Les interfaces protéine-protéine sont au cœur de nombreux mécanismes physiologiques du vivant. Les caractériser au niveau moléculaire est un donc enjeu crucial pour la recherche de nouveaux candidat-médicaments. Nous proposons ici de nouvelles méthodes d’analyse des interfaces protéine-protéine à visée pharmaceutique. Notre protocole automatisé détecte les interfaces au sein des structures de la Protein Data Bank afin de définir les zones d’interactions à potentiel pharmacologique, les cavités droguables, les ligands présents à l’interface ainsi que les pharmacophores directement déduits à partir des cavités. Notre méthode permet de réaliser un état de l’art des informations disponibles autour des interfaces protéine-protéine ainsi que de prédire de nouvelles cibles potentielles pour des molécules candidats médicaments. / Protein-protein interfaces are involved in many physiological mechanisms of living cells. Their characterization at the molecular level is therefore crucial in drug discovery.We propose here new methods for the analysis protein-protein interfaces of pharmaceutical interest. Our automated protocol detects the biologicaly relevant interfaces within the Protein Data Bank structures, droguables cavities, ligands present at the interface and pharmacophores derived directly from the cavities. Our method enables a state-of- the-art of all available structural information about protein-protein interfaces and predicts potential new targets for drug candidates.

Cotutelle internationale avec l'université de Caen / La complexité des patients de réanimation justifie le recours à des systèmes d’aide à la décision thérapeutique. Ces systèmes rassemblent des protocoles automatisés de prise en charge permettant le respect des recommandations et des simulateurs physiologiques ou patients virtuels, utilisables pour personnaliser de façon sécuritaire les prises en charge. Ces dispositifs fonctionnant à partir d’algorithmes et d’équations mathématiques ne peuvent être développés qu’à partir d’un grand nombre de données de patients. Le principal objectif de cette thèse était la mise en place d’une base de données haute résolution automatiquement collectée de patients de réanimation pédiatrique dont le but sera de servir au développement et à la validation d’un simulateur physiologique : SimulResp©. Ce travail présente l’ensemble du processus de mise en place de la base de données, du concept jusqu’à son utilisation. / The complexity of the patients in the intensive care unit requires the use of clinical decision support systems. These systems bring together automated management protocols that enable adherence to guidelines and virtual physiological or patient simulators that can be used to safely customize management. These devices operating from algorithms and mathematical equations can only be developed from a large number of patients’ data. The main objective of the work was the elaboration of a high resolution database automatically collected from critically ill children. This database will be used to develop and validate a physiological simulator called SimulResp© . This manuscript presents the whole process of setting up the database from concept to use.

La complexité du logiciel augmente tout le temps: les systèmes deviennent plus grands et plus complexes. La modélisation est un élément central de génie logicielle pour relever les défis de la complexité. Cependant, un défi majeur auquel est confronté le développement de logiciels axés sur les modèles est l'évolutivité des outils de modélisation avec une taille croissante de modèles. Certaines initiatives ont commencé à explorer la modélisation tout en stockant des modèles dans une base de données de graphes. Dans cette thèse, nous présentons NMF, un framework pour créer et éditer des modèles dans une base de données Neo4j élevée à l'abstraction du langage de modélisation. / Software complexity increases all the time: systems become larger and more complex. Modeling is a central part of software engineering to tackle challenges of complexity. However, a prominent challenge model-driven software development is facing is scalability of modeling tools with a growing size of models. Some initiatives started exploring modeling while storing models in a graph database. In this thesis, we present NMF, a framework to create and edit MDE models in a Neo4j database lifted to the abstraction of the modeling language.

