Nous proposons de partager l'architecture du réseau neuronal entre plusieurs espèces afin d'extraire des prédicteurs communs de haut niveau et de régulariser le modèle. Nos résultats montrent que ce modèle surpasse les SDM existants, et que la performance est améliorée en prédisant simultanément de nombreuses espèces, et sont confirmés par des campagnes d'évaluation coopérative de SDM menées sur des jeux de données indépendants. Cela supporte l'hypothèse selon laquelle il existe des modèles environnementaux communs décrivant la répartition de nombreuses espèces. Nos résultats supportent l'utilisation des occurrences Pl@ntnet pour la surveillance des invasions végétales. La modélisation conjointe de multiples espèces et de l'effort d'observation est une stratégie prometteuse qui transforme le problème des biais en un problème de variance d'estimation plus facile à contrôler. Cependant, l'effet de certains facteurs, comme le niveau d'anthropisation, sur l'abondance des espèces est difficile à séparer de celui sur l'effort d'observation avec les données d'occurrence. Ceci peut être résolu par une collecte complémentaire protocollée de données. Les méthodes d'apprentissage profond mises au point montrent de bonnes performances et pourraient être utilisées pour déployer des services de prédiction spatiale des espèces

Statistical methods for modelling the spatial distribution of plant species from large masses of uncertain occurrences from citizen science programs

L'expertise botanique humaine devient trop rare pour fournir les données de terrain nécessaires à la surveillance de la biodiversité végétale. L'utilisation d'observations botaniques géolocalisées des grands projets de sciences citoyennes, comme Pl@ntNet, ouvre des portes intéressantes pour le suivi temporel de la distribution des espèces de plantes. Pl@ntNet fourni des observations de flore identifiées automatiquement, un score de confiance, et peuvent être ainsi utilisées pour les modèles de distribution des espèces (SDM). Elles devraient permettre de surveiller les plantes envahissantes ou rares, ainsi que les effets des changements globaux sur les espèces, si nous parvenons à (i) prendre en compte de l'incertitude d'identification, (ii) correction les biais d'échantillonnage spatiaux, et (iii) prédire précisément les espèces à un grain spatial fin.Nous nous demandons d'abord si nous pouvons estimer des distributions réalistes d'espèces végétales envahissantes sur des occurrences automatiquement identifiées de Pl@ntNet, et quel est l'effet du filtrage avec un seuil de score de confiance. Le filtrage améliore les prédictions lorsque le niveau de confiance augmente jusqu'à ce que la taille de l'échantillon soit limitante. Les distributions prédites sont généralement cohérentes avec les données d'expertes, mais indiquent aussi des zones urbaines d'abondance dues à la culture ornementale et des nouvelles zones de présence.Ensuite, nous avons étudié la correction du biais d'échantillonnage spatial dans les SDM basés sur des présences seules. Nous avons d'abord analysé mathématiquement le biais lorsque les occurrences d'un groupe cible d'espèces (Target Group Background, TGB) sont utilisées comme points de fond, et comparé ce biais avec celui d'une sélection spatialement uniforme de points de base. Nous montrons alors que le biais de TGB est dû à la variation de l'abondance cumulée des espèces du groupe cible dans l'espace environnemental, qu'il est difficile de contrôler. Nous pouvons alternativement modéliser conjointement l'effort global d'observation avec les abondances de plusieurs espèces. Nous modélisons l'effort d'observation comme une fonction spatiale étagée définie sur un maillage de cellules géographiques. L'ajout d'espèces massivement observées au modèle réduit alors la variance d'estimation de l'effort d'observation et donc des modèles des autres espèces. Enfin, nous proposons un nouveau type de SDM basé sur des réseaux neuronaux convolutifs utilisant des images environnementales comme variables d'entrée. Ces modèles peuvent capturer des motifs spatiaux complexes de plusieurs variables environnementales. Nous proposons de partager l'architecture du réseau neuronal entre plusieurs espèces afin d'extraire des prédicteurs communs de haut niveau et de régulariser le modèle. Nos résultats montrent que ce modèle surpasse les SDM existants, et que la performance est améliorée en prédisant simultanément de nombreuses espèces, et sont confirmés par des campagnes d'évaluation coopérative de SDM menées sur des jeux de données indépendants. Cela supporte l'hypothèse selon laquelle il existe des modèles environnementaux communs décrivant la répartition de nombreuses espèces. Nos résultats supportent l'utilisation des occurrences Pl@ntnet pour la surveillance des invasions végétales. La modélisation conjointe de multiples espèces et de l'effort d'observation est une stratégie prometteuse qui transforme le problème des biais en un problème de variance d'estimation plus facile à contrôler. Cependant, l'effet de certains facteurs, comme le niveau d'anthropisation, sur l'abondance des espèces est difficile à séparer de celui sur l'effort d'observation avec les données d'occurrence. Ceci peut être résolu par une collecte complémentaire protocollée de données. Les méthodes d'apprentissage profond mises au point montrent de bonnes performances et pourraient être utilisées pour déployer des services de prédiction spatiale des espèces.Human botanical expertise is becoming too scarce to provide the field data needed to monitor plant biodiversity. The use of geolocated botanical observations from major citizen science projects, such as Pl@ntNet, opens interesting paths for a temporal monitoring of plant species distribution. Pl@ntNet provides automatically identified flora observations, a confidence score, and can thus be used for species distribution models (SDM). They enable to monitor the distribution of invasive or rare plants, as well as the effects of global changes on species, if we can (i) take into account identification uncertainty, (ii) correct for spatial sampling bias, and (iii) predict species abundances accurately at a fine spatial grain.First, we ask ourselves if we can estimate realistic distributions of invasive plant species on automatically identified occurrences of Pl@ntNet, and what is the effect of filtering with a confidence score threshold. Filtering improves predictions when the confidence level increases until the sample size is limiting. The predicted distributions are generally consistent with expert data, but also indicate urban areas of abundance due to ornamental cultivation and new areas of presence.Next, we studied the correction of spatial sampling bias in SDMs based on presences only. We first mathematically analyzed the bias when the occurrences of a target group of species (Target Group Background, TGB) are used as background points, and compared this bias with that of a spatially uniform selection of base points. We then show that the bias of TGB is due to the variation in the cumulative abundance of target group species in the environmental space, which is difficult to control. We can alternatively jointly model the global observation effort with the abundances of several species. We model the observation effort as a step spatial function defined on a mesh of geographical cells. The addition of massively observed species to the model then reduces the variance in the estimation of the observation effort and thus on the models of the other species.Finally, we propose a new type of SDM based on convolutional neural networks using environmental images as input variables. These models can capture complex spatial patterns of several environmental variables. We propose to share the architecture of the neural network between several species in order to extract common high-level predictors and regularize the model. Our results show that this model outperforms existing SDMs, that performance is improved by simultaneously predicting many species, and this is confirmed by two cooperative SDM evaluation campaigns conducted on independent data sets. This supports the hypothesis that there are common environmental models describing the distribution of many species.Our results support the use of Pl@ntnet occurrences for monitoring plant invasions. Joint modelling of multiple species and observation effort is a promising strategy that transforms the bias problem into a more controllable estimation variance problem. However, the effect of certain factors, such as the level of anthropization, on species abundance is difficult to separate from the effect on observation effort with occurrence data. This can be solved by additional protocolled data collection. The deep learning methods developed show good performance and could be used to deploy spatial species prediction services

