L'imagerie médicale sur petits animaux est d'une grande utilité en recherche préclinique, car elle permet d'imager in vivo et en 3D l'intérieur de l'animal. Ceci sert au développement de nouveaux médicaments et au suivi de l'évolution de certaines pathologies. En effet, les techniques d'imagerie éliminent la nécessité de sacrifier les animaux, ce qui permet le suivi de processus biomoléculaires sur un même individu et l'obtention de données statistiquement plus significatives. Cependant, l'information moléculaire recueillie s'avère généralement de faible résolution spatiale, notamment en imagerie optique à cause de la diffusion de la lumière, et donc difficile à localiser dans le corps de l'animal. Le jumelage de modalités d'imagerie complémentaires permet donc d'obtenir des images anatomiques et moléculaires superposées, mais cela s'avère toutefois relativement coûteux. Le projet présenté vise à améliorer une technique d'imagerie 2D toute optique à faible coût permettant d'obtenir une carte approximative 3D des organes internes d'une souris. Cette technique devrait permettre le recalage spatial automatique d'informations moléculaires obtenues sur le même appareil, bien que cela n'ait pas encore été démontré. L'amélioration apportée par le projet consiste à obtenir des images anatomiques 3D, plutôt que 2D, en utilisant une caméra tournante et des techniques de vision numérique stéréo. Pour ce faire, la technique existante est d'abord reproduite. Celle-ci consiste à injecter de l'ICG , un marqueur fluorescent non spécifique qui demeure confiné au réseau vasculaire une fois injecté, à une souris anesthésiée. De par leurs métabolismes distincts et le temps que met l'ICG à atteindre chacun d'eux, la dynamique de fluorescence varie entre les organes, mais demeure relativement uniforme à l'intérieur d'un même organe. Certains organes peuvent donc être segmentés par des techniques appropriées de traitement de signal, telles l'analyse en composantes principales et la régression par moindres carrés non négative. Un système d'imagerie à caméra rotative comme le QOS® de Quidd permet d'obtenir des images 2D segmentées de l'anatomie. interne de l'animal selon plusieurs plans de vue. Ces plans de vue servent à reconstruire l'information anatomique en 3D par des techniques de vision numérique. La procédure pourrait être répétée avec un ou plusieurs marqueurs fluorescents fonctionnalisés dans le but d'obtenir des images moléculaires 3D du même animal et de les superposer aux images anatomiques 3D. La technique développée devrait ainsi permettre d'obtenir à faible coût et de manière toute optique des images 3D anatomiques et moléculaires recalées spatialement automatiquement.

