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.

Cette thèse porte sur les mécanismes responsables de la croissance de systèmes de volcans de boue ainsi que sur les processus qui gouvernent leur évolution de surface. L’étude s’appuie sur une analyse structurale sur données sismiques faite sur deux structures anticlinales localisées dans le NW du Bassin Sud Caspien ainsi que sur une analyse structurale de terrain approfondie couplée à une imagerie de la sub-surface des édifices par résistivité électrique ainsi que par études géochimiques d’édifices volcaniques localisés dans la continuité onshore du bassin de la Kura en Azerbaïdjan. Les volcans à morphologie de mud pie montrent une morphologie plate car leur croissance est régie par la présence d’une réserve de matériel argileux non induré en surface que l’on appelle chambre superficielle. L’arrivée de matériel depuis une source de boue peu profonde induit le gonflement de cette chambre qui, en se rééquilibrant, provoque des déformations de surface et un élargissement de l’objet selon un modèle de Pousse-Muraille. Les édifices à morphologie coniques sont liés à des zones de stockage de matériel argileux plus profondes (chambre secondaire) voire à la source de boue, la zone de fluidisation du sédiment (chambre primaire). La source de fluides (eau et gaz) et nettement démarquée de la source de boue. La sédimentation est un facteur clé dans l’évolution des systèmes de volcan de boue car elle permet de sceller les chemins de migration de fluides, relançant la formation de surpression de fluide, créant une évolution par épisodes successifs de systèmes de volcans de boue emboîtés : les complexes de systèmes de volcan de boue. / This doctoral work studies the mechanisms involved in the growth of mud volcanoes systems and the processes involved with their surface evolution. The study is based on a structural analysis using seismic data acquired on two anticlines located in the NW of the South Caspian Basin and on an extensive structural field work combined with a sub-surface imagery based on electrical resistivity and geochemical analysis on edifices located on the onshore in continuity of the Kura Basin (Azerbaijan). Mud Pie are edifices having a flat morphology induced by the occurrence of a reserve of liquid mud on surface that we call Superficial Chamber. The input of material from a shallow mud source induce the inflation of this chamber which, reaching the equilibrium, induces a compressional stress that deform the edifice and make it grow, following a model named “Pushing Walls”. Conical edifices are linked to deeper storage zones (Secondary Chamber) or even to the source of mud itself (Primary Chamber). The fluid source (water and gas) is clearly disconnected to the source of mud. Sedimentation plays a dominant role on mud volcano systems evolution allowing to seal the fluid migration paths, thus the formation of fluids overpressure, inducing an evolution by successive pulses leading to interlocked mud volcano systems: mud volcano systems complexes.

L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est de nos jours un puissant outil de diagnostic grâce à sa capacité à produire des images aussi bien morphologiques que fonctionnelles. Bien que la résolution temporelle se soit améliorée avec les techniques d’imagerie rapide et parallèle, les mouvements physiologiques du type cardio-respiratoire restent gênants et dégradent la qualité des images. L’apnée et la synchronisation sont les techniques les plus couramment utilisées. Celles-ci ont des limites et restent difficiles pour certains patients. Pour mettre en oeuvre l’imagerie adaptive qui consiste à intégrer les mouvements des patients dans les processus d’acquisition et de reconstruction, nous devons disposer de capteurs de mouvements compatibles IRM donnant la meilleure représentation du mouvement des organes. Différents types de capteurs et méthodes de validations ont été développés pour intégrer ces informations externes aux algorithmes de reconstruction. Chaque capteur conçu devait être non-invasif et compatible à l’environnement IRM (champ magnétique, gradients de champ magnétique, et ondes de radiofréquences). La conception des capteurs impliquait la mise en oeuvre d’outils d’acquisition, et des méthodes de tests et de validations. Différent concepts de capteurs ont été explorés et testés. La validation finale étant faite par l’intégration des signaux à l’imagerie adaptative qui conduit à un apport au niveau de la qualité de l’image et par conséquent une amélioration du diagnostic. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is nowadays a powerful tool for diagnosis thanks to the ability to produce morphological and functional images. Despites of higher temporal resolution obtained with fast imaging techniques and parallel imaging, physiological movements, like the cardio-respiratory motion, are still a source of artefacts and degrade the quality of the image. Breathhold and gating/triggering are usually used to reduce the impact of this problem. For adaptive imaging, we want to take into account organs and physiological movement of the patient for the image acquisition and reconstruction process. For this reason, MRI compatible motion sensors are necessary. We have tested several types of motion sensors and developed validation methods to integrate this external information in the reconstruction algorithms. Every of the conceived sensor had to be non-invasive and compatible to the MRI environment (the magnetic field, gradients of magnetic field, and waves of radio frequencies). The conception of the sensors required the implementation of acquisition tools and validation tests and methods. Different types of sensors were investigated and tested. The final validation is made by the integration of the sensors in adaptive imaging process increasing image quality and consequently improving the diagnosis.

