La question maîtresse de nos investigations était: Comment les modulations des signaux excitateurs et inhibiteurs mènent à des changements d’état de conscience dans le cerveau – est-ce que l’éveil, le sommeil et le coma sont simplement des points repères dans un continuum allant de la prédominance de l’excitation (pendant l’éveil) à une prévalence ultime de l’inhibition (pendant le coma)? Nous avons tenté de répondre à cette question par une approche à plusieurs niveaux, incluants a) la modulation sub-cellulaire des concentrations ioniques, b) la réactivité intracellulaire à des stimuli externes, et c) des mesures de l’activité globale du cerveau par électroencéphalogramme (EEG). Nos études ont porté exclusivement sur des expériences réalisées in vivo en aigu sur des rats et des chats profondément anesthésiés. Sachant que l’un des facteurs dans la modulation de l’inhibition est la régulation des entrées et sorties du chlore dans les cellules nerveuses, nos investigations ont débuté en questionnant l’influence que cet ion pourrait avoir sur les réponses inhibitrices du réseau. La signalisation inhibitrice basée sur le chlore a pour pré-requis un certain gradient électrochimique entre le cytoplasme et l’espace extracellulaire. Jusqu’à maintenant, il a été largement admis que la diffusion fournissait la force nécessaire à une égale distribution du Cl- dans l’espace extracellulaire et qu’une petite redistribution prenait place après de fortes activités dans le réseau, incluant la signalisation inhibitrice. Par opposition, nous avons montré une différence significative entre les niveaux de Cl- extracellulaire disponibles dans une même région au sein de notre structure cible, la formation hippocampique. Ces résultats suggèrent que le cerveau pourrait employer des mécanismes pour contrer le processus de diffusion et ainsi créer des accumulations spécifiquement régionales d’ions – le plus probablement pour supporter les besoins en approvisionnement. Dans notre modèle, les états de conscience étaient contrôlés par l’induction d’une anesthésie générale; nous avons donc éteint intentionnellement la balance excitation-inhibition des mécanismes de signalisation du cerveau. Des recherches précédentes ont montré que l’anesthésie avec de l’isoflurane amenait l’inconscience par la modulation des neurones thalamocorticaux. Ces neurones agissent en tant que relai pour les signaux sensoriels afférents en route vers le cortex. L’isoflurane hyperpolarise la membrane cellulaire de ces neurones et réduit donc leur réactivité aux signaux synaptiques externes. Il semblerait que la plupart des neurones corticaux ne soient pas soumis à la modulation de l’isoflurane de la même façon. Au contraire, nous avons observé une diminution des réponses inhibitrices aux stimuli afférents dans les neurones corticaux sous l’augmentation des niveaux d’isoflurane, plus spécifiquement pendant les conditions produisant le coma induit par l’anesthésie. En complément à ces micro-mécanismes dynamiques, nous avons aussi investigué les processus globaux au niveau du cerveau entier qui se rapportent à l’inhibition. Nous avons observé 2 nouveaux phénomènes sous ces conditions d’anesthésie : Premièrement, nous avons démontré que même pendant les états comateux, des stimulations sous-liminales pouvaient induire des réponses cérébrales en bouffées, i.e. des bursts. Cependant, cela n’est observé que pendant une certaine fenêtre temporelle de l’anesthésie; lors du passage d’un état similaire au sommeil à l’état de coma. Donc, des réponses synaptiques peuvent en effet être induites même pendant des états comateux. Cette découverte pourrait constituer une pièce vitale du casse-tête pour les cliniciens travaillant avec les patients comateux et tentant de revitaliser leurs circuits cérébraux. En second lieu, nous avons observé un nouveau patron d’activité cérébrale émergeant d’une anesthésie à forte dose d’isoflurane – au-delà des niveaux requis pour l’induction d’une ligne d’EEG isoélectrique. Cette découverte surprenante démontre l’importance de la balance, au niveau d’un circuit, entre l’excitation et l’inhibition, car bien que la ligne isoélectrique semble signifier l’ultime domination de l’inhibition, une forme d’activité excitatrice peut émerger et revitaliser les circuits cérébraux. Nous concluons que l’excitation et l’inhibition pourraient ne pas se balancer dans un mode de tout ou rien et qu’une augmentation de l’inhibition ne cause pas automatiquement le sommeil et/ou le coma. Plutôt, l’excitation et l’inhibition devraient être comprises en tant que processus très localisés pendant lesquels l’activité de quelques neurones peut faire pencher la balance entre les états de conscience. / The guiding question for our investigations was: How do modulations in excitatory and inhibitory signaling lead to changes in the state of consciousness in the brain - are wakefulness, sleep and coma only landmarks on a continuum ranging from predominance of excitation (during wakefulness) to an ultimate prevalence of inhibition (during coma)? We addressed this question by a multilayered approach including a) sub-cellular investigations of modulations of ionic concentrations, b) intracellular responsiveness to excitatory stimuli, and c) EEG measures of whole-brain activity. Our studies were carried out exclusively in acute in vivo experiments on deeply anesthetized rats and cats. Since one of the factors in modulating inhibition is the accessibility of chloride inside- and outside of nerve cells, we began our investigations by asking which influence the availability of this ion might have on inhibitory network responses. Chloride-based inhibitory