La miniaturisation des composants CMOS (complementary metal oxide semiconductor) et MEMS (micro-electro-mechanical system) a permis la réalisation de capteurs d'images de faible taille et à forte densité de pixels pour répondre à la demande d'imageurs faible coût. Classiquement, la grande densité de pixels est obtenue en réduisant simplement la taille des pixels. Cependant, cette réduction de taille détériore l'efficacité optique d'absorption des pixels, ce qui impose alors un compromis définissant une taille minimum de pixel. Les pixels ont aujourd'hui une taille de l'ordre de la longueur d'onde, et les systèmes de filtres de couleur qui eux aussi induisent parallèlement des pertes optiques, devraient être revus, de nouvelles méthodes de séparation spectrale devant être envisagées. Cette thèse explore diverses techniques pouvant être utilisées pour trier différentes longueurs d'ondes, principalement dans le lointain infrarouge (8µm-12µm) et dans le visible (0.4µm-0.7µm) vers les pixels adéquats, supprimant ainsi les pertes traditionnelles par filtrage (par absorption ou réflexion).Nous introduisons le concept de tri spectral basé sur la NOE (normalized optical efficiency), qui est le ratio de l'absorption d'un pixel sur l'énergie totale incidente sur un ensemble de pixels. Pour un nombre donné N de pixels d'une sous-matrice de l'imageur (matrice de Bayer), le phénomène de tri spectral a lieu lorsque le NOE de chaque pixel est supérieur à 1/N. Nous étudions tout d'abord par simulation optique des antennes patch de différentes tailles pour trier efficacement la lumière infrarouge. Le réseau d'antennes a été fabriqué et caractérisé dans la plateforme technologique du CEA-LETI pour valider l'étude théorique. Nous rapportons ensuite une étude sur l'utilisation de 2 structures MSM (metal-semiconductor-metal) pour atteindre une absorption supérieure à 50% à 2 longueurs d'ondes dans un détecteur Silicium. Finalement, nous présentons notre étude finale sur une structure multicouche assistée par réseau pour le tri spectral dans le visible, qui permettrait de réduire la taille des pixels dans les imageurs visibles sous le seuil du micron tout en améliorant l'efficacité d'absorption. Nous avons déduit une compréhension de la stratégie de design de telles structures de tri, et présentons une structure de tri conçue pour réaliser du tri spectral avec une efficacité de l'ordre de 80% pour des pixels de taille inférieure à 0,5µm. / The advancement and scaling effect in complementary metal oxide semiconductor (CMOS) and micro-electro-mechanical system (MEMS) technology has made possible to make smaller image sensors with higher density of imaging pixels to respond at the demand of low cost imagers. Generally, the higher pixel density in imaging system is achieved by shrinking the size of each pixel in an array. The shrinking of pixel dimension however deteriorates the optical efficiency and therefore impose the tradeoff between the performance and minimum achievable pixel size. As the pixel size continues to shrink and approach the dimensions comparable to the wavelength, the spectral separation techniques used in current generation imaging system should be revised and new design methodologies have to be explored. This dissertation explored different techniques that could be used to efficiently sort the band of different wavelengths, mainly in far-infrared (8µm - 12µm) and visible (0.4 µm – 0.7 µm) spectrum in different spatial locations. We introduced the concept of spectral sorting based on normalized optical efficiency (NOE). For given number of pixels (N) or detectors, we define the phenomenon of sorting if NOE of individual pixels, considering incidence power from all pixel domain, is greater than 1/N. First we study differently sized optical patch antenna to efficiently sort the infrared light in different spatial locations using numerical techniques. Using array of such antennas we find the near perfect absorption of multiple wavelengths in infrared spectrum. The antenna arrays are fabricated and characterized in CEA-LETI platform to validate our study. We also report our study on using two differently sized Metal-Semiconductor-Metal (MSM) nanostructures to achieve absorption higher than 50% in individual silicon detector for visible spectrum. Finally we present our study on grating based dielectric multilayer structure for sorting of visible light which could enable to shrink the pixel size of visible imaging system to submicron dimension. We derived the comprehensive design strategy of such sorting structure and present the sorting structure designed to achieve optical efficiency as high as 80% in pixel size of as less as 0.5µm.

Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2002. / Titre de l'écran-titre (visionné le 20 juin 2006). Publié aussi en version papier.

Th. doct.--Phys.--Lyon--Inst. natl. des sci. appliquées, 1992. / Bibliogr. p. 234-251. Résumé en français et en anglais.

Th. univ.--Géol.--Rennes I, 1992. / Bibliogr. p. 146-156.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2009. / Titre de l'écran-titre (visionné le 13 janvier 2010). Bibliogr.

Thèse (Ph. D.)--Université Laval, 2009. / Titre de l'écran-titre (visionné le 24 juillet 2009). Bibliogr.

Th. doct.-ing.--Inform.--Toulouse--I.N.P., 1985. N°: 364.

Th. 3e cycle--Électronique--Grenoble--I.N.P, 1981. N°: D3 144.

