Les chromophores classiques ne sont pas toujours efficaces en absorption à deux photons. Leur faible efficacité nécessite l'utilisation de fortes puissances laser et de grandes concentrations en colorants. Dans ce sens, la microscopie à deux photons in vivo requière le développement de nouvelles stratégies de marquage utilisant des chromophores spécialement dédiés à la microscopie à deux photons. Dans le cadre de collaborations avec des chimistes spécialisés dans la synthèse de molécules à forte section efficace d'absorption à deux photons, différents chromophores ont été synthétisés. Ces molécules organiques sont souvent hydrophobes et ne sont pas utilisables directement pour les applications en biologie. Le travail effectuer ici a consisté à encapsuler ces molécules dans des micelles de copolymères biocompatibles, les Pluronic. Les Pluronic sont des matériaux pouvant s'auto assembler en milieu aqueux sous forme de micelles et permettent de solubiliser des composés hydrophobes. Cette stratégie est déjà utilisé pour permettre de transporter différents composés hydrophobes dans les organismes vivants et a été utilisée ici pour transporter des chromophores ultrasensibles à deux photons dans le sang de manière à imager la vascularisation in vivo.

Etude th'eorique de l'interaction entre un atome à deux ou trois électrons actifs et un champ laser de fort éclairement (10^13 à 10^15 W.cm−2) et de durée d'impulsion ultra-brève (femto à attoseconde) dans le domaine spectral XUV. Notre approche est basée sur la résolution de l' équation de Schrödinger dépendante du temps (ESDT). Nous utilisons une méthode spec- trale pour résoudre l'ESDT avec des fonctions d'onde construites sur des B- splines. Nous étudions particulièrement la double ionisation à deux photons (TPDI) de l'hélium dans l'état fondamental ainsi que dans l' état excité 1s2s. Plusieurs modèles sont d'eveloppés pour traiter le cas des impulsions ultra- brèves. Enfin nous abordons la TPDI du Lithium, système à trois électrons actifs. Nous comparons la double ionisation à deux photons dans le régime séquentiel pour Li et He(1s2s) ; le régime direct est également abordé

Nous présentons une approche théorique fondée sur des états de « Coulomb-Volkov » bien adaptée à l'étude des processus multiphotoniques atomiques induits par un laser XUV femtoseconde intense. Elle prédit les spectres d'ionisation de l'hydrogène quand l'impulsion incidente reste en conditions de perturbation. Trois voies sont explorées dans ce manuscrit. L'extension à des champs intenses quand ħω > Ip : il est nécessaire de prendre en compte la population de l'état initial de l'hydrogène, en l'introduisant dans une amplitude Coulomb-Volkov standard, on décrit l'ionisation multiphotonique quasi-saturée. L'extension aux transitions multiphotoniques avec ħω < Ip : de nouveaux chemins quantiques sont ouverts par l'excitation des états liés de l'hydrogène. Une approche Coulomb-Volkov de l'excitation multiphotonique de ces états est développée. L'extension à l'hélium: l'étude de la double ionisation directe à deux photons permet d'exhiber l'influence des corrélations électroniques dans l'état initial et dans l'état final. De nombreuses informations, comme les distributions angulaires et énergétiques mais aussi les sections efficaces sont accessibles.

Le rat possède un ensemble de longues vibrisses qu'il peut bouger activement, ce qui lui permet d'explorer l'espace, de localiser les objets et de discriminer des textures. L'information sensorielle provenant des récepteurs périphériques des follicules où s'insèrent les vibrisses atteint, via des relais mésencéphaliques et thalamiques, des modules discrets, appelés " tonneaux ", de la couche IV du cortex somato-sensoriel primaire, puis se propage entre autre à la couche II/III du cortex somato-sensoriel primaire. Dans cette couche, des connexions horizontales permettent l'intégration d'informations provenant de plusieurs vibrisses différentes. Mon travail de thèse s'articule autour de la question de l'intégration multi-vibrissale dans le cortex somato-sensoriel chez le rat et est abordé grâce à la microscopie à deux photons in vivo. Il est partagé principalement en deux chapitres, le premier traitant de l'ensemble des développements optiques en microscopie à deux photons réalisés pour optimiser des enregistrements in vivo de l'activité neuronale, l'autre abordant la question de l'intégration multi-vibrissale au moyen de cette technique. J'ai donc développé un montage de microscopie à deux photons original capable d'enregistrer l'activité neuronale en couche II/III du cortex tout en donnant accès à l'architecture des réseaux enregistrés. Ce microscope permet de détecter à haute cadence des signaux calciques individuels tout en nécessitant une puissance modérée du laser d'excitation, ce qui limite la photo toxicité et le photo blanchiment. J'ai par ailleurs identifié quantitativement les différentes sources de bruits lors des enregistrements in vivo et mis en œuvre des solutions ad hoc (système de contention, algorithme de recalage des images...) pour réduire ou corriger ces bruits afin de n'être plus limité que par le bruit de photon. Enfin, j'ai estimé la qualité des enregistrements des cellules individuelles en excluant tout risque de contamination violente par des signaux collectifs tels que ceux provenant du neuropil. A l'aide de ce microscope, j'ai montré qu'il existe en couches II/III une ségrégation cellulaire selon un comportement globale ou local et que cette ségrégation s'articule au-dessus de l'organisation des tonneaux en couche IV, les cellules globales présentant une densité plus forte au-dessus des septa tandis que les cellules locales sont plus représentées au-dessus des tonneaux. Par ailleurs, au sein de la couche II/III du cortex j'ai mis en évidence l'absence de corrélation forte entre les sélectivités à la phase (dans l'espace 2D des stimuli optimaux mono-vibrisses) et à la direction (dans l'espace 2D physique) et posé les bases d'une étude de l'organisation spatiale de ces différentes sélectivités avec l'ébauche d'une cartographie fonctionnelle.

