Orderliness, speed, and rhythm in biochemistry are vital for cellular function. In order to achieve this, cells implement compartmentalization via several methods, one of which is the formation of membrane-less compartments. These compartments, often referred to as “biomolecular condensates”, are understood to be formed by separation of proteins and other biomolecules into dense and dilute phases. While the formation of the resulting protein-rich condensates is fundamental for spatiotemporal organization of biochemistry within the cell, a vast majority of proteins found to phase separate in vitro do so at a concentration an order of magnitude above their endogenous expression levels. Recently, a theoretical study has shown that membrane binding of phase separating proteins can result in phase separation spatially occurring at the membrane well below bulk saturation concentrations. However, much remains unknown about the formation mechanism and function of these condensates. To that end, for my doctoral project, I used a synthetic system composed of supported lipid bilayers decorated with lipid-bound NTA(Ni) to allow for coordination and thus membrane binding of the well-characterized protein FUS via a C-terminal His-tag. Through this model system I found that 2D phase separation of FUS could occur an order of magnitude below the experimentally determined bulk saturation concentration. FUS was able to form dense and dilute phases in 2D and the transition point to form these phases could be controlled by modulating buffer conditions. Additionally, membrane-bound FUS condensates were able to further recruit FUS from the bulk to form a multilayer of protein through a prewetting transition. With this characterization of 2D phase separation of FUS, I then explored a physiologically relevant protein in the form of PAR-3, a fundamental protein of the PAR polarity system, which is necessary for the establishment of polarity in the C. elegans zygote. I found that full-length PAR-3 was able to phase separate under physiological salt conditions with a Csat of 100nM. Further, I identified a C-terminal predicted prion-like domain to act as a driver for phase separation. Additionally, I determined PAR-3’s affinity and specificity for PI(4,5)P2 and found that it could form 2D condensates upon binding to the membrane at physiological concentrations. Furthermore, these condensates were able to recruit PAR-6 alone and PAR-6 in complex with PKC-3 to the membrane, ultimately resulting the reconstitution of the anterior PAR complex which is known to exist in a condensed clustered form in vivo. Taken together, this work provides insight into a mechanism where phase separation can be locally triggered by membrane binding under sub-saturation concentration, offering a robust and potentially universal mechanism by which cells can spatially control phase separation and pattern cellular membranes.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail présente un système de vision par ordinateur capable de faire un suivi du mouvement en 3D de la tête d’une personne dans le cadre de la conduite automobile. Ce système de vision par ordinateur a été conçu pour faire partie d'un système intégré d’analyse du comportement des conducteurs tout en remplaçant des équipements et des accessoires coûteux, qui sont utilisés pour faire le suivi du mouvement de la tête, mais sont souvent encombrants pour le conducteur. Le fonctionnement du système est divisé en quatre étapes : l'acquisition d'images, la détection de la tête, l’extraction des traits faciaux, la détection de ces traits faciaux et la reconstruction 3D des traits faciaux qui sont suivis. Premièrement, dans l'étape d'acquisition d'images, deux caméras monochromes synchronisées sont employées pour former un système stéréoscopique qui facilitera plus tard la reconstruction 3D de la tête. Deuxièmement, la tête du conducteur est détectée pour diminuer la dimension de l’espace de recherche. Troisièmement, après avoir obtenu une paire d’images de deux caméras, l'étape d'extraction des traits faciaux suit tout en combinant les algorithmes de traitement d'images et la géométrie épipolaire pour effectuer le suivi des traits faciaux qui, dans notre cas, sont les deux yeux et le bout du nez du conducteur. Quatrièmement, dans une étape de détection des traits faciaux, les résultats 2D du suivi sont consolidés par la combinaison d'algorithmes de réseau de neurones et la géométrie du visage humain dans le but de filtrer les mauvais résultats. Enfin, dans la dernière étape, le modèle 3D de la tête est reconstruit grâce aux résultats 2D du suivi et ceux du calibrage stéréoscopique des caméras. En outre, on détermine les mesures 3D selon les six axes de mouvement connus sous le nom de degrés de liberté de la tête (longitudinal, vertical, latéral, roulis, tangage et lacet). La validation des résultats est effectuée en exécutant nos algorithmes sur des vidéos préenregistrés des conducteurs utilisant un simulateur de conduite afin d'obtenir des mesures 3D avec notre système et par la suite, à les comparer et les valider plus tard avec des mesures 3D fournies par un dispositif pour le suivi de mouvement installé sur la tête du conducteur. / This work presents a computer vision module capable of tracking the head motion in 3D space for drivers. This computer vision module was designed to be part of an integrated system to analyze the behaviour of the drivers by replacing costly equipments and accessories that track the head of a driver but are often cumbersome for the user. The vision module operates in five stages: image acquisition, head detection, facial features extraction, facial features detection, and 3D reconstruction of the facial features that are being tracked. Firstly, in the