Approximately 200,000 anterior cruciate ligament (ACL) injuries occur each year with about 100,000 of these injuries undergoing reconstruction (ACLR). The impetus of ACLR is to allow previously high functioning, physically active individuals to return to desired levels of sports participation and to engage in recommended levels of physical activity. However, 1 out of 3 patients after ACLR fail to return to competitive levels of sport and meet recommended levels of physical activity. Injury-related fear has been cited as the primary barrier for failure to return to sport. However, the research has been primarily qualitative in nature and limited research has quantitatively examined the impact of injury-related fear on return to sport and physical activity engagement in this population. In addition to quantifying the impact of injury-related fear, no research has examined the underlying neural substrates associated with injury-related fear after ACLR. Previous research has demonstrated that patients after ACLR undergo neuroplasticity in sensorimotor regions of the brain and exhibit changes in neurocognitive functioning. Despite previous research in other musculoskeletal pathologies demonstrating neuroplasticity in emotional regulation centers of the brain, no research has examined these brain regions in patients after ACLR. Furthermore, previous research in healthy athletes has suggested that psychosocial impairments can lead to changes in neurocognitive functioning, including reaction time. Understanding these neural substrates could provide insight into appropriate intervention strategies to decrease injury-related fear, increase return to sport and physical activity engagement, and potentially improve neurocognitive functioning in patients after ACLR. The purpose of this dissertation was to further investigate the effects of injury-related fear on patients after ACLR and to determine the efficacy of a cognitive behavioral intervention to decrease injury-related fear in this population. The purposes of these studies were to determine whether patient-based, specifically psychological, and functional outcomes were associated with return to sport and physical activity levels in individuals with a history of ACLR, to determine differences in brain activation patterns when exposed to fear-eliciting stimuli in individuals with a history of ACLR compared healthy matched controls, and to determine the efficacy of in vivo exposure therapy on self-reported fear and reaction times in participants post-ACLR. The results of these studies indicate that injury-related fear was quantitatively associated with return to sport and physical activity engagement in patients after ACLR. Additionally, individuals with a history of ACLR activated emotional regulation centers of the brain in greater depth when compared to healthy matched controls. Lastly, in vivo exposure therapy decreased self-reported injury-related fear for specific functional tasks but did not improve general fear response or reaction time in post-ACLR participants. The results of these studies objectively elucidate the negative impact of injury-related fear in patients with a history of ACLR.

This dissertation is composed of two independent studies: Cellular research and WBAN (Wireless Body Area Network) research. Both investigations are directed towards improving the system performance in wireless communication systems in terms of Quality of Service (QoS) and system capacity. For the Cellular research part, this dissertation will present novel user-specific QoS requirements as defined by their respective Mean Opinion Score (MOS) formulas, and associated schedulers for wireless applications and systems that optimize spectral allocation. User-specific QoS requirements are defined and several methods to make use of such requirements to maximum the spectral utilization are presented. Five User-Specific QoS Aware (USQA) schedulers are proposed that consider the user-specific QoS requirements in the allocation of spectral resources. Schedulers are introduced that dynamically adapt to the user-specific QoS requirements to improve quality as measured by the MOS, or the system capacity, or can improve both the quality and system capacity. Due to the different cell deployment arrangements and inter-cell interference in heterogeneous networks in comparison to homogeneous networks, the USQA scheduling is also analyzed and the system performance is evaluated in such networks. Throughput improvements of File Transfer Protocol (FTP) applications benefiting from the rate adaptation and MAC (Media Access Control) scheduling algorithms for video applications that incorporate user-specific QoS requirements to improve system capacity are demonstrated. Another novel approach recognizes that the user-specific frequency sensitivity can be used to improve capacity. There is considerable variation in the audible range of frequencies that can be perceived by individuals, especially at the high frequency end, which is primarily affected by a gradual decline with age. This can be utilized to improve the system performance by personalizing the VoIP codecs and decreasing the user's source data rate for people from an older age group and thus increase the system capacity. Given the potentially substantial system performance gain resulting from the USQA schedulers, it is critical to analyze their feasibility and complexity in practical LTE (4G cellular) and future wireless systems. From the LTE system perspective, LTE QoS end-to-end signaling procedures are addressed, and corresponding protocol adaptations are analyzed in order to support the USQA schedulers. In addition, the optimal scheduling period is analyzed that trades off between performance gain and implementation complexity. In the WBAN research, MIMO (Multiple Input Multiple Output) in vivo antenna technologies are introduced and are motivated by the high data rate requirements of wirelessly transmitted low-delay High Definition (HD) video during Minimally Invasive Surgery (MIS). MIMO in vivo technologies are proposed to be used in the in vivo environments to enhance and determine the maximum data transmission rate while satisfying the Specific Absorption Rate (SAR) power limitations. Various factors are considered in the MIMO in vivo study including antenna separation, antenna angular positions, human body size, and system bandwidth to determinate the maximum data rate that can be supported.

