Cette thèse a pour objectif l’étude d’un lien effectif potentiel entre la motilité cellulaire, la mécanique cellulaire, et l’activité biochimique de ces mêmes cellules. Ce couplage a été étudié dans divers systèmes biologiques, et aussi bien dans des cultures de cellules qu’à l’intérieur de tissus plus complexes. Notamment, nous avons particulièrement cherché à détecter un couplage électromécanique dans des neurones qui pourrait être impliqué dans la propagation du message nerveux.Pour ce faire, nous avons dû développer deux microscopes optiques à la sensibilité extrême. Ces microscopes se composent de deux parties principales. La première sert à détecter des mouvements axiaux plus petits que la longueur d’onde optique, soit en dessous de 100 nanomètres. La deuxième partie permet la détection d’un signal de fluorescence, offrant la possibilité de suivre l’évolution biochimique de la cellule. Avec ces deux microscopes multimodaux, il est donc possible de suivre de manière simultanée un contraste de motilité, un contraste mécanique, un contraste structurel et un contraste biochimique. Si l’un de ces systèmes est basé sur la tomographie de cohérence optique plein champ et permet de faire de telles mesures en 3-D et en profondeur dans les tissus biologiques, le second ne permet que des mesures dans des cultures de cellules, mais est bien plus robuste au bruit mécanique. Dans ce manuscrit, nous allons essentiellement décrire le développement de ces deux appareils, et préciser les contrastes auxquels ils sont sensibles spécifiquement.Nous développerons également deux des applications principales de ces microscopes que nous avons étudié dans le détail au cours de cette thèse. La première application développe l’intérêt d’un de nos microscopes pour la détection sans marquage des principaux composants cellulaires et structuraux de la cornée et de la rétine. La seconde application tend à détecter et à suivre des ondes électromécaniques dans des neurones de mammifères / This PhD project aims to explore the relationship that might exist between the dynamic motility and mechanical behavior of different biological systems and their biochemical activity. In particular,we were interested in detecting the electromechanical coupling that may happen in active neurons, and may assist in the propagation of the action potential. With this goal in mind, we have developed two highly sensitive optical microscopes that combine one modality that detects sub-wavelength axial displacements using optical phase imaging and another modality that uses a fluorescence path. Therefore, these multimodal microscopes can combine a motility, a mechanical,a structural and a biochemical contrast at the same time. One of this system is based ona multimodal combination of full-field optical coherence tomography (FF-OCT) and allows the observation of such contrast inside thick and scattering biological tissues. The other setup provides a higher displacement sensitivity, but is limited to measurements in cell cultures. In this manuscript, we mainly discuss the development of both systems and describe the various contrastst hey can reveal. Finally, we have largely used our systems to investigate diverse functions of the eye and to look for electromechanical waves in cell cultures. The thorough description of both biological applications is also provided in the manuscript

La rétinopexie transsclérale est une technique de laser non invasive, visant à créer des ancrages de la rétine dans la choroïde, par la formation de multiples lésions de photocoagulation correspondant à des brulures focales reconnues comme cicatrices coagulatives atrophiques. Cette technique est utilisée chez l’humain, surtout chez l’enfant, en prévention d’un décollement de rétine. Malgré la procédure de laser, un re-décollement de la neurorétine est toujours possible. Cette technique est utilisée chez le chien, mais son application pourrait être utilisée sur un éventail d’espèces plus large, si un suivi des lésions de photocoagulation pouvait être effectué dans le temps afin de s’assurer de la conformité des cicatrices choriorétiniennes. La tomographie par cohérence optique (OCT), grâce à son grand pouvoir de résolution, de l’ordre de microns, pourrait être un outil efficace permettant de vérifier la structure des lésions de photocoagulation in vivo. À cet effet, notre