Cette thèse présente une nouvelle approche pour la détection de failles sismiques. Notre but est d'améliorer la qualité de détection en calculant les attributs classiques sur un support basé sur les connaissances a priori des objets. Plusieurs supports sont considérés : le filtrage linéaire utilisant des segments de longueur fixe et de direction variable, ainsi qu’un algorithme stochastique : les processus objet. Pour simuler ces processus, on propose deux modèles : soit utilisant une chaîne de segments, soit utilisant une courbe pour décrire une faille. Une des intérêts de cette méthode est qu’elle offre la possibilité d’utiliser un support commun pour les différents détecteurs de failles. On peut donc envisager un système pour fusionner les différents attributs utilisant les processus objet. / This thesis presents a new approach for seismic fault detection. Its goal is to increase the detection accuracy by computing some classical attributes on a support founded on an a priori knowledge about the faults. Several forms of support are proposed: a linear filtering method using fixed length segments of variable direction, respectively using a stochastic algorithm: the marked point processes. To simulate this process we propose two object models, using a network of connected linear segments and a more complex curved support which aims to describe each fault using one object. One interest of this approach is the possibility of using a common support for different fault detection operators. Then a whole detection framework can be proposed which acts like a decision fusion process.

Le rythme thêta est un rythme cérébral associé à l’activité locomotrice et au sommeil paradoxal. Bien que son implication dans la communication entre régions du cerveau et processus mnésiques ait largement été démontrée, il persiste un manque de données extensives dû à la difficulté d’imager l’ensemble de l’activité cérébrale dans des conditions naturelles de locomotion et d’exploration. Dans cette thèse, j’ai développé une approche qui combine l’enregistrement des potentiels de champs locaux à l’imagerie ultrasonore fonctionnelle (fUS) sur l’animal en mouvement libre. Pour la première fois, j’ai pu révéler les réponses hémodynamiques associées au rythme thêta dans la plupart des structures du système nerveux central avec de bonnes résolutions spatiale (100 x 100 x 400 μm) et temporelle (200 ms). Pendant la locomotion et le sommeil, les variations hémodynamiques de l’hippocampe, du thalamus dorsal et du cortex (rétrosplenial, somatosensoriel) corrèlent fortement avec la puissance instantanée du signal thêta hippocampique, avec un décalage temporel variant de 0.7 s à 2.0 s selon les structures. De manière intéressante, les rythmes gamma hippocampiques moyen (55-95 Hz) et rapide (100-150 Hz) expliquent la variance des signaux hémodynamiques mieux que le seul rythme thêta, alors que le rythme gamma lent (30-50 Hz) est non pertinent. L’hyperémie fonctionnelle de l’hippocampe suit séquentiellement la boucle tri-synaptique (gyrus denté - région CA3 - région CA1) et se renforce considérablement à mesure que la tâche progresse. Lors du sommeil paradoxal, j’ai observé une hyperémie tonique globale ainsi que des activations phasiques de grande amplitude initiées dans le thalamus et terminant dans les aires corticales, que nous avons appelées “poussées vasculaires”. De fortes bouffées d’activité gamma rapide (100-150 Hz) précèdent de manière robuste ces poussées vasculaires, l’inverse n’étant pas vrai. Dans l’ensemble, ces résultats révèlent la dynamique spatio-temporelle des signaux hémodynamiques associés à la locomotion et au sommeil paradoxal et suggèrent un lien fort entre rythmes thêta, gamma rapide et activité vasculaire globale / Theta rhythm is a prominent oscillatory pattern of EEG strongly associated with active locomotion and REM sleep. While it has been shown to play a crucial role in communication between brain areas and memory processes, there is a lack of extensive data due to the difficulty to image global brain activity during locomotion behavior. In this thesis, I developed an approach that combines local field potential recordings (LFP) and functional ultrasound imaging (fUS) to unrestrained rats. For the first time, I could image the hemodynamic responses associated with theta rhythm in most central nervous system (CNS) structures, with high spatial (100 x 100 x 400 μm) and temporal (200 ms) resolutions. During running and REM sleep, hemodynamic variations in the hippocampus, dorsal thalamus and cortices (S1BF, retrosplenial) correlated strongly with instantaneous theta power, with a delay ranging from 0.7 to 2.0 s after theta peak. Interestingly, mid (55-95 Hz) and high gamma (100-150 Hz) instantaneous power better explained hemodynamic variations than mere theta activity, while low-gamma (30-50 Hz) did not. Hippocampal hyperaemia followed sequentially the trisynaptic circuit (dentate gyrus - CA3 region - CA1 region) and was considerably strengthened as the task progressed. REM sleep revealed brain-wide tonic hyperaemia, together with phasic high-amplitude vascular activation starting in the dorsal thalamus and fading in cortical areas, which we referred to as “vascular surges”. Strong bursts of hippocampal high gamma (100-150 Hz) robustly preceded these surges, while the opposite was not true. Taken together, these results reveals the spatio-temporal dynamics of hemodynamics associated with locomotion and REM sleep and suggest a strong link between theta, high-gamma rhythms and brain-wide vascular activity.

Cette thèse a pour objectif de parvenir à une estimation automatisée des contours du ventricule gauche sur des images IRM en coupes petit-axe, nécessitant un minimum d’interventions de la part de l’utilisateur. En s’appuyant sur une approche semi-automatique récemment développée, une méthode entièrement automatique est proposée, reposant sur la localisation des structures cardiaques et la création d’une région d’intérêt autour du ventricule gauche, puis la segmentation de sa cavité. L’algorithme a été développé en prenant en compte des connaissances anatomiques et fonctionnelles sur le cœur : les caractéristiques temporelles du battement cardiaque, la pseudo-circularité des coupes petit-axe du ventricule gauche, la continuité 3D qui ont été combinées à l’intensité dans les images. La segmentation utilise une approche fondée sur les contours actifs combinée à un filtrage morphologique qui améliore la robustesse de la segmentation vis-à-vis des hétérogénéités au sein de la cavité. Le travail réalisé avec le groupe MedIEval (MedicalImaging Evaluation) a permis de comparer les deux méthodes avec 6 autres méthodes, dont 3 tracés d'experts. Une classification par une approche d’évaluation sans référence a été appliquée à la fraction d’éjection estimée par les 8 méthodes. Enfin, la méthode de segmentation proposée a été utilisée systématiquement dans une étude de recherche clinique combinant l’étude de la contraction régionale et la quantification de la transmuralité de l’infarctus du myocarde. Ces travaux ouvrent des perspectives, sur l’automatisation de la segmentation du ventricule droit et l’estimation d’une forme mutuelle robuste à partir de plusieurs segmentations. / The aim of this work is to perform an automated segmentation of the Left Ventricle on short-axis cardiac MR images with as few user interactions as possible. Based on a recently developed semi-automated segmentation method, a fully automated segmentation method is proposed that includes three main steps: the heart localization, the definition of a region of interest around the left ventricle, and finally its segmentation. The algorithm developed here takes into account anatomic and functional a priori information such as the temporal features of the heartbeat, the pseudo-circular shape of the LV, and the 3D continuity, combined with the image intensity features. The segmentation process is achieved using deformable models combined with morphological filters, which improve the model performances when dealing with heterogeneous gray levels within the cavity. The work achieved within the MedIEval group (Medical Imaging Evaluation) allowed to compare both proposed methods with 6 other methods, including 3 manual delineations by experts. In particular, an approach for ranking segmentation methods without using a gold standard was applied to the ejection fractions estimated by the 8 methods. Finally, the proposed segmentation method was used in a clinical research work about the regional contraction and thequantification of the myocardial infarction extent.Future work includes the automated segmentation of the right ventricle as well as the estimation of a robust mutual shape from several segmentation methods.

