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

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

Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéresseons à l'amélioration des techniques de programmation génétique (PG), en particulier nous avons essayer d'améliorer la performance de la PG en cas d'utilisation de grammaire riche, où l'ensemble de terminaux contient plus que nécessaire pour représenter des solutions optimales. Pour cela, nous avons présenté le problème de la sélection d'attributs en rappelant les principales approches, et nous avons utilisé la technique de mesure de poids des terminaux pour affiner la sélection d'attributs. En second lieu, nous présentons des travaux sur un autre algorithme qui s'inspire de la boucle évolutionnaire : l'évolution différentielle (ED), et nous étudions la performance de cette technique sur la branche de la programmation génétique linéaire. Nous présentons et comparons les performances de cette dernière technique sur un ensemble de "benchmarks" classique de la PG. / This thesis mainly deals with genetic programming. In this work, we are interested in improving the overall performance of genetic programming (GP) when dealing with rich grammar when the terminal set is very large. We introduce the problem of attributes selection and in our work we introduce a scheme based on the weight (based on the frequency) to refine the attribute selection. In the second part of this work, we try to improve the evolution engine with the help of the differential evolution (DE) algorithm. This new engine is applied to linear genetic programming. We then present some experiments and make some comparisons on a set of classical benchmarks.

Dans la première partie, on s'intéresse à la multi-diffusion d'une onde acoustique avec une matrice homogène 2D contenant N inclusions. Dans le cas particulier de deux inclusions, on met alors en évidence l'importance du contraste matrice/inclusion dans les termes d'interactions entre inclusions. Le cas général de la multi-diffusion, pour distribution aléatoire de N inclusions, est ensuite développé dans l'esprit de Foldy-Lax basé sur des moyennes d'ensembles. Ainsi on cherche à déterminer le nombre d'onde effectif de l'onde effective, définie comme la moyenne du champ total, dans le cas d'une onde incidente émise par un point source. La deuxième partie est consacrée au cloaking actif dans une plaque. On détermine ainsi les amplitudes modales des sources multipolaires afin d'éteindre une onde plane ou émise par un point source, dans une région donnée. En outre, cette méthode peut s'appliquer pour éteindre l'onde diffractée par un défaut. Enfin dans la dernière partie, on se propose d'étudier la propagation d'onde au sein d'un milieu comportant des dislocations. On utilise la géométrie de Riemann-Cartan afin de modéliser ce milieu continu. Afin d'illustrer les différences que peuvent induire deux définitions possibles de la déformation (spatiale et matérielle), nous étudions la propagation d'ondes 3D dans l'exemple simple d'un milieu continu avec une densité uniforme et stationnaire de défauts. L'anisotropie et l'atténuation sont présentes dans les deux modèles mais sous forme différente. Enfin la déformation matérielle induit des modes de respiration et, en régime haute fréquence, des ondes transverses qui suivent l'escalier en spirale de Cartan. / In the first part, we investigate the multiple scattering of an acoustic wave within an homogeneous matrix containing N obstacles. In the particular case with 2 obstacles, we show the importance of the contrast matrix /obstacle in the coupling terms between inclusions. The general case of multiple scattering by N obstacles randomly distributed is then developed following the Foldy-Lax theory based on ensemble averaging. We aim to evaluate the effective wavenumber of the effective wave, defined as the average of the total field, in the case where the incoming wave is emitted by a point-like source. The second part is dedicated to the active cloaking in a thin plate. Hence we determine the modal amplitudes of the sources in order to extinct an incoming wave in a given region. This method can be applied to extinct the wave scattered by an obstacle. Finally, in the last part, the Riemann-Cartan geometry is used to model continuum with dislocations. In order to illustrate the differences induced by two possible definitions for the strain (spatial or material) in this framework, propagation of 3D waves is studied for a simple example of infinite continuum with uniform and stationary defects density. Anisotropy and attenuation are caught by both models even if these effects are quite different. Furthermore the material strain uniform breathing modes and, in the high frequency regime, transverse waves which follow the Cartan's spiral staircase.