étude a évalué la corrélation entre les coupes sagittales de lésion de photocoagulation, par histologie et OCT, en utilisant le lapin comme modèle animal. Notre étude a illustré la corrélation entre les images de photocoagulation à l’histologie et à l’OCT aux jours (J) 1, 7, 21 et 42 après le traitement laser. La diminution graduelle de la neurorétine, avec un aspect atrophique apparent dès J7, était visible dans les images d’histologie et d’OCT. L’hyperpigmentation histologique avait une claire correspondance avec l’hyper-brillance de la coupe OCT à J42. L’OCT semble être un outil précis et efficace pour le suivi d’une cicatrice choriorétinienne, effectuée au laser diode 810 nm. / Trans-scleral retinopexy is a non-invasive laser technique, aiming at anchoring the retina to the choroid, by producing multiple photocoagulation lesions corresponding to focal burns, named atrophic coagulating scars. This technique is used in humans, especially in children, to prevent retinal detachment. Despite the laser procedure, a re-detachment of the neuroretina is still possible. This technique is used mostly in dogs, but its application could be extended to other species, if a follow-up of the lesions could be carried out over time to ensure the conformity of the chorioretinal scars. Optical coherence tomography (OCT), thanks to its very high-resolution power, in the order of microns, could be an effective tool to evaluate photocoagulation lesions in vivo. For this purpose, a correlation between sagittal sections of photocoagulation lesions by histology and OCT was performed, using the rabbit as an animal model. Our study illustrated a comparison between histology and OCT photocoagulation images at days (D) 1, 7, 21 and 42 after laser treatment. The gradual decrease in neuroretinal thickness, with an atrophic appearance, was present as early as D7, and visible in both histology and OCT. The histological hyperpigmentation clearly corresponded to the hyper-brilliance of the OCT images at D42. The OCT appears to be a precise and effective tool for the follow-up over time of a chorioretinal scar, performed with an 810 nm diode laser.

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.

Les technologies d'imagerie intravasculaire c’est à dire l’échographie endo-coronaire (IVUS)et la tomographie par cohérence optique (IV-OCT) sont des outils précieux pour aider audiagnostic de la plaque d’athérosclérose et guider les gestes thérapeutiques.Le chapitre 1 présente les inconvénients de la coronarographie dans la pratique clinique.Dans plusieurs circonstances, l’IVUS et l’OCT ont clairement une valeur supplémentaire quandils sont utilisés comme un outil diagnostique en cas d'ambiguïtés angiographiques. Nousavons récemment rapporté la première observation utilisant l’OCT pour décrire une dissectioncoronaire d'une branche septale perforante responsable d’un infarctus du myocarde.Le chapitre 2 porte sur la reproductibilité de I’OCT entre différents instituts concernant denombreux paramètres qualitatifs et quantitatifs de la plaque d'athérome. Le but de notre étudeétait d'étudier en plus de la reproductibilité inter- et intra-observateur, la variabilité inter-institutsde I’OCT concernant les mesures quantitatives et qualitatives et de la comparer à celle del’IVUS. Dans ce travail, nous avons observé que, dans la mesure de la surface de la lumièreendocoronaire, des diamètres minimum et maximum de cette même lumière endocoronaire,de la surface endo-luminale du stent, des diamètres minimum et maximum endo-luminaux dustent, par des analystes provenant de 2 laboratoires différents, la reproductibilité inter-institutsde I’OCT était nettement supérieure à celle de l’IVUS. Le Chapitre 3 présente 2 nouvelles technologies robustes d'imagerie intravasculaire hybridesdéveloppées dans le laboratoire du Professeur Guillermo J. Tearney: l’OCT couplée à laspectroscopie dans le proche infra-rouge (OFDI-NIRS) et l’OCT couplée à l’autofluorescencedans le proche infra-rouge (OFDI-NIRAF). Les premières procédures d’OFDI-NIRS chezl’homme sont prévues dans un avenir proche. Les premières procédures chez l’homme ontété réalisées chez 12 patients porteurs d’un angor stable entre Juillet 2014 et Janvier 2015.Les résultats de cette étude pilote ont montré que le signal d’autofluorescence recueilli(NIRAF) a été focalement trés élevé dans