Shallow groundwater flow in the critical zone of steep headwater mountain catchments is often assumed to mimic surface topography. However, groundwater flow is influenced by other variables, such as the elevation of the water table and subsurface hydraulic conductivity, which can result in temporal variations in both magnitude and direction of flow. In this study, I investigated the temporal variability of groundwater flow in the soil zone (solum) within the critical zone of a headwater catchment at the Hubbard Brook Experimental Forest in North Woodstock, NH. Groundwater levels were continuously monitored throughout several seasons (March 2019 to Jan 2020) in a network of wells comprising three hillslope transects within the upper hillslopes of the catchment. Five clusters of three wells per cluster were screened from 0.18 – 1.1 m depth at the base of the solum. Water levels were also monitored in five deeper wells, screened from 2.4 - 6.9 m depth within glacial sediments of the C horizon. I conducted 47 slug tests across the well network to determine hydraulic properties of the aquifer materials surrounding each well. In addition, our team conducted a large-scale auger investigation mapping soil horizon depths and thicknesses. Results show that the magnitude of hydraulic gradients and subsurface hydrologic fluxes varied at each site with respect to changing water-table elevation, having a maximum range of 0.12 m/m and 9.19 x 10-6 m/s, respectively. The direction of groundwater flow had an arithmetic mean deviating from surface topography by 2-10 degrees, and a total range that deviated from surface topography by as much as 51 degrees. During lower water table regimes, groundwater flow direction deviated from the ground surface, but under higher water table regimes, in response to recharge events, flow direction mimicked surface topography. Within most of the well clusters, there is an observable connection between the slope direction of the top of the C horizon and the direction of groundwater flow during lower water table regimes. Slug test results show the interquartile range of saturated hydraulic conductivity (Ksat) within the C horizon (1.5×10-7 to 9.8×10-7 m/s) is two orders of magnitude lower than the interquartile range of Ksat values within the solum (2.9×10-5 to 5.2×10-5 m/s). Thus, the C horizon is on average a confining unit relative to the solum that may constrict groundwater flow below the solum. Additionally, results from the larger scale auger investigation suggest that deviations in subsurface topography of the C horizon may be generalizable at the larger hillslope scale. Overall, these results indicate that 1) shallow groundwater flow direction and magnitude within this headwater catchment are dynamic and can deviate from surface topography, and 2) the subsurface topography of the C horizon can influence groundwater flow direction. These results imply that temporal dynamics of groundwater flow direction and magnitude should be considered when characterizing subsurface flow in critical zone studies. Additionally, knowledge of subsurface topography of confining units may provide constraints on the temporal variability of groundwater flow direction. / M.S. / Streams that originate at higher elevations (defined as headwater streams) are important drinking water sources and deliver water and nutrients to maintain freshwater ecosystems. Groundwater is a major source of water to these streams, but little is known about how groundwater flows in these areas. Scientists delineate watersheds (areas of land that drain water to the same point) using surface topography. This approach works well for surface water, but not as well for groundwater, as groundwater may not flow in the same direction as surface water. Thus, assuming that the ground-watershed is the same as the surface watershed can lead to errors in hydrologic studies. To obtain more accurate information about groundwater flow in headwater areas, I continuously measured groundwater levels in forest soils at the Hubbard Brook Experimental Forest in North Woodstock, NH. My main objective was to determine if there is variability in the direction and amount of groundwater flow. I also measured the characteristics of the soils to identify the thicknesses of soil units and the permeability of those units. I used these data to evaluate the relationship between groundwater flow direction, surface topography, and the permeability of soil units. Overall, I found that groundwater flow direction can differ significantly from surface topography, and groundwater flow direction was influenced by the groundwater levels. When groundwater levels were high (closer to the land surface), groundwater flow was generally in the same direction as surface topography. However, when groundwater levels were lower, flow direction typically followed the slope of the lowest permeability soil unit. These results suggest that scientists should not assume that groundwater flow follows the land surface topography and should directly measure groundwater levels to determine flow direction. In addition, results from this study show that characterizing soil permeability can help scientists make more accurate measurements of groundwater flow.