Cette thèse porte sur la catégorisation d'objets vidéo. L'objectif est d'associer des étiquettes sémantiques à des objets 2D présents dans les images/vidéos. L'approche proposée consiste à exploiter des bases d'objets 3D classifiés afin d'identifier des objets 2D inconnus. Nous proposons un schéma de reconnaissance d'objet, conçu pour fonctionner pour des applications en temps réel. La similitude entre des modèles 3D et des contenus 2D inconnu est évaluée à l'aide de la description 2D/3D. Une procédure de vote est ensuite utilisée afin de déterminer les catégories les plus probables de l'objet 2D. Nous proposons aussi une stratégie pour la sélection des vues les plus représentatives d'un objet 3D et un nouveau descripteur de contour (nommé AH). L'évaluation expérimentale a montré que, en employant la sélection intelligente de vues, le nombre de projections peut être diminué de manière significative (jusqu'à 5 fois) tout en obtenant des performances similaires. Les résultats ont également montré la supériorité de l'AH par rapport aux autres descripteurs adoptés. Une évaluation objective de la variabilité intra et inter classe des bases de données 3D impliqués dans ce travail est également proposé, ainsi qu'une étude comparative des approches d'indexations retenues. Une approche de segmentation interactive est également introduite. La méthode proposée est spécifiquement conçu pour surmonter les artefacts de compression tels que ceux mis en place par la compression JPEG. Enfin, nous présentons une plate-forme Web pour l'indexation/la recherche/la classification, qui intègre les différentes méthodologies utilisées dans cette thèse / This Ph.D. thesis tackles the issue of sill and video object categorization. The objective is to associate semantic labels to 2D objects present in natural images/videos. The principle of the proposed approach consists of exploiting categorized 3D model repositories in order to identify unknown 2D objects based on 2D/3D matching techniques. We propose here an object recognition framework, designed to work for real time applications. The similarity between classified 3D models and unknown 2D content is evaluated with the help of the 2D/3D description. A voting procedure is further employed in order to determine the most probable categories of the 2D object. A representative viewing angle selection strategy and a new contour based descriptor (so-called AH), are proposed. The experimental evaluation proved that, by employing the intelligent selection of views, the number of projections can be decreased significantly (up to 5 times) while obtaining similar performance. The results have also shown the superiority of AH with respect to other state of the art descriptors. An objective evaluation of the intra and inter class variability of the 3D model repositories involved in this work is also proposed, together with a comparative study of the retained indexing approaches . An interactive, scribble-based segmentation approach is also introduced. The proposed method is specifically designed to overcome compression artefacts such as those introduced by JPEG compression. We finally present an indexing/retrieval/classification Web platform, so-called Diana, which integrates the various methodologies employed in this thesis

Résumé : En télédétection, la texture facilite l’identification des classes de surfaces sur des critères de similitude d’organisation spatiale des pixels. Les méthodes d’analyse texturale utilisées en télédétection et en traitement d’image en général sont principalement proposées pour extraire la texture dans une seule bande à la fois. Pour les images multispectrales, ceci revient à extraire la texture dans chaque bande spectrale séparément. Cette stratégie ignore la dépendance qui existe entre la texture des différentes bandes (texture inter-bande) qui peut être une source d’information additionnelle aux côtés de l’information texturale classique intra-bande. La prise en charge de la texture multibande (intra- et inter-bande) engendre une complexité calculatoire importante. Dans sa recherche de solution pour l’analyse de la texture multibande, ce projet de thèse revient vers les aspects fondamentaux de l’analyse de la texture, afin de proposer un modèle de texture qui possède intrinsèquement une complexité calculatoire réduite, et cela indépendamment de l’aspect multibande de la texture. Une solution pour la texture multibande est ensuite greffée sur ce nouveau modèle, de manière à lui permettre d’hériter de sa complexité calculatoire réduite. La première partie de ce projet de recherche introduit donc un nouveau modèle l’analyse de texture appelé modèle d’unité texturale compacte (en anglais : Compact Texture Unit, C-TU). Le C-TU prend comme point de départ le modèle de spectre de texture et propose une réduction significative de sa complexité. Cette réduction est atteinte en proposant une solution générale pour une codification de la texture avec la seule information d’occurrence, sans l’information structurelle. En prenant avantage de la grande efficacité calculatoire du modèle de C-TU développé, un nouvel indice qui analyse la texture multibande comme un ensemble indissociable d’interactions spatiales intra- et inter-bandes est proposé. Cet indice, dit C-TU multibande, utilise la notion de voisinage multibande afin de comparer le pixel central avec ses voisins dans la même bande et avec ceux des autres bandes spectrales. Ceci permet