des endroits de la plaque d’athérome où la plupartdes phénotypes morphologiques en OCT d’une plaque à haut risque de rupture étaientévidents. Les substrats biochimiques de ce signal d’autofluorescence (NIRAF) sont encore àélucider. / Intravascular imaging technologies i.e. IVUS and IV-OCT are valuable tools for interventionguidance and diagnostic plaque imaging.Chapter 1 introduces the drawbacks of coronary angiography in the clinical practice. In severalcircumstances, IVUS and IV-OCT have clearly an additional value when they are used as adiagnosis tool in case of angiographic ambiguities. We recently reported the first observationusing IV-OCT to describe a coronary dissection of a septal perforating branch causing AMI.Chapter 2 focuses on the inter-institute reliability of IV-OCT to determine qualitative andquantitative parameters of atherosclerotic plaque. The purpose of our study was to investigatefurther inter- and intra-observer reproducibility, the inter-institute variability for IV-OCT (OFDI)quantitative and qualitative measurements vs. IVUS measurements using publishedconsensus document definitions. In our work, we observed that in the measurement of lumenCSA, maximum and minimum lumen diameters, stent CSA, maximum and minimum stentdiameters by analysts from 2 different laboratories, inter-institute reproducibility of OFDI wasfound to be more consistent than IVUS.Chapter 3 present 2 new robust hybrid intravascular imaging technologies developed in Dr.Tearney’s laboratory i.e. OFDI-NIRS and OFDI-NIRAF, which may offer supplementary criteriafor plaque vulnerability. First-in-human OFDI-NIRS imaging procedures are anticipated in thenear future. First-in-human OFDI-NIRAF imaging procedures have been performed in a firstpioneering series of 12 stable patients between July 2014 and January 2015. Findings of thispilot study showed that NIRAF was focally elevated in plaque locations where most high-riskmorphologic phenotypes were evident. The biochemical substrates of the NIRAF signal stillhave to be elucidated.

Ce manuscrit de thèse de doctorat présente la conception et la réalisation d’un système d’imageriepour le diagnostic précoce des pathologies de la peau. Un diagnostic précoce permet de réduire lesactes chirurgicaux inutiles. Il est important de mettre en avant que seulement 20% des pathologiesfaisant office d’une opération chirurgicale, sont malignes. De plus, les pronostics de l’année 2015avançaient trois millions de nouveaux cas de cancer de la peau diagnostiqués aux ´ Etats-Unis. Basésur la tomographie par cohérence optique à balayage en longueur d’onde et une configuration pleinchamp et multi-canaux, le système d’imagerie médicale est capable d’imager en volume les couchesinternes de la peau et donc de fournir un diagnostic médical pour le professionnel de santé. Pourune fabrication en série du système portatif, les composants optiques sont micro-fabriqués sur dessubstrats et assemblés verticalement. Ces micro-composants optiques requièrent une caractérisationspécifique. Pour cela, deux systèmes ont ainsi été développés pour estimer leurs performancesoptiques. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Européen VIAMOS (Vertically IntegratedArray-type Mirau-based OCT System). / The manuscript concerns the optical design and the development of a non-invasive new imagingsystem for the early diagnosis of skin pathologies. Indeed, an early diagnosis can make the differencebetween malignant and benign skin lesion in order to minimize unnecessary surgical procedure.Furthermore, prognosis for the year 2015 was that more than three millions new skin cancer caseswill be diagnosed in the United States. Based on the swept source optical coherence tomographytechnique in full-field and multiple channels configuration, the imaging system is able to perform avolumetric image of the subsurface of the skin, and thus can help in taking a better medical decision.Furthermore, for a batch-fabrication of the hand-held device, micro-optical components were made atwafer-level and vertically assembled using multi-wafer bonding. This miniaturized system requiresspecific characterization. Thus, two systems were also developed for imaging quality evaluation ofmicro-optical elements. This work has been supported by the VIAMOS (Vertically Integrated ArraytypeMirau-based OCT System) European project.