signaling requires a certain electrochemical gradient between the cytoplasm and the extracellular space as a permissive prerequisite. Thus far, it is widely assumed that diffusion provides a sufficient driving force to evenly distribute Cl- within the extracellular space and that a small re-distribution takes place after strong network activity including inhibitory signaling. In contrast we show a significant difference in regional levels of available extracellular Cl- within our target structure, the hippocampal formation. These findings suggest that the brain might employ mechanisms to counteract diffusion processes and thus create region-specific accumulations of ions - most likely to support needs of supply and demand. In our model, the states of vigilance and consciousness were controlled by application of general anesthesia and by doing so we intentionally offset the balance of excitatory and inhibitory brain signaling mechanisms. Previous research has shown that isoflurane anesthesia induces unconsciousness by modulating thalamocortical neurons. These neurons act as a relay for afferent sensory signals en route to the cortex. Isoflurane hyperpolarizes the cell membrane of these neurons and thus reduces their responsiveness to excitatory synaptic signaling. At the same time it appears that most cortical neurons are not subjected to isoflurane modulation in the same way. On the contrary, we observed diminishing inhibitory responses to afferent stimuli in cortical neurons under increasing levels of isoflurane, especially during conditions producing anesthesia-induced coma. In addition to these micro dynamic mechanisms we also investigated global whole-brain processes pertaining to inhibition. Under conditions of deep anesthesia, we observed two novel phenomena: Firstly, we demonstrated that even during comatose states, subliminal stimulations can elicit brain bursting responses - however only during a certain window during the anesthesia-induced passage from sleep-like behaviors to coma. Therefore, synaptic responses can indeed be elicited even during comatose states. This finding may constitute a vital piece of the puzzle for clinicians working with comatose patients and trying to re-vitalize brain circuits. Secondly, we observed a novel brain activity pattern which emerges under extremely high applications of isoflurane anesthesia – beyond the levels required for induction of a continuously flat (isoelectric) EEG line. This surprising finding demonstrates the importance of the circuit-level balance between excitation and inhibition, as even though the isoelectric line might appear to pose the ultimate dominance of inhibition, some form of excitatory activity can emerge and re-vitalize brain circuits. We conclude that excitation and inhibition might not balance in an all-or-none fashion and that an increase in inhibition does not automatically cause sleep and/or coma. Rather, excitation and inhibition should be understood as very localized processes during which the activity of a few neurons can tip the balance between the states of consciousness.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire concernent des contributions à l'identification paramétrique de modèles à temps continu. La première contribution est le développement d'une méthode à erreur de sortie appliquée à des modèles linéaires, en boucle ouverte et en boucle fermée. Les algorithmes sont présentés pour des modèles à temps continu, en utilisant une approche hors ligne ou récursive. La méthode est étendue à l'identification de systèmes linéaires comprenant un retard pur. La méthode développée est appliquée à différents systèmes et comparée aux méthodes d'identification existantes. La deuxième contribution est le développement d'une nouvelle approche d'identification de systèmes à boucles imbriquées. Cette approche est développée pour l'identification de systèmes électromécaniques. Elle se base sur l'utilisation d'un modèle d'identification paramétrique générique d'entraînements électromécaniques en boucle fermée, sur la connaissance du profil des lois de mouvement appliquées appelées excitations, et sur l'analyse temporelle de signaux internes et leurs corrélations avec les paramètres à identifier. L'approche est développée dans le cadre de l'identification d'entraînements à courant continu et synchrone. L'application de cette approche est effectuée au travers de simulations et de tests expérimentaux. Les résultats sont comparés à des méthodes d'identification classiques. / The research works presented in this thesis are about contributions in continuous time model parametric identication. The rst work is the development of an output error method applied on linear models, in open and closed loop. The algorithms are presented for continuous time models, using in-line or oine approaches. The method is extended to the case of the linear systems containing pure time delay. The developed method is applied to several systems and compared to the best existing methods. The second contribution is the development of a new identication approach for cascaded loop systems. This approach is developed for identifying electromechanical systems. It is based on the use of a generic parametric model of electromechanical drives in closed loop, on the knowledge of the movement laws applied and called excitations, and on the analyse of the time internal signals and their correlations with the parameters to identify. This approach is developed for identifying direct current and synchronous drives. The approach is applied with simulations and experimental tests. The obtained results are compared to best identifying known methods.