à l’indice de C-TU multibande d’extraire la texture de plusieurs bandes simultanément. Finalement, une nouvelle base de données de textures couleurs multibandes est proposée, pour une validation des méthodes texturales multibandes. Une série de tests visant principalement à évaluer la qualité discriminante des solutions proposées a été conduite. L’ensemble des résultats obtenus dont nous faisons rapport ici confirme que le modèle de C-TU proposé ainsi que sa version multibande sont des outils performants pour l’analyse de la texture en télédétection et en traitement d’images en général. Les tests ont également démontré que la nouvelle base de données de textures multibande possède toutes les caractéristiques nécessaires pour être utilisée en validation des méthodes de texture multibande. // Abstract : In multispectral images, texture is typically extracted independently in each band using existing grayscale texture methods. However, reducing texture of multispectral images into a set of independent grayscale texture ignores inter-band spatial interactions which can be a valuable source of information. The main obstacle for characterizing texture as intra- and inter-band spatial interactions is that the required calculations are cumbersome. In the first part of this PhD thesis, a new texture model named the Compact Texture Unit (C-TU) model was proposed. The C-TU model is a general solution for the texture spectrum model, in order to decrease its computational complexity. This simplification comes from the fact that the C-TU model characterizes texture using only statistical information, while the texture spectrum model uses both statistical and structural information. The proposed model was evaluated using a new monoband C-TU descriptor in the context of texture classification and image retrieval. Results showed that the monoband C-TU descriptor that uses the proposed C-TU model provides performances equivalent to those delivered by the texture spectrum model but with much more lower complexity. The calculation efficiency of the proposed C-TU model is exploited in the second part of this thesis in order to propose a new descriptor for multiband texture characterization. This descriptor, named multiband C-TU, extracts texture as a set of intra- and inter-band spatial interactions simultaneously. The multiband C-TU descriptor is very simple to extract and computationally efficient. The proposed descriptor was compared with three strategies commonly adopted in remote sensing. The first is extracting texture using panchromatic data; the second is extracting texture separately from few newbands obtained by principal components transform; and the third is extracting texture separately in each spectral band. These strategies were applied using cooccurrence matrix and monoband compact texture descriptors. For all experiments, the proposed descriptor provided the best results. In the last part of this thesis, a new color texture images database is developed, named Multiband Brodatz Texture database. Images from this database have two important characteristics. First, their chromatic content, even if it is rich, does not have discriminative value, yet it contributes to form texture. Second, their textural content is characterized by high intra- and inter-band variation. These two characteristics make this database ideal for multiband texture analysis without the influence of color information.

Lieu de développement économique et démographique intense, les zones littorales font l'objet de pressions importantes sur l'environnement et, en particulier, sur les ressources en eau. Bien que la gestion des eaux souterraines côtières bénéficie de nombreux résultats issus de la recherche scientifique, une des problématiques majeures reste la connaissance de la géométrie des aquifères. Des interprétations géologiques de la genèse du bassin Plio-Quaternaire du Roussillon, issues de la stratigraphie séquentielle, sont confrontées, par l'intermédiaire d'une base données, à l'hydrogéologie de cet hydrosystème complexe localisé sur la partie littorale des Pyrénées-Orientales. L'étude statistique des points de prélèvement (distribution des crépines, productivité des forages...), l'analyse fonctionnelle (traitement du signal des chroniques piézométriques), l'hydrochimie et la géophysique électrique ont été utilisées afin d'élaborer un modèle conceptuel hydrogéologique des écoulements à l'échelle du bassin et de son prolongement vers le domaine offshore. La présence de la mer, de zones à salinité résiduelle et de cours d'eaux littoraux contribue à augmenter la salinité d'un aquifère libre supérieur (Quaternaire) sus-jacent aux différents aquifères captifs (Pliocène) exploités pour l'eau potable dans la zone littorale. La vulnérabilité face aux intrusions salines de cette ressource de bonne qualité, tant sur le point de vue quantitatif que qualitatif est appréhendée par modélisation. Dans le domaine offshore, le rôle protecteur des formations géologiques à faible et moyenne perméabilité est mis en évidence vis-à-vis de la préservation de la qualité de l'eau potable.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