Le glaucome est la première cause de cécité irréversible dans le monde. Bien que sa pathogenèse demeure encore nébuleuse, les propriétés biomécaniques de l’oeil sembleraient jouer un rôle important dans le développement et la progression de cette maladie. Il est stipulé que la rigidité oculaire (RO) est altérée au travers les divers stades de la maladie et qu’elle serait le facteur le plus influent sur la réponse du nerf optique aux variations de la pression intraoculaire (PIO) au sein du glaucome. Pour permettre l’investigation du rôle de la RO dans le glaucome primaire à angle ouvert (GPAO), la capacité de quantifier la RO in vivo par l’entremise d’une méthode fiable et non-invasive est essentielle. Une telle méthode n’est disponible que depuis 2015. Basée sur l'équation de Friedenwald, cette approche combine l'imagerie par tomographie par cohérence optique (TCO) et la segmentation choroïdienne automatisée afin de mesurer le changement de volume choroïdien pulsatile (ΔV), ainsi que la tonométrie dynamique de contour Pascal pour mesurer le changement de pression pulsatile correspondant. L’objectif de cette thèse est d’évaluer la validité de cette méthode, et d’en faire usage afin d’investiguer le rôle de la RO dans les maladies oculaires, particulièrement le GPAO. Plus spécifiquement, cette thèse vise à : 1) améliorer la méthode proposée et évaluer sa validité ainsi que sa répétabilité, 2) investiguer l’association entre la RO et le dommage neuro-rétinien chez les patients glaucomateux, et ceux atteints d’un syndrome de vasospasticité, 3) évaluer l’association entre la RO et les paramètres biomécaniques de la cornée, 4) évaluer l’association entre la RO et les pics de PIO survenant suite aux thérapies par injections intravitréennes (IIV), afin de les prédire et de les prévenir chez les patients à haut risque, et 5) confirmer que la RO est réduite dans les yeux myopes. D’abord, nous avons amélioré le modèle mathématique de l’oeil utilisé pour dériver ΔV en le rendant plus précis anatomiquement et en tenant compte de la choroïde périphérique. Nous avons démontré la validité et la bonne répétabilité de cette méthodologie. Puis, nous avons effectué la mesure des coefficients de RO sur un large éventail de sujets sains et glaucomateux en utilisant notre méthode non-invasive, et avons démontré, pour la première fois, qu'une RO basse est corrélée aux dommages glaucomateux. Les corrélations observées étaient comparables à celles obtenues avec des facteurs de risque reconnus tels que la PIO maximale. Une forte corrélation entre la RO et les dommages neuro-rétiniens a été observée chez les patients vasospastiques, mais pas chez ceux atteints d'une maladie vasculaire ischémique. Cela pourrait potentiellement indiquer une plus grande susceptibilité au glaucome due à la biomécanique oculaire chez les patients vasospastiques. Bien que les paramètres biomécaniques cornéens aient été largement adoptés dans la pratique clinique en tant que substitut pour la RO, propriété biomécanique globale de l'oeil, nous avons démontré une association limitée entre la RO et ces paramètres, offrant une nouvelle perspective sur la relation entre les propriétés biomécaniques cornéennes et globales de l’oeil. Seule une faible corrélation entre le facteur de résistance cornéenne et la RO demeure après ajustement pour les facteurs de confusion dans le groupe des patients glaucomateux. Ensuite, nous avons présenté un modèle pour prédire l'amplitude des pics de PIO après IIV à partir de la mesure non-invasive de la RO. Ceci est particulièrement utile pour les patients à haut risque atteints de maladies rétiniennes exsudatives et de glaucome qui nécessiteraient des IIV thérapeutiques, et pourrait permettre aux cliniciens d'ajuster ou de personnaliser le traitement pour éviter toute perte de vision additionnelle. Enfin, nous avons étudié les différences de RO entre les yeux myopes et les non-myopes en utilisant cette technique, et avons démontré une RO inférieure dans la myopie axiale, facteur de risque du GPAO. Dans l'ensemble, ces résultats contribuent à l’avancement des connaissances sur la physiopathologie du GPAO. Le développement de notre méthode permettra non seulement de mieux explorer le rôle de la RO dans les maladies oculaires, mais contribuera également à élucider les mécanismes et développer de nouveaux traitements ciblant la RO pour contrer la déficience visuelle liée à ces maladies. / Glaucoma is the leading cause of irreversible blindness worldwide. While its pathogenesis is yet to be fully understood, the biomechanical properties of the eye are thought to be involved in the development and progression of this disease. Ocular rigidity (OR) is thought to be altered through disease processes and has been suggested to be the most influential factor on the optic nerve head’s response to variations in