Cette thèse propose une méthode d'analyse des signaux triphasés pour la surveillance d'état des systèmes électromécaniques. La méthode proposée repose sur l'utilisation de la transformée en composantes symétriques instantanées et d'outils simples de traitement du signal pour détecter les défauts électriques et mécaniques dans de tels systèmes. Les avantages de cette approche triphasée par rapport à une approche monophasée pour la surveillance d'état sont étudiés en détail. Tout d'abord, pour les défauts électriques, l'utilisation de la transformée triphasée permet de séparer les composantes symétriques et asymétriques, et facilite ainsi la détection d'un déséquilibre électrique. Ensuite, pour les défauts mécaniques, l'approche par transformée en composantes symétriques permet de travailler dans des espaces avec un meilleur rapport signal à bruit. En effet, en appliquant le même traitement à la fois en monophasé et en triphasé sur les composantes symétriques, on observe que certains défauts mécaniques ne sont détectables qu’en utilisant la séquence positive des composantes symétriques. La méthodologie complète et les algorithmes pour calculer les indicateurs de défaut pour les défauts électriques et mécaniques sont donnés et les résultats sont validés sur signaux synthétiques et expérimentaux. En termes d'application, l'accent est mis sur la surveillance d'état des composants de turbines éoliennes. Toutefois, le procédé proposé peut être appliqué à des systèmes électromécaniques en général et peut facilement être étendu à des systèmes polyphasés. / This thesis proposes a three-phase electrical signals analysis method for condition monitoring of electromechanical systems. The proposed method relies on the use of instantaneous symmetrical components (ISCs) transform and simple signal processing tools to detect both electrical and mechanical faults in such systems. The advantages of using this three-phase approach for condition monitoring instead of single-phase ones are thoroughly detailed. Firstly, for electrical faults the use of the three-phase transform separates the balanced and unbalanced components thus making electrical unbalance detection easier. Secondly, for mechanical faults the ISCs approach has better signal-to-noise ratio (SNR). Indeed, by applying the same processing to both single-phase and ISCs, some mechanical faults are only detectable using the positive-sequence ISC. The complete methodology and algorithms to compute fault indicators for both electrical and mechanical faults are given and the results are validated using synthetic and experimental signals. In terms of application, the focus was on condition monitoring of wind turbine components. However, the proposed method can be applied on electromechanical systems in general and can easily be extended to poly-phase systems.

L’alimentation en énergie des réseaux de capteurs miniaturisés pose une question fondamentale, dans la mesure où leur autonomie est un critère de qualité de plus en plus important pour l’utilisateur. C’est même une question cruciale lorsque ces réseaux visent à assurer une surveillance d’infrastructure (avionique, machines, bâtiments…) ou une surveillance médicale ou environnementale. Les matériaux piézoélectriques permettent d’exploiter l’énergie mécanique inutilisée présente en abondance dans l’environnement (vibrations, déformations liées à des mouvements ou à des flux d’air…). Ils peuvent ainsi contribuer à rendre ces capteurs autonomes en énergie. Sous la forme de nanofils (NF), les matériaux piézoélectriques offrent une sensibilité qui permet d’exploiter des sollicitations mécaniques très faibles. Ils sont également intégrables, éventuellement sur substrat souple.Dans cette thèse nous nous intéressons au potentiel des nanofils de matériaux semi-conducteurs piézoélectriques, tels que ZnO ou les composés III-V, pour la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique. Depuis peu, ceux-ci ont fait l’objet d’études relativement nombreuses, avec la réalisation de nanogénérateurs (NG) prometteurs. De nombreuses questions subsistent toutefois avec, par exemple, des contradictions notables entre prédictions théoriques et observations expérimentales.Notre objectif est d’approfondir la compréhension des mécanismes physiques qui définissent la réponse piézoélectrique