Constrained optimization is pivotal in deep learning for enforcing predefined operational, ethical, and regulatory constraints in models. This thesis explores iterative gradient-based methods for solving constrained optimization. These methods are preferred for their adaptability in the non-convex, stochastic, and high-dimensional learning landscape of neural networks. Lagrangian methods, which integrate constraints directly into the objective function using Lagrange multipliers, are particularly effective. This formulation facilitates a unified approach to handle both the model's performance and its adherence to constraints simultaneously. However, the min-max problems inherent in Lagrangian frameworks often suffer from unstable oscillatory dynamics. Solving them using traditional gradient descent-ascent methods potentially leads to suboptimal convergence and prolonged training times. To mitigate these issues, this thesis introduces the νPI algorithm, a novel algorithm that integrates Proportional-Integral (PI) control theory into the optimization of Lagrange multipliers. The νPI algorithm is designed to stabilize the optimization process by adjusting the updates to the Lagrange multipliers based on the current and past constraint violations, effectively dampening the oscillations typically observed with gradient descent-ascent methods. Experimental validations across various deep learning applications demonstrate that νPI not only stabilizes the learning process but also accelerates convergence to optimal or near-optimal solutions, outperforming traditional methods in terms of reliability and speed. Through its application, νPI proves to be a robust tool in managing the dynamics of constrained optimization, enhancing the capability of deep learning models to meet stringent external constraints. / L’optimisation contrainte est essentielle dans l’apprentissage profond pour faire respecter les contraintes opérationnelles, éthiques et réglementaires prédéfinies dans les modèles. Cette thèse explore les méthodes itératives basées sur le gradient pour résoudre l’optimisation contrainte. Ces méthodes sont privilégiées pour leur adaptabilité dans le paysage d’apprentissage non convexe, stochastique et de haute dimension des réseaux neuronaux. Les méthodes lagrangiennes, qui intègrent directement les contraintes dans la fonction objectif à l’aide de multiplicateurs de Lagrange, sont particulièrement efficaces. Cette formulation facilite une approche unifiée pour gérer simultanément la performance du modèle et son adhérence aux contraintes. Cependant, les problèmes min-max inhérents aux cadres lagrangiens souffrent souvent de dynamiques oscillatoires instables. Leur résolution à l’aide des méthodes traditionnelles de descente de gradient-ascent peut potentiellement conduire à une convergence sous-optimale et à des temps de formation prolongés. Pour atténuer ces problèmes, cette thèse introduit l’algorithme νPI, un nouvel algorithme qui intègre la théorie de contrôle Proportionnel-Intégral (PI) dans l’optimisation des multiplicateurs de Lagrange. L’algorithme νPI est conçu pour stabiliser le processus d’optimisation en ajustant les mises à jour des multiplicateurs de Lagrange en fonction des violations de contraintes actuelles et passées, atténuant efficacement les oscillations typiquement observées avec les méthodes de descente de gradient-ascent. Les validations expérimentales à travers diverses applications d’apprentissage profond démontrent que νPI stabilise non seulement le processus d’apprentissage mais accélère également la convergence vers des solutions optimales ou quasi-optimales, surpassant les méthodes traditionnelles en termes de fiabilité et de vitesse. Grâce à son application, νPI se révèle être un outil robuste pour gérer les dynamiques de l’optimisation contrainte, améliorant la capacité des modèles d’apprentissage profond à répondre à des contraintes externes strictes.