Le cancer colorectal (CCR) reste encore aujourd'hui une cause majeure de mortalité dans le monde, avec une incidence annuelle d'environ 1 million de cas et une mortalité d'environ 700 000 personnes. La stratégie de dépistage du CCR se base sur la détection de sang occulte dans les selles par le test iFOBT. Malgré une spécificité acceptable, la sensibilité de détection reste toujours insuffisante dans une population asymptomatique (27% de sensibilité pour un adénome, 65% pour un CCR). Aujourd'hui, il existe un réel besoin de trouver de nouveaux biomarqueurs spécifiques du CCR ainsi que de développer des tests de diagnostic faciles à mettre en oeuvre dans les laboratoires de biologie médicale. Les progrès récents de l'analyse protéomique à haut débit permettent aujourd'hui d'identifier et de quantifier un nombre toujours plus grand de protéines. C'est pourquoi, nous avons développé des stratégies en protéomique quantitative pour la recherche et la validation de biomarqueurs du cancer colorectal. L'approche iTRAQ et Label-free ont permis l'identification d'environ 800 protéines et la quantification de 214 protéines. Nous avons entrepris avec succès, la validation de 4 protéines par des tests ELISA et de nouvelles technologie en protéomique quantitative ciblée (LC-SRM). Au Final, nous proposons un test multiplex de 3 protéines qui permettra d'affirmer ou d'infirmer les résultats obtenus par le test iFOBT. L'ajout du test pourrait réduire de manière significative le nombre de coloscopies inutiles, potentiellement dangereuses pour les patients et onéreuses pour les autorités de santé. / Colorectal cancer (CRC) remains a major cause of cancer mortality throughout the world with an annual incidence of approximately 1 million cases and an annual mortality around 700 000. CRC outcome is highly dependent upon the stage of detection. The 5-year survival rate of patients with metastases is less than 20% while patients with localized adenomatous polyps have an excellent outcome with 90% survival rate. Current screening methods of CRC include the iFOBT and colonoscopy. The iFOBT has an acceptable 95% specificity but always an unsatisfactory sensitivity of detection in the asymptomatic population (27% sensitivity for adenoma, 65% for carcinoma). That is why, there is a real need to find new biomarkers and develop new diagnostic test, specific and easy to implement in clinical research. Recent advances in the analysis of biological fluids by high throughput mass spectrometry allow us now to identify and quantify a large number of proteins. Due to these improvements of proteomic strategies, it seems to be a promising way to find new potential proteins markers in the CRC disease. The quantitative iTRAQ & Label-free approaches allowed the identification of 800 proteins and the quantification of 200 proteins. Therefore, we have successfully validated four proteins by targeted proteomics using mass spectrometry (LC-SRM) and ELISA assays. Finally, we suggest a multiplex test of 3 proteins which confirm or contradict the FOBT outcome. The addition of the test could significantly reduce the number of unnecessary colonoscopies which are potentially dangerous for patients and expensive for public health authorities.

La pomme est l’un des fruits les plus consommés au monde. En utilisant les dernières technologies de séquençage (PacBio) et de cartes optiques (BioNano), nous avons généré un assemblage de novo de haute qualité du génome du pommier (Malus domestica Borkh.). Nous avons réalisé une annotation des gènes et des éléments transposables pour permettre à cet assemblage d’être utilisé en tant que génome de référence. La grande contiguité de l’assemblage a permis de détecter les éléments transposables de façon exhaustive, ce qui fournit une opportunité sans précédents d’étudier les régions non-caractérisées d’un génome d’arbre. Nous avons également trouvé que le génome du pommier est entièrement dupliqué, comme montré par les relations de synthénie entre les chromosomes. En utilisant du Whole Genome Bisulfite Sequencing (WGBS) ainsi que l’assemblage précédemment généré, nous avons montré des cartes de méthylation de l’ADN pour tout le génome et montré une corrélation générale entre la méthylation de l’ADN près des gènes et l’expression des gènes. De plus, nous avons identifié plusieurs Régions Différentiellement Méthylées (RDMs) entre les méthylomes de fruits et de feuilles du pommier, associées à des gènes candidats qui pourraient être impliqués dans des traits agronomiques importants tel que le développement du fruit. Enfin, nous avons développé un pipeline rapide, simple et complet qui prend entièrement en charge l’analyse des données WGBS, de l’alignement des reads au calcul des RDMs. / Apple is one of the most consumed fruits in the world. Using the latest sequencing (PacBio) and optical mapping (BioNano) technologies, we have generated a high-quality de novo assembly of the apple (Malus domestica Borkh.) genome. We performed a gene annotation as well as a transposable element annotation to allow this assembly to be used as a reference genome. The highcontiguity of the assembly allowed to exhaustively detect the transposable elements, which represented over half the assembly, thus providing an unprecedented opportunity to investigate the uncharacterized regions of a tree genome. We also found that the apple genome is entirely duplicated as showed by the synteny links between chromosomes. Using Whole Genome Bisulfite Sequencing (WGBS) and the previously generated assembly, we produced genome-wide DNA methylation maps and showed a general correlation between DNA methylation next to genes and gene expression. Moreover, we identified several Differentially Methylated Regions (DMRs) between apple fruits and leaf methylomes associated to candidate genes that could be involved in agronomically relevant traits such as apple fruit development. Finally, we developped a complete and easyto- use pipeline which aim is to handle the complete treatment of WGBS data, from the reads mapping to the DMRs computing. It can handle datasets having a low number of biological replicates.