Ces travaux de thèse portent sur le développement de nouvelles modalités d’imagerie cardiovasculaire basé sur l’utilisation de l'imagerie ultrarapide 2D et 3D. Les modalités d’imagerie développées dans cette thèse appartiennent au domaine de de l’élastographie par onde de cisaillement et de l'imagerie Doppler des flux sanguins.Dans un premier temps, la technique de l’élastographie par onde de cisaillement du myocarde a été développée pour les applications cliniques. Une approche d'imagerie non-linéaire a été utilisée pour améliorer l’estimation de vitesse des ondes de cisaillement (ou la rigidité des tissus cardiaques) de manière non invasive et localisée. La validation de cette nouvelle approche de « l’imagerie par sommation cohérente harmonique ultrarapide » a été réalisée in vitro et la faisabilité in vivo a été testée chez l’humain. Dans un second temps, nous avons utilisé cette technique sur des patients lors de deux essais cliniques, chacun ciblant une population différente (adultes et enfants). Nous avons étudié la possibilité d’évaluer quantitativement la rigidité des tissus cardiaques par élastographie chez des volontaires sains, ainsi que chez des malades souffrant de cardiomyopathie hypertrophique. Les résultats ont montré que l’élastographie pourrait devenir un outil d'imagerie pertinent et robuste pour évaluer la rigidité du muscle cardiaque en pratique clinique. Par ailleurs, nous avons également développé une nouvelle approche appelée « imagerie de tenseur élastique 3-D » pour mesurer quantitativement les propriétés élastiques des tissus anisotropes comme le myocarde. Ces techniques ont été testées in vitro sur des modèles de de gels isotropes transverses. La faisabilité in vivo de l’élastographie par onde cisaillement à trois-dimensions a été également évaluée sur un muscle squelettique humain.D'autre part, nous avons développé une toute nouvelle modalité d’imagerie ultrasonore des flux coronariens basée sur l’imagerie Doppler ultrarapide. Cette technique nous a permis d'imager la circulation coronarienne avec une sensibilité élevée, grâce notamment au développement d’un nouveau filtre adaptatif permettant de supprimer le signal du myocarde en mouvement, basé sur la décomposition en valeurs singulières (SVD). Des expériences à thorax ouvert chez le porc ont permis d'évaluer et de valider notre technique et les résultats ont montré que la circulation coronaire intramurale, peut être évaluée sur des vaisseaux de diamètres allant jusqu’à 100 µm. La faisabilité sur l’homme a été démontrée chez l’enfant en imagerie clinique transthoracique.Enfin, nous avons développé une nouvelle approche d’imagerie des flux sanguins, « l’imagerie ultrarapide 3-D des flux», une nouvelle technique d'imagerie quantitative des flux. Nous avons démontré que cette technique permet d’évaluer le débit volumétrique artériel directement en un seul battement cardiaque, indépendamment de l'utilisateur. Cette technique a été mise en place à l'aide d'une sonde matricielle 2-D et d’un prototype d’échographe ultrarapide 3-D développé au sein du laboratoire. Nous avons évalué et validé notre technique in vitro sur des fantômes artériels, et la faisabilité in vivo a été démontrée sur des artères carotides humaines. / This thesis was focused on the development of novel cardiovascular imaging applications based on 2-D and 3-D ultrafast ultrasound imaging. More specifically, new technical and clinical developments of myocardial shear wave elastography and ultrafast blood flow imaging are presented in this manuscript.At first, myocardial shear wave elastography was developed for transthoracic imaging and improved by a non-linear imaging approach to non-invasively and locally assess shear wave velocity measurements, and consequently tissue stiffness in the context of cardiac imaging. This novel imaging approach (Ultrafast Harmonic Coherent Compounding) was tested and validated in-vitro and the in vivo feasibility was performed in humans for biomechanical evaluation of the cardiac muscle wall, the myocardium. Then, we have translated shear wave elastography to the clinical practice within two clinical trials, each one with a different population (adults and children). In both clinical trials, we have studied the capability of shear wave elastography