La perception consciente du monde extérieur repose sur la coordination spatiotemporelle de l’activité des neurones corticaux. Les aires corticales primaires chez les mammifères sont organisées en six couches. Il a été proposé que l’information sensorielle soit traitée de façon sérielle à travers les 6 couches du cortex. D’abord au niveau de la couche IV, cible des afférences thalamiques. Ensuite au niveau des couches II/III, innervées par les neurones excitateurs de la couche IV. Et enfin par les neurones des couches profondes, V et VI, qui sont innervés par les cellules pyramidales des couches II/III. Les neurones pyramidaux de la couche V constituant la principale sortie du néocortex.Il a récemment été montré que les neurones des couches profondes reçoivent également des informations sensorielles directement par des afférences thalamiques, ce qui pose la question du rôle de la connectivité interlaminaire dans le traitement sensoriel opéré par le cortex.J’ai ainsi tiré profit de la technique d’électroporation in utero qui permet d’exprimer spécifiquement des protéines photo-activables dans les cellules pyramidales des couches II/III du cortex somesthésique primaire de la souris. En procédant à des enregistrements unitaires des neurones corticaux à la fois chez des animaux anesthésiés et éveillés, j’ai montré que le recrutement des neurones pyramidaux des couches II/III amplifie les réponses sensorielles des neurones de la couche V. Par ailleurs, l’analyse de cette amplification en fonction de l’intensité des stimulations sensorielles indique que la connectivité interlaminaire joue un rôle majeur dans la modulation du gain des neurones de la couche de sortie du cortex. / The sensory perception of the external world relies on the coordinated activity in space and time of cortical neurons. Primary sensory areas of mammals are organized in six layers.It has been suggested that sensory information is processed serially through the six layers of the cortex. Sensory information is supposed to propagate first through the layer IV, principal target of thalamic axonal projections. Cortical layers II/III then receive sensory information relayed by layer IV excitatory neurons. Finally, deep cortical layers V and VI are connected by layer II/III pyramidal cells. Layer V pyramidal neurons are the principal output of the neocortex.Recently, it has been shown that deep layer neurons receive direct thalamic inputs relaying sensory information. The role of the translaminar connectivity during sensory processing remains an opened question.I took the advantage of in utero electroporation to express photo-sensitive proteins specifically in layer II/III pyramidal cells of the mouse primary somatosensory cortex.By proceeding to extracellular recordings of cortical neurons of either anesthetized or awake mice, I have shown that the recruitment of layer II/III pyramidal neurons amplifies layer V neurons sensory responses. Moreover, the analysis of this amplification phenomenon as a function the sensory stimulation intensity suggests that translaminar connectivity can operate a gain modulation of the layer V pyramidal neurons.

Tensile strength of flexor tendon repair using barbed suture material in a dynamic ex vivo model. The purpose of this study was to compare two sutures; a knotted polydioxane with a knotless barbed in a 4-strand Kirchmayr-Kessler suture technique. Human flexor digitorum tendons were separated into four groups. Group 1 - polydioxane; Group 2 - barbed suture; Group 3 and 4 - same as group 1 and 2 with an additional peripheral running suture. In each group the repaired tendons were subjected to linear and cyclical loads. No difference in maximum tensile strength after linear and cyclical force could be detected between the knotted polydioxane suture and the knotless barbed suture. On linear force tests an additional circumferential repair increased the maximum tensile strength of both sutures. Cyclical force loading did not lead to a reduction of maximum strength. Following linear and cyclical loading the 4-strand barbed suture achieved maximum tensile strengths comparable to the 4-strand repair using the polydioxane suture. Barbed suture repair may offer the advantage of knotless suture techniques. / In einem ex vivo Modell wurde die Stabilität verschiedener Beugesehnennähte mit unterschiedlichen Nahtmaterialien und -methoden verglichen. Darunter eine knotenlose Technik mit Nahtmaterial mit Widerhaken. Des weiteren wurde der Stabilitätsvorteil durch eine zusätzliche Feinadaptionsnaht getestet. Angelehnt an eine frühe postoperative aktive Nachbehandlung wurde auch ein dynamisches Testmodell mit zyklischer Vorbelastung angewendet.