L’imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd) est une technique non-invasive permettant d’accéder à l'information structurelle des tissus biologiques à travers l’étude du mouvement de diffusion des molécules d’eau dans les tissus. Ses applications sont nombreuses en neurologie pour le diagnostic de certaines anomalies cérébrales. Cependant, en raison du mouvement cardiaque, l’utilisation de cette technique pour accéder à l’architecture du cœur in vivo représente un grand défi. Le mouvement cardiaque a été identifié comme une des sources majeures de perte du signal mesuré en IRM de diffusion. A cause de la sensibilité au mouvement, il est difficile d’évaluer dans quelle mesure les caractéristiques de diffusion obtenues à partir de l’IRM de diffusion reflètent les propriétés réelles des tissus cardiaques. Dans ce cadre, la modélisation et la simulation numérique du signal d’IRM de diffusion offrent une approche alternative pour aborder le problème. L’objectif de cette thèse est d’étudier numériquement l’influence du mouvement cardiaque sur les images de diffusion et de s’intéresser à la question d’atténuation de l’effet du mouvement cardiaque sur le signal d’IRM de diffusion. Le premier chapitre est consacré à l’introduction du principe physique de l'imagerie par résonance magnétique(IRM). Le deuxième chapitre présente le principe de l’IRM de diffusion et résume l’état de l’art des différents modèles proposés dans la littérature pour modéliser le signal d’IRM de diffusion. Dans le troisième chapitre un modèle modifié de l’équation de Bloch-Torrey dans un domaine qui se déforme au cours du temps est introduit et étudié. Ce modèle représente une généralisation de l’équation de Bloch-Torrey utilisée dans la modélisation du signal d’IRM de diffusion dans le cas sans mouvement. Dans le quatrième chapitre, l’influence du mouvement cardiaque sur le signal d’IRM de diffusion est étudiée numériquement en utilisant le modèle de Bloch-Torrey modifié et un champ de mouvement analytique imitant une déformation réaliste du cœur. L’étude numérique présentée, permet de quantifier l’effet du mouvement sur la mesure de diffusion en fonction du type de la séquence de codage de diffusion utilisée, de classer ces séquences en terme de sensibilité au mouvement cardiaque et d’identifier une fenêtre temporelle par rapport au cycle cardiaque où l’influence du mouvement est réduite. Enfin, dans le cinquième chapitre, une méthode de correction de mouvement est présentée afin de minimiser l’effet du mouvement cardiaque sur les images de diffusion. Cette méthode s’appuie sur un développement singulier du modèle de Bloch-Torrey modifié pour obtenir un modèle asymptotique qui permet de résoudre le problème inverse de récupération puis correction de la diffusion influencée par le mouvement cardiaque. / Diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) is a non-invasive technique allowing access to the structural information of the biological tissues through the study of the diffusion motion of water molecules in tissues. Its applications are numerous in neurology, especially for the diagnosis of certain brain abnormalities, and for the study of the human cerebral white matter. However, due to the cardiac motion, the use of this technique to study the architecture of the in vivo human heart represents a great challenge. Cardiac motion has been identified as a major source of signal loss. Because of the sensitivity to motion, it is difficult to assess to what extent the diffusion characteristics obtained from diffusion MRI reflect the real properties of the cardiac tissue. In this context, modelling and numerical simulation of the diffusion MRI signal offer an alternative approach to address the problem. The objective of this thesis is to study numerically the influence of cardiac motion on the diffusion images and to focus on the issue of attenuation of the cardiac motion effect on the diffusion MRI signal. The first chapter of this thesis is devoted to the introduction of the physical principle of nuclear magnetic resonance (NMR) and image reconstruction techniques in MRI. The second chapter presents the principle of diffusion MRI and summarizes the state of the art of the various models proposed in the litera- ture to model the diffusion MRI signal. In the third chapter a modified model of the Bloch-Torrey equation in a domain that deforms over time is introduced and studied. This model represents a generalization of the Bloch-Torrey equation used to model the diffusion MRI signal in the case of static organs. In the fourth chapter, the influence of cardiac motion on the diffusion MRI signal is investigated numerically by using the modified Bloch-Torrey equation and an analytical motion model mimicking a realistic deformation of the heart. The numerical study reported here, can quantify the effect of motion on the diffusion measurement depending on the type of the diffusion coding sequence. The results obtained allow us to classify the diffusion encoding sequences in terms of sensitivity to the cardiac motion and identify for each sequence a temporal window in the cardiac cycle in which the influence of motion is reduced. Finally, in the fifth chapter, a motion correction method is presented to minimize the effect of cardiac motion on the diffusion images. This method is based on a singular development of the modified Bloch-Torrey model in order to obtain an asymptotic model of ordinary differential equation that gives a relationship between the true diffusion and the diffusion reconstructed in the presence of motion. This relationship is then used to solve the inverse problem of recovery and correction of the diffusion influenced by the cardiac motion.

