La spectroscopie UV-Vis résolue en temps a été appliquée à l'étude de différents systèmes moléculaires dont la photophysique est contrôlée par leur interaction avec l’environnement, mais aussi comme outil pour révéler des interactions moléculaires ou des dynamiques structurelles à des échelles de temps comparativement lentes (sec à min.), en utilisant la microfluidique de gouttes pour déclencher une relaxation structurale par des conditions initiales hors équilibre. J'ai appliqué cette approche selon trois axes allant de 1) l'étude approfondie des propriétés émissives des biosenseurs afin de permettre leur utilisation quantitative dans les études d'interactions biomoléculaires, à 2) le développement d'une approche expérimentale originale pour permettre la résolution la cinétique de relaxation structurelle d'une répartition hors équilibre des structures biomoléculaires, et enfin 3) l'application aux biotechnologies à haut débit de la fluorescence résolue en temps pour des analyses d'interactions biomoléculaires précises et rapides, pertinente à la fois pour les domaines académiques et industriels. / In the context of the present thesis, UV-Vis time-resolved spectroscopy was applied targeting the photophysics investigation of different environmentally sensitive molecular systems, but also as a biosensing approach to reveal molecular interactions or structural dynamics on much slower time scales (sec to min), using droplet microfluidics triggering structural relaxation through out-of-equilibrium initial conditions. I thus investigated on a three-axis-target spanning from 1) the in-depth investigation of the emissive properties of biosensors in order to allow their quantitative use in biomolecular interaction studies, to 2) the development of an original experimental approach to enable resolving the structural relaxation kinetics of an out-of-equilibrium distribution of biomolecular structures, and finally 3) the technological application of time resolved fluorescence for precise, rapid, cost effective, biomolecular interaction assays, appealing both for academic and industrial arenas.

Dans les 50 dernières années, les avancées dans le domaine de la protection des plantes ont contribué à augmenter les rendements et à assurer une large production. Facile à utiliser et plutôt bon marché à l’époque, les pesticides ont prouvé leur efficacité. Cependant, quand ils sont appliqués aux cultures, une partie du produit n’atteint pas sa cible et est perdu dans l’air ou au sol. Par conséquent, des efforts ont été consentis pour améliorer leur efficacité et leur innocuité sanitaire, souvent grâce à des lois environnementales internationales. Les produits sont appliqués à partir de matériels combinant type de buse/pression induisant des gammes de vitesses et de tailles de gouttelettes très diverses (Chapitre 2). Une mesure simultanée de ces vitesses et tailles est ainsi d’une grande importance dans le processus de pulvérisation. Il existe de nombreuses méthodes pour la mesure des caractéristiques des gouttelettes qui peuvent être divisées en trois catégories: mécaniques, électriques et optiques. Ces dernières apparaissent comme les plus pertinentes puisqu’étant non invasives et en perturbant donc pas le processus de pulvérisation. Les améliorations récentes dans le domaine du traitement des images et la réduction du coût des systèmes d’imagerie ont ainsi accru l’intérêt des techniques d’imagerie rapide pour les applications agricoles telles que la pulvérisation de pesticides. Cette thèse s’est donc focalisée sur le développement d’une telle technique pour la caractérisation des sprays (micro et macro). Les travaux effectués ont permis de démontrer que les caractéristiques d’un jet de pesticides peuvent être correctement et précisément mesurées par des techniques d’imagerie non-invasives couplées à des traitements spécifiques. Les travaux à venir consisteraient notamment en l’amélioration de la précision des mesures effectuées: précision sub-pixellique, calcul des profondeurs de champ, mesure de particules non sphériques. / In recent years, advances in plant protection have contributed considerably to increasing crop yields in a sustainable way. Easy to apply and rather inexpensive, pesticides have proven to be very efficient. However, when pesticides are applied to crops some of the spray may not reach the target, but move outside the intended spray area. This can cause serious economic and environmental problems. Most of the pesticides are applied using agricultural sprayers. These sprayers use hydraulic nozzles which break the liquid into droplets with a wide range of droplet sizes and velocities and determine the spray pattern. Small droplets are prone to wind drift, while large droplets can runoff from the target surface and deposit on the soil. Therefore, efforts are being undertaken to come to a more sustainable use of pesticides which is more and more regulated by international environmental laws. One of the main challenges is to reduce spray losses and maximize spray deposition and efficacy by improving the spray characteristics and the spray application process. Because mechanisms of droplets leaving a hydraulic spray nozzle are very complex and difficult to quantify or model, there is a need for accurate quantification techniques. The recent improvements in digital image processing, sensitivity of imaging systems and cost reduction have increased the interest in high-speed (HS) imaging techniques for agricultural applications in general and for pesticide applications in specific. This thesis focused on the development and application of high speed imaging techniques to measure micro (droplet size and velocity) and macro (spray angle and shape, liquid sheet length) spray characteristics.The general aim was to show that the spray characteristics from agricultural spray nozzles can be measured correctly with the developed imaging techniques in a non-intrusive way. After a review of the spray application process and techniques for spray characterization (Chapter 2), two image acquisition systems were developed in Chapter 3 based on single droplet experiments using a high speed camera and a piezoelectric droplet generator. 