intraocular pressure (IOP) in glaucoma. To further investigate the role of OR in open-angle glaucoma (OAG) and other ocular diseases such as myopia, the ability to quantify OR in living human eyes using a reliable and non-invasive method is essential. Such a method has only become available in 2015. Based on the Friedenwald equation, the method uses time-lapse optical coherence tomography (OCT) imaging and automated choroidal segmentation to measure the pulsatile choroidal volume change (ΔV), and Pascal dynamic contour tonometry to measure the corresponding pulsatile pressure change. The purpose of this thesis work was to assess the validity of the methodology, then use it to investigate the role of OR in ocular diseases, particularly in OAG. More specifically, the objectives were: 1) To improve the extrapolation of ΔV and evaluate the method’s validity and repeatability, 2) To investigate the association between OR and neuro-retinal damage in glaucomatous patients, as well as those with concomitant vasospasticity, 3) To evaluate the association between OR and corneal biomechanical parameters, 4) To assess the association between OR and IOP spikes following therapeutic intravitreal injections (IVIs), to predict and prevent them in high-risk patients, and 5) To confirm that OR is lower in myopia. First, we improved the mathematical model of the eye used to derive ΔV by rendering it more anatomically accurate and accounting for the peripheral choroid. We also confirmed the validity and good repeatability of the method. We carried out the measurement of OR coefficients on a wide range of healthy and glaucomatous subjects using this non-invasive method, and were able to show, for the first time, that lower OR is correlated with more glaucomatous damage. The correlations observed were comparable to those obtained with recognized risk factors such as maximum IOP. A strong correlation between OR and neuro-retinal damage was found in patients with concurrent vasospastic syndrome, but not in those with ischemic vascular disease. This could perhaps indicate a greater susceptibility to glaucoma due to ocular biomechanics in vasospastic patients. While corneal biomechanical parameters have been widely adopted in clinical practice as surrogate measurements for the eye’s overall biomechanical properties represented by OR, we have shown a limited association between these parameters, bringing new insight unto the relationship between corneal and global biomechanical properties. Only a weak correlation between the corneal resistance factor and OR remained in glaucomatous eyes after adjusting for confounding factors. In addition, we presented a model to predict the magnitude of IOP spikes following IVIs from the non-invasive measurement of OR. This is particularly useful for high-risk patients with exudative retinal diseases and glaucoma that require therapeutic IVIs, and could provide the clinician an opportunity to adjust or customize treatment to prevent further vision loss. Finally, we investigated OR differences between non-myopic and myopic eyes using this technique, and demonstrated lower OR in axial myopia, a risk factor for OAG. Overall, these findings provide new insights unto the pathophysiology of glaucomatous optic neuropathy. The development of our method will permit further investigation of the role of OR in ocular diseases, contributing to elucidate mechanisms and provide novel management options to counter vision impairment caused by these diseases.

La sclérose en plaques est une maladie dégénérative qui peut affecter la vision ainsi que différentes structures du système visuel afférent. La partie de l'oeil plus souvent affectée par la sclérose en plaques est le nerf optique, sous forme de névrite optique. Une technologie, nommée TCO (tomographie par cohérence optique), permet de prendre une image du nerf optique et de ses fibres nerveuses qui s'étendent sur la rétine. Dans cette thèse, la TCO a permis d’obtenir une épaisseur des fibres nerveuses autour du nerf optique, ainsi qu’une épaisseur totale de la macula et de la couche de cellules ganglionnaires chez les patients atteints de sclérose en plaques, avec et sans histoire de nérite optique, et chez un groupe de patients contrôle. Les résultats démontrent que seule l’épaisseur de la couche de cellules ganglionnaires permet de différentier les patients avec sclérose en plaques sans histoire de névrite optique des patients contrôle. Une deuxième étude a évalué la qualité visuelle en mesurant la sensibilité aux contrastes ainsi que la qualité de vie reliée à la vision avec un questionnaire de qualité de vie. Les résultats démontrent qu’une nouvelle charte de sensibilité aux contrastes, plus facile à administrer en clinique, permet aussi de différentier les patients sans névrite optique du groupe contrôle. De plus, la qualité de