The current practice of construction productivity and emission monitoring is performed by either manual stopwatch studies which are significantly labor intensive and subject to human errors, or by the use of RFID and GPS tracking devices which may be costly and impractical. To address these limitations, a novel computer vision based method for automated 2D tracking, 3D localization, and action recognition of construction equipment from different camera viewpoints is presented. In the proposed method, a new algorithm based on Histograms of Oriented Gradients and hue-saturation Colors (HOG+C) is used for 2D tracking of the earthmoving equipment. Once the equipment is detected, using a Direct Linear Transformation followed by a non-linear optimization, their positions are localized in 3D. In order to automatically analyze the performance of these operations, a new algorithm to recognize actions of the equipment is developed. First, a video is represented as a collection of spatio-temporal features by extracting space-time interest points and describing each with a Histogram of Oriented Gradients (HOG). The algorithm automatically learns the distributions of these features by clustering their HOG descriptors. Equipment action categories are then learned using a multi-class binary Support Vector Machine (SVM) classifier. Given a novel video sequence, the proposed method recognizes and localizes equipment actions. The proposed method has been exhaustively tested on 859 videos from earthmoving operations. Experimental results with an average accuracy of 86.33% and 98.33% for excavator and truck action recognition respectively, reflect the promise of the proposed method for automated performance monitoring. / Master of Science

L'imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technologie médicale par cathéter qui produit des images de coupe des vaisseaux sanguins. Elle permet de quantifier et d'étudier la morphologie de plaques d'athérosclérose en plus de visualiser la structure des vaisseaux sanguins (lumière, intima, plaque, média et adventice) en trois dimensions. Depuis quelques années, cette méthode d'imagerie est devenue un outil de choix en recherche aussi bien qu'en clinique pour l'étude de la maladie athérosclérotique. L'imagerie IVUS est par contre affectée par des artéfacts associés aux caractéristiques des capteurs ultrasonores, par la présence de cônes d'ombre causés par les calcifications ou des artères collatérales, par des plaques dont le rendu est hétérogène ou par le chatoiement ultrasonore (speckle) sanguin. L'analyse automatisée de séquences IVUS de grande taille représente donc un défi important. Une méthode de segmentation en trois dimensions (3D) basée sur l'algorithme du fast-marching à interfaces multiples est présentée. La segmentation utilise des attributs des régions et contours des images IVUS. En effet, une nouvelle fonction de vitesse de propagation des interfaces combinant les fonctions de densité de probabilité des tons de gris des composants de la paroi vasculaire et le gradient des intensités est proposée. La segmentation est grandement automatisée puisque la lumière du vaisseau est détectée de façon entièrement automatique. Dans une procédure d'initialisation originale, un minimum d'interactions est nécessaire lorsque les contours initiaux de la paroi externe du vaisseau calculés automatiquement sont proposés à l'utilisateur pour acceptation ou correction sur un nombre limité d'images de coupe longitudinale. La segmentation a été validée à l'aide de séquences IVUS in vivo provenant d'artères fémorales provenant de différents sous-groupes d'acquisitions, c'est-à-dire pré-angioplastie par ballon, post-intervention et à un examen de contrôle 1 an suivant l'intervention. Les résultats ont été comparés avec des contours étalons tracés manuellement par différents experts en analyse d'images IVUS. Les contours de la lumière et de la paroi externe du vaisseau détectés selon la méthode du fast-marching sont en accord avec les tracés manuels des experts puisque les mesures d'aire sont similaires et les différences point-à-point entre les contours sont faibles. De plus, la segmentation par fast-marching 3D s'est effectuée en un temps grandement réduit comparativement à l'analyse manuelle. Il s'agit de la première étude rapportée dans la littérature qui évalue la performance de la segmentation sur différents types d'acquisition IVUS. En conclusion, la segmentation par fast-marching combinant les informations des distributions de tons de gris et du gradient des intensités des images est précise et efficace pour l'analyse de séquences IVUS de grandes tailles. Un outil de segmentation robuste pourrait devenir largement répandu pour la tâche ardue et fastidieuse qu'est l'analyse de ce type d'images. / Intravascular ultrasound (IVUS) is a catheter based medical imaging technique that produces cross-sectional images of blood vessels. These images provide quantitative assessment of the vascular wall, information about the nature of atherosclerotic lesions as well as the plaque shape and size. Over the past few years, this medical imaging modality has become a useful tool in research and clinical applications, particularly in atherosclerotic disease studies. However, IVUS imaging is subject to catheter ring-down artifacts, missing vessel parts due to calcification shadowing or side-branches, heterogeneously looking plaques and ultrasonic speckle from blood. The automated analysis of large IVUS data sets thus represents an important challenge. A three-dimensional segmentation algorithm based on the multiple interface fast-marching method is presented. The segmentation is based on region and contour features of the IVUS images: a new speed fonction for the interface propagation that combines the probability density functions (PDFs) of the vessel wall components and the intensity gradients is proposed. The segmentation is highly automated with the detection of the lumen boundary that is fully automatic. Minimal interactions are necessary with a novel initialization procedure since initial contours of the external vessel wall border are also computed automatically on a limited number of longitudinal images and then proposed to the user for acceptance or correction. The segmentation method was validated with in-vivo IVUS data sets acquired from femoral arteries. This database contained 3 subgroups: pullbacks acquired before balloon angioplasty, after the intervention and at a 1 year follow-up examination. Results were compared with validation contours that were manually traced by different experts in IVUS image analysis. The lumen and external wall boundaries detected with the fast-marching method are in agreement with the experts' manually traced contours with similarly found area measurements and small point-to-point contour differences. In addition, the 3D fast-marching segmentation method dramatically reduced the analysis time compared to manual tracing. Such a valdiation study, with comparison between pre- and post-intervention data, has never been reported in the IVUS segmentation literature. In conclusion, the fast-marching method combining the information on the gray level distributions and intensity gradients of the images is precise and efficient to analyze large IVUS sequences. It is hoped that the fast-marching method will become a widely used tool for the fastidious and difficult task of IVUS image processing.

