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Les informations sensorielles peuvent être atténuées de la périphérie jusqu'au cortex durant le mouvement. Notre hypothèse est que l'information somatosensorielle serait facilitée durant la planification du pas où il serait inopportun de supprimer ces informations cruciales. Nous avons enregistré les potentiels somatosensoriels (SEPs) évoqués par vibration bilatérale des muscles des chevilles afin de stimuler la proprioception.Les résultats montrent que la composante évoquée corticale précoce restait inchangée mais une composante tardive négative était significativement augmentée durant la planification du pas.Pour tester si cette facilitation proprioceptive était due aux contraintes d'équilibre, la même expérience fut effectuée en microgravité où cette facilitation disparut, malgré la restauration d'un cadre de référence spatial.Cette facilitation tardive survint pendant l'imagerie motrice kinesthésique d'un pas planifié, démontrant que l'imagerie mentale intègrerait les contraintes d'équilibre et posturales requises pour la tâche, ceci étant confirmé par la disparition de cette facilitation lors de la planification du pas imaginé en microgravité.Ceci démontre au niveau neurophysiologique, une modulation de la transmission des afférences sensorielles selon leur pertinence pour planifier un mouvement. Cette facilitation résulterait de mécanismes prédictifs reliés à l'importance de contrôler l'équilibre du corps avant l'initiation du pas, car ce processus survint durant la planification d'un pas exécuté ou imaginé. Il serait basé sur un modèle interne de l'action impliquant des lois physiques du mouvement (1-g modèle) car cette facilitation fut supprimée en microgravité. / Sensory inputs can be attenuated from the periphery to the cortex during voluntary movements. Our hypothesis is that the somatosensory information could be facilitated during the planning of a step. It would appear dysfunctional to suppress somatosensory information, which is considered to be of the utmost importance for gait planning. We recorded somatosensory potentials (SEPs) evoked by bilateral ankle vibration to stimulate proprioception. Results showed that cortical early evoked component remained unchanged but a negative late component was significantly increased during step planning. To determine whether this facilitation of proprioceptive inputs was related to gravitational equilibrium constraints, we performed the same experiment in microgravity. In the absence of equilibrium constraints, both components did not significantly differ between the static and stepping conditions, despite the restoration of a body in space reference frame.This late facilitation occurred during kinesthetic motor imagery of a planned step, suggesting that mental imagery would integrate postura and balance constraints required for the task, as it was confirmed byt the lack of this facilitation during the planning of an imagined step in microgravity.These observations provide neurophysiological evidence that the brain exerts a dynamic control over the transmission of the afferent signal according to their current relevance during movement preparation.These processes should be based on internal model of action involving the physical laws of motion (1g-model) as this sensory facilitation was suppressed in microgravity when planning motor imagery.