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La thérapie antirétrovirale (TAR) réduit drastiquement la transmission verticale du VIH. Cependant, des études récentes démontrent une association entre l'utilisation de la TAR pendant la grossesse, particulièrement à base d’inhibiteurs de protéases (IP), et les issues adverses, notamment l’accouchement prématuré. Les objectifs principaux de mon mémoire étaient de caractériser le profil immunitaire/inflammatoire au niveau placentaire et systémique chez les personnes enceintes vivant avec le VIH (PEVVIH) et les comparer en fonction du statut VIH et de la classe de TAR. Au niveau placentaire, l'immunotypage des cellules Hofbauer a révélé que les placentas des PEVVIH contenaient un niveau significativement plus élevé de leucocytes CD45+ attribuable à une augmentation du nombre de cellules Hofbauer que le groupe contrôle. Les analyses multivariables ont révélé que cette augmentation des cellules immunitaires était associée à un profil prédominant CD163+ dans tous les sous-groupes de TAR par rapport au groupe de contrôle. Au niveau systémique, la quantification de 12 médiateurs inflammatoires dans le plasma périphérique a révélé que la TAR à base d'IP est associée à une libération de cytokines pro-inflammatoires et antivirales significativement plus élevée par rapport à la TAR à base d'InSTI aux deux trimestres étudiés, en plus d’être associée à l’accouchement prématuré et une charge virale plus élevée au deuxième trimestre. Ces résultats suggèrent que la classe de TAR n'affecte pas intrinsèquement la sélection des cellules Hofbauer CD163+ et CD68+ au niveau placentaire, mais que la TAR à base d'IP est associée à une réponse immunologique distincte qui augmente le risque d'accouchement prématuré. / Antiretroviral therapy (ART) drastically reduces vertical transmission of HIV. However, recent studies demonstrate an association between the use of ART during pregnancy, particularly protease inhibitor (PI)-based ART, and adverse outcomes, including preterm delivery. The main objectives of my dissertation were to characterize the inflammatory profile at the placental and systemic levels in pregnant people living with HIV (PPLWH) and compare them according to HIV status and ART class. At the placental level, Hofbauer cell immunotyping revealed that placentas of PPLWH contained a significantly higher number of CD45+ leukocytes due to an increase in Hofbauer cells compared to controls. Multivariate analyses revealed that this increase in immune cells was associated with a predominantly CD163+ profile in all ART subgroups compared with the control group. At the systemic level, the quantification of 12 inflammatory mediators in peripheral plasma revealed that PI-based ART was associated with significantly higher pro-inflammatory and antiviral cytokine release compared to InSTI-based ART in both trimesters studied, in addition to being associated with preterm delivery and higher viral load. These results suggest that the class of ART does not intrinsically affect the selection of CD163+ and CD68+ Hofbauer cells in the placenta, but that PI-based ART is associated with a distinct immunological response which may increase the risk of preterm delivery.

INTRODUCTION : Le retard de croissance intra-utérin (RCIU), la prééclampsie (PE) et l’accouchement prématuré (AP) sont d’importantes pathologies de la grossesse fortement associées à un mauvais fonctionnement du placenta, organe central au développement du fœtus. Environ 5-12% de toutes les grossesses sont pathologiques et ces dernières sont associées avec un risque accru de désordres neurodéveloppementaux chez l’enfant. L'inflammation est un point central à toutes les complications de la grossesse et le lien causal entre l’inflammation et ces pathologies a été démontré à l’aide de plusieurs modèles animaux d’inflammation prénatale, menant à des dommages cérébraux chez les nouveau-nés. Cependant, la majorité des modèles utilisent des stimuli infectieux, bien que des pathogènes soient rarement détectés en clinique. Malgré l'absence d'infection détectable, des évidences d'inflammation, telles que des niveaux élevés de cytokines pro-inflammatoires et d’alarmines, sont présentes. Les alarmines sont des médiateurs endogènes et une autre cause d'inflammation de plus en plus associée aux pathologies de la grossesse. L’acide urique est une des alarmines les plus étudiées comme médiateur endogène d’inflammation, mais son effet sur la grossesse est peu connu. Ainsi, mon hypothèse était que l’exposition prénatale particulièrement à l’acide urique serait associée aux complications de la grossesse, serait une cause de dommage placentaire et subséquemment altèrerait le neurodéveloppement fœtal, menant à des dommages cérébraux à long terme chez l’enfant. Mon OBJECTIF général était de comprendre le lien entre inflammation prénatale non-pathogénique, les complications de la grossesse et les effets sur le placenta et le cerveau en développement. Spécifiquement, j’ai déterminé la présence d’inflammation dans les complications majeures de la grossesse puis je me suis concentré sur la PE et l’implication de l’activation immunitaire dans cette pathologie. En parallèle, j’ai établi le lien entre l’inflammation non-pathogénique, les dommages placentaires et le RCIU. Finalement, j’ai évalué le neurodéveloppement après l’exposition in-utero à une inflammation non-pathogénique et j’ai investigué le potentiel d’un nouveau traitement dans mon modèle préclinique. MÉTHODOLOGIES ET RÉSULTATS: J’ai analysé le profil inflammatoire de 200 femmes avec ou sans complications de la grossesse (Ctrl, PE, AP, RCIU) et j’ai démontré que chaque complication présente un profil inflammatoire circulant distinct, particulièrement présent chez les femmes