Depuis deux décennies, la modernisation des techniques d’imagerie de fluorescence a permis decomprendre et d’étudier de nombreux processus biologiques. Ce formidable essor a néanmoins étéralenti par les faibles performances des sondes fluorescentes disponibles pour ce type d’imagerie. Cemanque d’objets luminescents a motivé des recherches intenses dans le but d’optimiser les sondesmoléculaires fluorescentes déjà existantes afin de leur permettre d’être plus fluorescentes, mais aussiplus stables. En parallèle à ces optimisations, l’avancée des nanotechnologies à permis de développerde nouveaux outils pour l’imagerie biologique. Du fait de leurs propriétés optiques, de leur excellentephotostabilité, ainsi que la possibilité de fonctionnaliser leur surface, les nanoparticules semiconductrices(QDs) ont connu un succès phénoménal dans les domaines de l’imagerie. Au fur et àmesure de leur utilisation, de nombreuses questions partiellement élucidées sur la toxicité des QDs ontémergé. Dans le but de proposer une alternative aux QDs, de nombreux groupes de recherche onttravaillé sur la préparation de nanoparticules (ONPs) à base de molécules organiques, ce qui a mis finà l’hégémonie des QDs en imagerie biologique. Parmi ces ONPs, les nanoparticules fluorescentes àbase de molécules organiques (FONs) se sont imposées comme des candidats sérieux pour sonder levivant. Dans cette optique, nous développons de nouveaux chromophores qui, par un designmoléculaire adapté, peuvent former des FONs avec des brillances à un et deux photons comparables àcelle des QDs tout en étant biocompatibles. / Since decades, bioimaging technics increased a lot, thus leading to a better understanding of biologicalprocesses. However, the fluorescence imaging was limited due to the low photostability and brightnessof available organic dyes. In order to improve the lack of photostability and brightness of thecommercially available dyes, lots of effort was done by organic chemists. In the mean time with theincoming of nanotechnologies, new tools such as the semi-conductors QDs raised as promisingluminescent probes for bioimaging. Due to their intrinsic properties, QDs are bright and photostablenano-objects, furthermore, the labeling of the surface of the QDs is of interest for targeting (such asthe detection of cancer cells). Despite their popularity, with time, issues about the clearance and thetoxicity of the QDs have been adressed and are still not fully solved. So the development of safer andbiocompatible tools for bioimaging emerged as evidence for scientists. In that context, the use ofnanoparticles made of organic materials gain in interest and particularly the fluorescent organicnanoparticles (FONs). We aimed to propose biocompatible and safer alternative to QDs, so wedeveloped new nanotools, based on the self aggregation of propeller-shaped fluorophores as FONs.Because of the specific design of the chromophores, these FONs have large one and two-photonbrightness combine with good photostability. These features made these FONs promising tools foreither one-photon and two-photon fluorescence imaging in cells and in vivo.