des NF semi-conducteurs et des NG associés. Le travail expérimental s’appuie sur la fabrication de générateurs de type VING (Vertical Integrated Nano Generators) et sur leur caractérisation. Pour cela, un système de caractérisation électromécanique a été construit pour évaluer les performances des NG réalisés et les effets thermiques sous une force compressive contrôlée. Le module d’Young et les coefficients piézoélectriques effectifs de NF de GaN; GaAs et ZnO et de NF à structure cœur/coquille à base de ZnO ont été évalués également dans un microscope à force atomique (AFM). Les nanofils de ZnO sont obtenus par croissance chimique en milieu liquide sur des substrats rigides (Si) ou flexibles (inox) puis sont intégrés pour former un générateur. La conception du dispositif VING s’est appuyée sur des simulations négligeant l’influence des porteurs libres, comme dans la plupart des études publiées. Nous avons ensuite approfondi le travail théorique en simulant le couplage complet entre les effets mécaniques, piézoélectriques et semi-conducteurs, et en tenant compte cette fois des porteurs libres. La prise en compte du piégeage du niveau de Fermi en surface nous permet de réconcilier observations théoriques et expérimentales. Nous proposons notamment une explication au fait que des effets de taille apparaissent expérimentalement pour des diamètres au moins 10 fois plus grands que les valeurs prévues par simulation ab-initio ou au fait que la réponse du VING est dissymétrique selon que le substrat sur lequel il est intégré est en flexion convexe ou concave. / Energy autonomy in small sensors networks is one of the key quality parameter for end-users. It’s even critical when addressing applications in structures health monitoring (avionics, machines, building…), or in medical or environmental monitoring applications. Piezoelectric materials make it possible to exploit the otherwise wasted mechanical energy which is abundant in our environment (e. g. from vibrations, deformations related to movements or air fluxes). Thus, they can contribute to the energy autonomy of those small sensors. In the form of nanowires (NWs), piezoelectric materials offer a high sensibility allowing very small mechanical deformations to be exploited. They are also easy to integrate, even on flexible substrates.In this PhD thesis, we studied the potential of semiconducting piezoelectric NWs, of ZnO or III-V compounds, for the conversion from mechanical to electrical energy. An increasing number of publications have recently bloomed about these nanostructures and promising nanogenerators (NGs) have been reported. However, many questions are still open with, for instance, contradictions that remain between theoretical predictions and experimental observations.Our objective is to better understand the physical mechanisms which rule the piezoelectric response of semiconducting NWs and of the associated NGs. The experimental work was based on the fabrication of VING (Vertical Integrated Nano Generators) devices and their characterization. An electromechanical characterization set-up was built to evaluate the performance and thermal effects of the fabricated NGs under controlled compressive forces. Atomic Force Microscopy (AFM) was also used to evaluate the Young modulus and the effective piezoelectric coefficients of GaN, GaAs and ZnO NWs, as well as of ZnO-based core/shell NWs. Among them, ZnO NWs were grown using chemical bath deposition over rigid (Si) or flexible (stainless steel) substrates and further integrated to build VING piezoelectric generators. The VING design was based on simulations which neglected the effect of free carriers, as done in most publications to date. This theoretical work was further improved by considering the complete coupling between mechanical, piezoelectric and semiconducting effects, including free carriers. By taking into account the surface Fermi level pinning, we were able to reconcile theoretical and experimental observations. In particular, we propose an explanation to the fact that size effects are experimentally observed for NWs with diameters 10 times higher than expected from ab-initio simulations, or the fact that VING response is non-symmetrical according to whether the substrate on which it is integrated is actuated with a convex or concave bending.