image acquisition stage, two synchronized monochromatic cameras are used to set up a stereoscopic system that will later make the 3D reconstruction of the head simpler. Secondly the driver’s head is detected to reduce the size of the search space for finding facial features. Thirdly, after obtaining a pair of images from the two cameras, the facial features extraction stage follows by combining image processing algorithms and epipolar geometry to track the chosen features that, in our case, consist of the two eyes and the tip of the nose. Fourthly, in a detection stage, the 2D tracking results are consolidated by combining a neural network algorithm and the geometry of the human face to discriminate erroneous results. Finally, in the last stage, the 3D model of the head is reconstructed from the 2D tracking results (e.g. tracking performed in each image independently) and calibration of the stereo pair. In addition 3D measurements according to the six axes of motion known as degrees of freedom of the head (longitudinal, vertical and lateral, roll, pitch and yaw) are obtained. The validation of the results is carried out by running our algorithms on pre-recorded video sequences of drivers using a driving simulator in order to obtain 3D measurements to be compared later with the 3D measurements provided by a motion tracking device installed on the driver’s head.

Afin d’obtenir un spectre de haute résolution avec un spectromètre-imageur par transformation de Fourier (IFTS), il est nécessaire que la scène demeure statique pendant l’acquisition. Dans de nombreux cas, cette hypothèse ne peut pas être respecter simplement à cause de la présente d’un mouvement relatif entre la scène et l’instrument pendant l’acquisition. À cause de ce mouvement relatif, les échantillons obtenus à un pixel capturent différentes régions de la scène observée. Dans le meilleurs des cas, le spectre obtenu de ces échantillons sera peu précis et aura une faible résolution. Après une brève description des IFTS, nous présentons des algorithmes de d’estimation du mouvement pour recaler les trames des cubes de données acquises avec un IFTS, et desquelles il sera ensuite possible d’obtenir des spectres avec une précision et une résolution élevées. Nous utilisons des algorithmes d’estimation du mouvement qui sont robustes aux variations d’illumination, ce qui les rend appropriés pour traiter des interferogrammes. Deux scénarios sont étudiés. Pour le premier, nous observons un mouvement relatif unique entre la scène qui est imagée et l’instrument. Pour le second, plusieurs cibles d’intérêts se déplacent dans des directions différentes à l’intérieur de la scène imagée. Après le recalage des trames, nous devons ensuite résoudre un nouveau problème lié à la correction de l’effet hors-axe. Les échantillons qui sont associés à un interférogramme ont été acquis par différents pixels du senseur et leurs paramètres hors-axe sont donc différents. Nous proposons un algorithme de rééchantillonnage qui tient compte de la variation des paramètres de l’effet hors-axe. Finalement, la calibration des données obtenues avec un IFTS lorsque la scène imagée varie dans le temps est traitée dans la dernière partie de la thèse. Nous y proposons un algorithme de calibration apropriée des trames, qui précède le recalage des trames et la correction de l’effet hors-axe. Cette chaine de traitement nous permet d’obtenir des spectres avec une résolution élevée. Les algorithmes proposés ont été testés sur des données expérimentales et d’autres provenant d’un simulateur. La comparaison des résultats obtenus avec la réalité-terrain démontre la valeur de nos algorithmes: nous pouvons obtenir des spectres avec une résolution comparable à celle qui peut être obtenue lorsqu’il n’y aucun mouvement entre l’instrument (IFTS) et la scène qui est imagée. / To obtain a useful or high resolution spectrum from an Imaging Fourier Transform Spectrometer (IFTS), the scene must be stationary for the duration of the scan. This condition is hard to achieve in many cases due to the relative motion between the instrument and the scene during the scan. This relative motion results in multiple data samples at a given pixel being taken from different sub-areas of the scene, and from which (at best) spectra with low accuracy and resolution can be computed. After a review of IFTS, we present motion estimation algorithms to register the frames of data cubes acquired with a moving IFTS, and from which high accuracy and resolution spectra can be retrieved. We use motion estimation algorithms robust to illumination variations, which are suitable for interferograms. Two scenarios are examined. In the first, there is a global motion between the IFTS and the target. In the second, there are multiple targets moving in different directions in the field of view of the IFTS. After motion compensation, we face an off-axis correction problem. The samples placed on the motion corrected optical path difference (OPD) are coming from different spatial locations of the sensor. As a consequence, each sample does not have the same off-axis distortion. We propose a resampling algorithm to address this issue. Finally the calibration problem in the case of moving IFTS is addressed in the last part of the thesis. A calibration algorithm suitable for data cube of moving IFTS is proposed and discussed. We then register the frames and perform the off-axis correction to obtain high resolution spectra. To verify our results, we apply the algorithms on simulated and experimental data. The comparison between the results with the ground-truth shows promising performance. We obtain spectra with resolution similar to the ground truth spectra (i.e., with data acquired when the IFTS and the scene are stationary).