La photolibération d'agents biologiques cagés par des groupements protecteurs photolabiles (PPGs) a récemment attiré un intérêt croissant en thérapie et physiologie. La combinaison de cet outil avec les avantages de l'absorption à deux photons (2PA) dans le proche IR est cependant un défi. Dans ces travaux, nous présentons deux voies différentes vers de nouveaux décageurs efficaces en 2PA.Nous élaborons d’abord une série de systèmes tandem basés sur le FRET, combinant des antennes quadrupolaires 2PA avec des modules PPGs appropriés. La modification des blocs constitutifs de ces composés nous a permis de moduler les paramètres clés tels que les propriétés photophysiques, l'efficacité de FRET et la cinétique de photolibération. Les systèmes synergiques à base de coumarines, dans lesquels la paire donneur-accepteur est la plus adaptée, ont finalement conduit à des valeurs de δu record pour la libération d’acides carboxyliques.La problématique critique de solubilité en milieu biologique a ensuite été étudiée en incorporant des motifs hydrosolubilisants dans nos systèmes coopératifs. De nouveaux outils hydrophiles et amphiphiles, adaptés respectivement à la délivrance de neurotransmetteurs et la thérapie anticancéreuse, ont ainsi été développés à partir de nos systèmes tandem.Enfin, pour mieux comprendre les relations structure-propriétés dans les PPGs de la famille des coumarines, nous avons synthétisé une série de cages DEAC π-étendues portant différents groupements électroattracteurs, et évalué leur efficacité pour la libération de glycine. Cette étude nous a permis de faire un pas vers la rationalisation du rendement quantique de photolibération chez les PPGs de ce type. / Photolabile protecting groups (PPGs) have attracted growing interests in many fields of chemistry and biology. Light-induced release of biological agents, commonly known as “uncaging”, has thus emerged as an interesting process for drug delivery or investigation of biological phenomena. Combining this tool with the intrinsic advantages of two-photon (2P) excitation (2PE) in the NIR is however a challenge. In this work, we use different engineering routes towards new efficient 2P uncagers.First we demonstrate that combining quadrupolar 2P light harvesting antennas with suitable uncaging subunits leads to efficient release of active molecules upon 2PE. In these FRET-based systems, gradual adjustments of the constitutive building blocks allowed us to tune key parameters such as photophysical properties, FRET efficiency, and kinetics of photorelease. In particular, coumarin-based tandem systems, in which absorption and emission of the donor-acceptor pair best match, eventually led to record δu values for uncaging of carboxylic acids.We then assessed the critical water-solubility issue by introducing hydrophilic units onto our cooperative PPGs. New hydrophilic and amphiphilic systems, suited for controlled release of neurotransmitters or anti-cancer agents, were designed from our multi-chromophoric systems.Finally, in our effort towards better understanding of the structure-properties relationships in coumarin PPGs, we synthesized a small library of π-extended DEAC cages bearing strong electron-withdrawing moieties, and assessed their efficacy for 2P uncaging of glycine. With this study, a step was made towards rationalization of the uncaging quantum yield in coumarin cages.

Cette thèse porte sur l'étude des propriétés dynamiques et non linéaires des dans les semi-conducteurs Ill-V et leur utilisation pour le traitement optique dans les réseaux de télécommunication haut débit. Elle est décomposée en deux axes majeurs. Le premier est lié à l'utilisation couplée des transitions inter-bandes (18) et inter-sousbandes (188). Les différences entre ces deux types de transitions, en termes de dynamique et de sensibilité à la polarisation, font des composants 18/188 de bons candidats pour la réalisation de fonctions de traitement avancées. Dans cette optique nous avons réalisé et caractérisé un nouveau composant à puits quantiques lnGaAs/AIAs8b sur substrat lnP insérés dans une jonction pn. Les premiers résultats obtenus indiquent un comportement de diode mais révèlent que la zone de charge espace est décalée lié à un probable dopage effectif non intentionnel de I'AIAs8b. La mesure du photocourant en fonction de la polarisation électrique révèle un transport via un effet Poole-Frenkel et montre l'efficacité des barrières de potentiel AIAs8b. Ces résultats nous permettent d'envisager aussi bien des applications purement optiques (modulation de phase ou d'intensité croisées ...) qu'optoélectroniques (photo détection à deux photons). Le deuxième axe consiste à l'étude et la réalisation d'un montage permettant une caractérisation poussée de la dynamique phase/amplitude et de la réponse non linéaire de tels composants. L'approche choisie est celle d'une mesure pompe sonde employant un circuit optique analogue à un interféromètre de 8agnac offrant à la fois une grand stabilité mécanique pour une précision de mesure élevée et la possibilité d'utiliser la polarimétrie afin d'extraire les variations de gain et d'indice pour une étude plus complète des propriétés du matériau. L'utilisation d'une source laser sub-picoseconde nous permet de résoudre les phénomènes aux temps courts. Une première démonstration de la mesure de variation phase-amplitude sur un absorbeur simple (multipuits lnGaAs/lnP) autour de 1.5microns est présentée. / This PhD thesis presents the study of some dynamics and nonlinear properties of III-V semiconductors and their use for optical processing in high-speed telecommunication networks. lt is decomposed into two major axes. The first is related to the coupled use of inter-band (18) and inter-subband (IS8) transitions. The differences between these two types of transitions, in terms of dynamics and sensitivity to polarization, make 18 I IS8 components good candidates for advanced processing functions. In this context, we have realized and characterized a new device based on lnGaAs I AIAsSb quantum wells on lnP substrate inserted in a pn junction. The first results obtained indicate a behaviour of diode but reveal that the space charge region is shifted. This is linked to a probable unintentional doping of AIAsSb. The measurement of the photocurrent according to the electrical polarization reveals a transport via a PooleFrenkel effect and shows the effectiveness of the AIAsSb potential barriers. These results allow us to consider both purely optical applications (phase modulation or cross intensity ... ) and optoelectronic applications (photo-detection with two photons). The second axis consists in the study and the realization of an advanced characterization tool to measure the phase/amplitude dynamics and the non-linear responses of such components. We have used a pump-probe measurement set-up employing an optical configuration similar to a Sagnac interferometer. lt offers both a great mechanical stability for high measurement accuracy and the possibility of using polarimetric properties in order to extract variations of the optical index (gain and refractive index) for a more complete study of the properties of the material. The use of a sub-picosecond laser source allows us to solve phenomena at short times. A first demonstration of the phaseamplitude variation measurement on a single absorber (lnGaAs / lnP multiwells) around 1.5microns is presented.