58 combinations of lenses, light sources, diffusers, and exposure times were tested using shadowgraph (background) imaging and evaluated based on image quality parameters (signal to noise rate, entropy ratio and contrast ratio), light stability and overexposure ratio and the accuracy of the droplet size measurement. These resulted into development of two image acquisition systems for measuring the macro and micro spray characteristics. The HS camera with a macro video zoom lens at a working distance of 143 mm with a larger field of view (FOV) of 88 mm x 110 mm in combination with a halogen spotlight and a diffuser was selected for measuring the macro spray characteristics (spray angle, spray shape and liquid sheet length). The optimal set-up for measuring micro spray characteristics (droplet size and velocity) consisted of a high speed camera with a 6 μs exposure time, a microscope lens at a working distance of 430 mm resulting in a FOV of 10.5 mm x 8.4 mm, and a xenon light source used as a backlight without diffuser. In Chapter 4 image analysis and processing algorithms were developed for measuring single droplet characteristics (size and velocity) and different approaches for image segmentation were presented. With the set-up for micro spray characterization and using these dedicated image analysis algorithms (Chapter 4), measurements using a single droplet generator in droplet on demand (DOD) and continuous mode were performed in Chapter 5. The effects of the operating parameters, including voltage pulse width and pulse amplitude with 4 nozzle orifice sizes (261 μm, 123 μm, 87 μm and 67 μm) on droplet diameter and droplet velocity have been characterized (...)

La neurogenèse persiste à l’âge adulte dans deux régions du système nerveux central (SNC) des mammifères : la zone sous-ventriculaire (SVZ) du cerveau antérieur et la zone sous-granulaire (SGZ) de l’hippocampe. Cette neurogenèse est possible grâce à la capacité de prolifération des cellules souches présentes dans les niches de la SVZ et la SGZ, mais en vieillissant, le cerveau subit une diminution dramatique du nombre de cellules souches neurales adultes (CSNa), une diminution de la prolifération cellulaire et une altération des niches de neurogenèse. Cependant, une importante question reste sans réponse : comment la perte tardive des CSNa est temporellement reliée aux changements de l’activité de prolifération et de la structure de la principale niche de neurogenèse (la SVZ)? Afin d’avoir un aperçu sur les événements initiaux, nous avons examiné les changements des CSNa et de leur niche dans la SVZ entre le jeune âge et l’âge moyen. La niche de la SVZ des souris d’âge moyen (12 mois) subit une réduction de l’expression des marqueurs de plusieurs sous-populations de précurseurs neuraux en comparaison avec les souris jeunes adultes (2 mois). Anatomiquement, cela est associé avec des anomalies cytologiques, incluant une atrophie générale de la SVZ, une perte de la couche de cellules sousépendymaires par endroit et l’accumulation de gouttelettes lipidiques de grande taille dans l’épendyme. Fonctionnellement, ces changements sont corrélés avec une diminution de l’activité de la SVZ et une réduction du nombre de nouveaux neurones arrivant aux bulbes olfactifs. Pour déterminer si les CSNa de la SVZ ont subi des changements visibles, nous avons évalué les paramètres clés des CSNa in vivo et in vitro. La culture cellulaire montre qu’un nombre équivalent de CSNa ayant la capacité de former des neurosphères peut être isolé du cerveau du jeune adulte et d’âge moyen. Cependant, à l’âge moyen, les précurseurs neuraux semblent moins sensibles aux facteurs de croissance durant leur différenciation in vitro. Les CSNa donnent des signes de latence in vivo puisque leur capacité d’incorporation et de rétention du BrdU diminue. Ensemble, ces données démontrent que, tôt dans le processus du vieillissement, les CSNa et leur niche dans la SVZ subissent des changements significatifs, et suggèrent que la perte de CSNa liée au vieillissement est secondaire à ces événements. / Neurogenesis persists throughout the adulthood in two regions of the mammalian central nervous system (SNC): the sub-ventricular zone (SVZ) of the forebrain and the sub-granular zone (SGZ) of the hippocampus. Neurogenesis is possible due to the proliferation capacity of stem cells present within both the SVZ and SGZ niches, but with aging, the forebrain undergoes a drastic reduction in its number of adult neural stem cells (aNSCs), a decrease of cell proliferation and an alteration of the neurogenic niches. However, a key unresolved question remains: how the onset of aNSC loss is temporally related to changes of proliferating activity and to structural alterations within the principal stem cell niche (the SVZ)? To gain insights into the initial events leading to aging-associated aNSC loss, we investigated the changes occurring to aNSCs and the SVZ niche between young adulthood and middle-age. The SVZ niche of middle-aged mice (12-months-old) was found to display reduced expression of markers for multiple neural precursor sub-populations when compared to young adult mice (2-months-old). Anatomically, this was associated with significant cytological aberrations, including an overall atrophy of the SVZ, loss of sub-ependymal cells, and accumulation of large lipid droplets within the ependyma. Functionally, these changes correlated with diminished SVZ activity and reduced number of newly born neurons reaching the principal target tissue: the olfactory bulbs. To determine whether changes were evident at the level of the SVZ stem cells, we evaluated key in vitro and in vivo parameters of aNSCs. Tissue culture experiments showed that equal numbers of neurosphere-forming aNSCs could be isolated from young adult and middle-aged forebrains. However, at middle-age, neural precursors seemed to be less sensitive to growth factors during their in vitro differentiation and displayed signs of increased quiescence in vivo. Collectively, these findings demonstrate that, with early aging, aNCS and their SVZ niche go through significant changes, and suggest that aging-associated aNSC loss is secondary to these events.