L'objectif de notre thèse de <p>doctorat est d’étudier et de décrire les propriétés chimiques et mé- <p>caniques du moteur moléculaire F1 -ATPase. Le moteur F1 -ATPase <p>est un moteur rotatif, d’aspect sphérique et d’environ 10 nanomètre <p>de rayon, qui utilise l’énergie de l’hydrolyse de l’ATP comme car- <p>burant moléculaire. <p>Des questions fondamentales se posent sur le fonctionnement de <p>ce moteurs et sur la quantité de travail qu’il peut fournir. Il s’agit <p>de questions qui concernent principalement la thermodynamique <p>des processus irréversibles. De plus, comme ce moteur est de <p>taille nanométrique, il est fortement influencé par les fluctuations <p>moléculaires, ce qui nécessite une approche stochastique. <p>C’est en créant deux modéles stochastiques complémentaires de <p>ce moteur que nous avons contribué à répondre à ces questions <p>fondamentales. <p>Le premier modèle discuté au chapitre 5 de la thèse, est un mod- <p>èle continu dans le temps et l’espace, décrit par des équations de <p>Fokker-Planck, est construit sur des résultats expérimentaux. <p>Ce modèle tient compte d’une description explicite des fluctua- <p>tions affectant le degré de liberté mécanique et décrit les tran- <p>sitions entre les différents états chimiques discrets du moteur, <p>par un processus de sauts aléatoires entre premiers voisins. Nous <p>avons obtenus des résultats précis concernant la chimie d’hydrolyse <p>et de synthèse de l’ATP, et pour les dépendences du moteur en les <p>différentes variables mécaniques, à savoir, la friction et le couple <p>de force extérieur, ainsi que la dépendence en la température. <p>Les résultats que nous avons obtenus avec ce modèle sont en ex- <p>cellent accord avec les observations expérimentales. <p>Le second modèle est discret dans l’espace et continu dans le <p>temps et est décrit dans le chapitre 6. L’analyse des résultats <p>obtenus par simulations numériques montre que le modèle est <p>en accord avec les observations expérimentales et il permet en <p>outre de dériver des grandeurs thermodynamiques analytique- <p>ment, décrites au chapitre 4, ce que le modèle continu ne permet <p>pas. <p>La comparaison des deux modèles révele la nature du fonction- <p>nement du moteur, ainsi que son régime de fonctionnement loin <p>de l’équilibre. Le second modèle a éte soumis récemment pour <p>publication. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les récupérateurs d'énergie vibratoire électrostatiques (REV) sont des systèmes convertissant une partie de l'énergie cinétique de leur environnement en énergie électrique, afin d'alimenter de petits systèmes électroniques. Les REV inertiels sont constituées d'un sous-système mécanique bâti autour d'une masse mobile, ainsi que d'une interface électrique. Ces deux blocs sont couplés par un transducteur électrostatique. Cette thèse étudie l'amélioration des performances des REV par la conception optimisée de leur interface électrique. La première partie de cette thèse étudie une famille d'interfaces électriques appelées pompes de charge (PC). On commence par la construction d'une théorie formelle des PC. Des interfaces rapportées dans la littérature sont identifiées comme membres de cette famille. Cette dernière est ensuite complétée par une nouvelle topologie de PC. Une comparaison des différents PC est alors faite dans le domaine électrique, puis un outil semi-analytique est présenté pour la comparaison des PC en prenant en compte le couplage électromécanique. L'étude des PC se termine par la présentation d'une nouvelle méthode de mesure du potentiel d'électret des REV. La deuxième partie de la thèse présente une approche de conception radicalement différente de ce qui est présenté dans les travaux actuels sur les REV. Elle préconise une synthèse active de la dynamique de la masse des REV à travers leur interface électrique. Nous montrons d'abord que cela permet la conversion d'énergie en quantités proches des limites physiques, et ce à partir de vibrations d'entrée de forme arbitraire. Enfin, une architecture pour un tel REV est proposée et testée en simulation. / Electrostatic vibration energy harvesters (e-VEHs) are systems that convert part of their surroundings' kinetic energy into electrical energy, in order to supply small-scale electronic systems. Inertial E-VEHs are comprised of a mechanical subsystem that revolves around a mobile mass, and of an electrical interface. The mechanical and electrical parts are coupled by an electrostatic transducer. This thesis is focused on improving the performances of e-VEHs by the design of their electrical interface. The first part of this thesis consists in the study of a family of electrical interfaces called charge-pumps conditioning circuits (CPCC). It starts by building a formal theory of CPCCs. State-of-the-art reported conditioning circuits are shown to belong to this family. This family is then completed by a new CPCC topology. An electrical domain comparison of different CPCCs is then reported. Next, a semi-analytical tool allowing for the comparison of CPCC-based e-VEHs accounting for electromechanical effects is reported. The first part of the thesis ends by presenting a novel method for the measurement of e-VEHs' built-in electret potential. The second part of the thesis presents a radically different design approach than what is followed in most of state-of-the-art works on e-VEHs. It advocates for e-VEHs that actively synthesize the dynamics of their mobile mass through their electrical interface. We first show that this enables to convert energy in amounts approaching the physical limits, and from arbitrary types of input vibrations. Then, a complete architecture such an e-VEH is proposed and tested in simulations submitted to human body vibrations.

Dans le cadre de la thèse des modèles physico-mathématiques pour des microsystèmes électromécaniques avec une permittivité générale sont développés et analysés par des méthodes mathématiques modernes du domaine des équations aux dérivées partielles. En particulier ces systèmes sont à frontière libre et pour conséquence difficiles à traiter. Des méthodes numériques ont été développées pour valider les résultats analytiques obtenus. / In the framework of this thesis physical/mathematical models for microelectromechanical systems with general permittivity have been developed and analysed with modern mathematical methods from the domain of partial differential equations. In particular these systems are moving boundary problems and thus difficult to handle. Numerical methods have been developed in order to validate the obtained analytical results.