vie des patients ayant eu un épisode de névrite optique semble significativement affectée, même si le pronostic est considéré très favorable et que l’acuité visuelle est « bonne » suite à une névrite optique. En conclusion, l’utilisation de l’OCT en plus de mesures sensibles de fonction visuelle, telle la sensibilité aux contrastes, et de qualité de vié peuvent contribuer à mieux détecter des dysfonctions oculo-visuelles subtiles, mais importantes chez les patients atteints de sclérose en plaques. / Multiple sclerosis (MS) is the most common neurological condition causing disability in working-age adults. The hallmark of MS related disability is axonal loss. Through new technologies, such as optical coherence tomography (OCT), the retinal nerve fibre layer (RNFL), composed of ganglion cell axons, can be visualized and studied non-invasively in cross-section. Furthermore, recent OCT advances allow precise retinal layer segmentation and macular imaging of the ganglion cell layer. In this thesis, these different OCT parameters were measured to see which layers would be most affected in MS patients without previous optic neuritis. Results show that macular ganglion cell layer thickness is the only OCT parameter that can differentiate this sub-group of patients from healthy controls. Visual function was then assessed using a newly available, easy to use contrast sensitivity chart that can be self-administered by patients. Results show that this chart is also capable of differentiating MS patients without optic neuritis from controls, but usually gives better contrast sensitivity scores than the Mars chart. Lastly, vision-specific quality of life was assessed and proved to be reduced in MS patients with prior optic neuritis, despite supposed favorable recovery and good visual acuity in patients with this diagnosis. In sum, the use of OCT imaging, as well as sensitive visual function and quality of life measures, could help detect subtle, yet important structural or functional visual changes in patients with MS. This could ultimately help better screen, manage and counsel this subset of patients.

Les centres de données deviennent de plus en plus importants, allant de petites fermes de serveurs distribuées à des grandes fermes dédiées à des tâches spécifiques. La diffusion de services "dans le nuage" conduit à une augmentation incessante de la demande de trafic dans les centres de données. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution des réseaux dans les centres de données et proposons des solutions à court et à long terme pour leur intra-connexion physique. Aujourd'hui, la croissance de la demande de trafic met en lumière la nécessité urgente d’interfaces à grande vitesse capables de faire face à la bande passante exigeant de nouvelles applications. Ainsi, à court terme, nous proposons de nouveaux transpondeurs optiques à haut débit, mais à faible coût, permettant la transmission de 200 Gb /s utilisant des schémas de modulation en intensité et à détection directe. Plusieurs types de modulations d’impulsions en amplitude avancées sont explorés, tout en augmentant la vitesse à des débits symboles allant jusqu’à 100 GBd. La génération électrique à haute vitesse est réalisé grâce à un nouveau convertisseur analogique-numérique intégré, capable de doubler les vitesses des entrées et de générer des signaux à plusieurs niveaux d’amplitude. Cependant, le trafic continuera sa croissance. Les centres de données actuels reposent sur plusieurs niveaux de commutateurs électroniques pour construire un réseau d'interconnexion capable de supporter une telle grande quantité de trafic. Dans une telle architecture, la croissance du trafic est directement liée à une augmentation du nombre des composants du réseau, y-compris les commutateurs avec plus de ports, les interfaces et les câbles. Le coût et la consommation d'énergie qui peut être attendus à l'avenir est intenable, ce qui appelle à une réévaluation du réseau. Par conséquent, nous présentons ensuite un nouveau concept fondé sur la commutation de "slots" optiques (Burst Optical Slot Switching, i.e. BOSS) dans lequel les serveurs sont connectés via des nœuds BOSS à travers des anneaux de fibres multiplexé en longueur d'onde et en temps, et organisés dans une topologie en tore. Au cours de cette thèse, nous étudions la mise en œuvre des nœuds BOSS; en particulier, la matrice de commutation et les transpondeurs optiques. L'élément principal au sein de la matrice de commutation est le bloqueur de slots, qui est capable d'effacer n’importe quel paquet (slot) sur n’importe quelle longueur d'onde en quelques nanosecondes seulement. D'une part, nous explorons l'utilisation d'amplificateurs optiques à semi-conducteurs comme portes optiques à utiliser dans le bloqueur des slots, et étudier leur cascade. D'autre part, nous développons un bloqueur