Une étude expérimentale systématique de la formation des microstructures de solidification d’alliages métalliques (Al-Cu) a été effectuée par application de la radiographie X synchrotron. La radiographie X-Synchrotron nous a donné accès à des observations in situ et en temps réel qui nous ont permis d’analyser de manière quantitative les phénomènes physiques impliqués au cours de la solidification (vitesse de croissance, redistribution du soluté, interaction entre grains équiaxes etc.). Elle nous a également permis de mettre en évidence l’influence de la convection naturelle et de la gravité sur ces différents paramètres physiques et par conséquent sur la formation de la microstructure de solidification. Nous avons comparé nos résultats expérimentaux avec des modèles de prédiction de la croissance dendritique et ensuite avons montré l’intérêt des expériences en microgravité. Nous avons enfin effectué des séries de tests du dispositif expérimental conçu et développé par SSC (Swedish Space Corporation) dans le cadre du projet XRMON (In situ X-Ray MONitoring of advanced metallurgical processes under microgravity and terrestrial conditions) de l'ESA-MAP en vue d’une expérience in situ et en temps réel de solidification en microgravité à bord d’une fusée sonde Maser12. Cette expérience prévue en Novembre 2011. Les résultats obtenus lors des séries de tests valident le dit dispositif en termes de comportement thermique et d’imagerie X par radiographie. / A systematic experimental study of the formation of solidification microstructures of metallic alloys (Al-Cu) was carried out by the application of synchrotron X-ray radiography. Synchrotron X-ray radiography gave access to in situ and real time observations which allowed us to quantitatively analyze the dynamical physical parameters involved in the solidification process (growth rate, solute redistribution, equiaxed grain interaction etc). It also allowed to show the influence of natural convection and gravity on these various physical parameters and consequently on the formation of the solidification microstructures. Our experimental results were compared with models predictions of the dendritic growth and the necessity of microgravity solidification experiments was evidenced. Finally series of tests were carried out on the experimental setup designed by the Swedish Space Corporation (SSC) in the framework of the project XRMON (In situ X-Ray MONitoring of advanced metallurgical processes under microgravity and terrestrial conditions) of ESA-MAP for in situ and real time solidification experiments under microgravity conditions on board a sounding rocket Maser12. Maser12 mission is scheduled for November 2011. The tests results validated the experimental setup in term of imaging and thermal behaviour.

La radiographie X synchrotron ou avec une source microfocus a été appliquée pour étudier différents phénomènes dépendants du temps en relation avec la solidification directionnelle d'alliages Al-Cu. Les effets de la gravité ont été étudiés par comparaison d'expériences sur Terre et en microgravité dans le cadre du projet ESA-MAP XRMON. Les mouvements des fragments sont le sujet majeur de notre étude. Sur Terre, le mouvement des fragments est imposé par la poussée d'Archimède, avec une forte influence des effets de paroi et de la morphologie du fragment, alors qu'en microgravité, la force motrice pour le mouvement des fragments est l'écoulement du fluide interdendritique induit par la contraction du solide. L'effet d'un champ magnétique permanent sur la solidification des grains équiaxes dans un gradient de température a été également étudié. Nous avons montré qu'un couplage entre le gradient de température et le champ magnétique donne naissance à une force Thermo-électromagnétique qui agit sur les grains solides. Une bonne description a été obtenue en utilisant un modèle analytique pour une particule sphérique. Enfin, nous avons étudié l'évolution d'une zone pâteuse dans un gradient de température fixe. Trois régimes successifs ont été identifiés, suivant l'intensité de la diffusion du soluté dans la zone pâteuse et dans le bain fondu. L'analyse quantitative des radiographies par traitement d'image a clarifié le rôle de chaque phénomène de diffusion (TGZM, fermeture des canaux, murissement et diffusion du soluté dans le bain fondu). / X-ray radiography with synchrotron and microfocus sources was applied to investigate various time-dependent phenomena related to directional solidification of Al-Cu alloys. Gravity effects were investigated by a comparative study of ground and microgravity experiments in the framework of ESA-MAP XRMON project. Fragment motion was the major subject of our investigation. On Earth, fragmentation motion was imposed by buoyancy, with a strong dependency on wall influence and fragment morphology, whereas in microgravity conditions, the driving force for fragment motion is the interdendritic fluid flow induced by the solid shrinkage. The effect of a permanent magnetic field on the solidification of equiaxed grains in a temperature gradient was also studied. We have shown that a coupling between the temperature gradient and the magnetic field gives birth to a Thermo-Electro-Magnetic force that acts on the solid grains. A good description was obtained by using an analytical model for a spherical particle. Finally we studied the evolution of the mushy zone in a fixed temperature gradient. Three successive regimes were identified, depending on the relative magnitude of solute diffusion in the mushy zone and in the bulk liquid. Quantitative analysis of radiographs by image processing enlightened the role of each diffusion phenomena (TGZM, channel closure, coarsening and solute diffusion in the bulk liquid).