La neurogenèse persiste à l’âge adulte dans deux régions du système nerveux central (SNC) des mammifères : la zone sous-ventriculaire (SVZ) du cerveau antérieur et la zone sous-granulaire (SGZ) de l’hippocampe. Cette neurogenèse est possible grâce à la capacité de prolifération des cellules souches présentes dans les niches de la SVZ et la SGZ, mais en vieillissant, le cerveau subit une diminution dramatique du nombre de cellules souches neurales adultes (CSNa), une diminution de la prolifération cellulaire et une altération des niches de neurogenèse. Cependant, une importante question reste sans réponse : comment la perte tardive des CSNa est temporellement reliée aux changements de l’activité de prolifération et de la structure de la principale niche de neurogenèse (la SVZ)? Afin d’avoir un aperçu sur les événements initiaux, nous avons examiné les changements des CSNa et de leur niche dans la SVZ entre le jeune âge et l’âge moyen. La niche de la SVZ des souris d’âge moyen (12 mois) subit une réduction de l’expression des marqueurs de plusieurs sous-populations de précurseurs neuraux en comparaison avec les souris jeunes adultes (2 mois). Anatomiquement, cela est associé avec des anomalies cytologiques, incluant une atrophie générale de la SVZ, une perte de la couche de cellules sousépendymaires par endroit et l’accumulation de gouttelettes lipidiques de grande taille dans l’épendyme. Fonctionnellement, ces changements sont corrélés avec une diminution de l’activité de la SVZ et une réduction du nombre de nouveaux neurones arrivant aux bulbes olfactifs. Pour déterminer si les CSNa de la SVZ ont subi des changements visibles, nous avons évalué les paramètres clés des CSNa in vivo et in vitro. La culture cellulaire montre qu’un nombre équivalent de CSNa ayant la capacité de former des neurosphères peut être isolé du cerveau du jeune adulte et d’âge moyen. Cependant, à l’âge moyen, les précurseurs neuraux semblent moins sensibles aux facteurs de croissance durant leur différenciation in vitro. Les CSNa donnent des signes de latence in vivo puisque leur capacité d’incorporation et de rétention du BrdU diminue. Ensemble, ces données démontrent que, tôt dans le processus du vieillissement, les CSNa et leur niche dans la SVZ subissent des changements significatifs, et suggèrent que la perte de CSNa liée au vieillissement est secondaire à ces événements. / Neurogenesis persists throughout the adulthood in two regions of the mammalian central nervous system (SNC): the sub-ventricular zone (SVZ) of the forebrain and the sub-granular zone (SGZ) of the hippocampus. Neurogenesis is possible due to the proliferation capacity of stem cells present within both the SVZ and SGZ niches, but with aging, the forebrain undergoes a drastic reduction in its number of adult neural stem cells (aNSCs), a decrease of cell proliferation and an alteration of the neurogenic niches. However, a key unresolved question remains: how the onset of aNSC loss is temporally related to changes of proliferating activity and to structural alterations within the principal stem cell niche (the SVZ)? To gain insights into the initial events leading to aging-associated aNSC loss, we investigated the changes occurring to aNSCs and the SVZ niche between young adulthood and middle-age. The SVZ niche of middle-aged mice (12-months-old) was found to display reduced expression of markers for multiple neural precursor sub-populations when compared to young adult mice (2-months-old). Anatomically, this was associated with significant cytological aberrations, including an overall atrophy of the SVZ, loss of sub-ependymal cells, and accumulation of large lipid droplets within the ependyma. Functionally, these changes correlated with diminished SVZ activity and reduced number of newly born neurons reaching the principal target tissue: the olfactory bulbs. To determine whether changes were evident at the level of the SVZ stem cells, we evaluated key in vitro and in vivo parameters of aNSCs. Tissue culture experiments showed that equal numbers of neurosphere-forming aNSCs could be isolated from young adult and middle-aged forebrains. However, at middle-age, neural precursors seemed to be less sensitive to growth factors during their in vitro differentiation and displayed signs of increased quiescence in vivo. Collectively, these findings demonstrate that, with early aging, aNCS and their SVZ niche go through significant changes, and suggest that aging-associated aNSC loss is secondary to these events.