En contexte tempéré, les études sur l'instabilité spatio-temporelle de la sensibilité des essences forestières au climat sont rares et souvent conduites à des échelles locales et régionales ; de telles approches ne permettant pas d'obtenir une vision globale de la réponse à l'environnement et à ses variations. La fusion de jeux de données dendrochronologiques (plus de 4500 arbres carottés) a permis d'analyser le comportement de croissance de sept essences européennes tempérées majeures (Quercus petraea, Fagus sylvatica, Abies alba, Picea abies, Pinus sylvestris, Pinus nigra, Pinus uncinata) dans des contextes climatiques variés (océanique à subalpin) et sur l'ensemble du 20ème siècle. Ce travail a également permis de préciser dans quelles mesures les conditions écologiques locales modulaient cette sensibilité au climat. Les relations cerne-climat ont été évaluées par le calcul de fonctions de corrélation. Quelque soit l'essence et le contexte écologique, la sécheresse estivale est le principal facteur limitant la croissance radiale (mais non l'unique), suivie par la sécheresse de l'automne précédent et enfin le froid hivernal. La variabilité spatiale de la réponse dépend plus fortement de la pluviométrie que des températures, une pluviométrie faible conduisant à une sensibilité plus forte au froid hivernal et aux sécheresses estivale et automnale. Ce comportement général est modulé par les conditions écologiques locales, avec une sensibilité à la sécheresse moindre sur sol profond. Les différences interspécifiques s'expriment principalement hors saison de végétation (novembre à mars), même si les corrélations sont rarement significatives. La croissance des résineux est généralement stimulée par des fins d'hiver chauds (février à avril), alors que celle des feuillus est corrélée négativement aux températures et positivement aux précipitations en décembre et janvier. Ces différences entre essences s'avèrent plutôt stables le long des gradients climatiques. Enfin, l'analyse temporelle révèle de fortes instabilités des relations cerne-climat au cours du siècle dernier. Le sens et l'ampleur de ces variations sont homogènes le long des gradients écologiques, mais en revanche peu synchrones avec les instabilités climatiques (automne, hiver, printemps) ou écophysiologiquement peu logiques (été). Cette faible cohérence entre tendances climatiques et instabilité de la sensibilité au climat pourrait s'expliquer par l'absence d'une contrainte climatique de croissance unique en contexte tempéré, où la largeur de cerne est sous le double contrôle du froid hivernal et du stress hydrique estival (et automnal). Elle pourrait également provenir de phénomènes non climatiques, tels que l'effet biologique lié au vieillissement ou l'évolution progressive des pratiques de gestion forestière. Les analyses des variations spatio-temporelles de sensibilité au climat questionnent également sur la précision des relations cerne-climat, estimée le plus souvent au travers du calcul des fonctions de corrélation. En effet, les comparaisons inter-région, inter-site et inter-période des réponses révèlent souvent des variations de corrélations dont les grandeurs pourraient être de l'ordre de la précision liée à l'échantillon considéré. Nous proposons ici de quantifier l'effet de la taille (nombre d'arbres carottés) et des caractéristiques de l'échantillon (nombre de placettes, nombre d'arbres par placette, statuts sociaux couverts) sur la qualité de l'estimation du signal environnemental contenu dans la chronologie moyenne et des fonctions de corrélation. Cette analyse a permis également de préciser dans quelles mesures les différences (1) de traits fonctionnels entre espèces et (2) de contextes climatiques (plus ou moins limitants) modulent cet effet « échantillon ». [...] Suite et fin du résumé dans la thèse. / In temperate conditions, studies dealing with spatio-temporal instabilities in climate sensitivity of forest tree species are scarce and often led at local and regional scales, which prevents from drawing global responses to the environment and its variations. The dendrochronological dataset merging (more than 4500 cored trees) allowed analyzing the growth pattern of seven major European species (Quercus petraea, Fagus sylvatica, Abies alba, Picea abies, Pinus sylvestris, Pinus nigra, Pinus uncinata) in various climatic contexts (oceanic to subalpine) and over the 20th century. This thesis also investigated the climate sensitivity modulation by local ecological conditions. Climate-growth relationships were studied through the calculation of correlation functions. Regardless of the species and the ecological context, summer drought is the main growth limiting factor (but not the unique one), followed by previous autumn drought and winter frost. Spatial variability in response to climate depends more heavily on pluviometry than temperature, decreasing amount of precipitation leading to increasing sensitivities to summer and previous autumn droughts and also winter frost. This general pattern is modulated the local ecological conditions, with especially a lower sensitivity to drought on deep soils. Species-specific responses to climate are mainly evidenced out of the growing season (November to March), even if correlations are rarely significant. The growth of conifers is generally enhanced by warm late winters (February to April), while that of broadleaves is negatively correlated to temperatures and positively to precipitation in December and January. These between-species differences turn out to be stable along the climatic gradients. Lastly, the temporal analysis evidences strong