avec PE. De plus, j’ai analysé plus en profondeur les femmes avec PE et observé une augmentation d’acide urique dans la circulation maternelle, en lien avec un profil immunitaire qui était altéré et des changements structuraux au niveau du placenta. Pour déterminer les effets directs de l'acide urique, nous avons utilisé des cultures de trophoblastes primaires, cellule principale du placenta, et des explants placentaires humains. Nous avons démontré que l’acide urique induisait un profil pro-inflammatoire augmentant particulièrement la sécrétion d’IL-1β et d’IL-6 et induisait aussi l'apoptose des trophoblastes. En parallèle, j’ai développé un nouveau modèle préclinique de rates gestantes qui ont été injectées par voie intrapéritonéale avec l’acide urique du temps de gestation 18 (G18) à G21. L’injection d'acide urique in vivo à la fin de la gestation chez le rat a entrainé l’augmentation de cytokines (IL-1β, TNF-α et IL-6) et l’infiltration de cellules immunitaires dans le placenta ainsi qu’un RCIU chez le fœtus qui persistait dans la période postnatale. De plus, les bébés exposés in-utero à l’acide urique avaient une altération neurodéveloppementale caractérisée par l’activation microgliale et astrogliale en plus d’une diminution des capacités motrices. Ces effets de l’acide urique étaient dépendants de l'IL-1β et bloqués par l’antagoniste spécifique du récepteur de l’IL-1 (IL-1Ra). CONCLUSIONS: L’inflammation est associée à toutes les complications de la grossesse, mais les profils diffèrent selon la pathologie étudiée. La PE est associée à des changements immunitaires importants. L'acide urique à l'interface materno-fœtale induit inflammation et altère les fonctions placentaires de façon IL-1-dépendante. Finalement, l’exposition à l’acide urique en fin de gestation chez le rat induit l’inflammation placentaire, le RCIU et altère le développement cérébral des bébés. Un traitement prénatal anti-inflammatoire permet de minimiser l’inflammation et ses effets négatifs sur le cerveau. / INTRODUCTION: Intra-uterine growth restriction (IUGR), preeclampsia (PE) and preterm birth (PTB) are important pathologies of pregnancy strongly associated with poor placental function, a central organ for fetal development. About 5-12% of all pregnancies are pathological and this increases the risk of neurodevelopmental disorders. Inflammation is central to all pregnancy complications and the causal link has been demonstrated with several animal models of prenatal inflammation leading to brain damage in newborns. However, these models use infectious stimuli although pathogens are rarely detected clinically. Despite the absence of detectable infection, evidence of inflammation, such as elevated levels of pro-inflammatory cytokines and alarmins, is observed. Alarmins are endogenous mediators, another cause of inflammation increasingly associated with pathological pregnancies. Uric acid is one of the most studied alarmins, however its effect on pregnancy is mostly unknown. Thus, my hypothesis was that prenatal exposure particularly to uric acid is associated with pregnancy complications and is a cause of placental damage which subsequently impairs fetal neurodevelopment, leading to long-term brain damage in the child. My general OBJECTIVE was to understand the link between non-pathogenic prenatal inflammation, pregnancy complications and its effect on the placenta and the developing brain. Specifically, I detected the presence of inflammation in major pregnancy complications and subsequently focused on PE and its immune activation. In parallel, I established the causal link between non-infectious inflammation, placental damage and IUGR. Finally, I evaluated brain development following in utero inflammation and investigated a therapeutic target in my preclinical model. METHODS AND RESULTS: I analyzed the inflammatory profile of 200 women with or without pregnancy complications (Ctrl, IUGR, PE, PTB) and demonstrated that each complication has a distinct circulating inflammatory profile, particularly in women with PE. In addition, I further analyzed women with PE and observed a uric acid increase in the maternal circulation, related to an altered immune profile and structural changes in the placenta. To determine the direct effects of uric acid, we used cultures of primary trophoblasts, the main cell of the placenta, and human placental explants. We have shown that uric acid induces a pro-inflammatory profile, particularly increasing the secretion of IL-1β and IL-6 and induces apoptosis of trophoblasts. In parallel, I developed a new preclinical model of pregnant rats that were injected intraperitoneally with uric acid from gestation time 18 (G18) to G21. The injection of uric acid at the end of gestation in the rat caused increase cytokines (IL-1β, TNF-α and IL-6), the infiltration of immune cells in the placenta as well as an IUGR in the fetus that persisted into the postnatal period. Additionally, babies exposed to uric acid in utero have neurodevelopmental impairment characterized by microglial and astroglial activation in addition to decreased motor function. These effects of uric acid was dependent on IL-1β and was blocked by the IL-1 receptor antagonist (IL-1Ra). CONCLUSIONS: Inflammation is associated with all pregnancy complications, however, with different profiles depending on the pathology studied. PE is associated with significant immune changes. Uric acid at the maternal-fetal interface induced inflammation and altered placental functions in an IL-1-dependent manner. Ultimately, exposure to uric acid in late rat pregnancy induced placental inflammation, IUGR, and impaired brain development. Prenatal anti-inflammatory treatment helped minimize inflammation and these negative effects on the brain.