Lors de ces vingt dernières années, de nouvelles techniques de refroidissement et de manipulation des atomes ont permis le développement de senseurs inertiels basés sur l’interférométrie atomique. Le projet ICE est un interféromètre atomique double espèce qui a pour objectif de tester le principe d’équivalence faible. Afin d’augmenter la sensibilité de l’instrument, l’expérience est réalisée en micro-gravité lors de vols paraboliques à borde l’Airbus A300 zero-g de Novespace. L’interféromètre est composé de deux espèces atomiques (87Rb et 39K) ayant des transitions atomiques très proches (780 et 767nm). Ces longueurs d’ondes sont générées par une source laser bi-fréquence ultra-stable. Issue des technologies telecom et ensuite doublées en fréquence, elle est capable de résister aux contraintes des vols paraboliques. Précédemment, des mesures d’accélérations furent réalisées par un interféromètre Rubidiumen 1g et 0g en vol. Récemment, à l’aide d’un nouveau dispositif expérimental reposant sur une nouvelle enceinte à vide en titane, nous avons réalisé un des premiers accéléromètres Potassium. Cet atome présente en effet certaines difficultés à refroidir et à manipuler et demande un excellent contrôle des différents paramètres expérimentaux.Je présente ainsi dans ce manuscrit, les résultats obtenus avec le Rubidium et le Potassium sur le nouveau dispositif expérimental, et les récents progrès réalisés en vue d’un accéléromètre double espèce Rb/K. / During the last two decades, new techniques to cool and manipulate atoms has enabled the development of inertial sensors based on atom interferometry. The ICE project aims to verify the weak equivalence principle (WEP) using a compact and transportable dual-species atom interferometer. To make precise tests of the WEP, this experiment is performed in a micro-gravity environment during parabolic flights onboard the Novespace zero-g aircraft. The interferometer is composed of two atomic species (87Rb et 39K) with similar transition wavelengths (780 nm and 767 nm), which are derived from frequency-doubled telecom lasers. This ultra-stable laser source is able to withst and the parabolic flight and their rough conditions.In previous work, we have demonstrated measurements from a cold rubidium interferometer during the 1g and 0g phases during flights. Recently, we manage to carry out one of the first gravimeter with 39K in a new titanium vacuum system. This is a huge achievement because this atom is hard to cool down and to manipulate. I will present in this thesis, the results with Rubidium and Potassium on the newset-up, I we will report on recent progress toward a double species 87Rb/39K interferometer.

Bone loss and muscle atrophy are two main physiological conditions affecting astronauts while being in space. In order to counteract the effects, at least two hours of aerobic and resistant countermeasure exercise is scheduled into their working day, seven days a week. Yoyo Technology AB has developed a resistance exercise device based on the flywheel principle, providing a load independent of gravity. However, there is no biomechanical research done on the efficiency of the device in microgravity, from a human movement point of view using simulation software. The aim of this thesis was to evaluate the effects of performing a leg press on the flywheel exercise device in a microgravity environment. Simulations of performing a flywheel leg press in earth gravity, microgravity and performing a conventional squat were done. The evaluated parameters were reaction forces, joint angles, joint moments, joint powers and muscle recruitment in the lower extremities. The simulations were done using a biomechanical simulation software based on a motion capture data collection. From the results two conclusions were proposed. Performing a flywheel leg press in microgravity environment or on earth provides at least as much peak moment as a body weighted squat performed on earth. Furthermore, performing a flywheel leg press in microgravity will induce a higher activity level among hip extensors and knee flexors compared to performing a flywheel leg press on earth.