de slots intégré monolithiquement capable de gérer jusqu'à seize longueurs d'onde avec la diversité de polarisation. Ensuite, nous présentons plusieurs architectures de transpondeur et nous étudions leur performance. La signalisation des transpondeurs doit répondre à deux exigences principales: le fonctionnement en mode paquet et la résistance au filtrage serré. D'abord, nous utilisons des transpondeurs élastiques qui utilisent des modulations Nyquist N-QAM, et qui adaptent le format de modulation en fonction du nombre de nœuds à traverser. Ensuite, nous proposons l'utilisation du multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence en cohérence optique (CO-OFDM). Avec une structure de paquet inhérente et leur grande adaptabilité fréquentielle, nous démontrons que les transpondeurs CO-OFDM offrent une capacité plus élevée et une meilleure portée que leurs homologues Nyquist. Finalement, nous comparons notre solution BOSS avec la topologie Clos replié utilisée aujourd'hui. Nous montrons que notre architecture BOSS nécessite 400 fois moins de transpondeurs et de câbles que les réseaux de commutation électronique d'aujourd'hui, ce qui ouvre la voie à des centres de données hautement évolutifs et durables / Data centers are becoming increasingly important and ubiquitous, ranging from large server farms dedicated to various tasks such as data processing, computing, data storage or the combination thereof, to small distributed server farms. The spread of cloud services is driving a relentless increase of traffic demand in datacenters, which is doubling every 12 to 15 months. Along this thesis we study the evolution of data center networks and present short- and long-term solutions for their physical intra-connection. Today, rapidly-growing traffic in data centers spotlights the urgent need for high-speed low-cost interfaces capable to cope with hungry-bandwidth demanding new applications. Thereby, in the short-term we propose novel high-datarate low-cost optical transceivers enabling up to 200 Gb/s transmission using intensity-modulation and direct-detection schemes. Several advanced pulse amplitude modulation schemes are explored while increasing speeds towards record symbol-rates, as high as 100 GBd. High-speed electrical signaling is enabled by an integrated selector-power digital-to- analog converter, capable of doubling input baud-rates while outputting advance multi-level pulse amplitude modulations. Notwithstanding, data centers’ global traffic will continue increasing incessantly. Current datacenters rely on high-radix all-electronic Ethernet switches to build an interconnecting network capable to pave with such vast amount of traffic. In such architecture, traffic growth directly relates to an increase of networking components, including switches with higher port-count, interfaces and cables. Unsustainable cost and energy consumption that can be expected in the future calls for a network reassessment. Therefore, we subsequently present a novel concept for intra-datacenter networks called burst optical slot switching (BOSS); in which servers are connected via BOSS nodes through wavelength- and time-division multiplexed fiber rings organized in a Torus topology. Along this thesis we investigate on the implementation of BOSS nodes; in particular, the switching fabric and the optical transceivers. The main element within the switching fabric is the slot blocker, which is capable of erasing any packet of any wavelength in a nanosecond time-scale. On the one hand, we explore the use of semiconductor optical amplifiers as means of gating element to be used within the slot blocker and study their cascadability. On the other hand we develop a monolithically integrated slot blocker capable of handling up to sixteen wavelength channels with dual-polarization diversity. Then we present several transceiver architectures and study their performances. Transceivers’ signaling needs to fulfill two main requirements: packet-mode operation, i.e. being capable of recovering few microsecond –long bursts; and resiliency to tight filtering, which occurs when cascading many nodes (e.g. up to 100). First we build packet-mode Nyquist-pulse-shaped N-QAM transceivers, which adapt the modulation format as a function of the number of nodes to traverse. Later we propose the use of coherent-optical orthogonal frequency division multiplexing (CO-OFDM). With inherent packet structure and high spectral tailoring capabilities, we demonstrate that CO-OFDM-based transceivers offer higher capacity and enhanced reach than its Nyquist counterpart. Finally, we compare our BOSS solution to today’s Folded Clos topology, and show that our BOSS architecture requires x400 fewer transponders and cables than today’s electronic switching networks, which paves the way to highly scalable and sustainable datacenters