Psychostimulant-induced reinstatement of place preferences have been used to investigate underlying physiological mechanisms mediating drug-seeking behavior in adolescent and adult rodents; however, it is still unclear how psychostimulant exposure during adolescence affects neuronal communication in the mesolimbic dopamine (DA) pathway and whether these changes would elicit enhanced drug-seeking behavior later in adulthood. The aim of the present study was to investigate the effects of intra-ventral tegmental area (VTA) or intra-nucleus accumbens septi (NAcc) DA D2 receptor antagonist infusions on cocaine-induced reinstatement of cocaine place conditioning in high and low responders for cocaine reward. Adolescent rats were exposed to cocaine place conditioning [postnatal day (PND 28-39)] and divided into high and low responders for cocaine reward based on their place preference expression score. Place preferences were extinguished and guide cannula were implanted into either the VTA or NAcc followed by one of the following: 1) intra-VTA or intra-NAcc infusion of the DA D2 receptor antagonist sulpiride (100 µM) during a cocaine-primed reinstatement test (10 mg/kg/ip cocaine) or 2) measurement of NAcc DA levels during intra-VTA or intra-NAcc infusion of sulpiride (100 µM), a cocaine prime (10 mg/kg cocaine) and re-exposure to the cocaine paired chamber. Infusion of sulpiride into the VTA but not the NAcc blocked reinstatement of cocaine place conditioning in rats exposed to cocaine during adolescence. Furthermore, re-exposure to cocaine-associated cues and simultaneous local infusion of sulpiride into either the VTA or NAcc attenuated cocaine-induced increases in accumbal DA levels for rats pretreated with cocaine during adolescence, regardless of phenotype. These data suggest intrinsic compensatory mechanisms in the mesolimbic DA pathway mediate adolescent behavioral responsivity to cocaine prime-induced reinstatement of cocaine place conditioning later on in adulthood.

Human umbilical cord blood, an alternate source of haematopoietic stem cells (HSC), has been successfully used to reconstitute haematopoiesis in both related and unrelated transplant recipients. However, because CB has fewer total cells (and as a consequence fewer HSC and progenitor cells) CB transplant recipients often experience delayed engraftment as compared with that seen in bone marrow or mobilized peripheral blood transplant recipients. Delayed engraftment exposes patients to an increased risk of infection and bleeding. Cytokine-mediated expansion has been investigated to improve engraftment after CB HSC transplantation as a means to expand the total cell number and both the HSC and progenitors populations. However, its effect on HSC function remains controversial. We hypothesise that if cytokine-mediated expansion promotes divisional recruitment and multilineage differentiation it causes changes in phenotype and cell cycle related gene expression which may be detrimental to the engraftment capacity of haematopoietic cells. Therefore we investigated the relationship between cell division, phenotype and engraftment potential of CB CD34+ cells following cytokine-mediated expansion. High resolution cell division tracking using the fluorescent dye CFSE was used to monitor changes as a consequence of cytokine-mediated expansion in phenotype and function in CB CD34+ cells. Cytokine-mediated expansion caused upregulation of lineage and proliferation markers and adhesion molecules and downregulation of putative stem cell markers with concomitant cell division. However, these changes in phenotype as a consequence of cytokine-mediated expansion may not reflect or be predictive of a functional change in the expanded population. Cytokine-mediated expansion of CB CD34+ also caused changes in cell cycle related gene expression of G1 phase regulators. CB CD34+ cells exhibited expression of all D cyclins, albeit at different levels and p21WAF1 was differentially expressed across CB samples. The effect of cell division on the engraftment potential as a consequence of cytokine-mediated expansion was examined in CB CD34+. Cytokine-mediated expansion of CB CD34+ cells reduced, but did not completely eliminate engraftment potential, as a proportion of the expanded and divided cell populations retained their ability to engraft the NOD-SCID mouse. Overall, this study confirms reports in the literature that cytokine-mediated expansion induces changes in the phenotype of HSC and compromises their in vivo function.