Atominterferometrie (AI) auf Basis von Lichtpulsen ist ein wichtiges Werkzeug der Präzisionsmesstechnik in Bereichen der inertialen Sensorik oder Fundamentalphysik geworden. Vor allem in Kombination mit ultrakalten, atomaren Quellen, sowie der Verwendung im schwerelosen Raum, werden hohe Sensitivitäten erwartet, die Verletzungen des schwachen Äquivalenzprinzips nachweisen können. QUANTUS-2 ist ein mobiles Atominterferometer, das am ZARM Fallturm in Bremen operiert. Durch seine Atomchip-basierte atomare Rubidiumquelle mit hoher Flussdichte dient es als Vorreiterexperiment für zukünftige Weltraummissionen, bei denen Schlüsseltechnologien wie die Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten (BECs), Delta-Kick Kollimation oder Anwendung verschiedener AI-Geometrien auf sekundenlangen Zeitskalen untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kalium-Diodenlasersystem aufgebaut, um die Funktionalität auf Zwei-Spezies Nutzung zu erweitern. Basierend auf dem Design des Rubidium-Diodenlasersystem mit mikrointegrierten Laserdiodenmodulen und kompakter Elektronik, konnte es erfolgreich qualifiziert werden. In einem Machbarkeitsbeweis wurde eine magneto-optische Falle mit Kalium generiert, die die Fähigkeit des Lasersystems zum Fangen von Atomen demonstriert. Mit Rubidium wurden offene Ramsey-Interferometer und Mach-Zehnder Interferometer (MZIs) am Boden und in über 155 Abwürfen untersucht. Die Kombination von unterschiedlich stark Delta-Kick kollimierten BECs und AI in Schwerelosigkeit eröffnete eine neue Methode zur Bestimmung der magnetischen Linsendauer zur optimalen Kollimierung. Asymmetrische MZIs mit Interferometerzeiten von 2T > 1s konnten erfolgreich demonstriert werden. Mit gravimetrischen Untersuchungen am Boden auf Basis von MZIs und einer zusätzlichen Methode der Atomlevitation wurde die lokale Gravitationsbeschleunigung g ermittelt. Die untersuchten Schlüsseltechnologien sind fundamentale Notwendigkeiten, um den Weg für zukünftige Weltraummissionen aufzubereiten. / Light-pulse atom interferometry (AI) is an important tool for high precision measurements in the fields of inertial sensing or fundamental physics. Especially in combination with ultra-cold atomic sources and operation in microgravity, high sensitivities are expected that are necessary for the search for violations of the weak equivalence principle. QUANTUS-2 is a mobile atom interferometer operating at the ZARM drop tower in Bremen. With its high-flux, atom chip-based atomic rubidium source, it serves as a pathfinder for future space missions, examining key technologies like the generation of Bose-Einstein condensates (BECs), implementation of delta-kick collimation or application of various AI geometries. In this thesis, a potassium diode laser system has been built to complete the preordained functionality of dual-species operation. Based on the design of the rubidium laser system with micro-integrated laser diode modules and compact electronics, it successfully passed the qualification tests. In a proof of principle measurement, a potassium magneto-optical trap could be generated to prove the system’s capability of trapping atoms. With rubidium, open Ramsey type interferometers and Mach-Zehnder interferometers (MZIs) were examined on ground and in over 155 drops in microgravity. The combination of variably delta-kicked collimated BECs and AI in microgravity revealed a new technique to determine the magnetic lens duration for optimal collimation. Asymmetric MZIs with interferometry times of 2T > 1s have successfully been demonstrated. Gravimetric examinations on ground with MZIs and by an additional levitation technique have been performed to determine the local gravitational acceleration g. The examined key technologies are fundamental necessities that have to be considered to pave the way for future space missions.