La cardiomyopathie non-compacté (NCC) est une maladie rare avec des critères diagnostiques basés sur la détection de l’augmentation du myocarde trabeculé par échocardiographie. L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est devenue la méthode de référence pour étudier la fonction et la morphologie du cœur compte tenu de sa meilleure résolution spatiale et temporale. Toutefois, les critères diagnostiques de NCC que nous utilisons en ce moment en IRM ont été tirés d’études en échocardiographie. Ceci pourrait impliquer une augmentation de l’incidence de nouveaux cas de NCC, de même que la positivité chez les adultes en santé. Le présent travail a voulu étudier la “normalité” par IRM en termes de présence et de distribution de myocarde trabeculé chez les adultes en santé et déterminer la présence des associations entre le myocarde trabeculé et les paramètres de fonction cardiaque. / Non-compaction cardiomyopathy (NCC) is a rare entity that is currently diagnosed for the most part by echocardiography in cases of an increased layer of trabeculated myocardium. Recently, magnetic resonance imaging (MRI) became the gold standard imaging technique in the study of cardiac function and morphology due to its high spatial and temporal resolution. However, diagnostic NCC criteria developped for echocardiography have been directly applied to MRI in the abscence of a standard definition of trabeculated myocardium. This direct application of echocardiography criteria to MRI may have led to an increased incidence of new NCC cases. The aim of this present work is to clarify clinical practice by determining normality by MRI in terms of presence and distribution of trabeculated myocardium in healthy adults and determine if any association exist between the presence and extension of trabeculated myocardium and cardiac function.

Malgré tous leurs avantages, les spectromètres par transformation de Fourier (FTS, de Fourier Transform Spectrometer) imageurs présentent un désavantage marqué par rapport aux autres technologies de spectromètres. Comme leur nom l'indique, on doit effectuer une transformée de Fourier sur les données brutes pour en extraire les spectres. Pour les instruments dotés d'un seul pixel, ce n'est plus un problème, grâce à l'algorithme de transformée de Fourier rapide (FFT) combiné aux ordinateurs modernes. Par contre, pour un FTS imageur équipé d'une large matrice de détecteurs (i.e. 320x256 pixels), la quantité de données à traiter peut vite devenir trop lourde pour la plupart des ordinateurs modernes, particulièrement si on désire faire le tout en temps réel. Une architecture de type SoC (système sur une puce - System On a Chip) sur réseau prédiffusé programmable par l'utilisateur (FPGA - Field Programmable Gate Array) est présenté dans ce mémoire. Cette architecture est capable de faire le traitement en temps réel de données provenant d'un FTS imageur. Par exemple, il est possible de faire du moyennage de plusieurs hypercubes, la transformation de Fourier rapide, du rognage spectral, de même que la calibration radiométrique, le tout à une vitesse atteignant 34 mégapoints par seconde (Mpts/s). Les calculs faits sur le FPGA n'ont pas le même niveau d'exactitude que ceux fait sur un PC avec des nombres à virgule flottante de 64 bits. Par contre, l'erreur introduite par l'utilisation de nombres en points fixes sur le FPGA ne dégrade pas le niveau de bruit d'un FTS imageur opérant dans la bande Long Wave (LVV) de plus de 10 %.