Cette thèse a pour objectif de caractériser un système dosimétrique in vivo implantable pour la radiothérapie externe capable de réaliser, en temps réel, une mesure directe de la dose absorbée dans le volume cible. Ce système, nommé SECURIDOSE, met en œuvre une sonde implantable qui comporte à son extrémité distale un cristal de nitrure de gallium radioluminescent. La transduction par radioluminescence du nitrure de gallium a été étudiée et ses performances intrinsèques ont été comparées avec celles d'autres techniques de transduction mises en œuvre en dosimétrie in vivo. Ce mode de transduction offre un avantage en termes de un rendement de transduction qui est de 100000 photons/MeV. Le GaN a un temps de réponse très court (<1ns). Son émission bande à bande dans le UV est bien adaptée à une mesure en temps réel de la dose. Son spectre d'émission est étroit ce qui facilité la réjection spectrale des luminescences parasites. Le système proposé offre une réponse linéaire avec la dose d'irradiation qui ne dépend pas du débit de dose. Cette réponse reste linéaire même pour des doses d'irradiation très supérieures à celles délivrées au patient. De plus, les sondes SECURIDOSE restent opérationnelles après un cycle de stérilisation Gamma avec une irradiation par une source de 60Co à une dose de 29 kGy. Le GaN n'a pas une dépendance angulaire. Le seul désavantage du système, est la dépendance à l'énergie du faisceau du fait que le GaN n'est pas équivalent tissu. Une variation de 4.5% de la réponse du système a été observée entre deux énergies de faisceaux de photons 6MV et 18MV.

L'incidence des cancers cutanés est en constante progression. Leur diagnostic précoce et leur caractérisation in vivo constituent donc un enjeu important. Notre approche multi-modalités non invasive en spectroscopie fibrée résolue spatialement vise à coupler des mesures d'AutoFluorescence (AF) et de Réflectance Diffuse (RD). L'instrumentation développée permet des mesures co-localisées en multiple excitation d'autofluorescence (7 pics d'excitation centrés à 360, 368, 390, 400, 410, 420 et 430 nm) et en réflectance diffuse (390 à 720 nm) résolues spatialement à 5 distances inter-fibres (271, 536, 834, 1076, 1341 µm). Le protocole d'étude expérimental a porté sur les stades précoces de cancers cutanés UV-induits sur un modèle pré-clinique. L'analyse histopathologique a permis de définir 4 classes (états) de référence de tissus cutanés : Sain (S), Hyperplasie Compensatoire (HC), Hyperplasie Atypique (HA) et Dysplasie (D), menant à 6 combinaisons de paires histologiques à discriminer. Suite au prétraitement des spectres bruts acquis (suppression des artefacts, moyennage, filtrage, correction spectrale), puis à l'extraction, la sélection et la réduction de jeux de caractéristiques spectroscopiques les plus discriminantes, les performances de trois algorithmes de classification supervisée ont été comparées : k-Plus Proches Voisins (k-PPV), Analyse Discriminante Linéaire (ADL) et Machine à Vecteur de Support (MVS). Les contributions des différentes modalités ont également été évaluées : mono-excitation d'AF seule, Matrices d'Excitation-Emission en AF seules (EEMs), réflectance diffuse (RD) seule, couplage EEMs – RD et couplage EEMs – RD résolue spatialement. L'efficacité finale de notre méthode diagnostique a été évaluée en termes de sensibilité (Se) et de spécificité (Sp). Les meilleures résultats obtenus sont : Se et Sp ≈ 100% pour discriminer CH vs autres ; Sp ≈ 100% et Se > 95% pour discriminer S vs AH ou D ; Sp ≈ 74% et Se ≈ 63% pour discriminer AH vs D.