climate-growth relationships instabilities over the last century. The way and the magnitude of these variations are rather homogenous along the ecological gradients, but display low synchronicity with climatic instabilities (autumn, winter and spring) and are ecophysiologically difficult to explain (summer). Such incoherencies between climatic trends and climate sensitivity trends could be related to absence of a single growth limiting factor under temperate context, since tree-ring is under the control of both winter frost and summer (and autumn) drought. They could also result from non-climatic phenomenon, such as the biological the age-related biological effect or progressive changes in forest management. The analyses of spatio-temporal variations in sensitivity climate question on the precision of the climate-growth relationships, most of the time estimated with correlation functions. Indeed, inter-plot, inter-region and inter-period comparisons of responses often highlight differences in correlations which could be of the same magnitude than that of the precision related to the investigated sample. We thus propose to quantify the effect of the sample size (number of cored trees) and characteristics (number of plots, number of trees per plot, sampled social statuses) on the accuracy of the estimation of both the environmental signal estimation contained in the growth chronology and the correlation functions. This analysis also investigates the modulation of such effects by the species-specific functional traits and the strength of the environmental growth limitation. [...] Last and final summary in the thesis.

Sur une droite, le transport optimal ne pose pas de difficultés. Récemment, ce constat a été utilisé pour traiter des problèmes plus généraux. En effet, on a remarqué qu'une habile désintégration permet souvent de se ramener à la dimension un, ce qui permet d'utiliser les méthodes afférentes pour obtenir un premier résultat, que l'on fait ensuite évoluer pour gagner en précision.Je montre ici l'efficacité de cette approche, en revenant sur deux problèmes déjà résolus partiellement de cette manière, et en complétant la réponse qui en avait été donnée.Le premier problème concerne le calcul de l'application de Yann Brenier. En effet, Guillaume Carlier, Alfred Galichon et Filippo Santambrogio ont prouvé que celle-ci peut être obtenue grâce à une équation différentielle, pour laquelle une condition initiale est donnée par le réarrangement de Knothe--Rosenblatt (lui-même défini via une succession de transformations unidimensionnelles). Ils n'ont cependant traité que des mesures finales discrètes ; j'étends leur résultat aux cas continus. L'équation de Monge--Ampère, une fois dérivée, donne une EDP pour le potentiel de Kantorovitch; mais pour obtenir une condition initiale, il faut utiliser le théorème des fonctions implicites de Nash--Moser.Le chapitre 1 rappelle quelques résultats essentiels de la théorie du transport optimal, et le chapitre 2 est consacré au théorème de Nash--Moser. J'expose ensuite mes propres résultats dans le chapitre 3, et leur implémentation numérique dans le chapitre 4.Enfin, le dernier chapitre est consacré à l'algorithme IDT, développé par François Pitié, Anil C. Kokaram et Rozenn Dahyot. Celui-ci construit une application de transport suffisamment proche de celle de M. Brenier pour convenir à la plupart des applications. Une interprétation en est proposée en termes de flot de gradients dans l'espace des probabilités, avec pour fonctionnelle la distance de Wasserstein projetée. Je démontre aussi l'équivalence de celle-ci avec la distance usuelle de Wasserstein. / In dimension one, optimal transportation is rather straightforward. The easiness with which a solution can be obtained in that setting has recently been used to tackle more general situations, each time thanks to the same method. First, disintegrate your problem to go back to the unidimensional case, and apply the available 1D methods to get a first result; then, improve it gradually using some evolution process.This dissertation explores that direction more thoroughly. Looking back at two problems only partially solved this way, I show how this viewpoint in fact allows to go even further.The first of these two problems concerns the computation of Yann Brenier's optimal map. Guillaume Carlier, Alfred Galichon, and Filippo Santambrogio found a new way to obtain it, thanks to an differential equation for which an initial condition is given by the Knothe--Rosenblatt rearrangement. (The latter is precisely defined by a series of unidimensional transformations.) However, they only dealt with discrete target measures; I~generalize their approach to a continuous setting. By differentiation, the Monge--Ampère equation readily gives a PDE satisfied by the Kantorovich potential; but to get a proper initial condition, it is necessary to use the Nash--Moser version of the implicit function theorem.The basics of optimal transport are recalled in the first chapter, and the Nash--Moser theory is exposed in chapter 2. My results are presented in chapter 3, and numerical experiments in chapter 4.The last chapter deals with the IDT algorithm, devised by François Pitié, Anil C. Kokaram, and Rozenn Dahyot. It builds a transport map that seems close enough to the optimal map for most applications. A complete mathematical understanding of the procedure is, however, still lacking. An interpretation as a gradient flow in the space of probability measures is proposed, with the sliced Wasserstein distance as the functional. I also prove the equivalence between the sliced and usual Wasserstein distances.