La compréhension des propriétés biomécaniques de la tête du nerf optique (TNO) est cruciale pour la gestion de conditions telles que le glaucome et le Syndrome Neuro-Oculaire Lié à l'Espace (SNOE). Cette thèse propose d’utiliser l'imagerie par tomographie de cohérence optique vidéo à haute fréquence (V-OCT) traitée avec des algorithmes de traitement d'image existants pour évaluer quantitativement la déformation pulsatile de la TNO due aux cycles cardiaques. Cette méthode est utilisée afin d’investiguer deux phénomènes: la réponse biomécanique de la TNO dans les conditions terrestres; et la réponse du TNO dans l'environnement de microgravité de l'espace. Le premier segment de cette thèse présente une nouvelle méthode non-invasive pour mesurer le déplacement pulsatile de la TNO via l'OCT vidéo (V-OCT), offrant des progrès significatifs dans la quantification des propriétés biomécaniques de l'œil in vivo. Une validation approfondie de cette technique, à la fois numérique et expérimentale, a confirmé la sensibilité de l'algorithme aux déformations induites, sa robustesse face à divers niveaux de bruit, et sa répétabilité. Deux groupes d’individus, sains et myopes, ont été évalués sous différentes conditions de contrainte physiologique. La déformation pulsatile des tissus de la TNO a été capturée quantitativement et représentée sous forme de cartes de déformation, montrant la sensibilité de la méthodologie aux déformations induites et la robustesse aux interférences de bruit élevé. Pour les sujets dont les yeux ont une longueur axiale de moins de 25mm, des différences notables de déformation pulsatile médiane ont émergé entre les positions primaires et en abduction de l'œil, avec une reproductibilité confirmée via des coefficients de corrélation intra-classe élevés. Ayant validé la méthode, elle a donc a été appliquée à une cohorte de glaucomateux pour examiner l'impact de la réduction de la pression intraoculaire (PIO) sur le déplacement pulsatile de la TNO. Chez les patients atteints de glaucome primaire à angle ouvert (GPAO), en particulier ceux sans myopie axiale, les interventions abaissant la PIO ont conduit à une réduction significative de la pulsation de la TNO. Cependant, les patients glaucomateux myopes n'ont affiché aucun changement substantiel, suggérant une relation nuancée entre la modulation de la PIO et la biomécanique de la TNO. Une étude de cohorte n’a révélé aucune différence marquée dans la pulsation de la TNO à travers divers degrés de gravité du glaucome. Pourtant, la déformation pulsatile a été corrélée à l'épaisseur de la couche de fibres nerveuses rétiniennes et à des mesures hémodynamiques spécifiques, soulignant les interconnexions complexes entre la biomécanique et l'hémodynamique oculaires. La dernière partie de cette thèse aborde les modifications de la rigidité oculaire chez les astronautes avant et après des vols spatiaux prolongés. En analysant les données de 26 yeux de 13 astronautes, la recherche a démontré des réductions significatives de la rigidité oculaire, de la pression intraoculaire et de l'amplitude du pouls oculaire après la mission. Ces découvertes explorent des effets précédemment inconnus de la microgravité sur les propriétés mécaniques de l'œil, améliorant notre compréhension du SNOE. Cette étude, tout en approfondissant notre compréhension des complexités biomécaniques et hémodynamiques de la TNO, démontre le potentiel du V-OCT comme outil pour le diagnostic et le suivi des conditions du nerf optique. Les techniques et les perspectives acquises ici posent également les bases pour de futures explorations prometteuses à la fois pour les patients atteints de glaucome et pour les astronautes. / The eye is a semi-rigid sphere with complex biomechanical properties. Chronic disease or stress like space flight can interfere with these properties, leading to vision loss. Noninvasive measurements of the biomechanical properties of the optic nerve head (ONH) could provide better tracking and management of conditions such as glaucoma and Space-Related Neuro-Ocular Syndrome (SANS). This thesis proposes to use high-frequency optical coherence tomography video imaging (V-OCT) with existing image processing algorithms to quantitatively evaluate the pulsatile displacement of the ONH due to cardiac cycles. This methodology is applied across two streams of research: examining the ocular biomechanical response of the ONH under terrestrial conditions; and the ONH deformation in the microgravity environment of space. The first section of this thesis introduces a non-invasive method to measure ONH pulsatile displacement via video-based OCT (V-OCT), quantifying biomechanical eye properties in vivo. A thorough validation of