L'objectif principal de cette thèse est d'étudier in vitro et in vivo, le métabolisme de certains terpènes caractéristiques de régimes d'hiver-printemps ingérés par les chèvres laitières dans la région du Basilicate (Italie). Nous avons cherché à quantifier dans une première étape le métabolisme des terpènes en milieu fermentaire in vitro, et de caractériser les facteurs majeurs de variation de leur métabolisme. Nous avons également effectué un essai in vivo sur 4 terpènes particuliers (-pinène, -pinène, p-cymène, et linalool, les terpènes principaux ingérés par les chèvres en Basilicate) dans le but de valider les résultats obtenus in vitro, de caractériser leur devenir dans le rumen, et leur flux au niveau duodénal et sanguin. En parallèle nous avons étudié l'impact de ces terpènes sur le métabolisme ruminal des parois et des protéines, ainsi que leurs effets sur les performances des chèvres laitières. La partie expérimentale est composée de trois séries d'études. Les études méthodologiques, les études de métabolisme des terpènes in vitro et celles in vivo. Les études méthodologiques de mise au point d'une méthode d'extraction et d'analyse (SPME «Solid Phase Microextraction») ont été réalisées afin d'obtenir les conditions optimales pour l'extraction des terpènes en milieu fermentaire et dans la matrice sanguine. Le premier essai in vitro a conduit à une discrimination des terpènes testés en termes de leur disparition dans le jus de rumen, qui a été associée au type chimique du terpène considéré. Les terpènes hydrocarbones ont montré en effet une disparition beaucoup plus marquée par rapport aux terpènes oxygénés. Cette différence tient principalement à leurs différences de propriétés physico-chimiques, qui sépare en partie leur voie métabolique. La disparition de terpènes semble avoir deux causes principales, une intervention biologique d'origine microbienne et une interaction avec la matrice. Une propriété moins toxique et plus hydrophobe semble renforcer le métabolisme (dégradation) microbien et l'intervention de la matrice sur les terpènes hydrate de carbones par rapport à ceux oxygénés. Dans le deuxième essai in vitro, l'effet de trois facteurs de variation, le type d'inoculum (riche en fibre vs. riche en amidon), le type des bactéries (Gram + vs Gram -, sélectionnées par l'apport d'antibiotique) et le potentiel redox ont été étudiés sur le métabolisme des terpènes en milieu fermentaire. Les résultats obtenus ont montré que l'inoculum riche en fibre, théoriquement favorisant les bactéries cellulolytiques accroît la dégradation apparente de terpènes. L'absence d'un effet de l'ajout de l'antibiotique éliminant des bactéries Gram + a montré que ce sont les bactéries Gram - qui contribuent au métabolisme des terpènes. Enfin, l'augmentation du potentiel redox a augmenté la disparition de certains des terpènes testés, notamment dans l'inoculum riche en amidon. Les résultats obtenus dans les études in vitro concernant le métabolisme des terpènes, ont été confirmé par ceux observés in vivo. Toutefois une disparition supérieure observée in vivo a suggéré l'intervention d'autres facteurs de variation qui peuvent être attribué à l'absorption dans le rumen et une perte causée par rumination et éructation. L'impact de terpènes sur le métabolisme du rumen et la performance des chèvres laitières a été étudié par l'incorporation d'un mélange de quatre terpènes (mentionnées ci-dessus) à deux doses (0.05 et 0.5 ml/kg MSI). L'ingestion de terpènes n'a provoqué aucun effet sur le métabolisme ruminal des fibres, et des protéines. Les performances de production des chèvres n'ont pas été affectées par les terpènes; cependant une modification du taux protéique (chute du Taux protéique à dose faible) observée, peut être considérée comme un effet secondaire (effet de dilution) lié à une augmentation numérique de la production du lait à cette dose

Les anomalies moléculaires des tumeurs corticosurrénaliennes sporadiques, bénignes (adénomes corticosurrénaliens ; ACS) ou malignes (carcinomes corticosurrénaliens ; CCS), sont relativement bien caractérisées, tandis que leur implication dans chaque étape du processus de tumorigenèse, de l'initiation à la formation de tumeurs métastatiques, reste très peu connue. Nous ne savons également pas si les CCS et les ACS sont deux entités distinctes ou si les carcinomes font suite aux adénomes dans un processus tumoral multi-étapes. Les altérations les plus fréquemment liées aux CCS sont la mutation de N-Ras (12,5%), la mutation de TP53 (25%), la mutation de ß-caténine (30%) et la surexpression de IGF-2 (90%). Nous avons reproduit ces anomalies en surexprimant une forme oncogénique de Ras, RasG12V, un mutant de ß-caténine, ß-caténineS37A, un dominant négatif de p53, p53DD et la forme sauvage de IGF-2. Grace à un modèle de reconstruction tissulaire in vivo, consistant à transplanter des cellules corticosurrénaliennes bovines (BAC) sous la capsule rénale de souris immunodéficientes, nous avons entrepris de définir une combinaison minimale d'altérations permettant de transformer des BAC primaires en cellules malignes. Cette étude n'a pas permis de définir de combinaisons impliquant IGF-2 et ß-caténineS37A car, suite à leur transplantation, les BAC surexprimant ces gènes induisaient la formation d'une tumeur murine, masquant les cellules transplantées. Par ailleurs, nous avons montré que la coopération de RasG12V et p53DD induit la transformation complète des BAC primaires, mais selon un ordre précis. En effet, seule la séquence faisant intervenir la surexpression de RasG12V en tant que première altération, suivie de la surexpression de p53DD, permet une transformation maligne. Dans cette séquence, RasG12V seul induit un phénotype hyperplasique et l'ajout de p53DD provoque la progression de l'hyperplasie en CCS. Pour conclure, nous avons identifié la première combinaison d'altérations génétiques à l'origine d'un CCS (expression d'un oncogène et altération d'un gène suppresseur de tumeurs) et apporté un argument en faveur de la progression tumorale corticosurrénalienne multi-étapes. De plus, ce modèle animal pourrait constituer un outil intéressant pour définir des biomarqueurs de la malignité et développer des alternatives thérapeutiques pour le traitement des CCS.