La thermographie par courants de Foucault (ECT) est une méthode de thermographie active. L’excitation inductive génère des courants de Foucault dans les spécimens conducteurs. En présence de défauts, la circulation des courants est affectée par ces discontinuités produisant un changement dans la distribution de la température autour des défauts. Ces changements sont observés avec une caméra infrarouge. Dans ce travail, on présente une application robotique de la thermographie par courants de Foucault. Une interface robotique a été développée et tous les capteurs utilisés ont été intégrés à la plateforme. Des simulations ont été achevées avec COMSOL Multiphysics en variant différents paramètres. Des expériences ont été menées sur plusieurs spécimens (de différents matériaux) avec des défauts de différents types et tailles. La linescan thermographie est principalement étudiée et d’autres modes d’inspections ont été explorés. Les images résultantes sont reconstruites avec un algorithme dédié. Finalement, les résultats de la méthode sont comparés à ceux de la thermographie optique (par halogène) pour montrer les capacités de la méthode. / Eddy current thermography (ECT) is an active thermography method. The inductive excitation generates Eddy currents in electrically-conductive specimen. In a presence of defects, the eddy current flow is affected by these discontinuities leading to changes in the temperature distribution in the specimen around the defects. These changes are observed by an infrared camera. In this work, we present a robotic application of the method. A robotic interface is developed and all the sensors needed are integrated to the platform. Simulations are performed using COMSOL Multiphysics by varying different parameters. Experiments are realised on different specimens (made of different materials) with defects of different sizes. The linescan Eddy current thermography is studied and other modes are explored. The resulting images are reconstructed with a dedicated algorithm. Finally, the method’s results are compared to optical thermography to show the capability of the method.

Ce mémoire présente l'intégration des appareillages et le développement de procédures expérimentales pour la réalisation d'inspection non destructive effectuée par vibrothermographie stimulée par ultrasons. Le laboratoire de vision et systèmes numériques (LVSN) de l'Université Laval s'est doté, en 2005, de deux sources ultrasonores destinées à l'étude et le développement d'une technique non destructive manquante au laboratoire. Cette technique s'appelle la vibrothermographie stimulée par ultrasons du fait que l'on utilise une caméra infrarouge pour cartographier thermiquement, sans contact, la surface d'un matériau stimulé mécaniquement par ondes mécaniques de fréquences ultrasoniques. Après avoir lu ce mémoire, le lecteur devrait être capable de réaliser une inspection non destructive efficace par vibrothermographie stimulée par ultrasons. Ce dispositif intégré au cours de ma maîtrise est maintenant opérationnel au sein du laboratoire pour des fins d'élargissement des techniques d'inspection non destructive de matériaux.

Dans ces travaux, nous tentons d’améliorer l’aspect comportemental dans les jeux vidéo en utilisant le raisonnement par cas (Case Based Reasoning - CBR), qui simule le comportement humain. Cette technique, provenant du domaine de l’intelligence artificielle, résout de nouveaux problèmes en retrouvant des expériences analogues dans sa base de cas et en les adaptant au nouveau problème considéré. Nous utilisons le CBR pour l’automatisation de décisions prises par des composantes d’un jeu. La construction d’un module CBR nécessite l’accumulation de plusieurs épisodes de jeu pour former la base de cas du module. Cependant, lorsqu’un grand nombre d’épisodes sont emmagasinés dans la base de cas, la réponse en temps du système s’alourdit. Nous sommes alors confrontés au défi d’améliorer le temps de réponse du module CBR tout en gardant un niveau de performance acceptable du système. Dans ce mémoire, nous utilisons le jeu de Tetris pour mener notre étude. Ce jeu présente un intérêt particulier car les décisions à prendre sont contraintes dans le temps. Nous proposons dans ce mémoire de répondre aux questions suivantes : Comment formuler un système CBR pour jouer au jeu Tetris. Quelle est la performance attendue par un système CBR appliqué à ce jeu. Quel est le niveau du jeu qui peut être atteint par l’estimation de la valeur des cas obtenus par apprentissage par renforcement. Comme Tetris est un jeu contraint par le temps, quel est le niveau de dégradation de performances qui peut être perçue par la réduction de la taille de la base de cas. / In this work, we try to improve the behavioral aspects of video games using Case Based Reasoning (CBR), which can reproduce human behavior as reasoning by similarity, as well as remembering and forgetting previous experiences. This technique, coming from the Artificial Intelligence field, solves new problems by retrieving similar past experiences in the case base and adapting solution to solve new problems. We use CBR for the automation of decisions made by the game engine. The construction of a CBR system needs to accumulate many episodes from the gaming environment to create the case base of the CBR engine. However, as the number of episodes being saved in the case base increases, the response time of the CBR system slows down. We are then facing a dilemma: reducing the size of the case base to improve the response of the CBR system while keeping an acceptable level of performance. In this master thesis, we use the game of Tetris to conduct our case studies. This game presents some particular interests, as decisions to be made are limited by time constraints. We propose in this thesis to answer the following questions: How to construct a CBR system to play the game of Tetris. What is the expected performance of the system applied to this game? Wich game level can be reached by estimating case value through reinforcement learning? As time response constraints are inherent to Tetris, which degradation of performance can be expected by removing cases from the case base?