Species recommendation using intensity models and sampling bias correction (GeoLifeCLEF2019: Lof of Lof team)

International audienceThis paper presents three algorithms for species spatial rec-ommendation in the context of the GeoLifeCLEF 2019 challenge. Wesubmitted three runs to this task, all based on the estimation of speciesenvironmental intensities through Poisson processes models: The first isdirectly derived from MAXENT method used for species distributionmodels. The second method is a modification that uses sites were speciesobserved as background points in MAXENT to correct for spatial sam-pling bias due to heterogeneous sampling in the training occurrences. Thelast method jointly estimates species and sampling intensities to correctfor sampling bias. The best run was the MAXENT method which wasranked 14 over 44 runs with a top30 accuracy of 0.111 on the test setwhile the worst performing method was LOF with an accuracy of 0.086(ranked 19

Science citoyenne et qualité des données sur la biodiversité : un faux problème ?

International audienc

Science citoyenne et qualité des données sur la biodiversité : un faux problème ?

International audienc

Overview of GeoLifeCLEF 2019: plant species prediction using environment and animal occurrences

International audienceThe GeoLifeCLEF challenge aim to evaluate location-based species recommendation algorithms through open and perennial datasets in a reproducible way. It offers a ground for large-scale geographic species prediction using cross-kingdom occurrences and spatialized environmental data. The main novelty of the 2019 campaign over the previous one is the availability of new occurrence datasets: (i) automatically identified plant occurrences coming from the popular Pl@ntnet platform and (ii) animal occurrences coming from the GBIF platform. This paper presents an overview of the resources and assessment of the GeoLifeCLEF 2019 task, synthesizes the approaches used by the participating groups and analyzes the main evaluation results. We highlight new successful approaches relevant for community modeling like models learning to predict occurrences from many biological groups and methods weighting occurrences based on species infrequency