to assess quantitatively myocardial stiffness in healthy volunteers and in patients suffering from hypertrophic cardiomyopathy. The results in the adult population indicated that shear wave elastography may become an effective imaging tool to assess cardiac muscle stiffness in clinical practice and help the characterization of hypertrophic cardiomyopathy. Likewise, we have also translated Shear Wave Elastography into four-dimensions and we have developed a new approach to map tissue elastic anisotropy in 3-D. 3-D Elastic Tensor Imaging allowed us to estimate quantitatively in a single acquisition the elastic properties of fibrous tissues. This technique was tested and validated in vitro in transverse isotropic models. The in-vivo feasibility of 3D elastic tensor imaging was also assessed in a human skeletal muscle.In parallel, we have developed a novel imaging technique for the non-invasive and non-radiative imaging of coronary circulation using ultrafast Doppler. This approach allowed us to image blood flow of the coronary circulation with high sensitivity. A new adaptive filter based on the singular value decomposition was used to remove the clutter signal of moving tissues. Open-chest swine experiments allowed to evaluate and validate this technique and results have shown that intramural coronary circulation, with diameters up to 100 µm, could be assessed. The in-vivo transthoracic feasibility was also demonstrated in humans in pediatric cardiology.Finally, we have developed a novel imaging modality to map quantitatively the blood flow in 3-D: 3-D ultrafast ultrasound flow imaging. We demonstrated that 3-D ultrafast ultrasound flow imaging can assess non-invasively, user-independently and directly volumetric flow rates in large arteries within a single heartbeat. We have evaluated and validated our technique in vitro in arterial phantoms using a 2-D matrix-array probe and a customized, programmable research 3-D ultrafast ultrasound system, and the in-vivo feasibility was demonstrated in human carotid arteries.

Le fonctionnement du cerveau humain est fascinant. En seulement quelques millisecondes, des milliards de neurones synchronisés perçoivent, traitent et redirigent les informations permettant le contrôle de notre corps, de nos sentiments et de nos pensées. Malheureusement, notre compréhension du cerveau reste limitée et de multiples questions physiologiques demeurent. Comment sont exactement reliés le fonctionnement neuronal et le comportement humain ? L’imagerie de l’activité neuronale au moyen de systèmes miniatures est l’une des voies les plus prometteuses permettant d’étudier le cerveau des animaux se déplaçant librement. Cependant, le développement de ces outils n’est pas évident et de multiples compromis techniques doivent être faits pour arriver à des systèmes suffisamment petits et légers. Les outils actuels ont donc souvent des limitations concernant leurs caractéristiques physiques et optiques. L’un des problèmes majeur est le manque d’une lentille miniature électriquement réglable et à faible consommation d’énergie permettant l’imagerie avec un balayage en profondeur. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau type de dispositif d’imagerie miniature qui présente de multiples avantages mécaniques, électriques et optiques par rapport aux systèmes existants. Le faible poids, la petite dimension, la capacité de moduler électriquement la distance focale à l’aide d’une lentille à cristaux liquides (CL) et la capacité d’imager des structures fines sont au cœur des innovations proposées. Dans un premier temps, nous présenterons nos travaux (théoriques et expérimentaux) de conception, assemblage et optimisation de la lentille à CL accordable (TLCL, pour tunable liquid crystal lens). Deuxièmement, nous présenterons la preuve de concept macroscopique du couplage optique entre la TLCL et la lentille à gradient d’indice (GRIN, pour gradient index) en forme d’une tige. Utilisant le même système, nous démontrerons la capacité de balayage en profondeur dans le cerveau des animaux anesthésiés. Troisièmement, nous montrerons un dispositif d’imagerie (2D) miniature avec de nouvelles caractéristiques mécaniques et optiques permettant d’imager de fines structures neuronales dans des tranches de tissus