L’accouchement prématuré a été récemment associé à la persistance du virus du papillome humain de type 16 (VPH-16) en grossesse. Il demeure toutefois difficile de savoir si cette association est causale et d’en expliquer les mécanismes biologiques potentiels. Afin de mieux caractériser cette association, nous avons étudié l'association entre la charge virale du VPH-16 en grossesse et l’accouchement prématuré. Les données de 48 femmes enceintes qui étaient positives pour le VPH-16 dans la cohorte HERITAGE ont été analysées avec un modèle de régression logistique, où la confusion a été ajustée avec scores de propension et pondération par l’inverse de probabilité de traitement. La charge virale du VPH, mesurée avec test PCR en nombre de copies/cellule au 1er et 3ième trimestre de grossesse, a été analysée en continue et dichotomisée à l’aide de différents seuils (0,5, 1,0 et 2,0). La charge virale (en continue) au 1er trimestre de grossesse a été associée à l’accouchement prématuré avec un OR ajusté (aOR) de 1,13 [IC 95% 1,03-1,25]. Le aOR pour la charge virale catégorisée avec seuil de 1,0 copie/cellule au 1er trimestre était de 15,03 [IC 95 % 1,75- 129,26]. Les analyses avec des seuils différents et au 3ième trimestre de grossesse ont données des résultats similaires quoique les ORs n’étaient pas toujours statistiquement significatifs. Nos résultats suggèrent une forte association entre la charge virale du VPH-16 et l’accouchement prématuré. Cette étude contribue à une meilleure compréhension des mécanismes tout en supportant la causalité. / Preterm birth has recently been associated with the persistence of human papillomavirus 16 (HPV-16) during pregnancy. However, it remains difficult to determine whether this association is causal and to explain its potential biological mechanisms. To better characterize this association, we investigated the association between HPV-16 viral load during pregnancy and preterm birth. Data from 48 pregnant women positive with HPV-16 infection from the HERITAGE cohort were analyzed using a logistic regression model, where confounders were adjusted with propensity scores and inverse probability treatment weighting. HPV viral load, measured with a PCR test as copy numbers/cell during the 1st and 3rd trimester of pregnancy was analyzed continuously, and categorized using different cutoffs (0.5, 1.0 and 2.0). Continuous viral load at 1st trimester of pregnancy was associated with preterm birth with an adjusted OR (aOR) of 1.13 [95% CI: 1.03-1.25]. The aOR viral load categorized with cutoff 1 copy/cell at 1st trimester was 15.03 [1.75-129.26]. Analyses with different cutoffs in 3rd trimester of pregnancy gave similar results although the ORs were not always statistically significant. Our results suggest a strong association between HPV-16 viral load and preterm birth. This study contributes to a better understanding of the mechanisms and provides an additional argument on causality.