L'imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technologie médicale par cathéter qui produit des images de coupe des vaisseaux sanguins. Elle permet de quantifier et d'étudier la morphologie de plaques d'athérosclérose en plus de visualiser la structure des vaisseaux sanguins (lumière, intima, plaque, média et adventice) en trois dimensions. Depuis quelques années, cette méthode d'imagerie est devenue un outil de choix en recherche aussi bien qu'en clinique pour l'étude de la maladie athérosclérotique. L'imagerie IVUS est par contre affectée par des artéfacts associés aux caractéristiques des capteurs ultrasonores, par la présence de cônes d'ombre causés par les calcifications ou des artères collatérales, par des plaques dont le rendu est hétérogène ou par le chatoiement ultrasonore (speckle) sanguin. L'analyse automatisée de séquences IVUS de grande taille représente donc un défi important. Une méthode de segmentation en trois dimensions (3D) basée sur l'algorithme du fast-marching à interfaces multiples est présentée. La segmentation utilise des attributs des régions et contours des images IVUS. En effet, une nouvelle fonction de vitesse de propagation des interfaces combinant les fonctions de densité de probabilité des tons de gris des composants de la paroi vasculaire et le gradient des intensités est proposée. La segmentation est grandement automatisée puisque la lumière du vaisseau est détectée de façon entièrement automatique. Dans une procédure d'initialisation originale, un minimum d'interactions est nécessaire lorsque les contours initiaux de la paroi externe du vaisseau calculés automatiquement sont proposés à l'utilisateur pour acceptation ou correction sur un nombre limité d'images de coupe longitudinale. La segmentation a été validée à l'aide de séquences IVUS in vivo provenant d'artères fémorales provenant de différents sous-groupes d'acquisitions, c'est-à-dire pré-angioplastie par ballon, post-intervention et à un examen de contrôle 1 an suivant l'intervention. Les résultats ont été comparés avec des contours étalons tracés manuellement par différents experts en analyse d'images IVUS. Les contours de la lumière et de la paroi externe du vaisseau détectés selon la méthode du fast-marching sont en accord avec les tracés manuels des experts puisque les mesures d'aire sont similaires et les différences point-à-point entre les contours sont faibles. De plus, la segmentation par fast-marching 3D s'est effectuée en un temps grandement réduit comparativement à l'analyse manuelle. Il s'agit de la première étude rapportée dans la littérature qui évalue la performance de la segmentation sur différents types d'acquisition IVUS. En conclusion, la segmentation par fast-marching combinant les informations des distributions de tons de gris et du gradient des intensités des images est précise et efficace pour l'analyse de séquences IVUS de grandes tailles. Un outil de segmentation robuste pourrait devenir largement répandu pour la tâche ardue et fastidieuse qu'est l'analyse de ce type d'images. / Intravascular ultrasound (IVUS) is a catheter based medical imaging technique that produces cross-sectional images of blood vessels. These images provide quantitative assessment of the vascular wall, information about the nature of atherosclerotic lesions as well as the plaque shape and size. Over the past few years, this medical imaging modality has become a useful tool in research and clinical applications, particularly in atherosclerotic disease studies. However, IVUS imaging is subject to catheter ring-down artifacts, missing vessel parts due to calcification shadowing or side-branches, heterogeneously looking plaques and ultrasonic speckle from blood. The automated analysis of large IVUS data sets thus represents an important challenge. A three-dimensional segmentation algorithm based on the multiple interface fast-marching method is presented. The segmentation is based on region and contour features of the IVUS images: a new speed fonction for the interface propagation that combines the probability density functions (PDFs) of the vessel wall components and the intensity gradients is proposed. The segmentation is highly automated with the detection of the lumen boundary that is fully automatic. Minimal interactions are necessary with a novel initialization procedure since initial contours of the external vessel wall border are also computed automatically on a limited number of longitudinal images and then proposed to the user for acceptance or correction. The segmentation method was validated with in-vivo IVUS data sets acquired from femoral arteries. This database contained 3 subgroups: pullbacks acquired before balloon angioplasty, after the intervention and at a 1 year follow-up examination. Results were compared with validation contours that were manually traced by different experts in IVUS image analysis. The lumen and external wall boundaries detected with the fast-marching method are in agreement with the experts' manually traced contours with similarly found area measurements and small point-to-point contour differences. In addition, the 3D fast-marching segmentation method dramatically reduced the analysis time compared to manual tracing. Such a valdiation study, with comparison between pre- and post-intervention data, has never been reported in the IVUS segmentation literature. In conclusion, the fast-marching method combining the information on the gray level distributions and intensity gradients of the images is precise and efficient to analyze large IVUS sequences. It is hoped that the fast-marching method will become a widely used tool for the fastidious and difficult task of IVUS image processing.