this technique, both numerically and experimentally, confirmed the algorithm’s sensitivity to induced deformation, robustness against various noise levels, and repeatability. Two groups, healthy and myopic individuals, underwent assessment under different physiological strain conditions. Pulsatile ONH tissue deformation was quantitatively captured and represented as deformation maps. For those subjects with eyes with an axial length of less than 25mm, notable median pulsatile displacement differences were found between primary and abducted eye positions. Reproducibility was confirmed via high intraclass correlation coefficients. Building on this foundation, the method was applied to a cohort of glaucoma patients to examine the impact of IOP reduction on ONH pulsatile displacement. In primary open-angle glaucoma (POAG) patients, particularly those without axial myopia, IOP-lowering interventions significantly reduced ONH pulsation. However, myopic glaucoma patients displayed no substantial changes, suggesting that myopic status moderates the relationship between IOP modulation and ONH biomechanics. This pilot study was expanded to a larger cross-sectional cohort study (N=176), revealing a decrease in ONH pulsatile displacement in people with early and moderate glaucoma compared to controls. . In addition, pulsatile displacement correlated with retinal nerve fiber layer thickness and specific hemodynamic measures, showing that ocular biomechanics and hemodynamics are closely linked. The last section of the thesis investigates ocular rigidity alterations in astronauts before and after extended space flights. Analyzing data from 26 eyes of 13 astronauts, significant reductions in ocular rigidity were observed; similarly, intraocular pressure and ocular pulse amplitude were reduced post-mission. These findings reveal previously undocumented microgravity effects on the eye's mechanical properties, improving our comprehension of SANS. This thesis demonstrates the potential of V-OCT as a tool for the diagnosis and assessment of the progression of optic nerve conditions. By gaining a deeper understanding of the biomechanical and hemodynamic intricacies of the ONH, we lay the groundwork for future explorations that hold promise for both glaucoma patients and astronauts.

Ce rapport de thèse porte sur une étude expérimentale et théorique de l'ébullition en microgravité. Les expériences furent réalisées en condition de gravité terrestre, en vol parabolique et en fusée-sonde. Les expériences en vol parabolique ont montré l'influence de divers paramètres sur le transfert thermique et ont mis en évidence les mécanismes contrôlant le transfert thermique. De l'écriture des équations gouvernant ces mécanismes et de l'identification des échelles caractéristiques, une corrélation permettant d'estimer le transfert de chaleur lors de l'ébullition en microgravité pour une large gamme de fluide est bâtie. L'expérience en fusée-sonde a permis d'étudier l'influence des gaz incondensables et notamment de la convection Marangoni sur le comportement de l'ébullition et sur le transfert thermique. / Between the different propulsion phases, the Ariane V rocket passes through microgravity periods and solar radiation can induce boiling in its cryogenics tanks. Experiments were performed during 6 parabolic flights and in a sounding rocket to study pool boiling in microgravity. In the parabolic flight experiments, the influence of pressure, subcooling and surface roughness was studied. It is showed that subcooling has a weak effect on microgravity boiling heat transfer, and that roughness is an important factor also in microgravity. Detailed results on the behavior of bubbles and on the superheated liquid layer show that the heat transfer mechanisms can be divided in two groups : the primary mechanisms which directly take energy from the wall and the secondary mechanisms which transport the energy stored in the fluid by the primary mechanisms, from the vicinity of the wall to the bulk liquid. The secondary mechanisms appear not to limit primary mechanism heat transfer which explains the weak influence of gravity on heat transfer. From the study of equations governing primary mechanisms and the definition of new scales, a correlation is built to predict heat transfer in microgravity for a wide variety of fluids. In the sounding rocket experiment, the influence of non-condensable gases was studied. The existence of two regimes of boiling heat transfer with non-condensable gas is established. The temperature in the primary bubble is directly measured and the influences of both Marangoni convection and non-condensable gas on both heat transfer and bubble growth are also considered.