L'étude structurale de l'interactome cellulaire peut conduire à des découvertes intéressantes sur les bases moléculaires de certaines pathologies. La modélisation par homologie et l'amarrage de protéines ("protein docking") sont deux approches informatiques pour modéliser la structure tri-dimensionnelle (3D) d'une interaction protéine-protéine (PPI). Des études précédentes ont montré que ces deux approches donnent de meilleurs résultats quand des données expérimentales sur les PPIs sont prises en compte. Cependant, les données PPI ne sont souvent pas disponibles sous une forme facilement accessible, et donc ne peuvent pas être re-utilisées par les algorithmes de prédiction. Cette thèse présente une approche systématique fondée sur l'extraction de connaissances pour représenter et manipuler les données PPI disponibles afin de faciliter l'analyse structurale de l'interactome et d'améliorer les algorithmes de prédiction par la prise en compte des données PPI. Les contributions majeures de cette thèse sont de : (1) décrire la conception et la mise en oeuvre d'une base de données intégrée KBDOCK qui regroupe toutes les interactions structurales domaine-domaine (DDI); (2) présenter une nouvelle méthode de classification des DDIs par rapport à leur site de liaison dans l'espace 3D et introduit la notion de site de liaison de famille de domaines protéiques ("domain family binding sites" ou DFBS); (3) proposer une classification structurale (inspirée du système CATH) des DFBSs et présenter une étude étendue sur les régularités d'appariement entre DFBSs en terme de structure secondaire; (4) introduire une approche systématique basée sur le raisonnement à partir de cas pour modéliser les structures 3D des complexes protéiques à partir des DDIs connus. Une interface web (http://kbdock.loria.fr) a été développée pour rendre accessible le système KBDOCK / Understanding how the protein interactome works at a structural level could provide useful insights into the mechanisms of diseases. Comparative homology modelling and ab initio protein docking are two computational methods for modelling the three-dimensional (3D) structures of protein-protein interactions (PPIs). Previous studies have shown that both methods give significantly better predictions when they incorporate experimental PPI information. However, in general, PPI information is often not available in an easily accessible way, and cannot be re-used by 3D PPI modelling algorithms. Hence, there is currently a need to develop a reliable framework to facilitate the reuse of PPI data. This thesis presents a systematic knowledge-based approach for representing, describing and manipulating 3D interactions to study PPIs on a large scale and to facilitate knowledge-based modelling of protein-protein complexes. The main contributions of this thesis are: (1) it describes an integrated database of non-redundant 3D hetero domain interactions; (2) it presents a novel method of describing and clustering DDIs according to the spatial orientations of the binding partners, thus introducing the notion of "domain family-level binding sites" (DFBS); (3) it proposes a structural classification of DFBSs similar to the CATH classification of protein folds, and it presents a study of secondary structure propensities of DFBSs and interaction preferences; (4) it introduces a systematic case-base reasoning approach to model on a large scale the 3D structures of protein complexes from existing structural DDIs. All these contributions have been made publicly available through a web server (http://kbdock.loria.fr)

Le changement climatique et les invasions biologiques sont parmi les plus grandes menaces de la biodiversité et leurs impacts pourraient augmenter jusqu’à la fin du siècle. Parmi les espèces envahissantes, les fourmis sont un groupe particulièrement néfaste dû à leurs impacts sur les espèces natives, les processus écosystémique, la santé, l’agriculture et l’économie. L’objectif de cette thèse était de prédire les invasions de fourmis – en particulier avec le changement climatique qui pourrait favoriser les invasions en éliminant des barrières thermiques. J’ai utilisé trois approches complémentaires afin d’étudier le potentiel de différentes espèces à envahir : des modèles de distribution, des expériences comportementales et l’analyses d’une base de données de traits écologiques. J’ai modélisé l’aire favorable pour 15 espèces de fourmis parmi les pires, à la fois globalement, par continents, et dans les 34 hotspots de biodiversité. La distribution potentielle de seulement cinq espèce est prédite de diminuer (jusqu’à 35.8%) avec le changement climatique et l’aire potentielle diminue pour la plupart des espèces jusqu’à 63.2%. Les hotspots d’invasions de fourmis se situaient surtout dans des régions tropicales et subtropicales et ils correspondent particulièrement aux hotspots de biodiversité. Contrairement à ce qui est généralement admis, le changement climatique et les invasions biologiques n’agiront pas de manière synergique pour les fourmis. Par contre, les invasions de fourmis resteront probablement un problème global majeur, en particuliers dans les zones où les hotspots de biodiversité et les hotspots d’invasion se superposent. Les modèles de distribution ont identifié de larges zones de recouvrement entre aires favorables de plusieurs espèces de fourmis envahissantes. Dans le futur, ces espèces pourraient arriver simultanément dans les mêmes régions et entrer en compétition. Dans une série d’expériences, j’ai testé les différences comportementales entre 7 espèces de fourmis envahissantes (Anoplolepis gracilipes, Paratrechina longicornis, Myrmica rubra, Linepithema humile, Lasius neglectus, Wasmannia auropunctata et