La mitose est une étape clé du cycle cellulaire, très préservée chez toutes les cellules eucaryotes, durant laquelle le matériel génétique de la cellule (les chromosomes) réparti de manière égale dans les deux cellules filles. Cette équipartition du matériel génétique est cruciale pour le maintien de la stabilité génétique. Durant ce processus, les chromosomes, composés des chromatides soeurs, établissent une plaque métaphasique au centre du fuseau mitotique. Chaque chromatide est attachée à un pôle du fuseau mitotique respectif (on parle d'attachement bipolaire) vers lequel elle se dirigera durant l'anaphase. Les chromatides sont l'unité indivisible du matériel génétique durant la mitose, à l'image des atomes dans une molécule. Initialement, une fois la chromatine condensée en chromosomes, chacun de ces " objets " est détaché et réparti suivant une position précise appellée territoires chromosomiques. Toute la complexité de la mitose est de capturer chacune des chromatides et de les positionner sur la plaque métaphasique avant leur séparation et migration vers leur pôle respectif durant l'anaphase. Cette étape de la division cellulaire requiert donc non seulement un réseau complexe d'interaction et de signalisation biochimique comme dans beaucoup d'autres processus biologiques mais aussi un fin contrôle spatio-temporel du mouvement et du positionnement de ces objets de grande taille à l'échelle de la cellule. Il semblerait que l'origine du mouvement des chromosomes provienne pour une grande part de la dynamique des microtubules. Ce qui est moins certain est la part relative accordée aux différents processus régulant cette dynamique; que ce soit la dynamique intrinsèque (appelée instabilité dynamique des microtubules) ou l'effet de différentes protéines sur les microtubules comme les MAPs (Microtubule Associated Proteins) et les kinésines (protéines motrices). On notera par ailleurs que le mécanisme de transfert d'énergie entre la dynamique des microtubules et le mouvement des chromosomes est encore très largement hypothétique. La dynamique des chromosomes durant la mitose est aussi largement contrôlée par un grand nombre d'acteurs autres que les microtubules. Certains d'entre eux étant responsables de l'attachement MTs-kinétochore comme les complexes NDC80 et DAM1, tandis que d'autres sont impliqués dans la régulation de la dynamique des microtubules comme la kinésine-8 et la kinésine-13. Durant mon travail de thèse, j'ai étudié la dynamique des chromosomes en mitose chez la levure à fission, modèle celulaire dont les mécanismes primordiaux qui contrôlent la mitose sont conservés avec les eucaryotes supérieurs. En effet, j'ai caractérisé deux de ces mécanismes conservés au cours de l'évolution: l'alignement des chromosomes durant la métaphase ainsi qu'un mouvement de va et vient plus ou moins régulier le long du fuseau aussi appelé oscillation des chromosomes. J'ai montré, en analysant les trajectoires des chromosomes que ces deux processus sont pour une large part indépendants [@Mary2015]. De plus, le processus d'alignement des chromosomes, encore mal compris, est en partie contrôlé par la kinésine-8 via une activité dépendante de la longueur des microtubules. Il semblerait donc que cette kinésine soit capable de fournir une information spatiale le long du fuseau mitotique afin de positionner correctement les chromosomes. Enfin, j'ai utilisé un modèle mathématique de la ségrégation des chromosomes précédemment développé dans l'équipe afin de tester de manière quantitative les hypothèses de mécanisme du centrage des chromosomes par la kinésine-8. L'ensemble de mon travail porte donc sur le contrôle du mouvement, de l'attachement et du positionnement des chromosomes durant la mitose afin de mieux comprendre les processus biophysiques associés à la mitose. / Mitosis is a highly preserved process in all eukaryotic cells during which the genetic material (chromosomes) is divided in two parts which spread in both daughter cells. This equipartition is crucial for maintaining genetic stability. During this process, chromosomes form a metaphasic plate at the center of the mitotic spindle. Each chromatid is attached to its respective spindle pole (called bipolar attachment) toward which it will move during anaphase. Chromatids are the indivisible units of genetic material during mitosis just like atoms in a molecule. Originally each of these "\ objects\ " are detached and organized in chromosomes territories. All the complexity of mitosis resides in the capture of each chromatid by the spindle pole to exert forces to position them on the metaphase plate before their separation and migration towards their respective poles in anaphase. This step of cell division not only requires complex interaction networks and metabolic signaling pathways just like many other biological processes but also a fine spatio-temporal control of movement and positioning of these big objects relative to cell size. It is usually accepted that the origin of chromosome movement arises from microtubule dynamics. However, what is less clear is the relative importance of each of these processes regulating chromosome movement: the intrinsic dynamic instability of microtubules or the effect of their associated proteins such as MAPs and kinesins. It is also important to note that the mechanism controlling the transfer of energy between microtubule dynamics and chromosome movement is still largely hypothetical. Moreover, chromosome dynamics during mitosis is regulated by a large number of actors apart from microtubules. Some of them being responsible for MT-kinetochore attachment such as NDC80 and DAM1 complex. While others are involved in the regulation of MT dynamics such as Kinesin-8 and Kinesin-13. During my PhD, I studied fission yest chromosome dynamic during mitosis. This cellular model has the advantage of sharing many fundamental mechanisms of symmetrically dividing higher eukaryotic cells. I characterized two of these conserved mechanisms: chromosome alignment during metaphase and back and forth movement along the spindle, called chromosome oscillation. By analyzing chromosome trajectories, I showed that both processes are performed through independent mechanisms [@Mary2015]. Moreover, chromosome alignment process, which is still poorly understood, is regulated by Kinesin-8 via a length dependent activity on microtubules. This suggests that Kinesin-8 is able to provide spatial information along the mitotic spindle to properly position chromosomes. Finally, I used a mathematical model of chromosome segregation in order to test quantitatively different hypotheses of chromosome centering process. This work is thus deciphering the control of movement, attachment and positioning of chromosomes during mitosis and seeks to better understand the biophysical processes controlling mitosis.