Les groupements protecteurs photolabiles sont utilisés pour de nombreuses applications, notamment en neuroscience pour la libération de neurotransmetteurs avec un contrôle spatio-temporel très fin. La démocratisation des lasers pulsés infrarouges a permis la mise au point de nouveaux composés sensibles à l’excitation à deux photons, de plus en plus efficace. Cependant, l’ingénierie moléculaire des cages n’est pas la seule méthode qui peut être utilisée pour améliorer l’efficacité des de ces composés. Mon travail de thèse a ainsi abordé cette problématique sous l’angle de la nanostructuration de groupements protecteurs photolabiles sensibles à l’excitation à deux photons. Nous avons débuté cette étude avec des composés de petite taille (dimère et tétramère) basés sur des groupements photosensible type ortho-nitrophénéthyle. Nous avons ensuite fonctionnalisé des dendrimères de type polyamidoamine, cependant les propriétés photophysiques et photochimiques de ces nouveaux composés suggèrent que des interactions intramoléculaires perturbent l’efficacité de la réaction de photolibération. Des dendrimères partiellement fonctionnalisés ont ensuite été envisagés. / Photosensitive protecting groups have been used for many applications, including neuroscience for the release of neurotransmitters with an amazing spatio-temporal control. New compounds sensitive to two-photon excitation were developed with the spread out of pulsed infrared lasers. However, cages molecular engineering is not the only way to improve such compounds. This manuscript focuses on nanostructuration to improve the overall efficiency of two-photon sensitive protecting groups. We started our study with small compound as dimer and tetramer based on the ortho-nitrophenethyl architecture. Next, polyamidoamine dendrimers were tested, but photophysics and photochemistry properties of these new compounds suggest that intramolecular interactions disturb photochemical reaction. Synthesis of partially functionalized dendrimer was considering in a next step.