L'infection congénitale par le cytomégalovirus (CMV) est l'infection congénitale la plus courante, survenant chez 0,2 à 2,0 % des naissances vivantes. Elle représente la principale cause non génétique de surdité neurosensorielle chez les nourrissons. Cette infection entraîne des séquelles neurodéveloppementales permanentes telles que des problèmes de vision, un retard cognitif et, dans certains cas, elle peut même entraîner la mort. Avoir une meilleure compréhension des caractéristiques épidémiologiques de l'infection maternelle par le CMV peut contribuer à améliorer notre compréhension de la transmission de ce virus au fœtus et, par conséquent, à prévenir l'infection congénitale. Cette thèse vise à étudier les aspects épidémiologiques de l'infection maternelle par le CMV et de l'exposition professionnelle au CMV. Le premier objectif consiste à estimer la séroprévalence, l'incidence et les facteurs de risque de l'infection maternelle à CMV pendant la grossesse. Le deuxième objectif examine l'association entre l'infection maternelle à CMV et certaines complications de la grossesse, telles que la prééclampsie et l'accouchement prématuré. Le troisième objectif est une revue systématique et une méta-analyse visant à déterminer la prévalence, l'incidence de l'infection primaire, les risques relatifs et les facteurs de risque au sein de deux groupes exposés professionnellement au CMV, à savoir les travailleurs en service de garde et le personnel de santé. Les données de deux importantes cohortes au Québec, comprenant un total de 6048 participantes (Grossesse en santé et 3D), ainsi que leurs échantillons biologiques, ont été utilisées pour atteindre les objectifs 1 et 2. Dans le cadre de l'objectif 3, une recherche bibliographique a été réalisée en consultant six bases de données électroniques (PubMed [NLM], Ovid MEDLINE, Ovid All EBM Reviews, Ovid Embase, ISI Web of Science et EBSCO CINAHL Complete). Les résultats de l'objectif 1 (article 1), basés sur les données d'une des deux cohortes, révèlent une séroprévalence de 23,4 % (IC à 95 %, 22,1-24,7 %) chez les femmes enceintes, ainsi qu'une incidence d'infection primaire de 1,8 pour 100 années-personnes pendant la grossesse (IC à 95 %, 1,2-2,6). Les facteurs de risque associés à la séropositivité maternelle sont la multiparité (avoir un ou plusieurs enfants), une ethnie autre que caucasienne et un lieu de naissance autre que le Canada et les États-Unis. Les résultats de l'objectif 2 (article 2) ont révélé deux associations importantes : (1) une association entre la séropositivité maternelle au CMV et la prééclampsie, et (2) une association entre la séropositivité maternelle au CMV et l'accouchement prématuré. L'analyse de médiation, en prenant en compte la prééclampsie comme facteur médiateur de l'association entre l'infection maternelle au CMV et l'accouchement prématuré, a montré que la quasi-totalité (96,8 %) de l'effet total de la séropositivité maternelle au CMV agit directement sur l'accouchement prématuré, sans passer par la prééclampsie. La revue systématique et méta-analyse, qui correspond à l'objectif 3 (article 3), souligne l'importance de l'exposition professionnelle au CMV. Dans le groupe des travailleurs en service de garde, la séroprévalence du CMV et l'incidence de l'infection primaire pour 100 personnes-années sont élevées, atteignant respectivement 59,3 % (IC à 95 % : 49,8-68,6) et 7,4 (IC à 95 % : 3,9-11,8). De même, dans le groupe du personnel de santé, ces valeurs s'élèvent à 49,5 % (IC à 95 % : 40,3-58,7) et 3,1 (IC à 95 % : 1,3-5,6) respectivement. La séropositivité au CMV et l'infection primaire sont significativement plus fréquentes chez les travailleurs en service de garde par rapport aux groupes témoins sans exposition professionnelle, avec un RC (Rapport des cotes) de 1,6 (IC à 95 % : 1,2-2,3) et un RR (Rapport des Risques) de 3,4 (IC à 95 % : 1,3-8,8) respectivement. Cependant, aucune différence significative n'a été observée chez le personnel de santé (RC : 1,3 [IC à 95 % : 0,6-2,7] et RR : 0,9 [IC à 95 % : 0,6-1,2]). Dans les deux groupes, la séropositivité au CMV était associée à la multiparité, l'état civil, l'ethnicité et l'âge. En conclusion, cette étude démontre que la séroprévalence du CMV chez les femmes enceintes varie. La parité, l'ethnicité, le lieu de naissance et l'exposition professionnelle sont des facteurs à prendre en compte lors de l'élaboration de mesures préventives contre l'infection maternelle par le CMV. Les résultats de l'article 2 