Pheidole megacephala). J’ai découvert deux stratégies comportementales différentes. Les interactions au niveau de la colonie ont suivi des processus démographiques plus complexes. De plus, j’ai mis au point deux expériences pour tester la capacité des fourmis envahissantes à explorer un nouvel espace et à exploiter des ressources. J’ai trouvé des différences significatives entre espèces et leur capacité à dominer par interférence comportementale était négativement corrélée à leurs capacités à découvrir et exploiter des ressources. Cette série d’expériences suggère que les ‘mécanismes’ d’invasion sont plus complexes que ce qui est généralement suggéré et que différentes espèces pourraient utiliser des stratégies comportementales différentes. Étant donné qu’il existe plus de 250 espèces de fourmis exotiques, il serait intéressant de pouvoir identifier à l’avance des futurs envahisseurs potentiels. Afin d’identifier des traits associés au caractère envahissant des fourmis, j’ai mis en place une base de données qui contient 2193 espèces de fourmis et 24 traits écologiques. J’ai effectué une analyse préliminaire de différences de traits entre fourmis natives et envahissantes qui a montré qu’il existe clairement des groupement distincts de natives et envahissantes, avec les espèces exotiques au milieu. Ces résultats pourraient servir de base pour construire un modèle prédictif des invasions de fourmis. Ces différentes approches (modèles, expériences, base de données) sont complémentaires car elles s’intéressent à des aspects différents du futur des invasions de fourmis qui sera vraisemblablement fortement influencé par le changement climatique. Le pires envahisseurs de demain ne seront probablement pas les même qu’aujourd’hui et les zones les plus à risque pourraient changer également. / Climate change and biological invasions are both among the greatest threats to biodiversity and their impacts might increase by the end of the century. Among invasive species, ants are a prominent group due to their negative impacts on native species, ecosystem processes, human and animal health, agro-ecosystems and the economy. The objective of this thesis was to forecast future ant invasions – especially in the light of on-going climate change, which is generally thought to favour invasive species by removing thermal barriers. I used three complementary approaches to study the potential of different ant species to invade in the future: species distribution modelling, behavioural experiments and the analysis of a database of ecological traits. I modelled suitable area for 15 of the worst invasive ant species, both currently and with predicted climate change, globally, regionally and within the world’s 34 biodiversity hotspots. Surprisingly, the potential distribution of only five species was predicted to increase (up to 35.8%) with climate change, with most declining by up to 63.3%. The ant invasion hotspots are predominantly in tropical and subtropical regions of South America, Africa, Asia and Oceanic islands, and particularly correspond with biodiversity hotspots. Contrary to general expectations, climate change and biological invasions will not systematically act synergistically for ants. In addition, I found that the impacts of climate change can change over time and even reverse the trend of the impact (i.e., an increase instead of a decrease or vice versa). However, ant invasions will likely remain as a major global problem, especially where invasion hotspots coincide with biodiversity hotspots. The species distribution models have identified large potentially overlapping distributions of several invasive ants. In the future, these species may arrive simultaneously in the same regions and compete with each other. In a series of experiments, I tested behavioural differences among 7 highly invasive ant species (Anoplolepis gracilipes, Paratrechina longicornis, Myrmica rubra, Linepithema humile, Lasius neglectus, Wasmannia auropunctata and Pheidole megacephala). I discovered two different behavioural strategies among invasive ants. Interactions at the colony level, exhibited more complex demographic processes and more variability. Further, I investigated resource competition and differences in resource exploitation. I found significant differences among species, with competitive abilities that were negatively correlated with behavioural dominance. This series of experiments suggests that the ‘mechanisms’ of invasiveness are more complex than previously thought and that different invasive ant species may use different behavioural strategies. Since there are more than 250 exotic species of ants, it would be interesting to identify potential future invaders. In order to identify traits associated with invasiveness in ants, I set up a database with 2193 ant species and 24 ecological characteristics. I performed a preliminary analysis of trait differences between native and invasive ants that shows clearly different clusters of invasive and native species, with exotic species in between. These results could be used as a basis to construct a predictive model of future ant invasions. The different methods used (models, experiments, database) are complementary in that they explore different aspects of the future ant invasions which are likely to be influenced by on-going climate change. The worst invaders of tomorrow may not be the same as today and similarly, areas most at risk are likely to change.