Un des problèmes actuels en bio-informatique est de comprendre les mécanismes de régulation au sein d’une cellule ou d’un organisme. L’objectif de la thèse est d’étudier les réseaux de co-expression de gènes chez le pommier avec la particularité d’y intégrer les transcrits anti-sens. Les transcrits anti-sens sont des ARN généralement non-codants, dont les différents modes d’action sont encore mal connus. Dans notre étude exploratoire du rôle des anti-sens, nous proposons d’une part une analyse fonctionnelle différentielle qui met en évidence l’intérêt de l’intégration des données anti-sens en transcriptomique. D’autre part, concernant les réseaux de gènes, nous proposons de limiter l’inférence à un cœur de réseau et nous introduisons alors une méthode d’analyse différentielle permettant de comparer un réseau obtenu à partir de données sens avec un réseau contenant des données sens et anti-sens. Nous introduisons ainsi la notion de gènes AS-impacté, qui permet d’identifier des gènes dont les interactions au sein d’un réseau de co-expression sont fortement impactées par la prise en compte de transcrits anti-sens. Pour les données pommier que nous avons étudiées et qui concerne la maturation des fruits et leur conservation à basse température, l’interprétation biologique des résultats de notre analyse différentielle fournit des pistes pertinentes pour une étude expérimentale plus ciblée de gènes ou de voies de signalisation dont l’importance pourrait être sous-estimée sans la prise en compte des données anti-sens. / A challenging task in bioinformatics is to decipher cell regulation mechanisms. The objective of this thesis is to study gene networks from apple data with the particularity to integrate anti-sense transcription data. Anti-sense transcripts are mostly non coding RNAs and their different roles in the cell are still not well known. In our study, to explore the role of anti-sense transcripts, we first propose a differential functional analysis that highlights the interest of integrating anti-sense data into a transcriptomic analysis. Then, regarding gene networks, we propose to focus on inference of a core network and we introduce a new differential analysis method that allows to compare a sense network with a sense and anti-sense network. We thus introduce the notion of AS-impacted genes, that allows to identify genes that are highly co-expressed with anti-sense transcripts. We analysed apple data related to ripening of fruits stored in cold storage; biological interpretation of the results of our differential analysisprovides some promising leads to a more targeted experimental study of genes or pathways, which role could be underestimated without integration of anti-sense data.