Suite à leur activation par des cellules présentatrices d’antigène, les lymphocytes T expriment le récepteur de chimiokines CXCR3 et peuvent alors infiltrer les tissus enflammés. Pour ce faire, CXCR3 permet aux cellules de détecter et de chimiotaxer vers des gradients de concentration croissants des chimiokines CXCL11 et CXCL10 retrouvées dans le milieu extracellulaire. Les gradients de chimiokines doivent être régulés afin d’assurer une réponse immunitaire adéquate. Toutefois, comment ces gradients sont formés, maintenus et éliminés n’est pas très bien compris. Il a été montré que certaines cellules participent à la régulation des gradients de chimiokines dans d’autres contextes. Pour ce faire, elles expriment des récepteurs de chimiokines spécialisés qui séquestrent les chimiokines, réduisant leur niveau dans le milieu extracellulaire. Ces récepteurs sont classés comme étant atypiques et n’induisent pas la chimiotaxie. Dans ce travail, nous proposons un mécanisme de régulation pour les chimiokines CXCL11 et CXCL10 qui est en ligne avec un mécanisme d’auto-génération de gradients de chimiokines par les lymphocytes T activés. / During the immune response, T lymphocytes are activated in lymph nodes by antigen-presenting cells. Following activation, T cells up-regulate the chemokine receptor CXCR3, which allows them to infiltrate inflamed tissues by a migratory process named chemotaxis. To do so, CXCR3 allows the cells to detect concentration gradients of the chemokines CXCL11 and CXCL10 which are secreted locally, at the inflammation site. The chemokine gradient represents a directional cue, indicating to cells in which direction to migrate. Chemokine gradients must be regulated to assure an appropriate immune response. However, how these gradients are formed, maintained and eliminated is not well understood. It has been shown in other contexts that cells participate in gradient shaping. To do so, they express specialised chemokine receptors who scavenge chemokines, reducing chemokine levels in the environment. These receptors are considered atypical because they do not induce chemotaxis. In this work, we provide evidence for the regulation of the chemokines CXCL11 and CXCL10 that is in line with self-generation of chemokine gradients by chemotaxing activated T cells.

Les changements climatiques et leurs impacts sur la biodiversité font aujourd'hui l'objet d'une attention croissante de la part de la communauté scientifique et des gestionnaires des écosystèmes naturels. En effet, le climat influence la biologie et l'écologie des espèces animales et végétales, depuis leur physiologie jusqu'à leur répartition. Les modifications climatiques pourraient donc avoir des répercussions importantes sur les espèces et les assemblages. Au sein des écosystèmes aquatiques continentaux, les poissons de rivière sont des organismes incapables de réguler leur température corporelle et soumis à une variabilité hydrologique importante ainsi qu'à de fortes pressions anthropiques. Leur réponse aux modifications du climat actuelles et à venir a pourtant été encore peu abordée. L'objectif de ce travail de thèse est donc d'évaluer les impacts potentiels du changement climatique sur les poissons des rivières françaises, et plus particulièrement sur la distribution des espèces et la structure des assemblages. Des données fournies par l'Office National de l'Eau et des Milieux Aquatiques ainsi qu'une approche de modélisation basée sur les niches écologiques des espèces (i.e., modèles de distribution) ont été utilisées. Différentes sources d'incertitude ont également été testées dans une approche d'ensembles afin de prendre en compte la variabilité entre les impacts projetés et fournir ainsi une évaluation robuste de ces impacts. La première partie de ce travail a consisté en l'identification des principaux déterminants environnementaux qui structurent la répartition spatiale des espèces de poisson au sein des réseaux hydrographiques. Globalement, il apparaît qu'une combinaison de facteurs climatiques et de variables décrivant l'habitat local et la position des habitats au sein des réseaux hydrographiques est importante pour expliquer la distribution actuelle des espèces. De plus, les espèces ont toutes des réponses différentes aux facteurs de l'environnement. Dans un second temps, nous avons mis en évidence que le choix de la méthode statistique de modélisation de la niche écologique est crucial, les patrons actuels et futurs de distribution prédits étant fortement contrastés selon la méthode de modélisation considérée. Cette dernière s'avère même être la principale source d'incertitude dans les projections futures, bien plus encore que les modèles climatiques de circulation générale et les scénarios d'émission de gaz à effet de serre. La variabilité entre les prédictions issues de plusieurs techniques de modélisation peut être prise en compte par une approche de consensus. Un modèle consensuel basé sur la valeur moyenne de l'ensemble de prédictions est capable de prédire correctement la distribution actuelle des espèces et la composition des