L'objectif de ce travail est de développer et d'évaluer de nouvelles résines originales biosourcées pour l'application lithographique. Pour atteindre cet objectif, nous avons sélectionné différents types de lignine et étudié l'influence du fractionnement de la lignine sur les propriétés finales de la résine obtenue. Le fractionnement de la lignine est réalisé à l’aide de solvants organiques sélectionnés pour leur polarité. Nous avons choisi ce polymère naturel en raison de la présence de nombreux groupes fonctionnels directement responsables de sa réactivité : molécules photosensibles et potentiellement réticulables. La lignine est également une bonne candidate car abondante sur Terre et sa valorisation actuelle en tant que matière première chimique est négligeable. Nous avons étudié la photoréactivité de la résine à base de lignine à 395 nm en utilisant des sources de lumière LED. Sur la base des observations FTIR et UV-VIS, nous avons étudié et quantifié les changements structurels survenus lors de l'exposition de la photorésine à la lumière. Cependant, ces changements étaient plus intenses au cours de l'irradiation conduite dans l'air par rapport à une atmosphère inerte. De plus, nous avons établi le lien entre la structure chimique de la lignine et sa réactivité décrite par les tests de sensibilité, de contraste et de résolution. Nous avons proposé des mécanismes cohérents basés sur des données de la littérature. Ainsi, la réticulation de la lignine se produit sous les photons des rayonnements UV-VIS entraînant la formation de structures intermédiaires, de chromophores ou de composés volatils de bas poids moléculaire. Enfin, nous avons démontré qu'il était possible de fabriquer par écriture laser directe des nanostructures mono-, bi- et tridimensionnelles dans la photorésine à base de lignine "juste fractionnée" par polymérisation à deux photons. / The goal of this work was to develop and to evaluate new, original and bio-based resist for lithographic application. To reach this purpose, we have selected various types of lignin and study the influence of lignin fractionation in different organic solvents on the final resist properties. We have chosen this photosensitive and crosslinkable polymer due to its great abundance and to its currently poor valorisation as a chemical feedstock, as well as the versatility of the functional groups that were directly responsible for its reactivity. We have investigated the photoreactivity of lignin-based resist at 395 nm, using LED light sources. Based on the FTIR and UV-vis monitoring, we have investigated and quantified the structural changes occurred during photoresist exposure to the light. However, they were more visible during the irradiation conducted in the air than in the inert atmosphere. Moreover, we have established the link between chemical structure of lignin and its reactivity observed by sensitivity, contrast and resolution tests. Additionally, we have proposed reasonable mechanisms based on literature data according to which lignin crosslinking occur under UV-visible photons. They comprised the formation of intermediates structures, chromophores, or low molecular weight volatile compounds, as well and crosslinking reactions. Finally, we have demonstrated that it was possible to fabricate one-, two- and three-dimensional structures from "just-fractionated" lignin photoresist by two-photon polymerisation achieved by direct laser writing.

L'un des principaux objectifs des neurosciences est de comprendre comment les fonctions cognitives sont codées par la dynamique des grands réseaux neuronaux. L'étude de la perception sensorielle a principalement été axée sur l'enregistrement de l'activité neuronale induites par des stimulations sensorielles. Une approche alternative réside dans l'utilisation des illusions sensorielles. Ainsi, la perception sensorielle peut avoir lieu en l'absence de stimulation physique externe. Nous avons utilisé une approche multidisciplinaire combinant l'imagerie calcique à deux photons, le comportement moteur et l'optogénétique. Nous avons pu montrerque la larve de poisson zèbre est capable de percevoir " l'effet après mouvement " (EAM). En utilisant l'optogenetique (halorhodopsine) nous avons été capables d'inhiber les mouvementes oculaires pendant la présentation du stimulus conditionné (SC). Nous avons montré que les mouvements des yeux lors du SC ne sont pas impératifs pour l'induction de l'EAM, ce qui suggère que l'EAM n'est probablement pas d'origine musculaire. En utilisant la microscopie à deux photons nous avons montré une habituation de neurones tectales au cours de l'EAM. Cette habituation se dégrade selon une échelle de temps qui correspond au comportement oculo-moteur, lors de l'EAM. En revanche, les cellules ganglionnaires de la rétine ne sont pas habitués. Ceci indique que le toit optique, mais pas la rétine, joue un rôle prépondérant dans l'induction du EAM. Cette approche multidisciplinaire permet de comprendre de façon plus approfondie les mécanismes neuronaux sous-jacents au EAM, et de spéculer sur le corrélat neuronal de la perception du mouvement. / One of the main goals in neuroscience is to understand how cognitive functions are encoded by the dynamics of large neuronal networks. The main stream to study sensory perception has mainly focused on sensory stimulation and neuronal recordings of the induced neural responses. An alternative approach is the use of sensory illusions, in which sensory perception take place in the absence of physical external stimulation. For this purpose, we have used a multidisciplinary approach combining the zebrafish larva as the experimental model, two-photon calcium imaging, motor behavior and optogenetics. We showed that the zebrafish larva is capable of perceiving motion after-effect (MAE). Using optogenetics (halorhodopsin) to prevent eye movements during the presentation of the conditioning stimulus (CS), we showed that pursuit eye movements during CS are not imperative for the induction of MAE, suggesting that neither muscular fatigue nor eye-muscle proprioception feedback play a role in the generation of MAE. Furthermore, we used two-photon microscopy in combination with transgenic fish expressing GcaMP3 . We first observed that during MAE, neurons in the optic tectum (the largest and highest visual brain center of the larva) were strongly habituated. This habituation later decayed with a temporal scale that matched that of the optomotor MAE-like behavior. In contrast, no significant habituation was observed in the retina, Thus, we suggested that the optic tectum but not the retina plays a role in generation of MAE. Our approach contributed to a more comprehensive view of the neuronal mechanisms underlying MAE, and shed light on the neuronal correlate of motion perception