L’objectif de ce manuscrit est de fournir une technique de commande tolérante aux défauts basée sur la platitude différentielle. Pour ce type de systèmes, il est possible de trouver un ensemble de variables, nommées sorties plates, tel que, les états et les entrées de commande du système puissent s’exprimer en fonction de ces sorties et d’un nombre fini de ses dérivées temporelles. Le bloc de détection et d’isolation doit assurer la détection du défaut le plus rapidement possible. Cette action est effectuée en exploitant la propriété de non-unicité des sorties plates. En effet, si un deuxième jeu de sorties plates peux être trouvé et si ce deuxième jeu n’est couplé avec le premier que par une équation différentielle, le nombre des résidus permettant la détection de défauts pourra être augmenté. La condition pour cela est que les deux jeux soient différentiellement couplés ce qui signifie qu’il existe une équation qui contienne des dérivées temporelles et qui couple un élément du premier jeu avec un élément du deuxième jeu de sorties plates. En conséquence le nombre de résidus disponibles pour la détection est supérieur au nombre que l’on aurait si on avait seulement un jeu des sorties plates.En ce qui concerne la reconfiguration, si le système plat satisfait les propriétés énumérées ci-dessus, nous obtiendrons autant de valeurs des états et des entrées que le nombre de jeux de sorties plates trouvés. En effet chaque entrée de commande et chaque état du système peuvent être recalculés en fonction des sorties plates. L’approche proposée fournit de cette manière un résidu prenant en compte une mesure calculée avec le vecteur plat contenant le défaut et une autre avec le vecteur plat libre de défaut. Les signaux redondants libres de défauts seront ainsi utilisés comme références du contrôleur de manière à ce que les effets du défaut soient masqués et ne rentrent pas la boucle de commande. Ceci sera utile pour fournir une stratégie de commande entièrement basée sur les systèmes plats.Les travaux présentés dans ce mémoire sont donnés sous l’hypothèse suivante: Les sorties plates sont fonctions de l’état du système, néanmoins dans ce manuscrit elles seront limitées à être directement une partie de l’état du système ou une combinaison linéaire d’entre eux. La boucle de commande est fermée avec un correcteur par retour d’état.Enfin pour les travaux réalisés en fin de manuscrit les sorties plates doivent pouvoir être mesurées ou reconstruites.Les défauts affectant les actionneurs sont considérés rejetés par le contrôleur, par conséquent la reconfiguration est seulement effectuée après la détection d’un défaut capteur.La faisabilité de l’approche proposée est analysée sur deux systèmes non linéaires, un drone quadrirotor et un système de trois cuves. / The objective of this Ph.D. work is to provide a flatness based active fault-tolerant control technique. For such systems, it is possible to find a set of variables, named flat outputs, such that states and control inputs can be expressed as functions of flat outputs and their time derivatives. The fault detection and isolation block has to provide a fast and accurate fault isolation. This action is carried out by exploiting the non-uniqueness property of the flat outputs. In fact, if a second set of flat outputs which are coupled by a differential equation of the first is calculated, bthe number of residues augments. Differentially coupled means that it exists an equation with time derivatives inside, that couple one element of the first set with one of the second. As a consequence of augmenting the number of residual signal more faults than in the one set case may be isolated.Regarding reconfiguration, if the flat system complies with the properties listed above, we will obtain versions of states and control inputs as much of flat output vectors, are found, because each control input and state is a function of the flat output. The proposed approach provides in this manner one measure related to a faulty flat output vector and one or more computed by using an unfaulty one. The redundant state signals could be used as reference of the controller in order to hide the fault effects. This will be helpful to provide an entirely flatness based fault-tolerant control strategy.The works presented in this manuscript are under the following hypothesis: The flat outputs are functions of the state of the system, however in this work the flat outputs are constrained to be states of the system or a linear combination of them.The control loop is closed with a state feedback controller.For purposes of this work flat outputs need to be measured.Faults affecting the actuators are considered rejected by the controller; by consequence reconfiguration is only carried out after a sensor fault occurs.Feasibility of the proposed approach is analyzed in two nonlinear plants, an unmanned quadrotor and a three tank system.

Cette thèse concerne les équations différentielles fonctionnelles à retard. Son objectif est d'étendre la technique de stroboscopie initialement élaborée dans le cadre des équations différentielles ordinaires, puis de présenter une approche nouvelle dans la justification de la méthode de moyennisation basée sur ladite technique. Dans un premier temps, nous proposons une formulation adaptée de la technique de stroboscopie originale que nous appliquons pour montrer des résultats de moyennisation pour des équations qui se ramènent à la forme dite normale. Dans un second temps, nous commençons par étendre aux cas des équations différentielles fonctionnelles à retard, et de manière naturelle, la technique de stroboscopie proposée. Nous l'utilisons ensuite pour étendre les résultats de moyennisation aux équations rapidement oscillantes. Les résultats sur la moyennisation obtenus dans cette thèse généralisent ceux de la littérature existante.