assemblages. Nous avons donc choisi de retenir cette approche pour évaluer au mieux les impacts potentiels du changement climatique sur les poissons des rivières françaises à la fin du 21ème siècle. Nous avons montré que la majorité des espèces de poisson pourrait être affectée par les futures modifications du climat. Seules quelques espèces d'eau froide (e.g. truite fario, chabot) pourraient restreindre leur distribution aux parties les plus apicales des réseaux hydrographiques. Au contraire, les espèces tolérant des températures plus élevées pourraient coloniser de nouveaux habitats et étendre ainsi leur répartition. Ces modifications de la distribution des espèces pourraient conduire à un réarrangement des assemblages au niveau taxonomique et fonctionnel. Une augmentation de la diversité locale et de la similarité régionale (i.e., homogénéisation) sont ainsi prédites simultanément. L'ensemble de ces résultats apporte donc des éléments sur la compréhension de la distribution des poissons d'eau douce et sur les conséquences du changement climatique qui peuvent être envisagées. Ce travail fournit ainsi une base aux acteurs de la gestion de la biodiversité afin d'initier des mesures de conservation concrètes. De plus, les considérations méthodologiques développées dans cette thèse sont une contribution importante à l'amélioration des projections issues de modèles statistiques de distribution et à la quantification de leur incertitude. / Climate change and its impact on biodiversity are receiving increasing attention from scientists and people managing natural ecosystems. Indeed, climate has a major influence on the biology and ecology of fauna and flora, from physiology to distribution. Climate change may thus have major consequences on species and assemblages. Among freshwater ecosystems, stream fish have no physiological ability to regulate their body temperature and they have to cope with streams' hydrological variability and strong anthropogenic pressures. Yet their response to current and future climate change has been poorly studied. The aim of this PhD thesis is to assess the potential impact of climate change on fish in French streams, mainly on species distribution and assemblages' structure. Data provided by the Office National de l'Eau et des Milieux Aquatiques combined with a modelling approach based on species' ecological niche (i.e., distribution models) have been used. Several sources of uncertainty have also been considered in an ensemble modeling framework in order to account for the variability between projected impacts and to provide reliable estimates of such impact. First, we have identified the main environmental factors that determine the spatial distribution of fish species within river networks. Overall, it appears that a combination of both climatic variables and variables describing the local habitat and its position within the river network is important to explain the current species distribution. Moreover, each fish species responded differently to the environmental factors. Second, we have highlighted that the choice of the statistical method used to model the fish ecological niche is crucial given that the current and future patterns of distribution predicted by different statistical methods vary significantly. The statistical method appears to be the main source of uncertainty, resulting in more variability in projections than the global circulation models and greenhouse gas emission scenarios. The variability between predictions from several statistical methods can be taken into account by a consensus approach. Consensual predictions based on the computation of the average of the whole predictions ensemble have achieved accurate predictions of the current species distribution and assemblages' composition. We have therefore selected this approach to assess the potential impacts of climate change on fish in French streams at the end of the 21st century with the highest degree of confidence. We have found that most fish species could be sensitive to the future climate modifications. Only a few cold-water species (i.e., brown trout, bullhead) could restrict their distribution to the most upstream parts of river networks. On the contrary, cool- and warm-water fish species could colonize many newly suitable habitats and expand strongly their distribution. These changes of species distribution could lead to a rearrangement of fish assemblages both at the taxonomic and functional levels. An increase in local diversity together with an increase in regional similarity (i.e., homogenization) are therefore expected. All these results bring new insights for the understanding of stream fish species distribution and expected consequences of climate change. This work thus provides biodiversity managers and conservationists with a basis to take efficient preservation measures. In addition, methodological developments considered in this PhD thesis are an important contribution to the improvements of projections by statistical models of species distribution and to the quantification of their uncertainty.