Cette thèse propose des stratégies de gestion de l'énergie conçues pour un bus urbain électrique hybride. Le système de commande hybride devrait créer une stratégie efficace de coordination du flux d’énergie entre le moteur thermique, la batterie, les moteurs électriques et hydrauliques. Tout d'abord, une approche basée sur la programmation dynamique déterministe (DDP) a été proposée : algorithme d'optimisation simultanée de la vitesse et de la puissance pour un trajet donné (limité par la distance parcourue et le temps de parcours). Cet algorithme s’avère être gourmand en temps de calcul, il n’a pas été donc possible de l’utiliser en temps réel. Pour remédier à cet inconvénient, une base de données de profils optimaux basée sur DP (OPD-DP) a été construite pour une application en temps réel. Ensuite, une technique de programmation dynamique stochastique (SDP) a été utilisée pour générer simultanément et d’une manière optimale un profil approprié de la vitesse du Bus ainsi que sa stratégie de partage de puissance correspondante. Cette approche prend en compte à la fois la nature stochastique du comportement de conduite et les conditions de circulations urbaines (soumises à de multiples aléas). Le problème d’optimisation énergétique formulé, en tant que problème intrinsèquement multi-objectif, a été transformé en plusieurs problèmes à objectif unique avec contraintes utilisant une méthode ε-constraint afin de déterminer un ensemble de solutions optimales (le front de Pareto).En milieu urbain, en raison des conditions de circulation, des feux de circulation, un bus rencontre fréquemment des situations Stop&Go. Cela se traduit par une consommation d'énergie accrue lors notamment des démarrages. En ce sens, une stratégie de régulation de vitesse adaptative adaptée avec Stop&Go (eACCwSG) apporte un avantage indéniable. L'algorithme lisse le profil de vitesse pendant les phases d'accélération et de freinage du Bus. Une autre caractéristique importante de cet algorithme est l’aspect sécurité, étant donné que l’ACCwSG permet de maintenir une distance de sécurité afin d’éviter les collisions et d’appliquer un freinage en douceur. Comme il a été mentionné précédemment, un freinage en douceur assure le confort des passagers. / This PhD thesis proposes Energy Management Strategies conceived for a hybrid electrical urban bus. The hybrid control system should create an efficient strategy of coordinating the flow of energy between the heat engine, battery, electrical and hydraulic motors. Firstly, a Deterministic Dynamic Programming (DDP) based approach has been proposed: simultaneous speed and powersplit optimization algorithm for a given trip (constrained by the traveled distance and time limit). This algorithm turned out to be highly time consuming so it cannot be used in real-time. To overcome this drawback, an Optimal Profiles Database based on DP (OPD-DP) has been constructed for real-time application. Afterwards, a Stochastic Dynamic Programming (SDP) technique is used to simultaneously generate an optimal speed profile and related powersplit strategy. This approach takes into account a stochastic nature of the driving behavior and urban conditions. The formulated energy optimization problem, being intrinsically multi-objective problem, has been transformed into several single-objective ones with constraints using an ε-constraint method to determine a set of optimal solutions (the Pareto Front).In urban environment, due to traffic conditions, traffic lights, a bus encounters frequent Stop&Go situations. This results in increased energy consumption during the starts. In this sense, a relevant Eco Adaptive Cruise Control with Stop&Go (eACCwSG) strategy brings the undeniable benefit. The algorithm smooths speed profile during acceleration and braking phases. One more important feature of this algorithm is the safety aspect, as eACCwSG permits to maintain a safety distance in order to avoid collision and apply a smooth braking. As it was mentioned before, smooth braking ensures passengers comfort.