mettent en évidence que la séropositivité maternelle au CMV pourrait être un facteur de risque de prééclampsie et d'accouchement prématuré. Mots clés : cytomégalovirus, prévalence, incidence, séroconversion, grossesse, sérologie, prééclampsie, accouchement prématuré, exposition professionnelle, travailleur en service de garde, garderie, personnel de santé. / Cytomegalovirus infection is the most common congenital infection occurring in 0.2% to 2.0% of all live births. Congenital CMV infection is the most common non-genetic cause of sensorineural hearing loss. It results in permanent neurodevelopmental sequelae such as visual impairment, cognitive delay and in some cases, death. Knowing the epidemiological characteristics of maternal CMV infection could contribute to improve the understanding of the transmission of this virus to the fetus, and then, contribute to the prevention of congenital infection. The present thesis aims to study some epidemiological aspects of maternal CMV infection and occupational exposure to CMV. The first objective sought to estimate the seroprevalence, incidence, and risk factors of CMV infection during pregnancy. The second objective studied the association between maternal CMV infection and some adverse pregnancy outcomes, including preeclampsia and preterm delivery. The third objective was a systematic review and meta-analysis to determine the prevalence, incidence of primary infection, relative risks, and risk factors in the two groups occupationally exposed to CMV, namely childcare workers and healthcare workers. Data from two large Quebec cohorts with 6048 women (“Grossesse en santé” and “3D” cohorts), and their biobanks, were used to address objectives 1 and 2. For objective 3, a literature search was conducted in 6 electronic databases along with a meta-analysis (PubMed (NLM), Ovid MEDLINE, Ovid All EBM Reviews, Ovid Embase, ISI Web of Science, et EBSCO CINAHL complete). The results for objective 1 (article 1) on the data of one of the two cohorts show a seroprevalence of 23,4% among pregnant women (95% CI, 22.1–24.7%), an incidence of primary infection of 1,8 per 100 person-years during pregnancy (95% CI, 1.2–2.6). During the 5 years of the study, seroprevalence was stable and no seasonality was observed. Risk factors associated with maternal seropositivity were multiparity, i.e., having one or more children, non-Caucasian ethnicity, and place of birth other than Canada and the United States. The results for objective 2 (article 2) highlighted on the one hand the association between maternal CMV seropositivity and preterm birth, and on the other hand the association between maternal CMV seropositivity and preeclampsia. The mediation analysis considering preeclampsia as a mediating factor of the association between maternal CMV infection and preterm delivery showed that almost all the total effect of maternal CMV seropositivity i.e., 96,8%, acts directly on preterm delivery without passing through preeclampsia. The systematic review and meta-analysis (objective 3) noted the importance of occupational exposure to CMV. CMV seroprevalence and incidence of primary infection per 100 person-years remained high in the childcare worker group (59.3% [95% CI: 49.8-68.6] and 7.4 [95% CI: 3.9-11.8], respectively) and the healthcare worker group (49.5% [95% CI: 40.3-58.7] and 3.1 [95% CI: 1.3-5.6], respectively). CMV seropositivity and primary infection are significantly more prevalent among childcare workers compared to the comparison groups without occupational exposure. The Odds ratio (OR) for this difference is 1.6 (95% CI: 1.2-2.3), with a risk ratio (RR) of 3.4 (95% CI: 1.3-8.8). However, these differences are not observed in healthcare workers, where the OR is 1.3 (95% CI: 0.6-2.7) and the RR is 0.9 (95% CI: 0.6-1.2). In both groups, CMV seropositivity shows an association with factors such as multiparity, civil status, ethnicity, and age. In conclusion, this thesis shows that maternal CMV seroprevalence is variable. Parity, ethnicity, place of birth and occupational exposure would be the identified risk factors to consider when defining preventive measures for maternal CMV infection. The results of article 2 highlighted that maternal CMV seropositivity could be a risk factor for preeclampsia and preterm delivery. Keywords: cytomegalovirus, prevalence, incidence, seroconversion, pregnancy, serology, preeclampsia, preterm birth, occupational exposure, daycare worker, daycare center, healthcare workers.