Les changements globaux récents affectent la physiologie, la distribution et la phénologie des espèces, ainsi que la dynamique des populations et les interactions entre espèces. Les interactions plantes-pollinisateurs sont particulièrement menacées par les changements globaux et la perturbation de ces interactions peut avoir des conséquences importantes sur le système de reproduction des espèces végétales. Dans ce contexte des changements globaux, nous avons déterminé les cortèges de visiteurs de Rhododendron ferrugineum le long de gradients environnementaux et étudié comment la variabilité de leur efficacité affectait le système de reproduction de cette espèce. Nous nous sommes également intéressés à l’histoire biogéographique de cette espèce et comment elle a répondu à des changements passés tels que les dernières glaciations. Nous avons mis en évidence que R. ferrugineum est visité par une large diversité d’espèces d’insectes. L’efficacité des cortèges de visiteurs varie le long de gradients environnementaux mais ne semble pas avoir un impact sur le système de R. ferrugineum. Cette espèce présente un système mixte de reproduction, avec une capacité à l’autofécondation mais les taux élevés de dépression de consanguinité limitent le développement des individus issus d’autofécondation. Cette forte dépression de consanguinité a permis un maintien relativement élevé de la diversité génétique dans les Pyrénées. Un tel niveau de dépression de consanguinité ne permet pas l’évolution de l’autofécondation et maintient ainsi le système mixte de reproduction chez R. ferrugineum. La capacité d’autofécondation de R. ferrugineum pourrait lui permettre de coloniser de nouveaux milieux ou de survivre aux changements globaux. Durant les dernières glaciations, R. ferrugineum a survécu dans de grands refuges de basse altitude ainsi que dans des nunataks (refuges de haute altitude). Quelques populations marginales présentent un taux significatifs de consanguinité (FIS> 0) et des niveaux de diversité génétique particulièrement faibles. Ce patron génétique est consistant avec des évènements de fondation accompagnés de perte de diversité génétique et d’hétérozygotie durant les périodes d’expansion de l’aire de répartition de l’espèce. Ces données suggèrent que la dépression de consanguinité dans ces populations devait être faible et que l’assurance reproductive a joué un rôle fondamental dans l’établissement de ces populations. / Recent global changes affect the physiology, distribution and phenology of species, also they impact population dynamic and interactions among species. Plantpollinators interactions are particularly threated by global changes and perturbations of these interactions may lead to important changes in plant mating system. In this context of globalchanges, we determined the pollinator assemblages of Rhododendron ferrugineum and howthe variability of their efficiencies affects the mating system. We also studied thebiogeographic history of R. ferrugineum and how it responds to past climatic changes.We have shown that R. ferrugineum is visited by a large variety of insects. Visitorassemblages efficiency varied along environmental gradients but did not seem to impact themating system of R. ferrugineum. This species presents a mixed mating system, indeed it isable to self-fecundate but high levels of inbreeding depression are limiting the development of self-fecundate descendants. High levels of inbreeding depression maintain high genetic diversity in the Pyrenees. Also, it did not allow the evolution of selfing and maintain a mixed mating system. The ability to self-fecundate may favor the colonization of new habitats.During the last glaciation, R. ferrugineum survived in large lowland refugia and in nunataks at high altitude. Some marginal populations present a high level of selfing (FIS> 0) and low genetic diversity. This genetic pattern is consistent with foundation events and loss of genetic diversity and heterozygosity along colonization rods. Our data suggest that inbreeding depression in these populations should have been low and the reproductive assurance played akey role in the establishment of these populations.

Bipolar electrochemistry is an interesting concept for high throughput screening techniques due to the ability to induce gradients in a range of materials and their properties, such as composition, particle size, or dopant levels, among many others. One of the key advantages of the method is the ability to test, create or modify materials without the need for a direct electrical connection. In this thesis, the viability of this method has been explored for a range of possible applications, such as metal recycling, nanoparticle modification and corrosion analysis. In the initial part of the work a process to electrodeposit gradients in metal composition was evaluated, with a view to applying the technique to the extraction and recycling of metals from fly ash. Compositional gradients in the metals under study could be readily obtained from controlled reference solutions, although the spatial resolution of the metals was not sufficient to perform separation. Only copper could be easily deposited from the fly ash solution. Bipolar electrodeposition was also successfully used to modify the particle size across substrates decorated with gold nanoparticles. The approach was demonstrated both for surfaces possessing either a uniform particle density or a gradient in particle density. In the latter case samples with simultaneous, orthogonal gradients in both particle size and density were obtained. A combination of the bipolar approach with rapid image analysis was also evaluated as a method for corrosion screening, using quantitative analysis of gradients in pitting corrosion damage on stainless steels in HCl as a model system. The factors affecting gradient formation and the initiation of corrosion were thoroughly investigated by the use of a scanning droplet cell (SDC) technique and hard x-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES). The ability to screen arrays of different materials for corrosion properties was also investigated, and demonstrated for stainless steel and Ti-Al alloys with pre-formed compositional gradients. The technique shows much promise for further studies and for high throughput corrosion screening applications.