cérébraux fixes. Enfin, nous présenterons le dispositif miniaturisé, avec une TLCL intégrée. Grâce à notre système, nous obtenons ≈ 100 µm d’ajustement électrique de la profondeur d’imagerie qui permet d’enregistrer l’activité de fines structures neuronales lors des différents comportements (toilettage, marche, etc.) de la souris. / The functioning of the human brain is fascinating. In only a few milliseconds, billions of finely tuned and synchronized neurons perceive, process and exit the information that drives our body, our feelings and our thoughts. Unfortunately, our understating of the brain is limited and multiple physiological questions remain. How exactly are related neural functioning and human behavior ? The imaging of the neuronal activity by means of miniaturized systems is one of the most promising avenues allowing to study the brain of the freely moving subjects. However, the development of these tools is not obvious and multiple technical trade-offs must be made to build a system that is sufficiently small and light. Therefore, the available tools have different limitations regarding their physical and optical characteristics. One of the major problems is the lack of an electrically adjustable and energy-efficient miniature lens allowing to scan in depth. In this thesis, we propose a new type of miniature imaging device that has multiple mechanical, electrical and optical advantages over existing systems. The low weight, the small size, the ability to electrically modulate the focal distance using a liquid crystal (LC) lens and the ability to image fine structures are among the proposed innovations. First, we present our work (theoretical and experimental) of design, assembling and optimization of the tunable LC lens (TLCL). Second, we present the macroscopic proof-of-concept optical coupling between the TLCL and the gradient index lens (GRIN) in the form of a rod. Using the same system, we demonstrate the depth scanning ability in the brain of anaesthetized animals. Third, we show a miniature (2D) imaging device with new mechanical and optical features allowing to image fine neural structures in fixed brain tissue slices. Finally, we present a state-of-the-art miniaturized device with an integrated TLCL. Using our system, we obtain a ≈ 100 µm electrical depth adjustment that allows to record the activity of fine neuronal structures during the various behaviours (grooming, walking, etc.) of the mouse.

La microscopie holographique numérique (DHM) est une technique d'imagerie polyvalente prometteuse pour l'identification de biomarqueurs de maladies psychiatriques majeures. Les images obtenues par DHM sont toutefois affectées par le bruit cohérent, qui entrave entre autres la visualisation de petites ramifications nerveuses dans les tissus neuronaux. Le projet présenté dans ce mémoire tâche d'affranchir la DHM de ce défaut grâce à une approche dite polychromatique exploitant un laser à longueur d'onde modulable. Des cultures neuronales de rat et des cellules minces ont été analysées au moyen de cette approche, permettant de révéler de fins détails, tels que des dendrites et des organites. Finalement, dans l'objectif de mesurer des réponses cellulaires de façon dynamique, la méthode a été automatisée et optimisée. La stratégie proposée ici augure favorablement pour l'étude de la connectivité neuronale, et le montage peut être adapté pour des applications additionnelles de la DHM en biologie cellulaire. / Digital holographic microscopy (DHM) is a promising versatile imaging technique for the identification of biomarkers of major psychiatric illnesses. However, images obtained by DHM are affected by coherent noise, which among other things prevents from properly distinguishing nerve branches in neural tissue. The project presented in this thesis aims to remove this defect thanks to a socalled polychromatic approach using a laser with modulable wave lengths. Using this approach, neuronal cultures and thin cells were imaged, revealing fine details, such as dendrites and cell organelles. The setup was then optimized to measure dynamical cellular responses. The strategy proposed here bodes well for the study of neuronal connectivity and the setup can be adapted for additional DHM applications in cellularbiology.